CN106361429A - 借助3d打印实现先心病手术方案术前评估装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估装置和方法，实现包括：采集正常人胸部CT信息，3D打印正常人心脏及侧枝血管立体结构模型，将正常人模型与体外循环机连接，得到正常人心脏及侧枝血管生理参数后建立标准对照表；采集患者胸部CT信息，医生对患者CT影像进行模拟手术，3D打印出模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型，将患者模型与体外循环机连接，得到患者侧枝血管生理参数；标准对照表显示患者与正常人生理参数差别，医生根据差别再行模拟手术操作，直至对照表显示患者与正常人生理参数之间的差别是医生可接受的。本发明避免医生依据经验直接进行手术治疗带来的风险，方便医生模拟手术操作，提高患者生存几率。
Description
技术领域
本发明属于医学影像处理技术领域，主要涉及医学影像中模拟手术技术领域，具体是一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置和方法，用于检测在体外循环中，心脏侧枝血管关键部位的生理参数。
背景技术
先天性心脏病简称先心病。先天性心脏病发病原因很多，遗传因素仅占8％左右，而占92％的绝大多数则为环境因素造成，如妇女妊娠时服用药物、感染病毒、环境污染、射线辐射等都会使胎儿心脏发育异常，致使心血管畸形。先心病是小儿最常见的心脏病，严重威肋儿童健康。我国每年约1650万新生儿中先心病发病率为7％-8％，每年新增患儿14万左右，发病率呈上升趋势，其中60％于<1岁死亡，真正得到治疗的仅有2～3万人。由于先心病发生原因可能与遗传尤其是染色体易位与畸变、宫内感染、大剂量放射线接触和药物等因素有关，鉴于我国目前医疗水平，先心病患儿可以通过治疗得到康复，但由于无症状或因技术原因而延误治疗，错过最佳治疗时机，致使患者随时面临死亡的威胁。
为提高患者的生存几率，临床上，多采用导管介入来获取患者心脏不同部位的血流、血压等信息，给医生进行手术治疗提供依据。
而通过导管介入获得心脏不同部位的血流、血压等值的整个过程是有创的。
在临床实践中，基于现有技术，不能直观的或通过模拟方式找到治疗心脏及侧枝血管的最佳手术方案，常用的导管介入增加了患者的痛苦，先天性心脏病患者需要为诊断治疗付出高昂的医疗费用，同时必须承受手术诊断带来身体上的创痛，这些都增加了患者和家人的精神及经济负担。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置和方法，实际上也是借助3D打印技术来评估医生模拟手术操作的装置和方法，帮助医生准确判断，且能实现术前医生的模拟操作。
本发明是一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置，其特征在于，包括有：数据采集处理模块、模拟手术模块、数据3D打印模块、体外循环模块、标准对照表、患者侧枝血管生理参数模块、模拟手术方案模块，针对正常人和患者分别采集人体胸部信息数据，来自正常人的人体胸部信息数据，通过数据采集处理模块，数据3D打印模块，体外循环模块，存于标准对照表中；来自患者的人体胸部信息数据通过数据采集处理模块，经过医学影像分割算法分割处理并获得患者心脏及侧枝血管三维数据，输入到模拟手术模块，在模拟手术模块中，根据数据采集处理模块获得的患者心脏及侧枝血管立体结构数据医生进行模拟手术操作，得到模拟手术后的患者心脏及侧枝血管数据信息，将模拟手术后的三维数据信息输入数据3D打印模块，将3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，共同构成体外循环模块，由体外循环模块获得的生理参数存于患者侧枝血管生理参数模块中；进而传输到标准对照表中，与存于标准对照表中的正常人数据进行比对、修订，其结果输出到模拟手术方案模块，从该模拟手术方案中，不仅可以直观显示动态循环的差别，同时方便医生进行再次模拟手术操作即进行模拟修改操作；
数据采集处理模块，利用医学影像的分割算法分割采集到的人体胸部影像信息，得到人体胸部心脏及侧枝血管影像数据信息；
模拟手术模块，显示患者心脏及侧枝血管立体结构数据，和手术器械，医生利用显示的手术器械进行模拟手术操作；
体外循环模块，3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，形成的整体动态循环模型。
本发明还是一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估方法，在借助3D打印技术评估医生模拟手术操作的装置上实现，其特征在于，包括有如下步骤：
1＞采集正常人的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，分割出正常人胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到正常人心脏及侧枝血管数据；
2＞将得到正常人心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型；
3＞将打印出的正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到正常人心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，通过整体动态循环模型得到正常人心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，建立正常人心脏及侧枝血管生理参数标准，放在标准对照表中；
4＞采集患者的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，分割出患者的胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到患者心脏及侧枝血管数据；
5＞利用模拟手术模块对得到患者心脏及侧枝血管数据进行模拟手术操作，得到模拟手术后的患者心脏及侧枝血管数据；
6＞将得到的模拟手术后患者心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，打印出模拟手术后的患者心脏及侧枝血管立体结构模型；
7＞将打印的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到患者心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，通过整体动态循环模型得到患者心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，将得到的患者心脏及侧枝血管生理参数，也输入到标准对照表中；
8＞在标准对照表中，显示出模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，提供给医生，医生根据模拟手术后患者与正常人生理参数之间的差别，判定并选择是否再行模拟手术，若不需要，直接执行步骤9；若是即需要再行模拟手术，则返回步骤5再对患者的心脏及侧枝血管三维数据进行模拟手术调整操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案；
9＞在模拟手术方案模块中，显示包括模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数，以数据形式显示，还包括模拟术后的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构，以上显示为模拟手术最优方案，作为医生进行手术的基础，可以直观显示动态循环的差别，也可以直观关键部位生理参数。
本发明将人体胸部CT数据中的心脏及侧枝血管分割出来，借助3D打印技术，打印出心脏及侧枝血管的立体结构并与体外循环系统连接，最后测得心脏侧枝血管关键部位的生理参数。
本发明与现有的技术相比具有以下优点
1、本发明在数据采集处理模块中，采用医学图像分割技术，分割患者心脏及侧枝血管的CT影像数据，得到患者心脏及其侧枝血管分割数据，本发明在数据3D打印模块中，采用3D打印技术，打印出患者心脏及其侧枝血管的立体模型，避免了介入治疗带给患者的痛苦，方便经验医生直接观察。
2、本发明在总方案中设有模拟手术模块，在模拟手术模块中，依据编译的模拟手术软件，读取患者心脏及侧枝血管CT数据信息，并直观显示出立体结构，医生利用软件提供的模拟手术器械，对患者心脏及侧枝血管CT数据进行模拟手术操作，医生根据标准对照表中显示的模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，选择是否再行模拟手术，直至显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案，本发明提供给经验医生对患者心脏及侧枝血管进行模拟手术治疗的机会，同时也避免了现实手术中带给患者的痛苦，间接地提高患者生存的可能性。
3、本发明在体外循环模块中，依据体外循环原理和统计学技术，将打印出的正常人心脏及侧枝血管立体模型与体外循环机连接，利用采集到的正常人的侧枝血管生理参数，建立正常人心脏及侧枝血管生理参数标准，放在标准对照表中，建立标准对照表，为医生诊断与标准对照表中正常人相同年龄的患者的心脏及侧枝血管生理参数提供参考、比较、评估。
附图说明
附图1是本发明装置的模块化构成示意图；
附图2是本发明借助3D打印技术评估医生模拟手术操作的流程图；
附图3是正常人体心脏及其侧枝血管的解剖结构示意图；
附图4是体外循环机的结构原理示意图；
附图5是本发明与体外循环模块的搭建示意图；
附图6是心脏及侧枝血管主要位置的测量位置示意图；
附图7是本发明中模拟手术模块显示的重建后的患者心脏及侧枝血管3D结构图；
附图8是本发明中医生在模拟手术模块进行模拟操作的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明详细描述:
实施例1
目前，在临床上，为获取先天性心脏病患者的心脏及侧枝血管的生理参数数据，医生采用有创介入法获取新生儿中先天性心脏病相关参数，术前，医生无直观其动态状况的模型，更不能模拟手术操作。
随着计算机科学技术的发展和创新，依赖于计算机的医学影像处理技术得到了发展和提高，基于CT数据的心脏分割技术得到极大的进步，其中利用主动轮廓模型算法分割得到的心脏模型，帮助医生直观的了解患者病情。
针对现有技术，本发明展开了研究与开发，利用3D技术和医学影像分割技术提供了一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置，参见图1，包括有：数据采集处理模块、模拟手术模块、数据3D打印模块、体外循环模块、标准对照表、患者侧枝血管生理参数模块、模拟手术方案模块，本发明针对正常人和患者分别采集人体胸部信息数据，来自正常人的人体胸部信息数据，通过数据采集处理模块，数据采集处理模块采用主动轮廓模型算法对正常人胸部心脏及侧枝血管的数据进行分割，得到心脏及侧枝血管分割数据，接着将分割获得的正常人心脏及侧枝血管分割数据输入数据3D打印模块，利用3D打印机，打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型，依据人体心脏解剖结构参见图3和体外循环机原理参见图4，将本发明打印出的心脏及侧枝血管立体结构模型的血管分支分别与体外循环机对应血管位置连接，参见图5，共同构成体外循环模块，获得正常人心脏及侧枝血管生理参数数据，接着将正常人心脏及侧枝血管生理参数数据存于标准对照表中。来自患者的人体胸部信息数据通过数据采集处理模块，经过医学影像分割算法分割处理并获得患者心脏及侧枝血管三维数据，输入到模拟手术模块，在模拟手术模块中，医生进行模拟手术操作，将模拟手术后的三维数据信息输入数据3D打印模块，将3D打印出的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，获得模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数数据，将患者心脏及侧枝血管生理参数数据暂时存储存于患者侧枝血管生理参数模块中，进而传输到标准对照表中，与存于标准对照表中的正常人心脏及侧枝血管生理参数数据以相同的规范存储；并与存于标准对照表中的正常人数据进行比对、修订，其结果输出到模拟手术方案模块，从该模拟手术方案中，不仅可以直观显示动态循环的差别，同时方便医生进行再次模拟手术操作即进行模拟修改操作。
数据采集处理模块，利用医学影像中的主动轮廓模型分割算法分割采集到的人体胸部影像信息，得到人体胸部心脏及侧枝血管影像数据信息。
模拟手术模块，显示患者心脏及侧枝血管立体结构数据，和手术器械，医生利用显示的手术器械进行模拟手术操作。
体外循环模块，3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，形成的整体动态循环模型。
患者侧枝血管生理参数模块，由体外循环模块获得患者心脏及侧枝血管生理参数，然后将患者的生理参数暂时存储于患者侧枝血管生理参数模块，进而输入标准对照表。
模拟手术方案模块，显示出模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数和医生在模拟手术模块中操作修改过的患者心脏及侧枝血管部分。
利用本发明能在术前获取先天性心脏病患者的心脏及侧枝血管的生理参数数据，医生不必采用有创介入法获取新生儿中先天性心脏病相关参数，术前，医生还可直观先天性心脏病患者的心脏及侧枝血管的动态状况，也不必进行术前又创诊断。
实施例2
借助3D打印实现先心病手术方案术前评估装置的总体结构同实施例1，在本发明中利用3D打印出正常人或患者的心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机对应血管位置连接，具体是通过血管分支分别与体外循环机连接。3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，其中连接节点参见图6，分别为下腔静脉距离右心房出口3mm，a处，上腔静脉距离右心房出口3mm，b处，右肺动脉距离右心室出口3mm，c处，主动脉距离左心室出口3mm，d处；左肺动脉距离右心室出口3mm，e处，左肺静脉距离左心房出口3mm，f处，右肺静脉距离左心房出口3mm，g处。
本发明中3D打印出立体结构模型与体外循环机连接时，连接点处必须有较好的密封性，连接时来自体外循环机的插管必须插入血管内，插管顶端不能插入心室、心房，需要与心室腔、心房腔保持3mm以内的距离，以便获得准确的侧枝血管生理参数。实施例3
借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置的总体结构同实施例1-2，本发明中数据3D打印模块依据数据采集处理模块获得的正常人体胸部的心脏及侧枝血管数据，首先打印出正常人体心脏及侧枝血管立体结构，将正常人体心脏及侧枝血管立体结构与体外循环机进行连接，构成体外循环模块，由体外循环模块获得正常人心脏及侧枝血管关键部位生理参数，建立标准对照表，该标准对照表首先存入的是正常人的生理参数。
接着患者心脏及侧枝血管数据通过数据采集处理模块，得到分割后的患者心脏及侧枝血管数据信息，将分割后的患者心脏及侧枝血管数据信息输入模拟手术模块，在模拟手术模块中，医生对患者心脏及侧枝血管数据进行模拟手术操作，将模拟手术后患者的三维数据信息输入数据3D打印模块，数据3D打印模块依据模拟手术模块获得的患者人体心脏及侧枝血管数据，打印模拟手术后患者人体心脏及侧枝血管立体结构，将3D打印出的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，获得患者心脏及侧枝血管关键部位生理参数，存于患者的心脏及侧枝血管生理参数模块，为医生最佳手术方案提供基础参考。
3D打印技术实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。不断出现的新型材料使得3D打印应用于医学成为可能，人们开始使用新型生物材料，并将其应用于临床实践中，制造出人体组织器官，进行脸部修饰与美容等，本发明利用3D打印技术打印出心脏及侧枝血管立体结构。实现无创模拟诊断的技术方案。
本发明中数据3D打印模块依据数据采集处理模块获得的正常人体胸部的心脏及侧枝血管数据，将获得的正常人心脏及侧枝血管数据信息转化为3D打印机适用格式，适用格式有stl、obj，本发明使用stl格式，然后将获得的正常人心脏及侧枝血管数据信息输入3D打印机，打印出正常人体心脏及侧枝血管立体结构模型；将正常人体心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，通过体外循环模块获得的正常人体心脏及侧枝血管生理参数，建立正常人体心脏及侧枝血管标准对照表；接着患者心脏及侧枝血管数据通过数据采集处理模块，得到分割后患者数据信息，进而输入模拟手术模块，在模拟手术模块中，医生对患者数据进行模拟手术操作，得到模拟手术后患者心脏及侧枝血管数据，数据3D打印模块将模拟手术后患者心脏及侧枝血管数据信息转化为3D打印机适用格式，适用格式有stl、obj，本发明使用stl格式，然后将获得的患者心脏及侧枝血管数据信息输入3D打印机，打印出患者人体心脏及侧枝血管立体结构模型，将患者人体心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机进行连接，通过体外循环模块获得患者心脏及侧枝血管生理参数，建立患者的心脏及侧枝血管生理参数模块，为医生最佳手术方案提供基础参考。
实施例4
本发明还是一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的方法，在上述借助3D打印实现先心病手术方案术前评估装置上实现，借助3D打印技术评估医生模拟手术操作的装置总体结构同实施例1-3，参见图2，本发明测量心脏侧枝血管参数的方法包括有如下步骤：
1＞采集正常人的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，通过数据采集处理模块，分割出正常人胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到正常人心脏及侧枝血管数据；本例中采用的医学影象分割算法是主动轮廓模型算法，主动轮廓模型算法可以分割正常人胸部心脏及侧枝血管CT信息，获得完整的心脏及侧枝血管数据。
2＞将得到正常人心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，具体是通过数据3D打印模块，打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型；本例中使用的3D打印机为极光尔沃，输入到3D打印机中的正常人心脏及侧枝血管数据格式可以为stl、obj，本例中采用的正常人心脏及侧枝血管数据输入格式为stl，采用的打印材料是一种新型的生物基及可生物降解材料-聚酯酸。
3＞将打印出的正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，构成体外循环模块，得到正常人心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，参见图5，通过整体动态循环模型得到正常人心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，建立正常人心脏及侧枝血管生理参数标准，放在标准对照表中，参见图1；或者说依据正常人心脏及侧枝血管动态循环中的生理参数形成规范循环模型。
4＞接着采集患者的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，通过数据采集处理模块，分割出患者的胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到患者心脏及侧枝血管数据。
5＞将获得患者心脏及侧枝血管三维数据，输入到模拟手术模块，在模拟手术模块中，显示出患者心脏及侧枝血管数据重建后的立体结构，参见图7。在图7中医生根据模拟手术模块中显示的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构，医生对患者CT影像进行模拟手术。当找到患者心脏及侧枝血管的患病部位，以图8-a为例，医生利用模拟手术模块中提供的模拟手术器械，切除图8-a中患者患病部位中1和2之间部分，再次选择1和2两点，模拟手术模块自动生成新血管参见图8-b，图8-b中的新血管与切除点1和2完成连接，模拟手术结果参见图8-c，得到模拟手术后的患者心脏及侧枝血管三维数据，即得到模拟术后的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构。
6＞将模拟手术后得到患者心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，通过数据3D打印模块，打印出模拟手术后的患者心脏及侧枝血管立体结构模型。
7＞将打印出的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，参见图5，得到患者心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，通过整体动态循环模型得到患者心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，将得到的患者心脏及侧枝血管生理参数，也输入到标准对照表中。
8＞在标准对照表中，显示出模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，提供给医生，医生根据模拟手术后患者与正常人生理参数之间的差别，选择是否再行模拟手术，若不需要，直接执行步骤9，将得到的模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数，同时还将医生在模拟手术模块中得到的模拟术后的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构也传输到模拟手术方案模块中，结束心脏侧枝血管参数测量，若是即需要再行模拟手术，则返回步骤5再对患者的心脏及侧枝血管三维数据进行模拟手术调整操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案。
9＞在模拟手术方案模块中，显示包括模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数，以数据形式显示，还包括模拟术后的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构，以上显示为模拟手术最优方案，作为医生进行手术的基础，可以直观显示动态循环的差别，也可以直观关键部位生理参数。
本例中的体外循环机是指用一种特殊装置暂时代替人的心脏和肺脏工作，参见图4，进行血液循环及气体交换。这一装置分别称为人工心和人工肺，亦统称人工心肺、人工心肺装置或体外循环装置。体外循环时，静脉血经上、下腔静脉引入人工肺进行氧合并排出二氧化碳，氧合后的血液又经人工心保持一定压力泵入体内动脉系统，从而既保证了手术时安静，清晰的手术视野，又保证了心脏以外其他重要脏器的供血，是心脏大血管外科发展的重要保证措施。
依据体外循环原理和统计学技术，将打印出的正常人心脏及侧枝血管立体模型与体外循环机连接，利用采集到的正常人的侧枝血管生理参数，建立正常人心脏及侧枝血管生理参数标准，放在标准对照表中，建立标准对照表，为医生诊断患者与标准对照表中正常人相同年龄的患者的心脏及侧枝血管生理参数提供参考、比较。
本发明把医学影像处理技术、3D打印技术、体外循环机相结合，提供一种能够让医生进行模拟手术的平台和途径。首先3D打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型，并与体外循环机连接，检测正常人心脏及侧枝血管生理参数，建立标准对照表；在模拟手术模块中医生对患者心脏及侧枝血管三维数据进行模拟手术操作，接着3D打印出模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型，通过体外循环机建立患者心脏及侧枝血管体外循环，检测患者心脏及侧枝血管生理参数，输入对照表中，显示出患者生理参数与正常人之间的差别，本发明建立了人体心脏及侧枝血管体外动态循环模型，获取关于心脏不同部位的血流、血压等数据信息，也方便医生再次进行模拟手术，同时评估了模拟手术方案的可行性。为医生进行手术治疗提供依据，实现先心病手术方案术前评估。
实施例5
借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置和方法同实施例1-4，本发明从心脏及侧枝血管的整体动态循环模型中获得的心脏及侧枝血管整体循环中心脏及侧枝节点的生理参数，参见图6，其中的心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点包括有，上腔静脉距离右心房出口3mm，b处，下腔静脉距离右心房出口3mm，a处，左肺动脉距离右心室出口3mm，e处，右肺动脉距离右心室出口3mm，c处，左肺静脉距离左心房出口3mm，f处，右肺静脉距离左心房出口3mm，g处，主动脉距离左心室出口3mm，d处；从心脏及侧枝血管的整体动态循环模型中获得的心脏及侧枝血管整体循环中心脏及侧枝节点的生理参数，其中生理参数包括有心脏侧枝血管的血流速度、血流压力。
经验医生根据患者与正常人心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，在模拟手术模块医生进行多种方案的模拟手术操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案。本发明避免了医生依据经验直接进行手术治疗带来的风险，也避免了介入治疗带给患者的痛苦，为医生提供了患者直观的动态循环状况，方便医生再行模拟手术操作，以确定最优手术方案，提高患者的生存几率。
下面从整体的角度对本发明采取的技术方案进一步说明如下：
实施例6
借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置和方法同实施例1-5，包括：
步骤1，在数据采集处理模块中，参见图1，使用CT电子计算机断层扫描仪扫描正常人体胸部心脏及侧枝血管，获得正常人胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，依据医学影象处理中的主动轮廓模型算法，利用计算机编译主动轮廓模型算法对正常人胸部心脏及侧枝血管影像CT数据进行分割，得到分割后正常人心脏及侧枝血管CT数据。
步骤2，将正常人心脏及侧枝血管CT数据输入数据3D打印模块，参见图1，在数据3D打印模块中使用编译好的软件将分割得到的正常人心脏及侧枝血管数据转换为巨影(PMAX)3D打印机专有格式，巨影打印机专用格式为stl，巨影打印机的打印材料为聚四氟乙烯，使用巨影3D打印机打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型。
步骤3，将打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，参见图4，图4是体外循环机的结构原理示意图，图中黑色粗线是将患者心脏与体外循环机连接之后得到的体外循环系统。图6给出了人体心脏及侧枝血管主要位置的测量位置示意图，图6中需要测量的人体心脏及侧枝血管主要的分支有，上腔静脉，测量节点为b处，下腔静脉，测量节点为a处，左肺动脉，测量节点为e处，右肺动脉，测量节点为c处，左肺静脉，测量节点为f处，右肺静脉，测量节点为g处，主动脉，测量节点为d处；又参见图5，图5是本发明中体外循环模块的搭建示意图，将数据3D打印模块获得的正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，构成体外循环模块，即得到正常人心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，具体正常人心脏及侧枝血管与体外循环机的连接是，体外循环机的上腔静脉插管与正常人心脏及侧枝血管立体结构模型的上腔静脉相连接，参见图5，连接节点是b处；体外循环机的下腔静脉插管与正常人心脏及侧枝血管立体结构模型的下腔静脉相连接，参见图5，连接节点是a处；体外循环机的左肺动脉插管与正常人心脏及侧枝血管立体结构模型的左肺动脉相连接，连接节点是e处；同理，右肺动脉插管与右肺动脉相连接，连接节点是c处；主动脉插管与主动脉相连接，连接节点是d处；左肺静脉插管与左肺静脉相连接，连接节点是f处，右肺静脉插管与右肺静脉相连接，连接节点是g处。正常人心脏及侧枝血管的整体动态循环模型是：血液经过主动脉流出至血泵，经过血泵流到上下腔静脉，经过上下腔静脉流入右心房，再流入右心室，经左右肺动脉流出，流入至人工肺，经人工肺，流入左右肺静脉，回流至左心房，再经左心室再次流出主动脉。连接正常人心脏及侧枝血管立体结构模型和体外循环机，就形成了正常人心脏及侧枝血管整体动态循环模型，通过正常人心脏及侧枝血管整体动态循环模型能够直接获得正常人心脏及侧枝血管生理参数，心脏及侧枝血管生理参数节点分别为节点a处、节点b处、节点c处、节点d处、节点e处、节点f处、节点g处，参见图6。
步骤4，根据体外循环模块中获得的正常人心脏及侧枝血管生理参数数据，统计并分析正常人心脏及侧枝血管生理参数数据，建立正常人体心脏及侧枝血管生理参数标准，并将正常人体心脏及侧枝血管生理参数标准输入到标准对照表中。
步骤5，采集患者数据，在数据采集处理模块中，参见图1，同样使用CT电子计算机断层扫描仪扫描患者胸部心脏及侧枝血管，获得患者胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，依据医学影象处理中的主动轮廓模型算法，利用计算机编译主动轮廓模型算法对患者胸部心脏及侧枝血管影像CT数据进行分割，得到分割后的患者心脏及侧枝血管CT数据。
步骤6，将患者心脏及侧枝血管三维CT数据输入到模拟手术模块，在模拟手术模块中，医生根据模拟手术模块中显示的患者心脏及侧枝血管数据的立体结构，参见图7，该立体结构根据医生需要可以调整视角，查看不同部位的情况。
当找到患者心脏及侧枝血管的患病部位时，以图8-a为例，医生利用模拟手术模块中提供的模拟手术器械进行模拟手术操作，模拟切除病灶并利用患者原始数据自动生成替换血管，将替换血管和病灶血管进行替换，得到模拟手术后的患者心脏及侧枝血管数据。
步骤7，将模拟手术后患者心脏及侧枝血管CT数据输入数据3D打印模块，参见图1，数据3D打印模块自动识别输入数据的格式，并将输入数据格式转化为巨影(PMAX)3D打印机专有格式，具体格式为stl，巨影打印机的打印材料为聚四氟乙烯，使用巨影3D打印机打印出模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型。
步骤8，将打印出模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接连，参见图4、图6和图5，图5是本发明中体外循环模块的搭建示意图，将数据3D打印模块获得的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，构成体外循环模块，即得到模拟手术后患者心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，具体模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机的连接和步骤3中正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机的连接方案相同。
连接模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型和体外循环机，就形成了模拟手术后患者心脏及侧枝血管整体动态循环模型，通过模拟手术后患者心脏及侧枝血管整体动态循环模型能够直接获得模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数，医生可以根据获得模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数了解模拟手术后患者的心脏跳动及血液循环状况。
将获得的模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数也输入标准对照表中，在标准对照表中，显示出模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，提供给医生，医生根据模拟手术后患者与正常人生理参数之间的差别，选择是否再行模拟手术，若不需要，直接执行步骤9，结束心脏侧枝血管参数测量，若是即需要再行模拟手术，则返回步骤6再对患者的心脏及侧枝血管三维数据进行模拟手术调整操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案。
步骤9，在模拟手术方案模块中，显示模拟手术后患者心脏及侧枝血管生理参数和医生在模拟手术模块中操作修改过的患者心脏及侧枝血管数据，此时得到最优模拟手术方案，作为医生进行手术的基础，可以直观显示动态循环的差别。
本发明利用体外循环机与获得的正常人与患者的数据信息形成动态循环，将打印的正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到正常人心脏及侧枝血管生理参数，并建立标准对照表。将打印出模拟手术后的患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到患者的侧枝血管生理参数，与建立的标准对照表进行对比，医生根据模拟手术后患者的侧枝血管动态循环模型与正常人心脏及侧枝血管生理参数标准形成规范循环模型之间的差别，利用模拟手术模块进行多种方案的模拟手术操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时得到优化后的手术方案。本发明避免了介入治疗带给患者的痛苦，为医生提供了患者直观的动态循环状况，为医生提供了进行多次模拟手术的机会，以确定最优手术方案，提高患者的生存几率。
简而言之，本发明提供的一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估装置和方法，其实现包括，采集正常人胸部CT信息；用3D打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到正常人整体动态循环模型；采集患者胸部CT信息，医生利用模拟手术模块中显示的手术器械对患者心脏及侧枝血管立体结构数据进行模拟手术操作，打印出模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型；将3D打印出的模拟手术后患者立体结构模型与体外循环机连接，得到模拟手术后患者心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，在标准对照表中显示出模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数的差别，作为医生进行手术的基础，直观显示动态循环，也方便医生模拟手术操作。本发明利用3D打印技术建立心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，帮助医生直接获得心脏及侧枝血管生理参数，避免了直接介入治疗的不确定性，同时解决了手术医生不能进行模拟手术的难题。本发明适用于手术医生模拟手术。
Claims (4)
1.一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置，其特征在于，包括有：数据采集处理模块、模拟手术模块、数据3D打印模块、体外循环模块、标准对照表、患者侧枝血管生理参数模块、模拟手术方案模块，针对正常人和患者分别采集人体胸部信息数据，来自正常人的人体胸部信息数据，通过数据采集处理模块，数据3D打印模块，体外循环模块，存于标准对照表中；来自患者的人体胸部信息数据通过数据采集处理模块，经过医学影像分割算法分割处理并获得患者心脏及侧枝血管三维数据，输入到模拟手术模块，在模拟手术模块中，医生进行模拟手术操作，将模拟手术后的三维数据信息输入数据3D打印模块，将3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，共同构成体外循环模块，由体外循环模块获得的生理参数存于患者侧枝血管生理参数模块中；进而传输到标准对照表中，与存于标准对照表中的正常人数据进行比对、修订，其结果输出到模拟手术方案模块，从该模拟手术方案中，不仅可以直观显示动态循环的差别，同时方便医生进行再次模拟手术操作即进行模拟修改操作；
数据采集处理模块，利用医学影像的分割算法分割采集到的人体胸部影像信息，得到人体胸部心脏及侧枝血管影像数据信息；
模拟手术模块，显示患者心脏及侧枝血管立体结构数据，和手术器械，医生利用显示的手术器械进行模拟手术操作，将模拟手术后的数据传递到3D打印模块；
体外循环模块，3D打印出的立体结构模型与体外循环机连接，形成的整体动态循环模型。
2.根据权利要求1所述的借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置，其特征在于，所述数据3D打印模块依据数据采集处理模块获得的正常人体胸部的心脏及侧枝血管数据，首先打印出正常人体心脏及侧枝血管立体结构，将正常人体心脏及侧枝血管立体结构与体外循环机进行连接，获得正常人心脏及侧枝血管关键部位生理参数，建立标准对照表；接着数据3D打印模块依据模拟手术模块获得的患者人体胸部的心脏及侧枝血管数据，打印出患者人体心脏及侧枝血管立体结构，与体外循环机进行连接，获得患者心脏及侧枝血管关键部位生理参数，存于患者的心脏及侧枝血管生理参数模块。
3.一种借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的方法，在权利要求1或2所述的借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的装置上实现，其特征在于，包括有如下步骤：
1＞采集正常人的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，分割出正常人胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到正常人心脏及侧枝血管数据；
2＞将得到正常人心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，打印出正常人心脏及侧枝血管立体结构模型；
3＞将打印出的正常人心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到正常人心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，通过整体动态循环模型得到正常人心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，建立正常人心脏及侧枝血管生理参数标准，放在标准对照表中；
4＞采集患者的胸部CT信息，并利用医学影像的分割算法，分割出患者的胸部心脏及侧枝血管CT数据信息，得到患者心脏及侧枝血管数据；
5＞利用模拟手术模块对得到患者心脏及侧枝血管数据进行模拟手术操作，得到模拟手术后的患者心脏及侧枝血管数据；
6＞将得到的模拟手术后患者心脏及侧枝血管数据，利用3D打印技术，打印出模拟手术后的患者心脏及侧枝血管立体结构模型；
7＞将打印的模拟手术后患者心脏及侧枝血管立体结构模型与体外循环机连接，得到患者心脏及侧枝血管的整体动态循环模型，通过整体动态循环模型得到患者心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点的生理参数，将得到的患者心脏及侧枝血管生理参数，也输入到标准对照表中；
8＞在标准对照表中，显示出模拟手术后患者与正常人的心脏及侧枝血管生理参数之间的差别，提供给医生，医生根据模拟手术后患者与正常人生理参数之间的差别，选择是否再行模拟手术，若不需要，直接执行步骤9，若是(再行模拟手术)则返回步骤5再对患者的心脏及侧枝血管三维数据进行模拟手术调整操作，直至对照表中显示出的患者与正常人的生理参数之间的差别是医生可接受的，此时获得的模拟手术方案为最佳方案；
9＞在模拟手术方案模块中，显示最优手术方案，作为医生进行手术的基础，直观显示动态循环的差别。
4.根据权利要求3所述的借助3D打印实现先心病手术方案术前评估的方法，其特征在于，所述从心脏及侧枝血管的整体动态循环模型中获得的心脏及侧枝血管整体循环中心脏及侧枝节点的生理参数，其中的心脏及侧枝血管整体循环中侧枝节点包括有，上腔静脉距离右心房出口3mm，b处，下腔静脉距离右心房出口3mm，a处，左肺动脉距离右心室出口3mm，e处，右肺动脉距离右心室出口3mm，c处，左肺静脉距离左心房出口3mm，f处，右肺静脉距离左心房出口3mm，g处，主动脉距离左心室出口3mm，d处；所述从心脏及侧枝血管的整体动态循环模型中获得的心脏及侧枝血管整体循环中心脏及侧枝节点的生理参数，其中的生理参数包括有心脏侧枝血管的血流速度、血流压力。
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