基于CT图像颈椎三维实体模型重建及3D打印

赵改平，蒋庚辛，杨珣，西热阿依·帕热提，王恩彬

上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海市，200433

0 引言

颈椎是头部和胸椎的连接部位，是脊柱椎骨中灵活性最大、活动频率最高的节段。上颈椎部位解剖结构复杂，毗邻重要的神经血管，手术暴露困难，技术要求较高，是外科治疗的困难之一。由于脊柱椎骨体积小，负重大，常导致发生病变。颈椎共由七块颈椎骨组成，除第一颈椎和第二颈椎外，其他颈椎之间都夹有一个椎间盘，如图1所示。

图1 C1～C7段颈椎解剖结构Fig.1 Anatomical structure of C1～C7 segments of cervical vertebrae

据统计，恶性肿瘤患者发生脊柱转移的几率为30%～40%，会影响脊柱强度、引起脊柱不稳，伴随病情发展会压迫神经根或脊髓，具有较高致残率和死亡率[1]。依据脊柱外科治疗理念与技术发展，全脊椎切除术成为目前临床公认脊柱肿瘤有效治疗方法之一。但全脊椎切除术在完成病椎切除、脊髓减压的同时，会导致颈椎彻底横断，必须通过植入内固定器械来保证重建节段稳定性并提供足够力学强度[2]。在近几年的探索中，伴随3D打印技术高速发展，可代替骨骼的医用金属、陶瓷质地生物组织材料已成功问世，使得全脊椎切除术已损坏脊段（病变）可使用生物仿真型假体装置代替。因此，在有效手术治疗方案中，进行骨骼生物力学分析仿生学研究及运用3D打印设计重建兼顾活动性与稳定性可植入假体成为了研究热点之一。本项目用基于人体CT图片数据，运用图像处理软件，重建颈椎三维实体模型，进行有限元的理论分析，并通过与权威文献相比，以验证模型的可靠性。

1 材料与方法

1.1 临床资料的获取

选取一名既往无颈椎病史的成年男性志愿者，X线检查排除骨性异常与脊柱病变异常情况，使用64排螺旋CT机在自然状态下扫描，扫描范围为全颈椎，每个扫描层的层距为1.0 mm，像素矩阵密度为512×512，得到375张CT图片，将连续的人体颈椎断层数据以DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，即医学数字成像和通信）格式自动或手动导入到MIMICS（Materialise’s Interactive Medical Image Control System，即医学影像控制系统）医学图像处理软件中得到体数据，并对所得到的体数据进行一系列处理。

1.2 基本操作步骤

第一步，将基于CT设备所获取的连续人体颈椎断层数据导入MIMICS医学图像处理软件里，得到体数据集（由于扫描极快，可以不去考虑断层图像之间对齐的问题）。

第二步，根据研究目的，从断层图像数据中单独选出颈椎C4～C7段。调整窗宽窗位，得到骨轮廓较清晰的图像。设定分割阈值，用区域增长工具条、编辑蒙板等分离各颈椎段，得到边缘清晰的颈椎分割图像。

第三步，进行3D初步模型建立。运用REMESH功能得到光滑的初步模型。

第四步，打开GEOMAGIC Studio软件，导入MIMICS医学图像。用网格医生填补漏洞，运用搭桥、填充等操作得到对应的包含椎间盘的最终的数字模型。

第五步，3D打印。基于最终得到的数字模型，利用增材技术进行光敏树脂材料模拟装置实体构建。

2 研究结果

2.1 颈椎C4～C7三维模型

首先，我们进行了颈椎C4～C7在MIMICS中的三维重建。将基于CT设备所获取的连续人体颈椎断层数据导入MIMICS医模，用编辑功能去除无关边缘数据，接着对阈值进行修改，经过区域增长进一步完善选区，并用calculate 3D功能构建出颈椎的三维初步模型。接着，我们用MIMICS建立好初步的颈椎模型后运用REMESH功能处理，得到稍微平滑的模型，跟之前相比，处理过后的模型周边多余的三角片数量会降低很多，而且不规则的三角片会变成趋于等边的三角片。对应的三维模型，如图2所示。

图2 C4～C7段颈椎三维模型Fig.2 3D model of C4～C7 segments of cervical vertebrae

从图2中仍能看到很多粗糙不平的地方，所以我们接下来就要运用GEOMAGIC Studio软件来进一步修整。打开GEOMAGIC Studio软件，导入MIMICS医学图像。模型的表面和周边可能会出现尖状物，我们要删除那些没有相连的尖状三角片。点击应用就能让网格医生进行自动修复，网格医生的修复虽然可以根据模型存在的三角片问题进行不同功能的修复，但并不能达到完全的效果，还是要进行后续深入的修整。接着，运用FILL、MESH等功能，进行填补孔洞等操作得到修整过后的的数字模型，如图3和图4所示。

图3 C5段颈椎模型三维图Fig.3 Three views of C5 segment of cervical vertebrae

图4 C7段颈椎模型三维图Fig.4 Three views of C7 segment of cervical vertebrae

2.2 C4～C7颈椎段椎间盘的三维模型

颈椎椎间盘位于人体颈椎两椎体之间，主要是由盘髓核、纤维环、软骨板等组成，是颈椎活动时变性最大的软组织之一。尤其是髓核，发生不同程度的退行性病变后，在外界因素的作用下，导致椎间盘纤维环破裂。首先，在GEOMAGIC Studio中打开两个模型，选“菜单键”然后点击“导入”，选择模型，并用反向选择来删除不要的部分。接着，选择“多边形”下“修改”命令中的“松弛边界”命令分别对两个表面进行松弛处理。选择“整个边界”，对模型边缘进行光滑处理，再进行“合并”操作。最后，用到填充孔的“搭桥”命令，选中上下两个平面点击搭桥，平面之间就会有一根柱子将它们联系在一起，再点击“全部填补"就能使椎间盘完全封闭得到我们要的结果。颈椎C4～C7椎间盘的三维模型，如图5和图6所示。

图5 C5～C6颈椎段椎间盘三视图Fig.5 Three views of C5～C6 cervical intervertebral disc

图6 C4～C7颈椎段椎间盘三视Fig.6 Three views of C4～C7 cervical intervertebral discs

2.3 C4～C7段颈椎最终三维模型

选择自动造面工具命令重塑模型，稍等片刻我们就能得到重新造面后蓝色的颈椎间盘。并把之前所做的C4～C7段颈椎及对应的其椎间盘合并在一起得到最终数字三维模型。如图7和图8所示。

图7 C4～C7段颈椎模型正视图Fig.7 Front view of C4～C7 segments of cervical vertebrae

图8 C4～C7段颈椎模型侧视图Fig.8 Side view of C4～C7 segments of cervical vertebrae

3D打印技术（增材技术）是一种以数字模型文件为基础，用粉末状塑料或金属等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。本文使用光敏树脂材料模拟装置实体构建，将液态光敏树脂在一定波长的紫外光（250～400 nm）照射下发生聚合反应，完成固化。由于光敏树脂材料易受重力影响，在基础试验阶段，树脂材料的完美成型即可证明该装置在进行金属3D打印时也可成功构建，以便进行实体校验及手术方案模拟。3D打印实体模型如图9、图10和图11所示。

图9 正视图Fig.9 Front view

图10 侧视图Fig.10 Side view

图11 俯视图Fig.11 Frontal view

2.4 项目创新点

本项目基于C4～C7颈椎段的CT图像信息，采用计算机辅助手段进行图像数据处理及分析，获得三维实体模型。该方法实验时间短，费用少，对身体无任何破坏，力学性能全面，可重复性高。该项目具有很强的实践意义，可使以往的颈椎三维模型研究更加全面，也为临床上的外科手术治疗方案的研究提供可参考的模型，有助于提高患者的康复率。本项目能够锻炼项目参与者的实际操作能力，加深加强其对本专业的认识，熟悉科研流程，学习使用相关的科学应用软件。最后，基于成功建模与材料选择正确的基础上，3D打印使得增材结构重建成为可能，没有材料浪费，没有结构的限制，可以直接将虚拟模型转化为实体，可广泛应用于临床、研究、创新工程等领域。