三維斷層掃描數(shù)據(jù)實體化輔助診療云平臺的應用

王偉靜，王一丁，李林穎，邱兆文

（東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，哈爾濱　150040）

三維斷層掃描數(shù)據(jù)實體化輔助診療云平臺的應用

王偉靜，王一丁，李林穎，邱兆文

（東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院，哈爾濱150040）

本文介紹了三維斷層掃描數(shù)據(jù)實體化輔助診療云平臺的設計與應用。該云平臺主要功能模塊包括用戶管理模塊、三維重建模塊、3D打印模塊和案例檢索模塊。通過該云平臺，用戶可以遠程提交計算機斷層成像（Computed Tomography，CT）數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶提交的CT數(shù)據(jù)進行三維重建處理，將CT成像轉換為3D打印設備能接受的模型文件。該云平臺可用于病情診斷，醫(yī)患溝通，手術規(guī)劃及術后評估等。最后介紹了該云平臺在哈醫(yī)大三院（腫瘤醫(yī)院）、哈醫(yī)大四院等醫(yī)院成功投入應用的詳細案例。

CT；輔助診療；三維重建；3D打印

0　引 言

3D打印技術，也稱作“立體制造”或“快速原型制造”，是一種使用塑料或者金屬等原料將數(shù)字設計轉換成3D實物的新興快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術［1］。隨著醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展，CT技術也已成為臨床醫(yī)學的重要成像手段。3D打印技術與CT技術的結合實現(xiàn)了掃描、數(shù)字化和實體對象理想生成。經(jīng)過對3D技術在醫(yī)療領域的不斷研究，已取得了重要的進步成果。美國國家兒童醫(yī)院醫(yī)學中心利用3D打印機成功打印出首個患者的心臟模型［2］，對醫(yī)生在術前準確掌握患者心臟結構提供了進一步的幫助。國內(nèi)利用3D打印構建人工骨骼的技術正日漸趨于成熟。Jiankang等利用CAD、CAE、CAM技術，構建出一種新型的復合半膝關節(jié)［3］，成功為病患安裝復合半膝假肢。3D打印成本低，制造過程簡潔高效，使影像圖形實體化，簡化了醫(yī)療過程，降低醫(yī)生對醫(yī)療軟件的依賴性。然而，第三次科技革命的不斷深入使全球制造業(yè)已經(jīng)跨入數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化時代，國內(nèi)外也已將3D打印技術與云平臺相結合并應用于醫(yī)療領域，只是迄今為止仍處于起步階段。

本研究專注于通過東北林業(yè)大學三維數(shù)字化研究所的優(yōu)勢平臺，利用云服務平臺的便捷高效，建立一個三維斷層掃描數(shù)據(jù)實體化輔助診療云平臺，拓寬3D打印技術在醫(yī)療領域的應用途徑，使對病患的CT影像的三維重建、模型轉換、3D打印更加高效，以推動與哈市各大醫(yī)院之間的三維重建合作，提高3D打印在醫(yī)療領域的生產(chǎn)、制造效率。

1　研究系統(tǒng)交互設計

該系統(tǒng)從直接用戶角度出發(fā)，形成的交互設計如圖1所示。

基于云服務平臺的3D打印交互系統(tǒng)設計，在新型制造業(yè)的背景模式下集知識化、智能化以及信息化等特點于一身，基于患者病灶進行一對一打印的特性使該過程由生產(chǎn)型制造轉變?yōu)榉招椭圃欤@要求在設計中充分考慮用戶的個人因素以及個人隱私。結合網(wǎng)站設計中的友好型用戶界面的要求，研究采用當前主流的DevExpress界面控件導航設計，以當前主流的扁平化設計修飾各為患者病灶構建的3D模型。

圖1　交互設計Fig.1 The interactive design

在用戶界面設計為用戶帶來親切感的同時，數(shù)據(jù)庫的選擇與設計成為了研究項目的又一重點?；谘芯宽椖咳蕴幱诔跫夒A段的現(xiàn)實狀況，項目充分考慮了醫(yī)療過程中用戶群大，群體特征復雜的特點，與醫(yī)院各方達成一致，由院方提供病人的主治醫(yī)生相關信息的接口，使項目系統(tǒng)與醫(yī)院通過特定通道接口進行交互。因此，研究中使用MySQL為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其開放源碼的優(yōu)勢降低了網(wǎng)站開發(fā)總體成本，所表現(xiàn)的輕量性也基本滿足了項目研究需求。

云服務平臺提供了用戶上傳及下載請求數(shù)據(jù)的存儲空間，不僅支持CT數(shù)據(jù)和三維模型管理，運行管理等多維度一體化管理，還支持海量設備運行數(shù)據(jù)，包括對三維模型的高效存儲和個性化檢索，同時云服務平臺支撐基礎數(shù)據(jù)的歷史時態(tài)模型，有助于實時追溯各患者的歷史數(shù)據(jù)模型。

2　研究系統(tǒng)概述

2.1需求分析描述

通過前期需求分析，項目系統(tǒng)中主要涉及的用戶有3類，分別是：病患、主治醫(yī)生、管理員。用例圖表示如圖2所示。其中，管理模塊子系統(tǒng)用例圖則如圖3所示。

圖2　系統(tǒng)用例圖Fig.2 The system use case diagram

圖3　管理模塊子系統(tǒng)用例圖Fig.3 Management module subsystem use case diagram

2.2功能模塊設計分析

經(jīng)過對需求分析研究，云服務與3D打印服務的綜合分析，對交互設計成果的適用性分析，以SSH架構搭建基礎設計（Struts+Spring+Hibernate），利用Java語言實現(xiàn)功能模塊，結合HQL查詢語句編程，使用MYSQL數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)。項目中三維斷層掃描數(shù)據(jù)實體化輔助診療云平臺4個模塊功能分別如下：

1）管理模塊。此模塊實現(xiàn)用戶注冊、登錄、提交數(shù)據(jù)、瀏覽三維重建結果、在線支付等功能，用戶在使用本系統(tǒng)但未注冊時可瀏覽研究中已經(jīng)獲得的優(yōu)秀成果，以發(fā)揮公薦宣傳作用。經(jīng)過注冊登錄成為直接用戶，可參與提交CT模型，下載經(jīng)過處理的三維重建模型并獲取3D打印實體。其中的在線支付途徑完成收費功能，與信用卡、儲值卡、支付寶等多種支付方式綁定。

2）三維重建模塊。對CAD模型實現(xiàn)三維重建，生成三維可視化結果和3D模型文件。該模塊涉及的即由CT模型轉換為STL模型，但是由于CT系統(tǒng)自身分辨不足，相應地就會存有偽影殘留等不利因素的影響。在實際處理中，可通過不斷的人機交互來修正目標以提高重建準確度。因此，進一步提高自動化方法的建模質量和人工修正的自動化水平將成為亟待解決的問題。

3）3D打印模塊。將3D模型文件加工處理，打印出3D實體模型。通過該模塊打印出的3D模型可由用戶自主選擇獲取方式，包括郵寄給本人、交由患者就診醫(yī)院處理。

4）案例檢索模塊。該模塊針對用戶群體設計，支持關鍵字檢索、基于內(nèi)容的檢索和個性化檢索等多種檢索方式，旨在提升各醫(yī)院間信息共享水平，增進醫(yī)生對各類患者的了解和掌握程度。并且，還可通過一定的權限設置，使用戶能夠檢索到在約束條件下的合理數(shù)據(jù)模型。

3　項目關鍵實現(xiàn)過程

本研究項目中開發(fā)實現(xiàn)了CT影像處理轉換為STL模型的主要技術過程。CT掃描技術涵蓋了投影數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校正和三維圖像重建3個過程，最終得到被掃描的三維重建圖像，而3D打印的標準輸入是以三角網(wǎng)格表示的物體STL模型。從三維重建圖像到最終的待打印STL模型，其中涉及的數(shù)據(jù)處理和格式轉換過程則是本研究中的重點與關鍵。整體過程描述可如圖4所示。

圖4　CT技術與3D技術的結合過程Fig.4 CT technique combined with 3D process

在該過程中，三維重建圖像又可細分為：三維圖像處理、三維建模、三維模型處理。具體過程如圖5所示。

圖5　三維重建圖像過程Fig.5 3D reconstruction image process

根據(jù)三維重建過程，項目中把從云端獲取到的CT數(shù)據(jù)導入TM_MTS軟件，對目標對象進行處理，再將重建后的數(shù)字模型文件導出，即STL模型文件，STL模型是3D打印設備的通用接口格式，以小三角形面片的組合來擬合三維實體（如圖6所示）。進而將數(shù)字模型文件導入UDo光敏樹脂打印機配套的3D切片軟件，通過軟件支持對目標文件去噪、剪切、加支撐［4］（如圖7所示）。最后利用UDo對3D模型切片文件輸出（如圖8所示）。打印材料為光敏樹脂。三維模型構建完成后，將被傳送至云平臺，用戶則可通過移動互聯(lián)網(wǎng)終端在線瀏覽三維可視化結果。

圖6　CT機器上的成像結果Fig.6 Imaging result on CT machine

圖7　三維重建的結果Fig.7 3D reconstruction result

圖8　3D打印的實物Fig.8 Object of 3D reconstruction

4　結束語

本研究項目中的三維重建可視化結果和3D實體模型與二維CT圖像相比能夠提供更豐富、更直觀的病灶信息。醫(yī)生可以通過云平臺進行遠程會診，使診斷結果更為準確，降低了誤診率，也方便了醫(yī)患之間的溝通和交流，幫助病人增強對手術的信心。同時，云平臺中存儲了大量手術案例，利于醫(yī)生在其中簡捷檢索到有代表性的相關手術案例，應用于手術教學，進行虛擬模擬手術，對外科醫(yī)生技術水平的提升必將發(fā)揮重大有益的促進推動作用。

［1］伊萬斯.解析3D打印機：3D打印機的科學與藝術［M］.程晨，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］BEYERSDORF F.There-dimensional bioptinting：new horizon for cardiac surgery［J］.European Journal of Cardio-Thoracic Surgery，2014，46（3）：339-341.

［3］JIANKANG H，DICHEN L，BINGHENG L，et al.Custom fabrication of composite tibial hemi-knee joint combining CAD/CAE/CAM techniques［J］.ProceedingsoftheInstitutionofMechanical Engineers，Part H：Journal of Engineering in Medianical，2006，220（8）：823-830.

［4］董慶，曹守強，趙桂彬，等.3D打印技術在非小細胞肺癌診療中的應用［J］.中國數(shù)字醫(yī)學，2016（1）：87-90.

［5］朱虎，楊忠鳳，張偉.STL文件的應用與研究進展［J］.機床與液壓，2009，37（6）：186-189.

Application of aided diagnosis and treatment cloud platform in three dimensional tomography data entity

WANG Weijing，WANG Yiding，LI Linying，QIU Zhaowen
（Information and Computer Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

This paper introduces an application and design in the research，which aims to aid diagnosis and treatment cloud platform in three dimensional tomography data entities.The main function module includes user management，three dimensional reconstruction，3D printing and case retrieval in this application.Users can remotely submit the computed tomography data（Computed Tomography，CT）through this cloud platform，and according to the CT data reconstructs the three-dimensional image，in order to convert it to the model for which 3D printing equipment would be acceptable.The purpose of this application is to help doctors diagnose the patient’s disease，promote doctor-patient communication，plan surgery and evaluate the result after postoperative.Finally，the paper introduces the successful use of this cloud platform in the third hospital of HaYiDa（cancer hospital）and in the fourth hospital of HaYiDa.

CT；aided diagnosis and treatment；three-dimensional reconstruction；3D printing

TP391

A

2095-2163（2016）03-0062-03

2016-05-10

2015年度東北林業(yè)大學信息與計算機工程學院國家級大學生創(chuàng)業(yè)項目（201510225048）。

王偉靜（1992-），女，本科生，主要研究方向：三維重建技術；王一丁（1995-），男，本科生，主要研究方向：云應用技術；李林穎（1995-），女，本科生，主要研究方向：3D打印技術；邱兆文（1974-），男，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向：信息檢索、機器學習、三維數(shù)字化技術等。