磁共振成像技术在3D打印先天性心脏病建模中的应用

胡立伟白 凯钟玉敏*孙爱敏王 谦刘金龙朱 铭

磁共振成像技术在3D打印先天性心脏病建模中的应用

胡立伟1白 凯2钟玉敏1*孙爱敏1王 谦1刘金龙3朱 铭1

目的：本研究目的是利用不同扫描序列的磁共振图像，通过应用3D打印技术构建儿童心脏模型，探讨磁共振成像在3D打印先天性心脏病心脏建模中的价值。方法：1例1岁的先天性心脏病患儿行1.5T MRI检查，使用Torso并行采集体线圈，扫描序列包括三维稳态自由进动序列和对比增强磁共振血管造影序列的后获得图像资料；通过MIMICS 17.0软件将DICOM数据导入并对感兴趣区域（ROI）图像建模；使用区域生长的分割方法根据图像的不同对比度分割后生成STL文件数据；将数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模和打印过程。结果：影像诊断为右房内隔膜导致下腔静脉入口狭窄。术中见下腔静脉口处局部内膜增生形成狭窄环。3D打印的模型与影像诊断及术中手术记录描述完全一致。结论：在相同扫描参数的情况下，3D-SSFP相比于CE-MRA空间分辨率更高，使用3D-SSFP序列构建的3D模型能更为清晰地显示右房内隔膜梗阻的空间位置。3D-SSFP可作为构建3D模型的首选磁共振序列。3D打印技术应用于先天性心脏病中清晰显示解剖畸形，将更有效地辅助诊断并应用于优化手术方案，为先天性心脏病患者带来精准化的治疗。

3D打印技术；先天性心脏病；磁共振成像

【Abstract】Purpose： The aim of the study was to use difference kinds of MR sequences to create accurate anatomical three-dimensional model for children with congenital heart diseases （CHD） and to explore the value of MRI for CHD cardiac modeling. Methods： A 1 year-old child with CHD was performed with parallel acquisition technology on a 1.5T magnetic resonance imaging machine. The MRI Scan sequences included 3D-BTFE and CEMRA sequences. Based on DICOM format of MRI data， regions of interest were segmented using the Mimics 17.0 software. Region growing method was used to segment images and generate an STL-file. The 3D printer Objet 260 Connex with Med610 materials was utilized to print 3D model for CHD. Results： The diagnosis of this patient byMRI and echocardiography was right atrial diaphragm obstruction. Local intimal hyperplasia on inferior vena cava，which caused tricuspid stenosis， was verified in operation. The 3D printing model was completely consistent with operative findings and imaging diagnosis. Conclusion： B-TFE sequences are with higher spatial resolution than CE-MRA with the same scan parameters. The images of balance stable free precession sequence can be used to reconstruct structural heart disease model. The spatial relationships of atria and great arteries can be demonstrated by the 3D printing model. B-TFE sequences can be used as first choice to calculate 3D Cardiac model. For further study and work， 3D printing technology will be very useful for precise diagnosis and operation of CHD children.

3D打印技术又称快速成型技术，是基于富比尼定理，应用粉末状或液态塑料或金属等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造实物的技术［1］。其发明的最初目的是应用于工业增材制造。随着近年来转化医学的发展，3D打印技术在医学领域已开展相关的临床应用研究，包括骨科［2］、神经外科［3］等领域的医学建模。由于图像后处理软件的不断进步，通过CT、MRI和超声图像构建3D模型已变成可能，国外已有使用CT图像构建3D先天性心脏病（先心病）模型应用于辅助诊断和医学教学的研究报道［4-5］。CT有较高的空间分辨率和更薄的重建扫描层厚，较适合于医学图像建模以及定量分析。国外学者报道沃尔特里德陆军医疗中心放射科2003年起至今已完成了8000例3D打印建模，其中7500例以上使用CT DICOM图像［6］。但CT辐射剂量一直是人们关心的问题，国外已有儿童CT检查致癌风险的报道［7］。是否能够使用磁共振图像代替CT图像用于建模是目前面临的一大难题。磁共振图像建模的劣势包括空间分辨率及层厚的选择不及CT；但磁共振有较高的软组织分辨率。本研究的目的是通过磁共振不同扫描序列的对比克服磁共振图像医学建模的劣势，应用3D打印技术构建儿童心脏模型，探讨磁共振成像在3D打印先天性心脏病心脏建模中的价值。

方 法

1.MRI检查方法

1例1岁零3月，女性患儿，心率105次/ min、体重10.5kg，在1.5T磁共振系统上完成检查（Achieva 1.5T，Philips Medical System， The Netherlands）。采用8通道Torso并行采集体线圈；体位：仰卧、头先进；磁共振序列扫描序列有对比增强磁共振血管造影序列（contrast enhanced magnetic resonance angiography， CE-MRA）和三维稳态自由进动序列（three dimension steady state free processing， 3D-SSFP，飞利浦磁共振上即为三维平衡式快速场回波，three dimension balancedturbo field echo， 3D-B-TFE）。CE-MRA为三维快速扰相位梯度回波序列，扫描参数如下：TR2.0ms，TE1.1ms，层厚2.0mm，视野（280×260）mm，反转角40°，体素1.3 mm×1.3 mm ×1.4mm，重建体素0.76 mm ×0.76mm ×1.40 mm，采集矩阵248×254，采集带宽51.8kHz，共采集3次，总图像采集时间30～40s。3D-B-TFE扫描参数如下： TR 4.7ms；TE 2.4m；反转角110°；采集带宽238.8kHz；Fov280×260mm；体素1.3 mm×1.3 mm×0.85mm，重建体素0.76 mm ×0.76mm×1.40 mm矩阵184×86；采集次数1；采用膈肌导航技术减少呼吸伪影。造影剂选用钆双胺注射液，剂量0.4ml/kg，流率依据体重采用0.6ml/s。注入4.0ml对比剂并注入6ml生理盐水。

2. 软件处理

Mimics医学图像软件能处理CT，MRI的DICOM格式文件，能对图形可视化分割提取，对医学图像数据进行定量的分析。选择动态区域生长法来进行图像的预处理，运用Mimics菜单栏内动态区域生长选取相应的兴趣区对整个序列的CT图像进行渲染调节最大值和最小值，来显示磁共振中高信号数据的预分割情况（图1）。Smart Expand模块对图像进行膨胀处理，扩展图像后填充空隙构建成三维蒙板图像。平滑处理中要注意平滑的强度和频次不宜过度改变整体的解剖结构。由于磁共振的图像层厚比CT厚，在建立心脏3D模型后先进行包裹处理，填充3D模型后再进行抽壳处理保留1mm的面片表面厚度。经过和心血管影像医生讨论后决定通过一个斜切面裁减左右心室来显示腔静脉的梗阻和扩张情况，剪裁后将图像保存为光固化立体造型术（STL，Stereolithography）格式。

3. 打印流程

将STL格式数据导入Stratasys公司Objet 260 3D打印机操作系统，检测3D模型；选用Med610生物相容性透明材料；数小时后打印模型即可完成。取出模型后；浸入10%浓度的氢氧化钠中10min进行水洗操作清洗支撑材料；经磨光加工处理即完成3D心脏模型的打印的整个过程，图像分割建模时间为90min、打印时间根据模型的大小一般需要5h左右。

结 果

在医学模型中能清晰显示此患儿心脏舒张末期右房内隔膜梗阻情况以及梗阻位置与周围结构的空间位置关系，软圆孔房间隔缺损5.8mm左右。在手术中可见：右房壁近下腔静脉口处局部的内膜增生，质硬，并形成狭窄环。软圆孔房间隔缺损扩大至6mm左右。模型显示的解剖结构与术中所见基本一致（图2）。

讨 论

图1　A.分割冠状位的CE-MRA图像。B. 分割冠状位的3D B-TFE图像。C. 使用多模板分割横断位3D-B-TFE。

图2　通过一个斜切面后能清晰的显示心脏内部结构（包括上腔静脉SVC；主动脉AO；右肺动脉RPA；左肺动脉LPA；右心房RA；下腔静脉IVC；软圆孔型房间隔缺损ASD；黑色尖头为隔膜梗阻位置。）

先心病是指胚胎发育心脏和大血管形成畸形心血管结构及功能产生的实际或潜在影响的一组先天畸形，是我国的首位出生缺陷疾病［8］。我国每年新增先心病约15万例。目前我国先心病的发病率约为4‰～8‰。3D打印技术现已成为构建医学辅助模型的主要技术手段，其在医学诊断设计手术方案、个性化可植入材料的定制、临床医学的教学中都有广泛的应用［9］。3D打印技术可以构建1︰1的心脏物理模型，可360°观察大血管畸形的解剖结构模型。研究提供了一种磁共振扫描方案用于构建三维先天性心脏病心脏模型方法，降低了在CT扫描过程中电离辐射对儿童的伤害。国内外文献建立3D的心脏模型多使用CT的DICOM数据，其重建薄层图像层厚为0.625mm，已可构建不同类型的心脏模型［10］。而本次研究探讨对比不同种类磁共振序列在三维医学建模中的应用，提供了一种医学建模图像数据的新思路。本影像中心自2015年6月份安装3D打印机以来，已完成13例CT图像和1例MRI图像的3D先天性心脏病打印模型，包括肺静脉异位引流、右室双出口、肺动脉吊带等，对于复杂先天性心脏病及其亚型分类的影像学鉴别诊断有着重要的临床价值。外科医生可以基于心脏模型设计个性化的、低风险的手术方案。

图3　3D打印建模流程图。

三维稳态自由进动序列和对比增强磁共振血管造影序列皆为梯度回波序列，是0.7～2.0mm各向等体素、无需对比剂的“白血”序列。具有良好的血池-心肌对比度、少运动及呼吸伪影的特点［11］。流动的质子信号为高信号、静止的质子呈低信号，通过在X、Y、Z轴三个方向施加相位重聚梯度，实现信号的稳态和较高的信噪比。快速三维扰相梯度回波T1加权序列通过磁共振对对比剂在血管中达到最高浓度时进行数据采集，其对扫描时间和K空间的填充方式有一定的要求［12］。特别在使用区域生长方法提取图像时，由于血池-心肌对比噪声比较低，目前的CE-MRA扫描参数及对比剂选择都无法有效的分割提取出准确的血管边界［13］（图1）。而心肌无论在平衡稳态自由进动还是对比增强序列中皆为等信号。本项研究中，需要观察隔膜梗阻的位置和周围结构的关系，图像建模中在血池分割的基础上进行虚拟包裹，并未完全呈现乳头肌和肌小梁的解剖结构。

心脏磁共振扫描技术不同于其他脏器的图像采集，其长期保持有一定规律的高速运动，儿童先心病的心率保持在120次/min。通过前瞻性心电门控技术，可以在收缩末期进行心脏磁共振的数据采集，成人心脏静止的时间分辨率在50～120ms［14］，儿童心率更快，相比成人收缩末期更短。磁共振序列是在若干个心动周期数据采集后的总和构成K空间的完全填充。同时心脏位于隔肌上方，随呼吸运动进行上下运动，在心脏磁共振扫描中还需要应用呼吸导航回波触发技术，其原理是通过右肺下叶与肝脏的信号差异触发扫描，施加选择性激发脉冲经信号差异定位隔肌位置，减少呼吸伪影。随着磁共振快速采集技术的发展，磁共振已能够提供等体素、薄层的影像数据用于3D打印的图像分割和建模设计。

目前3D打印在国内还是属于新兴学科，在学科发展的过程中还存在很多问题。首先，三维辅助模型设计并非正规的医疗收费项目，大部分的医学建模和打印都由相关医学图像处理公司完成，各家单位未能有效的统一设计方案和规范化培训的研究人员。其次，3D打印的原始图像皆来自影像科的CT和磁共振扫描数据，但影像诊断使用的影像资料并非完全达到医学三维建模的标准。不规范的影像资料建模可能会得到无临床价值的三维模型［15］。2013年北美放射学年会上发起了3D打印教育计划，确认其为学会的一个分支，其中放射科医生在医学图像处理以及3D模型应用于影像诊断和教学中都扮演重要的角色。同时3D打印模型的质量控制也逐渐受到国外研究人员的重视［16］（图3）。随着数字医学产业的发展以及更多医学3D打印中心的建立，以上的问题将会逐步解决。

综上所述，3D打印技术将成为传统影像学和解剖学之间的桥梁。由于医学图像分割算法的局限性，现阶段对于瓣膜、冠状动脉等微小解剖结构的模型打印还存在一定的缺陷。未来通过多模态的图像融合技术将超声、CT、磁共振等影像数据结合，最终能够构建完整的心脏模型。总而言之，3D打印技术在医学领域的应用才刚刚起步，将来会开拓出更广阔的发展空间和临床价值。

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HU Li-wei1， BAI Kai2， ZHONG Yu-min*1， SUN Ai-min1， WANG Qian1， LIU Jin-long3， ZHU Ming1

3D printing technology； Congenital heart disease； MRI

The Fund of Shanghai Municipal Health Bureau No.20134306.The Innovation Project of Shanghai Jiao Tong University School No.YG2015QN25.The Emerging Frontier Technologies Project of Shanghai Hospital No.SHDC12015128

R814.42

A

1006-5741（2016）-04-0356-05

2016.01.17；修回时间：2016.03.04）

中国医学计算机成像杂志，2016，22：356-360

1上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心影像诊断中心

2上海交通大学医学院附属新华医院胸外科

3上海市儿童先天性心脏病研究所

通讯地址：上海市东方路1678号， 上海 200127

钟玉敏（电子邮箱：zyumin2002@163.com）

共同通信作者： 白凯（ 电子邮箱：kaibai311@hotmail.com）

上海市卫生局课题，No.20134306

上海交通大学科技创新专项项目，No.YG2015QN25

上海市级医院新兴前沿技术项目，No.SHDC12015128

Chin Comput Med Imag，2016，22：356-360

1 Diagnostic Imaging Center， Shanghai Children’s Medical Center

2 Cardiothoracic Surgery，Xinhua Hospital

3 Shanghai Institute of Pediatric Congenital Heart Disease

Address:No.1678 Dongfang Road.，Shanghai 200127，P.R.C.

Address Correspondence to ZHONG Yu-min（E-Mail:zyumin2002@163. com）.BAI Kai （E-Mail:kaibai311@hotmail.com）is a co-corresponding author of the paper.