基于DICOM数据三维重建及其对骨科植入物的指导应用

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.012

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (7): 1046-1051.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.07.012

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基于DICOM数据三维重建及其对骨科植入物的指导应用

李靖¹，杨龙¹，王建吉¹，刘琴²，邹强²，孙宇²，马敏先³，叶川^1，4

¹贵州医科大学，贵州省贵阳市 550000；²贵州省再生医学重点实验室，贵州省贵阳市 550000；贵州医科大学附属医院，³口腔科，⁴骨科，贵州省贵阳市 550000

修回日期:2016-11-18 出版日期:2017-03-08 发布日期:2017-04-11
通讯作者: 叶川，博士，硕士生导师，主任医师，教授。贵州医科大学，贵州医科大学附属医院骨科，贵州省贵阳市 550000
作者简介:李靖，男，1989 年生，山东省临沂市人，汉族，贵州医科大学在读硕士，住院医师，主要从事数字化骨科研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(81360232)

Three-dimensional reconstruction based on DICOM data and its application for orthopedic implants

Li Jing¹, Yang Long¹, Wang Jian-ji¹, Liu Qin², Zou Qiang², Sun Yu², Ma Min-xian³, Ye Chuan^{1, 4}

¹Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China; ²Guizhou Provincial Key Laboratory of Regenerative Medicine, Guiyang 550000, Guizhou Province, China; ³Department of Stomatology, ⁴Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China

Revised:2016-11-18 Online:2017-03-08 Published:2017-04-11
Contact: Ye Chuan, M.D., Master’s supervisor, Chief physician, Professor, Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China; Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China
About author:Li Jing, Studying for master’s degree, Resident physician, Guizhou Medical University, Guiyang 550000, Guizhou Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81360232

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

STL文件的组成部分：STL是StandardTemplateLibrary的简称，标准模板库，惠普实验室开发的一系列软件的统称，可分为容器(containers)、迭代器(iterators)、空间配置器(allocator)、配接器(adaptors)、算法(algorithms)、仿函数(functors)6个部分。

DICOM数据的来源：DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)即医学数字成像和通信，是医学图像和相关信息的国际标准(ISO 12052)，它定义了质量能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式，被广泛应用于放射医疗，心血管成像以及放射诊疗诊断设备(X射线，CT，核磁共振，超声等)。

摘要

背景：计算机断层扫描输出的为医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)格式，而3D打印的输入是以三角网格表示的物体标准模板库(Standard Template Library，STL)模型。如其中涉及的数据处理和格式转换过程正是两种技术结合的关键。

目的：探索如何将计算机断层扫描数据高效地转换成一个立体的三维模型。

方法：利用Mimics医学图像三维重建软件将股骨骨折患者的医学数字成像和通信格式数据进行处理、编辑并生成物体标准模板库格式的文件，通过调节3D打印机切片软件中的各项参数制作三维立体模型，讨论三维模型在医学领域尤其是骨科领域的应用价值。

结果与结论：Mimics软件是连接二维断层扫描图像和三维图像的桥梁，能够将医院内计算机断层扫描输出的二维数据进行编辑、处理，通过3D打印技术制作成三维立体模型。模型能够帮助医生进行日常临床诊疗、改善医患沟通及提高临床医学教学质量，推动医学尤其骨科植入物治疗领域向精细化、个性化、远程化、微创化的数字医学方向发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-1319-7311(叶川)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 医学数字成像和通信, 物体标准模板库, 计算机断层扫描, 个性化医疗, 数字化骨科, 数字化建模, 三维重建, 计算机辅助设计, 术前规划, 股骨中下段骨折, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: The output of computed tomography (CT) is Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM), whereas the input of three-dimensional (3D) printing is an object Standard Template Library model represented by a triangular mesh. The process of data handing and forrmat conversion are keys to the combination of these two techniques.

OBJECTIVE: To explore how to convert CT data into a stereoscopic 3D model efficiently.

METHODS: The DICOM in Medicine format data of the patients with femoral fractures were edited and produced by Mimics. We made a 3D model by adjusting the parameters of the 3D printer slicing software, and discussed the significance of 3D model in medical field, especially orthopedics.

RESULTS AND CONCLUSION: Mimics software is the bridge to connect two-dimensional CT scan images and 3D images, to create a 3D model by editing the data of DICOM which comes from the CT scanner, with a 3D printing technology. The 3D Model can help doctors for routine clinical diagnosis and treatment, to improve the communication between doctors and patients and the quality of clinical medical teaching. 3D printing also makes medicine more personalized, remote, minimally invasive, and promote the development of medicine to the direction of digital medicine.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Tissue Engineering, Fractures, Bone, Computer-Aided Design

中图分类号:

R318

李靖，杨龙，王建吉，刘琴，邹强，孙宇，马敏先，叶川. 基于DICOM数据三维重建及其对骨科植入物的指导应用[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(7): 1046-1051.

Li Jing, Yang Long, Wang Jian-ji, Liu Qin, Zou Qiang, Sun Yu, Ma Min-xian, Ye Chuan. Three-dimensional reconstruction based on DICOM data and its application for orthopedic implants[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(7): 1046-1051.

图/表（结果） 1

2.1 DICOM文件的处理 利用Mimics软件可将各种二维的扫描数据(CT，MRI图像)导入到软件中，经过数据阈值的选择、三维图像的生成及三维图像后处理可精确重建三维数字模型，并以通用的计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、标准模板库(Standard Template Library，STL)、快速成型(Rapid Proto-typing，RP)、有限元分析(Finite Element Analysis，FEA)等数据进行输出，在个人计算机上可进行大规模的数据转换处理。DICOM数据导入是Mimics模型建造的第一步(图1A)，Mimics软件会自动定义前(Anterior)、后(Posterior)、左(Left)、右(Right)4个方向，手动定义图像的上(Top)和下(Bottom)2个方向。通过Draw Profile Line来对DICOM数据进行编辑(图1B)，并利用Calculate将选择好阈值的DICOM数据模型生成为三维数据模型(图1C)，但由于DICOM数据阈值选择偏差及患者自身骨质结构的差异至断层扫描图像自身的模糊而造成骨干部具有较多孔洞，需要对模型进行更深层次的处理，计算后的三维模型经过掩码编辑(EditMask)命令能够有效填充骨干中的孔洞样结构，由于这些孔洞并不是骨干本身具有的，因此经过编辑的三维图像并不会影响后期的计算。通过编辑后的得到的数字模型边界清晰，可平移、缩放、平面任意切割、角度任意旋转，清楚、直接地再现组织器官的三维立体结构。在Mimics软件中处理DICOM最后的一项是软件对三维图像进行光滑(Smoothing)的过程(图1D)，可以使模型粗糙的表面变得光滑，填充内部存在的肉眼难以识别的的微小孔洞使模型后期能够在3D打印切片软件中成功生成Gcode，减少模型尖刺和突起的出现。在这个参数下会保证实验中的模型不失真，模型表面光滑，经过光滑后的模型去掉了由于CT扫描机所产生的的噪声而使模型表面粗糙的问题。

2.2 3D打印的调试 通过调节3D打印机切片软件中的Extruder Temperature、Plate Temperature、infill、 Feedrate/Travel Speed、Layer Height、supporter、Shells等将STL文件制作3D打印机可识别的Gecod文件(图2)，表1为各项参数的意义及对后续模型打印的影响。

实验中在经过8 h打印后，可获得经患者二维的DIOCM数据制作的与患者病变部位大小、形状相符的1∶1模型(图3B)，1∶1三维立体模型能够真实、直观地再现骨折部位的实际情况(图3A)，支持并指导临床医生进行手术，使骨折复位达到或接近达到解剖复位(图3C)。

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引言

近年来由于高能量损伤日益增多，各类骨与关节的发生率呈现逐年上升和多样化趋势^[1]，在处理的同时需兼顾损伤部位骨与软组织的解剖因素，修复方式的选择依赖于对损伤部位充分和细致的了解，X射线检查往往无法获得详细、准确的信息；CT三维重建能够在三维空间显示损伤部位特征及空间位置关系，然而，这些三维影像的显示效果均存在二维平面的局限，给治疗带来了难度。基于医学影像数据的3D打印技术的问世和发展为快速、精确、高效地制造个性化模型提供了解决方案^[2-3]，在个体定制化医疗、医学研究、教学和训练等方面得到了广泛的应用^[4-5]，实现了由患者的CT数据到数字化模型，再到三维1∶1实体模型的转换，逐渐突破了二维平面的限制，为过去医生单纯通过X射线、MRI、CT在大脑中形成的三维印象再进行术前手术方案的设计提供了新的思路^[6-7]。但是院内CT扫描输出的数据为的国际标准格式医学数字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)，而3D打印的标准输入是以三角网格表示的物体STL模型，从CT数据三维重建图像到最终的待打印物体标准模板库(Standard Template Library，STL)模型，其中涉及到的数据处理和格式转换过程正是两种技术结合的关键。文章以股骨骨折患者的CT扫描数据为例，利用Mimics医学图像三维重建软件对院内CT输出的DICOM格式数据进行处理、编辑后生成3D打印软件可识别的STL格式的文件，并将Mimics软件生成的STL文件导入3D打印机，通过调节3D打印机器本身及3D打印机切片软件中的各项参数制作1∶1的三维立体模型。探讨如何将在高效、快速、精确下将二维图像制作成1∶1的三维立体模型，并帮助医生在实物模型上进行分析并行术前计划，用于明确修复方式的选择，指导临床修复治疗。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 计算机模拟实验。

1.2 时间及地点 于2015年1月至2016年9月在贵州医科大学附属医院骨科及贵州医科大学组织工程与干细胞实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 影像数据选取2015年6月至2016年6月贵州医科大学附属医院骨科二病区收治的股骨中下段骨折患者20例，其中男17例，女3例；年龄19-36岁，平均(26.0±7.1)岁。致伤原因：高处坠落伤4例，交通事故伤15例，重物砸伤1例；受伤到接受修复治疗时间3-14 d，平均8.5 d。

诊断标准：①病史：外伤史；②体检有明确骨折体征：畸形、异常活动、股擦音或骨擦感；③辅助检查：影像学检查提示股骨中下段骨折。

纳入标准：符合骨折的诊断标准者；患者能够耐受手术并对治疗均知情同意；患者愿意参加临床试验，在术前进行断层扫描并利用3D打印技术制作模型。

排除标准：心、肺、肝、肾功能不全，无法耐受手术者；不愿意参加临床试验者。

1.3.2 设备实验所使用的打印机为功能强大、安全稳定的FDM级双喷头打印机，打印耗材为来源广泛及价格较低的PLA材料，机器与耗材均购自浙江闪铸三维科技有限公司。Mimics17.0软件及其教程购自人民军医出版社，可将CT，MRI等输出的数据进行处理；骨科内固定钢板为钛合金胫骨近端接骨板，购自厦门大博颖精医疗器械公司，生物相容性良好，可根据骨折部位具体情况选用合适的接骨板。

1.4 方法

1.4.1 医学影像处理软件Mimics及其建模的基本步骤

DICOM数据读取：利用Mimics 10.0软件工具栏中的Import images功能将院内断层扫描数据DICOM数据导人比利时Materialise公司生产的Mimics 10.0软件中，软件接收命令后将根据横断面图像自动生成冠状面和矢状面图像。实验在DICOM数据导入Mimics时为了模型制作的方便将上面选项勾选为Top，将下面的选项勾选为Bottom。

阈值轮廓提取：DICOM生成冠状面及矢状面后会自动进入软件的三视图可编辑操作界面。利用软件工具栏中的阈值设定工具Draw Profile Line或Thresholding提取轮廓进行断层扫描数据的阈值选择。为保证模型中股骨中下段骨质结构完整地被选取，并且重建组织轮廓以外阴影不出现的情况下，实验选择的阈值区间为Min226，Max3071。

三维图像生成：经过阈值选择后，点击三维计算工具(Calculate 3D)后可将三视区内的二维图像直接转化并生成三维数字模型，生成三维数字模型后使用软件工具栏中的掩码编辑(EditMask)中的添加(Draw)和删除(Erase)命令，逐层检查并对模型的边界进行编辑和修改，获得清晰的骨骼骨密质层，再次进行的3D计算，观察骨骼表面的是否连续，确保骨密质边缘封闭，骨密质边缘连续后进入下一步即模型的后处理及导出，模型边缘如果不连续重复上面的编辑命令再次对模型边缘进行优化。

模型的再处理及导出：通过Mimics 10.0软件的3D计算功能初步建立的股骨骨折的DICOM数据完全是由三角片面网格组成的模型。需要对模型进行更深层析的编辑处理，利用Mimics软件工具(Tool)中的光滑(Smoothing)调节各项参数，实验设置的参数为光滑系数(Smooth Factor)0.2、补偿收缩系数(Shrinkage Compensation Factor)0.5、迭代次数(Number of Iterations)3，鼠标点击确认，待自动生成新的三维模型后将重建好的模型以STL格式输出并保存。

1.4.2 3D打印技术及其打印的基本步骤

STL文件3D打印切片软件的导入：将Mimics软件生成的STL文件导入3D打印机切片软件中，点击工具栏中的模型摆放(Move)中的Center及Put on platform命令，使模型移动到3D软件的操作界面中。由于3D打印机底板与材料接触的部位的支撑材料是较难去除的，这样可能会影响模型的指导手术及临床教学的视觉价值，因此在模型摆放时将想要看到的部位或较为精细的部位尽可能地不放在与底板接触的位置。每次调节模型的位置都要点击Put on platform，确保模型底面与3D切片软件中的底面接触。

Gcode文件建立：点击工具栏中的Generate Gcode将STL格式的文件进行切片至打印机能够识别的Gcode格式文件，调节Generate Gcode对话框中的各项参数，实验设定为Extruder Temperature为220 ℃、Plate Temperature为110 ℃、infill为25%、Feedrate/Travel Speed的参数设定分别为40 mm/s及55、Layer Height为0.27 mm、supporter、Shells为1。通过3D打印切片软件将STL文件变成Gcode格式后，点击开始按钮进行模型的打印。

3D打印机的调试：在系统生成Gcode格式的这段时间里，对3D打印机的喷头及底板的平衡进行调试，保证喷头的通畅是完成打印的关键。首先对打印机的喷头进行检查，将少量的耗材通过3D打印机的进料口往下方挤压，观察喷嘴下方耗材的挤出情况，喷头处材料被挤出的粗细均匀则证明打印机的喷头通畅；喷头处材料被挤出的粗细不均匀则证明喷头不通畅，这时需要使用器械将3D打印机的喷头卸下，使用1 mL注射器的针头清理喷嘴确保其通畅。下一步检查底板的平衡，确保喷嘴在底板的每个方向都能顺利地运作，良好的底板与喷嘴的接触能够有效减少模型因翘边而导致模型精度差及打印失败等情况的出现。调试底板平衡的步骤为在平台的底部找到3颗螺母，运行3D打印机自带的底板平衡检查命令，喷头将会移动到前、左下、左右3个不同的位置，在每个位置需要同时旋动2颗螺母用来调节底板与喷嘴的接触。底板平衡的原则为在底板与喷嘴之间放置一张纸片，抽动纸片时，能感觉到一定的摩擦(能抽动但不至于将纸片划破)。

打印模型的后处理：打印完成后，对3D模型的外支撑材料进行移除，注意并防止需要保留的骨赘被移除，实验利用血管钳对模型的边幅进行修理，此过程需要10- 20 min。支撑材料的底部，即材料与底板接触部位是最难去除的地方，除了手动清理支撑材料外，作者还采用了Naftulin等^[8]的研究发现，使用ABS为原材料进行模型打印，打印完成后利用丙酮处理模型，使支撑材料更容易被清理掉，模型表面变得光滑。

1.5 主要观察指标 如何快速利用医用Mimics 10.0软件对患者计算机断层扫描的DICOM数据进行进行编辑并输出成STL格式文件；如何调试3D打印切片软件中的各项参数及3D打印机器本身才能快速、精确的制作出与患者相符的1∶1三维立体模型。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

比利时Materialise公司生产的数字化三维交互式医学影像控制系统(Materialise's interactive medical image control system，Mimics)是连接二维图像与三维图像的桥梁，是一套高度整合、简单易用的三维图像生成、编辑、处理软件^[9-11]，相对于其他的三维重建软件，如Geomagic Qualify^[12]及Simpleware等^[13]，具有操作简单、功能强大等优点而被广泛应用于医学三维重建领域。在对DICOM数据进行选择的时，实验通过Draw Profile Line来进行阈值的选择，相对于常用的Thresholding法，可以在术前对重要的骨单元或骨折块建立模型，避免在三维重建中遗漏重要的碎小骨块，以便建立完整的骨折模型，阈值的选择是Mimics软件建模的关键，如果阈值Min间设置得太低，将会提取许多噪点；反之，阈值Min区间设置太高，则有许多组织丢失。提取轮廓遵循的基本原则为：在保证重建组织被选取的情况下，尽量不使重建组织以外的结构出现轮廓阴影。生成的三维图像可通过全方位、多角度的旋转来观察模型整体是否连续、模型外是否有游离的骨渣，游离、不连续的骨渣会影响STL文件的导出及后续的3D打印切片软件的识别，造成切片即Gcode文件建立的失败，使模型无法打印。模型建立后为了方便进行3D打印需要对模型进行适当的光滑，光滑能够有效清除由于影响数据产生的多余噪声而使模型周围杂质过多及CT排位不够而造成的模型不光滑的情况而影响模型的视觉效果。通过Mimics软件可把二维的医学图像信息以三维方式显示，可以让医生全方位多角度得获得病变部位的有效数据，Govsa等?将患者的颈内动脉的断层扫描DICOM数据进行处理编辑后进行三维成像并认为栩栩如生的三维模型可作为基本的血管外科工具协助外科医生术前规划、术中指导，及指导实习医生和患者，可见Mimics可将患者的病变部位的二维数据进行编辑、分析、生成三维重建数据，使数字技术与传统医疗互相促进、互相融合、互相影响。

3D模型的应用，随着传统医学向数字医学方向发展，基于医学影像数据的3D打印技术可定制医疗产品及器械以其个性化、成本低等优点越来越多地被临床所应用。实验中的熔融沉积成型技术(FDM)是3D打印技术中较为常见的一种，是以丝状ABS，PLA为原材料，FDM产品的精度和质量相媲美SLA，SLS，3DP等，在3D打印切片软件中设置Extruder Temperature及底板的加热温度，进而材料在喷头内被加热熔化，Extruder Temperature及底板的温度Plate Temperature取决于打印耗材的选择，ABS耗材的喷头和底板的最适温度分别为(215±5) ℃和(110±10 )℃，PLA耗材的喷头及底板的最适温度分别为(185±5) ℃和(80±10) ℃，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结，如此层层反复进行至模型打印成型^[18]，相对于目前3D打印的其他技术如立体光刻成型(Stereo Lithography Appearance，SLA)^[19]、选择性激光烧结成型(Selective Laser Sintering，SLS)^[20]、三维打印(Three-Dimensional Printing，3DP)^[21]、选择性激光熔化( Selective Laser Melting，SLM)^[22]、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)等^[23]，其具有技术简单、成本较低、维护方便、用材广泛等优点^[24]。对于FDM打印机来说他的劣势是打印时间较慢，所以如何合理的设置打印参数在保证模型的精度前提下减少打印时间是当前所需要解决的问题：底板的平衡、喷头的通畅及Gecod文件中的Feedrate /Travel Speed准确设置是保证其长时间稳定运行的关键，Feedrate /Travel Speed决定了打印机能否长时间地工作，过快的速度会影响打印的精度，过慢的速度也会让打印时间变得过长，最适的速度分别为40 mm/s及55，在这个速度下打印时间与打印精度最适，保证了打印机在长时间工作下的稳定性；Infill也对模型的打印时间有一定的影响，100%的情况是模型完全为实心，0%是模型完全为空心，但相应的是100%的模型表面光滑接近正常骨质结构，0%的模型表面由于内部缺少支撑的结构而使模型表面产生较多的空洞，影响模型的使用，实验采用的为10%-30%，在此情况下能够保证实验模型在相对较短的时间里被精确的打印；Layer Hight是模型打印精度的重要决定性因素之一，设置过高模型表面会出现断层而影响美观，设置太低模型打印时间就会增加3D打印机器的工作时间，实验中发现在0.25-0.30 mm范围下模型在较快的打印速度前体下保证模型的质量。

通过上述Mimics及3D打印可将二维图像制作为与患者病损部位大小相等的1∶1三维立体模型。使得生物力学结构和解剖复杂的各种骨折的诊疗方法以及各项相关研究更加精确化、个性化、直观化。Tam等^[25]利用DICOM文件进行3D打印制作1∶1的模型，帮助一个6岁的肩胛骨患有骨软骨瘤的儿童进行手术规划术前进行预操作，可在术前直观了解到骨肿瘤患者病灶范围，了解周围解剖关系等，模拟手术中可能出现的问题，使医务人员做好充分的准备，提高手术效率，减少手术创伤及并发症，并促进患者术后康复；Rankin等^[26]利用3D打印技术术前根据患者锁骨的1∶1模型制作个性化锁骨拉钩，并认为其相对于传统的不锈钢类拉钩有较低的成本及适用于不同患者的解剖需求。可见1∶1的立体模型能够给医务工作者带来的真实、直观感受，对于疾病的诊断、术前手术方案的设计、术前手术操作的演练有着重要作用，可以直观再现骨折部位的实际情况，支持并指导临床医生手术方案的设计，解决因影像人员不能站在医生的解剖角度、范围去拍片而造成的临床医生对疾病诊断而造成的的局限性^[27-29]，使骨折复位达到或接近达到解剖复位，同时可显著降低手术时间、术中出血及手术风险，提高手术成功率。同时对于患者来讲，术前的1：1模型可使患者充分了解手术治疗的必要性、治疗方案、固定方式、疾病预后以及术后的康复计划，增加医生与患者及其家人之间的配合，提高了患者的治疗依从性和对医生的治疗评价^[30-31]，显著降低医患矛盾发生的可能。随着传统医学向精细化、个性化、微创化、远程化的数字医学方向发展基于医学影像数据的3D打印技术越来越多地被临床所应用。

综上所述，通过调节Mimics软件及3D打印切片软件中的各项参数，可以高效、快速、精确地将二维断层扫描数据转换成和1∶1的三维立体模型，模型可用来指导手术，推动医学向精细化、个性化、远程化、微创化的数字医学方向发展。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

基于DICOM数据三维重建及其对骨科植入物的指导应用

Three-dimensional reconstruction based on DICOM data and its application for orthopedic implants

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