制作人體組織模擬手術(shù)模型及導(dǎo)板的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及虛擬手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及更具性價(jià)比和操作性的一種制作人體組織模擬手術(shù)模型及導(dǎo)板的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3D打印技術(shù)或者快速成型技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將材料融化或粘合，并逐層將目標(biāo)物體構(gòu)建出來的工藝。3D打印技術(shù)經(jīng)過了近20年的發(fā)展，而近幾年隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)及材料品質(zhì)的改進(jìn)，以及打印機(jī)和材料價(jià)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(shè)計(jì)、個(gè)性化制作、快速成型等多個(gè)領(lǐng)域得到了更多實(shí)質(zhì)化的應(yīng)用。
[0003]其中，由于人體的個(gè)性特征和疾病的個(gè)體特性都很多樣化，所以每個(gè)手術(shù)均有其特殊性，使用虛擬手術(shù)計(jì)劃，可以提前進(jìn)行模擬手術(shù)，評估手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，擬定具體的手術(shù)步驟，進(jìn)而減低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及縮短手術(shù)時(shí)間。而目前的計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)計(jì)劃都需要復(fù)雜的軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，配備價(jià)格高昂的設(shè)備投入，同時(shí)還要專職技術(shù)人員的管理維護(hù)，因此極大的限制了虛擬手術(shù)在廣大普通醫(yī)院的應(yīng)用。而除了成本因素之外，外科醫(yī)生在模型上模擬手術(shù)，因無參考標(biāo)準(zhǔn)或者客觀的參考物，所以手術(shù)中的切割部位、方向、深度以及螺釘?shù)姆较?、深度等無法準(zhǔn)確的把握，因此仍存在一定的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，技術(shù)上還有待完善。
[0004]而當(dāng)前的3d打印已經(jīng)能夠提供更加快速、低成本、個(gè)性化的醫(yī)學(xué)手術(shù)模型。因此，如果將3D打印和原有的計(jì)算機(jī)虛擬手術(shù)技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，將極好的解決發(fā)展模擬手術(shù)場景所存在的技術(shù)、資金困難，令虛擬手術(shù)變得更加容易實(shí)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(shù)問題。
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種通過3d打印醫(yī)學(xué)手術(shù)模型及導(dǎo)板，進(jìn)行術(shù)前模擬，精確按照術(shù)前模擬步驟進(jìn)行手術(shù)的方法。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
制作人體組織模擬手術(shù)模型及導(dǎo)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(jìn)行模擬手術(shù)的人體部位，進(jìn)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(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬模型。
[0009]步驟2:對CT/MR數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系信息進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換，獲得符合實(shí)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(jìn)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(jìn)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(shù)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(shù)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(shù)部位的三維網(wǎng)格曲面中，形成手術(shù)部位的網(wǎng)格模型。
[0011]步驟4:基于手術(shù)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(shù)信息。
[0012]步驟5:逆向工程制作手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)板模型。手術(shù)導(dǎo)板模型上標(biāo)示手術(shù)提示信息，手術(shù)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(shù)導(dǎo)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(shù)部位定制，設(shè)定選擇型號。
[0013]步驟6:將所得網(wǎng)格模型及手術(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)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(yīng)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(jī)，進(jìn)行打印
針對手術(shù)部位中不同的組成部分，選擇對應(yīng)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(jī)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(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)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(xué)模型與導(dǎo)板的結(jié)合，可以低成本、快速的進(jìn)行精確的模擬手術(shù)，根據(jù)術(shù)前導(dǎo)板精確的執(zhí)行術(shù)前模擬計(jì)劃，進(jìn)而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，縮短手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)效果，具有極大的實(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)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(lǐng)域技術(shù)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(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0024]制作人體組織模擬手術(shù)模型及導(dǎo)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(jìn)行模擬手術(shù)的人體部位，通過MR1、CT或其它掃描設(shè)備進(jìn)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(xué)知識(shí)，建立模擬手術(shù)的計(jì)算機(jī)虛擬模型。
[0027]步驟2:對CT/MR數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)系信息，以及基于這些信息進(jìn)行分析所得的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行空間轉(zhuǎn)換，獲得符合實(shí)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(jìn)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(huì)得到不同的數(shù)據(jù)結(jié)果；同時(shí)，由于檢查掃描時(shí)所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jìn)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(shù)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(shí)，生成擬手術(shù)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(shù)部位的三維網(wǎng)格曲面中，形成手術(shù)部位的網(wǎng)格模型。
[0031]步驟4:基于手術(shù)部位的網(wǎng)格模型，添加手術(shù)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(shù)導(dǎo)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(shù)導(dǎo)板模型，并在手術(shù)導(dǎo)板模型上設(shè)計(jì)手術(shù)提示信息，例如切除