制作人體組織模擬手術模型及導板的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬手術技術領域，更具體地，涉及更具性價比和操作性的一種制作人體組織模擬手術模型及導板的方法。
【背景技術】
[0002]3D打印技術或者快速成型技術，是以計算機三維模型數(shù)據(jù)為基礎，將材料融化或粘合，并逐層將目標物體構(gòu)建出來的工藝。3D打印技術經(jīng)過了近20年的發(fā)展，而近幾年隨著計算機建模技術及材料品質(zhì)的改進，以及打印機和材料價格的下降，極大的降低了其成本，因此發(fā)展變的更加迅速，尤其在工業(yè)設計、個性化制作、快速成型等多個領域得到了更多實質(zhì)化的應用。
[0003]其中，由于人體的個性特征和疾病的個體特性都很多樣化，所以每個手術均有其特殊性，使用虛擬手術計劃，可以提前進行模擬手術，評估手術風險，擬定具體的手術步驟，進而減低手術風險及縮短手術時間。而目前的計算機虛擬手術計劃都需要復雜的軟件程序進行設計，配備價格高昂的設備投入，同時還要專職技術人員的管理維護，因此極大的限制了虛擬手術在廣大普通醫(yī)院的應用。而除了成本因素之外，外科醫(yī)生在模型上模擬手術，因無參考標準或者客觀的參考物，所以手術中的切割部位、方向、深度以及螺釘?shù)姆较?、深度等無法準確的把握，因此仍存在一定的手術風險，技術上還有待完善。
[0004]而當前的3d打印已經(jīng)能夠提供更加快速、低成本、個性化的醫(yī)學手術模型。因此，如果將3D打印和原有的計算機虛擬手術技術進行有效結(jié)合，將極好的解決發(fā)展模擬手術場景所存在的技術、資金困難，令虛擬手術變得更加容易實現(xiàn)，且穩(wěn)定安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種通過3d打印醫(yī)學手術模型及導板，進行術前模擬，精確按照術前模擬步驟進行手術的方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案如下:
制作人體組織模擬手術模型及導板的方法，包括如下步驟。
[0008]步驟1:采集人體組織的CT/MR數(shù)據(jù)
針對進行模擬手術的人體部位，進行掃描得到CT/MR數(shù)據(jù)；將CT/MR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)集，通過三維數(shù)據(jù)集，建立模擬手術的計算機虛擬模型。
[0009]步驟2:對CT/MR數(shù)據(jù)進行整理重建
對于CT/MR數(shù)據(jù)中包含的圖像像素間的相互關系信息進行空間轉(zhuǎn)換，獲得符合實際人體情況的模型空間位置數(shù)據(jù)；其中，所述空間轉(zhuǎn)換方法包括彈性變換、仿射變換、剛性變換、非剛性變換以及在不同圖像尺度上進行的上述變換方式的組合。
[0010]步驟3:模型空間位置數(shù)據(jù)的精確分割將模型空間位置數(shù)據(jù)進行MR圖像的精確分割，得到各器官的分割圖像，根據(jù)圖像分割的結(jié)果，生成描述手術部位的三維網(wǎng)格曲面，再根據(jù)CT/MR圖像的信息，生成手術部位的內(nèi)外組織結(jié)構(gòu)信息，將內(nèi)外組織結(jié)構(gòu)信息附加到手術部位的三維網(wǎng)格曲面中，形成手術部位的網(wǎng)格模型。
[0011]步驟4:基于手術部位的網(wǎng)格模型，添加切除部位、內(nèi)固定位置、內(nèi)固定方向及內(nèi)固定長度的手術信息。
[0012]步驟5:逆向工程制作手術導板模型
根據(jù)步驟4中獲取的網(wǎng)格模型，制作表面與網(wǎng)格模型貼服的手術導板模型。手術導板模型上標示手術提示信息，手術提示信息包括切除線的位置、方向、深度，以及內(nèi)固定鋼板、螺釘兩者的位置、方向、長度。手術導板模型由外架和內(nèi)襯兩部分組成，其中對軟性材料經(jīng)過3d打印獲得外架，由硬性材料制成內(nèi)襯；其中，外架尺寸固定，內(nèi)襯根據(jù)手術部位定制，設定選擇型號。
[0013]步驟6:將所得網(wǎng)格模型及手術導板模型轉(zhuǎn)換為逐層橫截面數(shù)據(jù)
將所得網(wǎng)格模型及手術導板模型轉(zhuǎn)換為逐層橫截面數(shù)據(jù)，添加附加信息。其中，逐層橫截面的厚度為0.1-5毫米。
[0014]所述附加信息包含以下內(nèi)容:網(wǎng)格模型對應的組織、器官的密度，網(wǎng)格模型厚度，網(wǎng)格模型所包圍區(qū)域的填充率，網(wǎng)格模型所代表的組織、器官的顏色。
[0015]步驟7:將逐層橫截面數(shù)據(jù)傳入3d打印機，進行打印
針對手術部位中不同的組成部分，選擇對應的3D打印材料；其中，骨骼的打印材料為磷酸鈣、磷酸鈣生物陶瓷、含磷酸鈣的混合材料、聚乳酸、含有聚乳酸的混合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物及含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物。
[0016]臟器、腔道、神經(jīng)、血管、肌肉、皮膚的打印材料為硅膠、橡膠、明膠及工業(yè)淀粉形成的材料。
[0017]外架的打印材料為硬性材料，所述硬性材料為不銹鋼、鈦合金、鋁合金、鉻合金、PEEK材料及碳纖維等構(gòu)成的單一品種或混合物；此外，內(nèi)襯的打印材料為軟性材料，所述軟性材料為ABS塑料、聚氨酯、樹脂、包裹纖維的樹脂材料、橡膠、膠乳、合成橡膠、尼龍及聚合物構(gòu)成的單一品種或混合物。
[0018]3d打印機的打印參數(shù)為:噴頭溫度:-30攝氏度~800攝氏度；底盤溫度:_10攝氏度~200攝氏度；送料速度:5_ / s~800mm / s ;空走速度:5_ / s~800mm / s ;填充率:1%~100%。
[0019]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明技術方案的有益效果是:
本發(fā)明通過3D打印得到精確的醫(yī)學模型與導板的結(jié)合，可以低成本、快速的進行精確的模擬手術，根據(jù)術前導板精確的執(zhí)行術前模擬計劃，進而降低手術風險，縮短手術時間，提高手術效果，具有極大的實用價值。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
[0022]對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明中的說明書附圖，對發(fā)明中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]制作人體組織模擬手術模型及導板的方法，包括如下步驟。
[0025]步驟1:采集人體組織的CT/MR數(shù)據(jù)
針對進行模擬手術的人體部位，通過MR1、CT或其它掃描設備進行掃描得到CT/MR數(shù)據(jù)。
[0026]將CT/MR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)集，獲得三維數(shù)據(jù)集的過程可以是將數(shù)據(jù)輸出到已知的建模程序中，通過該建模程序用CAD等格式表示三維數(shù)據(jù)集。外科醫(yī)生可以利用三維數(shù)據(jù)集，根據(jù)醫(yī)學知識，建立模擬手術的計算機虛擬模型。
[0027]步驟2:對CT/MR數(shù)據(jù)進行整理重建
對于CT/MR數(shù)據(jù)中包含的圖像像素間的相互關系信息，以及基于這些信息進行分析所得的數(shù)據(jù)信息，進行空間轉(zhuǎn)換，獲得符合實際人體情況的模型空間位置數(shù)據(jù)。
[0028]空間轉(zhuǎn)換方法包括:彈性變換、仿射變換、剛性變換或非剛性變換，以及在不同圖像尺度上進行上述變換方式的任意組合。
[0029]其中，由于CT是根據(jù)組織的密度測量，而MR是根據(jù)組織的含水量來測量，因此會得到不同的數(shù)據(jù)結(jié)果；同時，由于檢查掃描時所依據(jù)的標準或者參考物不一樣，原始的模型空間位置信息跟肉眼所看到的外形是有一定區(qū)別的，因此需要通過空間轉(zhuǎn)換獲得最佳最貼近真實情況的模型空間位置數(shù)據(jù)。
[0030]步驟3:模型空間位置數(shù)據(jù)的精確分割
將模型空間位置數(shù)據(jù)進行MR圖像的精確分割，得到各器官如骨骼、臟器、腔道、神經(jīng)、血管、韌帶、肌肉、皮膚、病變組織、腫瘤等的分割圖像，根據(jù)圖像分割的結(jié)果，生成精確描述擬手術部位的三維網(wǎng)格曲面，再根據(jù)CT/MR圖像的信息和解剖知識，生成擬手術部位的內(nèi)外組織結(jié)構(gòu)信息，將內(nèi)外組織結(jié)構(gòu)信息附加到擬手術部位的三維網(wǎng)格曲面中，形成手術部位的網(wǎng)格模型。
[0031]步驟4:基于手術部位的網(wǎng)格模型，添加手術信息，如切除部位、內(nèi)固定位置、內(nèi)固定方向、內(nèi)固定長度等。
[0032]步驟5:逆向工程制作手術導板模型
根據(jù)步驟4中獲取的網(wǎng)格模型，制作表面與網(wǎng)格模型貼服的手術導板模型，并在手術導板模型上設計手術提示信息，例如切除