基于3D打印的人體腰椎骨的三維建模研究

楊存，楊磊，宗會(huì)遷，柳青，宋登浩

河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備部，河北 石家莊 050000

引言

人體中由多種組織構(gòu)成的能行使一定或特定功能的結(jié)構(gòu)單位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感覺(jué)器官，心、肝、肺、腎等內(nèi)臟器官（又稱為實(shí)體器官），氣管、腸、膀胱等中空器官，以及皮膚、骨骼、肌肉等結(jié)構(gòu)（或支撐）器官[1-9]。器官制造是千百年來(lái)人類的一大夢(mèng)想?，F(xiàn)如今，隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類生活質(zhì)量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺損修復(fù)成了巨大社會(huì)需求，人體器官3D 打印或?qū)⒊蔀橹圃斓膹?qiáng)大推動(dòng)力[10-13]。相比于傳統(tǒng)的無(wú)生理活性的人造器官，應(yīng)用生物材料制造的器官更容易被人體接受，并最終促進(jìn)病損器官的修復(fù)和再生。近年來(lái)，隨著3D 打印技術(shù)的日漸成熟，人們獲得有別于傳統(tǒng)工藝的新型人工器官替代物逐漸成為可能，因此，3D 打印模型的構(gòu)建及模型的精確程度將是制造的關(guān)鍵一環(huán)[14-17]。

1 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目選取人體腰椎骨的CT 數(shù)據(jù)，通過(guò)閾值分割、曲面優(yōu)化處理、曲面擬合一系列過(guò)程對(duì)人體腰椎骨骼進(jìn)行三維重建。以獲得精度較高的腰椎骨的三維實(shí)體模型。利用該方法可以快速準(zhǔn)確的完成人體骨骼的三維重建。通過(guò)3D 打印技術(shù)，構(gòu)建人體骨骼的實(shí)體模型，以進(jìn)一步研究3D 打印人體器官在臨床的應(yīng)用，為骨損傷、骨缺損患者的3D 生物打印修復(fù)帶來(lái)福音。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

志愿者：女，21 歲，CT 全腰椎間盤平掃，受試者對(duì)實(shí)驗(yàn)方法和目的知情同意。

CT 掃描條件為：電壓l20 kV，電流250 mA，每層圖像尺寸均為512×512，掃描厚度為2.5 mm，由腰椎骨L1-L5 之間共掃描605 張尺寸為512×512 的CT 圖像。

本實(shí)驗(yàn)采用螺旋CT 掃描機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以DICOM 格式保存。此種方法為非接觸式測(cè)量法，與傳統(tǒng)的三維測(cè)量方法不同，此方法有采集效率高、成本低，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

2.2 圖像預(yù)處理及初步建模

軟 件： 利 用MIMICS 17.0（Materialise's Interactive Medical Image Control System 17.0，比利時(shí)Materialise 公司）進(jìn)行模型建立。

計(jì)算機(jī)配置：制造商LENOVO，操作系統(tǒng)Windows10（64 位），處理器型號(hào)Intel Core i5-5200U CPU，處理器主頻2.20 GHz，內(nèi)存4.00 GB。

將獲得的CT DICOM 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)圖像MIMICS 處理軟件中，由于人體的不同組織的密度各不相同，故而灰度值也不相同。根據(jù)灰度值劃分，可將骨骼與其他組織分離出來(lái)，通過(guò)區(qū)域增長(zhǎng)和三維計(jì)算得到人體腰椎骨的三維模型。骨骼在CT 圖像中，顯示為高密度，與周圍正常組織界限清晰，在橫斷面的骨骼內(nèi)繪制一條輪廓線，顯示其腰椎的閾值區(qū)間為226～1520，并進(jìn)行start thresholding 閾值分割，將骨骼與其他組織分開(kāi)，如圖1 所示。

圖1 三維模型

2.3 曲面優(yōu)化處理

由于在MIMICS 軟件中重建的三維模型有很多空洞缺陷，并且?jiàn)A雜其他組織，通過(guò)區(qū)域增長(zhǎng)，對(duì)初步閾值分割蒙版上彼此不相連但閾值相近的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，生成新的模板。選擇合適編輯圖案的形狀與大小，進(jìn)一步完善骨骼蒙版，如填補(bǔ)內(nèi)部空白部分、銳化邊緣等。最后計(jì)算3D 模型，若邊緣不平滑或者缺陷，可使用smoothing工具使模型更光滑。圖2 為光滑后三維圖像。

圖2 光滑后圖像

2.4 動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用ANSYS 12.0 對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。腰椎是人體承受重量最大的部位，為更加準(zhǔn)確的進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，此模型選擇的是志愿者的正常腰椎。L3-L5 是活動(dòng)最頻繁也是最易受損的三節(jié)椎體，因此在變形分析中，對(duì)L4 椎體施加沖擊力及扭矩，用以模擬現(xiàn)實(shí)情況。

邊界與負(fù)載條件：固定L5 椎體下表面所有節(jié)點(diǎn)，圖3對(duì)L4 椎體表面施加500 N 沖擊力；圖4 對(duì)L4 椎體上表面施加7.5 N·m 的扭矩，模擬扭轉(zhuǎn)情況；圖5 對(duì)L4 椎體表面施加500 N 沖擊力，同時(shí)在椎體上表面施加7.5 N·m 的扭矩。

圖3 L4椎體施加500 N沖擊力后的應(yīng)變情況

圖4 對(duì)L4椎體施加7.5 N·m扭矩后的應(yīng)變情況

圖5 對(duì)L4椎體施加500 N沖擊力和7.5 N·m扭矩后的應(yīng)變情況

由上圖可見(jiàn)，僅對(duì)L4 椎體施加500 N 沖擊力時(shí)，L5椎體總變形最大；僅施加7.5 N·m 扭矩時(shí)，模型的變形和受力較為均勻；同時(shí)施加500 N 沖擊力，7.5 N·m 扭矩時(shí)，受力變形范圍明顯增加，可見(jiàn)受沖擊并伴隨扭轉(zhuǎn)力矩時(shí)，對(duì)L3-L5 節(jié)腰椎的變形影響最大。

2.5 3D打印腰椎骨實(shí)體模型

3D 打印設(shè)備品牌：CREALITY 3D；設(shè)備型號(hào)：CR-2020；打印技術(shù)：熱熔堆積固化成型；打印格式：STL；操作系統(tǒng)：Windows10。

打印參數(shù)：打印層厚0.1 mm，打印速度60 mm/s，打印尺寸103 mm×96 mm×200 mm。

本模型采用PLA 耗材，利用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)腰椎骨的實(shí)體打印。材料經(jīng)高溫熔化成液態(tài)，然后通過(guò)噴嘴擠壓出許多很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后會(huì)立即固化，固化的顆粒在立體空間進(jìn)行排列組合最終形成實(shí)物，如圖6。此模型的構(gòu)建方法可以幫助臨床醫(yī)生更加直觀的觀察有病變患者的的骨骼變形程度，并進(jìn)行術(shù)前指導(dǎo)，為后續(xù)生物材料的研發(fā)打下基礎(chǔ)。

圖6 3D打印實(shí)物

3 結(jié)語(yǔ)

3D 打印是目前最先進(jìn)的制造技術(shù)之一。三維重建的模型數(shù)據(jù)是源于患者真實(shí)的影像資料，因此三維重建可對(duì)骨骼進(jìn)行1:1 真實(shí)還原，通過(guò)不同灰度劃分可將不同組織完全區(qū)別開(kāi)，使臨床醫(yī)生可對(duì)模型進(jìn)行立體、直觀認(rèn)識(shí)，獲取更多醫(yī)學(xué)信息。目前，我國(guó)3D 打印技術(shù)仍然處于一個(gè)不成熟的時(shí)期，存在各方面的問(wèn)題如：與患者溝通問(wèn)題、造價(jià)問(wèn)題、制作問(wèn)題等，但隨著控制技術(shù)、軟件技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，3D 打印技術(shù)會(huì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，也會(huì)將中國(guó)醫(yī)學(xué)推向新高度。