李修往 吳家昌 葉灼峰 吳銘杰 莊偉達 趙仁禮 桑宏勛* 王 瓊

1(南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院骨科中心 深圳 518000)

2(中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

3D 打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已成為數(shù)字醫(yī)學發(fā)展的一個重要趨勢，特別是在骨外科領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。美國食品及藥物管理局(FDA)于 2021 年 2 月 17 日宣布批準了 Additive Orthopaedics 公司的個性化 3D 打印距骨植入物用于人道主義用途。其中，特制距骨墊片是世界首個，也是同類首個替代距骨(連接腿和腳的踝關(guān)節(jié)中的骨骼)的植入物，可用于治療踝關(guān)節(jié)缺血性壞死(Avascular Necrosis，AVN)。AVN 是一種嚴重的進展性疾病，該部位因缺乏血液供應(yīng)而導(dǎo)致骨組織死亡。采用外科手術(shù)治療晚期 AVN可能導(dǎo)致患者踝關(guān)節(jié)無法運動，而采用植入物進行治療則可避免這一副作用。特制距骨墊片是一種 3D 打印的植入物，可用于距骨置換手術(shù)中。其中距骨墊片是根據(jù)計算機斷層掃描(CT)成像為每個患者單獨制作的、適合患者的特定解剖結(jié)構(gòu)。置換手術(shù)則是將患者的距骨取下并用鈷鉻合金制成的植入物代替。若患者病情惡化需要融合手術(shù)，則使用特制距骨墊片進行距骨置換手術(shù)可以使患者的踝關(guān)節(jié)保留運動能力[1]。

采用 3D 打印技術(shù)在術(shù)前通過打印患者的等比例骨組織模型可以進行手術(shù)方案的精確規(guī)劃[2]；術(shù)中通過等比例骨組織模型的觀察可以確保手術(shù)的定位精準度[3]，從而縮短手術(shù)時間，減少病人出血量，減小創(chuàng)口以及術(shù)中反復(fù)透視的輻射劑量[4-5]；術(shù)后可以通過打印模型評估手術(shù)效果[6-7]。在骨組織的 3D 打印建模中，CT 圖像是公認的最佳建模數(shù)據(jù)，其由于較高的空間分辨率和組織分辨率，成為骨組織建模以及后續(xù)力學有限元分析、3D打印的最佳選擇[8-10]。但打印出等比例的、與患者完全匹配的、精確的骨組織模型涉及術(shù)前 CT影像掃描、3D 建模、3D 打印及打印后處理一系列的流程。前期的 CT 影像掃描和 3D 建模的質(zhì)量直接影響后續(xù)打印出模型的質(zhì)量和精度，故選擇何種序列的 CT 圖像進行 3D 打印仍是值得研究的問題。以 GE Revolution CT 為例，該 CT提供的主要常規(guī)重建算法包括 SOFT、STND、DETAIL、CHEST、LUNG、BONE、BONE+ 以及 EDGE。根據(jù)檢查目的不同，這些算法對空間分辨力和密度分辨力各有側(cè)重。在實際應(yīng)用中，重建方法分為低分辨重建算法和高分辨重建算法。其中，低分辨重建算法主要表現(xiàn)低對比度的軟組織細節(jié)，密度分辨力較高，可用于增強掃描，包括 SOFT、STND、DETAIL 及 CHEST；高分辨重建算法主要表現(xiàn)空間分辨力，用于展現(xiàn)骨邊緣等細節(jié)信息，密度分辨力偏低，一般不用于增強掃描，包括 LUNG、BONE、BONE+ 及EDGE。而現(xiàn)有的文獻還沒有對不同 CT 序列圖像骨組織模型建模效果進行對比研究。本研究在多年的骨組織模型 3D 打印中發(fā)現(xiàn)不同 CT 圖像序列重建的骨組織模型有一定差異，特別是骨窗序列常被默認為重建骨組織模型的序列，而通過筆者對比發(fā)現(xiàn)，在三維建模的效果上骨窗序列并不是最佳選擇。

2 實 驗

2.1 實驗材料和工具

選擇骨病患者中的 10 例作為研究對象，其中頸胸椎、腰椎、骨盆、四肢、足踝各 2 例。該研究獲得南方醫(yī)科大學深圳醫(yī)院倫理委員會批準(批準號 NYSZYYEC20180002)以及患者的知情同意。根據(jù)不同臨床應(yīng)用領(lǐng)域的需求，CT 設(shè)備的廠家提供了不同的 CT 圖像序列，本團隊采用的是 GE 醫(yī)療 Discovery CT750 HD，將患者的手術(shù)部位進行 CT 掃描，掃描數(shù)據(jù)以 Dicom 3.0 格式存儲于光盤。掃描參數(shù)如下：管電壓 120 kV，管電流 349 mA，層厚 0.625 mm，無間隔容積掃描，掃描矩陣為 512 像素×512 像素，層內(nèi)像素尺寸為 0.54 mm，機架傾角為 0°，圖像序列包含標準窗(STND)序列和骨窗(BONE)序列。三維建模軟件采用 Mimics Medical 21.0 醫(yī)用設(shè)計軟件(Materialise 公司，比利時)。建模后采用微軟的 3D 查看器 V7.2 查看模型參數(shù)及效果。

2.2 實驗方法

將 10 例骨病患者 CT 掃描后輸出的原始Dicom 3.0 數(shù)據(jù)拷貝到 Mimics 圖像工作站，點擊圖像工作站上 Mimics Medical 21.0 醫(yī)用設(shè)計軟件菜單欄的“New Project”新建病人項目，選擇并導(dǎo)入 STND 掃描序列和 BONE 掃描序列，選擇軟件 Segment 菜單下的“New mask”中的“Bone(CT)”預(yù)置分割閾值，提取出骨骼組織的 Mask，隨后右鍵點擊分割出的骨骼組織Mask，再右鍵菜單欄選擇“Calculate Part”即可將分割出的骨骼組織重建為三維結(jié)構(gòu)，并顯示于軟件視窗右下角視圖內(nèi)?？赏ㄟ^工具欄或右鍵菜單選擇不同的工具對重建的三維結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放、半透明、拆分、切割、合并和修飾等操作，以調(diào)整重建模型達到要求，模擬手術(shù)切除范圍。隨后分別將 STND 掃描序列和 BONE 掃描序列的重建結(jié)果通過軟件“STL+”功能導(dǎo)出 STL格式的建模數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的分析和 3D 打印。

通過微軟的 3D 查看器 V7.2 對 Mimics 21.0軟件輸出的 10 例患者(頸胸椎、腰椎、骨盆、四肢、足踝各 2 例)的骨組織 3D 建模的 STL 文件結(jié)果進行對比分析。其中，重點對建模階段選擇CT 影像的骨窗圖像序列和標準窗圖像序列進行比較——在軟件中輸入選定的 CT 序列圖像后，采用相同分割參數(shù)和重建算法的前提下對建模效果和打印效果進行對比。具體地，對比相同條件參數(shù)下的重建構(gòu)成三角形面片數(shù)量(表 1)和三角形頂點數(shù)量(表 2)、三維顯示的效果、重建結(jié)果的吻合度和醫(yī)生目測觀察結(jié)果(圖 1)。目測觀察實驗由 5 名具有 10 年以上工作經(jīng)驗的骨科醫(yī)師對建模圖像進行主觀評價，采取盲法，同一臺 Mimics 圖像工作站，每位醫(yī)師閱片時房間亮度和屏幕亮度均一致，每評完 1 組圖像閉目休息20 s，以避免因視覺疲勞而產(chǎn)生誤差。

表1 10 例患者重建數(shù)據(jù)三角面片數(shù)量對比Table 1 3D reconstruction triangles numbers comparison of 10 patients

表2 10 例患者重建數(shù)據(jù)三角形頂點數(shù)量對比Table 2 3D reconstruction triangles vertex numbers comparison of 10 patients

圖1 結(jié)果比較：(a)重建吻合度比較，(b)局部細節(jié)比較，(c)三角面片構(gòu)成比較Fig. 1 Comparison of results: (a) 3D reconstruction coincide, (b) local details, (c) triangle facets

對于需要 3D 打印的模型，首先將重建的建模 STL 文件導(dǎo)入 iSLA450 樹脂 3D 打印機(中瑞科技有限公司)進行打印前支撐設(shè)計和打印格式轉(zhuǎn)換；然后，采用光固化立體造型工藝(材料為中瑞科技光敏樹脂，型號 ZR710)進行實物打印(打印結(jié)果見圖 2)；最后，去除模型支撐和清洗模型上殘留樹脂，并用紫外光固化(99 min)完成打印模型后處理。

圖2 標準序列重建骨盆打印結(jié)果Fig. 2 3D printed pelvis reconstructed from standard CT image series

3 實驗結(jié)果

通過對 10 例骨組織模型的建模數(shù)據(jù)采用軟件算法分析發(fā)現(xiàn)，采用標準窗序列的建模和打印效果優(yōu)于采用骨窗序列的。其中，標準窗序列的建模結(jié)果中三角面片的數(shù)量和三角形頂點數(shù)量顯著少于骨窗序列。推測骨窗序列的建模效果和質(zhì)量下降的原因：CT 廠家在把標準窗的圖像序列轉(zhuǎn)化為骨窗圖像序列時做了圖像銳化處理[11-12]，該處理降低了骨組織周圍相鄰組織(如軟骨、肌腱、肌肉等)的灰度值[13-14]，通過該處理后在二維斷層圖像上骨組織的對比度有顯著提升[15-16](圖 3)，便于閱片期間對骨組織病變的快速識別[17-18]。但在 3D 建模中，建模的效果是通過三角面片頂點的相鄰圖像像素的灰度梯度先計算出法向量，再將該法向量代入計算機圖形學的光照模型方程計算得到，而銳化后的圖像相鄰像素的灰度梯度過大，導(dǎo)致建模效果上出現(xiàn)明顯的顆粒狀失真。標準窗由于能夠準確地反映骨組織和鄰近組織(如軟骨、肌腱、肌肉等)的真實灰度梯度過渡關(guān)系，在重建中的法向量計算中能準確體現(xiàn)骨組織和周圍組織的真實關(guān)系，建模效果與真實一致，其重建和打印出的模型在質(zhì)量和精度上都優(yōu)于骨窗的。

圖3 標準序列(左)與骨窗序列 2D(右)對比Fig. 3 Comparison between STND(left) and bone(right) series

4 結(jié) 論

CT 圖像的不同序列來源于掃描階段采用的不同重建算法改變圖像噪聲的頻段，目的是方便不同組織結(jié)構(gòu)的閱片。其中，低分辨重建算法可提高各個噪聲點之間的相關(guān)性，降低噪聲頻段，噪聲結(jié)構(gòu)趨于平滑，如標準序列；而高分辨重建算法可提高各噪聲點之間的差異，提高噪聲頻段，噪聲結(jié)構(gòu)趨于銳利，如骨窗序列。因而低分辨重建算法往往降低噪聲，提高密度分辨力，降低空間分辨力；高分辨重建算法提高噪聲，降低密度分辨力，提高空間分辨力。根據(jù)檢查目的合理地運用重建算法可以有效提升二維圖像質(zhì)量，提高疾病檢出率。但目前缺乏不同序列對骨組織三維建模效果影響的相關(guān)研究。本研究結(jié)果表明，骨組織的 3D 打印建模階段應(yīng)選擇標準窗的CT 掃描序列圖像作為輸入圖像，如選擇骨窗序列圖像作為建模的輸入圖像則會導(dǎo)致最終打印模型的質(zhì)量和精度下降(圖 4、圖 5)。本研究可為從事醫(yī)療領(lǐng)域骨組織 3D 打印相關(guān)業(yè)務(wù)在建模階段選擇序列的 CT 圖像提供科學依據(jù)，避免在骨組織的 3D 打印建模階段陷入選擇骨窗序列的誤區(qū)。

圖4 重建效果(前視圖)Fig. 4 3D reconstruction view (Anterior)

圖5 重建效果(頂視圖)Fig. 5 3D reconstruction view (Top)