引用本文
占梦军, 邱丽蓉, 邓振华. 利用Mimics软件进行气胸肺组织压缩程度计算的研究[J].刑事技术, 2019,44(3):242-245
ZHAN Mengjun, QIU Lirong, DENG Zhenhua. Using Mimics Software to Measure Compressed Lung Suffered from Pneumothorax[J]. Forensic Science and Technology,2019,44(3): 242-245  
Doi: 10.16467/j.1008-3650.2019.03.011
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利用Mimics软件进行气胸肺组织压缩程度计算的研究
占梦军, 邱丽蓉, 邓振华*
四川大学华西基础医学与法医学院,成都 610041

第一作者简介：占梦军,男,江西上饶人,硕士研究生,研究方向为法医临床学。E-mail: 1227423573@qq.com

* 通讯作者简介：邓振华,男,四川成都人,硕士,教授,研究方向为法医临床与法医影像学。E-mail: fydzh63@163.com
摘要

目的 考察Mimics软件在计算肺组织压缩程度中的应用前景,为气胸后肺组织压缩程度的计算提供一种新思路。方法 将气胸患者的胸部CT断层扫描的DICOM图像导入Mimics软件中,利用Mimics软件分别对患侧胸腔和压缩后的肺组织进行三维重建,并计算患侧胸腔体积、压缩后的肺组织体积以及肺组织压缩程度。结果 通过对数据的加工、图像的分割和编辑等方法,建立了具有较高几何相似性且结构完整的肺组织模型。结论 采用Mimics软件对发生气胸后的肺组织进行三维重建,可实现对肺组织的压缩程度进行测量计算,为发生气胸后肺组织压缩程度的计算提供了一种新思路。

关键词: 法医临床学; 肺压缩; Mimics软件; 三维重建
中图分类号:DF795.4 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2019)03-0242-04
Using Mimics Software to Measure Compressed Lung Suffered from Pneumothorax
ZHAN Mengjun, QIU Lirong, DENG Zhenhua*
West China School of Basic Medical Sciences & Forensic Medicine, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610041, China
Abstract

Objective To investigate the applicability of calculating the lung’s compression for providing a new idea on measuring the compressed lung after pneumothorax by using Mimics, a highly integrative and easy-to-use software producing and compiling 3D image through a medical imaging interactive controlling system, to reconstruct the lung tissue from pneumothorax.Methods CT DICOM images from scanning a pneumothorax patient’s chest, were imported into Mimics system so that the affected thoracic cavity and the compressed lung were restored and calculated of their capacity along with the compression degree.Results With data processing, image segmenting and editing plus other necessary means, a lung tissue model was set up of both high geometric similarity and structural integrity.Condusions The three-dimensional reconstruction of lung tissue after pneumothorax is able to carry out by Mimics software, with the lung’s compression degree capable of being measured and calculated, thus bringing birth of a new idea on calculating the compression degree of the lung suffered with pneumothorax.

Key words: forensic clinical medicine; lung compression; Mimics software; three-dimensional reconstruction

肺组织的压缩程度是法医临床司法鉴定中人体损伤程度确定的重要依据, 现行的《人体损伤程度鉴定标准》规定：“ 重伤二级 5.6.2 g）血胸、气胸或者血气胸, 伴一侧肺萎陷70%以上, 或者双侧肺萎陷均在50%以上。” “ 轻伤一级5.6.3 e）血胸、气胸或者血气胸, 伴一侧肺萎陷30%以上, 或者双侧肺萎陷均在20%以上。” 因此, 在血气胸损伤程度的鉴定中, 肺组织压缩程度的准确计算就显得尤为重要, 特别是当肺组织的压缩程度处于标准中的临界值附近时。在实际检案中对这一条件常常难以准确把握, 从而增加了鉴定的难度。以往均是根据X线片进行估计或者按照积分的原理对CT片各层面进行累计估算, 这些计算方法较为粗略、缺乏量化标准, 且操作繁琐。近期已有研究报道了肺压缩程度测量软件的成功研制[1], 但该软件并非可以公开免费获取, 不便于广泛应用于法医临床学鉴定中。本文采用广泛应用的Mimics软件对发生气胸后的肺组织进行三维重建, 考察其在计算肺组织压缩程度中的应用前景, 为广大法医工作者在肺压缩程度计算方面提供一种新思路和参考。

1 材料与方法
1.1 材料

在四川大学华西医院放射科数据库中选取1例气胸患者的胸部CT断层扫描的DICOM图像。图像扫描参数：管电压120 kV, 管电流110 mA, 矩阵128 mm× 0.6 mm, 层厚1 mm, 共380层。

1.2 原理

利用Mimics软件分别对患侧胸腔体积和压缩后的肺组织进行三维重建, 分别计算两者的体积。肺压缩程度=（患侧胸腔体积-压缩后的肺组织体积）/患侧胸腔体积× 100%。

1.3 方法

直接将胸部CT断层扫描的DICOM图像导入Mimics软件中, 按如下操作分别重建患侧胸腔和压缩后的肺组织：1）首先使用Thresholding工具对胸部CT图像进行阈值分割, 设定分割阈值为-1024~-486, 使双侧胸腔完全填充, 并使胸腔与胸壁软组织及骨骼完全区分开（图1）; 2）使用Crop Mask工具将患侧胸腔单独分割出来; 3）利用Region Growing工具进行区域增长, 将图像保存为蒙板; 4）通过Edit masks中Erase工具手动擦除与患侧胸腔相互连接的不相关区域, 使用Edit masks中Draw工具进行修缘和补洞（图2）。这一步在处理图像中是非常重要的, 当胸腔周围部分组织与肺组织阈值接近时, 有时软件较难完全自动区分, 容易产生伪影, 此时需要按照胸腔或者肺组织的轮廓进行手动擦除或者填充。此过程是参照原始断层图像中胸腔或者肺组织的轮廓对蒙板进行编辑, 所以是准确的编辑。5）再次利用Region Growing工具进行区域增长, 将图像保存为蒙板; 6）通过使用Calculate 3D工具对最后一次产生的蒙板进行三维重建（图3）; 7）在Properties工具上直接读出患侧胸腔的体积。按照上述步骤对压缩后的肺组织进行操作, 使用Thresholding工具对胸部CT图像进行阈值分割, 设定分割阈值为-892~-454, 使肺组织完全填充, 并使胸腔与肺组织完全区分开, 其余操作与上述相同, 经三维重建后直接在Properties工具上读出压缩后的肺组织体积（图4）。

图1 使用Thresholding工具对胸部CT图像进行阈值分割Fig.1 Segmenting the chest’ s CT images with Thresholding tool

图2 使用Crop Mask工具将患侧胸腔单独分割出来, 再利用Edit masks工具进行编辑, 手动擦除与患侧胸腔相互连接的不相关区域（图中绿色区域）Fig.2 Separating the image of affected thoracic cavity with Crop Mask tool, then editing by Edit mask tool, and manually erasing the unrelated areas connected to the selected image (the green parts in the picture)

图3 患侧胸腔三维模型的构建（a、b、c分别为利用Region Growing工具进行区域增长后的患侧胸腔的冠状面、矢状面及横断面图像蒙板; d为使用Calculate 3D工具对最后一次产生的蒙板进行三维重建后所获得的患侧胸腔图像）Fig.3 Construction of the three-dimensional model of the affected thoracic cavity (a, b and c: respectively representing the Region-Growing-tool-produced masks of coronal, sagittal and cross-sectional images from the affected thoracic cavity; d: the three-dimensional reconstructed image recovered with Calculate 3D tool to process the final mask of the affected thoracic cavity)

图4 压缩后的肺组织三维模型的构建（a、b、c分别为通过设置阈值, 将压缩后的肺组织快速与胸腔分开的冠状面、矢状面及横断面图像; d为压缩后的肺组织三维重建图像）Fig.4 Construction of the three-dimensional model of compressed lung (a, b and c: respectively representing the compressed lung’ s coronal, sagittal and cross-sectional images, obtained from rapidly separating from the imaging thoracic cavity by setting threshold; d: the three-dimensional reconstructed image of the compressed lung)

为了评估Mimics软件对体积分析测量的准确性, 我们应用555 mL空瓶分别盛装100、200 、400 mL液体, 分别对它们进行CT薄层扫描, 将扫描后的DICOM格式数据导入Mimics软件中, 对液体的体积分别进行测量（图5）。

图5 采用Mimics软件对不同体积液体进行测量（a、b、c、分别为100、200、400ml液体）Fig.5 Different volumes of liquids measured with Mimics software (a, b and c: liquids of 100, 200 and 400ml)

2 结果

通过将胸部CT断层扫描的DICOM图像导入Mimics软件中, 经数据的加工、图像的分割和编辑等方法, 建立了具有较高几何相似性且结构完整的肺组织模型。

本例患者V患侧胸腔=4028 920.62 mm3, V压缩后的肺组织=2709 536.87 mm3, 肺压缩程度=（4028 920.62-2709 536.87）/4028 920.62× 100%=32.75%。在评估Mimics软件对体积测量的准确性实验中, 分别对100、200、400 mL液体进行CT薄层扫描, 经Mimics软件测量, 所测体积值与实际体积值之间的平均绝对误差为2.9 mL。

3 案例应用

袁某, 30岁, 因打架斗殴致左侧发生气胸, 公安机关委托要求对其损伤程度进行鉴定。被鉴定人提供的伤后CT报告显示：左侧气胸, 肺压缩约70%。鉴定人接案后, 要求被鉴定人提供伤后的胸部CT断层扫描的DICOM图像。采用本文所述的方法, 分别对患侧胸腔和压缩后的肺组织进行三维重建, 得到患侧胸腔的体积为：V患侧胸腔=4163 525.33 mm3, 压缩后的肺组织体积为：V压缩后的肺组织=1538 422.61 mm3, 肺压缩程度=（4163 525.33-1538 422.61）/4163 525.33× 100%=63.05%。依据《人体损伤程度鉴定标准》中第5.6.3.e）条“ 血胸、气胸或者血气胸, 伴一侧肺萎陷30%以上” 之规定, 定为轻伤一级。

4 讨论

血气胸致肺组织压缩程度的评定是法医临床学鉴定中的重点, 有时亦是难点。目前临床上肺压缩程度的测定主要是通过X线透视或摄片后进行估算, 主要有目测法、面积法、体积法、三线法[2]。由于这些方法均是通过二维图像估算三维图像的体积, 存在较大的信息丢失, 导致肺组织压缩程度估算的不准确。近年来, 随着CT的普及和电脑软件的不断开发和应用, 以CT断层图片为基础的测量方法不断被提出[3, 4, 5, 6], 但基本思想均为积分法原理, 与三维图像的实际体积仍然存在误差。因为只有当CT断层扫描的层厚越薄, 将肺组织每个CT断层的面积进行积分求和得到的体积才会越近似肺组织的实际体积。当扫描层厚越厚, 丢失的数据信息也就越多, 得到的肺组织体积也就与真实体积相差较大。但是, 随着扫描的层厚越薄, CT断层片上的层数也就越多, 分别测量各个层面的面积进行积分求肺组织体积的方法就会更加繁琐复杂。

Mimics软件是Materialise公司研制的一种交互式医学影像控制系统, 是一套高度整合且易用的3D图像生成及编辑处理分析软件, 是国内外医学界应用范围较广的医学三维重建软件, 临床上常用来测量和设计安装假体, 且已有多个研究表明利用该软件对组织器官进行三维重建后获得的体积与实际体积几乎一致, 两者间无显著性差异[7, 8, 9, 10]。在评估Mimics软件对体积测量的准确性实验中, 我们应用555 mL空瓶分别盛装100、200、400 mL液体, 并对它们进行CT薄层扫描, 将扫描后的DICOM格式数据导入Mimics软件中, 对液体的体积分别进行测量, 所测体积值与实际体积值之间的平均绝对误差仅为2.9 mL。相关研究报道与我们的初步研究结果均提示Mimics软件可以快速准确测量目标体积, 较传统方法更可靠。因此, 该软件在测量方面的准确性和可靠性应是毋庸置疑的。本文采用Mimics软件对发生气胸后的肺组织及胸腔分别进行三维重建, 根据各组织在CT图像上的灰度值不同, 通过设置阈值, 能够高度自动化分割患侧胸腔和压缩后的肺组织, 从而快速重建并获取胸腔和肺组织的体积。由于壁胸膜和脏胸膜之间几乎紧密相连, 正常的肺组织几乎与胸腔体积相等。因此, 本文以胸腔体积代替被压缩前的肺组织体积方便计算。

与以往的测量方法相比, 采用Mimics软件测量肺压缩程度具有以下优点：1）具有较高的自动化程度, 能够大幅度减少测量花费的时间; 2）可操作性强, 按照上述操作方法只需简单的培训即可掌握测量方法; 3）适用性广, 无论是气胸, 还是血气胸均可根据不同组织在CT片上的灰度值不同, 利用阈值进行分割; 4）准确性高, 使用该方法能够三维立体地重建出胸腔和肺组织模型, 具有较高几何相似性和结构完整性, 并将体积精确到了0.01mm3, 能够更加准确地反应出胸腔和肺组织的体积, 从而可以准确计算出肺压缩程度。

由于临床诊疗与法医临床鉴定的目的及关注点不同, 在临床诊疗过程中为了方便快速做出诊断, 临床医生常常采用估算法。因此, 在实际检案中, 对于肺压缩的案例, 切忌直接采用临床检查报告中的压缩率进行损伤程度评定。此外, 若鉴定过程中采用前述传统方法进行测量, 测量误差仍然非常大。而利用本文所述方法, 通过对损伤当时的胸部CT断层扫描的DICOM图像进行三维重建, 可以准确测算出患侧胸腔和压缩后的肺组织体积, 从而准确计算出肺压缩程度, 使得测量结果更加具有说服力。本文选用的实际案例, 通过使用Mimics软件测量肺压缩程度, 得到的结果办案机关认可, 双方当事人均无异议, 取得了较好的社会效果。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 吴永波, 武斌, 李阳, 等. 气胸肺压缩程度测量软件的研制及其法医学应用[J]. 法医学杂志, 2018(3): 260-263. [本文引用:1]
[2] 魏仁国. 肺压缩容积影像学测量方法[J]. 医学综述, 2011, 17(23): 3639-3641. [本文引用:1]
[3] 袁阳刚. 利用Photoshop软件对CT片上肺萎陷程度进行计算初探[J]. 中国法医学杂志, 2016, 31(3): 297-298. [本文引用:1]
[4] 李耀芳, 王永青. 应用Photoshop软件精确计算肺萎陷度[J]. 中国法医学杂志, 2016, 31(2): 198-199. [本文引用:1]
[5] 谢骅, 崔玉宝. EasyTwain图像分析在肺萎陷程度鉴定中的应用[J]. 中国法医学杂志, 2015, 30(4): 417-418. [本文引用:1]
[6] 高海彬, 张大为. 一种测量和计算肺萎陷的简单方法[J]. 中国法医学杂志, 2016, 31(1): 80-80. [本文引用:1]
[7] 江晓兵, 黄伟权, 庞智晖, 等. 基于Mimics软件计算椎体强化术后椎体内骨水泥体积及骨水泥/椎体体积比的新方法[J]. 中国脊柱脊髓杂志, 2013, 23(3): 238-243. [本文引用:1]
[8] 邱锋, 马向阳, 杨进城. 应用Mimics测量脊髓容积[J]. 中国脊柱脊髓杂志, 2013, 23(11): 1043-1045. [本文引用:1]
[9] 刘秒, 张军梅, 张凤丹, 等. MIMICS软件建立青少年下颌骨数据三维有限元模型初探[J]. 贵州医科大学学报, 2017, 42(7): 843-846. [本文引用:1]
[10] 王钊, 黄纯海, 田志, 等. 基于Mimics 软件对颅内不规则血肿的体积测量研究[J]. 医学研究杂志, 2018, 47(1): 90-94. [本文引用:1]