医学影像生成、处理与三维重建技术

 

医学影像是医学3D打印的数据源。

 

上世纪90 年代，各著名品牌医学影像设备输出的数据格式很不统一，这给我们开展3D打印带来很多困难，当时不得不研究与各种设备的接口软件，以获取影像设备输出的数据。今天，所有影像设备都统一为DICOM格式，为3D打印的推广应用带来了很大的便利。

 

目前，骨骼CT 数据的处理和建模工作已非常成熟。由于在CT 图像中骨骼和周边其他组织之间的灰度值差异比较清晰，因此，目标组织分割和建模工作最先取得突破，开发出很多骨骼CT 数据处理与建模软件。很长一段时间国内外广泛运用Materialise 公司Mimics 软件，而今我国已经开发出很多具有自主知识产权的软件。

 

随着3D 打印在医学中的推广应用，很多涉及软组织的外科领域也开始运用3D打印技术，这对图像处理和建模技术提出了新的要求。如果骨骼周围的血管在造影时添加了对比剂 ( Contrast Agent )，可获得边界清晰的图像，它的建模工作和骨骼几乎一样方便。但是，软组织的影像主要来自于MRI，它的处理比CT 数据困难。更重要的是，为了将有些软组织在影像中清晰地显现，必须对MRI设备进行专门的参数调整，这给临床使用带来很多麻烦。此外，有些软组织的影像必须通过各种其他影像设备来获取，这就涉及到多模图像配准与融合技术，对于软组织目前还是一个研究项目。因此，为满足软组织3D打印，我们须要和影像学专家合作开展如下技术攻关工作：

 

1. 清晰的影像数据获取技术。首先须要将涉及肝、胆、脾、胰、肾，心脏和肺的影像生成技术进行系统地研究，针对不同的影像设备，提出最佳的调整参数，形成一套标准规范，使得后续工作获得很好的影像数据条件。

 

2. 目标软组织自动分割技术。图像中具有很多非相关的组织，目前只能通过手工予以擦除，这在临床中无法推广使用。因此，必须基于解剖学知识建立一个专家系统，用来自动( 至少半自动) 处理，才能使这项工作成为临床可应用技术。

 

3. 多模图像配准和融合技术。由于软组织医学影像常常来自多种影像设备，这是绕不过去的研究课题。

 

软组织外科3D 打印要做到像骨科那样快速方便尚有待时日。

 

人体目标组织3D模型打印与临床应用技术

 

继X 光、CT/MRI 发明后，3D打印模型是在临床医学中具有第三个里程碑意义的技术。当前两者提供的影像数据不能满足医生手术规划需求时，今天可通过1:1 精准的打印模型直观地观察人体目标组织，从而做出诊断和手术规划。

 

图1 是港大深圳医院的案例。一位六岁患者下肢严重畸形( 图1a)，依据传统的X光和CT数据医生无法做出完美的手术规划。通过打印模型( 图1b)，医生不仅看清患者畸形的状态，而且术前做出了精准的手术规划，保证了手术的完美进行( 图1c )。该儿童通过后续康复治疗恢复了行走能力( 图1d)。

 

 

图1 3D打印模型支撑小儿下肢严重畸形矫形手术案例

 

图2 是上海复旦大学附属儿科医院2016 年连体婴儿手术案例。通过3D 打印模型可以观察到会阴部骨骼长合的状态，从而做出精准的手术规划和术前准备工作。

 

 

图2 3D打印模型支撑连体婴儿分离手术案例

中华医学会数字医学分会数字骨科学组将发表一个专家共识，列出建议用模型来指导手术规划的适应症，医生可以参照开展有关工作。这里须要关注如下问题：

1. 模型的精度。根据我们用牛骨通过CT 拍摄和建模打印，最后得出结论：只要设备调整到位，模型和实物之间的误差可以控制在0.2mm以下，完全满足临床需求。

2. 打印速度。我们坚信打印模型将成为医院的常规技术，医生让患者去影像科打印模型，就像让患者拍X 光或CT一样，成为常态。这就需要打印的速度尽量快，做到医生当天就能获得模型和患者进行沟通。

3. 打印件的强度。如眼科，其框底骨组织厚度很薄，尺寸微小，有些打印工艺的模型强度不够，造成局部缺失，影响医生的诊断和手术规划。一般来说选择性激光烧结(SLS)、和光固化(SLA) 等技术打印的模型强度和细微度较高。

4. 支撑的处理。这是一个非常重要的因素。像图3 所示的模型我们必须采用无支撑的方式进行打印，因为微细血管的体积几乎和支撑处于同一数量级，去除支撑将损坏模型的结构。现在很多3D打印机通过双喷头技术打印蜡或在水溶液中能溶解的支撑材料，从而将支撑的去除做到无损伤。

图3 钟世镇院士血管灌注解剖标本的3D打印复制

5. 打印成本。技术/ 经济性能是重要的综合指标。为支撑上海市第一人民医院母子拼肝手术，我们直接用美国 Stratasys — Connex 3 设备打印，如图4a所示，质量固然很好，但成本高昂，只能用作科研服务，根本无法在临床中推广。我们对打印工艺进行改进，使模型既满足医学需求，成本又降低到患者可以承担，如图4b 所示。

图4 两种不同打印工艺制作的肝脏模型

结论：必须根据临床需求专业地选择打印设备，用一个简单的FDM桌面机到处为医院作打印服务的现象颇显混乱。

基于3D模型的个体化植入物制作

个体化治疗是21 世纪临床医学发展方向之一。上海交通大学和原上海第二医科大学早在上世纪80 年代就合作开展个体化人工关节置换的临床研究，图5 是当时的一个成功案例：患者的两个髋关节先天发育不正常( 图5a )；通过CT 数据图像处理和三维建模，获得计算机屏幕上的骨骼三维模型( 图5b)；但它还不能满足“量体裁衣，度身定做”个体化关节的需求，为此关注到国外发展的快速原型技术。鉴于国内当时尚无这种设备，我们根据其原理，按CT 片切割塑料板，手工堆积制作了骨盆和髋关节的实体模型( 图5c )，设计制造了个体化人工髋关节( 图5d)，手术取得了成功( 图5e )。这项个体化关节置换技术通过产业化在国内推广应用，获2004 年国家科技进步奖二等奖。

图5 3D打印模型支撑下完成的个体化人工关节置换案例

利用3D 打印模型预制接骨板的技术已成为今天临床广泛应用的技术。

长期以来，个体化植入物主要通过切削加工中心制造，时间长、工艺复杂。金属直接3D打印的出现成为个体化骨科植入手术的强大推力，它能快速地制作形态复杂的植入物。图6 是国内北京大学第三医院和第四军医大学西京医院的一些成功案例。

图6 两大医院的成功案例

金属3D打印最大的优势是可以制作多孔结构骨科植入物，它是传统切削加工无法实现、而又是骨科植入物迫切需要的结构，具有如下优点：

1. 可以用比较轻的重量实现三维解剖结构的几何仿真。

2. 可以通过不同的多孔结构、孔径、孔隙率的变化，调整植入物的刚度，改善植入物的应力遮挡效益。

3. 多孔表面通过微纳米修饰技术，可以实现植入物和骨组织、甚至软组织的长合。

4. 可以在孔隙内植骨或生成组织工程化骨，降低植入物中人工材料的用量，增加生命骨的成分，将骨科植入物设计提升到一个新的技术层面。

多孔金属植入物设计的关键技术有：

1. 生物力学的优化。应该通过基本的金属框架结构实现力学承载能力，而用多孔结构填充其间，满足解剖形态的需求。人体松质骨中骨小梁是沿主应力方向生长的，它将成为力学设计的仿真依据。

2. 孔径和孔隙率的优化。过大、过小的孔径都不利于和周边宿主骨的长合，一般300 微米至500 微米比较合适。300微米以下孔径的打印物，其内部残余粉末的清除将遇到困难。

手术导板的设计与打印技术

手术的精准化是21 世纪临床医学发展的又一方向，3D打印手术导板为其提供了重要的技术支撑。目前存在如下3种类型：

1. 带有很强随机性的手术导板。图7 所示为上海市第九人民医院的案例，为实现手术规划中制定的颌面整形规划( 图7a)，医生设计了完整的截骨，定位手术导板( 图7b)，精准地实现了规划的整形目标( 图7c)。

图7 在手术导板技术支撑下的整形手术成功案例

这类导板完全根据医生的临床需求设计制作，有很强的随机性和不定型性，应该由医院自身建立的3D打印中心快捷完成。

2. 带有定型结构的手术导板。图8a所示是我们用于脊柱椎弓根钉植入的手术导板，图8b 是用于种植牙植入的手术导板。这类导板它有自己完整设计技术，结构比较定型，因此通常由专业化的3D打印产业提供。

图8 结构定型的手术导板

3. 与骨科器械紧密配套的手术导板。膝关节置换手术导板是典型案例，如图9 所示。它要求建立患者下肢骨模型，根据模型确定力线，并根据力线确定膝关节产品植入时的基准截骨面。目前它主要用在下肢形态不正常的患者，各人工关节厂商都自身推出这项服务，很多是和Materialise 合作，这种模式值得国内从事医学3D打印服务产业考虑。

图9 人工膝关节置换手术导板

手术导板涉及的关键技术有：

1. 专业设计软件。如用于种植规划与导板设计的著名软件SimPlant。它在生成牙列模型的基础上，提供医生确定种植体个数、排列方式、在牙槽骨中的方位与深度等规划工具，并根据规划自动生成导板。它既提供给医生使用，更是专业制造商快速完成订单的重要手段。

2. 导板材料。材料生物相容性是必须严加规定的指标，尽管不长期植入人体，但它与人体组织的创口和血液相接触，严禁有害打印材料的使用。

3. 灭菌方式。根据我们的研究，高温蒸汽灭菌会引起导板的变形。环氧乙烷灭菌需要一段时间去除残留物。低温等离子灭菌是最佳选择。

个体化康复支具（矫形器）的设计与打印

康复医学是3D 打印技术推广应用的新天地。康复支具的多样性和个体化需求是3D 打印技术的强项。图10 是如今网上可以看到的琳琅满目的成果。

图10 3D打印康复用矫形器

 

图11a 是我们通过前臂扫描数据制作的骨折固定支具，它有很好的透气性、尺寸紧凑美观、无疑是传统石膏固定方法的未来取代。图11b 是我们和国内两家医院共同研发的融上述支具和传统骨折外固定支具于一体的新型骨折支具，它克服了传统金属外固定支架的臃肿结构，更重要的是使用该支具可以实现精准的骨折复位。

图11 3D打印个体化骨折支具

 

图12 是我们对一种脑卒中足下垂患者康复支具使用效果的运动测量和生物力学分析案例，这种支具采用个体化设计和3D打印将得到优化的效果。

图12 康复支具使用与分析案例

目前3D打印康复支具存在问题有：

1. 对临床需求的反应速度。与手术模型和导板相比，康复支具对打印制作的时间要求通常较为宽裕，但在有些场合反应速度输于传统方法。

2. 支具的强度。和现在传统支具材料相比，3D打印支具通常需要采用增强尼龙材料，这导致其价格比传统支具高。

3. 矫形器很难调整修改。在实际临床应用中，很多矫形器特别是矫正功能的矫形器，在安装到人体后往往需要根据情况与需要对矫形进行局部调整，传统的热塑板材矫形器可以实现再加热塑形，而3D打印材料由于材料不具可塑性无法实现调整。

4. 存在竞争技术。目前市场上推出的低温热成型标准板材可在现场裁剪，在低温下软化，通过贴服于患者的体表快速成型，具有极好的“ 量体裁衣，度身订做”效果，将会瓜分掉一部分3D打印的支具市场。

存在的问题与发展

医学3D打印目前在我国炒作甚热，一系列的问题须要我们冷静思考：

1. 在宣传中必须讲清可能做和目前可以做的内容。细胞打印是很重要的基础研究，对医学未来具有重要作用，但还不是目前临床可应用的技术，它应集中在一些从事基础医学研究的单位进行，不宜大范围鼓吹。模型和导板是最贴近临床的可用技术，应努力推广。

2. 现在基于FDM技术的普通桌面机在医院中广为流传，是一种令人担忧的现象。应努力让医学界和社会认清，医学3D打印是一项高科技的集成技术。

3. 要冷静透过PPT 的成果思考这项技术的GDP效益。如今在各种会议的PPT上可以看到很多应用3D打印完成的精彩手术案例，在手机上也不断看到各种所谓首例的报道，从事3D打印医学应用的产业如雨后春笋，这应该是一个积极的态势。但纵观各种展会和论坛，同质化竞争十分严重。模型和导板能支撑一个大规模的产业吗？

4. 医院不能正规收费是目前医学3D打印技术推广应用的瓶颈，一时不易解决。

5. 高性能打印机居高不下的打印成本和患者的承受力存在矛盾。(ofweek)