基于CTA數據的肝臟MIMICS重建及其3D打印技術

薛啟煌，Igor Drstvensek,邢永振，張其清

(1.福建南方濟民醫藥技術研發中心有限公司，福州 350000;2. University of Maribor, Slovenia;3.福建吉特瑞生物科技有限公司，福州 350000;4.中國醫學科學院 北京協和醫學院 生物醫學工程研究所，天津 300192)

1 引 言

3D打印技術是一種采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術。相較傳統的材料去除(切削加工)，它是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。目前，3D打印按照不同的成型原理可分為熔融沉淀成型(FDM)、激光燒結(SLS)、光固化(SLA)等類別，所涉及的材料及應用領域也不相同。FDM型3D打印機是最常見的一種3D打印設備，一般以熱塑性塑料為打印材料，如工程塑料、聚乳酸等。經過優化、去除熔融模塊后，FDM打印機可用于不耐高溫的生物材料或有機材料的打印。而SLS型打印機更適用于鈦合金和生物陶瓷的打印，打印物精密度高，強度大，可代替人體骨骼。光敏樹脂亦稱為UV樹脂，由聚合物單體與預聚體組成，其中加有光(紫外線)引發劑或稱為光敏劑，在一定波長的紫外光照射下立刻引起聚合反應，完成固化。SLA打印以光敏樹脂為材料，汲取了上述兩種打印的優點，能夠制造出高精密度，強度適中的物體。總之，與傳統的制造手段相比，3D打印以高靈敏、高精確著稱[2-4]，這為該技術在臨床上的運用奠定了基礎。目前，有關3D打印技術在醫療領域上運用的例子不在少數，包括3D打印制造藥物、個性化醫療器械和3D醫學建模等[5]。3D打印在臨床上的應用有著美好的前景。

醫學建模是3D打印技術在臨床上發揮作用的一種重要方式。結合CT血管造影(CTA)技術和MIMICS重建的3D打印能夠對患者特定部位的組織、骨骼甚至器官做出重建、實體化。所制造出的模型具有個性化、精確、高效等特點[6-7],并能展示其在人體中的空間關系[8]。這種技術可用于術前的規劃或者手術指導[9]，再結合臨床診斷知識，將大大提高手術效率，簡化手術過程，是一種值得推廣的應用方式[10-11]。

2 材料和方法

2.1 實驗材料

計算機硬件，Intel(R) Core (TM) m3-6Y30CPU@0.90 GHz，4 G內存，128 G硬盤；Mimics Medical 21.0，Materialise company；CT掃描機,128排，256層，飛利浦ICT；造影劑,碘佛醇注射液,江蘇恒瑞醫藥股份有限公司；3D打印機,Stratasys J750；Vero系列光敏樹脂材料,Stratasys公司。

2.2 方法

2.2.1CTA數據獲取 設定層厚1.5 mm對患者的目標位置進行掃描，得到DICOM數據。為了獲取更清晰的動、靜脈結構，需向人體注射造影劑。

2.2.2基于MIMICS的肝臟重建 使用Mimics 21.0讀取DICOM數據，并從中選擇肝臟、靜脈和動脈的灰度值能有效識別的一組數據用于肝臟重建。

打開動脈掃描數據，進行肝臟動脈的重建。設置灰度值(Grayscale)為Soft Tissue Scale(Min：-150，Max：350)后可見動脈部分呈現為白色區域。使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow對動脈進行標記，并設置Deviation Min為85 HU，Deviation Max為85 HU，并勾選Multiple Layer項，對所有圖層的相連區域進行關聯標記，見圖1。最后，使用Calculate Part計算出肝臟動脈結構。

圖1 動脈的動態區域增長標記

打開靜脈掃描數據，進行肝臟門靜脈和下腔靜脈重建。使用Threshold設置任意HU值后，點擊Clear Mask還原被標記的區域，再使用Multiple Slice Edit下的Lasso對每個圖層的下腔靜脈進行標記。見圖2。最后，使用Calculate Part計算出肝臟下腔靜脈結構。

圖2下腔靜脈的逐層標記

Fig.2Multiple slice edit of postcava

門靜脈生長于肝臟內部，與其他肝臟軟組織高度相連，其重建需使用Split Mask功能。Split Mask是在計算機識別能力不足的情況下，依靠工程師輔助來劃分高度相似的組織。使用Threshold設置一定的HU值(75～450，在門靜脈被標記的情況下盡量減少其他軟組織的標記)，在DICOM中將門靜脈周圍的軟組織標記為Region A，門靜脈部分標記為Region B，計算機就能區分出門靜脈，并將其大致標記出來，見圖3。此時的門靜脈依然保留有一部分其他軟組織或血管影像，需依靠工程師使用Edit Mask下的Lasso對門靜脈做修剪和修補，最終得到精確的門靜脈結構并使用Calculate Part計算出來。

圖3Split Mask對門靜脈和周圍軟組織進行AB區域分劃分

Fig.3Split Mask of portal vein and adjacent area

圖4 Split Mask劃分出來的肝臟門靜脈及其3D預覽

使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow功能對肝臟的大體結構進行標記。選擇Multiple Layer，并將Deviation Min和Max設置為5～10 HU值，點擊圖層中的肝臟部分，計算機就可以將肝臟結構大體識別。此時的肝臟圖像包含有許多周圍軟組織、血管和骨骼等計算機不能有效區分的部分，可以在Mask 3D Preview中觀察到3D效果圖，見圖4。使用Mask Edit下的Lasso功能對圖像進行修剪和補充，見圖5，最終得到精確的肝臟結構并使用Calculate Part計算出來。

圖5Slice Edit對缺失部分進行修補

Fig.5Slice edit of liver

肝臟、血管等各主要結構重建之后，需要對其進行最后的修飾，該過程需用到3D TOOLS下的Edit Contours功能。使用Edit Contours的Grab和Smooth對各肝臟組件的邊緣進行光滑處理，也可以對識別不正確的邊緣進行拉伸或縮減，使邊緣和CTA圖更貼合，見圖6。Wrap能對各組件表層中的凹陷、空洞部分做閉合處理，使模型表層更加流暢、光滑。導出后綴名為STL文件。

2.3 重建肝臟的3D打印

使用StratasysJ 750打印機導入STL文件進行打印，設置打印厚度25 μm，打印精度≤200 μm，環境溫度18～25℃，肖氏硬度30。

圖6 對全組件進行Contour Editing處理

3 結果

肝臟各部分的重建，見圖7-圖9。

圖7 動脈、門靜脈、下腔靜脈和肝臟

圖8 重建的肝臟及病灶

圖9 3D打印肝臟模型

4 討論

本研究中選取的CTA數據源自一位肝腫瘤患者。從CTA圖中可觀察到病灶邊界不清，且組織內部相對低密度，由此可以判斷病灶屬于巨塊型肝腫瘤。在目前的案例中，肝臟的三維重建并非起到對病情的診斷作用，而是讓醫生和患者對病灶的空間結構能有更直接的認識，從而起到術前規劃和學習的目的。對腫瘤的診斷，仍然依賴于醫生基于對CTA圖像的經驗判斷以及相關的病理檢測結果。作為三維重建工程師，其也不具備診斷病情的權限，唯有依賴于臨床醫生對腫瘤認識，對病灶做出最接近的重建。

基于CTA數據的MIMICS肝臟重建模型經過導出為STL文件后支持3D打印[12-13]。SLA打印能夠賦予肝臟模型一定的柔韌性，在一定程度上模擬了生理狀態下肝臟真實的觸感。而且使用光敏樹脂實現能夠打印透明物體的能力[14]，使得模型能夠呈現出肝臟內部靜脈的走向，甚至是病灶，這是具有臨床意義的[15]。傳統的CT診斷完全是基于對2D圖像的經驗判斷，存在一定的難度[16-18]，經過3D制造的肝臟能夠向醫生和患者呈現精確的血管和病灶位置，使醫生能更直接地認識到病灶、血管以及患者的肝臟形態[19-20]，這對于手術規劃十分有意義，可以用于仿真手術[21]。同時肝臟模型也能讓患者對自身的疾病有更直觀的了解，加深他們對自身情況的認識，改善患者心理狀態，使他們對自己的手術充滿信心。

為了最精確地還原肝臟及各組件間的結構，CTA數據的質量最為重要。高質量的CT或CTA數據將大大提高肝臟重建的效率和精確度[22]。其次，工程師在對各組件獨立重建過程中，需充分考慮相互之間的邊界關系[23]，避免位置重疊或者對各組件識別差錯，這需要一定的醫學影像和臨床知識。存在病灶的時候工程師還需具備CT診斷能力，正確認識病灶的部位及其形態，或者是同臨床醫生密切合作，這樣才能最終得到全面接近真實肝臟的3D模型。因此，基于CTA數據的MIMICS肝臟3D重建乃至后續的3D打印是一項結合了臨床和工程學知識的學科交叉技術。

在3D打印建模中，SLA打印可以通過對材料混合比例的調節來實現對打印物強度、顏色和透明度的可控。但是，該技術依然存在不足。相比于FDM打印，光敏樹脂昂貴的材料成本是光固化打印普及的一大障礙。其次，SLA打印機設備所使用的材料單一，僅為光敏樹脂系列材料，不如FDA和SLS打印設備。此外，在打印細微、復雜結構如肝門靜脈或動脈時，如果對材料選擇、調控不到位，導致韌性或硬度不佳，可能會使這些結構過于脆弱，極易斷裂。同時，肝臟模型的可視化程度也會受影響。因此，對打印材料的開發將是未來研究的主要方向。3D打印技術在設備的開發以及數據處理上已經能夠滿足打印復雜人體組織的水平。要匹配這些條件，需要不斷開發新型的打印材料，進而才能滿足更多3D打印的臨床應用。3D打印材料必須要具有更靈活的物理性能，在能夠被現有設備打印的同時，還需做到材料成本和打印成本能夠被大眾所接受。

MMICS是一款功能強大的，專為臨床所設計的建模軟件。其中，對圖像進行處理、修飾的各種功能，如Contour Editing，Smooth，Wrap的作用都不是獨立的，每一項處理都會對其他功能產生一定的影響，針對每一個處理，軟件均會基于CT圖像做出相應的變動。其各項功能并非能隨意對重建的模型做出改動，而是充分基于CT數據，這一定程度上起到了糾正作用，防止建模人員做出重大錯誤。工程師也需要熟悉相應的建模功能，這樣才能做出最精確的肝臟，乃至各種器官、骨骼、組織的重建。

5 結論

本研究發現，CT掃描的層厚越低，建模越精確，且層厚應不高于5 mm。在CT層厚1～1.5 mm條件下獲得的DICOM數據用于肝臟重建效果較好[24]。重建并經過3D打印的肝臟模型，立體、精確、直觀，可以滿足術前交流、學習和手術過程規劃，是一種臨床上值得推廣的新應用。

肝臟在人體中處于一種相對運動的狀態，隨著身體的運動，肝臟的形態會發生一些微小的變化，因此，基于CTA數據的重建只能塑造出掃描時的肝臟狀態，并不能完全呈現手術中的肝臟形態。使用了光敏樹脂的3D打印能夠賦予模型一定的柔軟度，但是想要全面接近生理狀態下的肝臟還需要在材料上做出更多改進，此外，也可考慮配合打印特定的內部結構來使模型具有更高的柔軟度。