基于颅脑CT与MRI多模图像融合的3D打印模型制作及应用研究

刘宇清 何炳蔚 庄江惠 吕 翱 黄绳跃△ 陈 寿 洪文瑶 廖正检

1)福建省立医院神经外科 福建医科大学省立临床医学院，福建 福州 350001 2)福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 350116

颅脑解剖结构复杂，尤其在病变及变异时可发生很大变化[1]。目前颅脑手术主要依据CT、MRI等二维断层影像，术者凭想象构建出整体三维图像，术中常出现对复杂解剖分辨不清，导致重要结构损伤[2]。为了能详细直观了解病变及其周围解剖结构，制定个性化的术前方案及术中参考，提高手术安全性及成功率，本研究利用计算机技术，通过CT与MRI图像的多模融合及3D打印，制作等比例、高精度、多色彩的颅脑三维虚拟模型及其实体解剖模型，应用于神经外科临床工作。现以福建省立医院神经外科2017-01收治的1例小脑幕脑膜瘤为例，介绍多模图像融合的颅脑实体模型制作方法及其临床应用价值。

1 研究对象

患者 男，37岁，主要症状为头晕、头痛，神经科体检无阳性体征，颅脑CT平扫检查发现右侧小脑幕占位性病变，入院后进一步行颅脑CTA及MRI检查确诊为右侧小脑幕脑膜瘤，拟行肿瘤切除手术。

2 研究方法

2.1实体模型制作

2.1.1 影像学检查：①CT检查：患者行颅脑CTA检查(仪器为Siemens公司Somatom Definition双源螺旋CT)，层厚0.6 mm，扫描范围自主动脉弓到颅顶，造影剂为碘普罗胺注射液(370 mgI/mL)，总量50 mL，流速5 mL/s，扫描原始数据经由Picture archiving and communication system(PACS)系统以DICOM格式输出。见图1。②MRI检查：患者行颅脑MRI增强扫描(仪器为Siemens公司verio 3.0T磁共振成像系统)，取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，扫描范围自颅顶至下颌下缘，层厚1.0 mm，造影剂为钆喷酸葡胺，总量14 mL，流速3 mL/s，扫描得到的断层图像数据以DICOM格式输出。见图2。

2.1.2 计算机软件处理：颅脑CT及MRI图像各具特点，MRI增强扫描在显示肿瘤、脑室系统、脑组织等方面有优势，而CTA扫描则能较好地反映颅骨、血管等结构。利用CTA、MRI二维原始影像，分别针对头皮、颅骨、血管及脑膜瘤、脑组织、脑室系统等结构的灰度特点进行图像分割、重建，获得各自的三维虚拟模型，最后以CTA、MRI图像中重建得到的头皮模型为基准进行配准融合，完成颅脑重要解剖结构的3D虚拟模型构建。具体流程见图3。

图1 CTA扫描图像 图2 MRI扫描图像Figure 1 CTA scanning image Figure 2 MRI scanning image

2.1.2.1 CT图像处理：CT图像用于提取颅骨、血管及头皮模型。将CT数据以DICOM格式导入三维重建软件MIMICS(比利时，Materialise公司)。利用阈值设定工具(Thresholding)提取轮廓。轮廓提取基本原则：在保证重建组织被选取的情况下，尽量不使重建组织以外的结构出现轮廓阴影。本文CTA数据中各部分阈值界定：颅骨125～3 071 Hu，血管78～279 Hu，头皮-718～-177 Hu，据此分割出不同而完整有效的组织结构，形成蒙板(mash)。然后对蒙板进行后处理，去除冗余数据、选择性编辑及补洞处理，在不同平面图像上检查分割体，调整图像质量至满意。最后，利用软件的三维计算工具Calculate 3D将二维图像直接转化成三维模型。见图4。

2.1.2.2 MRI图像处理：MRI图像用于提取脑组织、脑室系统、脑膜瘤及头皮模型，具体重建过程与CT图像处理方法大致相同，脑组织界定阈值137～1 434 Hu，脑室系统38～137 Hu，脑膜瘤435～733 Hu，头皮79～711 Hu。重建结果见图5。

2.1.2.3 数据优化及配准融合：将上述依据CT、MRI图像分别重建的三维模型以STL格式输出保存，该模型在三维视窗中可同时显示，也可单独显示，重建的模型外形逼真，清楚地再现各组织结构的三维形态，且可平移、缩放、任意平面切割、任意角度旋转，同时将所有模型导入Geomagic软件(美国Geomagic公司)进行优化处理。

图3 多模图像融合流程图Figure 3 flow chart of multi-mode image fusion

由于CT和MRI图像坐标系不同，本研究以头皮模型为配准基准，将CT和MRI图像中重建得到的三维模型统一到同一坐标系下，该方法包括基于三点定位法的粗配准和基于迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)算法的精配准[3]。首先，将CT重建的头皮、颅骨、血管绑定，创建组1，设置组1为固定组；将MRI重建的头皮、脑膜瘤、脑组织、脑室绑定，创建组2，设置组2为浮动组。然后，根据CT和MRI图像中分别重建的头皮模型的一致性，在各自模型上分别标记3个具有一定几何代表性或医学诊断意义上共有特征的解剖参考点，利用三点对齐法实现两组模型的粗配准(图6A)。最后，利用ICP迭代算法完成对两组模型的精配准，实现不同模态的数据融合配准，获得信息较为完整的颅脑三维虚拟模型(图6B、6C)。

2.1.3 3D打印成型：将STL格式模型导入Objet350 Connex3打印机操作系统(美国，Stratasys公司)，检测三维模型，利用光固化成型技术进行模型打印，采用不同颜色材质的打印材料进行不同组织结构的区分，制作出等比例、多色彩的实体模型，经水洗操作处理支撑材料后，完成3D颅脑模型的打印。见图7。

3 结果

制作出高逼真度、等比例、多色彩的颅脑实体模型，将模型应用于神经外科临床工作，包括手术预案制定、模拟手术、术中参考、医患沟通、临床教学等方面，效果良好。为进一步了解3D打印实体模型的应用价值，将福建省立医院神经外科15名医师分为3组，高、中、低年资各5名，对6个问题进行独立评分，各问题最高5分，最低1分，按年资组取平均值。调查问卷的所有问题在3组中平均得分均>4分。见表1。

图4 CT图像处理 A颅骨及血管蒙板；B：颅骨及血管虚拟模型；C：头皮虚拟模型Fig 4 CT image processing A：virtual model of skull；B：virtual model of skull and blood vessels；C：virtual model of scalp and vascular mask

图5 MRI图像处理 A：脑组织及脑室、脑膜瘤蒙板；B：脑组织、脑膜瘤虚拟模型；C：头皮虚拟模型Fig 5 MRI image processing A：virtual model of brain tissue；B：brain tissue，andmeningioma；C：scalp virtual model ventricle，meniscus of meningioma

图6 多模图像融合配准 A：三点对齐法示意图；B：透视图；C：整体图Fig 6 multi-mode image fusion registration A：three-point alignment diagram；B：Perspective；C：overall picture

图7 3D打印实体模型 A：侧视图；B：俯视图Fig 7 3D printed entity model A：side view；B：top view

表1 调查问卷结果Table 1 questionnaire results

注：*高年资：从事神经外科工作15 a以上；中年资：从事神经外科工作5～15 a；低年资：从事神经外科工作<5 a

4 讨论

3D打印是目前最先进的制造技术，可根据CT、MRI等影像学资料，利用计算机辅助设计建模，制造出病变的3D实体模型[4]，近年来已逐渐应用于医学领域[5]，包括模拟教学[6]、术前规划[7]、手术模板[5]、假体制造[7]及生物打印[8]等，尤其在颌面外科、骨科的应用已取得一定经验[9]。由于颅脑结构的复杂性，该技术目前在神经外科的应用开展较缓慢[10]，主要不足在于现阶段3D打印依赖的虚拟模型大多来源于CT图像，病变区域与正常组织在灰度值上常高度接近，缺乏清晰边界，难以完全区分病变及其周边组织，细微结构无法显示[11]，且目前打印的实体模型绝大部分为单一材质、单一色彩，所展现的信息不够丰富详细[12]。本研究将CT、MRI影像的优势进行融合建模，经3D打印制作高精度、多材质、全色彩的颅脑实体模型，以尽可能还原真实颅脑解剖结构。

4.1多模图像融合技术的研究意义医学影像技术的发展，为临床医师提供了丰富的人体医学影像[13]。但由于人体解剖结构复杂，单纯依赖某一种影像技术，结果往往不够全面[11]。如CT检查对于密度接近的组织分辨较困难，同时容易产生骨性伪影[14]；而MRI检查层厚与空间分辨率不及CT，但对软组织有很强的显示能力及分辨率[15]。另外，虽然目前利用CT、MRI图像分别进行人体组织结构的三维重建已相当普遍[16]，但通常是由影像科技术人员完成，且重建的虚拟模型必须在特定设备下显示，无法满足临床医生的实际需求。

本研究在普通计算机上将颅脑CT、MRI图像分别提取各自优势部分进行精确配准融合，制作出近真实的颅脑三维虚拟模型，弥补了单模态图像信息不够完全的缺陷，模型可动态旋转观察，任意切割显示各个剖面，使临床医生能够更细致地对病灶进行定位、定性、定量分析[17]，并在此基础上进行手术方案设计及模拟手术，解决了临床医生无法在普通计算机上进行图像动态观察处理的难题，同时也为3D打印提供精确模型。

4.2 3D打印颅脑实体模型在临床工作中的意义利用多模图像融合技术打印的高逼真度、等比例的颅脑实体模型，在神经外科的应用主要体现在对疾病认识与手术指导、医患沟通、临床培训考核等几方面。

4.2.1 对疾病认识与手术指导的应用价值：神经系统结构复杂，术前规划十分必要。CT、MRI二维断层图像难以清晰显示颅脑复杂部位真实的空间结构，尤其对于血管间的重叠，分辨更为困难，据其所做的平面三维图像亦不能给人直观、立体的感觉[18]。而根据CT、MRI影像学数据融合制作的个性化3D 打印实体模型，与二维图像相比，可更加直观、清晰、立体地显示人体内部结构，所获取的医疗信息也更加丰富。利用该模型，术者能全面真实地了解局部或整体解剖情况，制定个性化手术方案；在模型上进行模拟手术，确定相关参数，使术者熟悉手术入路及操作，给医生试错机会[19]；术时将模型带入手术室进行术中比对，可为术者提供直观的解剖指导，有利于关键部位的快速识别和定位，为关键步骤提供实时导航，显著缩短手术及麻醉时间。因此，3D打印模型可使外科医师跳出了“想象”的窘境，对个性化的术前规划和手术精准实施等方面具有较大帮助[20]。

4.2.2 在医患沟通中的应用价值：由于颅脑解剖复杂难以用言语准确描述，医生不易解释病情，严重影响医患沟通。对于无医学知识的患者及家属而言，3D打印颅脑实体模型可为其提供视觉和触觉上的直观表达[21]，降低病人的理解难度，使其对病情与复杂的手术一目了然，更好地理解手术方案及相关风险，减轻心理负担，减少医疗纠纷的发生，显著提高医患沟通中患者及家属的满意程度[22]。因此，3D打印实体模型对改善当前日趋紧张的医患关系可起到重要作用。

4.2.3 在临床教学领域中的应用价值：3D打印模型可将复杂结构精确再现，准确还原人体颅脑解剖[23]，并可永久保存，将其应用于临床教学，与影像资料、传统解剖相结合，可弥补教学材料的不足，便于年轻医师对疾病解剖的认识和理解[24]，且相对于现场手术操作，模型可长久重复使用观察，甚至进行手术模拟操作[25]，有利于对知识、技能的掌握。同时，利用实体模型，可方便地考核年轻医师对疾病的掌握情况。

总之，3D打印实体模型所具有的个性化、精确化等优点，可使医生全方位地了解病变局部解剖关系，制定个性化的手术计划并模拟手术过程，显著提高手术准确率，缩短手术时间，优化手术效果[26]。当然，由于医学图像分割算法及CT、MRI图像的局限性，现阶段对于脑神经及微小血管的完整展现还存在一定困难，相信随着医学影像技术及计算机技术的不断发展，未来通过多模态图像融合技术将超声、DSA、CT、MRI等影像数据结合，最终能够构建出更加完善的颅脑实体模型。我们认为，作为影像学与解剖学之间的桥梁，3D打印技术蕴含着巨大的医学应用前景，一旦开拓出更广阔的发展空间和临床价值，将会是医学史上的重大突破。