利用3D打印技術制作靜脈血管模型的研究

陳更新 劉崇偉 王錦輝 殷 焱 皋 源 聞大翔

·論著·

利用3D打印技術制作靜脈血管模型的研究

陳更新 劉崇偉 王錦輝*殷 焱 皋 源 聞大翔

3D打印技術是目前科研和商業領域的熱點之一，可直接由CAD 數據快速精確的制造出復雜幾何形狀的產品。在醫學上主要應用于醫學模型、骨骼、器管和細胞打印。目前CT技術雖然可以通過軟件實現三維成像，但難以用于手術模擬。3D打印技術的迅猛發展使得實體醫學模型的獲得成為可能。本文提出了基于CT掃描圖片通過3D打印技術制作透明靜脈血管模型的方法。該方法主要依據患者的CT切片圖，通過MATLAB、CAD等軟件建立血管的三維點云以及立體模型，并成功用3D打印方法制造出兩種不同精密度的血管模型，還原真實的鎖骨下靜脈、頸內靜脈以及頭臂靜脈的人體血管結構。此模型建立為鎖骨下靜脈穿刺置管術的手術模擬和改進提供了便利，同時該方法亦適用其他人體血管3D模型的制作。

3D打印 三維設計 血管模型

3D打印（3D printing）是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。可由CAD數據快速精確的制造出復雜幾何形狀的產品，真正實現無模制造，具有成型速度快、成型精度高、表面質量好，處理簡單省時等優點。目前大量應用至航天、建筑、汽車、醫療等很多領域［1］。在醫學上主要應用于醫學模型、骨骼、器管和細胞打印［2-5］。本文提出的3D打印血管的方法是通用的，無論是何種血管，只要可以獲取一組清晰的增強CT圖，即可以按照該方法打印出仿真血管模型，對于疾病診斷與治療有很大的幫助。

1 數據的采集

圖1 CT血管切片圖

自患者的肘靜脈或手背靜脈注入含碘造影劑后進行頸胸部增強CT掃描，從而使頸內靜脈、鎖骨下靜脈及頭臂靜脈增強顯影，從而得到增強CT血管掃描切片164張，同時利用CT機自帶的后處理工作站軟件，除去了血管周圍的組織，得到了獨立的血管切片圖（見圖1）。其中白色為血管，血管周圍的黑色密度結構為脂肪組織。此CT圖片采集自仁濟醫院放射 科2015年10月數據（患者女，38歲，身高165cm，體重68kg）。另外通過CT測量得到了167例患者的靜脈血管數據，根據不同年齡段分組計算平均值，數據見表1。

表1 不同年齡段靜脈血管參數

2 3D模型的建立

2.1 簡化3D打印模型 參考表1數據作者利用UniGraphics建模軟件［6］制作了一個正常靜脈角模型（靜脈角75°）和與其對比的一個極端靜脈角模型（靜脈角110°）。正常靜脈角模型和極端靜脈角模型中右鎖骨下靜脈直徑為10mm，右頸內靜脈直徑為14mm，右頭臂靜脈直徑為12.5mm。模型建立步驟：依照表中兩組數據建立血管中心線的方程，由于血管曲率較小，此處以二次方程模擬。中心線方程為三部分，代表3條血管：鎖骨下靜脈、頸內靜脈和頭臂靜脈。根據靜脈血管的形狀，取三條血管在同一個平面上，開口分別向下、向左和向右；并將血管稍作旋轉，使得頸內靜脈和頭臂靜脈交點處兩條曲線共切線。在三中心線交點處填補圓柱之間的空隙，得到血管模型。打印出來的普通患者和肥胖患者鎖骨下靜脈穿刺血管實物模型見圖2。

圖2 靜脈血管3D打印模型。A靜脈角為75°；B靜脈角為110°

2.2 仿真血管模型 為更加逼真地反應血管的形狀，作者根據增強CT切片圖構建了仿真血管模型。模型建立步驟：先將每一張CT圖中血管進行一系列處理，提取邊界，轉化為一系列的散點；根據每張CT切片的間距將每組散點組合放置于同一坐標系中，在空間中形成點云［7］；再利用計算機輔助設計軟件將點云重新組合成一個新的柱面；將柱面加厚，得到仿真血管模型。從切片圖到散點是圖片數字化處理過程，要取出有效的點坐標，也就是點云；從點云到立體圖是一個逆向工程。從CT圖片到散點的過程中經歷步驟見圖3。以其中的一張CT片（如圖1）為例，相關變化見圖4。原始CT片（見圖1）周圍有相關數據記錄，所以先將其剪切掉排除干擾；此時血管為白色（圖4A）。黑白互換得到反相圖（圖4B），因為黑色圖像處理更加方便；此時血管為黑色。純化目標是遍歷每一個點，將其中非黑色的點全部變成白色，使黑色的血管更加突出（見圖4C）。然后利用MATLAB函數庫中的算法［8］，獲取黑色血管的邊界（見圖4D），此時圖片自動被黑白反相所以需要再次反相得到黑色的血管輪廓（見圖4E）。從散點至點云過程利用了MATLAB軟件的scatter3d函數，建立點云見圖5。獲得點云后，利用中望CAD+計算機輔助設計軟件［9］，根據點云數據重新構造相應血管的完整曲面。利用“蒙皮”功能，其原理是利用一個較大的柱面不斷收縮，直至與散點接觸，從而得到了散點的外圍形狀。獲得面之后，利用Powershape軟件對面進行“潤化”處理，即使模型的面與面之間過度更加平滑。之后使用“加厚”功能，此處認為血管的厚度是均勻的，將柱面向外平行擴展，將無厚度的柱面轉化為有厚度的空心柱體，最終的三維血管模型見圖6。得到血管模型以后，將文件以.stl格式輸出至3D打印機，即可打印出3D打印實物，見圖7。打印模型強度較好，光透明性很好，經人工拋光之后可以達到完全透明。

圖3 CT圖片處理流程圖

圖4 從CT圖片到散點設計過程：A剪取CT片中間部分；B反相圖（黑白互換）；C純化目標；D獲取邊界；E再次黑白反相

圖5 點云的三維顯示

圖6 靜脈血管仿真模型

圖7 3D打印血管模型。A正視圖、B側視圖、C俯視圖

3 討論

3D打印主要分為三個步驟：三維設計、切片處理和打印。三維設計是指通過計算機建模軟件建立三維模型。3D打印模型的標準文件格式是STL文件，使用三角面來近似模擬物體表面。三角面越小，其生成的分辨率越高。切片處理和打印兩個步驟是利用現有的3D打印機完成的。

以本文所用激光SPS600B快速成型機為例，其所用打印材料為透明光敏樹脂。首先打印機讀入STL文件，對模型進行從下向上切片，將三維模型分解成多個二維截面。根據二維截面輪廓要求，在計算機控制下，沿樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂的液面進行掃描，并用紫外激光快速固化掃描區域，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片，然后工作臺下降一層切片的厚度，已經固化的樹脂薄片被一層新的液態樹脂所覆蓋，再進行掃描固化，新的固化層與前一層粘結在一起。這樣的過程重復進行直至樣品完整成型。最后取出樣品進行清洗，二次固化及表面處理即可。

鎖骨下靜脈置管術能夠直接快速有效的輸入大量液體進入血液循環，尤其在手術室危重患者的輸液、搶救及中心靜脈壓檢測等方面起到了極其關鍵的作用，因而目前得到廣泛的應用［10-11］。由于右鎖骨下靜脈置管術手術風險相比左鎖骨下靜脈置管術較小，使用更多［12］。但是穿刺異位率較高［13］。作者提出的磁鐵引導法鎖骨下靜脈置管術可以明顯降低穿刺異位率［14］。利用3D打印制作透明可視的仿真鎖骨下穿刺靜脈血管模型對探究磁引導鎖骨下靜脈穿刺術提供了較大便利，可以直觀地觀察導絲的走向。另外個性化3D打印的靜脈模型亦可用于鎖骨下靜脈穿刺置管術的手術模擬［15］。

鎖骨下靜脈穿刺血管模型設計分為兩種，分別是不同靜脈角的簡單血管模型設計和仿真血管模型設計。簡單血管模型設計是將血管當作光滑的圓柱體，模型制作方便，獲得了血管的基本數據后，使用普通三維設計軟件就可以完成，可以根據需要設定靜脈角；而仿真設計是依據164張CT掃描圖片，還原度極高，可以真實地表現出血管的外觀形態如血管表面的凸起、凹陷和細微的內徑變化等。

從表1 中可以看出不同年齡段靜脈血管參數有所不同。右鎖骨下靜脈直徑平均值介于9.4~10.6 mm之間；右頸內靜脈直徑平均值介于12.5~14.2mm之間；而右頭臂靜脈直徑平均值介于12.3~12.9mm之間。靜脈角平均值介于73.3°~79.8°之間。表1結果與靜脈角及附近腔內結構的解剖數據基本一致［9］。

圖2為靜脈角分別為75°的“正常”靜脈角實物模型和110°極端靜脈角實物模型。作者將此實物模型右鎖骨下靜脈處和透明人體模型膠結在一起，血管放置在人體模型上表面下方3.5cm處，水平距離鎖骨1.5cm。鎖骨下靜脈在鎖骨中點對應位置灼穿一個小孔，作為穿刺點。人體模型在穿刺點上方對應位置也灼穿小孔。小孔邊緣打磨光滑，導絲伸入小孔內運動不會受到阻礙。將導絲經鎖骨下靜脈緩慢插入，可以清楚地看到導絲在靜脈匯合處的走向。對于靜脈角為75°的正常靜脈角實物模型，導絲都基本向下進入了頭臂靜脈，而對于靜脈角為110°的極端靜脈角模型，導絲向上進入頸內靜脈，發生穿刺異位。因此3D打印的靜脈角模型可以深入地研究靜脈穿刺情況。這對手術模擬或對鎖骨下靜脈置管術的培訓均有所幫助。圖7為精密度更高的靜脈角實物模型。從三視圖上可以清晰地觀察到鎖骨下靜脈、頸內靜脈和頭臂靜脈的表面形態，及其尺寸的變化。

綜上所述，作者通過CT測量及增強CT切片圖得到頸內靜脈，鎖骨下靜脈及頭臂靜脈血管的相關數據，利用三維建模軟件設計了靜脈角分別為75°和110°的光滑血管模型以及完全根據CT片切片圖得到的仿真血管模型，并利用3D打印機制作了透明的血管實物模型。

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3D printing is one of hotspots in scientif i c research and commercial area due to that any products with complex shapes can be rapidly and accurately manufactured. In medical domain，3D printing is used to fabricate medical model，bone，organ and cell. Nowadays three dimension pictures can be achieved with using Computed Tomography（CT）via professional software. However，it is diff i cult to simulate operation. In this paper we developed a method to prepare transparent vein models using 3D printing. The method was based on patients’ CT slice graphs，and a 3D point cloud model and 3D virtual model were fi rstly designed by software such as MATLAB and CAD，and then two kinds of vein models in different precision degrees were successfully fabricated by 3D printer. The vein models can clearly display the detailed structure of subclavian vein，internal jugular vein and brachiocephalic vein，and would help to simulate operation and promote the method of subclavian vein catheterization. Besides，the method can be easily employed to make other vein model.

3D printing 3D design Vein model

上海交通大學醫工（理）交叉基金資助項目（YG2013MS39），上海交通大學本科生研究計劃（PRP）資助項目（T072PRP28015）

200240 上海交通大學（陳更新 劉崇偉 王錦輝）200127上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院（殷焱 皋源 聞大翔）

*通信作者