計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)心臟三維重建及3D打印技術(shù)研究

孟祥鵬 張建卿 王慶志 王國(guó)鋒 劉夏 劉洋 趙建明

計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)心臟三維重建及3D打印技術(shù)研究

孟祥鵬 張建卿 王慶志 王國(guó)鋒 劉夏 劉洋 趙建明

目的 通過(guò)心臟實(shí)體三維模型，觀察心臟內(nèi)部病變結(jié)構(gòu)及病變組織關(guān)系，直觀設(shè)計(jì)術(shù)前預(yù)案和術(shù)后效果評(píng)估。方法 采用256增強(qiáng)CT掃描心臟區(qū)域獲得連續(xù)斷層數(shù)據(jù)，導(dǎo)入M imics軟件，經(jīng)過(guò)人工分割數(shù)據(jù)進(jìn)行心臟三維實(shí)體重建形成STL文件，設(shè)計(jì)編排圖像被3D打印機(jī)識(shí)別，打印出1∶1心臟模型。結(jié)果成功重建心臟三維實(shí)體模型并完成激光3D打印機(jī)完成模型制作，重建的模型能以多結(jié)構(gòu)顯示心臟各結(jié)構(gòu)的空間位置及毗鄰關(guān)系。結(jié)論 CT醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)圖像完全可以轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)心臟三維實(shí)體模型，通過(guò)激光3D打印機(jī)可以打出完整的心臟三維模型。

256CT圖像； 心臟； 三維重建； 3D打??； 心臟模型

3D（3-dimensional，3D）打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)[1]，通過(guò)噴墨打印機(jī)及激光打印機(jī)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)[2]。3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床，醫(yī)學(xué)上多見(jiàn)于人工肝、人工耳及人工骨骼[3]等方面。而在結(jié)構(gòu)性心臟病上的應(yīng)用，國(guó)外雖有不少研究，但在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段[4]，先后完成可視化人體心臟三維重建[4,5]和基于中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)的心臟三維模型的重建[6]。

心臟計(jì)算機(jī)掃描通過(guò)心腔內(nèi)碘化物造影劑填充，形成高密度顯影，與心肌組織對(duì)比更容易相互鑒別[7]。256層螺旋CT及磁共振成像（MRI）完全可顯示心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)[8]。CT及MRI數(shù)據(jù)圖像處理原理及步驟相同，心臟MRI掃描時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CT，圖像要求嚴(yán)格，臨床心臟影像常規(guī)使用多層螺旋CT[9,10]。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備及軟件 Mimics17（Materialise公司，比利時(shí)）是Materialise公司的交互式的醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)，3D打印機(jī)（激光固化設(shè)備SL450，型號(hào)zerotek生產(chǎn)商，江蘇）?，F(xiàn)階段3D機(jī)適用原材料為光敏樹(shù)脂，打印層厚0.01～0.05 mm，精度±0.01 mm（L≤100mm，L表示打印長(zhǎng)度）或±0.1%（L＞100mm），支持帶有STL接口的所有三維造型軟件。

1.2 256層螺旋CT增強(qiáng)掃描 飛利浦Brilliance 256iCT，層厚0.45mm。患者男性，70歲，身高175 cm，體重84 kg，輸入碘帕醇造影劑，所得連續(xù)斷層數(shù)據(jù)圖像以DICOM格式輸出，光盤保存原始數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及三維重建 圖像導(dǎo)入M imics軟件，優(yōu)化圖像減少CT工作及呼吸、心跳產(chǎn)生的陰影、斑點(diǎn)、噪聲，影響圖像完美程度。根據(jù)CT成像原理確定心臟造影劑，心肌、脂肪的閥值范圍并標(biāo)示。Mimics軟件中的再利用區(qū)域生長(zhǎng)及動(dòng)態(tài)區(qū)域生長(zhǎng)算法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行粗分割。Mimics軟件編輯mask，利用編輯（Edit）功能進(jìn)行精細(xì)分割心腔內(nèi)結(jié)構(gòu)如肌束、乳頭肌、腱索、瓣膜和流出道等復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)，會(huì)使造影劑分布不均勻，成像不全導(dǎo)致上述結(jié)構(gòu)邊界顯示不清，需要利用編輯Edit命令功能進(jìn)行精細(xì)分割，根據(jù)影像結(jié)合實(shí)際解剖病變逐層分離內(nèi)部造影劑保留正常組織結(jié)構(gòu)及病變部位圖像。心臟三維重建圖像處理過(guò)。M imics軟件本身光滑處理，Geomagic Qualify軟件光滑處理或ZBrush軟件等圖像處理軟件進(jìn)行表面或內(nèi)部光滑處理。

1.4 3D模型打印 得到所需三維數(shù)字模型，即心臟實(shí)體模型可以形成含有腔室包括肌肉、脂肪等結(jié)構(gòu)的心臟三維模型，最后根據(jù)所建模型的用途導(dǎo)出相應(yīng)的格式文件。本研究中三維數(shù)字模型以STL格式導(dǎo)出，再將其導(dǎo)入3D激光打印機(jī)中，設(shè)置打印層厚為0.01 mm，12～24 h即可生產(chǎn)出心臟三維實(shí)體模型。

2 結(jié)果

本研究使用256增強(qiáng)CT對(duì)心臟進(jìn)行掃描所獲得的DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，使用Mimics軟件對(duì)其進(jìn)行Mask處理，建立了含有腔室包含肌肉、脂肪等結(jié)構(gòu)的心臟三維模型（圖1），將其導(dǎo)入3D打印機(jī)制造出三位實(shí)體模型（圖2，3）。

圖1 三維影像數(shù)據(jù)模型

圖2 3D打印模型

圖3 心臟模型打?。梢燥@示內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

3 討論

復(fù)雜性心臟病心臟內(nèi)部解剖學(xué)病變結(jié)構(gòu)較多，關(guān)系復(fù)雜。復(fù)雜心臟手術(shù)治愈率近10年并沒(méi)有明顯提高，主要術(shù)前沒(méi)有結(jié)合病變解剖學(xué)改變完善手術(shù)方案、手術(shù)操作路徑設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)知不全，手術(shù)操作配合不協(xié)調(diào)及術(shù)后效果、并發(fā)癥認(rèn)知不全。

通過(guò)計(jì)算機(jī)影像數(shù)據(jù)心臟三維重建及3D打印技術(shù)完成3D心臟模型制作，將由數(shù)字平臺(tái)轉(zhuǎn)向?qū)嵨锲脚_(tái)，可以完全脫離三維心臟虛擬模型，形成更直觀認(rèn)知水平。打印可以完美展示影像中提取心臟內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察、測(cè)量、模擬，指導(dǎo)設(shè)計(jì)手術(shù)方案，評(píng)估術(shù)后效果，合理安排手術(shù)步驟，從而縮短手術(shù)時(shí)間，減少手術(shù)并發(fā)癥，提高復(fù)雜心臟病治愈率。

現(xiàn)階段主要問(wèn)題如下：

⑴需要改進(jìn)圖像處理，減少人為圖像干預(yù)。①心臟造影劑成像不完整，細(xì)小結(jié)構(gòu)成像不全，需要更細(xì)化的CT及MRI掃描手段；②邊界不清楚，掃描圖像有干擾，圖像顯示不均，各部位圖像相互干擾；③Mask閥值范圍相互重疊，現(xiàn)階段閥值變化一般為1，設(shè)計(jì)閥值參數(shù)達(dá)到0.01～0.10區(qū)間間隔；④三維重建后的平滑處理方面，各步驟都需要大量的人為干預(yù)。需要設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)不同類型的軟件，完成圖像提取及優(yōu)化。

⑵改進(jìn)3D打印機(jī)。噴墨打印機(jī)不能打印心臟模型，由于噴墨打印腔內(nèi)會(huì)形成絮狀物，干擾模型制作。激光打印機(jī)可以完全滿足心臟內(nèi)部結(jié)構(gòu)打印要求，材料品種單一，國(guó)內(nèi)一般是透明光敏樹(shù)脂并不符合醫(yī)學(xué)材料打印。需要重新設(shè)計(jì)新型激光打印機(jī)，以識(shí)別醫(yī)用硅膠等特殊材料。

⑶改進(jìn)材料。國(guó)內(nèi)使用的激光打印材料一般是工程類光敏樹(shù)脂，并不符合心臟醫(yī)學(xué)使用硅膠材料。需要改進(jìn)設(shè)計(jì)成有阻尼系數(shù)范圍模擬心臟跳動(dòng)的特殊材料，可以在模型上進(jìn)行切割、縫合等基本手術(shù)演練。

隨著醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)的改進(jìn)，設(shè)備的發(fā)展，3D打印技術(shù)創(chuàng)新材料的出現(xiàn)，在不久的將來(lái)心臟模型的臨床制作將有更大的發(fā)展。模型平臺(tái)創(chuàng)造可以使醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)向模型實(shí)體轉(zhuǎn)換，提高一個(gè)觀察高度。

［1］秦勉，劉亞雄，賀健康.數(shù)字化設(shè)計(jì)與3-D打印技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用.中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2014，3：286-291.

［2］周陽(yáng)泱，韓萍，馮敢生,等.多層螺旋CT血管造影在小兒復(fù)雜先天性心臟病中的臨床應(yīng)用價(jià)值.中華小兒外科雜志，2005，11：579-582.

［3］王富友，任翔，楊柳.3-D打印技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的應(yīng)用.中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2014，3：272-275.

［4］馬瓊，劉迎龍，王利，等.先天性心臟病專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā).首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，1：53-56.

［5］郭燕麗,張紹祥,劉正津，等.首例中國(guó)可視化人體心臟三維重建及臨床意義.第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，4：569-571.

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［7］Schievano S，MigliaVacca F，Coats L，et al．Percutaneous pulmonary valve implantation based on rapid pmtotyping of right ventricular outflow tract and pulmonary tmnk from mr data．Radiology，2007，242：490-497．

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［9］程廣金，唐光才.多層螺旋CT血管造影在小兒復(fù)雜性先天性心臟病診斷中的意義.醫(yī)學(xué)綜述，2009，15：3652-3654.

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注重臨床用藥規(guī)范 探討小劑量阿司匹林使用標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）

會(huì)中，來(lái)自北京大學(xué)第一醫(yī)院劉梅林教授，對(duì)于胡大一教授提出的中國(guó)劑量表示贊同，在臨床工作中，我們經(jīng)常看到服用小劑量阿司匹林出血的患者，提示應(yīng)有個(gè)體化的治療選擇。盡管既往的臨床研究證據(jù)提示阿司匹林劑量應(yīng)在75 mg/d以上才能有明確抗栓療效，但缺乏中國(guó)人群劑量探索的大規(guī)模臨床研究證據(jù)。根據(jù)北大醫(yī)院老年內(nèi)科多年血小板聚集率檢測(cè)的臨床經(jīng)驗(yàn)，阿司匹林40 mg/d仍具有明顯抑制血小板聚集率的作用，服用劑量與血小板聚集率、出血風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)?；颊叻冒⑺酒チ謺r(shí)應(yīng)評(píng)估出血風(fēng)險(xiǎn)，尤其是胃腸道出血風(fēng)險(xiǎn)。老年人容易出現(xiàn)阿司匹林相關(guān)的不良反應(yīng)，尤應(yīng)加強(qiáng)評(píng)估和監(jiān)測(cè)。建議根據(jù)病情需要，進(jìn)行個(gè)體化選擇，服用阿司匹林時(shí)嚴(yán)密監(jiān)測(cè)并預(yù)防出血，必要時(shí)使用PPI或H2受體拮抗劑。對(duì)于支架術(shù)后、急性冠脈綜合征等患者一年內(nèi)應(yīng)盡量堅(jiān)持服用阿司匹林75～100 mg/d等雙聯(lián)抗血小板治療。但對(duì)于一級(jí)預(yù)防人群，應(yīng)充分評(píng)估獲益和風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)在獲益遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)的前提下使用小劑量阿司匹林。

河北省人民醫(yī)院副院長(zhǎng)、老年病科主任郭藝芳教授對(duì)該手冊(cè)的撰寫過(guò)程予以了深切關(guān)注，他指出血栓栓塞事件是心血管病致死致殘的主要機(jī)制之一。長(zhǎng)期以來(lái)，阿司匹林在心血管疾病防治中一直發(fā)揮著重要作用。確鑿證據(jù)表明，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生心血管疾病的患者，長(zhǎng)期應(yīng)用小劑量阿司匹林進(jìn)行二級(jí)預(yù)防，可以顯著降低心肌梗死、腦卒中以及心臟性死亡與全因死亡率。因而，阿司匹林被視為心血管病二級(jí)預(yù)防的基石。在臨床實(shí)踐中，應(yīng)遵循我國(guó)指南性文件的相關(guān)建議，合理應(yīng)用阿司匹林，最大程度的降低缺血性心腦血管疾病的致死致殘風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)際上各種指南對(duì)于阿司匹林用藥策略的建議有所不同，我們應(yīng)以中國(guó)心血管病預(yù)防指南以及抗血小板治療中國(guó)專家共識(shí)等針對(duì)我國(guó)人群制定的指南性文件為依據(jù)，確定接受阿司匹林治療的適宜人群。這也是《阿司匹林抗栓治療手冊(cè)》編撰并推廣的最終目的。

作為《手冊(cè)》的積極支持者，山東新華制藥股份有限公司將一如既往地配合專家組推廣《手冊(cè)》。新華制藥副總經(jīng)理賀同慶指出，新華牌阿司匹林原料藥是業(yè)界公認(rèn)的金字招牌，目前年產(chǎn)能達(dá)1.5萬(wàn)噸，居世界第一位，是唯一通過(guò)美國(guó)FDA認(rèn)證與歐盟COS認(rèn)證的品牌，產(chǎn)品出口北美、歐盟，具有強(qiáng)大的規(guī)模及質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。賀同慶向各位專家表示，新華制藥有能力也有責(zé)任為中國(guó)人提供高品質(zhì)的阿司匹林制劑。介寧是新華制藥首創(chuàng)的小劑量阿司匹林，具有腸溶+緩釋雙重保障、劑量調(diào)整靈活方便的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，新華制藥將不斷提供臨床證據(jù)，支持其在臨床大規(guī)模推廣使用。并致力于促進(jìn)抗栓治療領(lǐng)域的學(xué)術(shù)推廣與臨床教育工作，從而推動(dòng)中國(guó)健康事業(yè)的不斷發(fā)展。

（全文完）

Three dimensional reconstruction of heart based and 3D printing technology research on the com puter video data

MENG Xiang-peng＊，ZHANG Jian-qing，WANG Qing-zhi，et al.＊Graduate Department of Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

ZHANG Jian-qing，E-mail：bonbonger@sina.com

ObjectiveBy observing the three-dimensional solid model of heart disease and cardiac structure and internal lesions relationship，to study the feasibility of designing surgery programe and evaluating the postoperative effect.M ethodsThe data of the series of heart sections scaned by 256 cardiac CT were was imported to Mimics soft for the 3D reconstruction of heart，and then STL file was formed and identified by 3D printer. The formation of a 1∶1 model of the heart was printed.ResultsThree-dimensional solid model of heart was rebuilt successful and 3D model was printed successful by 3D laser printer.The structures could be displayed by multiple structural，individually or jointly.ConclusionCT picture ofmedical data can be converted into a threedimensional solid model of computer heart，and laser printers can play a integrated 3D heartmodel.

CT images； Heart； Three dimensional reconstruction； 3D printing； Heartmodel

河南省衛(wèi)生科技創(chuàng)新人才工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2011020173）；鄭州市醫(yī)學(xué)博士創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目

453003 河南省新鄉(xiāng)市，新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院研究生處（孟祥鵬、王慶志、劉夏）；鄭州市第七人民醫(yī)院心外科（張建卿、王國(guó)鋒、劉洋、趙建明）

張建卿，E-mail:bonbonger@sina.com

10．3969/j．issn．1672－5301．2015．12．020

R654.2

B

1672-5301（2015）12-1136-03

2014-12-03）