本发明属于医学模型技术领域，具体涉及一种基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型的制备方法。
背景技术：
MRI(磁共振成像)是一种利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体图像的成像技术。MRI是通过对静磁场中的人体施加某种特定频率的射频脉冲，使人体中的氢质子受到激励而发生磁共振现象。停止脉冲后，质子在弛豫过程中产生MR信号。通过对MR信号的接收、空间编码和图像重建等处理过程，即产生MR信号。MRI已在临床中广泛应用，MRI对诊断疾病具有很大的潜在优越性。磁共振最常用的核是氢原子核质子(1H)，因为它的信号最强，在人体组织内也广泛存在，MRI已应用于全身各系统的成像诊断，但效果最佳的是颅脑组织。
CT血管造影(CTA，CT angiography)是将CT增强技术与薄层、大范围、快速扫描技术相结合，通过合理的后处理，清晰显示全身各部位血管细节，已经成为临床的一种重要的诊断方法，其在介入治疗中起着不可替代的作用。血管造影在头颈部及中枢神经系统疾病、心脏大血管疾病、及肿瘤和外周血管疾病的诊断和治疗中都发挥着重要作用
颅内动脉瘤(intracranial aneurysm，IAN)是颅内局部动脉血管壁异常改变而产生的病理性囊性膨出，常见于大脑动脉环(Willis环)的动脉分叉处，是导致自发性蛛网膜下腔出血(spontaneous subarachnoid hemorrhage，SAH)的最常见原因。IAN破裂导致的脑出血是神经外科常见的危重症之一，其死亡率较高。如果不及时处理动脉瘤，两周内动脉瘤再破裂的发生率为25％，而其病死率会增加40％。其主要治疗方式为开颅动脉瘤夹闭术和介入动脉瘤栓塞术。
在神经外科开颅夹闭动脉瘤手术中，显微镜下夹闭颅内动脉瘤是标准的手术方式，由于大部分的颅内动脉瘤位于颅底大动脉交通或分叉部，位置很深，周围骨质、脑组织、血管关系复杂，当伴有动脉瘤破裂出血后颅内压增高，脑组织肿胀，动脉瘤与蛛网膜粘连紧密，有时还会被血块包裹，给定位造成了极大地困难，为充分暴露动脉瘤，牵拉脑组织及分离蛛网膜时极易造成动脉瘤再破裂，手术风险极大。因此，术前术者详细了解动脉瘤及其周围组织的解剖关系进而制定合适的手术方案极为关键。行开颅动脉瘤夹闭术时，术者必须对动脉瘤的解剖结构及周围组织的关系了然于心，虽然术前术者可以在工作站观察三维的脑血管成像，但是却无法观察到动脉瘤与周围骨质、颅神经及脑组织的毗邻关系，术中更是只能参考二维CTA图片，对手术者的空间想象力及记忆力要求极高，若出现很小的误差，也将会造成极大的影响，术前模拟手术入路是任何一名外科医师都向往的一种技术，有利于术前制定最佳的手术方案，避免不必要的手术损伤及并发症，提高外科医师的手术技巧，从而提高手术质量，保证患者的利益。随着信息技术的发展，我们已可以在计算机上重建颅脑结构，甚至进行一些复杂手术的模拟，但是在虚拟模型上缺乏真实的触觉反馈以及有效的实体感。因此，如何获得脑组织及血管三维复合实体模型使外科医生可以把它带到手术室作为一个术中导航工具，与术中情况参照对比，准确判断颅内血管与周围组织的关系，甚至术前结合模型完成术前讨论、模拟手术入路及制定手术方案，已成为研究的热点。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供一种在手术规划、术前评估、手术入路设计、手术模拟、临床教学中可以实际操作，且可多次重复使用的基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型的制备方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型的制备方法，包括以下步骤：
1)获取头颈部颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的影像数据；
利用核磁共振获取颅脑MRI原始影像数据，MRI原始影像数据为层厚1.0mm，采用CT对头颈部进行螺旋扫描，扫描参数为层厚0.6mm，管电压120kV，管电流量280mAs，视阈220mm，扫描矩阵为512×512，对比剂是碘海醇注射液350，注射流速为4.0ml/s，获得颅脑CTA原始影像数据，MRI及CTA原始影像数据以DICOM格式输出；
2)将获取的MRI及CTA原始影像数据导入到三维重建软件中，构建包含有颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的3D复合虚拟模型，并以3D打印机能够打印的格式输出至3D打印机进行3D模型打印，获得包含颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的三维实体复合模型。
进一步的，步骤2)中将MRI原始影像数据导入到三维重建软件中构建脑组织虚拟模型的过程如下：
a)将DICOM格式的MRI原始影像数据导入到三维重建软件Mimics中，以曲线图为基础选择合适的阈值范围；
b)根据脑组织灰度值，应用区域增长功能选择脑组织，重建脑组织三维虚拟模型；所述区域增长是指Mimics软件根据选择的像素范围进行计算，将相连的像素形成一体；
c)应用3D编辑工具去除与脑组织粘连的颅骨外软组织，进一步手动编辑模型去除剩余非脑组织部分，再次重建出脑组织3D虚拟模型。
进一步的，步骤2)中将CTA原始影像数据导入到三维重建软件中构建颅骨、血管及动脉瘤虚拟模型的过程如下：
a)将DICOM格式的CTA原始影像数据导入到三维重建软件Mimics软件中，根据颅骨及血管特有的灰度值，在视窗中调整图像的对比度，突出显示目标区域；
b)提取目标区域组织，重建3D虚拟模型；
c)应用3D编辑工具去除多余骨质、静脉血管系统及动脉远端细小分支，保留颅底骨骼、颅内动脉主干部分，输出3D模型工程文件为.bim格式；
d)进一步导入到Geomagic Studio软件，利用网格医生进一步进行平滑优化处理，获得颅骨、血管及动脉瘤3D虚拟模型。
更进一步的，步骤2)3D复合虚拟模型的复合过程为：将重建出的颅骨、脑组织、血管及动脉瘤三维虚拟模型导入Mimics软件，在同一坐标系中进行配准融合，获得包含有颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的3D复合虚拟模型。
优选的，步骤2)中3D打印机为光固化3D打印机；步骤2)中颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的3D复合虚拟模型中不同的组织采用不同的材料进行3D打印，其中颅骨采用坚硬的光敏树脂材料，血管及动脉瘤采用柔软度较高的光敏树脂材料，脑组织采用能够牵拉的软性材料。
更进一步的，在打印脑组织时，只打印一层厚1.5mm的软性材料外皮，软性材料外皮内部灌注液体硅胶。
一种基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型在手术规划、术前评估、手术入路设计、手术模拟、临床教学中的应用。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明通过获取的颅脑MRI及CTA影像数据，来制备颅脑3D实体模型，拥有极高的仿真度，使医生可以结合模型进行术前讨论手术计划、术前评估风险、手术入路的设计甚至术前手术模拟，本发明所制备的3D脑组织模型为可牵拉分离的液体硅胶脑组织，能够像实际手术中一样进行牵拉分离，外科医生将会更自信地完成手术，降低手术风险性。本发明的3D实体模型具有如下特点：
1、高效率和高仿真度
本发明的3D实体模型(包括动脉瘤等颅脑组织)便于携带，外科医生可以把它带到手术室作为一个术中导航工具，与术中情况参照对比，准确定位动脉瘤的位置及与周围组织的关系。3D实体模型能够帮助神经外科医师更好的理解动脉瘤的解剖(大小、朝向和瘤颈大小)，便于从各个角度观察与之相关的血管结构，同时可减轻手术医生的压力，保证手术顺利完成。
2、模拟手术
3D动脉瘤实体模型有助于制定最适合的手术入路和选择最佳的动脉瘤夹。它可以帮助神经外科医生来模拟手术操作，包括调整头部位置、颅骨钻孔、测量解剖数值和选择最短路径暴露动脉瘤。3D动脉瘤实体模型不仅让术者有一个直观的视觉体验，同时也让术者感受到一个真实的触觉体验。这些是二维图像无法提供的。后交通动脉瘤紧邻脑干而且操作空间很小，所以手术入路的选择比其他动脉瘤手术更为重要。对于后交通动脉动脉瘤模型，通过去掉枕骨来设计手术方案，方便术者在术前确定最好的手术入路。3D动脉瘤实体模型在多发颅内动脉瘤的手术治疗中也扮演着极其重要的角色。对于双侧动脉瘤，可以通过模型确定是否可单侧入路夹闭双侧动脉瘤，以求对病人的影响降到最小。选择单侧手术入路的原因取决于动脉瘤的朝向。如果动脉瘤朝向外侧、前部或后部，由于很难确认本来就暴露不清的瘤颈，因此，此时很难在对侧夹闭动脉瘤。在打印出3D颅内多发动脉瘤模型后，我们可以直观的认识到动脉瘤的朝向和瘤颈位置。巨大型动脉瘤夹闭术是一个具有挑战性的手术，只有在高年资的神经外科教授指导下才能完成。而且总是在术中反复更换动脉瘤夹，不仅延长手术时间，还会造成动脉瘤再破裂和血管撕裂的风险。3D动脉瘤模型拥有有弹性的动脉瘤部分，能够像实际手术中一样使用真实的动脉瘤夹进行夹闭，而且可以反复夹闭。尤其是巨大型宽颈动脉瘤，我们可以利用3D模型来评估动脉瘤夹应该放置在距离瘤颈多远的位置才不致于夹闭载瘤动脉。通过熟悉动脉瘤复杂的解剖结构及其与临近血管的关系，练习各种动脉瘤夹闭的手术技巧，神经外科医生将会更自信地完成动脉瘤手术。
3、适用性
目前，临床医学教育更多的还是以教师的口头陈述和图像模拟为基础。在计算机上观察动脉瘤三维虚拟图像时，往往缺乏真实的立体空间感，容易受到干扰。而3D动脉瘤模型能够很好地展现出整个颅内全貌的真实立体感，而且这些模型不受计算机屏幕的限制，可以任意角度、任何场景观摩，更可以带入手术室结合术中所见进一步加强医学生对动脉瘤疾病的认识，为实习生提供宝贵的教学资源。3D实体模型还可以作为与病人交代病情的工具和年轻住院医师的教学工具。可以为住院医师创造一个训练环境，可以了解手术入路，动脉瘤夹的选择及放置位置，动脉瘤的形状。这样的模型也能够激发神经外科医生产生对脑血管疾病的科学研究的新想法。此外，通过3D模型培训和评估手术技能将推进住院医师综合能力的发展。
4、定制化生产
根据需要，可以只打印整个3D实体模型的一部分，进行个性化定制以满足脑血管手术的不同需求，节省大量时间和成本。
具体实施方式
下面结合实施例对发明做进一步详细描述：
本发明是一种基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型的制备方法。本发明利用核磁共振及飞利浦256层极速CT对头部进行扫描，获取颅脑MRI及CTA影像数据，将获得的MRI和CTA影像数据分别导入Mimics软件中，重建出的颅骨、脑组织、血管及动脉瘤的三维复合虚拟模型，并导入3D打印机打印，实现包含脑组织、血管及动脉瘤的三维实体模型的制备。
本发明实施例以动脉瘤患者为例进行详细说明：通过Mimics 18.0三维重建软件三维复合虚拟模型，输入3D打印获得包含颅骨、血管、动脉瘤及脑组织的三维复合实体模型。
一种基于MRI和CTA的脑组织及血管实体复合模型的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：利用核磁共振获取颅脑MRI原始影像数据，MRI原始影像数据为层厚1.0mm，保存为DICOM格式；
CTA影像数据是采用飞利浦256层极速CT(Philips iCT 256，飞利浦电子公司，荷兰)进行无间距螺旋扫描，扫描参数为层厚0.6mm，120kV，280mAs，视阈220mm，扫描矩阵为512×512。应用的对比剂是碘海醇注射液350(上海通用电气药业有限公司)，注射流速为4.0ml/s。本发明采用了无间距螺旋扫描的方法，这样获得的影像数据将更加精确，后期重建的模型更加精确。
步骤2：将获得的MRI和CTA影像数据分别导入Mimics 18.0软件中，重建出颅骨、脑组织及血管的三维虚拟模型，并进行优化处理；
本发明中的MRI和CTA数据均来源于同一患者，如此不仅使模型具有更高的精确度，更减少了后期不同模型数据配准融合的难度。
MRI影像数据在Mimics软件中进行三维重建的过程为：
a)将DICOM格式的MRI原始数据导入到三维重建软件Mimics软件中，选择适合的滤波器Curvature Flow，将Time step设置为0.125，Number of iterations设置为5，应用Profile Lines功能跨过脑组织画一条剖面线，以曲线图为基础选择合适的阈值范围；
b)根据脑组织灰度值，应用区域增长功能选择脑组织，重建脑组织三维虚拟模型；使用Crop Mask工具将区域限制在脑组织周围，选择Region growing区域增长工具选取脑组织，并去除不相干像素，应用Erode功能消除脑组织与边缘软组织的部分连接，将number of pixels设为2，对所选区域进行2个像素的消蚀，再次使用Region growing区域增长功能选择脑组织，应用Calculate 3D功能重建脑组织三维虚拟模型；
c)应用Edit Mask in 3D工具去除与脑组织粘连的颅骨外软组织，选择Dilate膨胀功能恢复脑组织原有大小，选择High quality，应用Smoothing功能生成新的三维模型，进一步手动编辑模型去除剩余非脑组织部分，再次计算生成脑组织三维虚拟模型。
CTA影像数据在Mimics软件中进行三维重建的过程为：
a)将DICOM格式的CTA原始数据导入到三维重建软件Mimics 18.0中，应用threshold value获取动脉瘤患者CTA血管阈值，根据颅骨和血管的CT值，在不同视窗中调整图像的对比度，使血管及颅骨突出显示；
b)利用Thresholding阈值分割方法剔除颅骨周围的软组织及脑组织，分割血管和骨骼区域，采用Region growing区域增长去除非目标区域，获得目标区域组织，应用Calculate 3D功能重建血管及颅骨3D虚拟模型；
c)应用Edit Mask in 3D功能去除多余骨质、静脉血管系统及动脉远端细小分支，保留颅底骨骼、颅内动脉主干及动脉瘤部分，并输出保存3D模型工程文件为.bim格式，用于导入Geomagic Studio软件中；
d)3D模型工程文件导入到Geomagic Studio软件中，利用网格医生进一步进行平滑优化处理，应用布尔运算将颅骨及血管3D模型进行融合，构建包含有颅骨及血管的3D复合虚拟模型。
步骤3：将重建出的颅骨、脑组织及血管三维虚拟模型导入Mimics软件，在同一坐标系中进行配准融合，获得包含有颅骨、脑组织及血管的三维复合虚拟模型；
步骤4：将步骤3所获得的三维复合虚拟模型导入3D打印机中，选择材料，进行打印，获得需要的包含脑组织及血管的三维实体复合模型。
为了提高模型的精确度以及仿真度，本发明采用光固化3D打印机，颅骨选用坚硬的光敏树脂材料，血管及动脉瘤选用柔软度较高的光敏树脂材料，脑组织选择了可牵拉、分离的液体有机硅胶作为打印材料，以满足模拟手术的需求。
为了满足在模型上进行分离牵拉操作的需求，我们选择利用脑模具灌注液态有机硅胶的打印方法。首先打印出一层厚1.5mm的软性材料外皮，此为脑组织材料模具，然后以此脑模具为基础进行液体有机硅胶灌注。
通过本发明所述方法所获得的高精度硅胶脑组织及血管三维复合实体模型进行手术模拟的步骤如下：
步骤1：将模型固定于神经外科手术头架上，摆仰卧头侧位，头偏30-45°，颧部在上，顶部靠下；
步骤2：自侧裂区前段使用神经外科脑压板轻牵开额叶及颞叶，可见蝶骨脊，沿蝶骨脊向深部探查，可见大脑中动脉及其分支，再次往两侧牵拉额叶及颞叶，可见同侧颈内动脉、大脑前动脉及小脑上动脉，轻轻牵开颈内动脉，可见下方的后床突。
步骤3：暴露额底。牵拉额叶底面向上，可见颈内动脉分叉处和大脑前动脉A1段及前交通动脉，牵拉同侧大脑前动脉向前，向后牵拉额叶底面内侧，可见双侧大脑前动脉A2段。
步骤4：牵拉颈内动脉向外侧，可于颈内动脉后壁见后交通动脉、大脑后动脉及基底动脉。
基于本发明制备方法打印的基于MRI和CTA的脑组织及血管三维实体复合模型能够应用于手术规划、术前评估、手术入路设计、手术模拟以及临床教学中。通过本发明制备方法所获得的高精度硅胶脑组织及血管三维复合实体模型，尤其是本发明的可牵拉硅胶脑组织，与真实脑组织所带来的触觉反馈非常接近。本模型具有接近真实脑组织的脑叶及沟回，具有完整的大脑动脉环，后循环动脉及颅底结构(前床突、后床突、蝶骨脊、枕骨斜坡、岩骨)。通过本发明的三维复合实体模型可直观地观察动脉瘤与邻近的脑组织、其他主要血管及颅底骨质的关系，充分了解动脉瘤的瘤体朝向，并且可根据模型选择最佳的头颅摆放位置，充分暴露出动脉瘤的瘤颈部分，选择最适合的动脉瘤夹。术前结合模型完成术前讨论、模拟手术入路及制定手术方案，提高手术的成功率，同时降低手术的风险。
病例应用
某女性患者，颅内多发动脉瘤：1个位于前交通动脉，大小约为10mm×7mm×6mm，1个位于左侧颈内动脉C7段，大小约为5mm×5mm×4mm。我们使用该患者的头颈MRI及CTA原始影像数据(DICOM格式)打印了3D复合实体模型(当然，也可以只打印颅骨、血管及动脉瘤部分，而不打印脑组织部分，这样可以减少时间和成本)并进行模拟手术入路，经过观察发现前交通动脉瘤朝向前上方，颈内动脉C7段动脉瘤朝向外侧，与载瘤动脉关系密切，经讨论确定采用左侧扩大翼点入路，在模型上进行模拟分离动脉瘤瘤颈和动脉瘤的夹闭操作，经过反复调整动脉瘤夹的大小及夹闭角度，最终确定了动脉瘤夹的型号。手术中使用了最终确定的型号动脉瘤夹，顺利夹闭动脉瘤，保证了载瘤动脉的通畅。患者术后平稳，术后CTA显示动脉瘤夹闭满意。