CN104739513B - 制作人体组织模拟手术模型及导板的方法 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明公开了一种制作人体组织模拟手术模型及导板的方法，包括如下步骤：采集人体组织的CT/MR数据，整理重建，进行模型空间位置数据的精确分割，基于手术部位的网格模型，添加手术信息，逆向工程制作手术导板模型，将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据，将逐层横截面数据传入3d打印机进行打印。本发明通过3D打印得到精确的医学模型与导板的结合，可以低成本、快速的进行精确的模拟手术，根据术前导板精确的执行术前模拟计划，进而降低手术风险，缩短手术时间，提高手术效果，具有极大的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟手术技术领域，更具体地，涉及更具性价比和操作性的一种制作人体组织模拟手术模型及导板的方法。
背景技术
3D打印技术或者快速成型技术，是以计算机三维模型数据为基础，将材料融化或粘合，并逐层将目标物体构建出来的工艺。3D打印技术经过了近20年的发展，而近几年随着计算机建模技术及材料品质的改进，以及打印机和材料价格的下降，极大的降低了其成本，因此发展变的更加迅速，尤其在工业设计、个性化制作、快速成型等多个领域得到了更多实质化的应用。
其中，由于人体的个性特征和疾病的个体特性都很多样化，所以每个手术均有其特殊性，使用虚拟手术计划，可以提前进行模拟手术，评估手术风险，拟定具体的手术步骤，进而减低手术风险及缩短手术时间。而目前的计算机虚拟手术计划都需要复杂的软件程序进行设计，配备价格高昂的设备投入，同时还要专职技术人员的管理维护，因此极大的限制了虚拟手术在广大普通医院的应用。而除了成本因素之外，外科医生在模型上模拟手术，因无参考标准或者客观的参考物，所以手术中的切割部位、方向、深度以及螺钉的方向、深度等无法准确的把握，因此仍存在一定的手术风险，技术上还有待完善。
而当前的3d打印已经能够提供更加快速、低成本、个性化的医学手术模型。因此，如果将3D打印和原有的计算机虚拟手术技术进行有效结合，将极好的解决发展模拟手术场景所存在的技术、资金困难，令虚拟手术变得更加容易实现，且稳定安全。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的目的是提供一种通过3d打印医学手术模型及导板，进行术前模拟，精确按照术前模拟步骤进行手术的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
制作人体组织模拟手术模型及导板的方法，包括如下步骤。
步骤1：采集人体组织的CT/MR数据
针对进行模拟手术的人体部位，进行扫描得到CT/MR数据；将CT/MR数据转换为三维数据集，通过三维数据集，建立模拟手术的计算机虚拟模型。
步骤2：对CT/MR数据进行整理重建
对于CT/MR数据中包含的图像像素间的相互关系信息进行空间转换，获得符合实际人体情况的模型空间位置数据；其中，所述空间转换方法包括弹性变换、仿射变换、刚性变换、非刚性变换以及在不同图像尺度上进行的上述变换方式的组合。
步骤3：模型空间位置数据的精确分割
将模型空间位置数据进行MR图像的精确分割，得到各器官的分割图像，根据图像分割的结果，生成描述手术部位的三维网格曲面，再根据CT/MR图像的信息，生成手术部位的内外组织结构信息，将内外组织结构信息附加到手术部位的三维网格曲面中，形成手术部位的网格模型。
步骤4：基于手术部位的网格模型，添加切除部位、内固定位置、内固定方向及内固定长度的手术信息。
步骤5：逆向工程制作手术导板模型
根据步骤4中获取的网格模型，制作表面与网格模型贴服的手术导板模型。手术导板模型上标示手术提示信息，手术提示信息包括切除线的位置、方向、深度，以及内固定钢板、螺钉两者的位置、方向、长度。手术导板模型由外架和内衬两部分组成，其中对软性材料经过3d打印获得外架，由硬性材料制成内衬；其中，外架尺寸固定，内衬根据手术部位定制，设定选择型号。
步骤6：将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据
将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据，添加附加信息。其中，逐层横截面的厚度为0.1~5毫米。
所述附加信息包含以下内容：网格模型对应的组织、器官的密度，网格模型厚度，网格模型所包围区域的填充率，网格模型所代表的组织、器官的颜色。
步骤7：将逐层横截面数据传入3d打印机，进行打印
针对手术部位中不同的组成部分，选择对应的 3D 打印材料；其中，骨骼的打印材料为磷酸钙、磷酸钙生物陶瓷、含磷酸钙的混合材料、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。
脏器、腔道、神经、血管、肌肉、皮肤的打印材料为硅胶、橡胶、明胶及工业淀粉形成的材料。
外架的打印材料为硬性材料，所述硬性材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铬合金、PEEK材料及碳纤维等构成的单一品种或混合物；此外，内衬的打印材料为软性材料，所述软性材料为ABS塑料、聚氨酯、树脂、包裹纤维的树脂材料、橡胶、胶乳、合成橡胶、尼龙及聚合物构成的单一品种或混合物。
3d打印机的打印参数为：喷头温度：-30摄氏度~800摄氏度；底盘温度：-10摄氏度~200摄氏度；送料速度：5mm／s~800mm／s；空走速度：5mm／s~800mm／s；填充率：1%~100%。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过3D打印得到精确的医学模型与导板的结合，可以低成本、快速的进行精确的模拟手术，根据术前导板精确的执行术前模拟计划，进而降低手术风险，缩短手术时间，提高手术效果，具有极大的实用价值。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
制作人体组织模拟手术模型及导板的方法，包括如下步骤。
步骤1：采集人体组织的CT/MR数据
针对进行模拟手术的人体部位，通过MRI、CT或其它扫描设备进行扫描得到CT/MR数据。
将CT/MR数据转换为三维数据集，获得三维数据集的过程可以是将数据输出到已知的建模程序中，通过该建模程序用CAD等格式表示三维数据集。外科医生可以利用三维数据集，根据医学知识，建立模拟手术的计算机虚拟模型。
步骤2：对CT/MR数据进行整理重建
对于CT/MR数据中包含的图像像素间的相互关系信息，以及基于这些信息进行分析所得的数据信息，进行空间转换，获得符合实际人体情况的模型空间位置数据。
空间转换方法包括：弹性变换、仿射变换、刚性变换或非刚性变换，以及在不同图像尺度上进行上述变换方式的任意组合。
其中，由于CT是根据组织的密度测量，而MR是根据组织的含水量来测量，因此会得到不同的数据结果；同时，由于检查扫描时所依据的标准或者参考物不一样，原始的模型空间位置信息跟肉眼所看到的外形是有一定区别的，因此需要通过空间转换获得最佳最贴近真实情况的模型空间位置数据。
步骤3：模型空间位置数据的精确分割
将模型空间位置数据进行MR图像的精确分割，得到各器官如骨骼、脏器、腔道、神经、血管、韧带、肌肉、皮肤、病变组织、肿瘤等的分割图像，根据图像分割的结果，生成精确描述拟手术部位的三维网格曲面，再根据CT/MR图像的信息和解剖知识，生成拟手术部位的内外组织结构信息，将内外组织结构信息附加到拟手术部位的三维网格曲面中，形成手术部位的网格模型。
步骤4：基于手术部位的网格模型，添加手术信息，如切除部位、内固定位置、内固定方向、内固定长度等。
步骤5：逆向工程制作手术导板模型
根据步骤4中获取的网格模型，制作表面与网格模型贴服的手术导板模型，并在手术导板模型上设计手术提示信息，例如切除线的位置、方向、深度，内固定钢板及螺钉的位置、方向、长度等。
其中，手术导板模型由外架和内衬两部分组成，其中外架优选塑料等易于获取且价格低廉的的软性材料经过3d打印等快速成型技术直接获得，而内衬则由金属等硬性材料制成，可以根据手术部位定制，或者直接通用化制作以便重复实用；其中，外架尺寸固定，内衬尺寸可以有多种型号选择。可以选择不同内径的内衬以适合不同直径的螺钉或者钻头使用，并选择不同的内宽度和长度以便匹配不同切除平面（摆锯截除、切除刀切除等）的使用以及不同切除刀（摆锯、线锯、骨刀等）的使用。
步骤6：将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据
将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据，储存为STL或3MF格式，并添加自定义的附加信息；
所述附加信息可以包含以下内容：网格模型对应的组织、器官的密度、网格模型厚度、网格模型所包围区域的填充率和网格模型所代表的组织、器官的颜色；
所述的逐层横截面的厚度为0.1~5毫米，生成逐层横截面数据可使用的软件可以是Mimics、Cura、Magics、Skeinforge、Slicr、netfabb或其它基于Windows2003及后续版本提供的SDK开发软件。
步骤7：将逐层横截面数据传入3d打印机，进行打印
针对手术部位中不同的组成部分，选择对应的 3D 打印材料。
骨骼的打印材料为磷酸钙、磷酸钙生物陶瓷、含磷酸钙的混合材料、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等具有一定硬度的材料。
脏器、腔道、神经、血管、肌肉、皮肤的打印材料为硅胶、橡胶、明胶及工业淀粉形成的材料，也可以是其他柔性材料、弹性材料的单一品种或混合物。
其中，外架的打印材料为硬性材料，所述硬性材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铬合金、PEEK材料及碳纤维等构成的单一品种或混合物。
内衬的打印材料为软性材料，所述软性材料为ABS塑料、聚氨酯、树脂、包裹纤维的树脂材料、橡胶、胶乳、合成橡胶、尼龙及聚合物构成的单一品种或混合物。
其中，对上述3D打印材料的选择或者组合方法还包括：可根据不同部位，选用不同材料或者同一材料的不同颜色，以便进行区别，便于最终模型的使用。
本发明所适合使用的3d打印技术包括：消融堆积、分层粘合、激光融合、光敏融合等。
实际操作中，本发明可以在本地通过机械制作，也可以通过模型数据传送，进行远程机器制作。所谓机械包括目前制作模型的普通机床，计算机数字控制机械，快速成型机械（3d打印机）以及其他类型机械。其中使用3d打印机，可以设置的3d打印参数为：喷头温度：-30摄氏度~800摄氏度；底盘温度：-10摄氏度~200摄氏度；送料速度：5mm／s~800mm／s；空走速度：5mm／s~800mm／s；填充率：1%~100%。
步骤8：后续处理
手术部位网格模型的后续处理：可以不处理，也可以经过描绘、喷涂或浸泡不同颜色或者打磨、钻孔、切割处理或者添加其他不需／不能打印组件，最后组装成所需模型。
手术导板的后续处理：手术前经过消毒程序，经检验消毒合格后送到手术室，医生根据术前的计划，精确进行手术治疗。
综上所述，显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.制作人体组织模拟手术模型及导板的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：采集人体组织的CT/MR数据
针对进行模拟手术的人体部位，进行扫描得到CT/MR数据；将CT/MR数据转换为三维数据集，通过三维数据集，建立模拟手术的计算机虚拟模型；
步骤2：对CT/MR数据进行整理重建
对于CT/MR数据中包含的图像像素间的相互关系信息进行空间转换，获得符合实际人体情况的模型空间位置数据；其中，所述空间转换方法包括弹性变换、仿射变换、刚性变换、非刚性变换以及在不同图像尺度上进行的上述变换方式的组合；
步骤3：模型空间位置数据的分割
将模型空间位置数据进行MR图像的分割，得到各器官的分割图像，根据图像分割的结果，生成描述手术部位的三维网格曲面，再根据CT/MR图像的信息，生成手术部位的内外组织结构信息，将内外组织结构信息附加到三维网格曲面中，形成手术部位的网格模型；
步骤4：基于手术部位的网格模型，添加切除部位、内固定位置、内固定方向及内固定长度的手术信息；
步骤5：逆向工程制作手术导板模型
根据步骤4中获取的网格模型，制作表面与网格模型贴服的手术导板模型；其中，手术导板模型由外架和内衬两部分组成，其中对软性材料经过3d打印获得外架，由硬性材料制成内衬；同时，外架尺寸固定，内衬根据手术部位定制，设定选择型号；在手术导板模型上标示手术提示信息，手术提示信息包括切除线的位置、方向、深度，以及内固定钢板、螺钉两者的位置、方向、长度；
步骤6：将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据
将所得网格模型及手术导板模型转换为逐层横截面数据，添加附加信息；所述附加信息包含以下内容：网格模型对应的组织、器官的密度，网格模型厚度，网格模型所包围区域的填充率，网格模型所代表的组织、器官的颜色；
步骤7：将逐层横截面数据传入3d打印机进行打印
针对手术部位中不同的组成部分，选择对应的3D打印材料；其中，骨骼的打印材料为磷酸钙、磷酸钙生物陶瓷、含磷酸钙的混合材料、聚乳酸、含有聚乳酸的混合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物以及含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物；
脏器、腔道、神经、血管、肌肉、皮肤的打印材料为硅胶、橡胶、明胶及工业淀粉形成的材料；
内衬的打印材料为硬性材料，所述硬性材料为不锈钢、钛合金、铝合金、铬合金、PEEK材料及碳纤维构成的单一品种及混合物；此外，外架的打印材料为软性材料，所述软性材料为ABS塑料、聚氨酯、树脂、橡胶、胶乳、合成橡胶、尼龙、聚合物及包裹纤维的树脂材料构成的单一品种或混合物；
3d打印机的打印参数为：喷头温度：-30摄氏度～800摄氏度；底盘温度：-10摄氏度～200摄氏度；送料速度：5mm/s～800mm/s；空走速度：5mm/s～800mm/s；填充率：1％～100％。
2.根据权利要求1所述的制作人体组织模拟手术模型及导板的方法，其特征在于所述的步骤6中，逐层横截面的厚度为0.1毫米～5毫米。
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