CN107507278A - 基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置，步骤一、读取N幅具有相同的缩放比例的断层扫描图像，断层扫描图像包括目标和非目标部分；对于制作的三维实体模型中非目标部分要求完全透明，进行步骤二；对于制作的三维实体模型中非目标部分不要求完全透明，则进行步骤三；步骤二、使用图像处理软件处理各断层扫描图像，得到处理后的各断层扫描图像；步骤三、打印各断层扫描图像得到各断层打印图片；将各断层打印图片依顺序间隔排列并固定后得到三维实体模型。能够实现二维图像进行三维排列，形成立体透视效果。图像处理速度快、图像无失真，实体模型构建方便、成本低廉，立体透视效果好、实体模型方便观察，可模拟操作。

Description

基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置。

背景技术

目前教授外科手术的方法包括外科手术的学习、观看手术视频、在有经验医生的指导下来观察和参加现场手术。目前教授手术的“亲自动手式”学徒制方法和“看一个，做一个，教一个”的方式存在很多缺陷：1、经验不足的医学生可能使被当做“教学病例”的患者面临大量的风险，甚至死亡的危险。2、医生在活体患者身上训练时也受到了极大的限制，尽管小心翼翼但仍然无法避免潜在的医疗诉讼，这使得在外科手术中受过很好训练的医生更少。3、不同的患者有不同的疾病，每种疾病的表现又千差万别，这使得医学生在某个患者身上取得的宝贵经验并不一定适用于另外一个患者。一个优秀的外科医生成长需要很长时间，反复从治疗失败的不同患者身上换来宝贵的经验教训。4、由于每个患者情况各不相同，医生虽然知道某种手术方法，但术前无法准确预知每个手术细节，无法事先练习。患者因为无法得知医生如何在自己身上手术，单凭信任是无法真正的放心。医患之间会产生很大的沟通障碍，是医患纠纷的重要原因之一。

由于以上原因，需要在手术体验、模仿与教学中使用到实体模型。现有的一些手术模型虽然可以用于常规研究、常规医学手术的教学和身体检查，但是这些模型具有基本的共性，缺少特定患者的个性。比如患者王某某长了一个哑铃形状的肿瘤，其解剖特点与常规的球形完全不同，要想提供逼真的手术模拟需要为其专门定制模型，方便手术医生术前观察甚至模拟手术，提高手术成功率，降低手术风险。

现有的模型、器官和组织通常由硬的或半刚性的材料和塑料制成，与柔软的人体组织相差很大，现有的手术器械难以像活体手术时那样轻松切开这些硬模型，这妨碍了医生的触觉，因此不能提供逼真的手术经历。此外，现有手术模型制作工艺耗时久，因此增加了医生的训练成本和患者的负担。

在医学领域中，疾病的诊断需要大量运用CT和MRI扫描得到的断层图片。这些图片大多是沿同一个方向的切面，医护人员只能通过连续的多张图片为病人诊断。仅仅通过二维图片难以判断组织空间结构，病人等非专业人士面对这样的断层图片更加难以理解。因此，断层图片三维重建工作尤为重要。热门的研究领域是根据二维的图片或视频来进行三维重建，再进行3d打印。传统方法在三维重建时，会在一定程度上丢失二维图片的信息或人为添加一些虚构的信息，而且算法复杂，计算量大，难以开发和推广。

3D打印技术即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。将虚拟可视化模型进行实体化，此实体模型克服了传统模型空洞枯燥及病态条件下难以还原人体真实解剖的不足。利用此实体模型进行个性化的术前规划和模拟手术，使手术可行性的术前评估更加准确，术前准备更加充分，手术方案的制定具有个性化，更加客观、合理。

但是目前3D打印过于缓慢，小尺寸尚且需要几个小时，若按原尺寸打印人体大器官需要数天时间，会延误患者治疗。制作的模型颜色单一，涂上颜色的工序较为繁琐耗时。模型质地较硬，不能做到像人体组织那样柔软，故而无法像在人体组织上一样进行模拟手术操作。大尺寸打印需要昂贵的大型打印机，透明的打印材料也比较昂贵，一般医院难以承受，也变相增加了患者的负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置解决现有技术中存在的平面实体模型成型时间久、繁琐耗时，或仅仅通过二维图片难以判断组织空间结构，病人等非专业人士面对这样的断层图片更加难以理解等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，包括以下步骤，

步骤一、读取N幅具有相同的缩放比例的断层扫描图像，断层扫描图像包括目标和非目标部分；对于制作的三维实体模型中非目标部分要求完全透明，进行步骤二；对于制作的三维实体模型中非目标部分不要求完全透明，则跳过步骤二进行步骤三；

步骤二、使用图像处理软件处理步骤一的各断层扫描图像，将非目标部分去除，使目标单独清楚显示，实现步骤四中打印的断层打印图片间隔排列后非目标部分不阻碍目标的视觉观察，得到处理后的各个断层扫描图像；

步骤三、打印出步骤二处理后的各个断层扫描图像，分别得到各个断层打印图片；

步骤四，将步骤三打印后的各断层打印图片依顺序间隔排列并固定后，得到三维实体模型。

进一步地，步骤一中，对各断层扫描图像使用图像处理软件添加指示排列顺序的图像序号，并对各断层扫描图像使用图像处理软件添加对齐标记，即在各断层扫描图像的对应位置附加标记，作为按顺序排列时的对齐标志。

进一步地，步骤二中，对有多个目标的断层扫描图像，将断层扫描图像拷贝后分别使用图像处理软件进行调整后，再相互叠加，同时显示多个目标。

进一步地，步骤二中，断层扫描图像的目标包括主目标和位置参考目标，使用图像处理软件对断层扫描图像处理后，主目标和位置参考目标设于同一处理后的断层扫描图像中，或主目标和位置参考目标依次交替设于相邻的两个处理后的断层扫描图像中。

进一步地，步骤三中，打印材料采用透明材料或非透明材料，具体为：对于制作的三维实体模型中非目标部分要求完全透明，则使用透明材料打印；对于制作的三维实体模型中非目标部分不要求完全透明，则使用非透明材料打印；透明材料采用软质透明材料或硬质透明材料。

进一步地，需要操作模拟需要时，使用密集针板对各断层打印图片进行穿孔。

进一步地，步骤四中，断层打印图片的间隔距离与断层扫描时的两层图像之间的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放。

一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，包括底板、灯箱和排列定位组件，灯箱设有底板上，排列定位组件设于灯箱上，排列定位组件包括若干第一隔板和若干第一支撑辊，第一支撑辊环列设于灯箱上，第一隔板分别设有定位孔一，第一支撑辊依次穿过各第一隔板的定位孔一，定位孔一的形状与第一支撑辊的形状相对应。

进一步地，排列定位组件还包括用于穿过断层打印图片对齐排列的长针，长针环列设于灯箱上且设于第一支撑辊的内侧。

进一步地，排列定位组件还包括若干第二支撑辊和第二隔板，第二支撑辊设于第一支撑辊的外侧，第二支撑辊穿过若干第二隔板，第二隔板分别设有定位孔二，第二隔板与第一隔板间隔设置，第二隔板与相邻两侧的第一隔板形成卡位槽。

本发明的有益效果是：该种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法及装置，能够实现二维图像进行三维排列，可将非目标部分去除，形成立体透视效果。图像处理速度快、图像无失真，实体模型构建方便、成本低廉，立体透视效果好、实体模型方便观察，可模拟操作。

附图说明

图1是本发明实施例基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法的流程示意图；

图2是实施例一中处理前断层扫描图像的示意图；

图3是实施例一中处理后断层扫描图像的示意图；

图4是实施例一中存在主目标和位置参考目标时处理前断层扫描图像的示意图；

图5是实施例一中存在主目标和位置参考目标时处理后断层扫描图像的示意图；

图6是实施例一基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置的结构示意图；

图7是实施例二基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置的结构示意图；

图8是实施例二中第一隔板与长针、第一支撑辊的结构示意图；

图9是实施例三基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置的结构示意图；

图10是实施例三中第一隔板与第二隔板、第一支撑辊、第二支撑辊的结构示意图；

图11是实施例三增加模拟箱后的结构示意图；

其中：1-底板，2-灯箱，3-第一隔板，4-第一支撑辊，5-长针，6-第二隔板，7-第二支撑辊，8-长度标记尺，9-模拟箱。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，包括以下步骤，

步骤一、读取N幅具有相同的缩放比例的单视图系列断层扫描图像。

常规连续断层扫描中，所有图像基本都在同一水平面，有相同的缩放比例。以水平面为X轴，垂直面为Y轴。使用图像处理软件如Adobe Photoshop去掉各幅断层扫描图像中的背景文字，加上图像序号，在图像的边角相同坐标处留下相同大小的标记，作为按顺序排列时的对齐标志。

如果制作的模型并不要求非目标部分完全透明，比如用于模拟手术操作。实际手术中人体组织是不透明的，医生只能看到被切开暴露的那部分目标，可以跳过步骤二，直接进入步骤三进行打印。

步骤二、使用图像处理软件对步骤一的各断层扫描图像，去除非目标部分，使目标单独清楚显示，即实现步骤四中打印的断层打印图片间隔排列后非目标部分不阻碍目标的视觉观察，得到处理后的各个断层扫描图像；

使用图像处理软件如Adobe Photoshop的批处理功能和色阶调整功能处理断层扫描图像的具体步骤如下：

1)、先打开Photoshop，选中“窗口→动作”命令，打开动作命令窗口。执行“文件→打开”动作，打开需要处理的任意一张图片。单击动作命令栏“创建新动作”快捷命令图标，此时就会在“默认动作”的序列下创建新动作，出现的命令对话框，在“名称”栏中输入“我的动作”，然后单击[记录]按钮结束。

2)、对图片反相处理，使黑色变成白色，白色变成黑色，使原图片变成背景为白色的图片。如果目标在原始图中是白色，反相后变成黑色。如果目标在原始图中是黑色，对目标进行描边处理，使其拥有白色的边，反相后变成黑色的边。

3)、调节色阶，将高光部分变得更亮，或将中间灰场调至更亮，直至灰色部分变成白色。或将阴影部分变得更暗，直至目标与周围形成明显区别。将目标部分变成深色，将非目标部分变成白色后，用普通打印机打印非目标部分时打印机不喷墨，此时的白色相当于无色透明。也可以进一步用Photoshop中的“魔棒”功能将包括背景的非目标部分全部从图片中抠出，达到完全无色透明。非目标部分越白或抠出的越干净，在打印时越不容易着色，在透明材料打印出的图片中透明度越好，做成实体模型后对目标的遮挡越少，方便观察。

4)、单击动作命令栏下方的“停止”按钮停止记录。这时动作命令制作完毕。

5)、把所有待处理的图片放到一个文件夹里，在该文件夹中放置处理过的图片。执行“文件→自动→批处理”打开批处理命令框。接着设置各个参数和选项。计算机就会开始一张一张地打开处理和保存那些被选中的图片，直到任务结束。

6)、检查处理后的图片，删除非主目标及非参考目标的部分，根据需要调整目标颜色。

对有主目标和参考目标的断层扫描图像，可以同时处理，也可以将断层扫描图像拷贝后分别使用图像处理软件单独处理，在软件中再按原先相对位置相互叠加成可显示多个目标的图片，或分别单独打印有主目标和参考目标的断层扫描图像，再叠加粘合成一张图片。

有主目标和参考目标的断层扫描图像进行同时处理效果如图4和图5，图4是存在主目标和位置参考目标时处理前断层扫描图像的示意图；图5是存在主目标和位置参考目标时处理后断层扫描图像的示意图。

步骤三、打印出步骤二处理后的各个断层扫描图像，分别得到各个断层打印图片。断层打印图片中主目标与参考目标可以使用不同颜色标示。以观察为目的的模型，优选透明材料打印。如果制作的模型并不要求非目标部分完全透明，比如用于模拟手术操作。实际手术中人体组织是不透明的，医生只能看到被切开暴露的那部分目标，可以选用非透明材料打印。

用透明材料打印各个断层扫描图像。软质透明材料比如透明胶片、硫酸纸可以用办公室常规打印机打印。硬质材料或如透明亚克力板，较厚的材料如PVC、透明塑料等材料需要使用平板打印机。

步骤四，将步骤三打印后的各断层打印图片依顺序间隔排列并固定后，得到三维实体模型。

按图像上的对齐标志将打印好的材料依顺序排列。相邻2张图片之间用相同厚度的隔板隔开一定间距，隔板厚度与断层扫描时的两层图像之间的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放。

实施例方法，将系列二维图像进行三维排列，将非目标部分透明化，形成立体透视效果。其图像处理速度快、图像无失真，用图片排列成实体模型构建方便、成本低廉、立体透视效果好，实体模型方便观察和动手操作。

实施例中，使用常用的图像处理软件，可批量处理同一系列图片，简单有效，便于开发与推广，而且无需特殊设备和软件，在任何电脑上都可以处理。图片打印速度远快于3d打印速度，适合大模型整体打印，整体重量轻。

实施例方法，应用范围广，可应用于医学上核磁共振、CT等断层扫描图像结果的处理。被虚化后的周围结构仍可以显示与目标之间的空间关系。软质的打印材料容易被手术器械撕裂，硬质的材料经密集针板穿孔后也容易象邮票一样被手术器械沿着需要的方向撕开，可以较真实地模拟手术操作。虽然相邻两张图片排列之间缺失部分，在与图片接近平行的角度无法观察到立体图像。但在实际情况中，观察者一般从局限的角度去观察就可以形成立体感。如需手术模拟，实际手术入路也是从局限的角度进入。所以只要从对操作者合适的角度去获取连续断层图像，再进行实体模型制作，就可以较大程度的满足操作者的需求。如有特殊需求，还可以用3D补充块填补缺失处，形成完整的3D模型。

一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，包括底板1、灯箱2和排列定位组件，灯箱2设于底板1上，排列定位组件设于灯箱2上，排列定位组件包括若干第一隔板3和若干第一支撑辊4，第一支撑辊4环列设于灯箱2上，第一隔板3分别设有定位孔一，第一支撑辊4依次穿过各第一隔板3的定位孔一，定位孔一的形状与第一支撑辊4的形状相对应。定位孔一采用圆形、椭圆形、方形、十字形、工字形等。

该种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，能够实现将硬质透明材料打印的断层打印图片或加框的软质透明材料打印的断层打印图片，进行间隔排列固定。具体为，选择合适的隔板系列，使一个第一隔板3厚度加上一张打印图片的厚度之和与断层扫描时的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放。通过将各断层打印图片放置在各个第一隔板3间，相邻的第一隔板3与第一支撑辊4共同形成用于固定断层打印图片的凹槽，由第一支撑辊4穿过各个第一隔板3的定位孔一进行固定后，即排列得到三维实体模型。

该种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，能够实现将系列二维图像进行三维排列，形成三维实体模型。该装置构建方便、成本低廉、立体透视效果好，实体模型方便观察和动手操作。底板1还可以设置长度标记尺8，便于通过长度标记尺8对各个第一隔板3进行定位。

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，实施例二与实施例一的不同之处在于：排列定位组件还包括用于穿过断层打印图片对齐排列的长针5，长针5环列设于灯箱2上且设于第一支撑辊4的内侧。

使用该装置排列得到三维实体模型，具体为：如图7，从灯箱2的四角处针孔插入四根长针5，倒置设备使针尖向上。将软质材料打印的图片第一张穿入四根针，注意使针尖穿过对齐标志点。选择合适的隔板系列，使一个第一隔板3厚度加上一张打印图片的厚度之和与断层扫描时的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放。第一隔板3采用L型隔板，将四个L型隔板从第一支撑棍4上分别穿入，将L型隔板的底边搭在长针5上。再用上述方法以此穿入第2张图片，再穿入四个L型隔板。直至穿完所有的图片。将所有图片和L型隔板沿着第一支撑棍4长轴方向压实，即排列得到三维实体模型。

实施例三

实施例三与实施例一基本相同，实施例三与实施例一的不同之处在于：排列定位组件还包括若干第二支撑辊7和第二隔板6，第二支撑辊7设于第一支撑辊4的外侧，第二支撑辊7穿过若干第二隔板6，第二隔板6分别设有定位孔二，第二隔板6与第一隔板3间隔设置，第二隔板6与相邻两侧的第一隔板3形成卡位槽。

使用该装置排列得到三维实体模型，具体为：如图9，选择合适的第一隔板3与第二隔板6，分别从对应的第一支撑棍4和第二支撑棍7上分别穿入，转动第二隔板6即小隔板间隔插入第一隔板3即大隔板之间，使相邻的大隔板之间拥有一定的间隙，其间隙为小隔板厚度，等于或略大于打印图片材料的厚度，并使间隙能方便插入并夹住打印好的图片。一个大隔板厚度加上一个小隔板厚度与断层扫描时的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放，将所有图片和隔板沿着隔板支撑棍长轴方向压实，从该间隙中依次插入打印好的图片，使对齐标志对齐，则做好与实际尺寸相同成比例缩放的3D模型。

实施例一、二、三的装置中，灯箱2包括前透光罩和后背板，前透光罩和后背板间设有背景灯，背景灯固定在后背板上。实施例一、二、三中装置，可以通过在相邻两张图片之间设置薄层3D补充块，因同一器官在微小的间距内形变较小，可忽略不计，以序号靠前图片上的目标轮廓，在与隔板厚度相同的板材上切割出对应形状，作为3d补充块插入相邻两张图片之间。

实施例一、二、三中装置，还可以通过在灯箱2配备多角度背景灯，便于从多个方向观察。还可以通过在相邻的第一隔板3间配备薄背景灯板，薄背景灯板插入任意两张图片之间便于增强局部亮度，显示局部细节。还可以通过在灯箱2配备紫外线或红外线灯，显示胶片上吸收紫外线或红外线后发光的隐形颜料所打印的图像。

实施例一、二、三中装置，可以通过设置模拟箱9用于模拟手术，将底板1、灯箱2和排列定位组件设于模拟箱9内，将用透明材料打印的断层打印图片由排列定位组件固定，按实际手术需要在模型箱顶面开孔，将手术器械从开孔处放入箱子中，即可模拟手术。

本发明不限于医学，在其他使用断层扫描的工作中也可以使用。

Claims (10)

1.一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一、读取N幅具有相同的缩放比例的断层扫描图像，断层扫描图像包括目标和非目标部分；对于制作的三维实体模型中非目标部分要求完全透明，进行步骤二；对于制作的三维实体模型中非目标部分不要求完全透明，则跳过步骤二进行步骤三；

步骤二、使用图像处理软件处理步骤一的各断层扫描图像，将非目标部分去除，使目标单独清楚显示，实现步骤四中打印的断层打印图片间隔排列后非目标部分不阻碍目标的视觉观察，得到处理后的各个断层扫描图像；

步骤三、打印出步骤二处理后的各个断层扫描图像，分别得到各个断层打印图片；

步骤四，将步骤三打印后的各断层打印图片依顺序间隔排列并固定后，得到三维实体模型。

2.如权利要求1所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：步骤一中，对各断层扫描图像使用图像处理软件添加指示排列顺序的图像序号，并对各断层扫描图像使用图像处理软件添加对齐标记，即在各断层扫描图像的对应位置附加标记，作为按顺序排列时的对齐标志。

3.如权利要求1所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：步骤二中，对有多个目标的断层扫描图像，将断层扫描图像拷贝后分别使用图像处理软件进行调整后，再相互叠加，同时显示多个目标。

4.如权利要求1所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：步骤二中，断层扫描图像的目标包括主目标和位置参考目标，使用图像处理软件对断层扫描图像处理后，主目标和位置参考目标设于同一处理后的断层扫描图像中，或主目标和位置参考目标依次交替设于相邻的两个处理后的断层扫描图像中。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：步骤三中，打印材料采用透明材料或非透明材料，具体为：对于制作的三维实体模型中非目标部分要求完全透明，则使用透明材料打印；对于制作的三维实体模型中非目标部分不要求完全透明，则使用非透明材料打印；透明材料采用软质透明材料或硬质透明材料。

6.如权利要求5所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：需要操作模拟需要时，使用密集针板对各断层打印图片进行穿孔。

7.如权利要求1-4任一项所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建方法，其特征在于：步骤四中，断层打印图片的间隔距离与断层扫描时的两层图像之间的实际间隔相同或与打印尺寸成比例缩放。

8.一种基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，其特征在于：包括底板、灯箱和排列定位组件，灯箱设有底板上，排列定位组件设于灯箱上，排列定位组件包括若干第一隔板和若干第一支撑辊，第一支撑辊环列设于灯箱上，第一隔板分别设有定位孔一，第一支撑辊依次穿过各第一隔板的定位孔一，定位孔一的形状与第一支撑辊的形状相对应。

9.如权利要求8所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，其特征在于：排列定位组件还包括用于穿过断层打印图片对齐排列的长针，长针环列设于灯箱上且设于第一支撑辊的内侧。

10.如权利要求8所述的基于多幅断层扫描图像的三维实体模型构建装置，其特征在于：排列定位组件还包括若干第二支撑辊和第二隔板，第二支撑辊设于第一支撑辊的外侧，第二支撑辊穿过若干第二隔板，第二隔板分别设有定位孔二，第二隔板与第一隔板间隔设置，第二隔板与相邻两侧的第一隔板形成卡位槽。