患者特定腰椎的3D打印模型

摘要

这项研究旨在创建一个患者特异性腰椎的3D打印模型，其中包含从高分辨率计算机断层扫描（HRCT）和MRI-Dixon数据融合的椎骨和脊神经模型。

摘要

选择性背神经根切断术 （SDR） 是一项困难、危险且复杂的手术，其中椎板切除术不仅应暴露足够的手术视野，还应保护患者的脊神经免受伤害。数字模型在SDR的术前和术中起着重要作用，因为它们不仅可以使医生更加熟悉手术部位的解剖结构，还可以为机械手提供精确的手术导航坐标。本研究旨在创建患者特定腰椎的 3D 数字模型，可用于 SDR 操作的计划、手术导航和培训。3D打印模型的制造也是为了在这些过程中更有效地工作。

传统的骨科数字模型几乎完全依赖于计算机断层扫描（CT）数据，这些数据对软组织不太敏感。CT的骨结构与磁共振成像（MRI）的神经结构融合是本研究模型重建的关键要素。针对手术区域的真实面貌重建患者特定的三维数字模型，并显示结构间距离和区域分割的精确测量，可有效帮助SDR的术前计划和训练。3D打印模型的透明骨结构材料使外科医生能够清楚地区分手术段的脊神经和椎板之间的相对关系，增强他们对结构的解剖理解和空间感。个体化三维数字模型的优点及其脊神经与骨骼结构的准确关系使该方法成为SDR手术术前计划的良好选择。

引言

痉挛性脑瘫影响了一半以上的脑瘫患^儿1，导致肌腱挛缩、骨骼发育异常、活动能力下降，严重影响^患儿的生活质量2。选择性背神经根切断术（SDR）作为治疗痉挛性脑瘫的主要手术方法，^{已被许多国家充分}验证和推荐3^，4。然而，SDR手术的复杂性和高风险性，包括叶片的精确切割，神经根的定位和分离以及神经纤维的切断，对刚刚开始在临床实践中参与SDR的年轻医生来说是一个重大挑战;此外，SDR的学习曲线非常陡峭。

在传统的骨科手术中，外科医生必须在精神上整合所有术前二维（2D）图像并制定3D手术计划⁵.这种方法对于涉及复杂解剖结构和手术操作（如SDR）的术前计划尤其困难。随着医学成像和计算机技术的进步，可以处理二维轴向图像，例如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI），以创建具有患者特定解剖结构的3D虚拟模型⁶。通过改进的可视化，外科医生可以分析这些处理后的信息，以便根据患者的病情做出更详细的诊断、计划和手术干预。近年来，多模态图像融合技术在骨科中的应用逐渐^{受到关注7}。该技术可以融合CT和MRI图像，大大提高了数字3D模拟模型的准确性。然而，该技术在SDR术前模型中的应用尚未得到研究。

在SDR手术过程中，椎板和脊神经的准确定位以及精确切割对于成功的结果至关重要。通常，这些任务依赖于专家的经验，并在手术过程中由C型臂反复确认，导致手术过程复杂且耗时。3D数字模型是未来SDR手术导航的基础，也可用于椎板切除术的术前计划。该模型融合了CT的骨骼结构和MRI的脊神经结构，并根据手术计划为标记为切割的腰椎部分分配了不同的颜色。这种用于SDR的全息3D打印模型不仅便于术前计划和模拟，还可以将精确的3D导航坐标输出到术中机械臂进行精确切割。

研究方案

所有数据均来自临床患者，其SDR手术在北京东直门医院进行。该方案遵循东直门医院研究伦理委员会的指导方针，并得到其批准。

注意:模型重建协议的整个图如图 1 所示。高分辨率计算机断层扫描（HRCT）数据和Dixon数据是建模的原材料;然后，3D模型创建包括图像配准和融合。最终的3D数字模型由PolyJet技术打印，这是一种高精度的3D打印工艺，使用各种材料生产光滑准确的零件。为了准确描述椎骨和脊神经之间的空间关系，使用了HRCT数据和Dixon图像系列。Dixon扫描可以识别水和脂肪分离图像，其中Dixon水相图像系列可用于提取脊神经的结构，Dixon-in相图像系列可用于检查骨骼结构的配准。

图 1:协议的整个映射。 本研究的研究方法涉及CT和磁共振Dixon序列的融合。具体来说，CT椎骨结构与Dixon-in序列中包含的相同椎骨结构一起注册，然后与脊神经的Dixon-w序列融合。 请点击此处查看此图的大图。

1. 数据收集和准备

1. 椎骨高分辨率 CT
   注意:参数差异对研究方法不敏感。
   1. 从CT机站设置数据资源。
      注意:这里使用的是西门子-CTAWP73396 CT 机器。
   2. 打开 Syngo CT 2012B 软件以接收来自扫描协议 SpineRoutine_1的数据。选择数据集的 像素大小 和 切片厚度 （ST），以适应要在 3D 数字模型中表示的椎骨的大小。
   3. 使用 ST 为 1 mm，矩阵大小为 512 像素 x 512 像素，其中像素间距为 0.3320 mm。实现的 3D 体积的实际大小为 512 x 512 x 204 体素。
2. 脊神经的迪克森序列
   注意:本研究使用1.5 T MRI机器。
   1. 将 Dixon 图像 分辨率 设置为 290 像素 x 320 像素，将 像素间距 设置为 0.9375 毫米， 将切片厚度 设置为 3 毫米以获得准确的数据。
   2. 将 重复时间 设置为 5，160 毫秒， 将回声时间 设置为 94 毫秒。
   3. 确保每个扫描层都由四相图像组成，即Dixon-in，Dixon-opp，Dixon-F和Dixon-w。
3. 准备用于模型重建的数据存储文件。
   注意:定义明确的数据存储结构更便于后续工作。
   1. 创建一个项目文件夹以包含属于患者的所有数据。
   2. 通过为医学数字成像和通信 （DICOM） 数据创建不同的文件夹，为 HRCT 和 MRI-Dixon 数据准备不同的文件路径。
   3. 在项目下为所有分析结果创建一个单独的文件夹。

2. 3D数字椎骨模型

注意:所有子过程函数均来自软件工具，其属性属于北京智能熵科技有限公司。

1. 在 MATLAB 工作区中调用 Dicom2Mat 子进程，从存储在 HRCT 数据文件夹中的 DICOM 文件中获取 3D 体积。
2. 在经历 Dicom2Mat 子过程后，通过图形用户界面 （GUI） 查看 3D 体积中的每个切片，如图 2 所示。
3. 然后，通过hist功能可视化椎骨HRCT数据的强度分布（图3）。
4. 调用 NoiseClean 子进程以删除设备在 HRCT 数据文件路径下形成的信号噪声。
5. 在同一路径下使用椎骨功能子过程获得 椎骨 模型，该模型也是一个 3D 体积，但仅具有骨骼结构（图 4）。高通滤波器参数，强度范围从190到1，656。

3. 三维数字脊神经模型

注意:Dixon-in包含骨骼结构，而Dixon-w描述神经结构。

1. 在Dixon-in和Dixon-w序列的两条路径中使用 Dicom2Mat 子过程，并获得它们的3D体积。
2. 此外，使用 图 5 中所示的 GUI 可视化构成 3D 体积的每个单独切片。 Dicom2Mat 子流程完成后访问此可视化。
3. 使用 Spinal_Nerve 函数重建具有高通滤波器参数的脊神经模型，强度范围从180到643。由于 Dixon-w 序列中的神经信号非常高，因此通过过滤掉低强度的点来提取脊神经 3D 体积。
4. Spinal_Nerve子流程完成后，检查在 GUI 中生成的模型，如图 6 所示。

4. 注册和融合

注意:关键见解是骨结构存在于HRCT和Dixon-in成像序列中。

1. 将 到目前为止获得的三个 3D 体积复制到步骤 3.1 中创建的项目的文件路径。HRCT和Dixon-in的模型包括相同的椎骨结构，Dixon-in和Dixon-w的模型具有相同的坐标。
2. 然后，将三个模型的文件名放入 vertebra_fusion 子流程中，作为生成融合模型的输入。这可以在 图 7 中可视化。
3. 融合通常做得很好。如果需要从医生的角度进行微调，请将所有方向的坐标参数添加到同一函数中以校正融合模型。如果从临床角度观察到融合有轻微误差，请使用 vertebra_fusion 函数微调融合坐标。此过程涉及对坐标方向的六个维度（XYZ 坐标及其旋转）进行参数调整。
4. 在项目目录中创建一个单独的文件夹，用于输出融合模型的结果。

5. 用于3D打印的数字模型文件

注意:使用完全开发的3D打印设备来制造上述数字模型，并实施Delaunay三角测量。在这里，使用了Stratasys J55 Prime 3D打印机。

1. 在 融合目录的文件路径下以 DICOM 格式序列导出要用于 3D 打印的融合模型。利用 Mat2Dicom 算法通过输入融合模型来执行导出操作。
2. 打开之前使用具体模拟 V20 导出的 DICOM 文件序列。要执行导出操作，请导航到文件选项卡下的 导出 菜单，然后选择 VRML 格式。导出的文件路径可以根据用户的要求自由定制。
3. 由于透明彩色3D打印是一项专业服务，因此压缩并打包VRML文件并将其发送给服务提供商。3D打印结果如图 8所示。

结果

基于脑瘫患儿腰椎CT/MRI图像融合数据，我们创建了腰椎结合脊神经的代表性模型。采用高通滤波从HRCT中提取CT值范围190-1656的高信号，实现手术区腰椎骨骼结构重建。通过MRI中Dixon-w序列的高通滤波重建脊神经结构。通过刚性配准获得腰椎结构和脊神经融合的数字模型和点云数据坐标，并以立体光刻（STL）格式保存文件，用于数据测量和进一步打印处理。STL数字模型文件被转换为VRML格式，以传输到...

讨论

本研究为建立脑瘫患者腰椎术前3D打印模型提供了工作流程，旨在促进SDR手术的术前计划，并根据患者的具体模型加强解剖学训练。该研究旨在建立一个高度可靠的3D打印模型，准确展示患者的腰椎和神经结构。通过在手术前测量叶片和脊神经在模型中的位置，可以实现叶片切割的精确规划，从而优化手术程序并掌握SDR手术技术。

本研究中研究的主要关键步骤是CT和Dixon序列的...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
J55 Prime 3D-Printer	Stratasys	J55 Prime	Manufacturing the model
MATLAB	MathWorks	2022B	Computing and visualization
Mimics	Materialise	Mimics Research V20	Model format transformation
Tools for volum fusion	Intelligent Entropy	VolumeFusion V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion