CN105616036B - 基于医学断层图像直接3d打印实体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，包括以下步骤：获取待打印实体的医学断层图像序列，从每一层医学断层图像均提取出所有的目标区域，所述目标区域是该层医学断层图像中所有连续的非空区域；从第一层医学断层图像中找出待打印目标区域，并依次从余下的医学断层图像中找出与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域，即得到该层医学断层图像的待打印目标区域；对任意相邻两层医学断层图像中的待打印目标区域根据预设需插值的层数进行层间插值，得到相邻两层医学断层图像层间的待打印目标区域；对所有待打印目标区域进行3D打印，即得到所需的实体。该方法可以简化医学断层图像的3D打印流程，提高打印精度和打印效率。

Description

基于医学断层图像直接3D打印实体的方法

技术领域

本发明涉及一种基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，属于医学图像处理技术领域。

背景技术

随着生物材料知识的发展，3D打印技术在医学领域中的应用逐渐受到重视并得到不断发展。通过医学影像技术和3D打印技术的结合制造人体骨骼或软组织模型，具有最快的成型速度，不但可以大大加快医疗手术方案的论证过程，为手术提供强有力的技术保障，并保证手术的成功率，而且为临床医学中长期困扰人们的“度身定做”的问题的解决提供了较为有效的方法和制作手段。目前基于医学断层图像的3D打印方法通常是通过将医学断层图像内的目标区域进行三维重建，获取感兴趣区域的三维的CAD模型，然后通过对CAD模型进行分层切片处理得到3D打印系统需要的二维截面信息，最后在二维截面的轮廓内部规划3D打印机喷头或激光器的扫描填充路径，最终实现医学模型的快速成型。

但是在基于医学断层图像的3D打印流程中的各个环节都会引入误差，包括对投影数据采集时扫描系统本身的误差和扫描条件的不理想而引入的误差；对断层图像数据进行滤波、分割等处理操作导致的信息丢失；通过断层图像三维重建过程中几何曲面拟合实体的不精确性误差。而3D打印是基于离散堆积的原理将三维模型快速制造出实体模型，同样会引入误差，主要包括三角网格分层切片带来的误差；规划扫描填充路径时引入的误差；材料逐层堆积而引起的“台阶效应”误差以及3D打印系统设备本身的误差。从断层图像序列的获取经过图像处理到三维重建的CAD模型再到最终打印的实体模型的整个过程都会使实体模型的准确度变得难以控制。因此减少误差提高生物模型的制造精度成为亟待解决的问题。

通过面绘制或者体绘制进行断层图像数据的三维重建，重构出3D打印需要的模型。在重建效果、算法时间和计算复杂性等方面，都存在很大的问题需要进一步解决。虽然体绘制出的三维模型，结果的保真性大为提高。但从交互性能和算法效率上讲，至少在目前的硬件平台上，显示处理速度非常慢，不能满足实时交互的要求，而且经体绘制的模型不能进行3D打印。面绘制是采用中间几何曲面逼近实体模型表面的技术，其中通过将相邻切片的轮廓连接生成物体表面的重建方法，在确定多分支轮廓线在相邻切片间的拓扑关系以及分支顶点的连接关系方面比较困难，至今尚未彻底解决。虽然基于体素的三维重建方法是根据指定的阈值构造出相应的等值面重构实体表面，避免了上述困难，但是不能很好的解决体素构型的二义性，这会导致构造的等值面片与相邻体素的等值面片拼接时会出现错位，不能满足拓扑一致性。此外，对三维模型进行3D打印的过程中，对模型的分层离散处理是必不可少的环节，这就需要进行大量的求交计算。通过对断层图像数据的三维重建到三维模型的分层离散处理，使从CT断层数据到3D打印的整个过程更加复杂。因此减少整个过程的复杂性提高生物模型的制备时间成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种可以简化医学断层图像的3D打印流程、高精度、高打印效率的直接从医学断层图像进行3D打印实体的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，包括以下步骤：

第一步、获取待打印实体的医学断层图像序列，从每一层医学断层图像均提取出所有的目标区域，所述目标区域是该层医学断层图像中所有连续的非空区域；

第二步、从第一层医学断层图像中找出待打印目标区域，并依次从余下的医学断层图像中找出与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域，即得到该层医学断层图像的待打印目标区域；

第三步、对任意相邻两层医学断层图像中的待打印目标区域根据预设需插值的层数进行层间插值，得到相邻两层医学断层图像层间的待打印目标区域；

第四步、对所有待打印目标区域进行3D打印，即得到所需的实体。

本发明中实体是指3D打印成形的生物模型，目标区域是指每层医学断层图像中所有连续的非空区域，待打印目标区域是指每层医学断层图像中的投影区域。

本发明带来的有益效果是：

1)本发明直接从医学断层图像序列中提取待打印目标，并通过层间插值弥补了医学断层图像序列的层间距过大的问题。相对于传统的医学断层图像的3D打印方法需要先将医学断层图像内的目标区域进行三维重建，再进行切片处理来进行3D打印相比，本发明避免了三维重建后再分层离散处理时大量的求交运算以及三维重建时解决相邻医学断层图像拓扑关系和分支顶点连接关系的困难，减少了整个打印过程算法的复杂性，从而使3D打印生物实体的时间大大降低，甚至能够实时交互打印，这样就拓展了本发明的应用范围。

2)本发明通过直接从医学断层图像内提取目标区域，克服了通过断层图像三维重建过程中几何曲面拟合实体时的不精确性带来的误差，以及三维重建后再分层离散处理带来的精度误差，因此本发明在简化医学断层图像的3D打印流程、提高打印效率的同时，也大大提高了打印精度，提高实体的制作速度和精度。

本发明第二步是对打印目标区域进行层间匹配，其关键是确定相邻医学断层图像的多个目标区域之间的对应关系。目标区域匹配问题的困难程度与医学断层图像中切片的采样密度有关，当切片之间的距离充分小时，根据相邻医学断层图像中目标区域之间的重叠关系即可无歧义地确定目标区域的对应关系。但是由于切片间距较大造成区域之间错位严重时，这种匹配问题就变得愈发难以解决。另外，当相邻两层匹配区域数目不等时，就有可能发生分支，需要根据两切层中匹配区域的位置关系来确定到底是否发生了分支以及分支涉及的区域。对出现分支的匹配区域对，主要是通过对区域进行分解或合并，这就需要准确确定分解点或合并点的位置；或者通过插入中轴实现分支，但是这种方法计算量比较大。

现有技术中主要有两类目标区域匹配方法：基于重叠的匹配方法和全局匹配方法。基于重叠的匹配是一种局部判断准则，以相邻断层上目标区域的重叠大小为判断标准，确定目标的匹配关系。如果断层距离过大，轮廓错位比较严重，不能准确、可靠地确定区域匹配关系，此时需要全局地考虑整个目标区域组。全局匹配方法以椭圆来近似代表轮廓，以广义柱体生长法来寻找区域间的匹配关系，含盖了物体的全局信息，能够比较准确的确定区域匹配关系，该方法适用于带有近似椭圆截面的平滑延伸状物体。在区域分支问题上主要有两中方法：分解或组合目标的方法和在相邻层间插值中间层区域或插入中轴线法。其中分解或组合区域的方法使得相邻层区域数相等，即将分支问题转化为匹配问题，但是在分支部分的曲面的过渡不光滑，且其分解或连接区域的位置选择非常重要。在产生分支的两层切片之间插入一层，插入的切片层能反映分支处曲面的连接关系，这样分支处的曲面重建就转化为上下两个曲面的重建，这两个曲面通过插入的中间层连接，这类方法一般计算量比较大。

以上目标区域的匹配方法均可应用到本发明中，但为了解决上述方法中曲面过渡光滑、提高算法效率的问题，保证第三步插值结果的正确性，本发明优选在第二步中使用下述方法找出每一层医学断层图像中与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域，具体包括以下步骤：

1)假设当前层医学断层图像中的目标区域有n个，其中n≥1；建立三维坐标系，该三维坐标系的XY平面与每一层医学断层图像均平行；找出当前层医学断层图像中每一个目标区域的形心(x_i,y_i,z₁)与上一层医学断层图像的待打印目标区域的形心(x₂,y₂,z₂)之间的形心距离，其中所述形心距离d＝|x_i-x₂|+|y_i-y₂|，1≤i≤n；如果该形心距离小于给定阈值，则该目标区域为候选目标区域；找到所有的m个候选目标区域组成候选目标区域集，1≤m≤n；

2)依次将所述候选目标区域集中的候选目标区域j的形心(x_j,y_j,z₁)平移至(x₂,y₂,z₁)，从而与上一层待打印目标区域的形心对齐，其中1≤j≤m；对所述候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域均进行细化并提取出其骨架线，找到所述骨架线的端点，所述端点是所述骨架线上邻域内只存在一个像素点的像素点以及邻域内存在三个或三个以上像素点的像素点；

3)假设p₁为上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的一个端点；当前层医学断层图像的候选目标区域j的骨架线端点有k个，分别为q₁，q₂，…，q_k，其中k≥1；将端点p₁垂直投影到当前层医学断层图像中，得到投影点p₁’,依次计算p₁’与q_i的街区距离D_i，其中1≤i≤k，若该街区距离D_i小于预设阈值T，则端点p₁与端点q_i形成层间匹配端点对；找出上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的所有端点与所述候选目标区域j的骨架线上的层间匹配端点对，则所有层间匹配端点对之间的街区距离之和即为上一层待打印目标区域与所述候选目标区域j之间的层间相似度；

若候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域中存在没有找到层间匹配端点对的端点，则对该端点在所在层内寻找匹配点，具体方法如下：以一个端点A为起点，沿所在的骨架线进行搜索，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的水平或垂直方向，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为1，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的对角线方向上，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为依次类推，直到找到下一个端点B，则端点A和端点B之间的所有相邻像素点间长度之和定义为端点A和端点B之间的路径长度；若骨架线上存在不属于层间匹配端点对的端点，则不属于层间匹配端点对且与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，否则与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，该端点与端点A形成层内匹配端点对；上一层医学断层图像待打印目标区域与所述候选目标区域j中的所有层内匹配端点对之间的路径长度之和就是层内相似度；

4)找出上一层待打印目标区域与当前医学断层图像的候选目标区域集中每一个候选目标区域之间的形心距离、层内相似度和层间相似度三者之和中最小的候选目标区域，则该最小的候选目标区域即为上一层医学断层图像的待打印目标区域的匹配目标区域。

本发明在第四步进行3D打印时，可以打印空心实体，也可以打印填充实体(包括实心填充和内部多孔结构填充)，因此具体打印方法多种多样，本发明优选以下三种打印方法：

第一种方法：直接打印，即将所有待打印目标区域逐层按像素进行打印。此时，打印目标区域以外的像素设为背景像素，这样就可以很容易地打印出实心填充的3D实体。但采用这种方式的3D打印成本比较高。

第二种方法：将所有待打印目标区域逐层生成填充路径，沿路径进行打印；其中对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径，具体如下：提取该层待打印目标区域的边界作为最外层轮廓，对所述最外层轮廓向内进行腐蚀运算，提取腐蚀后的边界作为偏置轮廓；将所述偏置轮廓作为最外层轮廓，重复以上操作，所有的偏置轮廓组成填充路径。其中进行腐蚀运算时，首先要构建结构元素(现有技术)，结构元素一般应大于3D打印机的喷头直径。

第二种打印方法可以打印空心实体，此时只需进行一次区域收缩即可；也可以打印填充实体，即对区域进行多次收缩直到待打印的目标区域消失。

本发明中区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径是将待打印目标区域一层一层向实体内部收缩(外环向内、内环向外收缩)一定的距离，得到填充路径。该方法不但利于减少翘曲变形，提高模型的表面质量，而且避免了传统方法中生成偏置轮廓扫描填充路径时处理环偏置后带来的环自交，内环与内环之间、外环与它所含内环之间的相交问题，以及偏置以后直线段的消失问题。而且对于待打印目标区域的厚度不均匀，或者带有孔洞的情况，本发明作了以下两个方面的处理：

1)对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径时，如该待打印目标区域的厚度不均匀，则在运算过程中该待打印目标区域会分裂成多个子目标区域，此时分别对每个子目标区域采用所述区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径。

2)对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径时，如待打印目标区域带有孔洞且厚度不均匀，则当待打印目标区域的外轮廓的偏置轮廓与内轮廓的偏置轮廓相交时，对该待打印目标区域的未填充区域采用所述区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径。

第三种方法：所述实体的表面全部打印，对所述实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充。

打印实体表面时，可以采用上述区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径，当然也可以采用其他方法。

对实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充同样可以采用多种方法，但本发明优选以下方法：

根据预设球的半径R对所有的待打印目标区域按层自下往上进行顺序分块，每个块中包含的层数目L＝2*R/△-1，其中半径R是相邻待打印目标区域层间间距△的整数倍；逐层在每个块中均找出每层待打印目标区域的最小矩形包围框，所有待打印目标区域的最小矩形包围框的最大尺寸为该块的最大包围框；

对所有的块自下往上从1开始进行顺序编号，对每个块内所有的层自下往上从1开始进行顺序编号；

对编号为奇数的块，其中块内奇数行所在的层首先以所述最大包围框的最小角点为球心，沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；块内偶数行所在的层首先将矩形框最小角点同时沿短边方向移动球的半径R，沿长边方向移动为球心，然后以沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；

对编号为偶数的块，将该块下层的奇数块中所述最大包围框中球心的位置分布沿着长边的方向移动距离，直到球心位置超出所述最大包围框；

使用腐蚀运算逐层对该层的待打印目标区域进行收缩，并以收缩后的待打印目标区域的轮廓作为内边界；依次将每一块内确定好的球心投影到该块中每层待打印目标区域的内边界作为变径圆的圆心，若该圆心位于所述内边界内，则当前层内变径圆的半径其中i为当前层到球心的层数；

将位于每层待打印目标区域的内边界内且同时位于变径圆内的像素点设置成背景像素，从而在每层待打印目标区域内生成圆形孔，在每个块内通过多层变径圆的堆积最终打印出内部具有空心球形状的填充结构的实体。

需要说明的是，采用第三种方法打印时，虽然实体的表面和堆积的空心球形结构是分开构建的，但在实际打印的过程中是逐层同时打印的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一中骨架线端点匹配的示意图。

图2是本发明实施例一中骨架线进行搜索时相邻像素点之间长度的示意图。

图3是本发明实施例一中投影区域廓线成包含关系时的示意图。

图4是本发明实施例一中投影区域廓线成相交关系时的示意图。

图5-图7是本发明实施例三中对实体内部进行填充时确定球心的示意图。

图8是本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，如图8所示，包括以下步骤：

第一步、获取待打印实体的医学断层图像序列，从每一层医学断层图像均提取出所有的目标区域，所述目标区域是该层医学断层图像中所有连续的非空区域。

本实施例采用阈值分割法对每一层医学断层图像进行分割，从而得到所有连续的非空区域(即目标区域)。

第二步、从第一层医学断层图像中找出待打印目标区域，并依次从余下的医学断层图像中找出与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域，即得到该层医学断层图像的待打印目标区域。

本实施例可以用现有的基于重叠的匹配方法和全局匹配方法进行目标区域匹配。

但为了解决上述方法中曲面过渡光滑、提高算法效率的问题，对断层轮廓进行层间插值增大相邻层轮廓间的相似性和重叠度，保证第三步中插值结果的正确性，本实施例基于以下理由对目标区域匹配的方法进行了改进：在医学断层图像序列中待打印目标区域在系列切面层上的形心(即几何重心)位置具有连续性，因此相互匹配的目标区域的几何中心大致位于一条光滑曲线上，这样相邻层的目标区域的几何中心的相对位置差不超过某个误差范围。所以可以通过目标区域形心(几何重心)位置初步确定存在潜在对应关系的目标区域，为后面的区域匹配减少搜索范围，提高匹配速度。此外，断层图像间的对应目标区域几何形状的相似性和连续性，因此可以按照一定的区域骨架线间端点的对应情况衡量形状间的相似程度。

本实施例改进的从当前医学断层图像中找出与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域的方法，具体包括以下步骤：

1)假设当前层医学断层图像中的目标区域有n个，其中n≥1；建立三维坐标系，该三维坐标系的XY平面与每一层医学断层图像均平行；找出当前层医学断层图像中每一个目标区域的形心(x_i,y_i,z₁)与上一层医学断层图像的待打印目标区域的形心(x₂,y₂,z₂)之间的形心距离，其中所述形心距离d＝|x_i-x₂|+|y_i-y₂|，1≤i≤n；如果该形心距离小于给定阈值，则该目标区域为候选目标区域；找到所有的m个候选目标区域组成候选目标区域集，1≤m≤n；

2)依次将所述候选目标区域集中的候选目标区域j的形心(x_j,y_j,z₁)平移至(x₂,y₂,z₁)，从而与上一层待打印目标区域的形心对齐，其中1≤j≤m；对所述候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域均进行细化并提取出其骨架线，找到所述骨架线的端点，所述端点是所述骨架线上邻域内只存在一个像素点的像素点以及邻域内存在三个或三个以上像素点的像素点；

3)如图1所示，p₁为上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的一个端点；当前层医学断层图像的候选目标区域j的骨架线端点有k个，分别为q₁，q₂，…，q_k，其中k＝6；将端点p₁垂直投影到当前层医学断层图像中，得到投影点p₁’,依次计算p₁’与q_i的街区距离D_i，其中1≤i≤k，若该街区距离D_i小于预设阈值T，则端点p₁与端点q_i形成层间匹配端点对；找出上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的所有端点与所述候选目标区域j的骨架线上的层间匹配端点对，则所有层间匹配端点对之间的街区距离之和即为上一层待打印目标区域与所述候选目标区域j之间的层间相似度；

若候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域中存在没有找到层间匹配端点对的端点，则对该端点在所在层内寻找匹配点，具体方法如下：以一个端点A为起点，沿所在的骨架线进行搜索，如图2所示，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的水平或垂直方向，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为1，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的对角线方向上，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为依次类推，直到找到下一个端点B，则端点A和端点B之间的所有相邻像素点间长度之和定义为端点A和端点B之间的路径长度；若骨架线上存在不属于层间匹配端点对的端点，则不属于层间匹配端点对且与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，否则与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，该端点与端点A形成层内匹配端点对；上一层医学断层图像待打印目标区域与所述候选目标区域j中的所有层内匹配端点对之间的路径长度之和就是层内相似度；

4)找出上一层待打印目标区域与当前医学断层图像的候选目标区域集中每一个候选目标区域之间的形心距离、层内相似度和层间相似度三者之和中最小的候选目标区域，则该最小的候选目标区域即为上一层医学断层图像的待打印目标区域的匹配目标区域。

第三步、对任意相邻两层医学断层图像中的待打印目标区域根据预设需插值的层数进行层间插值，得到相邻两层医学断层图像层间的待打印目标区域。

通过医学影像设备获取的二维医学断层图像序列中相邻层之间的间距一般大于断层图像中象素点之间的距离，而且断层间存在信息的不确定性，这样影响医学图像分析及辅助医疗系统所需要的体数据。另外，如果直接通过原始的断层图像数据进行三维打印，会使具有倾斜表面的模型出现明显的台阶效应，严重影响制件的表面粗糙度和尺寸精度。因此，可以通过插值断层图像使断层图像间的轮廓形状缓慢变化来减少台阶效应。

现有技术中，在医学断层图像相邻层之间的插值方法主要可以分为基于灰度的插值方法和基于形状的插值方法。基于灰度的插值方法是一种直接利用图像的灰度信息来构造插值图像的插值算法，是在上下两层已知插值图像中利用待插值点指定某个邻域内的近邻点的灰度值来计算插值点灰度的方法。此类方法具有运算量小，易于实现等优点，但是容易产生三维目标边界不清和结构模糊等问题；基于形状的插值方法是相对于区别灰度插值的另一类插值算法，它通过已知的断层图像的形状，直接构造出中间插值图像的轮廓，以方便显示。这类算法能较好地解决三维目标边界不清和结构模糊的问题，但是运算量大并且不易实现。

为了克服上述图像插值存在的缺陷，提高插值图像轮廓边界清晰和算法的效率，本实施例采用以下的插值方法：

在两个连续的两层医学断层图像的待打印目标区域进行插值，两层连续医学断层图像的待打印目标区域分别用S_k和S_k+1(k为当前切片编号)来表示，O_k，a和O_k+1，b(a，b表示已匹配的待打印目标区域编号)分别表示相邻断层切片中待打印目标区域的像素点的集合。首先将已匹配的相邻待打印目标区域的轮廓线投影到同一层内，将会得到它们之间的形态差区域和形态并区域。如果没有重叠的投影区域，在投影之前需要将它们平移使形心对齐(可参见本实施例第二步中的形心对齐方法)。投影以后可能出现两种情况：(1)如图3所示，两轮廓线成包含关系，其中Ⅰ表示形态差区域，Ⅱ表示形态并区域；(2)如图4所示，两轮廓成相交关系，其中Ⅰ、Ⅱ表示形态差区域，Ⅲ表示形态并区域。

如图4所示，投影区域中的每个像素点p_i都可能有三种归属关系：

(1)p_i∈(O_k,a∩O_k+1,b)，表示像素点p_i即属于目标O_k，a又属于目标O_k+1，b，将其标记为Ⅲ_i。

(2)p_i∈O_k,a且表示像素点p_i属于目标O_k，a不属于目标O_k+1，b，将其标记为Ⅰ_i。

(3)p_i∈O_k+1,b且表示像素点p_i属于目标O_k+1，b不属于目标O_k，a，

将其标记为Ⅱ_i。

因此，在两层连续医学断层图像的待打印目标区域S_k和S_k+1之间产生的系列插值层数据，都必须包括待打印目标区域O_k，a和O_k+1，b中的共同像素点集Ⅲ_i和部分像素点集Ⅰ_i、Ⅱ_i。对于每个插值切片，Ⅲ_i的像素点必须增加而属于Ⅰi、Ⅱi的像素点必须减少。这一特点可以通过数学形态学中的特定几何元素的膨胀和腐蚀运算的组合来实现。首先根据预插值出的图像数量和层间距离，设计结构元素的大小；然后对目标区域的形态并区域进行膨胀操作，形态差区域进行腐蚀操作，将两个运算结果合并；最后对区域进行形态学运算后的结果都不能超出初始投影区域，因此再将合并后的结果与初始投影区域求交，最终得到插值图像，如果在对目标区域插值之前进行了平移，则需要对插值出的目标区域根据层间间距和平移距离进行反平移。

第四步、对所有待打印目标区域进行3D打印，即得到所需的实体。

本实施例直接打印实心直充的实体，即将所有待打印目标区域逐层按像素进行打印。此时，打印目标区域以外的像素设为背景像素，这样就可以很容易地打印出实心填充的3D实体。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的改进，与实施一的不同之处在于：第四步中将所有待打印目标区域逐层生成填充路径，沿路径进行打印；其中对每一层待打印目标区域采用偏置轮廓扫描路径法生成填充路径，具体如下：提取该层待打印目标区域的边界作为最外层轮廓，对所述最外层轮廓向内进行腐蚀运算，提取腐蚀后的边界作为偏置轮廓；将所述偏置轮廓作为最外层轮廓，重复以上操作，所有的集偏置轮廓组成填充路径。其中进行腐蚀运算时，首先要构建结构元素(现有技术)，结构元素一般应大于3D打印机的喷头直径。

本实施例可以打印空心实体，此时只需进行一次腐蚀运算即可；也可以打印填充实体，而且通过调整腐蚀运算时的结构元素大小，可以打印实心实体或者内部填充空心结构的实体。

上述偏置扫描填充法生成填充路径是沿着待打印目标区域的轮廓环一层一层向实体内部偏置(外环向内偏置，内环向外偏置)预设结构元素，得到填充路径。该方法虽然利于减少翘曲变形，提高模型的表面质量。但是对于壁厚不均匀，型腔较多的复杂零件，这种路径生成算法就要处理环偏置后带来的环自交，内环与内环、外环与它所含内环的相交问题，以及偏置以后直线段的消失问题。

因此，本实施例可以作以下两个方面的改进：

1)对每一层待打印目标区域采用偏置轮廓扫描路径法生成填充路径时，如该待打印目标区域的厚度不均匀，则在运算过程中该待打印目标区域会分裂成多个子目标区域，此时分别对每个子目标区域采用所述偏置轮廓扫描路径法生成填充路径。

2)对每一层待打印目标区域采用偏置轮廓扫描路径法生成填充路径时，如待打印目标区域带有孔洞且壁厚不均匀，则当待打印目标区域的外轮廓的偏置轮廓与内轮廓相交时，对该待打印目标区域的未填充区域采用所述偏置轮廓扫描路径法生成填充路径。

实施例三

本实施例是在实施例一基础上的另一种改进，与实施一的不同之处在于：第四步中所述实体的表面全部打印，对所述实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充。

打印实体表面时，可以采用实施例二中的偏置轮廓扫描路径法进行一次腐蚀运算完成，当然也可以采用其他方法。

对实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充同样可以采用多种方法，比如首先构建的堆积空心球形结构的立体区域，再用实体表面的边界进行切割，就得到该实体内部的空心球形填充结构。但本发明优选采用以下方法生成实体内部区域的堆积的空心球形结构，如图5-7所示：

根据预设球的半径R对所有的待打印目标区域按层自下往上进行顺序分块，每个块中包含的层数目L＝2*R/△，其中半径R是相邻待打印目标区域层间间距△的整数倍；在每个块中均找出每层待打印目标区域的最小矩形包围框(最小矩形包围框的四边均与相应的待打印目标区域的外轮廓相切)，所有待打印目标区域的最小矩形包围框的最大尺寸为该块的最大包围框；

根据预设球的半径R对所有的待打印目标区域按层自下往上进行顺序分块，每个块中包含的层数目L＝2*R/△-1，其中半径R是相邻待打印目标区域层间间距△的整数倍；逐层在每个块中均找出每层待打印目标区域的最小矩形包围框，所有待打印目标区域的最小矩形包围框的最大尺寸为该块的最大包围框；

对所有的块自下往上从1开始进行顺序编号，对每个块内所有的层自下往上从1开始进行顺序编号；

如图5中实线圆以及图6所示，对编号为奇数的块，其中块内奇数行所在的层首先以所述最大包围框的最小角点为球心，沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；块内偶数行所在的层首先将矩形框最小角点同时沿短边方向移动球的半径R，沿长边方向移动为球心，然后以沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；

如图5中虚线圆以及图7所示，对编号为偶数的块，将该块下层的奇数块中所述最大包围框中球心的位置分布沿着长边的方向移动距离，直到球心位置超出所述最大包围框；

使用腐蚀运算逐层对该层的待打印目标区域进行收缩，并以收缩后的待打印目标区域的轮廓作为内边界；依次将每一块内确定好的球心投影到该块中每层待打印目标区域的内边界作为变径圆的圆心，若该圆心位于所述内边界内，则当前层内变径圆的半径其中i为当前层到球心的层数；

将位于每层待打印目标区域的内边界内且同时位于变径圆内的像素点设置成背景像素(即只打印轮廓)，从而在每层待打印目标区域内生成圆形孔，这样就在每个块内通过多层变径圆的堆积最终打印出内部具有空心球形状的填充结构的实体。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、获取待打印实体的医学断层图像序列，从每一层医学断层图像提取出所有的目标区域，所述目标区域是该层医学断层图像中所有连续的非空区域；

第二步、从第一层医学断层图像中找出待打印目标区域，并依次从余下的医学断层图像中找出与上一层医学断层图像待打印目标区域相匹配的目标区域，即得到该层医学断层图像的待打印目标区域；

第三步、对任意相邻两层医学断层图像中的待打印目标区域根据预设需插值的层数进行层间插值，得到相邻两层医学断层图像层间的待打印目标区域；

第四步、对所有待打印目标区域进行3D打印，即得到所需的实体。

2.根据权利要求1所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于所述第二步中，找出所述目标区域的步骤如下：

1)假设当前层医学断层图像中的目标区域有n个，其中n≥1；建立三维坐标系，该三维坐标系的XY平面与每一层医学断层图像均平行；找出当前层医学断层图像中每一个目标区域的形心(x_i,y_i,z₁)与上一层医学断层图像的待打印目标区域的形心(x₂,y₂,z₂)之间的形心距离，其中所述形心距离d＝|x_i-x₂|+|y_i-y₂|，1≤i≤n；如果该形心距离小于给定阈值，则该目标区域为候选目标区域；找到所有的m个候选目标区域组成候选目标区域集，1≤m≤n；

2)依次将所述候选目标区域集中的候选目标区域j的形心(x_j,y_j,z₁)平移至(x₂,y₂,z₁)，从而与上一层待打印目标区域的形心对齐，其中1≤j≤m；对所述候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域均进行细化并提取出其骨架线，找到所述骨架线的端点，所述端点是所述骨架线上邻域内只存在一个像素点的像素点以及邻域内存在三个或三个以上像素点的像素点；

3)假设p₁为上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的一个端点；当前层医学断层图像的候选目标区域j的骨架线端点有k个，分别为q₁，q₂，…，q_k，其中k≥1；将端点p₁垂直投影到当前层医学断层图像中，得到投影点p₁’,依次计算p₁’与q_i的街区距离D_i，其中1≤i≤k，若该街区距离D_i小于预设阈值T，则端点p₁与端点q_i形成层间匹配端点对；找出上一层医学断层图像的待打印目标区域的骨架线的所有端点与所述候选目标区域j的骨架线上的层间匹配端点对，则所有层间匹配端点对之间的街区距离之和即为上一层待打印目标区域与所述候选目标区域j之间的层间相似度；

若候选目标区域j和上一层医学断层图像的待打印目标区域中存在没有找到层间匹配端点对的端点，则对该端点在所在层内寻找匹配点，具体方法如下：以一个端点A为起点，沿所在的骨架线进行搜索，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的水平或垂直方向，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为1，如果骨架线上的下一个像素点位于当前点的对角线方向上，则当前点与骨架线上的下一个像素点的长度为依次类推，直到找到下一个端点B，则端点A和端点B之间的所有相邻像素点间长度之和定义为端点A和端点B之间的路径长度；若骨架线上存在不属于层间匹配端点对的端点，则不属于层间匹配端点对且与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，否则与端点A之间路径长度最短的端点是端点A的层内匹配端点，该端点与端点A形成层内匹配端点对；上一层医学断层图像待打印目标区域与所述候选目标区域j中的所有层内匹配端点对之间的路径长度之和就是层内相似度；

4)找出上一层待打印目标区域与当前医学断层图像的候选目标区域集中每一个候选目标区域之间的形心距离、层内相似度和层间相似度三者之和中最小的候选目标区域，则该最小的候选目标区域即为上一层医学断层图像的待打印目标区域的匹配目标区域。

3.根据权利要求1所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于所述第四步中的3D打印是将所有待打印目标区域逐层按像素进行打印。

4.根据权利要求1所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于，第四步中进行3D打印的方法是：将所有待打印目标区域逐层生成填充路径，沿路径进行打印；

其中对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径，具体如下：提取该层待打印目标区域的边界作为最外层轮廓，对所述最外层轮廓向内进行腐蚀运算，提取腐蚀后的边界作为偏置轮廓；将所述偏置轮廓作为最外层轮廓，重复以上操作，所有的偏置轮廓组成填充路径。

5.根据权利要求4所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于：对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径时，如该待打印目标区域的厚度不均匀，则在运算过程中该待打印目标区域会分裂成多个子目标区域，此时分别对每个子目标区域采用所述区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径。

6.根据权利要求4所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于：对每一层待打印目标区域采用区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径时，如待打印目标区域带有孔洞且壁厚不均匀，则当待打印目标区域的外轮廓的偏置轮廓与内轮廓的偏置轮廓相交时，对该待打印目标区域的未填充区域采用所述区域收缩法生成偏置轮廓扫描填充路径。

7.根据权利要求1所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于，第四步中进行3D打印的方法是：所述实体的表面全部打印，对所述实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充。

8.根据权利要求7所述的基于医学断层图像直接3D打印实体的方法，其特征在于，对所述实体内部区域采用堆积的空心球形结构进行填充的方法如下：

根据预设球的半径R对所有的待打印目标区域按层自下往上进行顺序分块，每个块中包含的层数目L＝2*R/△-1，其中半径R是相邻待打印目标区域层间间距△的整数倍；逐层在每个块中均找出每层待打印目标区域的最小矩形包围框，所有待打印目标区域的最小矩形包围框的最大尺寸为该块的最大包围框；

对所有的块自下往上从1开始进行顺序编号，对每个块内所有的层自下往上从1开始进行顺序编号；

对编号为奇数的块，其中块内奇数行所在的层首先以所述最大包围框的最小角点为球心，沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；块内偶数行所在的层首先将矩形框最小角点同时沿短边方向移动球的半径R，沿长边方向移动为球心，然后以沿着短边方向以球的直径2*R为间隔均匀阵列球心的位置，然后再沿着长边方向以为间隔均匀阵列球心的位置，直到球心位置超出所述最大包围框；

对编号为偶数的块，将该块下层的奇数块中所述最大包围框中球心的位置分布沿着长边的方向移动距离，直到球心位置超出所述最大包围框；

使用腐蚀运算逐层对该层的待打印目标区域进行收缩，并以收缩后的待打印目标区域的轮廓作为内边界；依次将每一块内确定好的球心投影到该块中每层待打印目标区域的内边界作为变径圆的圆心，若该圆心位于所述内边界内，则当前层内变径圆的半径其中i为当前层到球心的层数；

将位于每层待打印目标区域的内边界内且同时位于变径圆内的像素点设置成背景像素，从而在每层待打印目标区域内生成圆形孔，在每个块内通过多层变径圆的堆积最终打印出内部具有空心球形状的填充结构的实体。