基于3D打印技術的醫學影像技術領域應用與開發研究

王定旭，馮明明，陳 強，楊開洲，王 娜，胡 冬，陳廣新，周志尊

(牡丹江醫學院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

醫學三維重建技術可以實現心臟及其各動脈和分支的空間結構，可以根據心臟模型的數據結構模擬仿真支架，最后可以通過 3D生物打印技術打印出細胞支架。3D打印技術正在逐漸應用于臨床醫學。許多醫院都建立了醫學圖像處理與3D打印中心，用以幫助醫院各科室的精準醫療診斷與治療。3D打印處理技術廣泛應用于外科領域，可術前規劃各種難度大風險高的外科手術。通常，臨床醫學影像醫生的診斷與治療都是將 CT，MRI，DSA等二維影像圖片作為依據，然而這些2維的影像學數據很難應對復雜病例，很難真實模擬術前診斷與手術規劃。醫生采用2維醫學影像來觀察器官，分析疾病的狀態，需要醫生具有憑借2維的影像學圖像在自己的大腦構建三位圖像的能力。而這種能力需要長時間經驗的積累和培養。通過 3D打印可完成術器官與病變組織模型。醫生或患者都可以通過術前模型研究與觀察器官和病變組織的解剖學結構，與其他組織如血管、神經的空間關系，為手術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，展示其內部清晰結構，如心臟病醫生可以借助 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生物醫學人體工程學技術制作植入物所帶來的諸，制作人體仿真器官有許多優點，并正在服務于社會。

在實際手術中雖然有詳細且全面的術前醫患溝通，術中嚴謹的專業技術操作，部分病例仍不可避免在術后出現無法預知的并發癥甚至死亡，發生醫療糾紛。而且醫學知識博大且精深，枯燥的理論學習對醫學生的要求較高，尤其是對解剖知識的理解很多醫學生僅僅停留在理論方面，進而出現空間三維認識欠缺，影像學認識混亂，影像學表現不能與術中解剖相聯系等一系列問題。術前利用 3D打印模型可以讓醫生預測術中可能出現的困難和并發癥，以及選擇最佳手術入路和手術器械，并且這類 3D打印模型可以消毒后在術中手術臺上供醫生參考。在醫學教育中，扎實的解剖學基礎知識是每一個醫生最基本的要求，通過數據處理，三維建模，3D打印這一系列流程的操作，學生對于理論知識的感悟會更進一步，對于人體組織器官空間結構的認識更為形象而具體。實際教學中，不僅可以幫助學生學習疾病解剖，制定手術方案，掌握手術并發癥，還可以促進他們學習影像知識，幫助他們閱讀CT，MRI，DSA片。

3D打印實質上是將電子信號轉化為三維實體模型的技術。要通過數據獲取、三維模型設計、層截面的創造三個主要步驟來完成。打印呈現多樣化，方式有包括立體光刻（Stereo Lithography Appearance，SLA）、選擇性激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）、熔融擠壓成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、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，不同材料對應不同的打印方式。

1 材料與方法

1.1 實驗數據采集

影像學數據來源于牡丹江醫學院醫學影像學院，附屬紅旗醫院CTA影像數據。成像設備采用東芝Aquilion64螺旋CT，掃描參數：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經肘靜脈注射造影劑140 ml完成斷層掃描。圖像數據保存為 DICOM 3.0（Digital imaging and Communications in Medicine）格式。

1.2 圖像后處理設備及軟件

圖像后處理實驗設備采用戴爾 Precision T7810：Xeon E5-2609 v3處理器、16 G內存、nVIDIA Quadro k2200顯卡圖像工作站。實驗應用軟件采用 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處理及三維模型重建。應用Cura切片軟件及 3D打印軟件 Pronterface，將三維模型數據導入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，將采集數據以DIOM格式輸出，應用MINICS軟件進行三維建模，導入FDM3D打印機打印。根據原始的CT，MRI，DSA數據轉換成DICOM格式個體CTA數據，導入逆向工程處理軟件Mimics，經過閾值分割、區域增長及手動編輯，分割提取感興趣區域。運用 Mimics的3D運算功能將分割提取的2D斷面連接，構建三維模型。由于數據采集設備、各種人為或隨機因素以及環境因素的影響，數據采集過程中不可避免地會有雜點和從周圍環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行光順處理、減少點云數據量，然后再進行模型重建。這是逆向過程中最關鍵、最復雜的環節。將三維建立好的數字化模型輸入 3D打印設備即可驅動設備完成模型原型的成型制造，由于醫療行業（尤其是修復性醫學領域）個性定制化需求顯著，鮮有標準的量化生產，而個性化、小批量和高精度恰是 3D打印技術的優勢所在。

2 研究內容與實驗結果

2.1 CT具體圖像預處理與三維模型重建

（1）導入與定位：將DICOM格式的CAT圖像數據導入 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，組織密度相對應于灰度值圖像的灰度值。設定閾值對組織結構提取的精確度非常重要，過高和過低都不利于該感興趣區ROI（Region of Interest，ROI）組織的提取。需根據實際研究目標選取閾值范圍。（3）模型的三維重建及修復。把整個模型作為研究目標，蒙板（Masks）設定為建立三維建模之前所選目標。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

應用區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行精細邊緣裁剪。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。完成一部分區域的補洞，再重復操作，即可完成對心臟及冠狀動脈模型補洞。通過光滑及補洞優化模型（如圖2）。

圖2 優化后冠動脈模型Fig.2 Optimized coronary artery 3D model

2.2 醫學圖像的3D打印機數據傳輸

將Cura 軟件圖像數據導入與模型切片處理。該軟件載入模型保存后，將STL格式的三維模型導入該軟件實施切片分層，經參數設置，G代碼輸出，并在3D打印軟件 Pronterface 中打開，經存設備導入 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中進行切片處理。連接圖像工作站與 3D打印機，實現對打印機參數的設置及控制。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計。

2.3 FDM打印機設計方案

針對FDM打印機進行了初期設計。3D打印機結構（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，溫度控制電路調節噴嘴溫度。單板機輸出信號控制伺服電機推動支架在垂直方向移動，用以調節打印層厚。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打印機結構圖Fig.3 FDM printer structure drawing

3 結論

由于臨床疾病有獨特性、復雜性、立體性、精準性等特點，需要良好的空間想象能力，3D打印技術可以簡化這個環節，3D打印的等比例模型可以完整的展現病灶的空間組織結構，醫師能直接根據模型合理規劃并制定手術方案。在選定了合適的手術方案后，基于模型進行預手術，在預手術的過程中能模擬實際手術可能遇見的各種不可預料的因素，通過多次手術選擇最為合理的方案，盡可能規避風險，提高了手術的成功率。

在手術中根據收集的影像資料數據進行即時判斷，利用模型為手術中的進行的每一步做模擬判斷，提前規避可能出現的風險，這對降低出血量，簡化手術過程，縮短手術時間，防治并發癥都有積極意義。

醫患矛盾乃至醫療糾紛的產生，往往來自于醫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的醫學知識，難以理解復雜的解剖結構以及手術的危險性，然而醫方不能夠在短時間內讓患方明白醫學原理。而現在通過3D打印的1∶1實物模型，醫方就可以依據實物模型較為清晰的向患方解釋手術的過程、手術的難點、手術存在的風險以及可能出現的各種并發癥，患方有一個直觀的感受，就會增加對手術的信心，就有一定的心理準備去接受所出現的各種手術結果。

對于在校學生來說，課本的知識較為枯燥，不能夠在頭腦中形成圖像，缺乏感性認識，而這些實物模型則能夠形象的體現出我們人體的解剖結構，授課老師還可以在實物模型上進行演示，讓學生理解得更加透徹。而且，通過讓學親自在3D模型上進行模擬手術，能夠加快學生吸收、利用課本知識，掌握該種疾病解剖變化，這種教學方法可以明顯提高教學質量。我們還需要學生完全掌握從數據的采集到數據的轉化，包括最后利用 3D打印技術進行打印等一系列操作，然后經由學生自己實踐，從中獲取知識。

在實際教學中，在使用 3D打印技術之前要有一定的基礎知識，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打印機的原理與結構，讓學生能有自足安裝拼接熔融擠壓快速成型（FDM）打印機的能力，通過在課堂教學中應用 3D打印技術，有效提升了課堂教學質量，培養了學生的動手能力和自我探索能力，提高了學生課堂積極參與度。能夠把理論知識中描述的理論概念以及實物展示出來，加深學生們對于理論知識概念的印象。醫學專業對于學生們的專業水平要求較高，在實際打印之前必須要有豐富的理論基礎，這也要求學生強化理論知識的學習，二者相輔相成，有針對性的顯著提高學生的綜合能力。該技術能夠廣泛應用于臨床治療和醫學教育。