腰椎L4-L5節(jié)段三維重建與快速成型

程學(xué)進(jìn)，季蓉蓉

（1. 江蘇省介入醫(yī)療器械研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮安 223003；2. 淮陰工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

快速成型技術(shù)( rap id p ro to typ ing m anu facturin，RPM )是在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，由于其高度柔性和快速性，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、家電等多個(gè)領(lǐng)域[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，三維重建及快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，為傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)診斷、治療等提供了新的技術(shù)支持[2]。不但可以模擬手術(shù)過程進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃及驗(yàn)證手術(shù)的可行性[3]，還可以方便快捷的制作輔助人工假體，使得對最終假體外形精度及銜接等問題的處理更加容易[4]，利用快速成型技術(shù)甚至可以直接制作高精度的骨骼及組織工程支架[5,6]。

隨著人口老齡化的到來，目前脊柱類病患呈上升、多發(fā)趨勢，如何減少病人的痛苦、提高治療后的生活質(zhì)量一直是人們努力的方向。由于人體的特殊性及個(gè)體之間存在的巨大差異，如何快速準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)特定的病椎對疾病的診斷與治療具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，本文以人體腰椎為例，探討腰椎模型的三維重建以及快速成型機(jī)加工工藝。

1 應(yīng)用實(shí)例

1.1 技術(shù)路線

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于醫(yī)學(xué)影像資料庫，CT圖像400張，層厚0.45mm，包含整個(gè)腰椎部分。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1.2 椎體骨骼模型重建

以L4為例，椎體骨骼模型三維重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包含以下七個(gè)方面。

1）CT圖像的導(dǎo)入。利用M im ics軟件導(dǎo)入DICOM格式CT圖像。

2）調(diào)整窗寬窗位。為了充分顯示CT圖像的細(xì)節(jié)，必須選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)腃T值范圍顯示。將窗寬窗位顯示調(diào)整到骨的CT值200附近，本文窗寬調(diào)整為0~350，調(diào)整后骨骼輪廓比較清晰為下一步圖像分割做準(zhǔn)備。

3）閾值分割。通過選擇“Bone(CT)”閾值，可以很容易地分開CT值差別明顯的肌肉及其它軟組織。

4）區(qū)域增長與蒙板裁剪。通過閾值分割后的蒙板不但包含腰椎部分還有其他骨骼組織如髖骨、肋骨等，因此需要進(jìn)一步縮小蒙板所包含的范圍。首先通過區(qū)域增長將與腰椎不相關(guān)聯(lián)的骨骼組織分離出來，然后利用蒙板裁剪工具將所需要編輯的腰椎部分提取出來，這樣就減少了將要進(jìn)行的蒙板編輯的工作量。以腰椎L4為例，區(qū)域增長后如圖2所示，裁剪后如圖3所示。

圖2 區(qū)域增長

3 蒙板裁剪

5）蒙板編輯。利用蒙板編輯工具分離與L4不相關(guān)聯(lián)的小關(guān)節(jié)面，如圖4所示，刪除與L4不相關(guān)的L5的骨骼組織，填充L4內(nèi)部與外部不連通的孔洞和修緣。蒙板編輯在三維重建中是最為復(fù)雜的，需要對每一張?jiān)嫉腃T斷層圖像進(jìn)行仔細(xì)的校對、分析，工作量很大，但這一過程卻很重要。

圖4 L4與L5小關(guān)節(jié)面

6）三維重建。通過Calcu late 3D工具，選擇相應(yīng)的蒙板并設(shè)置質(zhì)量參數(shù)，完成椎體L4的三維重建，如圖5（a）所示。

7）模型光順。初步建立的椎體模型是由三角片組成的面網(wǎng)格模型，表面非常粗糙，有多處尖刺或突起等嚴(yán)重問題，需要進(jìn)行合理的修飾調(diào)整。本文采用M im ics醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中的FEA模塊中的Rem esh功能，對模型進(jìn)行光滑處理，生成具有較好面網(wǎng)格質(zhì)量的模型以方便后續(xù)處理，如圖5（b）所示。

同理完成椎體L5的三維重建，裝配后如圖6所示。

圖5 光滑處理前后的效果

圖6 腰椎L4-L5椎體模型

1.3 椎間盤三維重建

椎間盤是位于人體脊柱兩椎體之間，由軟骨板、纖維環(huán)、髓核組成的一個(gè)密封體，上下的軟骨板與纖維環(huán)一起將髓核密封起來。纖維環(huán)的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環(huán)成為堅(jiān)實(shí)的組織，能承受較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷。椎間盤構(gòu)建的好壞將直接影響后面有限元分析的結(jié)果，但CT圖像中椎間盤其灰度值幾乎與周圍軟組織相同，而M IM ICS又是靠灰度值區(qū)分各組織，故對于椎間盤的三維重建一直是腰椎三維重建的一個(gè)難題。在目前的國內(nèi)外研究中，多數(shù)學(xué)者采用在有限元軟件中單獨(dú)建立椎間盤，過程比較繁瑣且不易掌握，也有研究者在M IM ICS中進(jìn)行重建[7]，這樣建模雖然比較方便，但得到的結(jié)果在設(shè)置與腰椎的接觸問題上又不易處理。本文利用UG軟件強(qiáng)大的三維建模功能配合M IM ICS及Geom agic軟件建立椎間盤，建模過程簡單，接觸較容易處理，具體方法如下：

1）以Z45（L4與L5之間的椎間盤）為例，首先將M im ics軟件生成的L4與L5椎體以STL格式導(dǎo)入Geom agic中，通過利用其曲面功能構(gòu)建L4與L5的NUBERS曲面并以igs格式保存；

2）打開UG軟件，將L4、L5椎體以igs格式導(dǎo)入，利用縫合命令生成實(shí)體，在UG中調(diào)整草繪平面使之位于L4椎底面和L5椎頂面之間，利用椎間盤結(jié)構(gòu)的解剖學(xué)知識(shí)[8]繪制椎間盤的截面形狀，如圖7所示，通過拉伸、求差等即可獲得形狀合理且與L4、L5椎體接觸良好的椎間盤實(shí)體。為了細(xì)化椎間盤的各組成部分，采用UG軟件中草繪、拉伸、曲面偏置、拆分體等功能將椎間盤分割為上下終板、髓核、纖維環(huán)，如圖8所示。椎間盤與椎體的裝配如圖9所示。

圖7 椎間盤截面

8 椎間盤Z45

9 腰椎L4-L5

1.4 快速成型加工

實(shí)驗(yàn)采用的是利用熔積成型（FDM）原理設(shè)計(jì)的Vantage i 快速成型機(jī)，加工材料為成型機(jī)配套使用的工程塑料，模型材料與支撐材料均為ABS，但支撐材料呈弱酸性，具體步驟如下：

1）模型分層。首先將腰椎L4-L5節(jié)段模型以STL格式導(dǎo)入FDM Van tage i 成型機(jī)配套軟件Insigh t8.0中，根據(jù)模型的形狀等因素調(diào)整模型擺放的角度，依據(jù)據(jù)模型的精度要求選擇合適的噴嘴，模型分層的的厚度取決于噴嘴的大小。本文模型噴嘴采用的是T16，支撐噴嘴為T12，所以分層厚度為0.254mm。

2）支撐的設(shè)置。根據(jù)模型加工工藝性的要求，在實(shí)體的外部和內(nèi)部都需要添加一定的支撐材料。為了減少加工時(shí)間、節(jié)約支撐材料，選擇稀疏支撐（sparse）方式，其余參數(shù)均采用默認(rèn)值。

3）生成軌跡文件。以保證模型表面質(zhì)量，減少成型材料、縮短加工時(shí)間出發(fā)，加工腰椎L4-L5節(jié)段采用多輪廓填充方式，內(nèi)部稀疏填充、表面質(zhì)量為增強(qiáng)型，保存生成CMB文件。

4）制作模型。將上一步生成的CMB文件導(dǎo)入成型機(jī)控制軟件Control Center 8.0中，經(jīng)過軟件計(jì)算將使用模型材料50.92cm3，支撐材料20.56cm3，模型的加工時(shí)間約為7.5小時(shí)。打開快速成型機(jī)，加入絲狀的模型材料和支撐材料，設(shè)置完模型的加工位置等重要參數(shù)，即可開始加工模型。

5）模型處理。加工完成后，將模型從快速成型機(jī)上取出，成型后的腰椎L4-L5節(jié)段模型如圖10所示。將成型后的模型放入Na OH溶液L4-L5中去除支撐材料，需要在溶液中浸泡約12小時(shí)左右，最終成型的L4-L5節(jié)段模型如圖11所示。

2 結(jié)論

1）在CT圖像的基礎(chǔ)上，利用M IM ICS軟件完成對腰椎L4-L5節(jié)段的三維重建。

2）充分運(yùn)用解剖學(xué)知識(shí)分析椎間盤的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，利用通用三維軟件強(qiáng)大的建模能力，建立了椎間盤模型，并在建模的過程中較好的保證了其與相鄰椎體間的接觸，為今后腰椎有限元模型的建立與分析打下了基礎(chǔ)。

3）引入快速成型技術(shù)加工出腰椎模型，不但可為個(gè)性化的手術(shù)提供支持，指導(dǎo)相關(guān)手術(shù)操作，還可以在相關(guān)培訓(xùn)、醫(yī)患交流、取得患者及家屬的理解與配合等方面有著重要的意義。

由于人體的特殊性及個(gè)體的差異性，通過CT圖像以及快速成型技術(shù)的利用，可以較好的完成人體組織三維重建及加工，但在臨床應(yīng)用中尚有模型精度以及成型材料的多樣性問題亟待進(jìn)一步解決。

圖10 成型后腰椎L4-L5

11 最終成型腰椎

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