一種人體解剖結(jié)構(gòu)模型、植入物快速成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用計(jì)算機(jī)輔助建模領(lǐng)域，尤其涉及人體解剖結(jié)構(gòu)、植入物數(shù)字建模及其快速成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前3D打印技術(shù)工業(yè)革命方興未艾，但該技術(shù)在臨床的應(yīng)用仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，制約該技術(shù)的臨床應(yīng)用主要原因有三:1.精度，臨床對(duì)精度的要求較高，比如腫瘤的體積、位置等信息，如果偏差較大，可能會(huì)導(dǎo)致術(shù)中切錯(cuò)組織，2.成型速度，臨床術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間有限，延長一天都會(huì)給患者帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而3D打印技術(shù)目前比較耗時(shí)，在新的技術(shù)突破前，這種現(xiàn)狀將維持很長時(shí)間，3.成本，目前3D打印的物品成本較高，患者往往無法接受過高的價(jià)格，故而沒辦法產(chǎn)生利潤。4.生物墨水研發(fā)推廣困難，成本較高。故而為改變現(xiàn)狀，使3D打印技術(shù)在臨床的應(yīng)用得到更好的推廣，需要從精度、成型速度、成本、并繞過生物細(xì)胞打印技術(shù)的瓶頸四個(gè)方面下功夫。另外，目前感染的關(guān)節(jié)置換翻修臨時(shí)骨水泥假體大多是醫(yī)生手工制作，其形狀不夠準(zhǔn)確，可能帶來一些并發(fā)癥，可以通過3D打印技術(shù)來彌補(bǔ)諸如此類問題的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種提高模型建立精度、成型速度，減少成本的人體解剖結(jié)構(gòu)模型、植入物快速成型方法。
[0004]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0005]—種人體解剖結(jié)構(gòu)模型、植入物快速成型方法，包括以下步驟:
[0006]第一步數(shù)據(jù)采集、圖像分割:利用醫(yī)療成像系統(tǒng)CT、MR、三維掃描儀、攝像攝影設(shè)備對(duì)目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描、攝影獲取圖像，并輸出圖像文件或者點(diǎn)云文件；圖像文件導(dǎo)入到圖像分割軟件，分離出目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)的像素集(蒙板)或輪廓，在圖像分割軟件中對(duì)分離的蒙板，輸出點(diǎn)云文件或能夠在逆向工程軟件中體現(xiàn)為點(diǎn)云的文件，或者對(duì)蒙板計(jì)算模型但不做光順減噪，輸出三維模型的文件，而對(duì)于功能較強(qiáng)大的圖像分割軟件，可計(jì)算三維模型后，再核對(duì)模型輪廓線與圖像的偏差，通過修改輪廓線的方式，修正模型再輸出模型；如果時(shí)間有限對(duì)模型精度要求較低，或?qū)D像分割軟件計(jì)算三維模型產(chǎn)生的偏差有足夠的了解，蒙板質(zhì)量滿意，可直接計(jì)算三維模型輸出進(jìn)入第五步。
[0007]第二步逆向工程處理，利用帶有偏差分析功能的逆向或正逆向工程軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)格式的文件進(jìn)行去噪、光順、補(bǔ)洞等各種處理；如第一步輸出的蒙板點(diǎn)云或模型較為滿意，使用偏差分析功能了解逆向生成的模型與原點(diǎn)云或模型的偏差，依據(jù)偏差分析結(jié)果修正模型，在模型的光滑程度、解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)程度、偏差達(dá)到預(yù)定要求后，生成CAD曲面模型或?qū)嶓w模型輸出到第五步；如輸出的蒙板較為粗糙，圖像分割軟件處理較繁瑣的，在逆向工程軟件中通過手工去除多余的組織，通過去噪、光順、補(bǔ)洞等各種處理，生成較為接近目標(biāo)結(jié)構(gòu)的模型。
[0008]第三步模型與圖像的核對(duì)驗(yàn)證，第二步生成的模型，生成模型文件回輸至圖像分割軟件，對(duì)比模型輪廓與目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)圖像的差異，并通過調(diào)整輪廓線、增加刪除蒙板像素點(diǎn)等處理，對(duì)蒙板或模型進(jìn)行修正，輸出蒙板點(diǎn)云或模型文件。
[0009]第四步逆向工程中模型修正輸出、模型質(zhì)量分級(jí)，將修改后的蒙板點(diǎn)云或模型導(dǎo)入逆向工程軟件中，通過去噪、光順、補(bǔ)洞等各種處理，模型光滑、偏差分析達(dá)到要求后，得到修正后的模型，在模型的光滑程度、解剖結(jié)構(gòu)的真實(shí)程度、偏差達(dá)到預(yù)定要求后，生成CAD曲面模型或?qū)嶓w模型輸出到第五步，三、四步驟可依據(jù)模型質(zhì)量反復(fù)進(jìn)行多次，取得最佳的模型。第一、第二、第四步輸出的模型最終質(zhì)量予可以分級(jí)，進(jìn)行標(biāo)注。
[0010]第五步模型的進(jìn)一步處理，第一步、第二步或第四步輸出的模型導(dǎo)入CAD或快速成型制造軟件中:一)對(duì)實(shí)體解剖結(jié)構(gòu)或按實(shí)體解剖結(jié)構(gòu)處理的，實(shí)質(zhì)器官以及植入物，通過抽殼、面加厚、面偏置、補(bǔ)面、布爾運(yùn)算等處理，生成空心薄壁模型，壁的厚度由要求與3D打印機(jī)精度來決定，如使用SLA打印技術(shù)，使用較好的材料，推薦0.8-1.2mm，前面步驟建立的經(jīng)過偏差分析的模型表面不做修改或編輯，它構(gòu)成薄壁模型的內(nèi)表面或外表面；二)對(duì)腔體解剖結(jié)構(gòu)或按腔體結(jié)構(gòu)處理的，建立其內(nèi)外表面的蒙板或模型，然后通過布爾運(yùn)算的到該結(jié)構(gòu)的蒙板或模型，如僅需要外表面，則可完全當(dāng)作實(shí)質(zhì)器官處理；三)對(duì)于血管、氣管、淋巴管、膽管、神經(jīng)等空心分枝樣結(jié)構(gòu)的模型，管徑小于一定程度建立實(shí)體模型，管徑大的主干依據(jù)需求予以空心化；四)對(duì)于內(nèi)部帶有分枝樣結(jié)構(gòu)的復(fù)合解剖結(jié)構(gòu)的管腔化模型，生成實(shí)體解剖結(jié)構(gòu)；對(duì)位于實(shí)體內(nèi)的分枝系統(tǒng)，通過布爾運(yùn)算，得到實(shí)體去內(nèi)部除血管的形成內(nèi)部管腔的模型和位于實(shí)體外的分枝系統(tǒng)。內(nèi)部多套分枝結(jié)構(gòu)，需要檢查分支結(jié)構(gòu)模型是否相交，布爾運(yùn)算后在管腔相通的位置增加壁予以隔斷；五)對(duì)于內(nèi)部帶有分支樣結(jié)構(gòu)的復(fù)合解剖結(jié)構(gòu)的框架化模型，建立模型后，外部的殼按實(shí)體解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行薄壁空心化，并使實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)的壁有足夠厚度與分枝結(jié)構(gòu)有相連或設(shè)計(jì)接口與分枝結(jié)構(gòu)末端相連，需要進(jìn)行對(duì)解剖結(jié)構(gòu)分葉分段的，建立葉間隔、室間隔、骨筋膜室壁、大腦鐮、小腦幕等實(shí)際組織間隔或肝分葉段等人為劃分間隔的模型與分枝結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成內(nèi)部框架。對(duì)于不打印外壁使用覆蓋軟材料進(jìn)行代替的，為保證覆蓋材料的外形正確，在實(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)的上適當(dāng)切割取材或使用軟件功能對(duì)實(shí)體進(jìn)行完全框架化，與內(nèi)部框架組合建立模型；六)對(duì)于多層次結(jié)構(gòu)模型，比如透明皮膚內(nèi)有骨骼模型，腦白質(zhì)灰質(zhì)模型，則依據(jù)需要進(jìn)行布爾運(yùn)算，對(duì)其中某一層次設(shè)置為空腔，生成帶空腔的模型，其它層次可依據(jù)需要按實(shí)體解剖結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行抽殼等處理，生成空腔薄壁模型，前面步驟建立的高精度模型表面不做影響精度的修改或編輯，確保其精度；對(duì)于演示層次較多的，按照由內(nèi)向外，或由外向內(nèi)的順序進(jìn)行排序，結(jié)構(gòu)本身的腔隙層次納入排序；對(duì)于連續(xù)層次均為實(shí)體層次的:選擇以外部的實(shí)體層次建立的模型為主體，內(nèi)部的實(shí)體層次、部分通過布爾運(yùn)算在外部模型中形成該層次、部分的空腔，外部層次進(jìn)行或不進(jìn)行薄壁空心化，空腔化的實(shí)體層次、部分的選擇原則是體積較大、需要打印材料(包括支撐材料)多的予以空腔化，利用在多層次中走形的分支結(jié)構(gòu)或在空腔中或空腔間設(shè)計(jì)支撐連接結(jié)構(gòu)，避免空腔中的結(jié)構(gòu)不能固定于外部結(jié)構(gòu)中，如灰質(zhì)白質(zhì)，建立腦模型后內(nèi)部去除白質(zhì)模型，形成白質(zhì)為空腔的模型。欲以覆蓋軟質(zhì)材料模擬其外部結(jié)構(gòu)，則選擇以內(nèi)層作為主體，如顱骨與皮膚，在打印的顱骨表面覆蓋軟材料模擬皮膚，則只需要顱骨模型并打印。如果需要對(duì)于多層次結(jié)構(gòu)內(nèi)部分枝樣結(jié)構(gòu)模擬，則將分枝結(jié)構(gòu)分為在實(shí)質(zhì)走形的部分和在腔體層次走形的部分，在實(shí)體走形的，將內(nèi)部分枝結(jié)構(gòu)通過布爾運(yùn)算在實(shí)體內(nèi)形成管腔結(jié)構(gòu)，腔體化的層次中走形的分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠與實(shí)體結(jié)構(gòu)的層次中的分支結(jié)構(gòu)對(duì)接的裝配結(jié)構(gòu)。如將較大的器官當(dāng)作帶分枝結(jié)構(gòu)的多層次解剖結(jié)構(gòu)處理的模型，則內(nèi)含管徑較小的分支段的實(shí)質(zhì)予以建立內(nèi)部管腔，而管徑較大主干區(qū)域腔體化，腔體化區(qū)域的主干血管走形的分支結(jié)構(gòu)予以打印并與實(shí)體結(jié)構(gòu)的層次中的分支結(jié)構(gòu)裝配對(duì)接；模型可進(jìn)一步在軟件中進(jìn)行一定比例的縮放。
[0011]第六步，裝配模型生成，第五步的模型在快速成型輔助軟件中對(duì)模型進(jìn)行分析，選擇支撐最少的分割方案，對(duì)模型進(jìn)行切割，必要時(shí)在切割后的模型部分設(shè)計(jì)裝配對(duì)接結(jié)構(gòu)或標(biāo)記；而為順利注入或填充，或?yàn)檫m應(yīng)消毒規(guī)范，利用隱蔽的位置或模型本身的結(jié)構(gòu)，在模型上設(shè)置必要的注入孔或通氣孔；最后所有的部件在快速成型輔助軟件中添加支撐結(jié)構(gòu)生成打印文件。
[0012]第七步3D打印，對(duì)各部件使用3D打印機(jī)進(jìn)行打印，依據(jù)具體需求確定打印方式、材料，高精度推薦使用SLA打印機(jī)。打印材料方法優(yōu)先選擇打印精度高的方法，各部分、層次可選用不同的材料進(jìn)行打印。
[0013]第八步，裝配以及后續(xù)填充、注入、覆蓋軟質(zhì)材料，對(duì)打印出模型進(jìn)行去除支撐等處理后，將模型進(jìn)行裝配粘合，多層次模型的組裝遵循由里向外的原則；多層次模型在第5步中設(shè)置為空腔的層次通過在部件中充