基于顱腦CT與MRI多模圖像融合的3D打印模型制作及應用研究

劉宇清 何炳蔚 莊江惠 呂 翱 黃繩躍△ 陳 壽 洪文瑤 廖正檢

1)福建省立醫院神經外科 福建醫科大學省立臨床醫學院，福建 福州 350001 2)福州大學機械工程及自動化學院，福建 福州 350116

顱腦解剖結構復雜，尤其在病變及變異時可發生很大變化[1]。目前顱腦手術主要依據CT、MRI等二維斷層影像，術者憑想象構建出整體三維圖像，術中常出現對復雜解剖分辨不清，導致重要結構損傷[2]。為了能詳細直觀了解病變及其周圍解剖結構，制定個性化的術前方案及術中參考，提高手術安全性及成功率，本研究利用計算機技術，通過CT與MRI圖像的多模融合及3D打印，制作等比例、高精度、多色彩的顱腦三維虛擬模型及其實體解剖模型，應用于神經外科臨床工作。現以福建省立醫院神經外科2017-01收治的1例小腦幕腦膜瘤為例，介紹多模圖像融合的顱腦實體模型制作方法及其臨床應用價值。

1 研究對象

患者 男，37歲，主要癥狀為頭暈、頭痛，神經科體檢無陽性體征，顱腦CT平掃檢查發現右側小腦幕占位性病變，入院后進一步行顱腦CTA及MRI檢查確診為右側小腦幕腦膜瘤，擬行腫瘤切除手術。

2 研究方法

2.1實體模型制作

2.1.1 影像學檢查：①CT檢查：患者行顱腦CTA檢查(儀器為Siemens公司Somatom Definition雙源螺旋CT)，層厚0.6 mm，掃描范圍自主動脈弓到顱頂，造影劑為碘普羅胺注射液(370 mgI/mL)，總量50 mL，流速5 mL/s，掃描原始數據經由Picture archiving and communication system(PACS)系統以DICOM格式輸出。見圖1。②MRI檢查：患者行顱腦MRI增強掃描(儀器為Siemens公司verio 3.0T磁共振成像系統)，取仰臥位，眶耳平面與水平面垂直，掃描范圍自顱頂至下頜下緣，層厚1.0 mm，造影劑為釓噴酸葡胺，總量14 mL，流速3 mL/s，掃描得到的斷層圖像數據以DICOM格式輸出。見圖2。

2.1.2 計算機軟件處理：顱腦CT及MRI圖像各具特點，MRI增強掃描在顯示腫瘤、腦室系統、腦組織等方面有優勢，而CTA掃描則能較好地反映顱骨、血管等結構。利用CTA、MRI二維原始影像，分別針對頭皮、顱骨、血管及腦膜瘤、腦組織、腦室系統等結構的灰度特點進行圖像分割、重建，獲得各自的三維虛擬模型，最后以CTA、MRI圖像中重建得到的頭皮模型為基準進行配準融合，完成顱腦重要解剖結構的3D虛擬模型構建。具體流程見圖3。

圖1 CTA掃描圖像 圖2 MRI掃描圖像Figure 1 CTA scanning image Figure 2 MRI scanning image

2.1.2.1 CT圖像處理：CT圖像用于提取顱骨、血管及頭皮模型。將CT數據以DICOM格式導入三維重建軟件MIMICS(比利時，Materialise公司)。利用閾值設定工具(Thresholding)提取輪廓。輪廓提取基本原則：在保證重建組織被選取的情況下，盡量不使重建組織以外的結構出現輪廓陰影。本文CTA數據中各部分閾值界定：顱骨125～3 071 Hu，血管78～279 Hu，頭皮-718～-177 Hu，據此分割出不同而完整有效的組織結構，形成蒙板(mash)。然后對蒙板進行后處理，去除冗余數據、選擇性編輯及補洞處理，在不同平面圖像上檢查分割體，調整圖像質量至滿意。最后，利用軟件的三維計算工具Calculate 3D將二維圖像直接轉化成三維模型。見圖4。

2.1.2.2 MRI圖像處理：MRI圖像用于提取腦組織、腦室系統、腦膜瘤及頭皮模型，具體重建過程與CT圖像處理方法大致相同，腦組織界定閾值137～1 434 Hu，腦室系統38～137 Hu，腦膜瘤435～733 Hu，頭皮79～711 Hu。重建結果見圖5。

2.1.2.3 數據優化及配準融合：將上述依據CT、MRI圖像分別重建的三維模型以STL格式輸出保存，該模型在三維視窗中可同時顯示，也可單獨顯示，重建的模型外形逼真，清楚地再現各組織結構的三維形態，且可平移、縮放、任意平面切割、任意角度旋轉，同時將所有模型導入Geomagic軟件(美國Geomagic公司)進行優化處理。

圖3 多模圖像融合流程圖Figure 3 flow chart of multi-mode image fusion

由于CT和MRI圖像坐標系不同，本研究以頭皮模型為配準基準，將CT和MRI圖像中重建得到的三維模型統一到同一坐標系下，該方法包括基于三點定位法的粗配準和基于迭代最近點(Iterative Closest Point，ICP)算法的精配準[3]。首先，將CT重建的頭皮、顱骨、血管綁定，創建組1，設置組1為固定組；將MRI重建的頭皮、腦膜瘤、腦組織、腦室綁定，創建組2，設置組2為浮動組。然后，根據CT和MRI圖像中分別重建的頭皮模型的一致性，在各自模型上分別標記3個具有一定幾何代表性或醫學診斷意義上共有特征的解剖參考點，利用三點對齊法實現兩組模型的粗配準(圖6A)。最后，利用ICP迭代算法完成對兩組模型的精配準，實現不同模態的數據融合配準，獲得信息較為完整的顱腦三維虛擬模型(圖6B、6C)。

2.1.3 3D打印成型：將STL格式模型導入Objet350 Connex3打印機操作系統(美國，Stratasys公司)，檢測三維模型，利用光固化成型技術進行模型打印，采用不同顏色材質的打印材料進行不同組織結構的區分，制作出等比例、多色彩的實體模型，經水洗操作處理支撐材料后，完成3D顱腦模型的打印。見圖7。

3 結果

制作出高逼真度、等比例、多色彩的顱腦實體模型，將模型應用于神經外科臨床工作，包括手術預案制定、模擬手術、術中參考、醫患溝通、臨床教學等方面，效果良好。為進一步了解3D打印實體模型的應用價值，將福建省立醫院神經外科15名醫師分為3組，高、中、低年資各5名，對6個問題進行獨立評分，各問題最高5分，最低1分，按年資組取平均值。調查問卷的所有問題在3組中平均得分均>4分。見表1。

圖4 CT圖像處理 A顱骨及血管蒙板；B：顱骨及血管虛擬模型；C：頭皮虛擬模型Fig 4 CT image processing A：virtual model of skull；B：virtual model of skull and blood vessels；C：virtual model of scalp and vascular mask

圖5 MRI圖像處理 A：腦組織及腦室、腦膜瘤蒙板；B：腦組織、腦膜瘤虛擬模型；C：頭皮虛擬模型Fig 5 MRI image processing A：virtual model of brain tissue；B：brain tissue，andmeningioma；C：scalp virtual model ventricle，meniscus of meningioma

圖6 多模圖像融合配準 A：三點對齊法示意圖；B：透視圖；C：整體圖Fig 6 multi-mode image fusion registration A：three-point alignment diagram；B：Perspective；C：overall picture

圖7 3D打印實體模型 A：側視圖；B：俯視圖Fig 7 3D printed entity model A：side view；B：top view

表1 調查問卷結果Table 1 questionnaire results

注：*高年資：從事神經外科工作15 a以上；中年資：從事神經外科工作5～15 a；低年資：從事神經外科工作<5 a

4 討論

3D打印是目前最先進的制造技術，可根據CT、MRI等影像學資料，利用計算機輔助設計建模，制造出病變的3D實體模型[4]，近年來已逐漸應用于醫學領域[5]，包括模擬教學[6]、術前規劃[7]、手術模板[5]、假體制造[7]及生物打印[8]等，尤其在頜面外科、骨科的應用已取得一定經驗[9]。由于顱腦結構的復雜性，該技術目前在神經外科的應用開展較緩慢[10]，主要不足在于現階段3D打印依賴的虛擬模型大多來源于CT圖像，病變區域與正常組織在灰度值上常高度接近，缺乏清晰邊界，難以完全區分病變及其周邊組織，細微結構無法顯示[11]，且目前打印的實體模型絕大部分為單一材質、單一色彩，所展現的信息不夠豐富詳細[12]。本研究將CT、MRI影像的優勢進行融合建模，經3D打印制作高精度、多材質、全色彩的顱腦實體模型，以盡可能還原真實顱腦解剖結構。

4.1多模圖像融合技術的研究意義醫學影像技術的發展，為臨床醫師提供了豐富的人體醫學影像[13]。但由于人體解剖結構復雜，單純依賴某一種影像技術，結果往往不夠全面[11]。如CT檢查對于密度接近的組織分辨較困難，同時容易產生骨性偽影[14]；而MRI檢查層厚與空間分辨率不及CT，但對軟組織有很強的顯示能力及分辨率[15]。另外，雖然目前利用CT、MRI圖像分別進行人體組織結構的三維重建已相當普遍[16]，但通常是由影像科技術人員完成，且重建的虛擬模型必須在特定設備下顯示，無法滿足臨床醫生的實際需求。

本研究在普通計算機上將顱腦CT、MRI圖像分別提取各自優勢部分進行精確配準融合，制作出近真實的顱腦三維虛擬模型，彌補了單模態圖像信息不夠完全的缺陷，模型可動態旋轉觀察，任意切割顯示各個剖面，使臨床醫生能夠更細致地對病灶進行定位、定性、定量分析[17]，并在此基礎上進行手術方案設計及模擬手術，解決了臨床醫生無法在普通計算機上進行圖像動態觀察處理的難題，同時也為3D打印提供精確模型。

4.2 3D打印顱腦實體模型在臨床工作中的意義利用多模圖像融合技術打印的高逼真度、等比例的顱腦實體模型，在神經外科的應用主要體現在對疾病認識與手術指導、醫患溝通、臨床培訓考核等幾方面。

4.2.1 對疾病認識與手術指導的應用價值：神經系統結構復雜，術前規劃十分必要。CT、MRI二維斷層圖像難以清晰顯示顱腦復雜部位真實的空間結構，尤其對于血管間的重疊，分辨更為困難，據其所做的平面三維圖像亦不能給人直觀、立體的感覺[18]。而根據CT、MRI影像學數據融合制作的個性化3D 打印實體模型，與二維圖像相比，可更加直觀、清晰、立體地顯示人體內部結構，所獲取的醫療信息也更加豐富。利用該模型，術者能全面真實地了解局部或整體解剖情況，制定個性化手術方案；在模型上進行模擬手術，確定相關參數，使術者熟悉手術入路及操作，給醫生試錯機會[19]；術時將模型帶入手術室進行術中比對，可為術者提供直觀的解剖指導，有利于關鍵部位的快速識別和定位，為關鍵步驟提供實時導航，顯著縮短手術及麻醉時間。因此，3D打印模型可使外科醫師跳出了“想象”的窘境，對個性化的術前規劃和手術精準實施等方面具有較大幫助[20]。

4.2.2 在醫患溝通中的應用價值：由于顱腦解剖復雜難以用言語準確描述，醫生不易解釋病情，嚴重影響醫患溝通。對于無醫學知識的患者及家屬而言，3D打印顱腦實體模型可為其提供視覺和觸覺上的直觀表達[21]，降低病人的理解難度，使其對病情與復雜的手術一目了然，更好地理解手術方案及相關風險，減輕心理負擔，減少醫療糾紛的發生，顯著提高醫患溝通中患者及家屬的滿意程度[22]。因此，3D打印實體模型對改善當前日趨緊張的醫患關系可起到重要作用。

4.2.3 在臨床教學領域中的應用價值：3D打印模型可將復雜結構精確再現，準確還原人體顱腦解剖[23]，并可永久保存，將其應用于臨床教學，與影像資料、傳統解剖相結合，可彌補教學材料的不足，便于年輕醫師對疾病解剖的認識和理解[24]，且相對于現場手術操作，模型可長久重復使用觀察，甚至進行手術模擬操作[25]，有利于對知識、技能的掌握。同時，利用實體模型，可方便地考核年輕醫師對疾病的掌握情況。

總之，3D打印實體模型所具有的個性化、精確化等優點，可使醫生全方位地了解病變局部解剖關系，制定個性化的手術計劃并模擬手術過程，顯著提高手術準確率，縮短手術時間，優化手術效果[26]。當然，由于醫學圖像分割算法及CT、MRI圖像的局限性，現階段對于腦神經及微小血管的完整展現還存在一定困難，相信隨著醫學影像技術及計算機技術的不斷發展，未來通過多模態圖像融合技術將超聲、DSA、CT、MRI等影像數據結合，最終能夠構建出更加完善的顱腦實體模型。我們認為，作為影像學與解剖學之間的橋梁，3D打印技術蘊含著巨大的醫學應用前景，一旦開拓出更廣闊的發展空間和臨床價值，將會是醫學史上的重大突破。