MRI and CT image based on 3D reconstruction and medical rapid prototyping (MRP)

Abstract

In this research, an interactive software tool has been developed for creating 3D models of anatomical organs and other body structures from 2D medical imaging data. 3D models are generated by using the Marching Cubes algorithm and Planar Contour method by SolidWorks developed in Visual Basic Language. The research includes transferring CT and MRI images into digital binary matrixes, entering digital binary matrixes into SolidWorks environment, building feature library for 3D reconstruction, creating medical rapid prototyping models, and performing biomedical rapid design and manufacturing. CT and MRI images processing is obtained by capturing the patient scan data, converting the image format, extracting the gray scale of bone image, and transferring CT and MRI image into digital binary matrixes. 3D reconstruction is created by edge configuration generation and triangulated cube configuration generation in Marching Cubes algorithm and by capturing section contour points from medical image per slice, creating B-spline curve with the control points in each layer, producing solid model construction in Planar Contours method. Medical rapid prototyping models are performed in SolidWorks, including three views or any combination of views, for biomedical rapid designing and manufacturing according to the biomedical needs. Layered manufacturing techniques are used for producing parts of arbitrary complexity. The results of this research are the first to develop image processing 3D visualization in SolidWorks Application Programming Interface (API) using Visual Basic Language. The system performance is tested using truth CT and MRI data, and 3D physical models teeth and knee joint for MRP are created directly from SolidWorks. The results reveal that the accuracy of 3D reconstruction is acceptable.

En esta investigación, la herramienta de un software interactivo ha sido desarrollado para crear modelos tridimensionales de órganos anatómicos y otras estructuras del cuerpo humano partiendo de datos obtenidos en imágenes medicas de dos dimensiones. Los modelos tridimensionales son generados por medio de la utilización del algoritmo “Marching Cubes” o cubos marchantes y el método de perfiles de contornos planos del programa SolidWorks desarrollado en lenguaje Visual Basic. La investigación incluye la transferencia de imágenes CT y MRI en matrices digitales binarias ingresándolas al ambiente SolidWorks, y creando una librería de representaciones claves para la reconstrucción tridimensional; de esta forma se generan modelos de RP para aplicaciones medicas y se desarrollan diseños biomédicos rápidos para su fabricación. El procesamiento de las imágenes de CT o MRI son obtenidas capturando los datos del escaner de un paciente, y convirtiendo el formato de la imagen desde la extracción de datos de la escala de tonalidades grises de las imágenes de huesos y transfiriendo dichas imágenes CT y MRI en matrices digitales binarias. La reconstrucción 3D por medio de la generación de configuración de bordes y la generación de configuración de cubos triangulados en algoritmos de cubos marchantes; de esta manera se capturan los puntos de contorno de cada sección de la imagen medica por capas. De esta forma se van creando curvas tipo B-s por tiras con los puntos de control de cada capa, produciendo así un modelo sólido de construcción por el método ya mencionado de perfiles de contorno planos. Los modelos médicos de estereolitografía o RP son previamente desarrollados en SolidWorks, con las cuales se pueden ver los modelos desde sus tres diferentes vistas o la combinación de las mismas, siendo de gran ventaja para el diseño y fabricación rápido de modelos anatómicos de acuerdo con necesidades biomédicas. Las técnicas de manufactura por capas o laminados son usadas para producir partes de complejidad arbitraria. El principal objetivo de este proyecto es desarrollar el procesamiento de visualización de imágenes 3D en SolidWorks mediante Interfase de Aplicación Programada (API) usando lenguaje Visual Basic. Los datos para generar los modelos en 3D para la estereolitografía o prototipado rápido (RP) son creados simultáneamente. El desarrollo del sistema es probado usando datos reales de CT y MRI y un ejemplo de modelo de RP de dientes o articulaciones de rodilla fueron manufacturados. Los resultados revelan que la exactitud de la reconstrucción 3D es bastante aceptable.