孫允龍冉君張亞盧小龍石志良方忠李鋒*

長久以來，對組織器官標本觀察、解剖是醫(yī)學生了解和掌握解剖結(jié)構的主要途徑[1]，但組織器官標本高昂的維護成本和國人傳統(tǒng)的殯葬觀念使得醫(yī)學生接觸標本的機會大幅度減少，對于新興的替代教學資源的需求與日俱增[2-3]。隨著增材制造技術的廣泛應用，越來越多的3D打印模型被用來進行臨床教學、醫(yī)患溝通、手術規(guī)劃[4-7]、術中輔助操作[6,8]及青年醫(yī)師培訓[9-10]等。雖然目前用于骨骼模型重建的數(shù)據(jù)來源仍以計算機斷層掃描（computed tomography，CT）為主，但其在實際應用時仍存在諸多限制。眾所周知，CT利用X射線進行組織成像，在檢查過程中受試者將接受大劑量電離輻射，因此CT并不適用于大規(guī)模采集健康人群的圖像數(shù)據(jù)。其次，在重建骨腫瘤模型時，由于CT的軟組織分辨率較低，為了提高組織間對比度，常需向患者體內(nèi)注射對比劑，注射過程不僅包含侵入性操作，而且注入的對比劑存在誘發(fā)過敏反應的風險，嚴重時可危及患者生命。與 CT相比，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）具有無輻射、任意方向成像的優(yōu)勢，已在臨床上得到廣泛應用[11]，但利用MRI數(shù)據(jù)進行骨重建的案例鮮有報道。為此，本文試圖利用磁共振圖像數(shù)據(jù)進行醫(yī)學模型重建并探討其適宜參數(shù)和臨床應用價值。

1 材料與方法

1.1 測試模型的設計與制作

借助計算機輔助設計（computeraideddesign，CAD）軟件設計掃描用的模型（見圖1），以*.STL（stereolithography，STL）的格式保存并導入光固化3D打印機（LD-003，深圳創(chuàng)想三維）中進行制備，模型切片厚度為50 m，首層曝光時間80 s，模型制備所用LCD剛性光敏樹脂購自深圳創(chuàng)想三維有限責任公司。該模型借助3根中空且互相垂直的圓柱體模擬空間三維坐標系中的X、Y、Z軸。為了在掃描過程中便于固定，在模型底面設計一圓形底座。模型頂端開口，并設計相應的密封蓋，密封蓋上設計有2個通孔，便于向模型內(nèi)部補充液體?；谠撛O計思路生成4種不同尺寸的模型，每種模型制備5個樣品。

圖1 掃描模具設計圖及實物圖：A.模具正視圖；B.模具側(cè)視圖；C.模具俯視圖；D.模具成品；E.模具尺寸（單位：mm）

1.2 模型灌注液的配置

向1000.00 mL純水中依次加入3.75gNiSO46H2O（Sigma-Aldrich，美國）、5.00gNaCl（Sigma-Aldrich，美國）及10 mL碘普羅胺注射液（Bayer，德國），在37℃下充分攪拌直至溶質(zhì)完全溶解，常溫保存[12]。在掃描開始前，將灌注液注入模型空腔中，加蓋密封蓋后使用熱熔膠槍（MNT-815303，美耐特）進行封閉，為保證模型內(nèi)部完全充滿灌注液。用5mL注射器經(jīng)密封蓋上的通孔向模型內(nèi)部繼續(xù)注入，直至其從另一個孔溢出。

1.3 掃描儀器

分別利用GE Discovery CT750 HD寶石能譜CT和SIEMENS MAGNETOM 3.0T Skyra高場強超導磁共振掃描儀對處理后的模型進行掃描，在進行磁共振掃描時選用18通道線圈。對CT及MRI掃描所得到的圖像數(shù)據(jù)導出并以醫(yī)學數(shù)字圖像（digitalimagingandcommunicationsin medicine，DICOM）格式存儲。

1.4 掃描參數(shù)

CT掃描參數(shù)為：球管電壓120kV，球管電流為100mA，像素尺寸為0.625 mm×0.625 mm×0.625 mm。磁共振掃描序列分別選用常規(guī)序列（T1WI-TSE、T2WI-TIRM）及 3DVibe序列。3D-Vibe序列又進一步細分為各向同性及各向異性序列，以后綴“I”表示各向同性（isotropic，I），后綴“A”表示各向異性（anisotropic，A），相關參數(shù)如表1所示。

表1 MRI序列參數(shù)

1.5 三維模型的重建方法

模型重建的基礎是在圖像數(shù)據(jù)中勾選感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）[13]。將掃描到的DICOM數(shù)據(jù)導入Mimics 20.0后，應用自動閾值分割算法實現(xiàn)MRI圖像數(shù)據(jù)中ROI的分割。與CT成像原理不同，MRI數(shù)據(jù)中各像素點間明暗的差異代表物體不同部位的氫原子核在外加磁場作用下產(chǎn)生的馳豫時間不同[14]。在處理MRI數(shù)據(jù)時，因不同序列外加磁場的參數(shù)不同，其像素點所反映的弛豫時間也不同。因此，在處理同一序列掃描得到的不同模型的圖像數(shù)據(jù)時，我們選用相同的閾值范圍。在Mimics中，所有ROI的集合稱為蒙版（Mask），利用Mask可生成最終的重建模型，將生成的模型以*.STL的格式進行存儲，STL格式由美國3DSystems公司提出，其基本原理是利用數(shù)量不等的三角面片擬合物體的外貌特征[15]。將原始模型與重建后所得模型導入3-Matic中，通過圓弧配準的方式，將兩個模型置于同一個坐標系下。將重建模型與原始模型分別進行布爾并集和布爾交集運算，得出相應的體積大小，并利用下方的公式（1）計算重建模型與原始模型間的匹配度（MatchingDegree），具體流程如圖2所示。

圖2 匹配度計算流程圖

1.6 動物實驗

結(jié)合之前的實驗結(jié)果將適宜骨重建的磁共振掃描參數(shù)應用于新西蘭大白兔的股骨模型的重建中。選用2只健康成年雄兔，體重分別為3.3kg及3.5 kg，所用動物由華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院實驗動物中心提供，所有參與動物實驗人員均參加湖北省試驗動物技術培訓并通過相關考試，實驗得到華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會的批準。在進行掃描前預先配置濃度為3%的戊巴比妥鈉（Sigma，美國）溶液用于麻醉狀態(tài)的維持。按照1mL/kg將戊巴比妥鈉溶液經(jīng)耳緣靜脈注入兔子體內(nèi)，分別進行CT及MRI掃描，隨后通過空氣栓塞的方式處死動物，分離股骨標本。參照1.5的方法進行股骨模型重建，計算模型間匹配度，最后利用3D打印技術制備股骨模型，并將所有模型置于同一坐標原點，結(jié)合主觀及客觀兩方面共同評價股骨模型的精準性。

1.7 統(tǒng)計學方法

重建模型的匹配度以均數(shù)±標準差的形式表示，進行單因素方差分析，并進行Duncan多重比較，所用統(tǒng)計軟件為SPSS 19.0，繪圖軟件為Graphpad Prism 7.0，為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

不同數(shù)據(jù)來源的重建模型的匹配度如表2所示，CT組與T1WI-TSE及T2WI-TIRM模型組間匹配度比較，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01）；3D-Vibe-I與3D-Vibe-A模型組間匹配度比較，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）；CT與3D-Vibe-I模型組間匹配度比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；T1WITSE與T2WI-TIRM模型組間匹配度比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。

表2 不同數(shù)據(jù)來源的重建模型間匹配度（%）

分別選用CT、磁共振T2WI序列及3D-Vibe-I序列數(shù)據(jù)進行兔股骨模型重建并打印3D模型，掃描圖像分別如圖3-5所示。

圖3 基于CT數(shù)據(jù)重建股骨模型：A.矢狀面；B.冠狀面；C.橫斷面；D.基于CT數(shù)據(jù)生成的蒙版；E.經(jīng)過后期處理后生成的模型

圖4 基于T2WI-TIRM數(shù)據(jù)重建股骨：A.矢狀面；B.冠狀面；C.橫斷面；D.生成的蒙版；E.經(jīng)過后期處理后生成的模型

圖5 基于3D-Vibe數(shù)據(jù)重建股骨：A.矢狀面；B.冠狀面；C.橫斷面；D.生成的蒙版；E.經(jīng)過后期處理后生成的模型

結(jié)合圖3至圖5的數(shù)據(jù)可以看出，與利用CT組模型相比，基于T2WI-TIRM數(shù)據(jù)生成的蒙版具有明顯的斷層現(xiàn)象，側(cè)視圖可見模型曲度較真實股骨干明顯增大。相比之下，3DVibe-I組模型外觀精細程度較T2WI-TIRM組模型有顯著提高，盡管在模型重建過程中需要大量的人工作業(yè)，但重建后的模型外觀與 CT重建模型相似（見圖6）。鑒于目前仍以CT數(shù)據(jù)模型作為骨重建的“金標準”，所以進一步將模型與T2WI-TIRM模型組進行匹配后發(fā)現(xiàn)，3D-Vibe-I組股骨重建模型與CT股骨重建模型間的匹配度為（89.23±2.1）%，而T2WI-TIRM 組僅為（78.69±4.2）%，兩者比較差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.01），見圖7。因此可以得出，磁共振3D-Vibe-I序列圖像數(shù)據(jù)較常規(guī)磁共振序列圖像數(shù)據(jù)更適合進行硬組織3D打印模型重建。

圖6 不同數(shù)據(jù)來源所獲得的股骨重建模型，圖A為正視圖，圖B為側(cè)視圖（圖B中紅色團塊為輔助固定的橡皮泥），從左側(cè)至右側(cè)依次為股骨實物、CT股骨模型、3D-Vibe股骨模型、T2WI-TIRM股骨模型

圖7 3D-Vibe數(shù)據(jù)重建模型與T2WI-TIRM數(shù)據(jù)重建模型匹配度對比（#表示 P＜0.01）

3 討論

3.1 不同磁共振序列所重建的模型間匹配度差異的原因

本研究試圖利用MRI圖像數(shù)據(jù)進行模型的重建，并將重建結(jié)果與CT數(shù)據(jù)所重建的模型進行比較。將所得到的圖像數(shù)據(jù)導入Mimics軟件中獲取相應的重建模型，并利用該模型與原始模型間的匹配度衡量磁共振不同磁共振序列圖像數(shù)據(jù)在三維重建中的應用價值。在實際操作過程中，在向空心模型灌水的過程中不可避免地混入氣泡，這導致所有序列所得到的重建模型的匹配度均低于100%。經(jīng)過計算，磁共振常規(guī)序列所得到的重建模型與3D-Vibe序列相比，其匹配度顯著降低，具有統(tǒng)計學意義。對比不同序列間的各向參數(shù)并分析可能的原因，筆者認為這是由于各個序列所獲得的圖像數(shù)據(jù)中單個像素的尺寸差異所導致的。本實驗中4種磁共振序列的單個像素尺寸分別為0.8mm×0.8mm×3mm（T1WI-TSE）、0.8mm×0.8mm×3mm（T2WI-TIRM）、0.8mm×0.8mm×0.8 mm（3D-Vibe-I），0.8 mm×0.8 mm×1.5 mm（3D-Vibe-A），由此可見，除3D-Vibe-I序列外，其余序列中單個像素外觀均為長方體。在本研究中，所有的數(shù)據(jù)均為模型的矢狀位圖像，若采用常規(guī)MRI圖像數(shù)據(jù)進行模型重建，其基于矢狀面圖像所得的冠狀位及橫斷位圖像均丟失大量細節(jié)，而3D-Vibe-I序列所獲得的正方體像素使得重建所獲得的冠狀面及橫斷面圖像依然保持較高的清晰度，這使得重建圖像時可以從3個方面校正ROI，從而獲得更精準的mask，有利于模型的重建。在針對兔股骨進行三維重建時發(fā)現(xiàn)3D-Vibe-I組模型的匹配度有所下降，這主要是因為之前的掃描對象僅為經(jīng)過稀釋的對比劑，其內(nèi)部含有大量的游離水，使得在模型重建過程中可以利用類似調(diào)節(jié)閾值的方式重建模型。而在針對兔子股骨進行重建時，由于周圍組織多樣，ROI的獲取大多是通過人工勾勒出來的，這在一定程度上增大了誤差，但即便如此,利用3D-Vibe數(shù)據(jù)重建的股骨模型外觀依然與CT重建的股骨模型相似度較高，匹配度為（89.23±2.1）%。

得益于高空間分辨率和出色的組織對比度，MRI已經(jīng)成為評價骨與關節(jié)疾病最常用的檢查手段。目前，大多數(shù)針對肌肉和骨骼MRI檢查使用2D序列進行掃描，但隨著3D各向同性序列的發(fā)展，更高的組織分辨率以及更薄的層厚使得 MRI診斷性能大幅提升[16]。有文獻指出，磁共振3D-Vibe序列的信噪比（signalnoise ratio，SNR）是常規(guī)序列的4～5倍[17]，較高的SNR有利于圖像的分割，但會使掃描時間延長，增加了運動偽影的產(chǎn)生幾率[18]，但這仍不妨礙3D-Vibe序列在骨與關節(jié)模型重建中的應用。

3.2 利用MRI數(shù)據(jù)進行醫(yī)學3D打印模型重建的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

不同于CT，磁共振是利用核磁共振原理進行成像，即在外加的強大磁場作用下，人體內(nèi)部的原子核被賦予相應的電磁能量，使原子核產(chǎn)生從低能級向高能級間的躍遷，當撤除外加磁場后，高能量的原子核回到初始狀態(tài)所需的時間差異經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像中各像素點的明暗差異。MRI最大的優(yōu)勢在于其本身無輻射，并且可在任意方向成像，這使得用MRI采集健康人群的圖像數(shù)據(jù)成為可能。MRI用于模型重建的另一個優(yōu)勢在于其較高的組織間對比度。結(jié)合不同的成像序列可應用于脊神經(jīng)、臂叢[19]、子宮卵巢及前列腺[20]等軟組織器官成像。

盡管MRI在成像方面有著CT無法比擬的優(yōu)勢，但將MRI數(shù)據(jù)實際應用于模型重建過程中依然要面對諸多挑戰(zhàn)：目前尚無專門針對MRI數(shù)據(jù)進行醫(yī)學影像重建的商業(yè)軟件。類似Mimics的商業(yè)軟件可以實現(xiàn)對MRI數(shù)據(jù)的讀取，但在對圖像進行分割的過程中依然是采用類似CT數(shù)據(jù)的分割方法，且在數(shù)據(jù)分割過程中依然需要大量人工操作介入，自動化程度不高，難以廣泛普及。為了獲取高清晰度的圖像，在進行 MRI掃描時要兼顧掃描時間和信噪比的平衡，為了獲取更高清晰度的圖像，掃描時間往往需要延長，由于呼吸運動和心臟大血管的搏動等運動因素難以消除，過長的掃描時間會加重運動偽影[21]，這在一定程度上限制了 MRI在某些解剖區(qū)域中的應用。

本研究表明，相較于常規(guī)序列，磁共振3D-Vibe各向同性序列更適合3D打印模型的建立。由于 MRI在掃描過程中不產(chǎn)生電離輻射，這使得利用磁共振3D各向同性序列采集健康人群的圖像數(shù)據(jù)并進一步進行組織模型重建成為可能。這不僅有助于醫(yī)學生更好地了解組織器官的空間結(jié)構，并可協(xié)助醫(yī)生進行更精確的術前規(guī)劃，具有廣闊的應用前景。