利用3D打印技术制作静脉血管模型的研究

陈更新 刘崇伟 王锦辉 殷 焱 皋 源 闻大翔

·论著·

利用3D打印技术制作静脉血管模型的研究

陈更新 刘崇伟 王锦辉*殷 焱 皋 源 闻大翔

3D打印技术是目前科研和商业领域的热点之一，可直接由CAD 数据快速精确的制造出复杂几何形状的产品。在医学上主要应用于医学模型、骨骼、器管和细胞打印。目前CT技术虽然可以通过软件实现三维成像，但难以用于手术模拟。3D打印技术的迅猛发展使得实体医学模型的获得成为可能。本文提出了基于CT扫描图片通过3D打印技术制作透明静脉血管模型的方法。该方法主要依据患者的CT切片图，通过MATLAB、CAD等软件建立血管的三维点云以及立体模型，并成功用3D打印方法制造出两种不同精密度的血管模型，还原真实的锁骨下静脉、颈内静脉以及头臂静脉的人体血管结构。此模型建立为锁骨下静脉穿刺置管术的手术模拟和改进提供了便利，同时该方法亦适用其他人体血管3D模型的制作。

3D打印 三维设计 血管模型

3D打印（3D printing）是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。可由CAD数据快速精确的制造出复杂几何形状的产品，真正实现无模制造，具有成型速度快、成型精度高、表面质量好，处理简单省时等优点。目前大量应用至航天、建筑、汽车、医疗等很多领域［1］。在医学上主要应用于医学模型、骨骼、器管和细胞打印［2-5］。本文提出的3D打印血管的方法是通用的，无论是何种血管，只要可以获取一组清晰的增强CT图，即可以按照该方法打印出仿真血管模型，对于疾病诊断与治疗有很大的帮助。

1 数据的采集

图1 CT血管切片图

自患者的肘静脉或手背静脉注入含碘造影剂后进行颈胸部增强CT扫描，从而使颈内静脉、锁骨下静脉及头臂静脉增强显影，从而得到增强CT血管扫描切片164张，同时利用CT机自带的后处理工作站软件，除去了血管周围的组织，得到了独立的血管切片图（见图1）。其中白色为血管，血管周围的黑色密度结构为脂肪组织。此CT图片采集自仁济医院放射 科2015年10月数据（患者女，38岁，身高165cm，体重68kg）。另外通过CT测量得到了167例患者的静脉血管数据，根据不同年龄段分组计算平均值，数据见表1。

表1 不同年龄段静脉血管参数

2 3D模型的建立

2.1 简化3D打印模型 参考表1数据作者利用UniGraphics建模软件［6］制作了一个正常静脉角模型（静脉角75°）和与其对比的一个极端静脉角模型（静脉角110°）。正常静脉角模型和极端静脉角模型中右锁骨下静脉直径为10mm，右颈内静脉直径为14mm，右头臂静脉直径为12.5mm。模型建立步骤：依照表中两组数据建立血管中心线的方程，由于血管曲率较小，此处以二次方程模拟。中心线方程为三部分，代表3条血管：锁骨下静脉、颈内静脉和头臂静脉。根据静脉血管的形状，取三条血管在同一个平面上，开口分别向下、向左和向右；并将血管稍作旋转，使得颈内静脉和头臂静脉交点处两条曲线共切线。在三中心线交点处填补圆柱之间的空隙，得到血管模型。打印出来的普通患者和肥胖患者锁骨下静脉穿刺血管实物模型见图2。

图2 静脉血管3D打印模型。A静脉角为75°；B静脉角为110°

2.2 仿真血管模型 为更加逼真地反应血管的形状，作者根据增强CT切片图构建了仿真血管模型。模型建立步骤：先将每一张CT图中血管进行一系列处理，提取边界，转化为一系列的散点；根据每张CT切片的间距将每组散点组合放置于同一坐标系中，在空间中形成点云［7］；再利用计算机辅助设计软件将点云重新组合成一个新的柱面；将柱面加厚，得到仿真血管模型。从切片图到散点是图片数字化处理过程，要取出有效的点坐标，也就是点云；从点云到立体图是一个逆向工程。从CT图片到散点的过程中经历步骤见图3。以其中的一张CT片（如图1）为例，相关变化见图4。原始CT片（见图1）周围有相关数据记录，所以先将其剪切掉排除干扰；此时血管为白色（图4A）。黑白互换得到反相图（图4B），因为黑色图像处理更加方便；此时血管为黑色。纯化目标是遍历每一个点，将其中非黑色的点全部变成白色，使黑色的血管更加突出（见图4C）。然后利用MATLAB函数库中的算法［8］，获取黑色血管的边界（见图4D），此时图片自动被黑白反相所以需要再次反相得到黑色的血管轮廓（见图4E）。从散点至点云过程利用了MATLAB软件的scatter3d函数，建立点云见图5。获得点云后，利用中望CAD+计算机辅助设计软件［9］，根据点云数据重新构造相应血管的完整曲面。利用“蒙皮”功能，其原理是利用一个较大的柱面不断收缩，直至与散点接触，从而得到了散点的外围形状。获得面之后，利用Powershape软件对面进行“润化”处理，即使模型的面与面之间过度更加平滑。之后使用“加厚”功能，此处认为血管的厚度是均匀的，将柱面向外平行扩展，将无厚度的柱面转化为有厚度的空心柱体，最终的三维血管模型见图6。得到血管模型以后，将文件以.stl格式输出至3D打印机，即可打印出3D打印实物，见图7。打印模型强度较好，光透明性很好，经人工抛光之后可以达到完全透明。

图3 CT图片处理流程图

图4 从CT图片到散点设计过程：A剪取CT片中间部分；B反相图（黑白互换）；C纯化目标；D获取边界；E再次黑白反相

图5 点云的三维显示

图6 静脉血管仿真模型

图7 3D打印血管模型。A正视图、B侧视图、C俯视图

3 讨论

3D打印主要分为三个步骤：三维设计、切片处理和打印。三维设计是指通过计算机建模软件建立三维模型。3D打印模型的标准文件格式是STL文件，使用三角面来近似模拟物体表面。三角面越小，其生成的分辨率越高。切片处理和打印两个步骤是利用现有的3D打印机完成的。

以本文所用激光SPS600B快速成型机为例，其所用打印材料为透明光敏树脂。首先打印机读入STL文件，对模型进行从下向上切片，将三维模型分解成多个二维截面。根据二维截面轮廓要求，在计算机控制下，沿树脂槽中盛满液态光敏树脂的液面进行扫描，并用紫外激光快速固化扫描区域，从而得到该截面轮廓的树脂薄片，然后工作台下降一层切片的厚度，已经固化的树脂薄片被一层新的液态树脂所覆盖，再进行扫描固化，新的固化层与前一层粘结在一起。这样的过程重复进行直至样品完整成型。最后取出样品进行清洗，二次固化及表面处理即可。

锁骨下静脉置管术能够直接快速有效的输入大量液体进入血液循环，尤其在手术室危重患者的输液、抢救及中心静脉压检测等方面起到了极其关键的作用，因而目前得到广泛的应用［10-11］。由于右锁骨下静脉置管术手术风险相比左锁骨下静脉置管术较小，使用更多［12］。但是穿刺异位率较高［13］。作者提出的磁铁引导法锁骨下静脉置管术可以明显降低穿刺异位率［14］。利用3D打印制作透明可视的仿真锁骨下穿刺静脉血管模型对探究磁引导锁骨下静脉穿刺术提供了较大便利，可以直观地观察导丝的走向。另外个性化3D打印的静脉模型亦可用于锁骨下静脉穿刺置管术的手术模拟［15］。

锁骨下静脉穿刺血管模型设计分为两种，分别是不同静脉角的简单血管模型设计和仿真血管模型设计。简单血管模型设计是将血管当作光滑的圆柱体，模型制作方便，获得了血管的基本数据后，使用普通三维设计软件就可以完成，可以根据需要设定静脉角；而仿真设计是依据164张CT扫描图片，还原度极高，可以真实地表现出血管的外观形态如血管表面的凸起、凹陷和细微的内径变化等。

从表1 中可以看出不同年龄段静脉血管参数有所不同。右锁骨下静脉直径平均值介于9.4~10.6 mm之间；右颈内静脉直径平均值介于12.5~14.2mm之间；而右头臂静脉直径平均值介于12.3~12.9mm之间。静脉角平均值介于73.3°~79.8°之间。表1结果与静脉角及附近腔内结构的解剖数据基本一致［9］。

图2为静脉角分别为75°的“正常”静脉角实物模型和110°极端静脉角实物模型。作者将此实物模型右锁骨下静脉处和透明人体模型胶结在一起，血管放置在人体模型上表面下方3.5cm处，水平距离锁骨1.5cm。锁骨下静脉在锁骨中点对应位置灼穿一个小孔，作为穿刺点。人体模型在穿刺点上方对应位置也灼穿小孔。小孔边缘打磨光滑，导丝伸入小孔内运动不会受到阻碍。将导丝经锁骨下静脉缓慢插入，可以清楚地看到导丝在静脉汇合处的走向。对于静脉角为75°的正常静脉角实物模型，导丝都基本向下进入了头臂静脉，而对于静脉角为110°的极端静脉角模型，导丝向上进入颈内静脉，发生穿刺异位。因此3D打印的静脉角模型可以深入地研究静脉穿刺情况。这对手术模拟或对锁骨下静脉置管术的培训均有所帮助。图7为精密度更高的静脉角实物模型。从三视图上可以清晰地观察到锁骨下静脉、颈内静脉和头臂静脉的表面形态，及其尺寸的变化。

综上所述，作者通过CT测量及增强CT切片图得到颈内静脉，锁骨下静脉及头臂静脉血管的相关数据，利用三维建模软件设计了静脉角分别为75°和110°的光滑血管模型以及完全根据CT片切片图得到的仿真血管模型，并利用3D打印机制作了透明的血管实物模型。

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3D printing is one of hotspots in scientif i c research and commercial area due to that any products with complex shapes can be rapidly and accurately manufactured. In medical domain，3D printing is used to fabricate medical model，bone，organ and cell. Nowadays three dimension pictures can be achieved with using Computed Tomography（CT）via professional software. However，it is diff i cult to simulate operation. In this paper we developed a method to prepare transparent vein models using 3D printing. The method was based on patients’ CT slice graphs，and a 3D point cloud model and 3D virtual model were fi rstly designed by software such as MATLAB and CAD，and then two kinds of vein models in different precision degrees were successfully fabricated by 3D printer. The vein models can clearly display the detailed structure of subclavian vein，internal jugular vein and brachiocephalic vein，and would help to simulate operation and promote the method of subclavian vein catheterization. Besides，the method can be easily employed to make other vein model.

3D printing 3D design Vein model

上海交通大学医工（理）交叉基金资助项目（YG2013MS39），上海交通大学本科生研究计划（PRP）资助项目（T072PRP28015）

200240 上海交通大学（陈更新 刘崇伟 王锦辉）200127上海交通大学医学院附属仁济医院（殷焱 皋源 闻大翔）

*通信作者