CN107599412A - 一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型，获取医学数字成像和通信的数据并导入计算机；将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到组织结构三维模型；根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；将最终的三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件后选择3D打印参数后进行3D模型打印。通过本发明的建模过程得到的三维模型更加准确和实用。

Description

一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型

技术领域

本发明涉及三维建模和3D打印技术领域，具体涉及一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法、模型验证方法及三维模型。

背景技术

人体数字化建模是指通过切片、影像、实验测试等多种技术手段获取人体及器官的多尺度、多模态、高精度的数据，以此为依据，建立可描述人体及器官的几何、物理、生理等特征的模型；虚拟手术仿真是在建模基础上对手术关键步骤及其过程进行仿真，对于选择最佳手术途径、减少对临近组织损害、减小手术损伤、提高手术定位精度和手术的成功率等具有十分重要的意义。

由于人体结构的复杂性，各数据获取方式得到的图像在清晰度、对比度和完整性方面存在一定的差异。临床影像图像依据各自的成像原理，对其敏感的组织结构具有较高的清晰度和对比度，而对其敏感度相近似组织结构的清晰度和对比度较差，且其边界信息较弱，许多组织结构无法同时显示一种形式的数据源上。而不同尺度的下获取的人体数据有各自的优势，他们表达了不同的解剖及其功能相关的信息，比如冰冻铣切断层图像CVH(Chinese Visible Human) 中国数字化人体数据集是人体组织结构完整和高精度的彩色图像连续断层数据集，是对组织器官及其毗邻结构真实图像的采集，数据获取和处理都相当困难；临床影像数据 (CT，Computed Tomography/MRI，MagnaticResonance Imaging) 对人体器官层次结构具有较好的表达，而且数据获取速度快、对人体的伤害小，但是对于一些组织和结构难以显示出来或是难以区分其边界；组织学切片对细小的解剖结构，如血管的管壁、细小的神经、等结构在组织层面上具有更清晰的表达能够反应宏观结构下组织的微观形态。因此，需要结合不同数据源、不同采样精度的数据信息，并将这些信息加工处理，融合到一个数字化人体模型中，在确保人体数字模型的完整性和精度的基础上，提供更加丰富的信息，有利于手术规划及决策判断，这也是人体建模的一个重要趋势。

现有技术中临床医生大多基于二维图像诊断(胶片)，凭各自经验想象病灶三维立体结构，对于现在的多种模态的影像数据，CT/MRI只能单独察看分析，不能集成各自优势融合显示，自带软件三维重建功能有限，不能精细化建模、清晰区分病灶和周围重要组织，更不能进行术前的数字化三维设计、仿真、3D打印和手术预演。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型，旨在通过构建精准的组织结构三维模型，有效利用不同尺度下的模型信息为人体模型的虚拟仿真提供更详细的空间、大小及其毗邻组织结构的信息，且通过本发明的建模过程得到的三维模型更加准确和实用。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法包括：

当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；

将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；

根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；

将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；

将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述检测装置包括：CT检测装置和MRI检测装置。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述医学数字成像和通信的数据是采用CT检测装置或者MRI检测装置的方式获得DICOM格式的图像数据。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述三维软件算法包括：阈值分割法和边缘分割法。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印包括以下步骤：

将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，打印参数根据组织结构三维模型形态复杂程度设置相应的层厚、速度和支撑。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述对人体安全可靠的3D打印材料包括树脂、尼龙以及PLA。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述表面处理包括平滑处理和润色处理。

所述的基于组织结构的三维建模方法，其中，所述将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印之后还包括以下步骤：

将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证。

一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统，其中，所述系统包括：

数据获取与导入模块，用于当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；

三维模型生成模块，用于将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；

三维模型优化模块，用于根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；

三维模型校正模块，用于将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；

三维模型打印模块，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。

所述的基于组织结构的三维建模系统，其中，所述三维模型打印模块具体包括：

文件保存单元，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

参数设置单元，用于将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

打印处理单元，用于根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理。

所述的基于组织结构的三维建模系统，其中，所述系统还包括：

三维模型验证模块，用于将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证。

一种三维模型，其中，通过上述用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统进行3D打印制作而成。

本发明提供了一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型，所述方法包括：当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。本发明通过构建精准的组织结构三维模型，有效利用不同尺度下的模型信息为人体模型的虚拟仿真提供更详细的空间、大小及其毗邻组织结构的信息，且通过本发明的建模过程得到的三维模型更加准确和实用。

附图说明

图1是本发明用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法的较佳实施例的流程图。

图2是本发明用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法的较佳实施例中3D打印处理的流程图。

图3是本发明用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统的功能原理结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法的较佳实施例的流程图。如图1所示，一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法，其中，包括以下步骤：

步骤S100，当检测装置依据检测区域（病灶区域）获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机。

本发明实施例中，所述检测装置包括：CT检测装置和MRI检测装置，CT属于X线检查的超声扫描，可进行全身各器官扫描，扫描速度快，CT由于X线球管和探测器是环绕人体某一部位旋转，所以只能做人体横断面的扫描成像；MRI属于核磁共振，是利用磁场和无线电脉冲成像，MRI是把人体放置在一个强大的磁场中，通过射频脉冲激发人体内氢质子，发生核磁共振，然后接受质子发出的核磁共振信号，经过梯度场三个方向的定位，再经过计算机的运算，构成各方位的图像，MRI可做横断、矢状、冠状和任意切面的成像。

本发明的所述医学数字成像和通信的数据是采用CT检测装置或者MRI检测装置的方式获得DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine，即医学数字成像和通信）格式的图像数据。例如当患者发生股骨骨折，先拍CT，然后提取CT检测装置中此患者的DICOM文件，用于后面的构建患者的真实比例骨折模型，本发明的CT扫描条件优先设置为：电压120kV、电流200mA，螺距0.875mm，扫描时间0.75s/周，矩阵512X512，层厚1.0mm，三维重建层厚0.6mm，这样可以避免数据转换重建模型的失真，如果CT采集骨折数据时，参数随意设置或默认设置，如扫描层厚过大及矩阵过小，都会导致图像不清晰、模糊（传统的是洗出X片用于诊断，相对不用构建模型要求会低一些），以至于后期计算机软件构建困难，可导致构建模型精度不高；此外，需要说明的是当需要构建的三维模型要体现血管的时候，血管需要打造影剂，不然不显影难于构建，例如在心脏冠状动脉成像时，要求组织肉眼清晰可见，CT能清晰分辨出来的地方即可还原出来，重建出来的是心腔和血流，肌肉血管等体现不出来，已预先分割了左心房和左心室，要想都分割出来需要造影剂回流到右心房、右心室，达到显影的目的。

步骤S200，将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型。

本发明实施例中，将数据导入计算机后，通过三维软件算法针对局部组织或器官的密度大小来采用阈值分割法、边缘分割法将数据交换的医学图像格式精确构建得到想要提取的三维模型，分析其生理结构及解剖结构。

因为在其构建三维模型的过程中，例如上述的骨折按轻重度可以划分很多等级，严重的粉碎性骨折，很多小骨科可能会游离原有区域，分析解剖结构，可以便于后期模拟复位及现有骨折异常在体内的布局其对生理结构的影响，也便于将此信息反馈给医生。

步骤S300，根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型。

本发明实施例中，所述三维软件算法包括：阈值分割法和边缘分割法；阈值分割法就是把图像所有像素点分为若干类，然后对其图像阈值化，按照灰度级，对像素集合进行一个划分，得到的每个子集，形成一个与现实景物相对应的区域，各个区域内部具有一致的属性，而相邻区域不具有这种一致属性，这样的划分可以通过从灰度级出发选取一个或多个阈值来实现，这个是在区分人体组织，根据采集CT时，人体吸收的射线不同反应在图像上之后用此算法可进行区分分离。边缘分割法是指基于边缘的分割，即通过搜索不同区域之间的边界，来完成图像的分割，其具体做法是：首先利用合适的边缘检测算子提取出待分割场景不同区域的边界，然后对分割边界内的像素进行连通和标注，从而构成分割区域；与阈值分割法类似，边缘分割法更加细化一点，此算法需要采集CT数据时一定要按要求操作，这样分割时精度不会降低。

要区分组织之间的相互关系，则可以对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处精确勾画，然后生成精准的组织结构三维模型。

步骤S400，将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正。

本发明实施例中，将上述精准的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新生成的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正，从而实施进一步完善与优化，当未到达要求时，重新返回步骤S200重新构建组织结构三维模型。所述按位运算就是将其构建的三维模型采用二进制的区位操作，将其逆向执行逻辑反操作，然后做对比。

步骤S500，将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。

本发明实施例中，将上述确认好的组织结构三维模型保存为STL或者STP等文件格式的文件，以用于传输，存储，浏览，检查，修改和加工生产；将所述组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置，打印参数根据三维模型形态复杂程度设置相应的层厚、速度、支撑；根据3D打印参数选择，采用对人体安全可靠的医用材料，如树脂、尼龙、PLA（聚乳酸）等，将三维模型制造成实物工具，并对实物模型进行适当的表面处理（所述表面处理包括平滑处理和润色处理），达到使用的要求。

进一步地，如图2所示，所述将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印包括以下步骤：

S501，将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

S502，将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

S503，根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理。

根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印之后，即3D打印加工完成之后，等待10分钟左右打开3D打印设备安全门，将带有模型的加工底座平台上升，显露出实物模型，然后用铲子将模型与底座分离，将分离的模型放到水中浸泡其去除支撑材料部分，然后先对模型进行与图纸的初步对比，初步确认好之后进行产品打磨/喷砂，喷砂完之后再进行测量尺寸即检测，然后放入烤箱内采用固化灯进行烘烤5-10分钟，然后取出放入清洁台上降温放凉即可；最后将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证，当验证未达到要求时，重新根据组织结构三维模型进行实物模型打印。

本发明还提供一种基于组织结构的三维建模系统，如图3所示，其中，所述系统包括：

数据获取与导入模块10，用于当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；

三维模型生成模块20，用于将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；

三维模型优化模块30，用于根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；

三维模型校正模块40，用于将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；

三维模型打印模块50，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印；具体如上所述。

进一步地，所述的用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统，其中，所述三维模型打印模块50具体包括：

文件保存单元，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

参数设置单元，用于将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

打印处理单元，用于根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理；具体如上所述。

进一步地，所述的用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统，其中，所述系统还包括：

三维模型验证模块，用于将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证；具体如上所述。

另外，本发明还提供一种三维模型，其由上述基于组织结构的三维建模系统制作而成。

本发明能够将组织切片图像、CT、MRI数据集不同尺度下的人体组织结构在同一空间中建模，能够实现不同尺度下模型信息的有效融合，实现构建精准的组织结构模型。

综上所述，本发明公开了一种基于组织结构的三维建模方法、系统及三维模型，所述方法包括：当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。本发明通过构建精准的组织结构三维模型，有效利用不同尺度下的模型信息为人体模型的虚拟仿真提供更详细的空间、大小及其毗邻组织结构的信息，且通过本发明的建模过程得到的三维模型更加准确和实用。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，所述用于3D打印的基于组织结构的三维建模方法包括：

当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；

将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；

根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；

将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；

将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。

2.根据权利要求1所述的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，所述检测装置包括：CT检测装置和MRI检测装置；所述医学数字成像和通信的数据是采用CT检测装置或者MRI检测装置的方式获得DICOM格式的图像数据。

3.根据权利要求1所述的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，所述三维软件算法包括：阈值分割法和边缘分割法。

4.根据权利要求1所述的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，所述将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印包括以下步骤：

将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理。

5.根据权利要求4所述的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，打印参数根据组织结构三维模型形态复杂程度设置相应的层厚、速度和支撑；所述对人体安全可靠的3D打印材料包括树脂、尼龙以及PLA；所述表面处理包括平滑处理和润色处理。

6.根据权利要求4所述的基于组织结构的三维建模方法，其特征在于，所述将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印之后还包括以下步骤：

将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证。

7.一种用于3D打印的基于组织结构的三维建模系统，其特征在于，所述系统包括：

数据获取与导入模块，用于当检测装置依据检测区域获取医学数字成像和通信的数据后，将所述数据导入计算机；

三维模型生成模块，用于将所述数据中的局部组织或器官的密度大小通过三维软件算法构建得到用于分析生理结构和解剖结构的组织结构三维模型；

三维模型优化模块，用于根据组织结构对检测区域采用阈值分割法进行规划，并通过边缘分割法对病灶处进行勾画，生成优化后的组织结构三维模型；

三维模型校正模块，用于将优化后的组织结构三维模型进行按位运算得出新的轮廓数据，对新的轮廓数据与原有的断层数据边缘进行逐层重叠比对校正；

三维模型打印模块，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，并根据所述文件选择3D打印参数后进行3D模型打印。

8.根据权利要求7所述的基于组织结构的三维建模系统，其特征在于，所述三维模型打印模块具体包括：

文件保存单元，用于将优化后的组织结构三维模型保存为STL或者STP文件格式的文件，用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产；

参数设置单元，用于将优化后的组织结构三维模型导入到3D打印预备软件中进行代码生成及打印参数设置；

打印处理单元，用于根据3D打印参数的选择，采用对人体安全可靠的3D打印材料将组织结构三维模型制造成实物模型，并对实物模型进行表面处理。

9.根据权利要求7所述的基于组织结构的三维建模系统，其特征在于，所述系统还包括：

三维模型验证模块，用于将3D打印的三维模型进行物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，得到的三维图形在计算机里与构建的原型进行重合与测量比验证。

10.一种三维模型，其特征在于，通过权利要求7-9任一项所述的基于组织结构的三维建模系统制作而成。