基于云计算的医学影像处理与3D打印平台

  基于云计算的医学影像处理与3D打印平台  张嘉伟陈亮摘 要：随着现代计算机辅助技术与医学成像系统的发展，临床医生对医学影像处理、三维可视化以及新兴技术的引入提出了更高的要求。医学影像处理软件，作为满足以上临床需求的主要手段，成为了近年来的研究热点。本文介绍了一款自主研发的、基于云计算的医学影像处理与3D打印平台。该平台不仅实现了云端数据管理、模型重建、三维可视化、手术规划、3D打印与工程服务等诸多功能，还充分预留了下一代应用如手术导航与混合现实的开发接口。Key：DICOM;云计算;医学图像处理;医学图形处理;3D打印;VTK;ITK;.NET：TP311  ：A  DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.023本文著录格式：张嘉伟，陈亮.基于云计算的医学影像处理与3D打印平台[J].软件，2019，40（5）：115127【Abstract】：Withthedevelopmentofcomputeraidedtechnologyandmedicalimagingsystem，clinicalphysicianbringsuphigherdemandformedicalimageprocessing，3Dvisualizationandemergingtechnologyintroduction.Medicalimageprocessingsoftware，asthemainmethodtosatisfytheserequirements，becomestheresearchfocustheseyears.Inthispaper，acloudcomputingbasedmedicalimageprocessingand3Dprintingplatformisintroduced.Itprovidesnotonlythefunctionofdatamanagementoncloud，modelreconstruction，3Dvisualization，intraoperativeplanning，3Dprintingwithengineeringservice，etc.，butalsopreparesAPIforthenextgenerationapplicationsuchasimageguidednavigationandmixedreality.【Keywords】：DICOM;Medicalimageprocessing;Medicalgraphicprocessing;3DPrinting;VTK;ITK;.NET0 引言随着医学成像技术的高速发展，四大主流影像设备X线、CT、MRI与超声在性能上取得了很大的提高，其输出的二维DICOM（一种医学图像）影像是临床医生日常诊断工作的主要依赖手段[1]。对于复杂病例和手术案例，仅包含平面解剖信息的二维影像已不能满足医生精准诊断与治疗的要求，使用计算机对影像序列（主要针对CT与MRI的成像）进行分析与处理，重建目标器官、部位与相关组织的三维可视化模型，通过计算机仿真观测以获取更直观的病况信息，是目前的各大医院最常用。3D打印技术，也称增材制造技术（additivemanufacturing），是一种利用计算机软件、新型打印材料及打印设备共同发展的快速成型技术，首次应用于工业领域取得了巨大的成功[2，3]。如今在醫疗领域，尤其是临床应用方面，通过将重建的三维模型针进行实体打印，实现手术规划演练以提高手术的成功率，从而更好的解决医患沟通问;针对复杂的手术案例，可以根据术中部位设计专门的手术导板，从而有效降低手术的难度与术后并发症的发生率;对于特殊的病人情况，还能够实现术中植入物的个性化定制，从而实现最佳的治疗效果。随着越来越多的成功案例，可见将3D打印技术引入临床医学已经是大势所趋了。医学影像处理软件，也称作医学影像后处理软件，是利用计算机对医学影像设备采集到的DICOM影像进行后处理的软件。在国际上，人们对研发高质量的医学影像处理软件非常重视，各大影像设备厂商都配备了专用的影像处理工作站。但到目前为止，这些工作站都只是针对医生诊断的需求来进行设计，即在三维可视化模型上采用的是容积重建（也称体绘制），是一种仅供查看的模型，它不能用于实体模型打印，更不能用于后续治疗过程中手术导板与个性化植入物的设计。也有少数第三方软件平台，关注到了这个问题，进行了针对性的设计实现。其中最著名的是比利时Materialise公司的的Mimics软件[4]，可以将二维DICOM影像转换为三维模型。但其自身不能完成后续的手术导板与个性化植入物设计，需要依赖其他设计软件，增加了操作的复杂度。作为全国首批申请二类医疗器械软件注册认证的企业，我们开发的基于云计算的医学影像处理与3D打印平台，即MiDIVI云平台，不仅能够实现影像浏览、测量等常规操作，还能快速高质量的完成医学图像分割、三维模型重建与手术规划，以及后续手术导板与个性化植物的设计与打印，云端工程服务支持，实现了基于影像的临床一体化诊断，设计与制造平台。1 系统介绍MiDIVI云平台主要由五大核心功能模块组成，分别为数据管理模块、安全性模块、模型建模模块、手术规划模块和工程服务模块。如图1所示，平台围绕核心功能模块并细分子功能模块与功能点。以下对这五个功能模块做更详细的介绍。1.1 数据管理模块在该模块中，主要包含了用户管理、病例库与系统配置子功能模块。其中用户管理子功能模块实现了用户注册、验证登陆、密码重置与信息编辑等子功能点。病例库子功能模块进一步细分为新病例创建、数据导入、数据删除、病例浏览、病例删除、病例云端同步等子功能点。系统配置则包含了系统帮助页面、软件界面语言切换、医院科室管理等子功能点。1.2 安全性在安全性模块中主要包含了数据加密、病人隐私保护、权限访问和日志记录子功能模块。数据加密子功能模块针对传输中的DICOM影像、三维数据模型、图片等数据文件进行压缩打包、加密与一致性校验，保障了关键数据的安全性与有效性。病人隐私保护子功能模块负责对涉及病人隐私的信息进行匿名化，以符合医用软件的法律法规的特殊要求。比如，在浏览病例库和DICOM影像的时候，将病人姓名等关键信息用特殊的序列ID号表示，这样即满足了信息回溯的需求，又不泄露病人的隐私。最后通过权限访问与日志记录子功能模块，对整个平台系统的数据安全性提供了更进一步保障。其中权限访问子功能模块对系统中数据的访问边界提供了限制，以保障数据只能被需要的人进行查看与编辑，并且所有的访问与操作都会实时被日志记录子功能模块记录保存。1.3 模型建模模型建模这个功能模块是MiDIVI云平台最为重要的功能核心模块，通过该功能模块用户可以将二维DICOM影像转化为三维模型，这是进一步实现实体模型打印、手术导板与个性化植入物的设计的必要步骤。该模块主要包含了以下几个子功能模块：（1）DICOM浏览实现了日常二维DICOM影像序列浏览所需的操作与工具，例如：窗宽窗位设置、常用器官窗宽窗位预设、影像翻页、影像缩放、影像平移、三视图（横断面、矢状面与冠状面）同步浏览，三视图辅助定位十字线等。（2）图像分割医学图像分割是医学图像处理和分析的关键步骤[5]，该子功能模块通过阈值分割、框选分割、区域增长、团块分割等方法工具，实现对二维DICOM影像序列在三维空间上的目标组织、器官的快速分离，其分割的结果以彩色的掩模（Mask）表示。通常是先采用阈值分割，以目标与背景在DICOM影像中的差异（例如对骨组织进行分割），设置合适的阈值范围，进行分割提取。针对多目标组织、器官的分割要求（例如分别提取左、右腿骨），可在阈值分割的基础上，进一步采用框选分割或区域增长实现。团块分割是一种智能化的多目标分割方法，能够自动的将不连续的物体分割为多个独立的掩模。（3）逐层编辑采用图层编辑的方式，对已有掩模进行加、减的编辑，可以设置每次作用的层数，实现多层同时编辑。主要的编辑方式有，画刷编辑、套索编辑与插值编辑。其中画刷编辑顾名思义，也就是以画刷工具在掩模所显示的图层上，对其所经过的路径进行图画或擦除的操作。套索编辑是将所绘制套索区域内的区域进行填充或擦除的操作，这里可供选择的套索工具有折线多边形套索、曲线多边形套索，自由路径套索和磁性套索。插值编辑可以针对不同图层上掩模编辑结果生成其之间的形态学插值，从而使用户只需要在目标组织、器官的几个关键图层上进行掩模编辑即可得到整个目标的编辑结果。（4）三维建模针对图像分割与逐层编辑所获取的掩模，采用多边形表面拟合算法进行三维重建，得到对应的三维模型。1.4 手术规划通过模型建模功能模块得到目标组织、器官的三维模型后，用户可以采用手术规划功能模块进行以下子功能模块的操作：（1）模型观察在三维视图中，提供了对一个或多个模型进行全方面观察的操作工具。例如：视角旋转、视角平移、模型显示、模型隐藏、模型顏色设置、模型透明度设置、3D-DICOM三视图等。（2）测量规划用户可在二维或三维（即DICOM影像与三维模型）视图上进行测量与规划操作，从而达到术前规划的目的。主要的测量标记工具有角度测量、线段测量与标记、点标记和文字标记，这些工具都支持二三维联动，即用户在二维视图的操作会同步显示到三维视图中，反之亦然。主要的规划工具有模型旋转和模型平移等。（3）手术导板手术导板，也称术中导向工具，是根据术前三维模型为基础生成的用于引导术中穿刺、截骨和置钉等操作时，引导方位、方向与深度的一种直观有效的新型医疗器械。通过该子功能模块，用户只需在所期望的位置放置钉道、截骨面，调整角度并选择手术区域即可快速生成导板模型，供打印实用。（4）内植入物设计该功能子模块主要用于需要个性化定制医疗器械的手术场景，例如颅骨缺损的补偿设计、由于肿瘤截骨导致的骨缺损的个性化假体设计、脊柱治疗椎间融合器的设计等。通过对术前模型进行模拟截骨、结构生成、形态修补、微孔隙结构制作、局部平滑、模拟装配等一系列步骤后通过生物兼容性材料，如钛合金、聚醚醚酮（PEEK）等进行生产打印。1.5 工程服务工程服务功能模块是基于云计算技术打造的结合医工交互、协同设计与3D打印等功能的综合性服务平台。通过该服务平台，用户可以上传待处理的DICOM影像，描述所需建模的目标组织、器官等要求，在远程由我们的工程服务人员代为建模，并由用户进行确认。对于还需要进一步设计手术导板或内植入物的用户，也可以通过工程服务的方式发起请求，并对手术进行描述。通过增材制造与云计算技术的结合，使系统和地理上的分散化生产成为可能，用户通过工程服务可以实现远程模型打印，并通过快递的方式获取最终产品。当然对于能够熟练使用软件平台的用户，以上这些操作都可以自己独立完成。2 系统架构随着软件复用技术和软件模块组件化思想的深入研究，现代软件系统的设计也不再是之前的“程序=数据结构+算法”，而更多的是对软件架构和业务流程的综合研究与设计[6]。同时所采用的技术是否先进、稳定与合理，对整个系统的成功至关重要。2.1 关键技术MiDIVI云平台主要采用了以下关键技术进行开发：（1）.NET开发平台该平台由.NET框架和.NET开发工具组成[7]，是微软支持下一代Internet软件和服务的平台，适用于构建各类软件产品。作为新一代的开发平台，它全面支持面向对象技术，包含多种高级开发语言，统一数据访问组件ADO.NET，并集成了微软下一代图形系统WPF（WindowsPresentationFoundation）。WPF使用全新XAML（eXtensibleApplicationMarkupLanguage）语言进行用户界面开发，具备开发简洁、图形效果丰富、硬件适应性高、界面描述与程序代码分离等特点。（2）MVVM（Model-View-ViewModel）设计模式该设计模式代表了模型、视图和视图模型，是MVC（Model-View-Controller）设计模式的一个变型，能够更好的将业务对象逻辑与控制器逻辑从界面剥离，隔离了模型层与视图层，同时避免了视图层与控制器层的紧耦合[8]。这样能够让界面设计人员和编程人员同步进行开发工作，提高软件的开发效率，缩短研发周期。（3）云计算云计算是通一种过互联网发展起来的利用计算机技术的方式，通过动态易扩展，且经常是虚拟化的计算存储、资源来提供服务[9]，具有便利性、可扩容性、经济性等优势。在公有云方面国外主要的提供商有IBM云，微软云，亚马逊云等，国内基础云计算提供商还是以阿里云、盛大云和腾讯云为主。私有云也称内部云，核心属性是专有资源，部署在企业内部数据中心的防火墙内或某个安全的主机托管场所，通过网络对合法用户提供数据管理、资源共享及各类应用服务，具有更高的安全性[10]。（4）WebServiceWebService是目前在Internet环境下实现面向服务的体系结构（SOA）的主要技术方案[11]。采用XML格式来作为数据描述的统一格式，以WSDL文档来描述自身定义，使用简单对象访问协议（SOAP）来进行调用，以取代传统的组件调用方式，从而帮助消除使用不同组件模型、操作系统和编程语言的系统之间存在的差异。（5）VTKVTK是一套进行数据可视化的通用开发工具包[12]，于1993年12月由美国GE公司研发部门的WillSchroeder和KenMartin首次发布，之后开源交给美国Kitware公司进行维护。VTK功能强大，包含了超过2700个C++类，并且提供了基本医学影像处理与分析所需的三维可视化技术，支持跨平台开发，包括Windows，Linux，IOS等多种平台，目前稳定版本已经发布到8.2.0版本。（6）ITKITK的主要目的是提供医学影像的分割与配准功能，是专门针对医学影像领域开发的[13]。它起初是作为美国国家卫生院下的可视化人体（VisualHuman）项目的一个图像处理工具发起的独立开发项目，最终演化为ITK。该项目从1999年10月开始，到2002年10月结束，发行了ITK1.0版本。目前ITK也由Kitware公司进行维护，稳定版本已经发布到4.13.1。2.2 系统结构在系统框架设计时分层结构是最常见也是最有效的一种结构，以求有效合理的组织相关构件，使其更高效的完成协同任务。其中最普遍的是三层架构设计，任何一个系统从应用逻辑上对其进行抽象细分，均可划分为三层，自下而上分别为：数据访问层（DAL）、业务逻辑层（BLL）和表示层[6]。如图2所示，MiDIVI云平台在架构设计上也采用经典的三层架构，对于每个具体应用功能设计都遵循MVVM设计模式，分别包含对应的Func-tionView，FunctionViewModel和FunctionModel。其中FunctionView与FunctionViewModel之间采用数据绑定的方式进行信息交互，FuntionModel负责处理由FunctionViewModel传递的数据信息并通过事件消息将业务逻辑处理的结果反馈给FunctionVi?ew?-Model。这里采用事件消息反馈处理的结果而非直接函数接口调用是为了避免ViewModel与Model发生直接的相互依赖，从而导致显示层与业务逻辑发生相互引用，破坏了三层架构的层次依赖关系。对于需要进行数据访问的功能模块，通过Func-tionModel对相应的数据访问对象DataAccessObject进行调用，以获取和操作本地數据库或云服务中的信息。其中对于MiDIVI云服务中的数据通过WebServiceAPI进行访问，本地数据库则通过ADO.NET进行访问。系统将医学影像分析与处理的基础功能封装在MedicalUtility.FE与Medical-Utility.BE中，分别实现了显示层与业务逻辑层的对应基础功能需求，供应用功能模块调用。MiDIVI云平台的物理结构设计如图3所示。将MiDIVI云平台软件安装在不同物理区域的标准工作站与便携式工作站上，通过MiDIVI云服务实现数据与业务的互联与互通。其中MiDIVI云服务包含私有云与公有云两部分，私有云作为业务支持的主体，公有云主要负责数据的备份工作，采用的是阿里云。医生可将术前重建的模型与规划方案同步到术中的便携式工作站中，在手术中做进一步的确认与参照。也可将术前设计的手术导板或内植入物进行生产打印，供术中使用。同时MiDIVI云平台预留了下一代应用的开发接口，以便将来集成更多的功能应用，例如，手持式设备工作站，混合现实与计算机辅助手术导航等。3 系统设计与实现下面对系统主要功能的设计与实现做进一步的介绍。3.1 数据管理（1）用户注册、登陆参见图4，左边展示的是用户注册界面，右边为用户登录界面。为了保证数据访问的安全性，MiDIVI云平台用户的注册与验证步骤在云端完成，用户必须使用手机号码并结合手机验证码才能完成注册过程。若用户在登录时勾选了“记住密码”与“自动登录”的选项，那么就可以省去之后每次输入密码的繁琐步骤。如果用户遗忘了登录密码，通过“忘记密码”这个功能入口，可以通过注册的手机号获取密码重置的验证码，以实现密码的重新设置。（2）病例库管理与浏览如图5所示，左边是MiDIVI云平台软件登录后的主界面，也称病例库，其中包含了病例创建，病例搜索，病例过滤与查看等病例管理的主要功能。病例库会定时与MiDIVI云服务进行数据同步，以保证数据的一致性与完整性，用户也可以通过手动点击病例库右下方的“立即同步”实现即时的数据同步。对于尚未完成同步的病例，在其病例图标的右下角会显示“未同步”的提示信息。用户在创建病例时需要填写病人与科室的相关信息，如病例名称、科室与二级科室名、患者ID、患者姓名（必填）、患者性别（必选）、患者生日（必填），并填写病例详情、诊断内容等。用户可以通过双击病例进入病例浏览页面（参见图5右侧），进行数据导入、数据查看、数据删除与信息修改等操作。在病例浏览页面中，用户可以导入三种数据格式作为附件显示在页面下方的附件列表中供选中浏览，并在每个附件的左上方显示附件的类型，即DCM表示DICOM影像、以3D表示三维模型和用IMG表示图片。若附件还没被上传同步到云端，其右下角会显示“未上传”的提示信息。同时病例浏览页面也是进入模型建模，工程服务与手术规划等功能模块的入口页面，例如选中附件列表中的一个DICOM影像后，点击“模型建模”进入模型建模功能模块;或选中一个三维模型后，点击“手术规划”进入手术规划功能模块。下面将对这两个功能模块进行介绍。3.2 模型建模（1）DICOM浏览与图像分割在图6的右侧展现了模型建模中的四视图系统，其中右下为三维视图，用于显示之后重建的三维模型。其他三个视图，通常称为三视图，用于提供针对DICOM影像在不同视角下的浏览，分别为左上的冠状面（红色边框）、右上的横断面（蓝色边框）和左下的矢状面（绿色边框）。在三个DICOM视图中，用户可以使用滚动条或鼠标中键的滚动实现翻页浏览。同时在三视图中可以利用十字线（两根相互垂直彩色的辅助定位线，其色彩对应另两个视图），定位另两个视图在空间中与当前视图的对应位置关系。在三维视图中，可以通过点击左上角的按钮激活3D-DICOM显示模式，获取更直观的效果。从图6到图9分别展示了阈值分割、框选分割、区域增长和团块分割。这些图像分割的结果，结合原始DICOM影像在三视图中以彩色掩模（Mask）的方式进行展现，也是之后三维建模的基础数据来源。其中阈值分割是一种常用的图像分割算法，通过设定不同的特征阈值范围，把特定组织从医学影像中分离出来。例如在图6中采用了预设的骨骼分割阈值范围（226-3071），其结果在三视图中用黄色掩模表示，用户可以定义每个掩模的颜色。阈值分割是其他分割算法的基础，其他算法都是对阈值分割的结果做进一步处理。框选分割以空间长方体定义感兴趣区域，提取相应的分割结果。如图7所示，针对之前阈值分割的结果，采用框选分割框（三视图中绿色框）选中两节脊柱的椎体，确认后其结果以蓝色的新掩模表示。区域增长通过选取种子点向外扩张的原理，从相关组织中剥离离散的组织（团块）。如图8所示，用户在横断面视图中为离散的骨块增加了一个种子点（紫色），通过该种子点的增长，最终生成右侧三视图中的紫色掩模对应于该剥离的团块。团块分割能够自动分割经已有掩模中不相连的离散组织（团块），多用于离散组织多且不规整的场景，例如多器官分割，骨折分析等。如图9所示，用户在列表中选择已有掩模，点击工具栏中的团块分割子功能模块，即可获取分离后的团块，其结果以不同颜色的掩模表示。（2）三维建模如图10所示，用户在列表中选择一个已分割完毕的掩模，点击对应的“重建”按钮后，系统在后台开始三维重建。所得到的模型在三维视图中显示，为面绘制模型，即通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体三维结构，可用于实体模型打印与之后的手术规划。（3）逐层编辑对于已分割完毕的掩模用户还可以应用逐层编辑的方式进行手工编辑，实现人工干预与优化。如图11所示，用户可以选择编辑的工具种类，可以选择是在原有掩模上添加新的覆盖区域还是擦除已有的覆盖区域，可以指定每次操作应用在多少层数据上，等等。在确认编辑的结果后，用户可以重新生成新的三维模型。3.3 手術规划（1）模型观测如图12所示，针对胫骨骨折病例，用户将重建后的各个骨块模型导入手术规划功能模块，进行观察与测量。在操作界面的右上部分列出了所有被加载的模型，用户可以设置各个模型的颜色与透明度，以获得最佳的观察效果。在手术规划模块中以四个视图对模型进行观察与操作，即自由视图，前视图，俯视图与侧视图。在自由视图中用户可以通过鼠标操作从不同的视角来对模型进行观察，其余三个视图为固定视角。用户通过使用右下方的标识测量功能，可以实现对模型的距离与角度的测量，或采用文字标识的方式对关键点进行描述，对术中提供指导。（2）模型移动如图13所示，用户通过模型移动操作工具将骨折部分复位后，正在进行术前模拟植入物（钛合金接骨板）的装配。该操作工具由x，y，z坐标轴与坐标轴之间的四分之一圆弧组成。用户以鼠标左键选中坐标轴或圆弧后，通过拖动的方式进行操作，其中坐标轴用于在该方向上的模型平移操作，圆弧用于在该平面上的模型旋转操作。（3）導板制作如图14所示，针对足部拇外翻的病例，用户正在设计用于术中的V型截骨导板。通过右侧的导板设计工具，用户能够定义导板覆盖的区域，截骨面的位置和用于固定导板的克氏针钉道。通过参数化的设置，用户能够更精细的调整钉道的孔径、深度和方向，截骨面的厚度，宽度和深度，最后点击确定开始导板的生成，所生成结果的见图15。3.4 工程服务在病例浏览页面中用户除了能够自己完成模型建模与手术规划外，还直接发起工程服务由云端的MiDIVI工程服务团队来完成这些工作，见图16。通过MiDIVI云平台软件，用户能够填写服务需求并附带相关的影像数据，得到服务团队的即时反馈，提交修改要求并最终确认，实现了医工交互的完整流程。在图17中，描述了当用户提出实体模型打印工程服务时，所对应的标准服务流程。4 结束语随着医学成像技术的高速发展与日益复杂的手术要求，传统医学影像处理软件已经难以满足临床医生的需求。MiDIVI云平台不仅关注临床医生对于诊断端的需求，更关注其对于治疗端的迫切需求，同时保证了数据的安全性。平台中包含了数据管理、模型建模、三维可视化、工程服务、手术规划等核心功能模块，目前在南京、长沙、青岛、合肥等诸多三甲医院的科研合作中获得了一致的好评。在不久的将来，我们会把手术导航与混合现实方案也加入到平台之中，这势必将极大地提高临床手术的准确性和科学性，从而提高治疗水平，为影像及临床学科的发展提供强大的帮助。Reference[1]董默，赵若晗，周志尊，等.医学图像三维重建系统设计与应用[J].软件，2018，39（1）：87-90.[2]王蕾，张毅.3D打印技术在神经外科的应用现状与新进展[J].实用医学杂志，2018，34（1）：1-4.[3]张纯妍，聂鑫.3D打印技术在颅颌面创伤应用的相关技术与发展趋势[J].创伤外科杂志，2018，20（1）：67-71.[4]王娇，刘洋，张晓玲，等.Mimics软件在医学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