计算机影像数据心脏三维重建及3D打印技术研究

孟祥鹏 张建卿 王庆志 王国锋 刘夏 刘洋 赵建明

计算机影像数据心脏三维重建及3D打印技术研究

孟祥鹏 张建卿 王庆志 王国锋 刘夏 刘洋 赵建明

目的 通过心脏实体三维模型，观察心脏内部病变结构及病变组织关系，直观设计术前预案和术后效果评估。方法 采用256增强CT扫描心脏区域获得连续断层数据，导入M imics软件，经过人工分割数据进行心脏三维实体重建形成STL文件，设计编排图像被3D打印机识别，打印出1∶1心脏模型。结果成功重建心脏三维实体模型并完成激光3D打印机完成模型制作，重建的模型能以多结构显示心脏各结构的空间位置及毗邻关系。结论 CT医学数据图像完全可以转换成计算机心脏三维实体模型，通过激光3D打印机可以打出完整的心脏三维模型。

256CT图像； 心脏； 三维重建； 3D打印； 心脏模型

3D（3-dimensional，3D）打印技术是一种以数字模型文件为基础[1]，通过喷墨打印机及激光打印机，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术[2]。3D打印技术已经应用于临床，医学上多见于人工肝、人工耳及人工骨骼[3]等方面。而在结构性心脏病上的应用，国外虽有不少研究，但在国内尚处于起步阶段[4]，先后完成可视化人体心脏三维重建[4,5]和基于中国数字人数据的心脏三维模型的重建[6]。

心脏计算机扫描通过心腔内碘化物造影剂填充，形成高密度显影，与心肌组织对比更容易相互鉴别[7]。256层螺旋CT及磁共振成像（MRI）完全可显示心脏内部结构[8]。CT及MRI数据图像处理原理及步骤相同，心脏MRI扫描时间远远大于CT，图像要求严格，临床心脏影像常规使用多层螺旋CT[9,10]。

1 材料与方法

1.1 设备及软件 Mimics17（Materialise公司，比利时）是Materialise公司的交互式的医学影像控制系统，3D打印机（激光固化设备SL450，型号zerotek生产商，江苏）。现阶段3D机适用原材料为光敏树脂，打印层厚0.01～0.05 mm，精度±0.01 mm（L≤100mm，L表示打印长度）或±0.1%（L＞100mm），支持带有STL接口的所有三维造型软件。

1.2 256层螺旋CT增强扫描 飞利浦Brilliance 256iCT，层厚0.45mm。患者男性，70岁，身高175 cm，体重84 kg，输入碘帕醇造影剂，所得连续断层数据图像以DICOM格式输出，光盘保存原始数据。

1.3 数据处理及三维重建 图像导入M imics软件，优化图像减少CT工作及呼吸、心跳产生的阴影、斑点、噪声，影响图像完美程度。根据CT成像原理确定心脏造影剂，心肌、脂肪的阀值范围并标示。Mimics软件中的再利用区域生长及动态区域生长算法对目标区域进行粗分割。Mimics软件编辑mask，利用编辑（Edit）功能进行精细分割心腔内结构如肌束、乳头肌、腱索、瓣膜和流出道等复杂解剖结构，会使造影剂分布不均匀，成像不全导致上述结构边界显示不清，需要利用编辑Edit命令功能进行精细分割，根据影像结合实际解剖病变逐层分离内部造影剂保留正常组织结构及病变部位图像。心脏三维重建图像处理过。M imics软件本身光滑处理，Geomagic Qualify软件光滑处理或ZBrush软件等图像处理软件进行表面或内部光滑处理。

1.4 3D模型打印 得到所需三维数字模型，即心脏实体模型可以形成含有腔室包括肌肉、脂肪等结构的心脏三维模型，最后根据所建模型的用途导出相应的格式文件。本研究中三维数字模型以STL格式导出，再将其导入3D激光打印机中，设置打印层厚为0.01 mm，12～24 h即可生产出心脏三维实体模型。

2 结果

本研究使用256增强CT对心脏进行扫描所获得的DICOM格式图像数据，使用Mimics软件对其进行Mask处理，建立了含有腔室包含肌肉、脂肪等结构的心脏三维模型（图1），将其导入3D打印机制造出三位实体模型（图2，3）。

图1 三维影像数据模型

图2 3D打印模型

图3 心脏模型打印（可以显示内部结构）

3 讨论

复杂性心脏病心脏内部解剖学病变结构较多，关系复杂。复杂心脏手术治愈率近10年并没有明显提高，主要术前没有结合病变解剖学改变完善手术方案、手术操作路径设计，团队认知不全，手术操作配合不协调及术后效果、并发症认知不全。

通过计算机影像数据心脏三维重建及3D打印技术完成3D心脏模型制作，将由数字平台转向实物平台，可以完全脱离三维心脏虚拟模型，形成更直观认知水平。打印可以完美展示影像中提取心脏内部解剖结构。通过观察、测量、模拟，指导设计手术方案，评估术后效果，合理安排手术步骤，从而缩短手术时间，减少手术并发症，提高复杂心脏病治愈率。

现阶段主要问题如下：

⑴需要改进图像处理，减少人为图像干预。①心脏造影剂成像不完整，细小结构成像不全，需要更细化的CT及MRI扫描手段；②边界不清楚，扫描图像有干扰，图像显示不均，各部位图像相互干扰；③Mask阀值范围相互重叠，现阶段阀值变化一般为1，设计阀值参数达到0.01～0.10区间间隔；④三维重建后的平滑处理方面，各步骤都需要大量的人为干预。需要设计、开发不同类型的软件，完成图像提取及优化。

⑵改进3D打印机。喷墨打印机不能打印心脏模型，由于喷墨打印腔内会形成絮状物，干扰模型制作。激光打印机可以完全满足心脏内部结构打印要求，材料品种单一，国内一般是透明光敏树脂并不符合医学材料打印。需要重新设计新型激光打印机，以识别医用硅胶等特殊材料。

⑶改进材料。国内使用的激光打印材料一般是工程类光敏树脂，并不符合心脏医学使用硅胶材料。需要改进设计成有阻尼系数范围模拟心脏跳动的特殊材料，可以在模型上进行切割、缝合等基本手术演练。

随着医学影像成像技术的改进，设备的发展，3D打印技术创新材料的出现，在不久的将来心脏模型的临床制作将有更大的发展。模型平台创造可以使医学影像数据向模型实体转换，提高一个观察高度。

［1］秦勉，刘亚雄，贺健康.数字化设计与3-D打印技术在个性化医疗中的应用.中国修复重建外科杂志，2014，3：286-291.

［2］周阳泱，韩萍，冯敢生,等.多层螺旋CT血管造影在小儿复杂先天性心脏病中的临床应用价值.中华小儿外科杂志，2005，11：579-582.

［3］王富友，任翔，杨柳.3-D打印技术在关节外科的应用.中国修复重建外科杂志，2014，3：272-275.

［4］马琼，刘迎龙，王利，等.先天性心脏病专项数据库系统的开发.首都医科大学学报，2004，1：53-56.

［5］郭燕丽,张绍祥,刘正津，等.首例中国可视化人体心脏三维重建及临床意义.第三军医大学学报，2003，4：569-571.

［6］蒋峻，谢叻，方彬吉，等.基于中国数字人数据的心脏三维模型的重建.组织工程与重建外科杂志，2014，2：8-10.

［7］Schievano S，MigliaVacca F，Coats L，et al．Percutaneous pulmonary valve implantation based on rapid pmtotyping of right ventricular outflow tract and pulmonary tmnk from mr data．Radiology，2007，242：490-497．

［8］刘坚.复杂性先天性心脏病影像学诊断综合研究.中西医结合心血管病电子杂志，2014，2：23-24.

［9］程广金，唐光才.多层螺旋CT血管造影在小儿复杂性先天性心脏病诊断中的意义.医学综述，2009，15：3652-3654.

［10］苏肇伉.先天性心脏病外科治疗策略和进展.第六届国际胸心血管疾病手术及介入治疗研讨会，2008.

注重临床用药规范 探讨小剂量阿司匹林使用标准（续）

会中，来自北京大学第一医院刘梅林教授，对于胡大一教授提出的中国剂量表示赞同，在临床工作中，我们经常看到服用小剂量阿司匹林出血的患者，提示应有个体化的治疗选择。尽管既往的临床研究证据提示阿司匹林剂量应在75 mg/d以上才能有明确抗栓疗效，但缺乏中国人群剂量探索的大规模临床研究证据。根据北大医院老年内科多年血小板聚集率检测的临床经验，阿司匹林40 mg/d仍具有明显抑制血小板聚集率的作用，服用剂量与血小板聚集率、出血风险相关。患者服用阿司匹林时应评估出血风险，尤其是胃肠道出血风险。老年人容易出现阿司匹林相关的不良反应，尤应加强评估和监测。建议根据病情需要，进行个体化选择，服用阿司匹林时严密监测并预防出血，必要时使用PPI或H2受体拮抗剂。对于支架术后、急性冠脉综合征等患者一年内应尽量坚持服用阿司匹林75～100 mg/d等双联抗血小板治疗。但对于一级预防人群，应充分评估获益和风险，强调在获益远超过风险的前提下使用小剂量阿司匹林。

河北省人民医院副院长、老年病科主任郭艺芳教授对该手册的撰写过程予以了深切关注，他指出血栓栓塞事件是心血管病致死致残的主要机制之一。长期以来，阿司匹林在心血管疾病防治中一直发挥着重要作用。确凿证据表明，对于已经发生心血管疾病的患者，长期应用小剂量阿司匹林进行二级预防，可以显著降低心肌梗死、脑卒中以及心脏性死亡与全因死亡率。因而，阿司匹林被视为心血管病二级预防的基石。在临床实践中，应遵循我国指南性文件的相关建议，合理应用阿司匹林，最大程度的降低缺血性心脑血管疾病的致死致残风险。国际上各种指南对于阿司匹林用药策略的建议有所不同，我们应以中国心血管病预防指南以及抗血小板治疗中国专家共识等针对我国人群制定的指南性文件为依据，确定接受阿司匹林治疗的适宜人群。这也是《阿司匹林抗栓治疗手册》编撰并推广的最终目的。

作为《手册》的积极支持者，山东新华制药股份有限公司将一如既往地配合专家组推广《手册》。新华制药副总经理贺同庆指出，新华牌阿司匹林原料药是业界公认的金字招牌，目前年产能达1.5万吨，居世界第一位，是唯一通过美国FDA认证与欧盟COS认证的品牌，产品出口北美、欧盟，具有强大的规模及质量优势。贺同庆向各位专家表示，新华制药有能力也有责任为中国人提供高品质的阿司匹林制剂。介宁是新华制药首创的小剂量阿司匹林，具有肠溶+缓释双重保障、剂量调整灵活方便的独特优势，新华制药将不断提供临床证据，支持其在临床大规模推广使用。并致力于促进抗栓治疗领域的学术推广与临床教育工作，从而推动中国健康事业的不断发展。

（全文完）

Three dimensional reconstruction of heart based and 3D printing technology research on the com puter video data

MENG Xiang-peng＊，ZHANG Jian-qing，WANG Qing-zhi，et al.＊Graduate Department of Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

ZHANG Jian-qing，E-mail：bonbonger@sina.com

ObjectiveBy observing the three-dimensional solid model of heart disease and cardiac structure and internal lesions relationship，to study the feasibility of designing surgery programe and evaluating the postoperative effect.M ethodsThe data of the series of heart sections scaned by 256 cardiac CT were was imported to Mimics soft for the 3D reconstruction of heart，and then STL file was formed and identified by 3D printer. The formation of a 1∶1 model of the heart was printed.ResultsThree-dimensional solid model of heart was rebuilt successful and 3D model was printed successful by 3D laser printer.The structures could be displayed by multiple structural，individually or jointly.ConclusionCT picture ofmedical data can be converted into a threedimensional solid model of computer heart，and laser printers can play a integrated 3D heartmodel.

CT images； Heart； Three dimensional reconstruction； 3D printing； Heartmodel

河南省卫生科技创新人才工程项目（项目编号：2011020173）；郑州市医学博士创业项目

453003 河南省新乡市，新乡医学院研究生处（孟祥鹏、王庆志、刘夏）；郑州市第七人民医院心外科（张建卿、王国锋、刘洋、赵建明）

张建卿，E-mail:bonbonger@sina.com

10．3969/j．issn．1672－5301．2015．12．020

R654.2

B

1672-5301（2015）12-1136-03

2014-12-03）