基于3D打印技术的医学影像技术领域应用与开发研究

王定旭，冯明明，陈 强，杨开洲，王 娜，胡 冬，陈广新，周志尊

(牡丹江医学院，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

医学三维重建技术可以实现心脏及其各动脉和分支的空间结构，可以根据心脏模型的数据结构模拟仿真支架，最后可以通过 3D生物打印技术打印出细胞支架。3D打印技术正在逐渐应用于临床医学。许多医院都建立了医学图像处理与3D打印中心，用以帮助医院各科室的精准医疗诊断与治疗。3D打印处理技术广泛应用于外科领域，可术前规划各种难度大风险高的外科手术。通常，临床医学影像医生的诊断与治疗都是将 CT，MRI，DSA等二维影像图片作为依据，然而这些2维的影像学数据很难应对复杂病例，很难真实模拟术前诊断与手术规划。医生采用2维医学影像来观察器官，分析疾病的状态，需要医生具有凭借2维的影像学图像在自己的大脑构建三位图像的能力。而这种能力需要长时间经验的积累和培养。通过 3D打印可完成术器官与病变组织模型。医生或患者都可以通过术前模型研究与观察器官和病变组织的解剖学结构，与其他组织如血管、神经的空间关系，为手术的精确化与可视化提供了研究平台。3D打印可制作各种人体器官模型，展示其内部清晰结构，如心脏病医生可以借助 3D打印特殊的支架、制作各种人体器官、组织替代植入物，用 3D生物医学人体工程学技术制作植入物所带来的诸，制作人体仿真器官有许多优点，并正在服务于社会。

在实际手术中虽然有详细且全面的术前医患沟通，术中严谨的专业技术操作，部分病例仍不可避免在术后出现无法预知的并发症甚至死亡，发生医疗纠纷。而且医学知识博大且精深，枯燥的理论学习对医学生的要求较高，尤其是对解剖知识的理解很多医学生仅仅停留在理论方面，进而出现空间三维认识欠缺，影像学认识混乱，影像学表现不能与术中解剖相联系等一系列问题。术前利用 3D打印模型可以让医生预测术中可能出现的困难和并发症，以及选择最佳手术入路和手术器械，并且这类 3D打印模型可以消毒后在术中手术台上供医生参考。在医学教育中，扎实的解剖学基础知识是每一个医生最基本的要求，通过数据处理，三维建模，3D打印这一系列流程的操作，学生对于理论知识的感悟会更进一步，对于人体组织器官空间结构的认识更为形象而具体。实际教学中，不仅可以帮助学生学习疾病解剖，制定手术方案，掌握手术并发症，还可以促进他们学习影像知识，帮助他们阅读CT，MRI，DSA片。

3D打印实质上是将电子信号转化为三维实体模型的技术。要通过数据获取、三维模型设计、层截面的创造三个主要步骤来完成。打印呈现多样化，方式有包括立体光刻（Stereo Lithography Appearance，SLA）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）、熔融挤压成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、喷墨打印、选择性激光融合（Selective Laser Fusing，SLM）等，打印材料更具具体应用可选择不锈钢、镍钛诺、钛金属、金属粉末、陶瓷、聚醚酮酮、塑料、聚醚醚酮等，不同材料对应不同的打印方式。

1 材料与方法

1.1 实验数据采集

影像学数据来源于牡丹江医学院医学影像学院，附属红旗医院CTA影像数据。成像设备采用东芝Aquilion64螺旋CT，扫描参数：层厚0.5 mm、层间隔0.5 mm，管电压120 kV、管电流250 mA、扫描矩阵 512×512、视野 239.62 mm、像素尺寸0.468 mm，以4.0 ml/s经肘静脉注射造影剂140 ml完成断层扫描。图像数据保存为 DICOM 3.0（Digital imaging and Communications in Medicine）格式。

1.2 图像后处理设备及软件

图像后处理实验设备采用戴尔 Precision T7810：Xeon E5-2609 v3处理器、16 G内存、nVIDIA Quadro k2200显卡图像工作站。实验应用软件采用 Mimics 21.0；3-matic 12.0；Ansys workbench 18.0完成和股骨、颅骨及、心脏及冠状动脉的预处理及三维模型重建。应用Cura切片软件及 3D打印软件 Pronterface，将三维模型数据导入3D打印机完成3D模型打印。

1.3 实验方法与步骤

CT，MRI，DSA影像资料采集，将采集数据以DIOM格式输出，应用MINICS软件进行三维建模，导入FDM3D打印机打印。根据原始的CT，MRI，DSA数据转换成DICOM格式个体CTA数据，导入逆向工程处理软件Mimics，经过阈值分割、区域增长及手动编辑，分割提取感兴趣区域。运用 Mimics的3D运算功能将分割提取的2D断面连接，构建三维模型。由于数据采集设备、各种人为或随机因素以及环境因素的影响，数据采集过程中不可避免地会有杂点和从周围环境中引入的不需要的点，所以通常在保证一定精度和特征的前提下对点云进行光顺处理、减少点云数据量，然后再进行模型重建。这是逆向过程中最关键、最复杂的环节。将三维建立好的数字化模型输入 3D打印设备即可驱动设备完成模型原型的成型制造，由于医疗行业（尤其是修复性医学领域）个性定制化需求显著，鲜有标准的量化生产，而个性化、小批量和高精度恰是 3D打印技术的优势所在。

2 研究内容与实验结果

2.1 CT具体图像预处理与三维模型重建

（1）导入与定位：将DICOM格式的CAT图像数据导入 Mimics 21.0，完成图像被成功并定位。（2）图像分割：采用阈值分割方法，通过选定像素灰度值（Hounsfield，HU），即CT值，在CT图像中，组织密度相对应于灰度值图像的灰度值。设定阈值对组织结构提取的精确度非常重要，过高和过低都不利于该感兴趣区ROI（Region of Interest，ROI）组织的提取。需根据实际研究目标选取阈值范围。（3）模型的三维重建及修复。把整个模型作为研究目标，蒙板（Masks）设定为建立三维建模之前所选目标。将得到的图像蒙板保存到Mimics 21.0中，提取并建立三维模型（如图 1）。

图1 阈值分割后冠动脉3D模型Fig.1 Threshold segmented coronary artery 3D model

应用区域增长将一些具有相似像素的体素连接起来，将剔除离散体素。需要手动对所得图像进行精细边缘裁剪。编辑蒙板并得到器官组织ROI三维模型。心脏及冠状动脉模型需要多次补洞才能得到较为完整的模型。使用布尔工具合并补洞模型和原始心脏模型。完成一部分区域的补洞，再重复操作，即可完成对心脏及冠状动脉模型补洞。通过光滑及补洞优化模型（如图2）。

图2 优化后冠动脉模型Fig.2 Optimized coronary artery 3D model

2.2 医学图像的3D打印机数据传输

将Cura 软件图像数据导入与模型切片处理。该软件载入模型保存后，将STL格式的三维模型导入该软件实施切片分层，经参数设置，G代码输出，并在3D打印软件 Pronterface 中打开，经存设备导入 3D打印机打印。再打印过程中要合理选择整体缩放率、喷头温度、层厚及填充率，选用塑料PLA（Polylactide，PLA）打印材料。将3D模型以STL格式保存并在软件Cura中进行切片处理。连接图像工作站与 3D打印机，实现对打印机参数的设置及控制。也可采用热塑聚氨酯弹性橡胶 TPU（Thermoplasticpolyurethanes，TPU）作为打印材料，使制作的心血管模型更有弹性，强度更高，更便于后期的支架模拟仿真设计。

2.3 FDM打印机设计方案

针对FDM打印机进行了初期设计。3D打印机结构（如图 3）包括打印喷头，送料支架，打印平台，打印机主在X-Y平面上移动，主板，各伺服电机控制电路，温控电路，电源，存储端子，打印模型信号采集，及图像处理工作站等。选择单板机作为整个打印机主板，主板端口包括输出控制信号控制伺服电机用来把打印材料的输送到喷嘴，温度控制电路调节喷嘴温度。单板机输出信号控制伺服电机推动支架在垂直方向移动，用以调节打印层厚。单片机输出另一信号推动 X-Y点阵电路，控制载物台在X-Y平面上移动，沿断面周围路线打印模型。具体研究的冠状动脉的CTA二维图像经图像工作站处理，万城D建模，将完成的 3D模型通过信号采集电路输入到单片机。具体 FDM 打印机成品的制作将在以后的课题中完成。

图3 FDM打印机结构图Fig.3 FDM printer structure drawing

3 结论

由于临床疾病有独特性、复杂性、立体性、精准性等特点，需要良好的空间想象能力，3D打印技术可以简化这个环节，3D打印的等比例模型可以完整的展现病灶的空间组织结构，医师能直接根据模型合理规划并制定手术方案。在选定了合适的手术方案后，基于模型进行预手术，在预手术的过程中能模拟实际手术可能遇见的各种不可预料的因素，通过多次手术选择最为合理的方案，尽可能规避风险，提高了手术的成功率。

在手术中根据收集的影像资料数据进行即时判断，利用模型为手术中的进行的每一步做模拟判断，提前规避可能出现的风险，这对降低出血量，简化手术过程，缩短手术时间，防治并发症都有积极意义。

医患矛盾乃至医疗纠纷的产生，往往来自于医者患者之间的沟通不充分，双方信息不对等，患方一般不具备专业的医学知识，难以理解复杂的解剖结构以及手术的危险性，然而医方不能够在短时间内让患方明白医学原理。而现在通过3D打印的1∶1实物模型，医方就可以依据实物模型较为清晰的向患方解释手术的过程、手术的难点、手术存在的风险以及可能出现的各种并发症，患方有一个直观的感受，就会增加对手术的信心，就有一定的心理准备去接受所出现的各种手术结果。

对于在校学生来说，课本的知识较为枯燥，不能够在头脑中形成图像，缺乏感性认识，而这些实物模型则能够形象的体现出我们人体的解剖结构，授课老师还可以在实物模型上进行演示，让学生理解得更加透彻。而且，通过让学亲自在3D模型上进行模拟手术，能够加快学生吸收、利用课本知识，掌握该种疾病解剖变化，这种教学方法可以明显提高教学质量。我们还需要学生完全掌握从数据的采集到数据的转化，包括最后利用 3D打印技术进行打印等一系列操作，然后经由学生自己实践，从中获取知识。

在实际教学中，在使用 3D打印技术之前要有一定的基础知识，首先要熟练使用三维建模软件Mimics，融会贯通如何使用三维建模，并且要熟悉 3D打印机的原理与结构，让学生能有自足安装拼接熔融挤压快速成型（FDM）打印机的能力，通过在课堂教学中应用 3D打印技术，有效提升了课堂教学质量，培养了学生的动手能力和自我探索能力，提高了学生课堂积极参与度。能够把理论知识中描述的理论概念以及实物展示出来，加深学生们对于理论知识概念的印象。医学专业对于学生们的专业水平要求较高，在实际打印之前必须要有丰富的理论基础，这也要求学生强化理论知识的学习，二者相辅相成，有针对性的显著提高学生的综合能力。该技术能够广泛应用于临床治疗和医学教育。