基于3D打印的人体腰椎骨的三维建模研究
引言
人体中由多种组织构成的能行使一定或特定功能的结构单位叫做器官。器官包括眼、耳、鼻、舌等感觉器官，心、肝、肺、肾等内脏器官（又称为实体器官），气管、肠、膀胱等中空器官，以及皮肤、骨骼、肌肉等结构（或支撑）器官[1-9]。器官制造是千百年来人类的一大梦想。现如今，随着社会的进步，人类生活质量的提高，由于疾病、先天畸形和交通事故等原因造成的器官缺损修复成了巨大社会需求，人体器官3D 打印或将成为制造的强大推动力[10-13]。相比于传统的无生理活性的人造器官，应用生物材料制造的器官更容易被人体接受，并最终促进病损器官的修复和再生。近年来，随着3D 打印技术的日渐成熟，人们获得有别于传统工艺的新型人工器官替代物逐渐成为可能，因此，3D 打印模型的构建及模型的精确程度将是制造的关键一环[14-17]。
1 研究内容
本项目选取人体腰椎骨的CT 数据，通过阈值分割、曲面优化处理、曲面拟合一系列过程对人体腰椎骨骼进行三维重建。以获得精度较高的腰椎骨的三维实体模型。利用该方法可以快速准确的完成人体骨骼的三维重建。通过3D 打印技术，构建人体骨骼的实体模型，以进一步研究3D 打印人体器官在临床的应用，为骨损伤、骨缺损患者的3D 生物打印修复带来福音。
2 研究方法
2.1 实验数据
志愿者：女，21 岁，CT 全腰椎间盘平扫，受试者对实验方法和目的知情同意。
CT 扫描条件为：电压l20 kV，电流250 mA，每层图像尺寸均为512×512，扫描厚度为2.5 mm，由腰椎骨L1-L5 之间共扫描605 张尺寸为512×512 的CT 图像。
本实验采用螺旋CT 扫描机进行数据采集，并以DICOM 格式保存。此种方法为非接触式测量法，与传统的三维测量方法不同，此方法有采集效率高、成本低，采集数据准确等特点。
2.2 图像预处理及初步建模
软 件： 利 用MIMICS 17.0（Materialise's Interactive Medical Image Control System 17.0，比利时Materialise 公司）进行模型建立。
计算机配置：制造商LENOVO，操作系统Windows10（64 位），处理器型号Intel Core i5-5200U CPU，处理器主频2.20 GHz，内存4.00 GB。
将获得的CT DICOM 数据导入到医学图像MIMICS 处理软件中，由于人体的不同组织的密度各不相同，故而灰度值也不相同。根据灰度值划分，可将骨骼与其他组织分离出来，通过区域增长和三维计算得到人体腰椎骨的三维模型。骨骼在CT 图像中，显示为高密度，与周围正常组织界限清晰，在横断面的骨骼内绘制一条轮廓线，显示其腰椎的阈值区间为226～1520，并进行start thresholding 阈值分割，将骨骼与其他组织分开，如图1 所示。
图1 三维模型
2.3 曲面优化处理
由于在MIMICS 软件中重建的三维模型有很多空洞缺陷，并且夹杂其他组织，通过区域增长，对初步阈值分割蒙版上彼此不相连但阈值相近的分割区域进一步细分亚组，生成新的模板。选择合适编辑图案的形状与大小，进一步完善骨骼蒙版，如填补内部空白部分、锐化边缘等。最后计算3D 模型，若边缘不平滑或者缺陷，可使用smoothing工具使模型更光滑。图2 为光滑后三维图像。
图2 光滑后图像
2.4 动力学仿真分析
利用ANSYS 12.0 对模型进行动力学仿真分析。腰椎是人体承受重量最大的部位，为更加准确的进行动力学仿真分析，此模型选择的是志愿者的正常腰椎。L3-L5 是活动最频繁也是最易受损的三节椎体，因此在变形分析中，对L4 椎体施加冲击力及扭矩，用以模拟现实情况。
边界与负载条件：固定L5 椎体下表面所有节点，图3对L4 椎体表面施加500 N 冲击力；图4 对L4 椎体上表面施加7.5 N·m 的扭矩，模拟扭转情况；图5 对L4 椎体表面施加500 N 冲击力，同时在椎体上表面施加7.5 N·m 的扭矩。
图3 L4椎体施加500 N冲击力后的应变情况
图4 对L4椎体施加7.5 N·m扭矩后的应变情况
图5 对L4椎体施加500 N冲击力和7.5 N·m扭矩后的应变情况
由上图可见，仅对L4 椎体施加500 N 冲击力时，L5椎体总变形最大；仅施加7.5 N·m 扭矩时，模型的变形和受力较为均匀；同时施加500 N 冲击力，7.5 N·m 扭矩时，受力变形范围明显增加，可见受冲击并伴随扭转力矩时，对L3-L5 节腰椎的变形影响最大。
2.5 3D打印腰椎骨实体模型
3D 打印设备品牌：CREALITY 3D；设备型号：CR-2020；打印技术：热熔堆积固化成型；打印格式：STL；操作系统：Windows10。
打印参数：打印层厚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，利用熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术实现腰椎骨的实体打印。材料经高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出许多很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后会立即固化，固化的颗粒在立体空间进行排列组合最终形成实物，如图6。此模型的构建方法可以帮助临床医生更加直观的观察有病变患者的的骨骼变形程度，并进行术前指导，为后续生物材料的研发打下基础。
图6 3D打印实物
3 结语
3D 打印是目前最先进的制造技术之一。三维重建的模型数据是源于患者真实的影像资料，因此三维重建可对骨骼进行1:1 真实还原，通过不同灰度划分可将不同组织完全区别开，使临床医生可对模型进行立体、直观认识，获取更多医学信息。目前，我国3D 打印技术仍然处于一个不成熟的时期，存在各方面的问题如：与患者沟通问题、造价问题、制作问题等，但随着控制技术、软件技术、信息技术的不断发展，3D 打印技术会广泛应用于各个领域，也会将中国医学推向新高度。
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Three-Dimensional Reconstruction of Human Lumbar Vertebrae Based on 3D Printing