基于CT圖像頸椎三維實體模型重建及3D打印

趙改平，蔣庚辛，楊珣，西熱阿依·帕熱提，王恩彬

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海市，200433

0 引言

頸椎是頭部和胸椎的連接部位，是脊柱椎骨中靈活性最大、活動頻率最高的節(jié)段。上頸椎部位解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毗鄰重要的神經(jīng)血管，手術(shù)暴露困難，技術(shù)要求較高，是外科治療的困難之一。由于脊柱椎骨體積小，負(fù)重大，常導(dǎo)致發(fā)生病變。頸椎共由七塊頸椎骨組成，除第一頸椎和第二頸椎外，其他頸椎之間都夾有一個椎間盤，如圖1所示。

圖1 C1～C7段頸椎解剖結(jié)構(gòu)Fig.1 Anatomical structure of C1～C7 segments of cervical vertebrae

據(jù)統(tǒng)計，惡性腫瘤患者發(fā)生脊柱轉(zhuǎn)移的幾率為30%～40%，會影響脊柱強(qiáng)度、引起脊柱不穩(wěn)，伴隨病情發(fā)展會壓迫神經(jīng)根或脊髓，具有較高致殘率和死亡率[1]。依據(jù)脊柱外科治療理念與技術(shù)發(fā)展，全脊椎切除術(shù)成為目前臨床公認(rèn)脊柱腫瘤有效治療方法之一。但全脊椎切除術(shù)在完成病椎切除、脊髓減壓的同時，會導(dǎo)致頸椎徹底橫斷，必須通過植入內(nèi)固定器械來保證重建節(jié)段穩(wěn)定性并提供足夠力學(xué)強(qiáng)度[2]。在近幾年的探索中，伴隨3D打印技術(shù)高速發(fā)展，可代替骨骼的醫(yī)用金屬、陶瓷質(zhì)地生物組織材料已成功問世，使得全脊椎切除術(shù)已損壞脊段（病變）可使用生物仿真型假體裝置代替。因此，在有效手術(shù)治療方案中，進(jìn)行骨骼生物力學(xué)分析仿生學(xué)研究及運用3D打印設(shè)計重建兼顧活動性與穩(wěn)定性可植入假體成為了研究熱點之一。本項目用基于人體CT圖片數(shù)據(jù)，運用圖像處理軟件，重建頸椎三維實體模型，進(jìn)行有限元的理論分析，并通過與權(quán)威文獻(xiàn)相比，以驗證模型的可靠性。

1 材料與方法

1.1 臨床資料的獲取

選取一名既往無頸椎病史的成年男性志愿者，X線檢查排除骨性異常與脊柱病變異常情況，使用64排螺旋CT機(jī)在自然狀態(tài)下掃描，掃描范圍為全頸椎，每個掃描層的層距為1.0 mm，像素矩陣密度為512×512，得到375張CT圖片，將連續(xù)的人體頸椎斷層數(shù)據(jù)以DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，即醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信）格式自動或手動導(dǎo)入到MIMICS（Materialise’s Interactive Medical Image Control System，即醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)）醫(yī)學(xué)圖像處理軟件中得到體數(shù)據(jù)，并對所得到的體數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理。

1.2 基本操作步驟

第一步，將基于CT設(shè)備所獲取的連續(xù)人體頸椎斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS醫(yī)學(xué)圖像處理軟件里，得到體數(shù)據(jù)集（由于掃描極快，可以不去考慮斷層圖像之間對齊的問題）。

第二步，根據(jù)研究目的，從斷層圖像數(shù)據(jù)中單獨選出頸椎C4～C7段。調(diào)整窗寬窗位，得到骨輪廓較清晰的圖像。設(shè)定分割閾值，用區(qū)域增長工具條、編輯蒙板等分離各頸椎段，得到邊緣清晰的頸椎分割圖像。

第三步，進(jìn)行3D初步模型建立。運用REMESH功能得到光滑的初步模型。

第四步，打開GEOMAGIC Studio軟件，導(dǎo)入MIMICS醫(yī)學(xué)圖像。用網(wǎng)格醫(yī)生填補(bǔ)漏洞，運用搭橋、填充等操作得到對應(yīng)的包含椎間盤的最終的數(shù)字模型。

第五步，3D打印?；谧罱K得到的數(shù)字模型，利用增材技術(shù)進(jìn)行光敏樹脂材料模擬裝置實體構(gòu)建。

2 研究結(jié)果

2.1 頸椎C4～C7三維模型

首先，我們進(jìn)行了頸椎C4～C7在MIMICS中的三維重建。將基于CT設(shè)備所獲取的連續(xù)人體頸椎斷層數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS醫(yī)模，用編輯功能去除無關(guān)邊緣數(shù)據(jù)，接著對閾值進(jìn)行修改，經(jīng)過區(qū)域增長進(jìn)一步完善選區(qū)，并用calculate 3D功能構(gòu)建出頸椎的三維初步模型。接著，我們用MIMICS建立好初步的頸椎模型后運用REMESH功能處理，得到稍微平滑的模型，跟之前相比，處理過后的模型周邊多余的三角片數(shù)量會降低很多，而且不規(guī)則的三角片會變成趨于等邊的三角片。對應(yīng)的三維模型，如圖2所示。

圖2 C4～C7段頸椎三維模型Fig.2 3D model of C4～C7 segments of cervical vertebrae

從圖2中仍能看到很多粗糙不平的地方，所以我們接下來就要運用GEOMAGIC Studio軟件來進(jìn)一步修整。打開GEOMAGIC Studio軟件，導(dǎo)入MIMICS醫(yī)學(xué)圖像。模型的表面和周邊可能會出現(xiàn)尖狀物，我們要刪除那些沒有相連的尖狀三角片。點擊應(yīng)用就能讓網(wǎng)格醫(yī)生進(jìn)行自動修復(fù)，網(wǎng)格醫(yī)生的修復(fù)雖然可以根據(jù)模型存在的三角片問題進(jìn)行不同功能的修復(fù)，但并不能達(dá)到完全的效果，還是要進(jìn)行后續(xù)深入的修整。接著，運用FILL、MESH等功能，進(jìn)行填補(bǔ)孔洞等操作得到修整過后的的數(shù)字模型，如圖3和圖4所示。

圖3 C5段頸椎模型三維圖Fig.3 Three views of C5 segment of cervical vertebrae

圖4 C7段頸椎模型三維圖Fig.4 Three views of C7 segment of cervical vertebrae

2.2 C4～C7頸椎段椎間盤的三維模型

頸椎椎間盤位于人體頸椎兩椎體之間，主要是由盤髓核、纖維環(huán)、軟骨板等組成，是頸椎活動時變性最大的軟組織之一。尤其是髓核，發(fā)生不同程度的退行性病變后，在外界因素的作用下，導(dǎo)致椎間盤纖維環(huán)破裂。首先，在GEOMAGIC Studio中打開兩個模型，選“菜單鍵”然后點擊“導(dǎo)入”，選擇模型，并用反向選擇來刪除不要的部分。接著，選擇“多邊形”下“修改”命令中的“松弛邊界”命令分別對兩個表面進(jìn)行松弛處理。選擇“整個邊界”，對模型邊緣進(jìn)行光滑處理，再進(jìn)行“合并”操作。最后，用到填充孔的“搭橋”命令，選中上下兩個平面點擊搭橋，平面之間就會有一根柱子將它們聯(lián)系在一起，再點擊“全部填補(bǔ)"就能使椎間盤完全封閉得到我們要的結(jié)果。頸椎C4～C7椎間盤的三維模型，如圖5和圖6所示。

圖5 C5～C6頸椎段椎間盤三視圖Fig.5 Three views of C5～C6 cervical intervertebral disc

圖6 C4～C7頸椎段椎間盤三視Fig.6 Three views of C4～C7 cervical intervertebral discs

2.3 C4～C7段頸椎最終三維模型

選擇自動造面工具命令重塑模型，稍等片刻我們就能得到重新造面后藍(lán)色的頸椎間盤。并把之前所做的C4～C7段頸椎及對應(yīng)的其椎間盤合并在一起得到最終數(shù)字三維模型。如圖7和圖8所示。

圖7 C4～C7段頸椎模型正視圖Fig.7 Front view of C4～C7 segments of cervical vertebrae

圖8 C4～C7段頸椎模型側(cè)視圖Fig.8 Side view of C4～C7 segments of cervical vertebrae

3D打印技術(shù)（增材技術(shù)）是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，用粉末狀塑料或金屬等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。本文使用光敏樹脂材料模擬裝置實體構(gòu)建，將液態(tài)光敏樹脂在一定波長的紫外光（250～400 nm）照射下發(fā)生聚合反應(yīng)，完成固化。由于光敏樹脂材料易受重力影響，在基礎(chǔ)試驗階段，樹脂材料的完美成型即可證明該裝置在進(jìn)行金屬3D打印時也可成功構(gòu)建，以便進(jìn)行實體校驗及手術(shù)方案模擬。3D打印實體模型如圖9、圖10和圖11所示。

圖9 正視圖Fig.9 Front view

圖10 側(cè)視圖Fig.10 Side view

圖11 俯視圖Fig.11 Frontal view

2.4 項目創(chuàng)新點

本項目基于C4～C7頸椎段的CT圖像信息，采用計算機(jī)輔助手段進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理及分析，獲得三維實體模型。該方法實驗時間短，費用少，對身體無任何破壞，力學(xué)性能全面，可重復(fù)性高。該項目具有很強(qiáng)的實踐意義，可使以往的頸椎三維模型研究更加全面，也為臨床上的外科手術(shù)治療方案的研究提供可參考的模型，有助于提高患者的康復(fù)率。本項目能夠鍛煉項目參與者的實際操作能力，加深加強(qiáng)其對本專業(yè)的認(rèn)識，熟悉科研流程，學(xué)習(xí)使用相關(guān)的科學(xué)應(yīng)用軟件。最后，基于成功建模與材料選擇正確的基礎(chǔ)上，3D打印使得增材結(jié)構(gòu)重建成為可能，沒有材料浪費，沒有結(jié)構(gòu)的限制，可以直接將虛擬模型轉(zhuǎn)化為實體，可廣泛應(yīng)用于臨床、研究、創(chuàng)新工程等領(lǐng)域。