王定旭，馮明明，陳 強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)心臟及其各動(dòng)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(xiǎn)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(duì)復(fù)雜病例，很難真實(shí)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(zhǎng)時(shí)間經(jīng)驗(yàn)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(tái)。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(diǎn)，并正在服務(wù)于社會(huì)。

在實(shí)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(shí)博大且精深，枯燥的理論學(xué)習(xí)對(duì)醫(yī)學(xué)生的要求較高，尤其是對(duì)解剖知識(shí)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(shí)欠缺，影像學(xué)認(rèn)識(shí)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(cè)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(tái)上供醫(yī)生參考。在醫(yī)學(xué)教育中，扎實(shí)的解剖學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)是每一個(gè)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(duì)于理論知識(shí)的感悟會(huì)更進(jìn)一步，對(duì)于人體組織器官空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更為形象而具體。實(shí)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(shí)，幫助他們閱讀CT，MRI，DSA片。

3D打印實(shí)質(zhì)上是將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型的技術(shù)。要通過數(shù)據(jù)獲取、三維模型設(shè)計(jì)、層截面的創(chuàng)造三個(gè)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(shí)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(duì)應(yīng)不同的打印方式。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jī)完成3D模型打印。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(jī)打印。根據(jù)原始的CT，MRI，DSA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成DICOM格式個(gè)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(zhǎng)及手動(dòng)編輯，分割提取感興趣區(qū)域。運(yùn)用 Mimics的3D運(yùn)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(jī)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(huì)有雜點(diǎn)和從周圍環(huán)境中引入的不需要的點(diǎn)，所以通常在保證一定精度和特征的前提下對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順處理、減少點(diǎn)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(dòng)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(gè)性定制化需求顯著，鮮有標(biāo)準(zhǔn)的量化生產(chǎn)，而個(gè)性化、小批量和高精度恰是 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。

2 研究?jī)?nèi)容與實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)于灰度值圖像的灰度值。設(shè)定閾值對(duì)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(shí)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(gè)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(dòng)脈3D模型Fig.1 Threshold segmented coronary artery 3D model

應(yīng)用區(qū)域增長(zhǎng)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(dòng)對(duì)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(dòng)脈模型需要多次補(bǔ)洞才能得到較為完整的模型。使用布爾工具合并補(bǔ)洞模型和原始心臟模型。完成一部分區(qū)域的補(bǔ)洞，再重復(fù)操作，即可完成對(duì)心臟及冠狀動(dòng)脈模型補(bǔ)洞。通過光滑及補(bǔ)洞優(yōu)化模型（如圖2）。

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

2.2 醫(yī)學(xué)圖像的3D打印機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)打印機(jī)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(qiáng)度更高，更便于后期的支架模擬仿真設(shè)計(jì)。

2.3 FDM打印機(jī)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)FDM打印機(jī)進(jìn)行了初期設(shè)計(jì)。3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)（如圖 3）包括打印噴頭，送料支架，打印平臺(tái)，打印機(jī)主在X-Y平面上移動(dòng)，主板，各伺服電機(jī)控制電路，溫控電路，電源，存儲(chǔ)端子，打印模型信號(hào)采集，及圖像處理工作站等。選擇單板機(jī)作為整個(gè)打印機(jī)主板，主板端口包括輸出控制信號(hào)控制伺服電機(jī)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(jī)輸出信號(hào)控制伺服電機(jī)推動(dòng)支架在垂直方向移動(dòng)，用以調(diào)節(jié)打印層厚。單片機(jī)輸出另一信號(hào)推動(dòng) X-Y點(diǎn)陣電路，控制載物臺(tái)在X-Y平面上移動(dòng)，沿?cái)嗝嬷車肪€打印模型。具體研究的冠狀動(dòng)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(hào)采集電路輸入到單片機(jī)。具體 FDM 打印機(jī)成品的制作將在以后的課題中完成。

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

3 結(jié)論

由于臨床疾病有獨(dú)特性、復(fù)雜性、立體性、精準(zhǔn)性等特點(diǎn)，需要良好的空間想象能力，3D打印技術(shù)可以簡(jiǎn)化這個(gè)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(shí)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(xiǎn)，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(shí)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(xiǎn)，這對(duì)降低出血量，簡(jiǎn)化手術(shù)過程，縮短手術(shù)時(shí)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(duì)等，患方一般不具備專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識(shí)，難以理解復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)的危險(xiǎn)性，然而醫(yī)方不能夠在短時(shí)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(shí)物模型，醫(yī)方就可以依據(jù)實(shí)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(diǎn)、手術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)以及可能出現(xiàn)的各種并發(fā)癥，患方有一個(gè)直觀的感受，就會(huì)增加對(duì)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(duì)于在校學(xué)生來說，課本的知識(shí)較為枯燥，不能夠在頭腦中形成圖像，缺乏感性認(rèn)識(shí)，而這些實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)踐，從中獲取知識(shí)。

在實(shí)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(shí)，首先要熟練使用三維建模軟件Mimics，融會(huì)貫通如何使用三維建模，并且要熟悉 3D打印機(jī)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(jī)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(dòng)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(shí)中描述的理論概念以及實(shí)物展示出來，加深學(xué)生們對(duì)于理論知識(shí)概念的印象。醫(yī)學(xué)專業(yè)對(duì)于學(xué)生們的專業(yè)水平要求較高，在實(shí)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(qiáng)化理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，二者相輔相成，有針對(duì)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。