DICOM数据用于3D打印的方法研究及实现

王磊，严枫

宁波市妇女儿童医院 设备科，浙江宁波 315012

DICOM数据用于3D打印的方法研究及实现

王磊，严枫

宁波市妇女儿童医院 设备科，浙江宁波 315012

本文主要介绍了DICOM格式的CT影像数据的特点，综述了3D打印技术中的数据采集、MIMICS软件的三维数据处理及3D重建过程的研究进展，以期推动数字化医学向精细化、个性化方向发展。

DICOM；3D打印；CT影像数据；3D重建；MIMICS

3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。近些年，三维打印产业发生了爆发式的增长，特别是在医疗器械、植入材料等方面都取得了很大的成就[2]。医学数字图像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）是医学图像和相关信息的国际标准格式（ISO12052），也是目前在医院内流通图像的标准格式。利用医院内DICOM数据进行3D打印是一种实际和快速的解决方法，不仅能够提供出实际器官模型，还能通过后期三维辅助设计，打印出定制化手术导板、植入物或假体等各种模型。本文通过实验，实现了DICOM数据的3D打印，并探讨了如何在高效、高精度的要求下，使该技术投入实用。为了完成这个过程，必须按数据采集、数据处理、3D打印这个顺序进行。其数据流程框图，见图1。

图1 数据流程框图

1 数据采集

1.1 DICOM标准

DICOM是各种设备间传送医学图像及其信息的工业标准，它规范了各种医学图像的格式并且同时支持TCP/IP协议[3]。DICOM文件是采用面向对象的方法来设计和编码的，每个文件有一个信息对象与之相关联，信息对象的属性由数据元素来表示，用UID标识符来唯一标识，文件除包括图像数据外，还包括受检者信息、成像的技术参数、医生的诊断信息等，均用标准ASCII码编译。

1.2 CT影像作为数据源

多层螺旋CT图像具有空间分辨率高、各向同性等优点，非常适合作为3D打印数据源。而且它的数据正是以DICOM格式存储的。它涵盖了投影数据采集、数据校正和三维图像重建等过程，最终得到被扫描物的图像。而3D打印的标准输入是以三角网格表示的物体STL模型。从三维重建图像到最终的待打印STL模型，其中涉及的数据处理和格式转换过程正是两种技术结合的关键[4]。

1.3 扫描条件和参数设置

为了得到相对精确的数据，需要尽可能降低扫描层厚。由于3D打印机的精度一般可以达到层厚0.2mm，实际打印效果在层厚低于1mm为佳，需要16排及以上的CT才能达到。本实验在Philips Brilliance 16排螺旋CT上，选取螺旋容积扫描模式（Orbit ST Volume），管电压120 kV，管电流30mA，层厚0.8mm，扫描得到了一组头顶到颅底的图像。

1.4 数据采集

通过图像工作站可以将数据刻录到光盘，为DICOM标准的512×512像素的原始图像数据。导出的数据是1个数据集，包含的文件结构是由索引文件定义的，软件是通过索引文件打开所有的DICOM数据。

2 数据处理

2.1 数据处理及流程

数据处理过程的方法和精细程度是决定最后三维模型是否完善的重要因素，也直接决定了最终打印结果的质量。三维图像处理的基本目的是从背景中分割出需要打印的目标区域，常用的操作包括图像灰度选取、图像增强等预处理以及阈值分割、区域增长和形态学处理等分割操作。最终形成三维模型文件以STL、obj格式存储，被3D打印机所识别。用于DICOM图像处理的软件有VGStudio MAX、MIMICS等。

2.2 MIMICS及3D重建过程

MIMICS是Materialise公司开发的高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，通过它能输入各种DICOM数据（CT、MRI），建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD、FEA等格式，可以在普通电脑上进行大规模数据的转换处理[5]。MIMICS各模块示意图，见图2。

图2 MIMICS各模块示意图

数据通过MIMICS打开后，根据需求，首先需要做的是把灰度选取到一个合适的值，有助于选择不同的部分，比如骨头和肿瘤。其次，作二值化（Thresholding）保留分割对象的图片中灰度值在阈值范围内的像素，分割掩膜将保留这些像素。比较小的阈值选择病人的软组织比较容易，阈值比较大则只会保留比较稠密的部分。然后，使用区域增长工具，将二值化得到的分割分成几块，同时去除漂浮像素。之后，选取分割出来的目的掩膜，进行三维建模，即可取得目标器官（骨骼、血管、神经等）的三维模型。最后，导出为STL文件，导入3D打印机进行打印。MIMICS三维数据处理及其结果示意图，见图3。

图3 MIMICS三维数据处理及其结果示意图

2.3 三维模型及其后处理

任何对于现有STL模型的修改都可以归为三维模型处理的范畴，例如尺度变化、表面平滑或者模型切割、拼接等[6]。STL模型文件是由很多小的三角面片组成，经放大可见其表面是不光洁的。重建后的三维图像在需要更高精度的情况下，可以由MIMICS的菜单中指定重建时的三角面片尺寸和角度作精度要求，也可在重建后选择平滑操作，平滑处理能够有效地提高模型的光滑度。在设计植入物、手术导板等情形下，设计人员需要用3-Matic、SolidWorks等软件对模型进行后处理和优化，以适应更高精度的要求。应用MIMICS本身的FEA模块进行网格化重建，使之适应有限元分析的要求，能在Ansys、ABAQUS中进行静力学分析，也是目前的应用热点[7-8]。

CT扫描会产生伪影，是由设备或病人造成的，在信号产生、信号传输、数据重建阶段都有可能产生伪影[9]。这使得在重建图像阶段，MIMICS软件与EBW同时以相同图像为基础进行三维重建，重建结果表明，采用轮廓内插法[10]（Contour Interpolation）的MIMICS软件对梯状伪影的优化处理能力较强。如图4所示，EBW工作站处理的图像有明显的圆形纹路，而MIMICS处理的图像在保留原有图片细节的前提下不会产生图形纹路。

图4 三维重建细节比较

3 结果及讨论

该技术所得到的三维实体重建模型可从任意角度及平面剖割，得到临床操作者所需要的多平面重建模型，并且以实物的形式展现在操作者面前。这不仅可用于胫骨平台内、外侧髁间脊骨折的观察，而且利用该技术可以获得颅底部任意角度的多平面重建图像，尤其是对中、后颅窝通向颅外各骨性管道的良好显示，对病灶的定位和空间关系的判断有重要意义，进而可指导外科手术的开展[11]。更多具有生物适应性的材料，例如金属、陶瓷和聚合物等被广泛应用于骨重建中，钛合金等金属能够用于受力承重部位的治疗，例如髋关节功能重建等[12]。还有实验实现了胎儿模型的制作，如能推广，经济社会效益都十分可观

本文通过实验，探索了DICOM数据快速处理及用于3D打印的方法。除CT 影像数据外，诸如超声成像（Ultrasound，US）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以及正电子发射断层显像（Positron Emission Tomography，PET）等其他成像技术产生的DICOM数据，同样可以应用于快速3D打印。DICOM数据快速处理打印技术建立了一座桥梁，将医学和工程学结合得更加紧密，从而推动医学向精细化、个性化发展。

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Study and Implementation of Three Dimensional Printing of DICOM Data

WANG Lei, YAN Feng
Department of Equipment, Ningbo Women and Children’ Hospital, Ningbo Zhejiang 315012, China

This paper mainly introduced the features of CT imaging data in DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）format.Pushing the digital medical imaging in refined and personalized directions, the paper reviewed the research progress of data collection of 3D（Three Dimensional）printing, the 3D data-processing of MIMICS and 3D reconstruction.

digital imaging and communications in medicine；three dimensional printing；computerized tomography imaging data；three dimensional reconstruction；MIMICS

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.025

1674-1633（2015）07-0079-03

2015-05-07

2015-05-28

作者邮箱：87083380@163.com