三维断层扫描数据实体化辅助诊疗云平台的应用

王伟静，王一丁，李林颖，邱兆文

（东北林业大学信息与计算机工程学院，哈尔滨　150040）

三维断层扫描数据实体化辅助诊疗云平台的应用

王伟静，王一丁，李林颖，邱兆文

（东北林业大学信息与计算机工程学院，哈尔滨150040）

本文介绍了三维断层扫描数据实体化辅助诊疗云平台的设计与应用。该云平台主要功能模块包括用户管理模块、三维重建模块、3D打印模块和案例检索模块。通过该云平台，用户可以远程提交计算机断层成像（Computed Tomography，CT）数据，根据用户提交的CT数据进行三维重建处理，将CT成像转换为3D打印设备能接受的模型文件。该云平台可用于病情诊断，医患沟通，手术规划及术后评估等。最后介绍了该云平台在哈医大三院（肿瘤医院）、哈医大四院等医院成功投入应用的详细案例。

CT；辅助诊疗；三维重建；3D打印

0　引 言

3D打印技术，也称作“立体制造”或“快速原型制造”，是一种使用塑料或者金属等原料将数字设计转换成3D实物的新兴快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术［1］。随着医学事业的发展，CT技术也已成为临床医学的重要成像手段。3D打印技术与CT技术的结合实现了扫描、数字化和实体对象理想生成。经过对3D技术在医疗领域的不断研究，已取得了重要的进步成果。美国国家儿童医院医学中心利用3D打印机成功打印出首个患者的心脏模型［2］，对医生在术前准确掌握患者心脏结构提供了进一步的帮助。国内利用3D打印构建人工骨骼的技术正日渐趋于成熟。Jiankang等利用CAD、CAE、CAM技术，构建出一种新型的复合半膝关节［3］，成功为病患安装复合半膝假肢。3D打印成本低，制造过程简洁高效，使影像图形实体化，简化了医疗过程，降低医生对医疗软件的依赖性。然而，第三次科技革命的不断深入使全球制造业已经跨入数字化、网络化、智能化时代，国内外也已将3D打印技术与云平台相结合并应用于医疗领域，只是迄今为止仍处于起步阶段。

本研究专注于通过东北林业大学三维数字化研究所的优势平台，利用云服务平台的便捷高效，建立一个三维断层扫描数据实体化辅助诊疗云平台，拓宽3D打印技术在医疗领域的应用途径，使对病患的CT影像的三维重建、模型转换、3D打印更加高效，以推动与哈市各大医院之间的三维重建合作，提高3D打印在医疗领域的生产、制造效率。

1　研究系统交互设计

该系统从直接用户角度出发，形成的交互设计如图1所示。

基于云服务平台的3D打印交互系统设计，在新型制造业的背景模式下集知识化、智能化以及信息化等特点于一身，基于患者病灶进行一对一打印的特性使该过程由生产型制造转变为服务型制造，这要求在设计中充分考虑用户的个人因素以及个人隐私。结合网站设计中的友好型用户界面的要求，研究采用当前主流的DevExpress界面控件导航设计，以当前主流的扁平化设计修饰各为患者病灶构建的3D模型。

图1　交互设计Fig.1 The interactive design

在用户界面设计为用户带来亲切感的同时，数据库的选择与设计成为了研究项目的又一重点。基于研究项目仍处于初级阶段的现实状况，项目充分考虑了医疗过程中用户群大，群体特征复杂的特点，与医院各方达成一致，由院方提供病人的主治医生相关信息的接口，使项目系统与医院通过特定通道接口进行交互。因此，研究中使用MySQL为数据库管理系统，其开放源码的优势降低了网站开发总体成本，所表现的轻量性也基本满足了项目研究需求。

云服务平台提供了用户上传及下载请求数据的存储空间，不仅支持CT数据和三维模型管理，运行管理等多维度一体化管理，还支持海量设备运行数据，包括对三维模型的高效存储和个性化检索，同时云服务平台支撑基础数据的历史时态模型，有助于实时追溯各患者的历史数据模型。

2　研究系统概述

2.1需求分析描述

通过前期需求分析，项目系统中主要涉及的用户有3类，分别是：病患、主治医生、管理员。用例图表示如图2所示。其中，管理模块子系统用例图则如图3所示。

图2　系统用例图Fig.2 The system use case diagram

图3　管理模块子系统用例图Fig.3 Management module subsystem use case diagram

2.2功能模块设计分析

经过对需求分析研究，云服务与3D打印服务的综合分析，对交互设计成果的适用性分析，以SSH架构搭建基础设计（Struts+Spring+Hibernate），利用Java语言实现功能模块，结合HQL查询语句编程，使用MYSQL数据库管理数据。项目中三维断层扫描数据实体化辅助诊疗云平台4个模块功能分别如下：

1）管理模块。此模块实现用户注册、登录、提交数据、浏览三维重建结果、在线支付等功能，用户在使用本系统但未注册时可浏览研究中已经获得的优秀成果，以发挥公荐宣传作用。经过注册登录成为直接用户，可参与提交CT模型，下载经过处理的三维重建模型并获取3D打印实体。其中的在线支付途径完成收费功能，与信用卡、储值卡、支付宝等多种支付方式绑定。

2）三维重建模块。对CAD模型实现三维重建，生成三维可视化结果和3D模型文件。该模块涉及的即由CT模型转换为STL模型，但是由于CT系统自身分辨不足，相应地就会存有伪影残留等不利因素的影响。在实际处理中，可通过不断的人机交互来修正目标以提高重建准确度。因此，进一步提高自动化方法的建模质量和人工修正的自动化水平将成为亟待解决的问题。

3）3D打印模块。将3D模型文件加工处理，打印出3D实体模型。通过该模块打印出的3D模型可由用户自主选择获取方式，包括邮寄给本人、交由患者就诊医院处理。

4）案例检索模块。该模块针对用户群体设计，支持关键字检索、基于内容的检索和个性化检索等多种检索方式，旨在提升各医院间信息共享水平，增进医生对各类患者的了解和掌握程度。并且，还可通过一定的权限设置，使用户能够检索到在约束条件下的合理数据模型。

3　项目关键实现过程

本研究项目中开发实现了CT影像处理转换为STL模型的主要技术过程。CT扫描技术涵盖了投影数据采集、数据校正和三维图像重建3个过程，最终得到被扫描的三维重建图像，而3D打印的标准输入是以三角网格表示的物体STL模型。从三维重建图像到最终的待打印STL模型，其中涉及的数据处理和格式转换过程则是本研究中的重点与关键。整体过程描述可如图4所示。

图4　CT技术与3D技术的结合过程Fig.4 CT technique combined with 3D process

在该过程中，三维重建图像又可细分为：三维图像处理、三维建模、三维模型处理。具体过程如图5所示。

图5　三维重建图像过程Fig.5 3D reconstruction image process

根据三维重建过程，项目中把从云端获取到的CT数据导入TM_MTS软件，对目标对象进行处理，再将重建后的数字模型文件导出，即STL模型文件，STL模型是3D打印设备的通用接口格式，以小三角形面片的组合来拟合三维实体（如图6所示）。进而将数字模型文件导入UDo光敏树脂打印机配套的3D切片软件，通过软件支持对目标文件去噪、剪切、加支撑［4］（如图7所示）。最后利用UDo对3D模型切片文件输出（如图8所示）。打印材料为光敏树脂。三维模型构建完成后，将被传送至云平台，用户则可通过移动互联网终端在线浏览三维可视化结果。

图6　CT机器上的成像结果Fig.6 Imaging result on CT machine

图7　三维重建的结果Fig.7 3D reconstruction result

图8　3D打印的实物Fig.8 Object of 3D reconstruction

4　结束语

本研究项目中的三维重建可视化结果和3D实体模型与二维CT图像相比能够提供更丰富、更直观的病灶信息。医生可以通过云平台进行远程会诊，使诊断结果更为准确，降低了误诊率，也方便了医患之间的沟通和交流，帮助病人增强对手术的信心。同时，云平台中存储了大量手术案例，利于医生在其中简捷检索到有代表性的相关手术案例，应用于手术教学，进行虚拟模拟手术，对外科医生技术水平的提升必将发挥重大有益的促进推动作用。

［1］伊万斯.解析3D打印机：3D打印机的科学与艺术［M］.程晨，译.北京：机械工业出版社，2013.

［2］BEYERSDORF F.There-dimensional bioptinting：new horizon for cardiac surgery［J］.European Journal of Cardio-Thoracic Surgery，2014，46（3）：339-341.

［3］JIANKANG H，DICHEN L，BINGHENG L，et al.Custom fabrication of composite tibial hemi-knee joint combining CAD/CAE/CAM techniques［J］.ProceedingsoftheInstitutionofMechanical Engineers，Part H：Journal of Engineering in Medianical，2006，220（8）：823-830.

［4］董庆，曹守强，赵桂彬，等.3D打印技术在非小细胞肺癌诊疗中的应用［J］.中国数字医学，2016（1）：87-90.

［5］朱虎，杨忠凤，张伟.STL文件的应用与研究进展［J］.机床与液压，2009，37（6）：186-189.

Application of aided diagnosis and treatment cloud platform in three dimensional tomography data entity

WANG Weijing，WANG Yiding，LI Linying，QIU Zhaowen
（Information and Computer Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

This paper introduces an application and design in the research，which aims to aid diagnosis and treatment cloud platform in three dimensional tomography data entities.The main function module includes user management，three dimensional reconstruction，3D printing and case retrieval in this application.Users can remotely submit the computed tomography data（Computed Tomography，CT）through this cloud platform，and according to the CT data reconstructs the three-dimensional image，in order to convert it to the model for which 3D printing equipment would be acceptable.The purpose of this application is to help doctors diagnose the patient’s disease，promote doctor-patient communication，plan surgery and evaluate the result after postoperative.Finally，the paper introduces the successful use of this cloud platform in the third hospital of HaYiDa（cancer hospital）and in the fourth hospital of HaYiDa.

CT；aided diagnosis and treatment；three-dimensional reconstruction；3D printing

TP391

A

2095-2163（2016）03-0062-03

2016-05-10

2015年度东北林业大学信息与计算机工程学院国家级大学生创业项目（201510225048）。

王伟静（1992-），女，本科生，主要研究方向：三维重建技术；王一丁（1995-），男，本科生，主要研究方向：云应用技术；李林颖（1995-），女，本科生，主要研究方向：3D打印技术；邱兆文（1974-），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：信息检索、机器学习、三维数字化技术等。