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3D打印技术的脑膜瘤模型重建研究

2020-07-20 438 上传者：管理员

摘要：目的：应用医学影像软件（MIMICS）建立脑膜瘤的三维（3D）实体模型，以便医师设计手术。方法：选择1例脑膜瘤患者进行头部磁共振成像（MRI）平扫和增强检查，将颅脑MRI图像提供的脑组织、脑膜瘤及脑血管影像数据导入MIMICS。由于脑实质、肿瘤和血管具有不同的灰度值，可将这3种组织用不同颜色表示，重建成彩色3D图像，采用打印出的3D模型辅助临床医师进行术前定位和手术设计。结果：通过MIMICS重建出的颅脑3D模型可以直观地显示肿瘤与周围正常脑组织的位置关系，血管模型可显示肿瘤与血管的邻近关系，判断血管是否有狭窄、变异等情况，辅助临床医师及时制定方案以达到保护血管的目的。结论：通过3D重建技术可以高度还原真实的颅脑状态，与传统影像比较，3D重建图形可以直观立体地显示病灶，辅助临床医师多感官、多角度了解病灶，制定更加安全的手术方案。

关键词：
三维重建
脑膜瘤
辅助手术
颅脑
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脑膜瘤是常见的颅内肿瘤，肿瘤体积一般较大，且周边血液供应充沛，与大脑动静脉及脑组织关系密切，手术风险较大[1,2]。传统的磁共振成像仅仅处于二维平面模式，而三维实体模型图像后处理能够提供简单的解剖细节，且在计算机工作站中可以很容易实现。但3D可视化本身并不能提供操作所需的交互元素和触觉反馈，因此建议3D打印提供解决方案[3,4,5]。3D打印技术的应用可直观显示颅内占位的空间结构及位置关系，本研究旨在应用医学影像软件建立脑膜瘤的3D实体模型，通过剥离不同组织辅助临床医师规划更科学的手术方案[5,6,7,8,9,10]。

1、资料与方法

1.1一般资料

患者男，56岁，左侧额顶颞部脑膜瘤，邻近骨质破坏，左侧基底区脑梗死，排除病变损伤情况，对本研究知情且自愿签署知情同意书。

1.2计算机配置

制造商LENOVO，操作系统Windows1064位，处理器Intel(R)Core(TM)i5-5200UCPU@2.20GHz，内存4.00GB。

1.3方法

选择1例脑膜瘤患者进行MRI平扫和增强检查：采用飞利浦Achieva3.0T对患者颅脑进行扫描，获取140张增强检查医学数字成像和通信图像及130张头颅磁共振血管造影DICOM图像。

应用MIMICS17.0（比利时Materialise公司）建立模型。

2、3D重建

采用MIMICS软件处理脑膜瘤患者的MRI影像数据，采用阈值法获取患者颅脑不同组织的阈值，并应用3D重建技术分别构建脑组织、血管及肿瘤的3D模型。

肿瘤组织在MRI图像中显示为高信号，与周围正常组织界限清晰。在横断面的肿瘤组织内绘制一条轮廓线，阈值上限设置为2191HU，阈值下限设置为791HU，进行startthresholding阈值分割，将肿瘤与其他组织分开，肿瘤组织的阈值分割如图1所示。

图1肿瘤组织的阈值分割

在3个视图中保证矩形蒙版最大范围包括肿瘤组织，剔除与灰度值不相关的其他组织；对初步阈值分割蒙版上彼此不相连的分割区域进一步细分亚组，生成新的模板；选择腐蚀系数为3，在不改变蒙版形状的前提下，缩小蒙版面积，保证腐蚀后的蒙版限制在肿瘤内部，与肿瘤边界有间隔，肿瘤组织的形态学操作步骤如图2所示；腐蚀仅仅缩小蒙版面积，依旧存在非肿瘤区域组织，进行此操作目的在于剔除蒙版中彼此不连接的部分，只保留肿瘤区域；形态学操作：选择膨胀系数为4，在不改变蒙版形状的前提下，增加蒙版面积，即仅扩大肿瘤部分蒙版面积；选择合适编辑图案的形状与大小，进一步完善肿瘤组织蒙版，如填补内部空白部分、锐化边缘等；最后使用smoothing使模型边缘更光滑，蒙版编辑如图3所示，肿瘤的3D计算模型如图4。

图2形态学操作

图3编辑蒙版

图4肿瘤3D计算模型

以上模型以肿瘤为例进行分割，脑实质及血管的3D模型重建方法重复以上过程即可，脑实质阈值范围为206～1122HU，血管的阈值范围为269～1714HU，最终得到以下3D模型：脑实质的3D计算模型如图5所示，血管的蒙版编辑操作步骤如图6所示，脑血管的3D计算模型如图7所示。

图5脑实质的3D计算模型

图6血管的蒙版编辑操作步骤

图7脑血管的3D计算模型

3、3D打印模型

应用MIMICS处理患者颅脑MRI图像，获取到脑实质、肿瘤和血管3D重建模型，并输出为STL格式，采用创想三维/creality3D的CR-2020型号打印机打印，打印精度为±0.1mm，打印格式为STL，打印机使用热容堆积固化成型技术进行打印，得到较高精度的1:1实体模型。

图8（脑实质与肿瘤）中模型可见脑膜瘤位于脑实质左侧颞顶区，边界清晰，形状不规则。图9（血管与肿瘤）中模型显示了肿瘤与周围血管的位置关系，可见肿瘤压迫大脑中动脉侧裂分支并使其移位，其余血管未见明显狭窄闭塞。

图8脑实质与肿瘤装配图

图9血管与肿瘤装配图

4、结果

经过3D重建的颅脑实质模型光滑细腻、沟回显示清晰、灰白质分界明显，且与肿瘤组织完全剥离分开，与实际脑组织无明显差异，已达到研究要求。由不同视图窗口的坐标可明确肿瘤在颅脑内的精准位置，通过不同切面可见左侧脑室受压变窄，中线向右移位，周围脑实质受压改变。颅脑实质模型显示左侧颞顶叶交界区存在占位，颅脑MRA模型可见大脑中动脉侧裂分支受压、分离移位，其他主干及分支显示清楚、轮廓完整，未见狭窄和闭塞。术中可见肿瘤组织侵袭硬脑膜及颅骨内板大小约2.0cm×2.0cm，肿瘤大小约5.6cm×4.4cm×4.6cm，与脑组织有粘连，经比较与所建肿瘤大小（5.61cm×4.31cm×4.57cm）基本吻合。

5、讨论

本研究侧重于脑部结构（如肿瘤、血管、脑白质等3D模型）的构建，利用阈值分割技术与形态学计算、布尔运算等方法将CT采集到的原始断层图像以DICOM格式进行重组，避免了格式转换过程带来的数据丢失现象，提高了模型数据的精确度。此方法的应用与传统的CT、MRI影像或者通过计算机技术重建方法不同，传统方式所得的图像仍处于二维图像阶段，均存在平面化的局限[11,12,13,14,15,16]，不利于临床医师的深度探查与评估。肿瘤生长位置特殊、边界模糊、周围血管神经核团复杂等问题一直是神经外科手术的难题，而此构建方法也为脑部疾病的深度探查、可视化提供了一种新的方式。通过3D重建可以对颅脑进行1:1真实还原，从不同角度观察3D模型，3D打印的颅脑模型即可辅助医师术前充分了解颅内肿瘤的部位、形状、大小及与周围毗邻关系，更可方便、快捷地确定手术进入路线、切除范围，预判术中处理要点、注意事项等，能在完整切除肿瘤的同时最大限度地保护肿瘤周围正常组织，降低并发症和后遗症的发生率，因此应用3D打印技术更具有精确性和前瞻性。

综上所述，通过应用MIMICS建立脑膜瘤3D实体模型，极大地提高了建模的效率，进一步增进了临床医学与工程学科的联系，为后续的医学数据仿真分析提供了依据。

参考文献：

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