基于3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用與開發(fā)研究

王定旭，馮明明，陳 強，楊開洲，王 娜，胡 冬，陳廣新，周志尊

(牡丹江醫(yī)學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

醫(yī)學(xué)三維重建技術(shù)可以實現(xiàn)心臟及其各動脈和分支的空間結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)心臟模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模擬仿真支架，最后可以通過 3D生物打印技術(shù)打印出細(xì)胞支架。3D打印技術(shù)正在逐漸應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。許多醫(yī)院都建立了醫(yī)學(xué)圖像處理與3D打印中心，用以幫助醫(yī)院各科室的精準(zhǔn)醫(yī)療診斷與治療。3D打印處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于外科領(lǐng)域，可術(shù)前規(guī)劃各種難度大風(fēng)險高的外科手術(shù)。通常，臨床醫(yī)學(xué)影像醫(yī)生的診斷與治療都是將 CT，MRI，DSA等二維影像圖片作為依據(jù)，然而這些2維的影像學(xué)數(shù)據(jù)很難應(yīng)對復(fù)雜病例，很難真實模擬術(shù)前診斷與手術(shù)規(guī)劃。醫(yī)生采用2維醫(yī)學(xué)影像來觀察器官，分析疾病的狀態(tài)，需要醫(yī)生具有憑借2維的影像學(xué)圖像在自己的大腦構(gòu)建三位圖像的能力。而這種能力需要長時間經(jīng)驗的積累和培養(yǎng)。通過 3D打印可完成術(shù)器官與病變組織模型。醫(yī)生或患者都可以通過術(shù)前模型研究與觀察器官和病變組織的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，與其他組織如血管、神經(jīng)的空間關(guān)系，為手術(shù)的精確化與可視化提供了研究平臺。3D打印可制作各種人體器官模型，展示其內(nèi)部清晰結(jié)構(gòu)，如心臟病醫(yī)生可以借助 3D打印特殊的支架、制作各種人體器官、組織替代植入物，用 3D生物醫(yī)學(xué)人體工程學(xué)技術(shù)制作植入物所帶來的諸，制作人體仿真器官有許多優(yōu)點，并正在服務(wù)于社會。

在實際手術(shù)中雖然有詳細(xì)且全面的術(shù)前醫(yī)患溝通，術(shù)中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶I(yè)技術(shù)操作，部分病例仍不可避免在術(shù)后出現(xiàn)無法預(yù)知的并發(fā)癥甚至死亡，發(fā)生醫(yī)療糾紛。而且醫(yī)學(xué)知識博大且精深，枯燥的理論學(xué)習(xí)對醫(yī)學(xué)生的要求較高，尤其是對解剖知識的理解很多醫(yī)學(xué)生僅僅停留在理論方面，進(jìn)而出現(xiàn)空間三維認(rèn)識欠缺，影像學(xué)認(rèn)識混亂，影像學(xué)表現(xiàn)不能與術(shù)中解剖相聯(lián)系等一系列問題。術(shù)前利用 3D打印模型可以讓醫(yī)生預(yù)測術(shù)中可能出現(xiàn)的困難和并發(fā)癥，以及選擇最佳手術(shù)入路和手術(shù)器械，并且這類 3D打印模型可以消毒后在術(shù)中手術(shù)臺上供醫(yī)生參考。在醫(yī)學(xué)教育中，扎實的解剖學(xué)基礎(chǔ)知識是每一個醫(yī)生最基本的要求，通過數(shù)據(jù)處理，三維建模，3D打印這一系列流程的操作，學(xué)生對于理論知識的感悟會更進(jìn)一步，對于人體組織器官空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識更為形象而具體。實際教學(xué)中，不僅可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)疾病解剖，制定手術(shù)方案，掌握手術(shù)并發(fā)癥，還可以促進(jìn)他們學(xué)習(xí)影像知識，幫助他們閱讀CT，MRI，DSA片。

3D打印實質(zhì)上是將電子信號轉(zhuǎn)化為三維實體模型的技術(shù)。要通過數(shù)據(jù)獲取、三維模型設(shè)計、層截面的創(chuàng)造三個主要步驟來完成。打印呈現(xiàn)多樣化，方式有包括立體光刻（Stereo Lithography Appearance，SLA）、選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）、熔融擠壓成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）、分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、噴墨打印、選擇性激光融合（Selective Laser Fusing，SLM）等，打印材料更具具體應(yīng)用可選擇不銹鋼、鎳鈦諾、鈦金屬、金屬粉末、陶瓷、聚醚酮酮、塑料、聚醚醚酮等，不同材料對應(yīng)不同的打印方式。

1 材料與方法

1.1 實驗數(shù)據(jù)采集

影像學(xué)數(shù)據(jù)來源于牡丹江醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，附屬紅旗醫(yī)院CTA影像數(shù)據(jù)。成像設(shè)備采用東芝Aquilion64螺旋CT，掃描參數(shù)：層厚0.5 mm、層間隔0.5 mm，管電壓120 kV、管電流250 mA、掃描矩陣 512×512、視野 239.62 mm、像素尺寸0.468 mm，以4.0 ml/s經(jīng)肘靜脈注射造影劑140 ml完成斷層掃描。圖像數(shù)據(jù)保存為 DICOM 3.0（Digital imaging and Communications in Medicine）格式。

1.2 圖像后處理設(shè)備及軟件

圖像后處理實驗設(shè)備采用戴爾 Precision T7810：Xeon E5-2609 v3處理器、16 G內(nèi)存、nVIDIA Quadro k2200顯卡圖像工作站。實驗應(yīng)用軟件采用 Mimics 21.0；3-matic 12.0；Ansys workbench 18.0完成和股骨、顱骨及、心臟及冠狀動脈的預(yù)處理及三維模型重建。應(yīng)用Cura切片軟件及 3D打印軟件 Pronterface，將三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機完成3D模型打印。

1.3 實驗方法與步驟

CT，MRI，DSA影像資料采集，將采集數(shù)據(jù)以DIOM格式輸出，應(yīng)用MINICS軟件進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入FDM3D打印機打印。根據(jù)原始的CT，MRI，DSA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DICOM格式個體CTA數(shù)據(jù)，導(dǎo)入逆向工程處理軟件Mimics，經(jīng)過閾值分割、區(qū)域增長及手動編輯，分割提取感興趣區(qū)域。運用 Mimics的3D運算功能將分割提取的2D斷面連接，構(gòu)建三維模型。由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備、各種人為或隨機因素以及環(huán)境因素的影響，數(shù)據(jù)采集過程中不可避免地會有雜點和從周圍環(huán)境中引入的不需要的點，所以通常在保證一定精度和特征的前提下對點云進(jìn)行光順處理、減少點云數(shù)據(jù)量，然后再進(jìn)行模型重建。這是逆向過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。將三維建立好的數(shù)字化模型輸入 3D打印設(shè)備即可驅(qū)動設(shè)備完成模型原型的成型制造，由于醫(yī)療行業(yè)（尤其是修復(fù)性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域）個性定制化需求顯著，鮮有標(biāo)準(zhǔn)的量化生產(chǎn)，而個性化、小批量和高精度恰是 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢所在。

2 研究內(nèi)容與實驗結(jié)果

2.1 CT具體圖像預(yù)處理與三維模型重建

（1）導(dǎo)入與定位：將DICOM格式的CAT圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Mimics 21.0，完成圖像被成功并定位。（2）圖像分割：采用閾值分割方法，通過選定像素灰度值（Hounsfield，HU），即CT值，在CT圖像中，組織密度相對應(yīng)于灰度值圖像的灰度值。設(shè)定閾值對組織結(jié)構(gòu)提取的精確度非常重要，過高和過低都不利于該感興趣區(qū)ROI（Region of Interest，ROI）組織的提取。需根據(jù)實際研究目標(biāo)選取閾值范圍。（3）模型的三維重建及修復(fù)。把整個模型作為研究目標(biāo)，蒙板（Masks）設(shè)定為建立三維建模之前所選目標(biāo)。將得到的圖像蒙板保存到Mimics 21.0中，提取并建立三維模型（如圖 1）。

圖1 閾值分割后冠動脈3D模型Fig.1 Threshold segmented coronary artery 3D model

應(yīng)用區(qū)域增長將一些具有相似像素的體素連接起來，將剔除離散體素。需要手動對所得圖像進(jìn)行精細(xì)邊緣裁剪。編輯蒙板并得到器官組織ROI三維模型。心臟及冠狀動脈模型需要多次補洞才能得到較為完整的模型。使用布爾工具合并補洞模型和原始心臟模型。完成一部分區(qū)域的補洞，再重復(fù)操作，即可完成對心臟及冠狀動脈模型補洞。通過光滑及補洞優(yōu)化模型（如圖2）。

圖2 優(yōu)化后冠動脈模型Fig.2 Optimized coronary artery 3D model

2.2 醫(yī)學(xué)圖像的3D打印機數(shù)據(jù)傳輸

將Cura 軟件圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入與模型切片處理。該軟件載入模型保存后，將STL格式的三維模型導(dǎo)入該軟件實施切片分層，經(jīng)參數(shù)設(shè)置，G代碼輸出，并在3D打印軟件 Pronterface 中打開，經(jīng)存設(shè)備導(dǎo)入 3D打印機打印。再打印過程中要合理選擇整體縮放率、噴頭溫度、層厚及填充率，選用塑料PLA（Polylactide，PLA）打印材料。將3D模型以STL格式保存并在軟件Cura中進(jìn)行切片處理。連接圖像工作站與 3D打印機，實現(xiàn)對打印機參數(shù)的設(shè)置及控制。也可采用熱塑聚氨酯彈性橡膠 TPU（Thermoplasticpolyurethanes，TPU）作為打印材料，使制作的心血管模型更有彈性，強度更高，更便于后期的支架模擬仿真設(shè)計。

2.3 FDM打印機設(shè)計方案

針對FDM打印機進(jìn)行了初期設(shè)計。3D打印機結(jié)構(gòu)（如圖 3）包括打印噴頭，送料支架，打印平臺，打印機主在X-Y平面上移動，主板，各伺服電機控制電路，溫控電路，電源，存儲端子，打印模型信號采集，及圖像處理工作站等。選擇單板機作為整個打印機主板，主板端口包括輸出控制信號控制伺服電機用來把打印材料的輸送到噴嘴，溫度控制電路調(diào)節(jié)噴嘴溫度。單板機輸出信號控制伺服電機推動支架在垂直方向移動，用以調(diào)節(jié)打印層厚。單片機輸出另一信號推動 X-Y點陣電路，控制載物臺在X-Y平面上移動，沿斷面周圍路線打印模型。具體研究的冠狀動脈的CTA二維圖像經(jīng)圖像工作站處理，萬城D建模，將完成的 3D模型通過信號采集電路輸入到單片機。具體 FDM 打印機成品的制作將在以后的課題中完成。

圖3 FDM打印機結(jié)構(gòu)圖Fig.3 FDM printer structure drawing

3 結(jié)論

由于臨床疾病有獨特性、復(fù)雜性、立體性、精準(zhǔn)性等特點，需要良好的空間想象能力，3D打印技術(shù)可以簡化這個環(huán)節(jié)，3D打印的等比例模型可以完整的展現(xiàn)病灶的空間組織結(jié)構(gòu)，醫(yī)師能直接根據(jù)模型合理規(guī)劃并制定手術(shù)方案。在選定了合適的手術(shù)方案后，基于模型進(jìn)行預(yù)手術(shù)，在預(yù)手術(shù)的過程中能模擬實際手術(shù)可能遇見的各種不可預(yù)料的因素，通過多次手術(shù)選擇最為合理的方案，盡可能規(guī)避風(fēng)險，提高了手術(shù)的成功率。

在手術(shù)中根據(jù)收集的影像資料數(shù)據(jù)進(jìn)行即時判斷，利用模型為手術(shù)中的進(jìn)行的每一步做模擬判斷，提前規(guī)避可能出現(xiàn)的風(fēng)險，這對降低出血量，簡化手術(shù)過程，縮短手術(shù)時間，防治并發(fā)癥都有積極意義。

醫(yī)患矛盾乃至醫(yī)療糾紛的產(chǎn)生，往往來自于醫(yī)者患者之間的溝通不充分，雙方信息不對等，患方一般不具備專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識，難以理解復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)的危險性，然而醫(yī)方不能夠在短時間內(nèi)讓患方明白醫(yī)學(xué)原理。而現(xiàn)在通過3D打印的1∶1實物模型，醫(yī)方就可以依據(jù)實物模型較為清晰的向患方解釋手術(shù)的過程、手術(shù)的難點、手術(shù)存在的風(fēng)險以及可能出現(xiàn)的各種并發(fā)癥，患方有一個直觀的感受，就會增加對手術(shù)的信心，就有一定的心理準(zhǔn)備去接受所出現(xiàn)的各種手術(shù)結(jié)果。

對于在校學(xué)生來說，課本的知識較為枯燥，不能夠在頭腦中形成圖像，缺乏感性認(rèn)識，而這些實物模型則能夠形象的體現(xiàn)出我們?nèi)梭w的解剖結(jié)構(gòu)，授課老師還可以在實物模型上進(jìn)行演示，讓學(xué)生理解得更加透徹。而且，通過讓學(xué)親自在3D模型上進(jìn)行模擬手術(shù)，能夠加快學(xué)生吸收、利用課本知識，掌握該種疾病解剖變化，這種教學(xué)方法可以明顯提高教學(xué)質(zhì)量。我們還需要學(xué)生完全掌握從數(shù)據(jù)的采集到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，包括最后利用 3D打印技術(shù)進(jìn)行打印等一系列操作，然后經(jīng)由學(xué)生自己實踐，從中獲取知識。

在實際教學(xué)中，在使用 3D打印技術(shù)之前要有一定的基礎(chǔ)知識，首先要熟練使用三維建模軟件Mimics，融會貫通如何使用三維建模，并且要熟悉 3D打印機的原理與結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生能有自足安裝拼接熔融擠壓快速成型（FDM）打印機的能力，通過在課堂教學(xué)中應(yīng)用 3D打印技術(shù)，有效提升了課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和自我探索能力，提高了學(xué)生課堂積極參與度。能夠把理論知識中描述的理論概念以及實物展示出來，加深學(xué)生們對于理論知識概念的印象。醫(yī)學(xué)專業(yè)對于學(xué)生們的專業(yè)水平要求較高，在實際打印之前必須要有豐富的理論基礎(chǔ)，這也要求學(xué)生強化理論知識的學(xué)習(xí)，二者相輔相成，有針對性的顯著提高學(xué)生的綜合能力。該技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于臨床治療和醫(yī)學(xué)教育。