CN107320221A - 一种基于3d打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的畸形膝关节骨骼模型制作方法，主要包括以下步骤：(1)对患者进行连续断层CT扫描，获得影像数据；(2)在医学软件Mimics中，进行阈值区分和二值化处理，得到单独的股骨和胫骨蒙板数据，构建三维模型；(3)在逆向工程软件中进行多边形处理和精确曲面处理，得到NURBS曲面模型；(4)利用FDM成型3D打印技术打印1:1比例病理骨骼模型。本发明的优点有：(1)让术者更加直观地观察和了解患者的病况，对手术过程进行最佳规划，个性化定制最佳的手术方案；(2)减少手术时间，降低手术风险，提高手术的成功率；(3)本发明可以对身体其他部位的病理骨骼模型进行相近的处理，具有广阔的发展前景和市场潜力。

Description

一种基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具有鲜明的医工结合特色，具体是一种在膝关节手术前基于3D打印技术制作畸形膝关节骨骼模型的方法。
背景技术
骨关节炎(osteoarthritis,OA)，又名骨关节病(osteoarthrosis)，是一种常见的风湿性疾病。骨关节炎影响老年患者的行走、上下楼梯及其他下肢功能，部分严重地导致关节功能障碍、关节畸形，甚至导致残疾。严重的骨关节炎患者，需要进行膝关节手术来治疗。
传统膝关节手术之前，术者会通过CT和MIR获得病人的影像数据，在二维影像上进行术前的设计和规划。但二维影像还原患者实际病症的能力有限，存在很多不确定因素，使最初的手术规划不适合甚至不能完成手术，那么术者就必须在手术进行中重新进行设计规划。这样不仅会增加手术时间，增大手术风险，还会降低手术的成功率，更会对患者的身体造成极大的损伤。
传统的骨骼模型都是通用型指导教学的模型，并不适合情况复杂多样的手术规划和预演，而且传统骨骼模型的制作方法也过于繁复，耗时较长，不能尽快的为术者提供可靠的个性化三维实物模型辅助手术进行。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述问题，提出了一种基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，具体包括如下步骤：
(1)对患者进行连续断层CT扫描，扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右；
(2)将获得的影像数据文件导入到交互式医学图像处理软件Mimics中，以无损压缩方式输入，对图像进行二值化和区域增长处理，分割出股骨和胫骨蒙板；
(3)髌骨与胫骨在关节面处有较大的粘连，需要对蒙板在关节面附近进行手动编辑，分割后再利用区域增长与布尔运算分离出单独的股骨蒙板和胫骨蒙板；
(4)对股骨蒙板和胫骨蒙板进行空腔充填处理，用二进制格式输出结构完整的病理骨骼模型；
(5)将模型数据导入到逆向工程软件Geomagic studio 2013中，进行多边形处理和精确曲面处理，完成NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)曲面的处理，得到三维病理骨骼数据；
(6)采用熔融堆积成型FDM(Fused Deposition Modeling FDM)的方式3D打印出比例为1:1的病理骨骼型。
步骤(1)中，所述的CT扫描电压是130KV，扫描电流是300mA，扫描层厚是1mm，扫描层间距是1mm，图像分辨率是512px*512px。
步骤(2)中，所述的影像数据格式为DICOM 3.0(Digital Imaging andCommunication in Medicine 3.0,DICOM 3.0)。
步骤(4)和步骤(5)中，所述的病理骨骼模型数据是STL格式(Standard TemplateLibrary,STL)。
步骤(6)中，所述的打印材料是高分子材料PLA(Polylactic Acid,PLA)，其机械性能和物理性能良好。
本发明的有益效果是：
(1)利用CT扫描数据，建立三维CAD模型，1:1比例3D打印出病理骨骼模型，让术者更加直观地观察和了解患者的病况，提高与患者的沟通效果，对手术过程进行最佳规划，个性化定制最佳的手术方案，减少手术时间，降低手术风险，提高手术的成功率；
(2)1:1比例3D打印病理骨骼模型可以和膝关节手术中的手术器械、关节假体进行匹配，选择最佳的器械和假体；
(3)3D打印材料PLA是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成，具有良好的生物可降解性，使用后在特定条件下完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，是公认的环境友好型材料；
(4)本方法可以举一反三应用到其它骨骼模型的制作上，对各种骨骼手术的术前规划预演都有积极的意义。
附图内容
图1是本发明方法流程图；
图2是FDM打印参数设置图；
图3是3D打印病理股骨远端实物模型图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明基于3D打印的畸形膝关节骨骼模型制作方法：
1.对患者进行连续断层CT扫描，扫描体位为患者仰卧位并自然平躺，膝关节自然伸直，髌骨指向正上方，防止旋转造成的误差，扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右；
2.将获得的DICOM 3.0格式文件导入到交互式医学图像处理软件Mimics中，选用骨窗模式进行图像处理，由于骨组织灰度最小值一般都大于1250，而软组织灰度值的最大值一般小于1249，通常设置灰度显示范围为1031到1858；
3.进行精确的阈值区分，首先选取一个小于骨骼灰度值而大于其他组织的灰度值作为阈值。超过阈值的像素重新赋以一个逻辑值1，作为分割目标,，而低于阈值的像素则赋予逻辑值0，作为背景，对于所采集的截面图像，选择一个灰度值T作为阈值，组成一个新二值黑白图像，将膝关节骨骼从软组织中提取出来，实现图像的二值化处理；
4.股骨与胫骨在关节面处有较大的粘连，因此需要对蒙板在关节面附近进行手动编辑，分割后再利用区域增长与布尔运算分离出单独的股骨蒙板和胫骨蒙板，并对股骨蒙板和胫骨蒙板进行空腔充填处理，用二进制格式输出结构完整的STL格式病理骨骼模型；
5.将模型数据导入到逆向工程软件Geomagic studio 2013中，进入多边形处理阶段，对网格进行去流体处理，以去除与假体主体不相连的三角面片，检测文件中是否存在自相交的三角片、高度折射边、钉状物、小组件、小通道和小孔，并予以修复；
6.进行精确曲面阶段处理，进行轮廓线处理、曲面片编辑、格栅处理和拟合曲面，完成NURBS曲面的处理，得到STL格式三维病理模型；
7.选用北京太尔时代科技有限公司生产的UP-BOX 3D打印机进行，打印材料是高分子材料PLA；
8.为提高打印精度，精确还原出贴合面处的几何特征，尤其是股骨前方皮质与手术导板贴合面，因此采用股骨前皮质面与打印底板相对的摆放方式打印患者完整的股骨模型，胫骨模型选用胫骨近端与打印底板相对的摆放方式打印患者完整的胫骨模型；
9.对3D打印出的股骨和胫骨模型进行去支架和去毛刺处理，得到最终的畸形膝关节骨骼模型。

Claims (6)

1.一种基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对患者进行连续断层CT扫描，扫描部位为上至股骨远端关节面160mm左右，下至股骨远端关节面50mm左右；
(2)将获得的影像数据文件导入到交互式医学图像处理软件Mimics中，以无损压缩方式输入，对图像进行二值化和区域增长处理，分割出股骨和胫骨蒙板；
(3)髌骨与胫骨在关节面处有较大的粘连，需要对蒙板在关节面附近进行手动编辑，分割后再利用区域增长与布尔运算分离出单独的股骨蒙板和胫骨蒙板；
(4)对股骨蒙板和胫骨蒙板进行空腔充填处理，用二进制格式输出结构完整的病理骨骼模型；
(5)将模型数据导入到逆向工程软件中，进行多边形处理和精确曲面处理，完成NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines,NURBS)曲面的处理，得到三维病理骨骼数据；
(6)3D打印出比例为1:1的病理骨骼型。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的CT扫描电压是130KV，扫描电流是300mA，扫描层厚是1mm，扫描层间距是1mm，图像分辨率是512px*512px,数据格式是DICOM 3.0(Digital Imaging andCommunication in Medicine 3.0,DICOM 3.0)。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，在步骤(4)和步骤(5)中，所述的病理骨骼模型数据是STL格式(Standard TemplateLibrary,STL)。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，在步骤(5)中，所用的逆向工程软件是Geomagic studio 2013。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述的打印材料是高分子材料PLA(Polylactic Acid,PLA)。
6.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的畸形膝关节骨骼模型制作方法，其特征在于，在步骤(6)中，3D打印类型是熔融堆积成型方式FDM(Fused Deposition ModelingFDM)。
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