骨組織模型3D 打印建模中CT 圖像序列選擇的策略分析

李修往 吳家昌 葉灼峰 吳銘杰 莊偉達(dá) 趙仁禮 桑宏勛* 王 瓊

1(南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院骨科中心 深圳 518000)

2(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

3D 打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已成為數(shù)字醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，特別是在骨外科領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。美國(guó)食品及藥物管理局(FDA)于 2021 年 2 月 17 日宣布批準(zhǔn)了 Additive Orthopaedics 公司的個(gè)性化 3D 打印距骨植入物用于人道主義用途。其中，特制距骨墊片是世界首個(gè)，也是同類首個(gè)替代距骨(連接腿和腳的踝關(guān)節(jié)中的骨骼)的植入物，可用于治療踝關(guān)節(jié)缺血性壞死(Avascular Necrosis，AVN)。AVN 是一種嚴(yán)重的進(jìn)展性疾病，該部位因缺乏血液供應(yīng)而導(dǎo)致骨組織死亡。采用外科手術(shù)治療晚期 AVN可能導(dǎo)致患者踝關(guān)節(jié)無法運(yùn)動(dòng)，而采用植入物進(jìn)行治療則可避免這一副作用。特制距骨墊片是一種 3D 打印的植入物，可用于距骨置換手術(shù)中。其中距骨墊片是根據(jù)計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像為每個(gè)患者單獨(dú)制作的、適合患者的特定解剖結(jié)構(gòu)。置換手術(shù)則是將患者的距骨取下并用鈷鉻合金制成的植入物代替。若患者病情惡化需要融合手術(shù)，則使用特制距骨墊片進(jìn)行距骨置換手術(shù)可以使患者的踝關(guān)節(jié)保留運(yùn)動(dòng)能力[1]。

采用 3D 打印技術(shù)在術(shù)前通過打印患者的等比例骨組織模型可以進(jìn)行手術(shù)方案的精確規(guī)劃[2]；術(shù)中通過等比例骨組織模型的觀察可以確保手術(shù)的定位精準(zhǔn)度[3]，從而縮短手術(shù)時(shí)間，減少病人出血量，減小創(chuàng)口以及術(shù)中反復(fù)透視的輻射劑量[4-5]；術(shù)后可以通過打印模型評(píng)估手術(shù)效果[6-7]。在骨組織的 3D 打印建模中，CT 圖像是公認(rèn)的最佳建模數(shù)據(jù)，其由于較高的空間分辨率和組織分辨率，成為骨組織建模以及后續(xù)力學(xué)有限元分析、3D打印的最佳選擇[8-10]。但打印出等比例的、與患者完全匹配的、精確的骨組織模型涉及術(shù)前 CT影像掃描、3D 建模、3D 打印及打印后處理一系列的流程。前期的 CT 影像掃描和 3D 建模的質(zhì)量直接影響后續(xù)打印出模型的質(zhì)量和精度，故選擇何種序列的 CT 圖像進(jìn)行 3D 打印仍是值得研究的問題。以 GE Revolution CT 為例，該 CT提供的主要常規(guī)重建算法包括 SOFT、STND、DETAIL、CHEST、LUNG、BONE、BONE+ 以及 EDGE。根據(jù)檢查目的不同，這些算法對(duì)空間分辨力和密度分辨力各有側(cè)重。在實(shí)際應(yīng)用中，重建方法分為低分辨重建算法和高分辨重建算法。其中，低分辨重建算法主要表現(xiàn)低對(duì)比度的軟組織細(xì)節(jié)，密度分辨力較高，可用于增強(qiáng)掃描，包括 SOFT、STND、DETAIL 及 CHEST；高分辨重建算法主要表現(xiàn)空間分辨力，用于展現(xiàn)骨邊緣等細(xì)節(jié)信息，密度分辨力偏低，一般不用于增強(qiáng)掃描，包括 LUNG、BONE、BONE+ 及EDGE。而現(xiàn)有的文獻(xiàn)還沒有對(duì)不同 CT 序列圖像骨組織模型建模效果進(jìn)行對(duì)比研究。本研究在多年的骨組織模型 3D 打印中發(fā)現(xiàn)不同 CT 圖像序列重建的骨組織模型有一定差異，特別是骨窗序列常被默認(rèn)為重建骨組織模型的序列，而通過筆者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在三維建模的效果上骨窗序列并不是最佳選擇。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和工具

選擇骨病患者中的 10 例作為研究對(duì)象，其中頸胸椎、腰椎、骨盆、四肢、足踝各 2 例。該研究獲得南方醫(yī)科大學(xué)深圳醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào) NYSZYYEC20180002)以及患者的知情同意。根據(jù)不同臨床應(yīng)用領(lǐng)域的需求，CT 設(shè)備的廠家提供了不同的 CT 圖像序列，本團(tuán)隊(duì)采用的是 GE 醫(yī)療 Discovery CT750 HD，將患者的手術(shù)部位進(jìn)行 CT 掃描，掃描數(shù)據(jù)以 Dicom 3.0 格式存儲(chǔ)于光盤。掃描參數(shù)如下：管電壓 120 kV，管電流 349 mA，層厚 0.625 mm，無間隔容積掃描，掃描矩陣為 512 像素×512 像素，層內(nèi)像素尺寸為 0.54 mm，機(jī)架傾角為 0°，圖像序列包含標(biāo)準(zhǔn)窗(STND)序列和骨窗(BONE)序列。三維建模軟件采用 Mimics Medical 21.0 醫(yī)用設(shè)計(jì)軟件(Materialise 公司，比利時(shí))。建模后采用微軟的 3D 查看器 V7.2 查看模型參數(shù)及效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將 10 例骨病患者 CT 掃描后輸出的原始Dicom 3.0 數(shù)據(jù)拷貝到 Mimics 圖像工作站，點(diǎn)擊圖像工作站上 Mimics Medical 21.0 醫(yī)用設(shè)計(jì)軟件菜單欄的“New Project”新建病人項(xiàng)目，選擇并導(dǎo)入 STND 掃描序列和 BONE 掃描序列，選擇軟件 Segment 菜單下的“New mask”中的“Bone(CT)”預(yù)置分割閾值，提取出骨骼組織的 Mask，隨后右鍵點(diǎn)擊分割出的骨骼組織Mask，再右鍵菜單欄選擇“Calculate Part”即可將分割出的骨骼組織重建為三維結(jié)構(gòu)，并顯示于軟件視窗右下角視圖內(nèi)?？赏ㄟ^工具欄或右鍵菜單選擇不同的工具對(duì)重建的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、半透明、拆分、切割、合并和修飾等操作，以調(diào)整重建模型達(dá)到要求，模擬手術(shù)切除范圍。隨后分別將 STND 掃描序列和 BONE 掃描序列的重建結(jié)果通過軟件“STL+”功能導(dǎo)出 STL格式的建模數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析和 3D 打印。

通過微軟的 3D 查看器 V7.2 對(duì) Mimics 21.0軟件輸出的 10 例患者(頸胸椎、腰椎、骨盆、四肢、足踝各 2 例)的骨組織 3D 建模的 STL 文件結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其中，重點(diǎn)對(duì)建模階段選擇CT 影像的骨窗圖像序列和標(biāo)準(zhǔn)窗圖像序列進(jìn)行比較——在軟件中輸入選定的 CT 序列圖像后，采用相同分割參數(shù)和重建算法的前提下對(duì)建模效果和打印效果進(jìn)行對(duì)比。具體地，對(duì)比相同條件參數(shù)下的重建構(gòu)成三角形面片數(shù)量(表 1)和三角形頂點(diǎn)數(shù)量(表 2)、三維顯示的效果、重建結(jié)果的吻合度和醫(yī)生目測(cè)觀察結(jié)果(圖 1)。目測(cè)觀察實(shí)驗(yàn)由 5 名具有 10 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的骨科醫(yī)師對(duì)建模圖像進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，采取盲法，同一臺(tái) Mimics 圖像工作站，每位醫(yī)師閱片時(shí)房間亮度和屏幕亮度均一致，每評(píng)完 1 組圖像閉目休息20 s，以避免因視覺疲勞而產(chǎn)生誤差。

表1 10 例患者重建數(shù)據(jù)三角面片數(shù)量對(duì)比Table 1 3D reconstruction triangles numbers comparison of 10 patients

表2 10 例患者重建數(shù)據(jù)三角形頂點(diǎn)數(shù)量對(duì)比Table 2 3D reconstruction triangles vertex numbers comparison of 10 patients

圖1 結(jié)果比較：(a)重建吻合度比較，(b)局部細(xì)節(jié)比較，(c)三角面片構(gòu)成比較Fig. 1 Comparison of results: (a) 3D reconstruction coincide, (b) local details, (c) triangle facets

對(duì)于需要 3D 打印的模型，首先將重建的建模 STL 文件導(dǎo)入 iSLA450 樹脂 3D 打印機(jī)(中瑞科技有限公司)進(jìn)行打印前支撐設(shè)計(jì)和打印格式轉(zhuǎn)換；然后，采用光固化立體造型工藝(材料為中瑞科技光敏樹脂，型號(hào) ZR710)進(jìn)行實(shí)物打印(打印結(jié)果見圖 2)；最后，去除模型支撐和清洗模型上殘留樹脂，并用紫外光固化(99 min)完成打印模型后處理。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)序列重建骨盆打印結(jié)果Fig. 2 3D printed pelvis reconstructed from standard CT image series

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì) 10 例骨組織模型的建模數(shù)據(jù)采用軟件算法分析發(fā)現(xiàn)，采用標(biāo)準(zhǔn)窗序列的建模和打印效果優(yōu)于采用骨窗序列的。其中，標(biāo)準(zhǔn)窗序列的建模結(jié)果中三角面片的數(shù)量和三角形頂點(diǎn)數(shù)量顯著少于骨窗序列。推測(cè)骨窗序列的建模效果和質(zhì)量下降的原因：CT 廠家在把標(biāo)準(zhǔn)窗的圖像序列轉(zhuǎn)化為骨窗圖像序列時(shí)做了圖像銳化處理[11-12]，該處理降低了骨組織周圍相鄰組織(如軟骨、肌腱、肌肉等)的灰度值[13-14]，通過該處理后在二維斷層圖像上骨組織的對(duì)比度有顯著提升[15-16](圖 3)，便于閱片期間對(duì)骨組織病變的快速識(shí)別[17-18]。但在 3D 建模中，建模的效果是通過三角面片頂點(diǎn)的相鄰圖像像素的灰度梯度先計(jì)算出法向量，再將該法向量代入計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的光照模型方程計(jì)算得到，而銳化后的圖像相鄰像素的灰度梯度過大，導(dǎo)致建模效果上出現(xiàn)明顯的顆粒狀失真。標(biāo)準(zhǔn)窗由于能夠準(zhǔn)確地反映骨組織和鄰近組織(如軟骨、肌腱、肌肉等)的真實(shí)灰度梯度過渡關(guān)系，在重建中的法向量計(jì)算中能準(zhǔn)確體現(xiàn)骨組織和周圍組織的真實(shí)關(guān)系，建模效果與真實(shí)一致，其重建和打印出的模型在質(zhì)量和精度上都優(yōu)于骨窗的。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)序列(左)與骨窗序列 2D(右)對(duì)比Fig. 3 Comparison between STND(left) and bone(right) series

4 結(jié) 論

CT 圖像的不同序列來源于掃描階段采用的不同重建算法改變圖像噪聲的頻段，目的是方便不同組織結(jié)構(gòu)的閱片。其中，低分辨重建算法可提高各個(gè)噪聲點(diǎn)之間的相關(guān)性，降低噪聲頻段，噪聲結(jié)構(gòu)趨于平滑，如標(biāo)準(zhǔn)序列；而高分辨重建算法可提高各噪聲點(diǎn)之間的差異，提高噪聲頻段，噪聲結(jié)構(gòu)趨于銳利，如骨窗序列。因而低分辨重建算法往往降低噪聲，提高密度分辨力，降低空間分辨力；高分辨重建算法提高噪聲，降低密度分辨力，提高空間分辨力。根據(jù)檢查目的合理地運(yùn)用重建算法可以有效提升二維圖像質(zhì)量，提高疾病檢出率。但目前缺乏不同序列對(duì)骨組織三維建模效果影響的相關(guān)研究。本研究結(jié)果表明，骨組織的 3D 打印建模階段應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)窗的CT 掃描序列圖像作為輸入圖像，如選擇骨窗序列圖像作為建模的輸入圖像則會(huì)導(dǎo)致最終打印模型的質(zhì)量和精度下降(圖 4、圖 5)。本研究可為從事醫(yī)療領(lǐng)域骨組織 3D 打印相關(guān)業(yè)務(wù)在建模階段選擇序列的 CT 圖像提供科學(xué)依據(jù)，避免在骨組織的 3D 打印建模階段陷入選擇骨窗序列的誤區(qū)。

圖4 重建效果(前視圖)Fig. 4 3D reconstruction view (Anterior)

圖5 重建效果(頂視圖)Fig. 5 3D reconstruction view (Top)