薛啟煌，Igor Drstvensek,邢永振，張其清

(1.福建南方濟(jì)民醫(yī)藥技術(shù)研發(fā)中心有限公司，福州 350000;2. University of Maribor, Slovenia;3.福建吉特瑞生物科技有限公司，福州 350000;4.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

1 引 言

3D打印技術(shù)是一種采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。相較傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)，它是一種“自下而上”材料累加的制造方法[1]。目前，3D打印按照不同的成型原理可分為熔融沉淀成型(FDM)、激光燒結(jié)(SLS)、光固化(SLA)等類別，所涉及的材料及應(yīng)用領(lǐng)域也不相同。FDM型3D打印機(jī)是最常見(jiàn)的一種3D打印設(shè)備，一般以熱塑性塑料為打印材料，如工程塑料、聚乳酸等。經(jīng)過(guò)優(yōu)化、去除熔融模塊后，F(xiàn)DM打印機(jī)可用于不耐高溫的生物材料或有機(jī)材料的打印。而SLS型打印機(jī)更適用于鈦合金和生物陶瓷的打印，打印物精密度高，強(qiáng)度大，可代替人體骨骼。光敏樹(shù)脂亦稱為UV樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光(紫外線)引發(fā)劑或稱為光敏劑，在一定波長(zhǎng)的紫外光照射下立刻引起聚合反應(yīng)，完成固化。SLA打印以光敏樹(shù)脂為材料，汲取了上述兩種打印的優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出高精密度，強(qiáng)度適中的物體。總之，與傳統(tǒng)的制造手段相比，3D打印以高靈敏、高精確著稱[2-4]，這為該技術(shù)在臨床上的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。目前，有關(guān)3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域上運(yùn)用的例子不在少數(shù)，包括3D打印制造藥物、個(gè)性化醫(yī)療器械和3D醫(yī)學(xué)建模等[5]。3D打印在臨床上的應(yīng)用有著美好的前景。

醫(yī)學(xué)建模是3D打印技術(shù)在臨床上發(fā)揮作用的一種重要方式。結(jié)合CT血管造影(CTA)技術(shù)和MIMICS重建的3D打印能夠?qū)颊咛囟ú课坏慕M織、骨骼甚至器官做出重建、實(shí)體化。所制造出的模型具有個(gè)性化、精確、高效等特點(diǎn)[6-7],并能展示其在人體中的空間關(guān)系[8]。這種技術(shù)可用于術(shù)前的規(guī)劃或者手術(shù)指導(dǎo)[9]，再結(jié)合臨床診斷知識(shí)，將大大提高手術(shù)效率，簡(jiǎn)化手術(shù)過(guò)程，是一種值得推廣的應(yīng)用方式[10-11]。

2 材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

計(jì)算機(jī)硬件，Intel(R) Core (TM) m3-6Y30CPU@0.90 GHz，4 G內(nèi)存，128 G硬盤(pán)；Mimics Medical 21.0，Materialise company；CT掃描機(jī),128排，256層，飛利浦ICT；造影劑,碘佛醇注射液,江蘇恒瑞醫(yī)藥股份有限公司；3D打印機(jī),Stratasys J750；Vero系列光敏樹(shù)脂材料,Stratasys公司。

2.2 方法

2.2.1CTA數(shù)據(jù)獲取 設(shè)定層厚1.5 mm對(duì)患者的目標(biāo)位置進(jìn)行掃描，得到DICOM數(shù)據(jù)。為了獲取更清晰的動(dòng)、靜脈結(jié)構(gòu)，需向人體注射造影劑。

2.2.2基于MIMICS的肝臟重建 使用Mimics 21.0讀取DICOM數(shù)據(jù)，并從中選擇肝臟、靜脈和動(dòng)脈的灰度值能有效識(shí)別的一組數(shù)據(jù)用于肝臟重建。

打開(kāi)動(dòng)脈掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行肝臟動(dòng)脈的重建。設(shè)置灰度值(Grayscale)為Soft Tissue Scale(Min：-150，Max：350)后可見(jiàn)動(dòng)脈部分呈現(xiàn)為白色區(qū)域。使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow對(duì)動(dòng)脈進(jìn)行標(biāo)記，并設(shè)置Deviation Min為85 HU，Deviation Max為85 HU，并勾選Multiple Layer項(xiàng)，對(duì)所有圖層的相連區(qū)域進(jìn)行關(guān)聯(lián)標(biāo)記，見(jiàn)圖1。最后，使用Calculate Part計(jì)算出肝臟動(dòng)脈結(jié)構(gòu)。

圖1 動(dòng)脈的動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)標(biāo)記

打開(kāi)靜脈掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)行肝臟門靜脈和下腔靜脈重建。使用Threshold設(shè)置任意HU值后，點(diǎn)擊Clear Mask還原被標(biāo)記的區(qū)域，再使用Multiple Slice Edit下的Lasso對(duì)每個(gè)圖層的下腔靜脈進(jìn)行標(biāo)記。見(jiàn)圖2。最后，使用Calculate Part計(jì)算出肝臟下腔靜脈結(jié)構(gòu)。

圖2下腔靜脈的逐層標(biāo)記

Fig.2Multiple slice edit of postcava

門靜脈生長(zhǎng)于肝臟內(nèi)部，與其他肝臟軟組織高度相連，其重建需使用Split Mask功能。Split Mask是在計(jì)算機(jī)識(shí)別能力不足的情況下，依靠工程師輔助來(lái)劃分高度相似的組織。使用Threshold設(shè)置一定的HU值(75～450，在門靜脈被標(biāo)記的情況下盡量減少其他軟組織的標(biāo)記)，在DICOM中將門靜脈周圍的軟組織標(biāo)記為Region A，門靜脈部分標(biāo)記為Region B，計(jì)算機(jī)就能區(qū)分出門靜脈，并將其大致標(biāo)記出來(lái)，見(jiàn)圖3。此時(shí)的門靜脈依然保留有一部分其他軟組織或血管影像，需依靠工程師使用Edit Mask下的Lasso對(duì)門靜脈做修剪和修補(bǔ)，最終得到精確的門靜脈結(jié)構(gòu)并使用Calculate Part計(jì)算出來(lái)。

圖3Split Mask對(duì)門靜脈和周圍軟組織進(jìn)行AB區(qū)域分劃分

Fig.3Split Mask of portal vein and adjacent area

圖4 Split Mask劃分出來(lái)的肝臟門靜脈及其3D預(yù)覽

使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow功能對(duì)肝臟的大體結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記。選擇Multiple Layer，并將Deviation Min和Max設(shè)置為5～10 HU值，點(diǎn)擊圖層中的肝臟部分，計(jì)算機(jī)就可以將肝臟結(jié)構(gòu)大體識(shí)別。此時(shí)的肝臟圖像包含有許多周圍軟組織、血管和骨骼等計(jì)算機(jī)不能有效區(qū)分的部分，可以在Mask 3D Preview中觀察到3D效果圖，見(jiàn)圖4。使用Mask Edit下的Lasso功能對(duì)圖像進(jìn)行修剪和補(bǔ)充，見(jiàn)圖5，最終得到精確的肝臟結(jié)構(gòu)并使用Calculate Part計(jì)算出來(lái)。

圖5Slice Edit對(duì)缺失部分進(jìn)行修補(bǔ)

Fig.5Slice edit of liver

肝臟、血管等各主要結(jié)構(gòu)重建之后，需要對(duì)其進(jìn)行最后的修飾，該過(guò)程需用到3D TOOLS下的Edit Contours功能。使用Edit Contours的Grab和Smooth對(duì)各肝臟組件的邊緣進(jìn)行光滑處理，也可以對(duì)識(shí)別不正確的邊緣進(jìn)行拉伸或縮減，使邊緣和CTA圖更貼合，見(jiàn)圖6。Wrap能對(duì)各組件表層中的凹陷、空洞部分做閉合處理，使模型表層更加流暢、光滑。導(dǎo)出后綴名為STL文件。

2.3 重建肝臟的3D打印

使用StratasysJ 750打印機(jī)導(dǎo)入STL文件進(jìn)行打印，設(shè)置打印厚度25 μm，打印精度≤200 μm，環(huán)境溫度18～25℃，肖氏硬度30。

圖6 對(duì)全組件進(jìn)行Contour Editing處理

3 結(jié)果

肝臟各部分的重建，見(jiàn)圖7-圖9。

圖7 動(dòng)脈、門靜脈、下腔靜脈和肝臟

圖8 重建的肝臟及病灶

圖9 3D打印肝臟模型

4 討論

本研究中選取的CTA數(shù)據(jù)源自一位肝腫瘤患者。從CTA圖中可觀察到病灶邊界不清，且組織內(nèi)部相對(duì)低密度，由此可以判斷病灶屬于巨塊型肝腫瘤。在目前的案例中，肝臟的三維重建并非起到對(duì)病情的診斷作用，而是讓醫(yī)生和患者對(duì)病灶的空間結(jié)構(gòu)能有更直接的認(rèn)識(shí)，從而起到術(shù)前規(guī)劃和學(xué)習(xí)的目的。對(duì)腫瘤的診斷，仍然依賴于醫(yī)生基于對(duì)CTA圖像的經(jīng)驗(yàn)判斷以及相關(guān)的病理檢測(cè)結(jié)果。作為三維重建工程師，其也不具備診斷病情的權(quán)限，唯有依賴于臨床醫(yī)生對(duì)腫瘤認(rèn)識(shí)，對(duì)病灶做出最接近的重建。

基于CTA數(shù)據(jù)的MIMICS肝臟重建模型經(jīng)過(guò)導(dǎo)出為STL文件后支持3D打印[12-13]。SLA打印能夠賦予肝臟模型一定的柔韌性，在一定程度上模擬了生理狀態(tài)下肝臟真實(shí)的觸感。而且使用光敏樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)能夠打印透明物體的能力[14]，使得模型能夠呈現(xiàn)出肝臟內(nèi)部靜脈的走向，甚至是病灶，這是具有臨床意義的[15]。傳統(tǒng)的CT診斷完全是基于對(duì)2D圖像的經(jīng)驗(yàn)判斷，存在一定的難度[16-18]，經(jīng)過(guò)3D制造的肝臟能夠向醫(yī)生和患者呈現(xiàn)精確的血管和病灶位置，使醫(yī)生能更直接地認(rèn)識(shí)到病灶、血管以及患者的肝臟形態(tài)[19-20]，這對(duì)于手術(shù)規(guī)劃十分有意義，可以用于仿真手術(shù)[21]。同時(shí)肝臟模型也能讓患者對(duì)自身的疾病有更直觀的了解，加深他們對(duì)自身情況的認(rèn)識(shí)，改善患者心理狀態(tài)，使他們對(duì)自己的手術(shù)充滿信心。

為了最精確地還原肝臟及各組件間的結(jié)構(gòu)，CTA數(shù)據(jù)的質(zhì)量最為重要。高質(zhì)量的CT或CTA數(shù)據(jù)將大大提高肝臟重建的效率和精確度[22]。其次，工程師在對(duì)各組件獨(dú)立重建過(guò)程中，需充分考慮相互之間的邊界關(guān)系[23]，避免位置重疊或者對(duì)各組件識(shí)別差錯(cuò)，這需要一定的醫(yī)學(xué)影像和臨床知識(shí)。存在病灶的時(shí)候工程師還需具備CT診斷能力，正確認(rèn)識(shí)病灶的部位及其形態(tài)，或者是同臨床醫(yī)生密切合作，這樣才能最終得到全面接近真實(shí)肝臟的3D模型。因此，基于CTA數(shù)據(jù)的MIMICS肝臟3D重建乃至后續(xù)的3D打印是一項(xiàng)結(jié)合了臨床和工程學(xué)知識(shí)的學(xué)科交叉技術(shù)。

在3D打印建模中，SLA打印可以通過(guò)對(duì)材料混合比例的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打印物強(qiáng)度、顏色和透明度的可控。但是，該技術(shù)依然存在不足。相比于FDM打印，光敏樹(shù)脂昂貴的材料成本是光固化打印普及的一大障礙。其次，SLA打印機(jī)設(shè)備所使用的材料單一，僅為光敏樹(shù)脂系列材料，不如FDA和SLS打印設(shè)備。此外，在打印細(xì)微、復(fù)雜結(jié)構(gòu)如肝門靜脈或動(dòng)脈時(shí)，如果對(duì)材料選擇、調(diào)控不到位，導(dǎo)致韌性或硬度不佳，可能會(huì)使這些結(jié)構(gòu)過(guò)于脆弱，極易斷裂。同時(shí)，肝臟模型的可視化程度也會(huì)受影響。因此，對(duì)打印材料的開(kāi)發(fā)將是未來(lái)研究的主要方向。3D打印技術(shù)在設(shè)備的開(kāi)發(fā)以及數(shù)據(jù)處理上已經(jīng)能夠滿足打印復(fù)雜人體組織的水平。要匹配這些條件，需要不斷開(kāi)發(fā)新型的打印材料，進(jìn)而才能滿足更多3D打印的臨床應(yīng)用。3D打印材料必須要具有更靈活的物理性能，在能夠被現(xiàn)有設(shè)備打印的同時(shí)，還需做到材料成本和打印成本能夠被大眾所接受。

MMICS是一款功能強(qiáng)大的，專為臨床所設(shè)計(jì)的建模軟件。其中，對(duì)圖像進(jìn)行處理、修飾的各種功能，如Contour Editing，Smooth，Wrap的作用都不是獨(dú)立的，每一項(xiàng)處理都會(huì)對(duì)其他功能產(chǎn)生一定的影響，針對(duì)每一個(gè)處理，軟件均會(huì)基于CT圖像做出相應(yīng)的變動(dòng)。其各項(xiàng)功能并非能隨意對(duì)重建的模型做出改動(dòng)，而是充分基于CT數(shù)據(jù)，這一定程度上起到了糾正作用，防止建模人員做出重大錯(cuò)誤。工程師也需要熟悉相應(yīng)的建模功能，這樣才能做出最精確的肝臟，乃至各種器官、骨骼、組織的重建。

5 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，CT掃描的層厚越低，建模越精確，且層厚應(yīng)不高于5 mm。在CT層厚1～1.5 mm條件下獲得的DICOM數(shù)據(jù)用于肝臟重建效果較好[24]。重建并經(jīng)過(guò)3D打印的肝臟模型，立體、精確、直觀，可以滿足術(shù)前交流、學(xué)習(xí)和手術(shù)過(guò)程規(guī)劃，是一種臨床上值得推廣的新應(yīng)用。

肝臟在人體中處于一種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，隨著身體的運(yùn)動(dòng)，肝臟的形態(tài)會(huì)發(fā)生一些微小的變化，因此，基于CTA數(shù)據(jù)的重建只能塑造出掃描時(shí)的肝臟狀態(tài)，并不能完全呈現(xiàn)手術(shù)中的肝臟形態(tài)。使用了光敏樹(shù)脂的3D打印能夠賦予模型一定的柔軟度，但是想要全面接近生理狀態(tài)下的肝臟還需要在材料上做出更多改進(jìn)，此外，也可考慮配合打印特定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)使模型具有更高的柔軟度。