基于3D打印的醫(yī)學三維重構軟件系統(tǒng)的精度研究*

劉子凡，許苑晶，柳毅浩，劉非，張敏，王文豪，鄧遷，顧越興，戴尅戎，王金武，△

(1.西南交通大學醫(yī)學院，成都 610031；2.上海交通大學生物醫(yī)學工程學院，上海 200030；3.上海市骨科內(nèi)植物重點實驗室，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院骨科，上海 200011；4.上海昕健醫(yī)療技術有限公司，上海 201800)

1 引 言

醫(yī)學影像可為臨床醫(yī)生診斷病情提供診療依據(jù)，傳統(tǒng)的醫(yī)學影像技術包括X線、CT、MRI等,輸出的為二維圖像，不便于立體觀察[1]。醫(yī)學圖像三維重構技術通過組合醫(yī)學影像設備輸出的切片數(shù)據(jù)，重構出三維圖像模型，被廣泛應用于醫(yī)學教學、診斷、手術、仿真模擬等領域[2-3]，為醫(yī)生提供更逼真的顯示手段和定量分析工具[4]。三維重構技術主要分為體繪制和面繪制[5]，體繪制以體素為單元，重構時遍歷數(shù)據(jù)集、計算量大、耗時長，面繪制通過幾何單元拼接，重構速度快、計算時間短[6]。

重構精度是評價醫(yī)學圖像處理軟件的核心指標，受閾值選擇影響產(chǎn)生的“啞鈴效應(Dumb-bell Effect)”是造成重構誤差的主要原因[7]。體模作為CT和MRI設備成像質量的標準檢測工具，廣泛用于醫(yī)學影像設備的質量研究[8-9]，其中Catphan 500型體模被國內(nèi)的計量、質控部門廣泛使用[10]，其材料為有機玻璃，具有機械強度較高、耐高溫、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點。因具備較高的準確性和穩(wěn)定性而成為評價圖像設備成像質量的標準驗證設備[11-12]，同時也應用于CT成像算法、參數(shù)選擇的研究[13]。本研究通過比較體模實體的尺寸和使用Arigin3D Pro系統(tǒng)重構的模型的測量尺寸，定量分析Arigin3D Pro(昕健醫(yī)療，中國)的重構精度和穩(wěn)定性。

2 材料與方法

2.1 體模的準備

2.1.1體模加工與制作 重構軟件適用于CT和MRI兩種醫(yī)療設備生成的醫(yī)學影像，分別制作兩種成像設施的測試體模。由于CT和MRI的成像特性不同，CT體模分別設計了方形、圓柱形和塔形三種形狀，見圖1；MRI體模形狀設計為球形。體模的材料為有機玻璃，采用銑削和車削的工藝進行加工，加工精度為±0.05 mm。

2.1.2掃描體模 CT和MRI如掃描參數(shù)不同，圖像質量差別很大，為更好地對重構結果進行分析，掃描數(shù)據(jù)設置了統(tǒng)一的協(xié)議技術參數(shù)。

(1) CT數(shù)據(jù)掃描

在CT掃描過程中，為了驗證軟件處理數(shù)據(jù)的通用性，選取了Siemens SOMATOM Definition Flash(西門子，德國)、PhilipsBrilliance 64排螺旋CT(飛利浦，荷蘭)和聯(lián)影uCT 530(聯(lián)影，中國)三種品牌的CT，每臺機型的具體掃描參數(shù)，見表1。分別對方形、圓柱形和塔形3種體模進行掃描，共得到9組掃描數(shù)據(jù)，以DICOM格式保存。

圖1 不同形狀的體模實物圖

表1 3種品牌的CT掃描協(xié)議技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of three brands CT scanning protocols

(2)MRI數(shù)據(jù)掃描

選取聯(lián)影uMR 780核磁設備(聯(lián)影，中國)對球形體模進行掃描，其掃描參數(shù)見表2，得到1組數(shù)據(jù)，以DICOM格式保存。

表2 聯(lián)影MRI掃描協(xié)議技術參數(shù)

2.1.3重構三維模型 將掃描的DICOM數(shù)據(jù)導入重構軟件，并對數(shù)據(jù)進行閾值分割、區(qū)域增長等預處理，進行分割重構，見圖2。重構結束后，以.stl格式導出保存。

圖2 Arigin 3D Pro軟件重構不同形狀體模數(shù)據(jù)界面圖

2.1.4模型測量 使用游標卡尺測量不同形狀體模實物，使用Geomagic Wrap(3D system, 美國)自帶的尺寸測量功能測量重構模型的固定參數(shù)，每個參數(shù)測量3次，記錄并計算平均值。

2.2 模型測量

本研究使用Arigin 3D Pro對不同體模進行重構。通過抽簽隨機選取重構經(jīng)驗為初級(重構經(jīng)驗≤1年)、一般(重構經(jīng)驗為2～3年)和豐富(重構經(jīng)驗≥4年)的操作者各1名，對9組CT和1組MRI掃描數(shù)據(jù)分別進行重構，每組數(shù)據(jù)均重構3次，且每次重構均使用Geomagic Wrap測量參數(shù)3次。操作者1、2、3的重構經(jīng)驗分別為無、3年和5年。實體測量與重構模型測量均由同一個人操作。

2.3 測量指標

(1)方形體模：長(mm)、寬(mm)、高(mm)；

(2)圓柱形體模：直徑(mm)、高度(mm)；

(3)塔形體模：塔基直徑(mm)、塔基高度(mm)、第一層直徑(mm)、第一層高度(mm)、第二層直徑(mm)、第二層高度(mm)；

(4)球形體模：內(nèi)直徑(mm)。

2.4 統(tǒng)計學處理

應用IBM SPSS 20.0統(tǒng)計學軟件和GraphPad Prism 8 數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析并繪圖。使用Kolmogorov-Smirnov檢驗判斷計量資料是否為正態(tài)分布。其中多組之間的比較判斷是否同時滿足方差齊性，若滿足，則使用單因素方差分析進行比較；若不符合正態(tài)分布或不滿足方差齊性，則采用Kruskal-Walls檢驗進行多組之間的比較。P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

3 結果

3.1 軟件重構模型的精度

本研究通過分析實體模型與軟件重構模型各參數(shù)之間的誤差，評價軟件重構的精度。

表3 實體模型與重構模型各測量參數(shù)的誤差分析

由表3可知，軟件重構模型與實體模型均有一定的誤差， CT重構相對誤差的絕對值范圍占實體模型的0.09%～1.28%，MRI重構相對誤差為0.09%。

3.2 軟件處理CT掃描數(shù)據(jù)的通用性

本研究使用了飛利浦、聯(lián)影、西門子3種品牌的CT設備進行數(shù)據(jù)掃描，分析軟件重構不同品牌掃描的數(shù)據(jù)是否具有差異性。為避免由人為因素引起的誤差，本研究以塔形重構模型為例，選擇任意1名操作者的數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖3。

圖3 軟件重構不同CT品牌掃描體模數(shù)據(jù)的差異性

由圖3可知，不同品牌CT重構的模型參數(shù)范圍中，最小為第二層高度參數(shù)誤差0.11 mm，最大為塔基直徑參數(shù)誤差1.21 mm。對不同CT品牌重構的塔基直徑參數(shù)進行組內(nèi)相關系數(shù)計算，ICC=0.930>0.75，有較高的一致性，因此，該軟件處理CT掃描數(shù)據(jù)時不受設備品牌的限制，具有通用性。

3.3 操作者多次重構三維模型的組內(nèi)差異

本研究中3名操作者均對同一形狀的體模分別重構3次，且每次重構均測量3次，通過分析同一體模各重構模型間參數(shù)的差異，評價軟件重構模型的穩(wěn)定性。為避免因不同CT品牌掃描數(shù)據(jù)引起的誤差，本研究以方形重構模型為例，并選擇任意一名操作者的數(shù)據(jù)進行分析，結果見圖4。

由圖4可知，方形體模的長、寬、高三次重構之間均有一定的誤差，最大值為方形模型的長度參數(shù)誤差0.82 mm，最小值為寬度參數(shù)誤差0.56 mm，組內(nèi)差異占實體模型的0.56%～0.82%。

3.4 不同操作者重構模型的組間差異

本研究選擇3名不同專業(yè)背景且對軟件的使用時間和熟練程度各異的操作者，通過分析不同操作者重構結果的差異來驗證該軟件的普適性。

首先分析操作者1、操作者2、操作者3各自重構出的模型與實體模型之間的相對誤差，見表4。

圖4 方形體模各重構次數(shù)間參數(shù)的比較

表4 3名操作者的偏差分析結果

由表4可知，3種形狀的重構模型與實體模型之間存在一定的誤差，操作者1的偏差范圍為0.34%～1.05%，操作者2的偏差范圍為0.07%～1.15%，操作者3的偏差范圍為0.18%～1.37%。進一步分析3名操作者之間在重構模型時是否具有差異，見表5。

表5 操作者1、操作者2、操作者3之間的組間比較

由表5可知，無論重構哪種形狀的體模，3組之間均有參數(shù)具有統(tǒng)計學差異，為分析具體哪兩組之間不同，需進一步做兩兩比較分析。本研究每個形狀的參數(shù)若符合正態(tài)分布，則采用單因素方差分析中的LSD法進行多重比較分析；若參數(shù)若不符合正態(tài)分布，則采用Kruskal-Wallis檢驗中的兩兩比較法(Pairwise Comparisons)進行分析。計算發(fā)現(xiàn)，方形體模的高、圓柱形體模的高和塔形體模的塔基直徑不滿足正態(tài)分布，限于篇幅，選擇這三個參數(shù)進行分析，結果見圖5。兩組之間的具體比較值，見表6。

由圖5和表6可知，在方形、圓柱形和塔形體模的數(shù)據(jù)中，對操作者1與操作者3進行比較時，差異均有統(tǒng)計學意義，而對操作者2與操作者3的數(shù)據(jù)進行兩兩比較時，差異均無統(tǒng)計學意義；當比較操作者1與操作者2時，差異在方形和圓柱形體模中有統(tǒng)計學意義。

表6 操作者1、操作者2和操作者3之間的兩兩比較

圖5 操作者1、操作者2和操作者3在不同形狀體模之間的兩兩比較

4 討論

本研究使用醫(yī)學重構軟件Arigin 3D Pro進行研究，根據(jù)體模的材質使用固定閾值-155～1 000，避免了閾值變動引起的誤差，有利于結果比較。為了減少測量點的選取誤差，參考CT設備質量體模標準檢測方法，采用Catphan體模參數(shù)測量，并將其作為標準實體模型用于對比。

通過Arigin 3D Pro重構出四種形狀的三維模型，與相對應的實體模型進行測量參數(shù)的對比，排除客觀的機器掃描誤差后，重構模型與實體模型存在一定的偏差，偏差不到實體模型的2%，相對模型的整體尺寸而言，該誤差可忽略，表明Arigin 3D Pro可重構出比較精準的三維模型。以往研究也表明，Arigin 3D Pro與醫(yī)療行業(yè)同類軟件相比，重構精度相當[14]。此外，本研究重構了不同品牌的CT掃描數(shù)據(jù)，ICC顯示有較高的一致性，因此，該軟件適用于不同品牌掃描的數(shù)據(jù)，具有通用性。

本研究在驗證過程中任意選取一名操作者，研究發(fā)現(xiàn)不同重構次數(shù)的結果存在差異，但對于整體模型而言，組內(nèi)差異極小，實際操作中可以忽略。此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同操作者之間重構的模型具有統(tǒng)計學差異，導致差異的因素可能與操作者的重構資歷有關，操作者的重構經(jīng)驗越豐富，重構出的模型越一致。

綜上，本研究從定量評價角度出發(fā)對Arigin 3D Pro醫(yī)學重構軟件的精度和穩(wěn)定性進行評價，反映了Arigin 3D Pro軟件可重構出精準模型的特點，為后續(xù)在臨床中的應用奠定了基礎。