腰椎L4-L5節段三維重建與快速成型

程學進，季蓉蓉

（1. 江蘇省介入醫療器械研究重點實驗室，淮安 223003；2. 淮陰工學院 機械工程學院，淮安 223003）

0 引言

快速成型技術( rap id p ro to typ ing m anu facturin，RPM )是在20世紀80年代后期發展起來的一門新興技術，由于其高度柔性和快速性，已廣泛應用于航空航天、汽車、機械、家電等多個領域[1]。隨著計算機技術及材料科學的不斷進步，三維重建及快速成型技術在醫學領域的應用逐漸成為研究的熱點內容，為傳統的醫學診斷、治療等提供了新的技術支持[2]。不但可以模擬手術過程進行術前規劃及驗證手術的可行性[3]，還可以方便快捷的制作輔助人工假體，使得對最終假體外形精度及銜接等問題的處理更加容易[4]，利用快速成型技術甚至可以直接制作高精度的骨骼及組織工程支架[5,6]。

隨著人口老齡化的到來，目前脊柱類病患呈上升、多發趨勢，如何減少病人的痛苦、提高治療后的生活質量一直是人們努力的方向。由于人體的特殊性及個體之間存在的巨大差異，如何快速準確的認識特定的病椎對疾病的診斷與治療具有很強的指導意義，本文以人體腰椎為例，探討腰椎模型的三維重建以及快速成型機加工工藝。

1 應用實例

1.1 技術路線

本實驗數據來源于醫學影像資料庫，CT圖像400張，層厚0.45mm，包含整個腰椎部分。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

1.2 椎體骨骼模型重建

以L4為例，椎體骨骼模型三維重建的關鍵環節主要包含以下七個方面。

1）CT圖像的導入。利用M im ics軟件導入DICOM格式CT圖像。

2）調整窗寬窗位。為了充分顯示CT圖像的細節，必須選擇一個適當的CT值范圍顯示。將窗寬窗位顯示調整到骨的CT值200附近，本文窗寬調整為0~350，調整后骨骼輪廓比較清晰為下一步圖像分割做準備。

3）閾值分割。通過選擇“Bone(CT)”閾值，可以很容易地分開CT值差別明顯的肌肉及其它軟組織。

4）區域增長與蒙板裁剪。通過閾值分割后的蒙板不但包含腰椎部分還有其他骨骼組織如髖骨、肋骨等，因此需要進一步縮小蒙板所包含的范圍。首先通過區域增長將與腰椎不相關聯的骨骼組織分離出來，然后利用蒙板裁剪工具將所需要編輯的腰椎部分提取出來，這樣就減少了將要進行的蒙板編輯的工作量。以腰椎L4為例，區域增長后如圖2所示，裁剪后如圖3所示。

圖2 區域增長

3 蒙板裁剪

5）蒙板編輯。利用蒙板編輯工具分離與L4不相關聯的小關節面，如圖4所示，刪除與L4不相關的L5的骨骼組織，填充L4內部與外部不連通的孔洞和修緣。蒙板編輯在三維重建中是最為復雜的，需要對每一張原始的CT斷層圖像進行仔細的校對、分析，工作量很大，但這一過程卻很重要。

圖4 L4與L5小關節面

6）三維重建。通過Calcu late 3D工具，選擇相應的蒙板并設置質量參數，完成椎體L4的三維重建，如圖5（a）所示。

7）模型光順。初步建立的椎體模型是由三角片組成的面網格模型，表面非常粗糙，有多處尖刺或突起等嚴重問題，需要進行合理的修飾調整。本文采用M im ics醫學圖像處理軟件中的FEA模塊中的Rem esh功能，對模型進行光滑處理，生成具有較好面網格質量的模型以方便后續處理，如圖5（b）所示。

同理完成椎體L5的三維重建，裝配后如圖6所示。

圖5 光滑處理前后的效果

圖6 腰椎L4-L5椎體模型

1.3 椎間盤三維重建

椎間盤是位于人體脊柱兩椎體之間，由軟骨板、纖維環、髓核組成的一個密封體，上下的軟骨板與纖維環一起將髓核密封起來。纖維環的纖維束相互斜行交叉重疊，使纖維環成為堅實的組織，能承受較大的彎曲和扭轉負荷。椎間盤構建的好壞將直接影響后面有限元分析的結果，但CT圖像中椎間盤其灰度值幾乎與周圍軟組織相同，而M IM ICS又是靠灰度值區分各組織，故對于椎間盤的三維重建一直是腰椎三維重建的一個難題。在目前的國內外研究中，多數學者采用在有限元軟件中單獨建立椎間盤，過程比較繁瑣且不易掌握，也有研究者在M IM ICS中進行重建[7]，這樣建模雖然比較方便，但得到的結果在設置與腰椎的接觸問題上又不易處理。本文利用UG軟件強大的三維建模功能配合M IM ICS及Geom agic軟件建立椎間盤，建模過程簡單，接觸較容易處理，具體方法如下：

1）以Z45（L4與L5之間的椎間盤）為例，首先將M im ics軟件生成的L4與L5椎體以STL格式導入Geom agic中，通過利用其曲面功能構建L4與L5的NUBERS曲面并以igs格式保存；

2）打開UG軟件，將L4、L5椎體以igs格式導入，利用縫合命令生成實體，在UG中調整草繪平面使之位于L4椎底面和L5椎頂面之間，利用椎間盤結構的解剖學知識[8]繪制椎間盤的截面形狀，如圖7所示，通過拉伸、求差等即可獲得形狀合理且與L4、L5椎體接觸良好的椎間盤實體。為了細化椎間盤的各組成部分，采用UG軟件中草繪、拉伸、曲面偏置、拆分體等功能將椎間盤分割為上下終板、髓核、纖維環，如圖8所示。椎間盤與椎體的裝配如圖9所示。

圖7 椎間盤截面

8 椎間盤Z45

9 腰椎L4-L5

1.4 快速成型加工

實驗采用的是利用熔積成型（FDM）原理設計的Vantage i 快速成型機，加工材料為成型機配套使用的工程塑料，模型材料與支撐材料均為ABS，但支撐材料呈弱酸性，具體步驟如下：

1）模型分層。首先將腰椎L4-L5節段模型以STL格式導入FDM Van tage i 成型機配套軟件Insigh t8.0中，根據模型的形狀等因素調整模型擺放的角度，依據據模型的精度要求選擇合適的噴嘴，模型分層的的厚度取決于噴嘴的大小。本文模型噴嘴采用的是T16，支撐噴嘴為T12，所以分層厚度為0.254mm。

2）支撐的設置。根據模型加工工藝性的要求，在實體的外部和內部都需要添加一定的支撐材料。為了減少加工時間、節約支撐材料，選擇稀疏支撐（sparse）方式，其余參數均采用默認值。

3）生成軌跡文件。以保證模型表面質量，減少成型材料、縮短加工時間出發，加工腰椎L4-L5節段采用多輪廓填充方式，內部稀疏填充、表面質量為增強型，保存生成CMB文件。

4）制作模型。將上一步生成的CMB文件導入成型機控制軟件Control Center 8.0中，經過軟件計算將使用模型材料50.92cm3，支撐材料20.56cm3，模型的加工時間約為7.5小時。打開快速成型機，加入絲狀的模型材料和支撐材料，設置完模型的加工位置等重要參數，即可開始加工模型。

5）模型處理。加工完成后，將模型從快速成型機上取出，成型后的腰椎L4-L5節段模型如圖10所示。將成型后的模型放入Na OH溶液L4-L5中去除支撐材料，需要在溶液中浸泡約12小時左右，最終成型的L4-L5節段模型如圖11所示。

2 結論

1）在CT圖像的基礎上，利用M IM ICS軟件完成對腰椎L4-L5節段的三維重建。

2）充分運用解剖學知識分析椎間盤的結構與特點，利用通用三維軟件強大的建模能力，建立了椎間盤模型，并在建模的過程中較好的保證了其與相鄰椎體間的接觸，為今后腰椎有限元模型的建立與分析打下了基礎。

3）引入快速成型技術加工出腰椎模型，不但可為個性化的手術提供支持，指導相關手術操作，還可以在相關培訓、醫患交流、取得患者及家屬的理解與配合等方面有著重要的意義。

由于人體的特殊性及個體的差異性，通過CT圖像以及快速成型技術的利用，可以較好的完成人體組織三維重建及加工，但在臨床應用中尚有模型精度以及成型材料的多樣性問題亟待進一步解決。

圖10 成型后腰椎L4-L5

11 最終成型腰椎

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