DICOM數(shù)據(jù)用于3D打印的方法研究及實(shí)現(xiàn)

王磊，嚴(yán)楓

寧波市婦女兒童醫(yī)院 設(shè)備科，浙江寧波 315012

DICOM數(shù)據(jù)用于3D打印的方法研究及實(shí)現(xiàn)

王磊，嚴(yán)楓

寧波市婦女兒童醫(yī)院 設(shè)備科，浙江寧波 315012

本文主要介紹了DICOM格式的CT影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，綜述了3D打印技術(shù)中的數(shù)據(jù)采集、MIMICS軟件的三維數(shù)據(jù)處理及3D重建過程的研究進(jìn)展，以期推動(dòng)數(shù)字化醫(yī)學(xué)向精細(xì)化、個(gè)性化方向發(fā)展。

DICOM；3D打印；CT影像數(shù)據(jù)；3D重建；MIMICS

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。近些年，三維打印產(chǎn)業(yè)發(fā)生了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，特別是在醫(yī)療器械、植入材料等方面都取得了很大的成就[2]。醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通信（Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）是醫(yī)學(xué)圖像和相關(guān)信息的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)格式（ISO12052），也是目前在醫(yī)院內(nèi)流通圖像的標(biāo)準(zhǔn)格式。利用醫(yī)院內(nèi)DICOM數(shù)據(jù)進(jìn)行3D打印是一種實(shí)際和快速的解決方法，不僅能夠提供出實(shí)際器官模型，還能通過后期三維輔助設(shè)計(jì)，打印出定制化手術(shù)導(dǎo)板、植入物或假體等各種模型。本文通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了DICOM數(shù)據(jù)的3D打印，并探討了如何在高效、高精度的要求下，使該技術(shù)投入實(shí)用。為了完成這個(gè)過程，必須按數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、3D打印這個(gè)順序進(jìn)行。其數(shù)據(jù)流程框圖，見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)流程框圖

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 DICOM標(biāo)準(zhǔn)

DICOM是各種設(shè)備間傳送醫(yī)學(xué)圖像及其信息的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)范了各種醫(yī)學(xué)圖像的格式并且同時(shí)支持TCP/IP協(xié)議[3]。DICOM文件是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉碓O(shè)計(jì)和編碼的，每個(gè)文件有一個(gè)信息對(duì)象與之相關(guān)聯(lián)，信息對(duì)象的屬性由數(shù)據(jù)元素來表示，用UID標(biāo)識(shí)符來唯一標(biāo)識(shí)，文件除包括圖像數(shù)據(jù)外，還包括受檢者信息、成像的技術(shù)參數(shù)、醫(yī)生的診斷信息等，均用標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼編譯。

1.2 CT影像作為數(shù)據(jù)源

多層螺旋CT圖像具有空間分辨率高、各向同性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為3D打印數(shù)據(jù)源。而且它的數(shù)據(jù)正是以DICOM格式存儲(chǔ)的。它涵蓋了投影數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校正和三維圖像重建等過程，最終得到被掃描物的圖像。而3D打印的標(biāo)準(zhǔn)輸入是以三角網(wǎng)格表示的物體STL模型。從三維重建圖像到最終的待打印STL模型，其中涉及的數(shù)據(jù)處理和格式轉(zhuǎn)換過程正是兩種技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵[4]。

1.3 掃描條件和參數(shù)設(shè)置

為了得到相對(duì)精確的數(shù)據(jù)，需要盡可能降低掃描層厚。由于3D打印機(jī)的精度一般可以達(dá)到層厚0.2mm，實(shí)際打印效果在層厚低于1mm為佳，需要16排及以上的CT才能達(dá)到。本實(shí)驗(yàn)在Philips Brilliance 16排螺旋CT上，選取螺旋容積掃描模式（Orbit ST Volume），管電壓120 kV，管電流30mA，層厚0.8mm，掃描得到了一組頭頂?shù)斤B底的圖像。

1.4 數(shù)據(jù)采集

通過圖像工作站可以將數(shù)據(jù)刻錄到光盤，為DICOM標(biāo)準(zhǔn)的512×512像素的原始圖像數(shù)據(jù)。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是1個(gè)數(shù)據(jù)集，包含的文件結(jié)構(gòu)是由索引文件定義的，軟件是通過索引文件打開所有的DICOM數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)處理及流程

數(shù)據(jù)處理過程的方法和精細(xì)程度是決定最后三維模型是否完善的重要因素，也直接決定了最終打印結(jié)果的質(zhì)量。三維圖像處理的基本目的是從背景中分割出需要打印的目標(biāo)區(qū)域，常用的操作包括圖像灰度選取、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理以及閾值分割、區(qū)域增長(zhǎng)和形態(tài)學(xué)處理等分割操作。最終形成三維模型文件以STL、obj格式存儲(chǔ)，被3D打印機(jī)所識(shí)別。用于DICOM圖像處理的軟件有VGStudio MAX、MIMICS等。

2.2 MIMICS及3D重建過程

MIMICS是Materialise公司開發(fā)的高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，通過它能輸入各種DICOM數(shù)據(jù)（CT、MRI），建立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的CAD、FEA等格式，可以在普通電腦上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理[5]。MIMICS各模塊示意圖，見圖2。

圖2 MIMICS各模塊示意圖

數(shù)據(jù)通過MIMICS打開后，根據(jù)需求，首先需要做的是把灰度選取到一個(gè)合適的值，有助于選擇不同的部分，比如骨頭和腫瘤。其次，作二值化（Thresholding）保留分割對(duì)象的圖片中灰度值在閾值范圍內(nèi)的像素，分割掩膜將保留這些像素。比較小的閾值選擇病人的軟組織比較容易，閾值比較大則只會(huì)保留比較稠密的部分。然后，使用區(qū)域增長(zhǎng)工具，將二值化得到的分割分成幾塊，同時(shí)去除漂浮像素。之后，選取分割出來的目的掩膜，進(jìn)行三維建模，即可取得目標(biāo)器官（骨骼、血管、神經(jīng)等）的三維模型。最后，導(dǎo)出為STL文件，導(dǎo)入3D打印機(jī)進(jìn)行打印。MIMICS三維數(shù)據(jù)處理及其結(jié)果示意圖，見圖3。

圖3 MIMICS三維數(shù)據(jù)處理及其結(jié)果示意圖

2.3 三維模型及其后處理

任何對(duì)于現(xiàn)有STL模型的修改都可以歸為三維模型處理的范疇，例如尺度變化、表面平滑或者模型切割、拼接等[6]。STL模型文件是由很多小的三角面片組成，經(jīng)放大可見其表面是不光潔的。重建后的三維圖像在需要更高精度的情況下，可以由MIMICS的菜單中指定重建時(shí)的三角面片尺寸和角度作精度要求，也可在重建后選擇平滑操作，平滑處理能夠有效地提高模型的光滑度。在設(shè)計(jì)植入物、手術(shù)導(dǎo)板等情形下，設(shè)計(jì)人員需要用3-Matic、SolidWorks等軟件對(duì)模型進(jìn)行后處理和優(yōu)化，以適應(yīng)更高精度的要求。應(yīng)用MIMICS本身的FEA模塊進(jìn)行網(wǎng)格化重建，使之適應(yīng)有限元分析的要求，能在Ansys、ABAQUS中進(jìn)行靜力學(xué)分析，也是目前的應(yīng)用熱點(diǎn)[7-8]。

CT掃描會(huì)產(chǎn)生偽影，是由設(shè)備或病人造成的，在信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)重建階段都有可能產(chǎn)生偽影[9]。這使得在重建圖像階段，MIMICS軟件與EBW同時(shí)以相同圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行三維重建，重建結(jié)果表明，采用輪廓內(nèi)插法[10]（Contour Interpolation）的MIMICS軟件對(duì)梯狀偽影的優(yōu)化處理能力較強(qiáng)。如圖4所示，EBW工作站處理的圖像有明顯的圓形紋路，而MIMICS處理的圖像在保留原有圖片細(xì)節(jié)的前提下不會(huì)產(chǎn)生圖形紋路。

圖4 三維重建細(xì)節(jié)比較

3 結(jié)果及討論

該技術(shù)所得到的三維實(shí)體重建模型可從任意角度及平面剖割，得到臨床操作者所需要的多平面重建模型，并且以實(shí)物的形式展現(xiàn)在操作者面前。這不僅可用于脛骨平臺(tái)內(nèi)、外側(cè)髁間脊骨折的觀察，而且利用該技術(shù)可以獲得顱底部任意角度的多平面重建圖像，尤其是對(duì)中、后顱窩通向顱外各骨性管道的良好顯示，對(duì)病灶的定位和空間關(guān)系的判斷有重要意義，進(jìn)而可指導(dǎo)外科手術(shù)的開展[11]。更多具有生物適應(yīng)性的材料，例如金屬、陶瓷和聚合物等被廣泛應(yīng)用于骨重建中，鈦合金等金屬能夠用于受力承重部位的治療，例如髖關(guān)節(jié)功能重建等[12]。還有實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了胎兒模型的制作，如能推廣，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益都十分可觀

本文通過實(shí)驗(yàn)，探索了DICOM數(shù)據(jù)快速處理及用于3D打印的方法。除CT 影像數(shù)據(jù)外，諸如超聲成像（Ultrasound，US）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）以及正電子發(fā)射斷層顯像（Positron Emission Tomography，PET）等其他成像技術(shù)產(chǎn)生的DICOM數(shù)據(jù)，同樣可以應(yīng)用于快速3D打印。DICOM數(shù)據(jù)快速處理打印技術(shù)建立了一座橋梁，將醫(yī)學(xué)和工程學(xué)結(jié)合得更加緊密，從而推動(dòng)醫(yī)學(xué)向精細(xì)化、個(gè)性化發(fā)展。

[1]Zheng Y,Wu J,Feng X,et al.In silico analysis and experimental validation of lignan extracts from kadsura longipedunculata for potential 5-HT1AR agonists.[J].PLoS One,2015,10（6）：e0130055.

[2]王成燾,李祥,袁建兵.三維打印技木與制造業(yè)的革命[J].科學(xué),2013,（3）：21-25,63,4.

[3]王利華.醫(yī)學(xué)影像DICOM的顯示和處理[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué),2013.

[4]宋熙煜,閆鑌,周利莉,等.3D打印技術(shù)在CT領(lǐng)域的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研究,2015,28（1）：57-68.

[5]Materialise Inc.Mimics 12.0基礎(chǔ)培訓(xùn)教程[M].Materialise, 2013：5-6.

[6]張美超,劉陽(yáng),劉則玉,等.利用Mimics 和Freeform 建立中國(guó)數(shù)字人上頜第一磨牙三維有限元模型[J].醫(yī)用生物力學(xué), 2006,21（3）：208-211.

[7]付淼,李莉,何葉松.Mimics與醫(yī)學(xué)圖像三維重建[J].中國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志,2010,20（19）：3030-3035.

[8]傅棟,靳安民.應(yīng)用CT斷層圖像快速構(gòu)建人體骨骼有限元幾何模型的方法[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2007,11（9）：1620-1623.

[9]孫媛,張弛.三維醫(yī)學(xué)影像后處理云平臺(tái)的臨床應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2014,29（12）：75-76.

[10]Lin WC,Liang CC,Chen CT.Dynamic elastic interpolation for 3D medical image reconstruction from cross-sections[J].IEEE TransMed Imaging,1988,7（3）：225-232.

[11]謝宏剛,徐亮,王漢,等.對(duì)Mimics V10.0軟件三種三維重建方法的研究[J].西部醫(yī)學(xué),2008,20（5）：1089-1091.

[12]Rengier F,Mehndiratta A,von Tengg-Kobligk H,et al.3D printing based on imaging data：Review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg,2010,5（4）：335-341.

Study and Implementation of Three Dimensional Printing of DICOM Data

WANG Lei, YAN Feng
Department of Equipment, Ningbo Women and Children’ Hospital, Ningbo Zhejiang 315012, China

This paper mainly introduced the features of CT imaging data in DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）format.Pushing the digital medical imaging in refined and personalized directions, the paper reviewed the research progress of data collection of 3D（Three Dimensional）printing, the 3D data-processing of MIMICS and 3D reconstruction.

digital imaging and communications in medicine；three dimensional printing；computerized tomography imaging data；three dimensional reconstruction；MIMICS

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.025

1674-1633（2015）07-0079-03

2015-05-07

2015-05-28

作者郵箱：87083380@163.com