基于云计算的医学影像处理与3D打印平台

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。

关键词： DICOM;云计算;医学图像处理;医学图形处理;3D打印;VTK;ITK;.NET

中图分类号： TP311    文献标识码： 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】： With the development of computer aided technology and medical imaging system， clinical physician brings up higher demand for medical image processing， 3D visualization and emerging technology introduction. Medical image processing software， as the main method to satisfy these requirements， becomes the research focus these years. In this paper， a cloud computing based medical image processing and 3D printing platform is introduced. It provides not only the function of data management on cloud， model reconstruction， 3D visualization， intraoperative planning， 3D printing with engineering service， etc.， but also prepares API for the next generation application such as image guided navigation and mixed reality.

【Key words】： DICOM; Medical image processing; Medical graphic processing; 3D Printing; VTK; ITK; .NET

0  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（一种医学图像标准）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方法。

3D打印技术，也称增材制造技术（additive manufacturing），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题;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。