单个部件的网格细化：股骨近端植入物和椎间盘
本教程将通过股骨近端植入物和椎间盘数据介绍如何对模型中的单个部件进行网格细化，比较不同细化类型的区别。
所用项目文件：
- ProximalFemur_WithImplant.sip
- Pre-segmented_LumbarSpine.sip
1. 股骨近端网格细化
1.1 细化网格
使用包含股骨近端分割掩膜和植入物 STL 格式的项目文件，通过 +FE Free 算法的网格细化区域设置对植入物部分进行更高单元密度的网格细化。
点击 File — Open project，打开 ProximalFemur_WithImplant.sip 项目文件。
1.1.1 配置模型
1.在 Dataset browser 区域，右键点击 Models，选择 Create a new FE Model。
2.将 Femur 掩膜 和 ProximalFemur_Implant 表面拖拽到 Model 1 (FE)，注意要在列表里将植入物放在股骨的上方。
3.右键点击 Model 1 (FE) 选择 Model configuration…
4.在 General 栏保留默认设置
5.在 Volume meshing 栏
- Mesh creation algorithm 选择 +FE Free。
- Mesh density 区域，选中 Masks 并将 Coarseness 滑块拖至 -50。
1.1.2 设置网格细化
1.在 Mesh refinement 栏点击 Add/manage regions，打开 Mesh refinement regions 面板。
2.将 3D 视图最大化，打开 Live 3D。
3.在 Mesh refinement regions 面板，点击 Frustum — Rectangular Frustum。
4.在 3D 视图，通过鼠标画矩形将模型包含在内。
5. 面板的列表中出现 Rectangular frustum1，选中查看 ROI 设置表格中的参数。
如果创建多个网格细化区域，可以通过单击区域列表中的相关名称设置对应的参数。选中区域中的某一个名称时，该区域将出现它的 ROI 操纵小部件，展示该区域目前为活动状态。
6. 目前 Refinement region 创建的区域是选中了所有的掩膜，接下来要设置为这个区域中的哪些掩膜进行细化。
1.1.3 选择网格细化的掩膜
1. 保持选中 Rectangular frustum1，在其下方表格中 Parts 所在行点击省略号按钮，打开 Choose the parts this volume will affect 对话框，显示包含在创建区域内的所有掩膜：
- 不勾选 Femur 掩膜，此示例不将网格细化应用到该区域。
- 点击OK 确认选择需要细化的掩膜，表格中的 Parts 行也已更新设置。
2. 更改Refinement type 为 Surface only。
3. 在 Mesh size (mm)，设置目标边长为 1.4 mm，其他选项保留为默认。意味着网格细化将只针对目标边长为 1.4 mm 的植入物表面。
4. 点击 Done 确认网格细化设置。在 Model configuration 对话框的 Mesh refinement 栏可以看到总结信息。如有需要，也可以这个表格中修改参数。
5. 点击 Close 确认模型设置。
1.1.4 生成网格
点击 FE model — General — Full model，启动创建体积网格的流程。
如上图所见，植入物表面的单元边长已得到细化，模型的其余部分都由 +FE Free 算法的全局设置控制。可点击 View — 3D clipping — Enable，使用 3D 视图中的裁剪框观察模型内部网格细化的影响。
1.2 每个部件的网格设置
如果想要为每个部件指定不同的网格密度，但不一定需要在整个部件中保持所有单元的大小相同，则可以在 Model configuration 对话框为每个部件设置网格。
1.2.1 配置模型
1.在 Dataset browser，右键点击 Models 选择 Create a new FE Model。
2.将 Femur 掩膜 和 ProximalFemur_Implant 表面拖拽到 Model 2 (FE)，注意要在列表里将植入物放在股骨的上方。
3.右键点击 Model 2 (FE) 选择 Model configuration…
4.在 General 栏保持默认设置
5.在 Volume meshing 栏
- Mesh creation algorithm 选择 +FE Free。
- 在 Mesh density 区域，选中 Masks 并将 Coarseness 滑块拖至 -50。
- 选中 Surfaces，点击右下角的 More options > > 按钮。
- 勾选 Edit options individually。
- 更改 Target minimum edge length (mm) 为 0.7，更改 Maximum edge length (mm) 为 1.4。
- 更改 surface change rate 为 30。
6. 点击 Close。
1.2.2 生成网格
点击 FE model — General — Full model，启动创建体积网格的流程。
如上所示，已通过单独设置 +FE Free 算法控制模型细化植入物区域。可点击 View — 3D clipping — Enable，使用 3D 视图中的裁剪框观察模型内部网格细化的影响。
2. 椎间盘的网格细化
2.1 细化网格
2.1.1 导入数据
点击 File — Open project，打开 Pre-segmented_LumbarSpine.sip 项目文件。
为了节省内存和处理时间，将首先删除预分割掩膜周围的空白区域。由于 Simpleware ScanIP 在 3D 可视化和网格划分中包含空白区域，因此删除任何空白区域可以减少内存的使用。在此过程中，原始全局原点将自动保留，因此可以在 Model configuration 对话框 General 栏的 Export options 区域进行坐标系的选择。全局原点也可以在 3D 视图可视化：点击 View — 3D display — Widgets，选择 Global origin。
2.1.2 移除项目文件中的空白区域
1.点击 Image processing — Transforms — Shrink wrap
2.在 Shrink wrap 对话框，设置 Calculate shrink wrap boundaries from 为 All masks。
3.设置所有方向上的 Padding 值为 3。
4. 点击 OK。
现在图像边界都移动到所有掩膜边缘的 3 个像素以内。建议至少是使用 3 个像素，即为不干扰网格平滑所需的最小空间量。
2.1.3 配置模型
1. 在 Dataset browser， 右键点击 Models 选择 Create a new FE Model。
2. 将 Intervertebral Disc、L3、L4 掩膜拖拽到 Model 1 (FE)。
3. 右键点击 Model 1 (FE) 选择 Model configuration…
4. 在 General 栏，
- 选择 Binarise before smoothing
- 勾选 Use smart mask smoothing，设置 iterations 为 20。
- 勾选 Allow part change。
5. 在 Volume meshing 栏：
- Mesh creation algorithm 选择 +FE Free
- 在 Mesh density 区域，选择 Masks 并将 Coarseness 滑块拖动至 -20。
2.1.4 设置网格细化
1.在 Mesh refinement 栏，点击 Add/manage regions 打开 Mesh refinement regions 面板。
2.将 3D 视图最大化，打开 Live 3D。
3.在 Mesh refinement regions 面板，点击 Frustum — Rectangular Frustum。
4.在 3D 视图，通过鼠标画矩形将整个椎间盘模型包含在内。
5. 面板的列表中出现 Rectangular frustum1，选中查看 ROI 设置表格中的参数。
2.1.5 选择网格细化的掩膜
1. 保持选中 Rectangular frustum1，在其下方表格中的 Parts 所在行点击省略号按钮，打开 Choose the parts this volume will affect 对话框，显示包含在创建区域内的所有掩膜：
- 不勾选 L3 和 L4 掩膜。
- 点击OK 确认选择需要细化的掩膜，表格中的 Parts 行也已更新设置。
2. 保持其他设置为默认值。默认地，Mesh size (mm) 是设置项目的体素尺寸。
3. 点击 Done 确认网格细化设置，返回至 Mode configuration dialog 对话框的 Mesh refinement 栏。
4. 点击 Close 确认模型设置。
2.2 生成网格
点击 FE model — General — Full model，启动创建体积网格的流程。
更改掩膜的颜色，右键点击 Dataset browser 下方的掩膜，分别为脊椎和椎间盘掩膜选择颜色 Bone 和Fat。
如上图所示椎间盘掩膜的单元边长为 1.25 mm，而脊椎掩膜则是根据 +FE Free 网格自适应生成。可点击 View — 3D clipping — Enable，使用 3D 视图中的裁剪框观察模型内部网格细化的影响。
2.3 比较细化类型
本部分将比较 Refinement types 选择 Volume 和 Surface only 的区别。
2.3.1 配置模型
1. 在 Dataset browser，右键点击 Model 1 (FE) 选择 Duplicate。
2. 右键点击 Copy of Model 1 (FE)，选择 Model configuration。
3. 在 Mesh refinement 栏，选中 Frustum1，更改 Refinement type 为 Surface only。
4. 点击 Close 关闭 Model configuration 对话框。
2.3.2 生成网格
点击 FE model — General — Full model，启动创建体积网格的流程。
上图展示细化类型选择 Surface only 时生成的网格模型。椎间盘的表面单元为固定边长 1.25 mm，通过视图工具查看内部体积，单元更大且不固定。
3. 参考
- Simpleware 软件内置教程 Tutorials — Meshing — Mesh refinement of individual parts: proximal femur implant and intervertebral disc