劉宇清 何炳蔚 莊江惠 呂 翱 黃繩躍△ 陳 壽 洪文瑤 廖正檢

1)福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科 福建醫(yī)科大學(xué)省立臨床醫(yī)學(xué)院，福建 福州 350001 2)福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350116

顱腦解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其在病變及變異時可發(fā)生很大變化[1]。目前顱腦手術(shù)主要依據(jù)CT、MRI等二維斷層影像，術(shù)者憑想象構(gòu)建出整體三維圖像，術(shù)中常出現(xiàn)對復(fù)雜解剖分辨不清，導(dǎo)致重要結(jié)構(gòu)損傷[2]。為了能詳細直觀了解病變及其周圍解剖結(jié)構(gòu)，制定個性化的術(shù)前方案及術(shù)中參考，提高手術(shù)安全性及成功率，本研究利用計算機技術(shù)，通過CT與MRI圖像的多模融合及3D打印，制作等比例、高精度、多色彩的顱腦三維虛擬模型及其實體解剖模型，應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床工作。現(xiàn)以福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科2017-01收治的1例小腦幕腦膜瘤為例，介紹多模圖像融合的顱腦實體模型制作方法及其臨床應(yīng)用價值。

1 研究對象

患者 男，37歲，主要癥狀為頭暈、頭痛，神經(jīng)科體檢無陽性體征，顱腦CT平掃檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)小腦幕占位性病變，入院后進一步行顱腦CTA及MRI檢查確診為右側(cè)小腦幕腦膜瘤，擬行腫瘤切除手術(shù)。

2 研究方法

2.1實體模型制作

2.1.1 影像學(xué)檢查：①CT檢查：患者行顱腦CTA檢查(儀器為Siemens公司Somatom Definition雙源螺旋CT)，層厚0.6 mm，掃描范圍自主動脈弓到顱頂，造影劑為碘普羅胺注射液(370 mgI/mL)，總量50 mL，流速5 mL/s，掃描原始數(shù)據(jù)經(jīng)由Picture archiving and communication system(PACS)系統(tǒng)以DICOM格式輸出。見圖1。②MRI檢查：患者行顱腦MRI增強掃描(儀器為Siemens公司verio 3.0T磁共振成像系統(tǒng))，取仰臥位，眶耳平面與水平面垂直，掃描范圍自顱頂至下頜下緣，層厚1.0 mm，造影劑為釓噴酸葡胺，總量14 mL，流速3 mL/s，掃描得到的斷層圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出。見圖2。

2.1.2 計算機軟件處理：顱腦CT及MRI圖像各具特點，MRI增強掃描在顯示腫瘤、腦室系統(tǒng)、腦組織等方面有優(yōu)勢，而CTA掃描則能較好地反映顱骨、血管等結(jié)構(gòu)。利用CTA、MRI二維原始影像，分別針對頭皮、顱骨、血管及腦膜瘤、腦組織、腦室系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的灰度特點進行圖像分割、重建，獲得各自的三維虛擬模型，最后以CTA、MRI圖像中重建得到的頭皮模型為基準(zhǔn)進行配準(zhǔn)融合，完成顱腦重要解剖結(jié)構(gòu)的3D虛擬模型構(gòu)建。具體流程見圖3。

圖1 CTA掃描圖像 圖2 MRI掃描圖像Figure 1 CTA scanning image Figure 2 MRI scanning image

2.1.2.1 CT圖像處理：CT圖像用于提取顱骨、血管及頭皮模型。將CT數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入三維重建軟件MIMICS(比利時，Materialise公司)。利用閾值設(shè)定工具(Thresholding)提取輪廓。輪廓提取基本原則：在保證重建組織被選取的情況下，盡量不使重建組織以外的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輪廓陰影。本文CTA數(shù)據(jù)中各部分閾值界定：顱骨125～3 071 Hu，血管78～279 Hu，頭皮-718～-177 Hu，據(jù)此分割出不同而完整有效的組織結(jié)構(gòu)，形成蒙板(mash)。然后對蒙板進行后處理，去除冗余數(shù)據(jù)、選擇性編輯及補洞處理，在不同平面圖像上檢查分割體，調(diào)整圖像質(zhì)量至滿意。最后，利用軟件的三維計算工具Calculate 3D將二維圖像直接轉(zhuǎn)化成三維模型。見圖4。

2.1.2.2 MRI圖像處理：MRI圖像用于提取腦組織、腦室系統(tǒng)、腦膜瘤及頭皮模型，具體重建過程與CT圖像處理方法大致相同，腦組織界定閾值137～1 434 Hu，腦室系統(tǒng)38～137 Hu，腦膜瘤435～733 Hu，頭皮79～711 Hu。重建結(jié)果見圖5。

2.1.2.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化及配準(zhǔn)融合：將上述依據(jù)CT、MRI圖像分別重建的三維模型以STL格式輸出保存，該模型在三維視窗中可同時顯示，也可單獨顯示，重建的模型外形逼真，清楚地再現(xiàn)各組織結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)，且可平移、縮放、任意平面切割、任意角度旋轉(zhuǎn)，同時將所有模型導(dǎo)入Geomagic軟件(美國Geomagic公司)進行優(yōu)化處理。

圖3 多模圖像融合流程圖Figure 3 flow chart of multi-mode image fusion

由于CT和MRI圖像坐標(biāo)系不同，本研究以頭皮模型為配準(zhǔn)基準(zhǔn)，將CT和MRI圖像中重建得到的三維模型統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，該方法包括基于三點定位法的粗配準(zhǔn)和基于迭代最近點(Iterative Closest Point，ICP)算法的精配準(zhǔn)[3]。首先，將CT重建的頭皮、顱骨、血管綁定，創(chuàng)建組1，設(shè)置組1為固定組；將MRI重建的頭皮、腦膜瘤、腦組織、腦室綁定，創(chuàng)建組2，設(shè)置組2為浮動組。然后，根據(jù)CT和MRI圖像中分別重建的頭皮模型的一致性，在各自模型上分別標(biāo)記3個具有一定幾何代表性或醫(yī)學(xué)診斷意義上共有特征的解剖參考點，利用三點對齊法實現(xiàn)兩組模型的粗配準(zhǔn)(圖6A)。最后，利用ICP迭代算法完成對兩組模型的精配準(zhǔn)，實現(xiàn)不同模態(tài)的數(shù)據(jù)融合配準(zhǔn)，獲得信息較為完整的顱腦三維虛擬模型(圖6B、6C)。

2.1.3 3D打印成型：將STL格式模型導(dǎo)入Objet350 Connex3打印機操作系統(tǒng)(美國，Stratasys公司)，檢測三維模型，利用光固化成型技術(shù)進行模型打印，采用不同顏色材質(zhì)的打印材料進行不同組織結(jié)構(gòu)的區(qū)分，制作出等比例、多色彩的實體模型，經(jīng)水洗操作處理支撐材料后，完成3D顱腦模型的打印。見圖7。

3 結(jié)果

制作出高逼真度、等比例、多色彩的顱腦實體模型，將模型應(yīng)用于神經(jīng)外科臨床工作，包括手術(shù)預(yù)案制定、模擬手術(shù)、術(shù)中參考、醫(yī)患溝通、臨床教學(xué)等方面，效果良好。為進一步了解3D打印實體模型的應(yīng)用價值，將福建省立醫(yī)院神經(jīng)外科15名醫(yī)師分為3組，高、中、低年資各5名，對6個問題進行獨立評分，各問題最高5分，最低1分，按年資組取平均值。調(diào)查問卷的所有問題在3組中平均得分均>4分。見表1。

圖4 CT圖像處理 A顱骨及血管蒙板；B：顱骨及血管虛擬模型；C：頭皮虛擬模型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

圖5 MRI圖像處理 A：腦組織及腦室、腦膜瘤蒙板；B：腦組織、腦膜瘤虛擬模型；C：頭皮虛擬模型Fig 5 MRI image processing A：virtual model of brain tissue；B：brain tissue，andmeningioma；C：scalp virtual model ventricle，meniscus of meningioma

圖6 多模圖像融合配準(zhǔn) A：三點對齊法示意圖；B：透視圖；C：整體圖Fig 6 multi-mode image fusion registration A：three-point alignment diagram；B：Perspective；C：overall picture

圖7 3D打印實體模型 A：側(cè)視圖；B：俯視圖Fig 7 3D printed entity model A：side view；B：top view

表1 調(diào)查問卷結(jié)果Table 1 questionnaire results

注：*高年資：從事神經(jīng)外科工作15 a以上；中年資：從事神經(jīng)外科工作5～15 a；低年資：從事神經(jīng)外科工作<5 a

4 討論

3D打印是目前最先進的制造技術(shù)，可根據(jù)CT、MRI等影像學(xué)資料，利用計算機輔助設(shè)計建模，制造出病變的3D實體模型[4]，近年來已逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5]，包括模擬教學(xué)[6]、術(shù)前規(guī)劃[7]、手術(shù)模板[5]、假體制造[7]及生物打印[8]等，尤其在頜面外科、骨科的應(yīng)用已取得一定經(jīng)驗[9]。由于顱腦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，該技術(shù)目前在神經(jīng)外科的應(yīng)用開展較緩慢[10]，主要不足在于現(xiàn)階段3D打印依賴的虛擬模型大多來源于CT圖像，病變區(qū)域與正常組織在灰度值上常高度接近，缺乏清晰邊界，難以完全區(qū)分病變及其周邊組織，細微結(jié)構(gòu)無法顯示[11]，且目前打印的實體模型絕大部分為單一材質(zhì)、單一色彩，所展現(xiàn)的信息不夠豐富詳細[12]。本研究將CT、MRI影像的優(yōu)勢進行融合建模，經(jīng)3D打印制作高精度、多材質(zhì)、全色彩的顱腦實體模型，以盡可能還原真實顱腦解剖結(jié)構(gòu)。

4.1多模圖像融合技術(shù)的研究意義醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，為臨床醫(yī)師提供了豐富的人體醫(yī)學(xué)影像[13]。但由于人體解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單純依賴某一種影像技術(shù)，結(jié)果往往不夠全面[11]。如CT檢查對于密度接近的組織分辨較困難，同時容易產(chǎn)生骨性偽影[14]；而MRI檢查層厚與空間分辨率不及CT，但對軟組織有很強的顯示能力及分辨率[15]。另外，雖然目前利用CT、MRI圖像分別進行人體組織結(jié)構(gòu)的三維重建已相當(dāng)普遍[16]，但通常是由影像科技術(shù)人員完成，且重建的虛擬模型必須在特定設(shè)備下顯示，無法滿足臨床醫(yī)生的實際需求。

本研究在普通計算機上將顱腦CT、MRI圖像分別提取各自優(yōu)勢部分進行精確配準(zhǔn)融合，制作出近真實的顱腦三維虛擬模型，彌補了單模態(tài)圖像信息不夠完全的缺陷，模型可動態(tài)旋轉(zhuǎn)觀察，任意切割顯示各個剖面，使臨床醫(yī)生能夠更細致地對病灶進行定位、定性、定量分析[17]，并在此基礎(chǔ)上進行手術(shù)方案設(shè)計及模擬手術(shù)，解決了臨床醫(yī)生無法在普通計算機上進行圖像動態(tài)觀察處理的難題，同時也為3D打印提供精確模型。

4.2 3D打印顱腦實體模型在臨床工作中的意義利用多模圖像融合技術(shù)打印的高逼真度、等比例的顱腦實體模型，在神經(jīng)外科的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對疾病認(rèn)識與手術(shù)指導(dǎo)、醫(yī)患溝通、臨床培訓(xùn)考核等幾方面。

4.2.1 對疾病認(rèn)識與手術(shù)指導(dǎo)的應(yīng)用價值：神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，術(shù)前規(guī)劃十分必要。CT、MRI二維斷層圖像難以清晰顯示顱腦復(fù)雜部位真實的空間結(jié)構(gòu)，尤其對于血管間的重疊，分辨更為困難，據(jù)其所做的平面三維圖像亦不能給人直觀、立體的感覺[18]。而根據(jù)CT、MRI影像學(xué)數(shù)據(jù)融合制作的個性化3D 打印實體模型，與二維圖像相比，可更加直觀、清晰、立體地顯示人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所獲取的醫(yī)療信息也更加豐富。利用該模型，術(shù)者能全面真實地了解局部或整體解剖情況，制定個性化手術(shù)方案；在模型上進行模擬手術(shù)，確定相關(guān)參數(shù)，使術(shù)者熟悉手術(shù)入路及操作，給醫(yī)生試錯機會[19]；術(shù)時將模型帶入手術(shù)室進行術(shù)中比對，可為術(shù)者提供直觀的解剖指導(dǎo)，有利于關(guān)鍵部位的快速識別和定位，為關(guān)鍵步驟提供實時導(dǎo)航，顯著縮短手術(shù)及麻醉時間。因此，3D打印模型可使外科醫(yī)師跳出了“想象”的窘境，對個性化的術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)精準(zhǔn)實施等方面具有較大幫助[20]。

4.2.2 在醫(yī)患溝通中的應(yīng)用價值：由于顱腦解剖復(fù)雜難以用言語準(zhǔn)確描述，醫(yī)生不易解釋病情，嚴(yán)重影響醫(yī)患溝通。對于無醫(yī)學(xué)知識的患者及家屬而言，3D打印顱腦實體模型可為其提供視覺和觸覺上的直觀表達[21]，降低病人的理解難度，使其對病情與復(fù)雜的手術(shù)一目了然，更好地理解手術(shù)方案及相關(guān)風(fēng)險，減輕心理負擔(dān)，減少醫(yī)療糾紛的發(fā)生，顯著提高醫(yī)患溝通中患者及家屬的滿意程度[22]。因此，3D打印實體模型對改善當(dāng)前日趨緊張的醫(yī)患關(guān)系可起到重要作用。

4.2.3 在臨床教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用價值：3D打印模型可將復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確再現(xiàn)，準(zhǔn)確還原人體顱腦解剖[23]，并可永久保存，將其應(yīng)用于臨床教學(xué)，與影像資料、傳統(tǒng)解剖相結(jié)合，可彌補教學(xué)材料的不足，便于年輕醫(yī)師對疾病解剖的認(rèn)識和理解[24]，且相對于現(xiàn)場手術(shù)操作，模型可長久重復(fù)使用觀察，甚至進行手術(shù)模擬操作[25]，有利于對知識、技能的掌握。同時，利用實體模型，可方便地考核年輕醫(yī)師對疾病的掌握情況。

總之，3D打印實體模型所具有的個性化、精確化等優(yōu)點，可使醫(yī)生全方位地了解病變局部解剖關(guān)系，制定個性化的手術(shù)計劃并模擬手術(shù)過程，顯著提高手術(shù)準(zhǔn)確率，縮短手術(shù)時間，優(yōu)化手術(shù)效果[26]。當(dāng)然，由于醫(yī)學(xué)圖像分割算法及CT、MRI圖像的局限性，現(xiàn)階段對于腦神經(jīng)及微小血管的完整展現(xiàn)還存在一定困難，相信隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)及計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，未來通過多模態(tài)圖像融合技術(shù)將超聲、DSA、CT、MRI等影像數(shù)據(jù)結(jié)合，最終能夠構(gòu)建出更加完善的顱腦實體模型。我們認(rèn)為，作為影像學(xué)與解剖學(xué)之間的橋梁，3D打印技術(shù)蘊含著巨大的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景，一旦開拓出更廣闊的發(fā)展空間和臨床價值，將會是醫(yī)學(xué)史上的重大突破。