CN107307905A - 一种3d打印，模具灌封获得人体脑颅模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种通过3D打印技术和灌封工艺来获得人体脑颅模型的方法，可以为脑颅内部出现疾病的病人，尤其是患有脑瘤，血管瘤等需要手术的病人，提供符合其个性化，高精度的头颅疾病模型，用做术前方案制定和术中参考，降低手术风险。本发明是根据病人的CTA数据，进行病人的肿瘤，血管，颅骨和皮肤的3D重建。颅骨血管重建的3D数据以STL文件格式输入到3D打印机进行颅骨血管的制作。根据皮肤肿瘤3D重建数据，重新设计皮肤肿瘤模具，然后输入到3D打印机或CNC机床进行皮肤肿瘤模具的制作。调制皮肤肿瘤材料，注入皮肤肿瘤模具进行皮肤肿瘤制作。将制作好的颅骨血管皮肤肿瘤进行组装，然后灌封弹性透明易固化的有机硅脂进行固化，确保各部位不会发生移位。

Description

一种3D打印，模具灌封获得人体脑颅模型的方法

技术领域

本发明涉及一种人体脑颅模型的制备方法，尤其是利用3D打印，模具成型，灌封，以及计算机辅助设计病人人体脑颅模型的方法。

背景技术

由于各种颅内血管，肿瘤性疾病，比如血管瘤，胶质瘤，脑膜瘤，垂体瘤，或其他各式各样的血管及肿瘤疾病，病人需要进行开颅手术，这些疾病威胁着病人的生命，由于颅内血管，神经密布，尤其是颅底部位，任何术中失误均会导致手术失败，因此，对病人脑颅内肿瘤及周边血管情况的把握就变得至关重要。医学界，学术界和产业界对颅内脑瘤手术的术前信息采集和处理的研究已做了数十年的努力。随着3D打印技术的发展，基于3D打印来还原颅内各组织的状态，尤其是血管和肿瘤，成了临床发展方向，而这个技术的实现必须是基于医学图像的3D建模和机加工技术相结合才得以实现。

目前，人体模型的制备方法，有如下几种：

标准模型：这是用于教学的标准人体模型，用于展示人体各部位的解剖关系，比如规格，肌肉，皮肤，血管等等，这对医生手术有基础的指导作用，但和具体需要手术的病人没有相关性

3D打印：自从3D打印机被发明以来，即用于医学研究，用于打印医生感兴趣的组织，比如骨骼，心脏，血管等独立的组织，这些技术进展为临床提供相当大的帮助。然而，对于一个完整的人体，除了病变部位之外，我们还需要其他相关组织的情况，并完整的将这些组织之间的关系表达出来，这些仅仅靠3D打印一个技术是无法完成的，需要模具成型，灌封等等技术进行组装处理，从而给医生一个完整的病人解刨关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为肿瘤病人，尤其是位于颅底的肿瘤病人，或贯穿颅底，颅外的肿瘤病人，提供符合其个性化需要的，精确的病人头颅模型，该模型涵盖一个脑颅所必须的四个组成部分，皮肤，颅骨，血管和肿瘤。

为实现上述目的，本发明根据病人的脑颅CTA(计算机断层扫描血管造影)数据，提取皮肤，颅骨，血管和肿瘤的数据集，根据这些数据集，设计皮肤，肿瘤成型所需要的模具，将模具数据输入3D打印机或数控机床加工依设计所需要的成型模具，选择3D打印机还是数控机床制作模具取决于医生对医学模型的精准度及光滑度要求，数控机床制作的模具更加精准和光滑，但时间较长，成本也较高。最后，经由模具灌封皮肤，肿瘤材料制作出所需要的组织。颅骨和血管可经由3D打印机直接打印，通常无需制作模具成型。制作出来的皮肤，肿瘤，颅骨，血管进行组装，然后注入灌封材料，固化成型。

本发明的具体步骤如下，发明过程方法流程可见参考图1：

1.计算机读取病人的CTA数据

2.将病人颅骨的CTA数据在冠状位，矢状位和轴位进行病人的图像重建。生成病人的三个相位断面图，调整窗宽窗位，直至肿瘤，血管，骨骼和皮肤可以被分辨识别。然后经过组织提取，分别获得肿瘤，血管，骨骼和皮肤的数据集。皮肤和骨骼的采集是基于阈值分割算法，血管和肿瘤的采集是基于区域生长算法。

首先，关于阈值分割算法：

对于颅骨来说，我们通常以CT值226作为密度区分的下限，但这只是经验值，具体的数值可以根据病人实际骨密度的不同而重新定义，颅骨的上限可以以CTA数据扫描的最高CT值为上限，这是指普通的病人，如果，颅内植入其他异物，比如钛合金修复体，可以 另行处理。对于皮肤来说，可以选取CT值-150为下限，这是低于人体内所有软组织的CT值同时又高于空气的CT值，用于界定乃外皮肤。然后我们通过以下算法获取所有的符合条件的像素集合：

其中d为最D_ij点的最初密度值(density)，vs为阈值的下限，vm为阈值的上限，这样我们就获得了所需要组织的数据集，然而，这些并不足以保证所需要的而组织被成功的识别，必须配合窗宽窗位及颜色区分，才能将所需要的组织采集出来，这个过程由以下算法所描述

windowCenter：窗位

windowWidth：窗宽

wl：下限；wh：上限

wl＝(windowCenter-windowWidth)/2)；

wh＝(windowCenter+windowWidth)/2)；

dC＝(255/windowWidth*(d-wl))；

然后对不同密度进行不同的颜色编码，组织颜色编码曲线如图2所示注意，此组织颜色编码曲线只是经验曲线，组织显示颜色和组织的病理之间没有逻辑关系，也就是，颜色仅用于各组织之间的相对区分，虽然，血供经常显示为红色，肿瘤显示为蓝色，骨骼显示为橙绿色，但颜色与组织之间没有必然的关系，随窗宽窗位的调整而改变，最后，我们通过以下公式获得不同组织密度的颜色值，其中df经由颜色曲线获得，D_ij为密度值，C_ij为颜色值。

其次，区域生长算法：

阈值分割算法提供了一个简单快捷的组织区分，这是根据两种组织在CT值上有严格不同来区分的，比如空气和皮肤，骨骼和软组织，然而，对于血管和肿瘤，仅仅通过阈值分割是不足以正确的提取所需要的组织的，因为血管和肿瘤也属于软组织，这样就和周围的软组织无法有效的区分，临床上为了提高血管和肿瘤的特异性，需要打入含碘的造影剂，然后进行CT扫描，称为CTA(计算机扫描血管造影术)，这样血管和周围的软组织就会被显著的区分出来，肿瘤通常含有大量的血管，血供丰富，因此大部分肿瘤通过此种方法，也可以进行区分，即便如此，单纯的阈值分割仍旧不足在于将血管，肿瘤与周围组织严格区分，其原因是血液中含有造影剂后其密度值往往会接近甚至超过骨密度的CT值，过高的阈值上限会将骨组织划分进来，过低的上限阈值又会使血管信息丢失，因此算法上需要将上限拉至骨密度领域，然后对这些数据进行进一步的赛选提取，其基本的方法是相关性计算，因为血管都是相连的，从这个基本的逻辑出发，只要选定一个血管的截面，通过相关性计算，就可以从中提取该血管及其分支，人体大脑内部的动脉血管是由两个大动脉提供的，左右颈动脉及椎动脉，左右颈动脉又分支成左右大脑前动脉和左右大脑中动脉，两只椎动脉分汇合基底动脉，基底动脉又分支成左右大脑后动脉，和小脑动脉。大脑前动脉，大脑中动脉和大脑后动脉又通过willis环连接。因此，大脑内的动脉是完全相连同的，理论上，只要我们手动的识别一根动脉血管，就可以通过相关性计算，得到所有动脉血管，同理静脉血管也是如此，然而，作 为神经外科手术，动脉血管的破裂更具风险性，因此算法仍旧是以解决动脉血管的完整提取为原则兼顾静脉血管的提取。

作为区域分割，有4连通，8连通，26连通，4连通是指同一个平面上一点的上下左右的判断，8连通是指一个点的上下左右，左上，左下，右上，右下的判断，对于血管来说，8连通是可以采用的方案，更加准确的判断来自于26连通，除了本平面的八个方位的判断之外，还要考虑上下平面，每层9个可能性的判断，这样就总共26种可能性判断，符合阈值范围要求的纳入新的数据集合。这样我们可以搜索算法，构建链表，将所有的点组成一个数据树从而获得完整的组织数据集，以8连通为例，链表集如下：

配合之前的区域分割数据集

我们就可以完整的获得血管和肿瘤的组织数据集

3.在步骤2的基础上构建血管和肿瘤实体，采用的算法是表面重建算法，对于血管和肿瘤的表面重建，这是通过体素的切割计算来完成，通过体素的切割获得构成实体表面的三角片，算法如下：

其中P1，P2是介于阈值上下的相邻两点，u是插值点的比例，由一下公式获得

u＝(D1-Dt)/(D1-D2)

其中D1，D2是两个点的CT值，Dt是阈值大小，这样就可以获得阈值边缘点的坐标值。通过这种方法可以计算出阈值表面的三角片。在计算三角片同时还要获得三角片表面法线向量的计算，这是由于STL数据格式需要显式的给出法线向量，(IGES数据无此要求)，因此，表面重建算法需要特别区分其所有状态下的法线向量，否则会使3D打印机无法进行切层计算。

法线的计算遵循右手定则，通过两向量的叉积计算获得，并需要进行归一化处理。

对于空间三个点P0，P1，P2组成的三角片，法线向量的计算如下：

分别是P1和P2指向P0的向量；

x是叉积运算符

对于皮肤和肿瘤的模具计算，此处的法线向量计算完全反过来，即

但这个反向仅仅包含皮肤在xy方位上的，不包括上下表层皮肤的计算。

最终我们获得一个由三角片组成的空间集合，这个三角片是通过表面重建算法获得，同时包含这个三角片的法线向量，用于区分实体 的方向界定。整个集合如下：

颅骨，肿瘤，皮肤和血管的实体由上述集合所描述，该集合是输出STL文件和IGES文件的基础集合，所有3D打印数据和数控机床加工数据均由此集合导出。

这里所有的三角片之间没有链表关系，属于无序集合，也就是，实体的本身包含哪些子模块(血管，肿瘤，骨骼子模块)是由软件自身算法界定的，不是由数据集描述的。当数据进行输出时，三角片的矢量方向和三个顶点的顺序特别重要，这是第三方软件，比如工程制图3D重建软件实体识别的根据。

4.在步骤2，3的基础上构建皮肤和肿瘤的模具，采用的算法是是表面重建算法和几何体建模算法。

皮肤是一种较为柔软的组织，不适于3D打印直接制作，只能用模具灌注的方法进行成型

模具的算法，首先我们需要选取一个合适的几何体，比如圆柱体或长方体，然后从中去除皮肤或肿瘤所占的几何空间，形成一个空腔，利用这个空腔进行皮肤肿瘤的加工制作。

这里的算法是，先对几何体进行分割，分割的尺寸按照CT数据的像素大小进行，从中去除符合以下公式的细分几何体

从而获得存留下来的细分集合体，这包括两部分，一是原属于原几何体的数据，一是皮肤三角片的数据。

皮肤的处理需要向内扩展5mm形成空腔，由这些空腔的内腔组成内 膜实体。法线向量需要重新计算。

肿瘤模具需要拆分成上下模，用于灌注成型，这些算法可以通过软件完成。

5.在步骤4的基础上，将设计出的病人皮肤肿瘤3D重建数据转换成STL文件和IGES文件，分别用于3D打印和数控机床加工，IGES文件需通过专门的软件转换成数控机床加工所需的G代码数据格式。

6.在步骤5的基础上，由3D打印机或数控机床加工皮肤和肿瘤的模具

7.制作皮肤和肿瘤，制作材料是由三部分材料组成，一是透明环氧灌封胶，AB胶比例2∶1，一是透明有机硅脂，AB胶比例10∶1，一是颜料，不同的组织采用不同颜色的颜料。三者比例，按照50∶50∶1配比。

颜色，皮肤通常选用橙色，肿瘤选用蓝色，制作出的皮肤和肿瘤的弹性取决于环氧树脂和有机硅脂的配比，可以通过减少环氧树脂所占的比例来增加肿瘤和皮肤的弹性

8.在步骤7的基础上，调制后的皮肤肿瘤材料，需要放入真空箱中抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉。

9.在步骤6，8的基础上，将调制好的材料，灌入皮肤和肿瘤模具，抽取真空，24小时固化。

10.在步骤3的基础上，将血管和颅骨的STL数据输入3D打印机，进行3D打印，通常血管选用红色的材料，ABS，PLA皆可，这两种材料制作的血管质地较硬，如果需要有弹性的血管，在打印机条件许可下，可采用有弹性的Flexible TPU材料。颅骨一般选用本色或白色的ABS材料。

如果打印机支持多种材料同时打印，则将血管和颅骨同时打印出来，这样没有配合误差，如果打印机不允许同时打印，又或者，所 选择的材质不适于同时打印，比如ABS和TPU，那么分别打印，然后组装，组装时需保证两者的装配误差在许可的范围之内。两者用专用粘合剂粘结，确保不会移位。

11.调制透明灌封材料：制作灌封的材料是透明有机硅脂，AB胶的比例是10∶1，抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉，24小时固化。

12.在步骤9，10，11的基础上，组装皮肤，肿瘤和颅骨组件(颅骨加血管)，灌封调制好的透明有机硅脂，抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉，24小时固化。

13.等有机硅脂完全固化，一般24小时候，拆封，完成脑颅模型的制作

本发明的实施具有有益效果有：可根据病人的个性情况为病人量身定做脑颅模型，准确的描述病人肿瘤及周边血管的情况，为医生手术入路和手术方案提供指导，降低手术风险，提高手术成功率，从而挽救病人生命。

附图说明

图1本发明方法的主流程图；

图2颜色编码曲线

图3皮肤，肿瘤，颅骨，血管组织的区分

图4皮肤，肿瘤，颅骨，血管的3D模型

图5皮肤模具的3D模型

图6皮肤成型内外模具合成图

图7皮肤成型模具的外模

图8皮肤成型模具的外模实体

图9皮肤成型模具的内模

图10皮肤成型模具的内模实体

图11调制皮肤制作材料

图12真空抽取，去除皮肤材料中的气泡

图13灌注皮肤

图14脱模后的皮肤，实际工艺不需要此步骤，会导致皮肤破损，应该灌封后脱模，见图21

图15肿瘤模具上下模设计图

图16肿瘤模具上下模实体

图17肿瘤模具的灌注

图18将模具成型的肿瘤组装进颅骨中

图19调制透明有机硅脂

图20将皮肤颅骨，血管和肿瘤灌封固化

图21脱模后的最终模型，皮肤完整展示

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下通过附图和具体实施例作进一步说明。

本病例为巨大脑瘤病人，肿瘤位于颅底左前部，为大约直径50mm的椭球体，和一个小鸡蛋体积相当，压迫willis环所属前交通动脉，后交通，侵占大脑前动脉，大脑后动脉，大脑中动脉，小脑动脉，椎-基底动脉等脑颅内主要动脉血管，该病人手术高度复杂，任何不慎均会产生致命威胁。依照本发明方法，制作病人脑颅模型，过程如下：

1.计算机读取病人的CTA数据

2.将病人颅骨的CTA数据在冠状位，矢状位和轴位进行病人的图像重建。生成病人的三个相位断面图，调整窗宽窗位，直至肿瘤，血管，骨骼和皮肤可以被分辨识别。然后经过组织提取，分别获得肿瘤，血管，骨骼和皮肤的数据集。

首先我们通过阈值分割算法

及附图2所示的颜色编码曲线通过以下公式提取皮肤，颅骨，肿瘤和血管

对于阈值分割算法，按照下面c#计算机语言代码予以实现

该程序调用颜色编码曲线程序，如下：

其最终的结果如附图3所示，通过颜色编码后，蓝色为软组织，主 要用于界定皮肤和周围的空气，红色为肿瘤和血管，绿色为颅骨，这样，通过区域分割算法，我们可以简单的在视角上区分各组织。同时依据上述算法，根据各组织的密度范围不同，区分成不同的组织数据集合。

对于血管的提取，必须进行区域生长算法来实现：一个8连通的程序算法如下：

其中p是需要检测的测试点，通过对该点周围8个点及本身一个点的相关性判断，获得与这个点相关的链表，然后通过递归搜索，获得全部点的相关性列表。此算法的目的是通过相关性计算将血管从软组织中分离出来。

3.在步骤2的基础上，计算表面三角片及三角片的法线向量，三角片的计算公式如下：

其中u由一下公式获得

u＝(D1-Dt)/(D1-D2)

对于空间三个点P0，P1，P2组成的三角片，法线向量：

分别是P1和P2指向P0的向量；

x是叉积运算符

通过这些计算，我们可以获得颅骨，皮肤，血管和肿瘤的表面重建 数据，以颅骨表面为例，其中最终的数值如下(部分，共计91万9150个三角片)

三角片中的42个三角片)

采用同样的办法，可以获得肿瘤模具的STL文件数据

如果采用数控机床加工，需要转换成IGES文件输出，如下(部分)：

通过这种方法我们获得了完整的颅骨，皮肤，肿瘤和血管的表面重建数据，这些数据通过显示程序显示后，如附图4所示

4.在步骤2，3的基础上构建皮肤和肿瘤的模具，以皮肤为例，选择一个方体做制模材料，从中挖去皮肤的部分，这里的算法是，先对几何体进行分割，分割的尺寸按照CT数据的像素大小进行，从中去除符合以下公式的细分几何体

从而获得存留下来的细分集合体，这包括两部分，一是原属于原几何体的数据，一是皮肤三角片的数据。计算的结果如附图6所示，可以看到中间部分材料已经被做成空腔，这个空腔就是皮肤的空间，可以通过想这个空腔注入相应的成型材料，制成所需要的皮肤

5.在步骤4的基础上，将设计出的病人皮肤肿瘤模具3D数据转换成STL文件，对于皮肤模具的STL文件如下(部分内容，14万8084个

然后再转换成数据机床加工所需的G代码(部分)

6.在步骤5的基础上，由3D打印机或数控机床加工皮肤和肿瘤的模具。

7.制作皮肤和肿瘤，制作材料是由三部分材料组成，一是透明环氧灌封胶，AB胶比例2∶1，一是透明有机硅脂，AB胶比例10∶1，一是颜料，不同的组织采用不同颜色的颜料。三者比例，按照50∶50∶1配比。

颜色，皮肤通常选用橙色，肿瘤选用蓝色，制作出的皮肤和肿瘤的弹性取决于环氧树脂和有机硅脂的配比，可以通过减少环氧树脂所占的比例来增加肿瘤和皮肤的弹性

8.在步骤7的基础上，调制后的皮肤肿瘤材料，需要放入真空箱中抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉。

9.在步骤6，8的基础上，将调制好的材料，灌入皮肤和肿瘤模具，抽取真空，24小时固化。

10.在步骤3的基础上，将血管和颅骨的STL数据输入3D打印机，进行3D打印，通常血管选用红色的材料，ABS，PLA皆可，这两种材料制作的血管质地较硬，如果需要有弹性的血管，在打印机条件许可下，可采用有弹性的Flexible TPU材料。颅骨一般选用本色或白色的ABS材料。

如果打印机支持多种材料同时打印，则将血管和颅骨同时打印出来，这样没有配合误差，如果打印机不允许同时打印，又或者，所选择的材质不适于同时打印，比如ABS和TPU，那么分别打印，然后组装，组装时需保证两者的装配误差在许可的范围之内。两者用专用粘合剂粘结，确保不会移位。

11.调制透明灌封材料：制作灌封的材料是透明有机硅脂，AB胶的比例是10∶1，抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉，24小时固化。

12.在步骤9，10，11的基础上，组装皮肤，肿瘤和颅骨组件(颅骨加血管)，灌封调制好的透明有机硅脂，抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉，24小时固化。

13.等有机硅脂完全固化，一般24小时候，拆封，完成脑颅模型的制作。

Claims (10)

1.一种人体脑颅模型的设计和制作方法，其特征在于，是基于病人脑颅的CTA(计算机断层扫描血管造影)的DICOM格式的数据输入计算机，进行3D重建，获得颅骨，血管，肿瘤和皮肤的3D建模数据，最终获得个性化人体脑颅模型的方法。包括以下步骤：

(1)基于CT的CTA数据输入计算机，提取皮肤，骨骼，肿瘤和血管组织数据；

(2)利用计算机辅助软件进行肿瘤，血管，颅骨，皮肤的3D重建；

(3)根据皮肤，肿瘤的3D建模实体数据，进一步设计皮肤成型模具；

(4)将模具数据输入3D打印机或数控机床；

(5)由3D打印机或数控机床加工出依设计所需的成型模具；

(6)向该模具注入制作皮肤和肿瘤的材料，获得皮肤和肿瘤实体；

(7)将血管和颅骨的数据输入3D打印机，打印血管和颅骨；

(8)组装颅骨，血管，肿瘤和皮肤；

(9)注入灌封材料，固化成型。

2.如权利要求1所述的方法，特征在于：将病人脑部的DICOM格式数据在轴位，冠状位和矢状位进行重建。生成病人的三个相位断面图，调整窗宽窗位，直至肿瘤，血管，骨骼和皮肤可以被分辨识别。然后经过组织提取，分别获得肿瘤，血管，骨骼和皮肤的数据集，然后分别进行3D建模。

3.如权利要求1或2所描述的方法，特征在于：皮肤，骨骼的数据集采集是基于阈值分割算法，血管和肿瘤的数据采集是基于区域生长算法。

4.如权利要求1或2或3所描述的方法，特征在于：根据肿瘤及皮肤的3D重建数据，设计成型模具的3D建模。

5.如权利要求1或2或3所描述的方法，特征在于：血管和颅骨的3D重建方法是基于表面重建算法。

6.如权利要求1或2或3或4所描述的方法，特征在于：皮肤和肿瘤的3D重建算法是基于表面重建和几何体建模算法。

7.如权利要求1或2或3或5所述的方法，特征在于：将设计出来的病人的骨骼，血管3D建模数据，转换成3D打印机所能识别的标准STL文件。

8.如权利要求1或2或3或4或6所述的方法，特征在于：将设计出来的病人的皮肤，肿瘤3D建模数据，转换成3D打印机所能识别的标准STL文件，或转换成标准的IGES文件，然后转换成数控机床直接识别和加工的G代码数据格式。

9.如权利要求1所述的方法，特征在于：用于制作皮肤和肿瘤是材料是由三部分材料组成，一是透明环氧灌封胶，AB胶比例2∶1，一是透明有机硅脂，AB胶比例10∶1，一是颜料，不同的组织采用不同颜色的颜料。三者比例，按照50∶50∶1配比。调制后的皮肤肿瘤材料，需要放入真空箱中抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉。

10.如权利要求1所述的方法，特征在于：制作灌封的材料是透明有机硅脂，AB胶的比例是10∶1，调制后的灌封材料，需要放入真空箱中抽取真空，气压应低于-0.09Mpa，确保气泡被完全抽掉。