基于3D打印技術(shù)的腦膜瘤模型重建研究

楊存，劉子瑜，武才鑫，李晗

1 河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 （河北石家莊 050000）；2 河北醫(yī)科大學(xué)影像學(xué)院 （河北石家莊 050000）

腦膜瘤是常見(jiàn)的顱內(nèi)腫瘤，腫瘤體積一般較大，且周邊血液供應(yīng)充沛，與大腦動(dòng)靜脈及腦組織關(guān)系密切，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大[1-2]。傳統(tǒng)的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）僅僅處于二維平面模式，而三維（three dimensional，3D）實(shí)體模型圖像后處理能夠提供簡(jiǎn)單的解剖細(xì)節(jié)，且在計(jì)算機(jī)工作站中可以很容易實(shí)現(xiàn)。但3D可視化本身并不能提供操作所需的交互元素和觸覺(jué)反饋，因此建議3D打印提供解決方案[3-5]。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可直觀顯示顱內(nèi)占位的空間結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系，本研究旨在應(yīng)用醫(yī)學(xué)影像軟件（materialise's interactive medical image control system，MIMICS）建立腦膜瘤的3D實(shí)體模型，通過(guò)剝離不同組織輔助臨床醫(yī)師規(guī)劃更科學(xué)的手術(shù)方案[5-10]。

1 資料與方法

1.1 一般資料

患者男，56歲，左側(cè)額頂顳部腦膜瘤，鄰近骨質(zhì)破壞，左側(cè)基底區(qū)腦梗死，排除病變損傷情況，對(duì)本研究知情且自愿簽署知情同意書(shū)。

1.2 計(jì)算機(jī)配置

制造商LENOVO，操作系統(tǒng)Windows10 64位，處理器Intel（R）Core（TM）i5-5200U CPU @2.20GHz，內(nèi)存4.00GB。

1.3 方法

選擇1例腦膜瘤患者進(jìn)行MRI平掃和增強(qiáng)檢查：采用飛利浦Achieva3.0T對(duì)患者顱腦進(jìn)行掃描，獲取140張?jiān)鰪?qiáng)檢查醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine，DICOM）圖像及130張頭顱磁共振血管造影（magnetic resonance angiography，MRA）DICOM 圖像。

應(yīng)用MIMICS 17.0（比利時(shí)Materialise公司）建立模型。

2 3D重建

采用MIMICS軟件處理腦膜瘤患者的MRI影像數(shù)據(jù)，采用閾值法獲取患者顱腦不同組織的閾值，并應(yīng)用3D重建技術(shù)分別構(gòu)建腦組織、血管及腫瘤的3D模型。

腫瘤組織在MRI圖像中顯示為高信號(hào)，與周?chē)＝M織界限清晰。在橫斷面的腫瘤組織內(nèi)繪制一條輪廓線，閾值上限設(shè)置為2 191 HU，閾值下限設(shè)置為791 HU，進(jìn)行 start thresholding閾值分割，將腫瘤與其他組織分開(kāi)，腫瘤組織的閾值分割如圖1所示。

圖1 腫瘤組織的閾值分割

在3個(gè)視圖中保證矩形蒙版最大范圍包括腫瘤組織，剔除與灰度值不相關(guān)的其他組織；對(duì)初步閾值分割蒙版上彼此不相連的分割區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分亞組，生成新的模板；選擇腐蝕系數(shù)為3，在不改變蒙版形狀的前提下，縮小蒙版面積，保證腐蝕后的蒙版限制在腫瘤內(nèi)部，與腫瘤邊界有間隔，腫瘤組織的形態(tài)學(xué)操作步驟如圖2所示；腐蝕僅僅縮小蒙版面積，依舊存在非腫瘤區(qū)域組織，進(jìn)行此操作目的在于剔除蒙版中彼此不連接的部分，只保留腫瘤區(qū)域；形態(tài)學(xué)操作：選擇膨脹系數(shù)為4，在不改變蒙版形狀的前提下，增加蒙版面積，即僅擴(kuò)大腫瘤部分蒙版面積；選擇合適編輯圖案的形狀與大小，進(jìn)一步完善腫瘤組織蒙版，如填補(bǔ)內(nèi)部空白部分、銳化邊緣等；最后使用smoothing使模型邊緣更光滑，蒙版編輯如圖3所示，腫瘤的3D計(jì)算模型如圖4。

圖2 形態(tài)學(xué)操作

圖3 編輯蒙版

圖4 腫瘤3D計(jì)算模型

以上模型以腫瘤為例進(jìn)行分割，腦實(shí)質(zhì)及血管的3D模型重建方法重復(fù)以上過(guò)程即可，腦實(shí)質(zhì)閾值范圍為206～1 122 HU，血管的閾值范圍為269～1 714 HU，最終得到以下3D模型：腦實(shí)質(zhì)的3D計(jì)算模型如圖5所示，血管的蒙版編輯操作步驟如圖6所示，腦血管的3D計(jì)算模型如圖7所示。

圖5 腦實(shí)質(zhì)的3D計(jì)算模型

圖6 血管的蒙版編輯操作步驟

圖7 腦血管的3D計(jì)算模型

3 3D打印模型

應(yīng)用MIMICS處理患者顱腦MRI圖像，獲取到腦實(shí)質(zhì)、腫瘤和血管3D重建模型，并輸出為STL格式，采用創(chuàng)想三維/creality 3D 的CR-2020型號(hào)打印機(jī)打印，打印精度為±0.1 mm，打印格式為STL，打印機(jī)使用熱容堆積固化成型技術(shù)（fused deposition modelin，F(xiàn)DM）進(jìn)行打印，得到較高精度的1:1實(shí)體模型。

圖8（腦實(shí)質(zhì)與腫瘤）中模型可見(jiàn)腦膜瘤位于腦實(shí)質(zhì)左側(cè)顳頂區(qū)，邊界清晰，形狀不規(guī)則。圖9（血管與腫瘤）中模型顯示了腫瘤與周?chē)艿奈恢藐P(guān)系，可見(jiàn)腫瘤壓迫大腦中動(dòng)脈側(cè)裂分支并使其移位，其余血管未見(jiàn)明顯狹窄閉塞。

圖8 腦實(shí)質(zhì)與腫瘤裝配圖

圖9 血管與腫瘤裝配圖

4 結(jié)果

經(jīng)過(guò)3D重建的顱腦實(shí)質(zhì)模型光滑細(xì)膩、溝回顯示清晰、灰白質(zhì)分界明顯，且與腫瘤組織完全剝離分開(kāi)，與實(shí)際腦組織無(wú)明顯差異，已達(dá)到研究要求。由不同視圖窗口的坐標(biāo)可明確腫瘤在顱腦內(nèi)的精準(zhǔn)位置，通過(guò)不同切面可見(jiàn)左側(cè)腦室受壓變窄，中線向右移位，周?chē)X實(shí)質(zhì)受壓改變。顱腦實(shí)質(zhì)模型顯示左側(cè)顳頂葉交界區(qū)存在占位，顱腦MRA模型可見(jiàn)大腦中動(dòng)脈側(cè)裂分支受壓、分離移位，其他主干及分支顯示清楚、輪廓完整，未見(jiàn)狹窄和閉塞。術(shù)中可見(jiàn)腫瘤組織侵襲硬腦膜及顱骨內(nèi)板大小約2.0 cm×2.0 cm，腫瘤大小約5.6 cm×4.4 cm×4.6 cm，與腦組織有粘連，經(jīng)比較與所建腫瘤大小（5.61 cm×4.31 cm×4.57 cm）基本吻合。

5 討論

本研究側(cè)重于腦部結(jié)構(gòu)（如腫瘤、血管、腦白質(zhì)等3D模型）的構(gòu)建，利用閾值分割技術(shù)與形態(tài)學(xué)計(jì)算、布爾運(yùn)算等方法將CT采集到的原始斷層圖像以DICOM格式進(jìn)行重組，避免了格式轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，提高了模型數(shù)據(jù)的精確度。此方法的應(yīng)用與傳統(tǒng)的CT、MRI影像或者通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)重建方法不同，傳統(tǒng)方式所得的圖像仍處于二維圖像階段，均存在平面化的局限[11-16]，不利于臨床醫(yī)師的深度探查與評(píng)估。腫瘤生長(zhǎng)位置特殊、邊界模糊、周?chē)苌窠?jīng)核團(tuán)復(fù)雜等問(wèn)題一直是神經(jīng)外科手術(shù)的難題，而此構(gòu)建方法也為腦部疾病的深度探查、可視化提供了一種新的方式。通過(guò)3D重建可以對(duì)顱腦進(jìn)行1:1真實(shí)還原，從不同角度觀察3D模型，3D打印的顱腦模型即可輔助醫(yī)師術(shù)前充分了解顱內(nèi)腫瘤的部位、形狀、大小及與周?chē)応P(guān)系，更可方便、快捷地確定手術(shù)進(jìn)入路線、切除范圍，預(yù)判術(shù)中處理要點(diǎn)、注意事項(xiàng)等，能在完整切除腫瘤的同時(shí)最大限度地保護(hù)腫瘤周?chē)＝M織，降低并發(fā)癥和后遺癥的發(fā)生率，因此應(yīng)用3D打印技術(shù)更具有精確性和前瞻性。

綜上所述，通過(guò)應(yīng)用MIMICS建立腦膜瘤3D實(shí)體模型，極大地提高了建模的效率，進(jìn)一步增進(jìn)了臨床醫(yī)學(xué)與工程學(xué)科的聯(lián)系，為后續(xù)的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)仿真分析提供了依據(jù)。