基于3D打印的人體腰椎骨的三維建模研究

楊存，楊磊，宗會遷，柳青，宋登浩

河北醫科大學第二醫院 醫學裝備部，河北 石家莊 050000

引言

人體中由多種組織構成的能行使一定或特定功能的結構單位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感覺器官，心、肝、肺、腎等內臟器官（又稱為實體器官），氣管、腸、膀胱等中空器官，以及皮膚、骨骼、肌肉等結構（或支撐）器官[1-9]。器官制造是千百年來人類的一大夢想。現如今，隨著社會的進步，人類生活質量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺損修復成了巨大社會需求，人體器官3D 打印或將成為制造的強大推動力[10-13]。相比于傳統的無生理活性的人造器官，應用生物材料制造的器官更容易被人體接受，并最終促進病損器官的修復和再生。近年來，隨著3D 打印技術的日漸成熟，人們獲得有別于傳統工藝的新型人工器官替代物逐漸成為可能，因此，3D 打印模型的構建及模型的精確程度將是制造的關鍵一環[14-17]。

1 研究內容

本項目選取人體腰椎骨的CT 數據，通過閾值分割、曲面優化處理、曲面擬合一系列過程對人體腰椎骨骼進行三維重建。以獲得精度較高的腰椎骨的三維實體模型。利用該方法可以快速準確的完成人體骨骼的三維重建。通過3D 打印技術，構建人體骨骼的實體模型，以進一步研究3D 打印人體器官在臨床的應用，為骨損傷、骨缺損患者的3D 生物打印修復帶來福音。

2 研究方法

2.1 實驗數據

志愿者：女，21 歲，CT 全腰椎間盤平掃，受試者對實驗方法和目的知情同意。

CT 掃描條件為：電壓l20 kV，電流250 mA，每層圖像尺寸均為512×512，掃描厚度為2.5 mm，由腰椎骨L1-L5 之間共掃描605 張尺寸為512×512 的CT 圖像。

本實驗采用螺旋CT 掃描機進行數據采集，并以DICOM 格式保存。此種方法為非接觸式測量法，與傳統的三維測量方法不同，此方法有采集效率高、成本低，采集數據準確等特點。

2.2 圖像預處理及初步建模

軟 件： 利 用MIMICS 17.0（Materialise's Interactive Medical Image Control System 17.0，比利時Materialise 公司）進行模型建立。

計算機配置：制造商LENOVO，操作系統Windows10（64 位），處理器型號Intel Core i5-5200U CPU，處理器主頻2.20 GHz，內存4.00 GB。

將獲得的CT DICOM 數據導入到醫學圖像MIMICS 處理軟件中，由于人體的不同組織的密度各不相同，故而灰度值也不相同。根據灰度值劃分，可將骨骼與其他組織分離出來，通過區域增長和三維計算得到人體腰椎骨的三維模型。骨骼在CT 圖像中，顯示為高密度，與周圍正常組織界限清晰，在橫斷面的骨骼內繪制一條輪廓線，顯示其腰椎的閾值區間為226～1520，并進行start thresholding 閾值分割，將骨骼與其他組織分開，如圖1 所示。

圖1 三維模型

2.3 曲面優化處理

由于在MIMICS 軟件中重建的三維模型有很多空洞缺陷，并且夾雜其他組織，通過區域增長，對初步閾值分割蒙版上彼此不相連但閾值相近的分割區域進一步細分亞組，生成新的模板。選擇合適編輯圖案的形狀與大小，進一步完善骨骼蒙版，如填補內部空白部分、銳化邊緣等。最后計算3D 模型，若邊緣不平滑或者缺陷，可使用smoothing工具使模型更光滑。圖2 為光滑后三維圖像。

圖2 光滑后圖像

2.4 動力學仿真分析

利用ANSYS 12.0 對模型進行動力學仿真分析。腰椎是人體承受重量最大的部位，為更加準確的進行動力學仿真分析，此模型選擇的是志愿者的正常腰椎。L3-L5 是活動最頻繁也是最易受損的三節椎體，因此在變形分析中，對L4 椎體施加沖擊力及扭矩，用以模擬現實情況。

邊界與負載條件：固定L5 椎體下表面所有節點，圖3對L4 椎體表面施加500 N 沖擊力；圖4 對L4 椎體上表面施加7.5 N·m 的扭矩，模擬扭轉情況；圖5 對L4 椎體表面施加500 N 沖擊力，同時在椎體上表面施加7.5 N·m 的扭矩。

圖3 L4椎體施加500 N沖擊力后的應變情況

圖4 對L4椎體施加7.5 N·m扭矩后的應變情況

圖5 對L4椎體施加500 N沖擊力和7.5 N·m扭矩后的應變情況

由上圖可見，僅對L4 椎體施加500 N 沖擊力時，L5椎體總變形最大；僅施加7.5 N·m 扭矩時，模型的變形和受力較為均勻；同時施加500 N 沖擊力，7.5 N·m 扭矩時，受力變形范圍明顯增加，可見受沖擊并伴隨扭轉力矩時，對L3-L5 節腰椎的變形影響最大。

2.5 3D打印腰椎骨實體模型

3D 打印設備品牌：CREALITY 3D；設備型號：CR-2020；打印技術：熱熔堆積固化成型；打印格式：STL；操作系統：Windows10。

打印參數：打印層厚0.1 mm，打印速度60 mm/s，打印尺寸103 mm×96 mm×200 mm。

本模型采用PLA 耗材，利用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術實現腰椎骨的實體打印。材料經高溫熔化成液態，然后通過噴嘴擠壓出許多很小的球狀顆粒，這些顆粒在噴出后會立即固化，固化的顆粒在立體空間進行排列組合最終形成實物，如圖6。此模型的構建方法可以幫助臨床醫生更加直觀的觀察有病變患者的的骨骼變形程度，并進行術前指導，為后續生物材料的研發打下基礎。

圖6 3D打印實物

3 結語

3D 打印是目前最先進的制造技術之一。三維重建的模型數據是源于患者真實的影像資料，因此三維重建可對骨骼進行1:1 真實還原，通過不同灰度劃分可將不同組織完全區別開，使臨床醫生可對模型進行立體、直觀認識，獲取更多醫學信息。目前，我國3D 打印技術仍然處于一個不成熟的時期，存在各方面的問題如：與患者溝通問題、造價問題、制作問題等，但隨著控制技術、軟件技術、信息技術的不斷發展，3D 打印技術會廣泛應用于各個領域，也會將中國醫學推向新高度。