CN105105847A - 一种用于肾结石手术模拟教学的3d肾脏模型打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明开了一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法，使用MIMICS软件利用CTU的平扫期获得高密度的结石三维重建模型、通过动静脉增强期获得肾脏皮质及动静脉血管的三维重建模型、通过肾盂分泌增强期获得肾盂及输尿管的三维重建模型，从而获得包括肾皮质、肾髓质、肾动静脉、肾盂肾盏、输尿管的肾脏三维重建模型，并最终通过将各个部分的三维重建模型组合在一起获得一个完整的肾脏三维重建模型。本发明有效解决了现有经皮肾镜碎石术作为有效和安全的微创手术，医师选择最佳穿刺点是手术中的难点和关键点，若通过二维图像在脑海中形成三维立体图形，这不仅要求长时间的训练，还很容易漏掉一些小的解剖结构。

Description

一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法

技术领域

本发明属于用医疗辅助器械设备技术领域，具体涉及一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法。

背景技术

泌尿系结石是泌尿科的常见病之一，占泌尿科住院人数的首位。自1976年Fernstrom等首先应用肾镜通过经皮穿刺扩张的肾造瘘通道进行肾盂结石取石术获得成功，经过30多年的发展，目前经皮肾镜碎石术（PCNL）已经成为治疗大结石、多发结石或下盏结石的金标准。PCNL作为有效和安全的微创手术，但又有其特殊的并发症。术中、术后大出血的发生率约为13.7%，结肠、脾脏、肝脏损伤的发生率约为0.4%。最大程度提高手术碎石率和减少并发症成为PCNL发展和研究的热点。因此作为一种难度较大，风险较高的手术术式。在这个手术中医师选择最佳穿刺点是手术中的难点和关键点，而目前医师在常规手术中只能通过术前二维CT图像和术中B超定位来寻找穿刺点，缺少病人肾脏和结石的三维立体认识。而三维立体的解剖结构对于手术却是非常重要的。这就要求医师拥有丰富临床手术经验与训练时间，才能够通过二维图像在脑海中形成三维立体图形。这不仅要求长时间的训练，还很容易漏掉一些小的解剖结构，在一些疑难、存在解剖变异的情况下更容易发生危险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法，本发明有效解决了现有经皮肾镜碎石术作为作为有效和安全的微创手术，医师选择最佳穿刺点是手术中的难点和关键点，而目前医师在手术中只能通过术前二维CT图像和术中B超定位来寻找穿刺点，缺少病人肾脏和结石的三维立体认识，想通过二维图像在脑海中形成三维立体图形，这不仅要求长时间的训练，还很容易漏掉一些小的解剖结构，在一些疑难、存在解剖变异的情况下更容易发生危险的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法，使用MIMICS软件利用CTU的平扫期获得高密度的结石三维重建模型、通过动静脉增强期获得肾脏皮质及动静脉血管的三维重建模型、通过肾盂分泌增强期获得肾盂及输尿管的三维重建模型，从而获得包括肾皮质、肾髓质、肾动静脉、肾盂肾盏、输尿管的肾脏三维重建模型，并最终通过将各个部分的三维重建模型组合在一起获得一个完整的肾脏三维重建模型；上述方法包括如下步骤：

1）患者常规进行CT尿路造影，CT尿路造影包括平扫期、动静脉期、排泄期；在平扫期，结石及肋骨的灰度值较高，明显区分于结石周围软组织；在动静脉期，主动脉、肾动静脉及肾脏皮质的灰度值较高，明显区分于肾盂肾盏及输尿管；在排泄期，肾盂肾盏及输尿管因为造影剂的原因也成较高灰度值，区分于其他软组织，CT尿路造影数据采用Dicom格式保存，并通过光盘刻录数据；

2）将步骤1中储存CT尿路造影数据的光盘导入装有Mimics软件的电脑中，使用Mimics软件中的阈值选取技术，分别对CT尿路造影中三个期中表现为高灰度值的结石及肋骨、肾脏皮质及动静脉、肾盂肾盏及输尿管进行灰度值选取，并获得它们的灰度值范围,具体数据分别如下：结石及肋骨灰度值范围226～1607Hu、肾脏皮质及动静脉灰度值范围112～1171Hu、肾盂肾盏及输尿管灰度值范围226～1627Hu；

3）利用Mimics软件的区域增长技术依次对步骤2中三个期根据确定的密度值范围选取多个层面的解剖结构使之成为一个完整的器官，对于因密度问题没有被选中的肾脏部分进行手动添加，最后点击Mimics软件中Calculate3DfromMask按钮分别三维重建出被选中的密度值范围内的器官图形；

4）通过Mimics软件的多层编辑修饰、透明化、光滑处理技术修饰所有Mask的光滑度、透明度，删除肾脏以外的图形，分别得到CT尿路造影三个期的图形为Msak1、Mask2、Mask3，再将Msak1、Mask2、Mask3组成一个完整的肾脏，在组合好的肾脏中，去除肾脏髓质部分以更加直观地显示肾脏内部结构；

5）将重建好的3D肾脏模型保存，保存的格式为STL格式；

6）将步骤5中的STL格式文件导入3D打印机中，调试好3D打印机后由3D打印机自动打印出来完整的3D肾脏模型。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

本发明提供了一种新的人体肾脏复制品模型作为一种可以辅助到手术的手术器材或模拟教学品，有了这种患者的1:13D打印模型，不仅可以直观地让医师了解到肾脏的解剖结构，还能够为年轻医师的教学，训练提供帮助；

本发明所采用的MIMICS软件常规用于骨科的骨组织重建中，因为骨头的密度高，MIMICS软件可以直接选取出骨骼的三维重建模型，因为骨骼的密度值高于周围软组织，对于利用密度值来选取组织的MIMICS软件来说十分简单方便，没有技术难度，但是对于如肾脏（包括肾皮质、肾髓质、肾动静脉、肾盂肾盏、输尿管）这种软组织却不能选取区分出各解剖形态；CT尿路造影是泌尿外科肾结石等疾病常规检查项目，其中包括平扫期、动脉期、静脉期、肾盂分泌期，本发明正是利用了CT尿路造影的不同期的平扫加增强的效果，巧妙地区分开了肾脏不同解剖结构；本发明使用MIMICS软件利用CT尿路造影的平扫期获得高密度的结石三维重建模型；通过动静脉增强期可以获得肾脏皮质及动静脉血管的三维重建模型；通过肾盂分泌增强期可以获得肾盂及输尿管的三维重建模型。由此成功地获得各个部分的肾脏三维重建模型，并最终通过将各个部分的三维重建模型组合在一起获得一个完整的肾脏三维重建模型。为了更好直观地显示出肾脏内部的解剖细节，肾脏髓质作为一种在手术中关系不大的解剖结构，我们技术性地将其去除。

附图说明

图1为本发明平扫期获得的肾脏结石及11肋骨、12肋骨的三维重建图形；

图2为本发明动静脉期获得的肾皮质及肾静动脉三维重建图形；

图3为本发明动静脉期获得重建出并修饰好的动脉图形；

图4为本发明利用排泄期重建好的肾盂和输尿管；

图5为本发明将肾脏各部分重新组合在一起的肾脏三维重建模型图；

图6为肾盂部分的局部放大图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明使用MIMICS软件利用CTU的平扫期获得高密度的结石三维重建模型、通过动静脉增强期获得肾脏皮质及动静脉血管的三维重建模型、通过肾盂分泌增强期获得肾盂及输尿管的三维重建模型，从而获得包括肾皮质、肾髓质、肾动静脉、肾盂肾盏、输尿管的肾脏三维重建模型，并最终通过将各个部分的三维重建模型组合在一起获得一个完整的肾脏三维重建模型；上述方法包括如下步骤：

1）患者常规进行CT尿路造影，CT尿路造影包括平扫期、动静脉期、排泄期；在平扫期，结石及肋骨的灰度值较高，明显区分于结石周围软组织；在动静脉期，主动脉、肾动静脉及肾脏皮质的灰度值较高，明显区分于肾盂肾盏及输尿管；在排泄期，肾盂肾盏及输尿管因为造影剂的原因也成较高灰度值，区分于其他软组织，CT尿路造影数据采用Dicom格式保存，并通过光盘刻录数据；

2）将步骤1中储存CT尿路造影数据的光盘导入装有Mimics软件的电脑中，使用Mimics软件中的阈值选取技术，分别对CT尿路造影中三个期中表现为高灰度值的结石及肋骨、肾脏皮质及动静脉、肾盂肾盏及输尿管进行灰度值选取，并获得它们的灰度值范围,具体数据分别如下：结石及肋骨灰度值范围226～1607Hu、肾脏皮质及动静脉灰度值范围112～1171Hu、肾盂肾盏及输尿管灰度值范围226～1627Hu，这个时候选取的仅为CT尿路造影扫描一个层面的解剖部分；

3）CT尿路造影是通过多层扫描得到人体器官的图像，因此利用Mimics软件的区域增长技术依次对步骤2中三个期根据确定的密度值范围选取多个层面的解剖结构使之成为一个完整的器官，对于因密度问题没有被选中的肾脏部分进行手动添加，最后点击Mimics软件中Calculate3DfromMask按钮分别三维重建出被选中的密度值范围内的器官图形；

4）通过Mimics软件的多层编辑修饰、透明化、光滑处理技术修饰所有Mask的光滑度、透明度，删除肾脏以外的图形，分别得到CT尿路造影三个期的图形为Msak1、Mask2、Mask3，再将Msak1、Mask2、Mask3组成一个完整的肾脏，在组合好的肾脏中，去除肾脏髓质部分以更加直观地显示肾脏内部结构，否则会因为肾脏髓质的影响无法看清肾脏内的肾盂肾盏，还会增加3D打印的技术难度，为了将与肾脏无接触的肋骨同时打印出来，用一个圆柱状连接线将肋骨和肾脏表面连接起来，以利于3D打印机一体打印；

5）将重建好的3D肾脏模型保存，保存的格式为STL格式；

6）将步骤5中的STL格式文件导入3D打印机中，调试好3D打印机后由3D打印机自动打印出来完整的3D肾脏模型。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于肾结石手术模拟教学的3D肾脏模型打印方法，使用MIMICS软件利用CTU的平扫期获得高密度的结石三维重建模型、通过动静脉增强期获得肾脏皮质及动静脉血管的三维重建模型、通过肾盂分泌增强期获得肾盂及输尿管的三维重建模型，从而获得包括肾皮质、肾髓质、肾动静脉、肾盂肾盏、输尿管的肾脏三维重建模型，并最终通过将各个部分的三维重建模型组合在一起获得一个完整的肾脏三维重建模型；上述方法包括如下步骤：

1）患者常规进行CT尿路造影，CT尿路造影包括平扫期、动静脉期、排泄期；在平扫期，结石及肋骨的灰度值较高，明显区分于结石周围软组织；在动静脉期，主动脉、肾动静脉及肾脏皮质的灰度值较高，明显区分于肾盂肾盏及输尿管；在排泄期，肾盂肾盏及输尿管因为造影剂的原因也成较高灰度值，区分于其他软组织，CT尿路造影数据采用Dicom格式保存，并通过光盘刻录数据；

2）将步骤1中储存CT尿路造影数据的光盘导入装有Mimics软件的电脑中，使用Mimics软件中的阈值选取技术，分别对CT尿路造影中三个期中表现为高灰度值的结石及肋骨、肾脏皮质及动静脉、肾盂肾盏及输尿管进行灰度值选取，并获得它们的灰度值范围,具体数据分别如下：结石及肋骨灰度值范围226～1607Hu、肾脏皮质及动静脉灰度值范围112～1171Hu、肾盂肾盏及输尿管灰度值范围226～1627Hu；

3）利用Mimics软件的区域增长技术依次对步骤2中三个期根据确定的密度值范围选取多个层面的解剖结构使之成为一个完整的器官，对于因密度问题没有被选中的肾脏部分进行手动添加，最后点击Mimics软件中Calculate3DfromMask按钮分别三维重建出被选中的密度值范围内的器官图形；

4）通过Mimics软件的多层编辑修饰、透明化、光滑处理技术修饰所有Mask的光滑度、透明度，删除肾脏以外的图形，分别得到CT尿路造影三个期的图形为Msak1、Mask2、Mask3，再将Msak1、Mask2、Mask3组成一个完整的肾脏，在组合好的肾脏中，去除肾脏髓质部分以更加直观地显示肾脏内部结构；

5）将重建好的3D肾脏模型保存，保存的格式为STL格式；

6）将步骤5中的STL格式文件导入3D打印机中，调试好3D打印机后由3D打印机自动打印出来完整的3D肾脏模型。