CN104614200A - 基于计算机ct及3d打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法。该方法利用CT采集骨标本数据，在图像处理软件下实现三维可视条件下感兴趣骨组织分布区域精确定位；同时，创建CAD对象，调整CAD对象与标本的空间位置，用以标记取样通道。最后，利用3D打印技术快速精准地完成取样模具制作，在取样模具的导向作用下完成精确取样。本发明设计了一套“定位-导向-模具制作-取样”的标准化流程，在取样前对骨标本进行了合理规划，实现了对感兴趣骨组织的精确定位，以及对取样过程的严格导向，从而减少了取样误差，增加了研究结果可比性，降低了研究成本。

Description

基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法

技术领域

本发明涉及一种股骨头标准化取样方法，特别是基于计算机体层扫描成像(CT)及3D打印技术的对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法。

背景技术

股骨头标本内特定类型小梁(压力小梁、张力小梁等)的微观结构、构成成分、机械性能等变化，已成为研究骨质疏松及骨性关节炎等骨骼系统退行性疾病的重要指标。然而，由于骨小梁存在各向异性，股骨头内不同位置骨小梁的分布数量、密度、走形等不尽相同,因此，在对比不同个体相应骨小梁病理或生理状态的变化研究中，精确定位、确保取出相同类型的骨小梁成为首先需要解决的问题。既往文献报道，依据股骨头表面固有的解剖结构(如小凹)，结合小梁空间分布的Wolf定律，能够定位感兴趣小梁区域，进而保证取样组间小梁的可比性。然而，实际操作中，由于受离体股骨头标本周围重要解剖标志的缺如的制约，通过表面残留的解剖结构如小凹，难以辨认其手术取出前在体状态下的空间位置，因而不利于分析定位感兴趣的小梁区域。而对于股骨头内在的某些结构，如张力骨小梁，通过表面解剖结构根本无法实现定位；另外，取样过程中由于缺乏导向，钻取时容易偏离预先规划的取样部位，影响取样的准确性。由此可见，基于表面解剖进行定位取样易产生误差，使获得的小梁类型存在差异，造成混杂偏倚。近来有文献报道借助X线扫描图像或透视下进行取样，以期增加取样的准确性。然而，X线图像属于二维影像，是与X射线垂直方向上(z轴方向)的所有结构在射线接收平面上投影的叠加。而骨取样涉及三维结构的定位，借助X线图像定位仍有可能出现在Z轴方向上偏离感兴趣骨组织区域，但接收平面的投影仍显示取样部位包含在感兴趣区域内，定位不准。并且，利用钻头钻取骨组织过程中因缺乏导向而出现的偏离同样存在，造成取样结果误差。综上，传统方法在小梁定位及取样的准确性上存在不足，目前尚无研究就对上述问题进行有效地解决。

3D打印技术，属快速成型技术的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术应用领域广泛，涉及工程、机械制造、艺术、教育以及医疗等多个行业，尤其在医疗卫生行业，生物材料、人体组织或器官等3D生物打印技术成为当前研究的热点。运用3D生物打印技术完全再现三维数据，能够满足临床及医学科研领域对于精确性及标准化的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于计算机体层扫描成像(CT)及3D打印技术的对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，可以解决骨退行性疾病研究中特定骨小梁定位及取样时，取样前定位更准确、取样时不偏移，实现取样过程标准化等技术问题。

本发明实现上述发明目，所采用的技术方案如下：

基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，包括如下步骤：

(1)设定薄层CT对股骨头标本进行扫描；

(2)借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准定位：将CT扫描后图像导入医学三维图像处理软件，在调整任意切面的条件下，根据内部骨小梁走形，选取感兴趣骨组织分布区域；

借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准标识：确定感兴趣骨组织区域后，利用图像处理软件对目标位置做一个标识，并标记骨组织取样导向通道，将股骨头和标识通道分别建立三维模型，并且分别存储为stl格式；

(3)将经过步骤(2)处理后的三维模型导入计算机辅助设计制图软件，依据每个股骨头的表面形态，采用布尔减运算，设计一个与股骨头表面精确吻合的壳状结构，以保证壳状模具的内表面与相应的股骨头外表面准确配准，并结合取样导向通道的三维模型制作一个定向取样模具；

(4)定向取样模具存储为通用的三维打印数据格式stl，选用打印耗材，打印模具，将模具与股骨头准确配准后，在快速成型技术制作的取样模具的引导下，实施对前期规划的感兴趣区域进行准确取材。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述步骤(1)，扫描参数为100-120kV、700-740mA，所述薄层在1.0-0.625mm层厚。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述精准定位的图像处理软件采用Mimics软件，借助于该软件的Online Reslice功能创建出interactive MPR，通过旋转十字准星显示任意三维平面下股骨头内部结构，从而在三维可视条件下选取感兴趣骨组织分布区域。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述精准定位的图像处理软件采用Analyze、Simpleware或3D-Doctor软件中的一种。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，利用图像处理软件对目标位置做一个标识是根据实际需要添加一个CAD几何模型，长方体或圆柱体模型，调整CAD对象大小、形状，以及在各个平面内的位置及角度，将股骨头和导向通道CAD对象分别存储为stl格式。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，每个股骨头的表面形态包括：股骨头凹、表面轮廓、断端解剖轮廓。

所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述计算机辅助设计制图软件包括：CAD、3-matic、Solidworks软件中的一种。

本发明的有益效果：

1、本发明设计了一套“定位-导向-模具制作-取样”的标准化取样流程，严格规范了骨标本取样过程中的每一步。在对不同个体骨标本进行分组研究时，控制了人为取样操作造成的偏倚，减少取样误差对实验结果造成的影响，使研究结果的可信度更高。

2、定位利用CT扫描股骨头标本后经图像处理软件分析处理，能够从三个不同的切面对股骨头内任意感兴趣区域进行定位，特别的可以对骨骼内部某些特殊部位(如压力小梁、张力小梁等)进行定位，有利于评估该区域的微观结构、构成成分、机械性能，可以为骨质疏松及骨性关节炎等骨骼系统退行性疾病病理变化的研究提供素材。

3、导向基于精确定位的基础上，利用快速成型技术，制作了个性化导向模具，固定了取样的角度、方向，实现了取样操作的精确配准和牢固把持，避免了取样过程中钻头偏离取样部位的问题。

4、取样前规划取样前对股标本内部结构进行分析，制作导向取样模具，实际上相当于利用计算机先对股标本进行虚拟取样，避免了盲目取样对珍贵的骨标本造成损伤，提高骨标本的利用率，降低了研究成本。

附图说明

图1-1是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之一，确定感兴趣区域的示意图。

图1-2是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之二，确定感兴趣区域的示意图。

图1-3是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之三，确定感兴趣区域的示意图。

图2是本发明标识CAD对象的建立在该位置建立一圆柱形CAD对象做标识的示意图。

图3是导向CAD标识和股骨头标本的三维模型在三维图像处理软件中，提取股骨头外轮廓模型，将该股骨头模型与CAD标识对象导出的示意图。

图4是本发明股骨头表面轮廓数据提取在计算机辅助设计软件中，提取股骨头表面轮廓数据,合并导向CAD圆柱，形成上方壳形导向模具的示意图。

图5是本发明导向模具与股骨头精确配准切源位置、股骨头小凹等解剖特征点与导向磨具形成凹凸相配的关系示意图。

具体实施方式

本发明实现对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法的详细步骤：

实施案例1：股骨头主要压力小梁定位取样

如图1-1、1-2、1-3、2、3、4、5所示，演示对股骨头主要压力小梁的定位取样，具体步骤如下：

(1)设定CT扫描参数，对股骨头标本进行扫描，并建立股骨头的三维图像。

参见图1-1、1-2、1-3所示，通过CT不同截面选定合适切面：在三维图像处理软件中通过三个相互垂直的切面，确定感兴趣区域。图示为拟在该截面选取软骨下15mm，直径为12mm圆柱形区域最佳的观察面。

CT(GEDiscovery CT750HD)扫描参数设定：层厚0.625mm，扫描电压120kV，扫描电流740mA，扫描范围≥股骨头直径。由于CT扫描是现代医学中常用的一种检测方法，其扫描成像技术已是本领域技术人员所公知的技术，在此不再对其扫描成像方法过多赘述。

(2)扫描后图像导入mimics软件，在三维可视条件下定位主要压力小梁分布集中区域，并标记骨组织取样导向通道，如图1-1、1-2、1-3、2、3。

将CT扫描获得的股骨头标本图像数据(DICOM格式)导入mimics软件(mimics 16，Materialise，Belgium)，并对股骨头进行三维重建。Mimics软件中Online Reslice菜单下的沿平面再切割(along plane)功能，允许用户在空间内任意选取三点作为“特定平面”，沿该平面对图像进行再次切割，并得到与该平面在空间内垂直相交的另外两个平面。由此，软件视图呈现出三个垂直正交平面(interactive MPR)上股骨头的二维结构图像(其中一个即为所选“特定平面”)，以及三维视窗下该“特定平面”与股骨头的空间位置关系图(图1-1、1-2、1-3)。

本发明正是利用该软件的这一功能，实现股骨头标本内任意平面的可视化。另外，通过旋转某一正交平面(interactive MPR)内的十字准星(crosshair)能够直接改变“特定平面”与股骨头的空间位置关系，从而在屏幕上呈现出该平面内股骨头的二维结构图。由此，可对股骨头内任意感兴趣区域进行定位。结合案例，借助股骨头凹解剖位置，初步估计主要压力小梁可能分布的范围，利用平面再切割(along plane)功能可切割出主要压力小梁最集中平面。在此平面内创建一个圆柱形CAD对象，在各平面内调整CAD对象宽度、走形的角度，使该圆柱长轴与主要压力小梁平行，且位于小梁中心，用以标记取样通道(图2、3)。如图2所示，标识CAD对象的建立：在该位置建立一个直径为12mm的圆柱形CAD对象做标识。如图3所示，导向CAD标识和股骨头标本的三维模型：在三维图像处理软件中，提取股骨头外轮廓模型，将该股骨头模型与CAD标识对象导出。

(3)将处理后的图像导入3matic软件，利用该软件拟合出能精确对合股骨头表面，且具有取样导向通道的取样模具。

将处理后图像导入3matic软件(3-matic 6.0,Materialise,Belgium)，在计算机辅助设计软件中，提取股骨头表面轮廓数据，通过股骨头表面四个点拟合一个球形CAD，外移合适长度(如2mm)后，采用布尔减减去股骨头，切除下部分无用数据，合并导向CAD圆柱，即完成上方壳形导向模具。将设计完成的模具输出为STL格式。如图4所示，股骨头表面轮廓数据提取：在计算机辅助设计软件中，提取股骨头表面轮廓数据，通过股骨头表面四个点拟合一个球形CAD，外移合适长度(如2mm)后，采用布尔减减去股骨头，切除下部分无用数据，合并导向CAD圆柱，即可达到上方壳形导向模具。

(4)制作取样模具，与相应股骨头准确对合后，在取样通道导引下正确取样。

将设计好模具文件导入3D打印设备(OBJET EDEN 260V,Stratasys Ltd,Rehovot,Israel)，选择Transparent材料盒，快速精准地完成模具制作。

参见图5所示，导向模具与股骨头精确配准：切源位置、股骨头小凹等解剖特征点与导向磨具形成凹凸相配的关系，既可精确定位，又能提供较为稳定的接触，便于取样操作。

(5)依照上述标准化流程，完成研究中其他股骨头标本的取样模具，确保每个标本均准确取出待研究的主要压力小梁，保证可比性。在模具的导向下，完成小梁取样。

实施案例2：股骨头取样前规划

用于研究骨骼系统退行性病变的人体股骨头标本来源于髋关节置换术后病人，标本珍贵较难获得。对股骨头标本进行取样时，良好的取样前规划既能够对感兴趣骨小梁进行精确定位取样，避免盲目操作破坏股骨头重要结构造成浪费；同时，能够充分利用已有标本，对同一标本不同部位小梁进行取样分析，获得更多研究信息，并降低研究成本。此为本发明的另一重要应用，下面将结合实施案例，对同一股骨头主要张力小梁、压力小梁及非负重区域同时取样，具体说明：

(1)设定CT扫描参数，对股骨头标本进行扫描，并建立股骨头的三维图像。

CT(GEDiscovery CT750HD)扫描参数设定：层厚0.625mm，扫描电压120kV，扫描电流740mA，扫描范围≥股骨头直径。由于CT扫描是现代医学中常用的一种检测方法，其扫描成像技术已是本领域技术人员所公知的技术，在此不再对其扫描成像方法过多赘述。

(2)扫描后图像导入mimics软件，在三维可视条件下定位主要压力小梁分布集中区域，并标记骨组织取样导向通道。

如实施案例1所述，将CT扫描获得的股骨头标本图像数据(DICOM格式)导入mimics软件(mimics 16，Materialise，Belgium)，并对股骨头进行三维重建。本发明利用该软件的沿平面再切割(along plane)功能对股骨头图像进行再切割以获得三个正交平面。通过旋转某一正交平面(interactive MPR)内的十字准星(crosshair)，选择主要压力小梁分布最集中平面，在此平面内创建一个圆柱形CAD对象，调整CAD对象长轴与主要压力小梁平行，作为主要压力小梁取样通道标记(A)。继续旋十字准星，选择张力小梁集中平面，在该平面内再创建一个新的CAD对象，对张力小梁取样通道进行标记(B)，调整通道B空间位置避免与通道A相交，以防取样时受到干扰。非负重区域通道(C)标记方法同上不做赘述。

(3)将处理后的图像导入3matic软件，利用该软件拟合出能精确对合股骨头表面，且具有取样导向通道的取样模具。

将处理后图像导入3matic软件(3-matic 6.0,Materialise,Belgium)，参照股骨头的直径拟合出一个半圆形模具外壳，外壳直径稍大于股骨头直径。依据特定股骨头的表面形态，拟合出半圆形取样模具的内表面，使两者能精确贴合。同时，根据三维CAD对象标记，在模具表面分别确定通道A、B、C入口位置、大小及导向角度，完成模具的设计，输出为STL格式。

(4)制作取样模具，与相应股骨头准确对合后，在取样通道导引下正确取样。

将设计好模具文件导入3D打印设备(OBJET EDEN 260V,Stratasys Ltd,Rehovot,Israel)，选择Transparent材料盒，快速精准地完成模具制作。

(5)依照上述标准化流程，完成研究中其他股骨头标本的取样模具，确保每个标本均准确取出待研究的主要压力小梁，保证可比性。在模具的导向下，完成小梁取样。

传统取样方法由于缺乏对取样通道的预先设计，往往只能进行一次性取样；取样过程中由于缺乏导向，难以严格控制取样角度，可能由于偏离而造成对其他小梁结构的破坏，因此限制了股骨头的应用。通过合理的取样前规划，借助取样模具的导向作用，一方面保证了取样定位的准确性，另一方面也规范了取样过程中钻头的角度。因此只要术前充分考虑各取样通道标记CAD对象(如上述A、B、C)的空间位置，做到彼此互不干扰，并利用3D打印技术将设计完成的取样模具打印成实体，借助模具表面取样通道的导向，即能够实现对同一股骨头标本不同部位的骨小梁同时取样，最大化利用股骨头标本，降低研究成本。

Claims (7)

1.基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，包括如下步骤：

(1)设定薄层CT对股骨头标本进行扫描；

(2)借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准定位：将CT扫描后图像导入医学三维图像处理软件，在调整任意切面的条件下，根据内部骨小梁走形，选取感兴趣骨组织分布区域；

借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准标识：确定感兴趣骨组织区域后，利用图像处理软件对目标位置做一个标识，并标记骨组织取样导向通道，将股骨头和标识通道分别建立三维模型，并且分别存储为stl格式；

(3)将经过步骤(2)处理后的三维模型导入计算机辅助设计制图软件，依据每个股骨头的表面形态，采用布尔减运算，设计一个与股骨头表面精确吻合的壳状结构，以保证壳状模具的内表面与相应的股骨头外表面准确配准，并结合取样导向通道的三维模型制作一个定向取样模具；

(4)定向取样模具存储为通用的三维打印数据格式stl，选用打印耗材，打印模具，将模具与股骨头准确配准后，在快速成型技术制作的取样模具的引导下，实施对前期规划的感兴趣区域进行准确取材。

2.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述步骤(1)，扫描参数为100-120kV、700-740mA，所述薄层在1.0-0.625mm层厚。

3.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述精准定位的图像处理软件采用Mimics软件，借助于该软件的OnlineReslice功能创建出interactive MPR，通过旋转十字准星显示任意三维平面下股骨头内部结构，从而在三维可视条件下选取感兴趣骨组织分布区域。

4.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述精准定位的图像处理软件采用Analyze、Simpleware或3D-Doctor软件中的一种。

5.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，利用图像处理软件对目标位置做一个标识是根据实际需要添加一个CAD几何模型，长方体或圆柱体模型，调整CAD对象大小、形状，以及在各个平面内的位置及角度，将股骨头和导向通道CAD对象分别存储为stl格式。

6.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，每个股骨头的表面形态包括：股骨头凹、表面轮廓、断端解剖轮廓。

7.如权利要求1所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，所述计算机辅助设计制图软件包括：CAD、3-matic、Solidworks软件中的一种。