基于3D打印的医学三维重构软件系统的精度研究*

刘子凡，许苑晶，柳毅浩，刘非，张敏，王文豪，邓迁，顾越兴，戴尅戎，王金武，△

(1.西南交通大学医学院，成都 610031；2.上海交通大学生物医学工程学院，上海 200030；3.上海市骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海 200011；4.上海昕健医疗技术有限公司，上海 201800)

1 引 言

医学影像可为临床医生诊断病情提供诊疗依据，传统的医学影像技术包括X线、CT、MRI等,输出的为二维图像，不便于立体观察[1]。医学图像三维重构技术通过组合医学影像设备输出的切片数据，重构出三维图像模型，被广泛应用于医学教学、诊断、手术、仿真模拟等领域[2-3]，为医生提供更逼真的显示手段和定量分析工具[4]。三维重构技术主要分为体绘制和面绘制[5]，体绘制以体素为单元，重构时遍历数据集、计算量大、耗时长，面绘制通过几何单元拼接，重构速度快、计算时间短[6]。

重构精度是评价医学图像处理软件的核心指标，受阈值选择影响产生的“哑铃效应(Dumb-bell Effect)”是造成重构误差的主要原因[7]。体模作为CT和MRI设备成像质量的标准检测工具，广泛用于医学影像设备的质量研究[8-9]，其中Catphan 500型体模被国内的计量、质控部门广泛使用[10]，其材料为有机玻璃，具有机械强度较高、耐高温、耐腐蚀、易加工等优点。因具备较高的准确性和稳定性而成为评价图像设备成像质量的标准验证设备[11-12]，同时也应用于CT成像算法、参数选择的研究[13]。本研究通过比较体模实体的尺寸和使用Arigin3D Pro系统重构的模型的测量尺寸，定量分析Arigin3D Pro(昕健医疗，中国)的重构精度和稳定性。

2 材料与方法

2.1 体模的准备

2.1.1体模加工与制作 重构软件适用于CT和MRI两种医疗设备生成的医学影像，分别制作两种成像设施的测试体模。由于CT和MRI的成像特性不同，CT体模分别设计了方形、圆柱形和塔形三种形状，见图1；MRI体模形状设计为球形。体模的材料为有机玻璃，采用铣削和车削的工艺进行加工，加工精度为±0.05 mm。

2.1.2扫描体模 CT和MRI如扫描参数不同，图像质量差别很大，为更好地对重构结果进行分析，扫描数据设置了统一的协议技术参数。

(1) CT数据扫描

在CT扫描过程中，为了验证软件处理数据的通用性，选取了Siemens SOMATOM Definition Flash(西门子，德国)、PhilipsBrilliance 64排螺旋CT(飞利浦，荷兰)和联影uCT 530(联影，中国)三种品牌的CT，每台机型的具体扫描参数，见表1。分别对方形、圆柱形和塔形3种体模进行扫描，共得到9组扫描数据，以DICOM格式保存。

图1 不同形状的体模实物图

表1 3种品牌的CT扫描协议技术参数Table 1 Technical parameters of three brands CT scanning protocols

(2)MRI数据扫描

选取联影uMR 780核磁设备(联影，中国)对球形体模进行扫描，其扫描参数见表2，得到1组数据，以DICOM格式保存。

表2 联影MRI扫描协议技术参数

2.1.3重构三维模型 将扫描的DICOM数据导入重构软件，并对数据进行阈值分割、区域增长等预处理，进行分割重构，见图2。重构结束后，以.stl格式导出保存。

图2 Arigin 3D Pro软件重构不同形状体模数据界面图

2.1.4模型测量 使用游标卡尺测量不同形状体模实物，使用Geomagic Wrap(3D system, 美国)自带的尺寸测量功能测量重构模型的固定参数，每个参数测量3次，记录并计算平均值。

2.2 模型测量

本研究使用Arigin 3D Pro对不同体模进行重构。通过抽签随机选取重构经验为初级(重构经验≤1年)、一般(重构经验为2～3年)和丰富(重构经验≥4年)的操作者各1名，对9组CT和1组MRI扫描数据分别进行重构，每组数据均重构3次，且每次重构均使用Geomagic Wrap测量参数3次。操作者1、2、3的重构经验分别为无、3年和5年。实体测量与重构模型测量均由同一个人操作。

2.3 测量指标

(1)方形体模：长(mm)、宽(mm)、高(mm)；

(2)圆柱形体模：直径(mm)、高度(mm)；

(3)塔形体模：塔基直径(mm)、塔基高度(mm)、第一层直径(mm)、第一层高度(mm)、第二层直径(mm)、第二层高度(mm)；

(4)球形体模：内直径(mm)。

2.4 统计学处理

应用IBM SPSS 20.0统计学软件和GraphPad Prism 8 数据处理软件进行统计分析并绘图。使用Kolmogorov-Smirnov检验判断计量资料是否为正态分布。其中多组之间的比较判断是否同时满足方差齐性，若满足，则使用单因素方差分析进行比较；若不符合正态分布或不满足方差齐性，则采用Kruskal-Walls检验进行多组之间的比较。P<0.05认为差异有统计学意义。

3 结果

3.1 软件重构模型的精度

本研究通过分析实体模型与软件重构模型各参数之间的误差，评价软件重构的精度。

表3 实体模型与重构模型各测量参数的误差分析

由表3可知，软件重构模型与实体模型均有一定的误差， CT重构相对误差的绝对值范围占实体模型的0.09%～1.28%，MRI重构相对误差为0.09%。

3.2 软件处理CT扫描数据的通用性

本研究使用了飞利浦、联影、西门子3种品牌的CT设备进行数据扫描，分析软件重构不同品牌扫描的数据是否具有差异性。为避免由人为因素引起的误差，本研究以塔形重构模型为例，选择任意1名操作者的数据进行分析，结果见图3。

图3 软件重构不同CT品牌扫描体模数据的差异性

由图3可知，不同品牌CT重构的模型参数范围中，最小为第二层高度参数误差0.11 mm，最大为塔基直径参数误差1.21 mm。对不同CT品牌重构的塔基直径参数进行组内相关系数计算，ICC=0.930>0.75，有较高的一致性，因此，该软件处理CT扫描数据时不受设备品牌的限制，具有通用性。

3.3 操作者多次重构三维模型的组内差异

本研究中3名操作者均对同一形状的体模分别重构3次，且每次重构均测量3次，通过分析同一体模各重构模型间参数的差异，评价软件重构模型的稳定性。为避免因不同CT品牌扫描数据引起的误差，本研究以方形重构模型为例，并选择任意一名操作者的数据进行分析，结果见图4。

由图4可知，方形体模的长、宽、高三次重构之间均有一定的误差，最大值为方形模型的长度参数误差0.82 mm，最小值为宽度参数误差0.56 mm，组内差异占实体模型的0.56%～0.82%。

3.4 不同操作者重构模型的组间差异

本研究选择3名不同专业背景且对软件的使用时间和熟练程度各异的操作者，通过分析不同操作者重构结果的差异来验证该软件的普适性。

首先分析操作者1、操作者2、操作者3各自重构出的模型与实体模型之间的相对误差，见表4。

图4 方形体模各重构次数间参数的比较

表4 3名操作者的偏差分析结果

由表4可知，3种形状的重构模型与实体模型之间存在一定的误差，操作者1的偏差范围为0.34%～1.05%，操作者2的偏差范围为0.07%～1.15%，操作者3的偏差范围为0.18%～1.37%。进一步分析3名操作者之间在重构模型时是否具有差异，见表5。

表5 操作者1、操作者2、操作者3之间的组间比较

由表5可知，无论重构哪种形状的体模，3组之间均有参数具有统计学差异，为分析具体哪两组之间不同，需进一步做两两比较分析。本研究每个形状的参数若符合正态分布，则采用单因素方差分析中的LSD法进行多重比较分析；若参数若不符合正态分布，则采用Kruskal-Wallis检验中的两两比较法(Pairwise Comparisons)进行分析。计算发现，方形体模的高、圆柱形体模的高和塔形体模的塔基直径不满足正态分布，限于篇幅，选择这三个参数进行分析，结果见图5。两组之间的具体比较值，见表6。

由图5和表6可知，在方形、圆柱形和塔形体模的数据中，对操作者1与操作者3进行比较时，差异均有统计学意义，而对操作者2与操作者3的数据进行两两比较时，差异均无统计学意义；当比较操作者1与操作者2时，差异在方形和圆柱形体模中有统计学意义。

表6 操作者1、操作者2和操作者3之间的两两比较

图5 操作者1、操作者2和操作者3在不同形状体模之间的两两比较

4 讨论

本研究使用医学重构软件Arigin 3D Pro进行研究，根据体模的材质使用固定阈值-155～1 000，避免了阈值变动引起的误差，有利于结果比较。为了减少测量点的选取误差，参考CT设备质量体模标准检测方法，采用Catphan体模参数测量，并将其作为标准实体模型用于对比。

通过Arigin 3D Pro重构出四种形状的三维模型，与相对应的实体模型进行测量参数的对比，排除客观的机器扫描误差后，重构模型与实体模型存在一定的偏差，偏差不到实体模型的2%，相对模型的整体尺寸而言，该误差可忽略，表明Arigin 3D Pro可重构出比较精准的三维模型。以往研究也表明，Arigin 3D Pro与医疗行业同类软件相比，重构精度相当[14]。此外，本研究重构了不同品牌的CT扫描数据，ICC显示有较高的一致性，因此，该软件适用于不同品牌扫描的数据，具有通用性。

本研究在验证过程中任意选取一名操作者，研究发现不同重构次数的结果存在差异，但对于整体模型而言，组内差异极小，实际操作中可以忽略。此外，本研究发现不同操作者之间重构的模型具有统计学差异，导致差异的因素可能与操作者的重构资历有关，操作者的重构经验越丰富，重构出的模型越一致。

综上，本研究从定量评价角度出发对Arigin 3D Pro医学重构软件的精度和稳定性进行评价，反映了Arigin 3D Pro软件可重构出精准模型的特点，为后续在临床中的应用奠定了基础。