CN108364347B - 一种膜迷路模型制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜迷路模型制作方法，采用临床MRI取若干个正常人内耳的源数据，依次通过3D Slicer、Meshlab、netfab软件对源数据进行处理形成若干对内耳眼球骨迷路模型，通过选取一个内耳眼球骨迷路模型作为参考模型进行配准导出内耳眼球骨迷路的统计形状模型，将源数据手动分割出膜迷路模型，将膜迷路模型与内耳眼球骨迷路的统计形状模型进行校准，再通过3D打印技术打印模型，使得模型更加精准，并确定其空间方向，应用于教学演示模型或者耳石症治疗辅助。

Description

一种膜迷路模型制作方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，更具体的说是涉及一种膜迷路模型制作方法。

背景技术

内耳位于颞骨深部，结构精细复杂，又称为迷路，包括骨迷路以及其内部的膜迷路。构成膜迷路的主要部分是椭圆囊、球囊、膜半规管和耳蜗。膜迷路中充满内淋巴，其外面的骨迷路和外淋巴起着保护作用。椭圆囊和球囊位于骨迷路前庭腔内，它们的前面为耳蜗，后面为三条半规管。两囊之间有短管相通，半规管与耳蜗又分别与两囊相连通，所以膜迷路各部分之间的内淋巴是相通的。膜半规管一端膨大为膜壶腹，一侧粘膜增厚突入管腔内形成的嵴状隆起，称壶腹嵴，其粘膜上皮细胞有两种，一是支持细胞，呈高柱状，从基膜开始直达游离面；另一种是毛细胞，呈短柱状，夹于支持细胞之间，细胞顶部有许多静纤毛和一根较长的动纤毛。壶腹帽盖在壶腹嵴上，其基底部与壶腹嵴上皮之间有一宽约2～10um的小腔隙，称为壶腹帽下间隙，感觉细胞的毛穿过其间。由于壶腹帽的比重与内淋巴相似，故壶腹帽浮在毛细胞表面。壶腹嵴能感受头部旋转运动，当内淋巴沿管流动时，可冲动壶腹帽使之向一侧摆动，同时毛细胞的纤毛向一侧倾倒，产生神经冲动，由前庭神经传入脑中枢。外半规管内淋巴液向壶腹运动产生兴奋冲动，上、后两半规管内淋巴液离壶腹运动产生兴奋冲动。椭圆和球囊内有耳石器(又称囊斑)，也是位觉感受器，能感受头部直线变速运动的刺激。

正常情况下耳石是附着于耳石膜上的，当一些致病因素导致耳石脱落移位到膜半规管内或者黏附于壶腹嵴上，会导致耳石症，又称良性阵发性位置性眩晕，表现为头位改变时耳石在重力作用下在膜半规管内淋巴液内移动或者牵拉刺激壶腹嵴，出现短暂一过性眩晕发作，是临床上最为常见的眩晕病。

膜半规管以及壶腹嵴空间方向知识对耳石症的发病机制的研究以及诊断试验和复位手法的研究，都至关重要。尽管如此，研究膜半规管的空间方向的文献不多，对于壶腹嵴空间方向的研究更少。测量膜半规管和壶腹嵴空间方向，不仅需要分割获取膜半规管和壶腹嵴结构，还需要建立立体空间参考平面系统。尸体颞骨切片和核磁共振显微成像技术及微CT可以显示膜半规管和壶腹嵴结构，但通常不具备空间方位信息。对膜迷路的研究大多局限于形态学研究，关于壶腹嵴空间方向的认识存在争议。

对壶腹嵴空间方向的研究数据很少，其最大的原因是组织切片图像通常缺乏空间信息，虽然近年影像检查技术取得进展，但临床MRI检查无法显示壶腹嵴结构所以缺乏活体壶腹嵴数据，而尸体的壶腹帽会皱缩变形，且核磁共振显微技术和显微CT也只检查一侧颞骨，同样存在缺乏空间信息的问题。有报道使用颞骨染色后进行显微CT扫描的方法分割获取膜迷路结构，对壶腹嵴的显示较好，还能显示壶腹帽下间隙，壶腹帽也有皱缩，但有些壶腹帽显示完整。

在耳石症的研究中，需要立体空间参考平面系的内耳模型来观察演示不同头位耳石或者壶腹嵴在重力方向上的影响。文献报道通常使用某个体的内耳模型基于文献测量的空间方向数据来调整建立，而空间方向存在各向异性，很难保证三维空间内耳模型的准确性和代表性。也有报道分割获取单侧骨迷路和膜迷路，通过和其他个体分割获取的骨迷路模型进行校准，来确定膜迷路空间方向。但是存在的问题除了参照模型的代表性缺乏客观证据以外，由于形状的差异，相互校准也比较难吻合，会带来测量误差。

现有模型都是通过制作骨迷路或骨半规管模型来作为耳石症复位法治疗的辅助器具，治疗辅助器具在使用过程中能够在体位转动中指引耳石转动复位，但其迷路模型的空间方向的确立缺乏具体说明。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种膜迷路模型制作方法，通过制作平均模型作为标准模型，使得模型更加精准，并确定其空间方向，应用于教学演示模型或者耳石症治疗辅助。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种膜迷路模型制作方法，其步骤包括如下：

步骤1、采用临床影像数据采集装置对无眩晕症正常人内耳进行扫描，采取若干个正常人内耳的源数据，并筛选不合格的源数据；

步骤2、将若干个源数据导入3D Slicer软件，使用3D Slicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成内耳眼球骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对内耳眼球骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

步骤3、选择其中一个内耳眼球骨迷路模型作为第一参考模型，然后将其他内耳眼球骨迷路模型和第一参考模型进行配准，并根据第一参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行进一步点对点的配准，最终可以根据配准的模型来建立内耳眼球骨迷路的统计形状模型；

步骤4、建立标准立体空间坐标系

3D Slicer Transform模块进行坐标平移和旋转，使得水平面经过标准模型双侧半规管总脚分叉点和眼球下缘，双侧半规管关于矢状面对称；

步骤5、膜迷路校准

将步骤2中的源数据手动分割出膜迷路模型，将膜迷路模型与内耳眼球骨迷路的统计形状模型进行校准，使得膜迷路模型获得三维空间方向信息；

步骤6、在膜迷路模型的椭圆囊处建立起空间方位标识作用的底座模型，并在连接处设置有开口；

步骤7、将膜迷路模型生成适合3D打印机系统的3D打印模型，将3D打印模型导入3D打印机的控制系统，控制系统开启打印机进行打印作业，空心打印膜迷路模型；

步骤8、通过椭圆囊开口往膜迷路模型内部灌溉液体和放置耳石模型，最后形成完整的膜迷路实体模型。

作为本发明的进一步改进，根据内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为第二参考模型，重复以上过程直至最后生成的过程模型稳定无明显变化后，将最后的内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为内耳眼球骨迷路的标准模型。

作为本发明的进一步改进，步骤1中的临床影像数据采集装置采用CT颞骨扫描或者MRT。

作为本发明的进一步改进，步骤2中使用3D Slicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成双侧内耳骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对双侧内耳骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

再在步骤3中选择其中一个双侧内耳骨迷路模型作为第二参考模型，然后将其他双侧内耳骨迷路模型和第二参考模型进行配准，并根据第二参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行进一步点对点的配准，最终可以根据配准的模型来建立双侧内耳骨迷路模型的统计形状模型，然后和内耳眼球骨迷路的标准模型校准来确立空间方向。

作为本发明的进一步改进，步骤5中，在分割膜迷路模型时，对壶腹帽模型进行分割，其壶腹帽呈悬链面结构，还包括正中央切面，可以代表壶腹帽和壶腹嵴空间方向。使用openscad软件对膜迷路模型进行处理，在壶腹帽两侧面和正中央切面处进行切割，可以使得3D打印膜迷路模型包括壶腹帽结构，把壶腹帽分成两个部分。

作为本发明的进一步改进，步骤6中的底座呈等腰直角三棱柱，该底座的直角顶点与膜迷路模型的椭圆囊处连接，底座的斜边所在的侧面与矢状位对齐并且底座的底面和水平面平行，斜边所在的侧面有凹槽作为连接，内有通道连接直角顶点并开口于椭圆囊内。

本发明的有益效果为：通过本发明的步骤1至步骤4所公开的方法可以建立一个带标准空间方向的内耳平均模型，以半规管总脚分叉顶端和眼球底部平面作为参考确立立体空间坐标系，使得内耳平均模型在形状和空间方向上高度模拟人体内的膜半规管形状，其可以用于BPPV的研究，通过步骤5至步骤8所公开的方法来3D打印膜迷路实体模型，实现将虚拟的3维模型形成实体，在高度还原形状的同时设置参考物来确定方向，在使用时可以单独在手上演示观察，也可以通过安装在佩戴装置上佩戴在头上随着头部运动而进行演示。利用内耳统计形状模型可以基于现有知识的进行内耳的自动化分割，实现基于患者的内耳影像扫描数据实时分割内耳并三维重建来指导BPPV个体化复位治疗，使得对复位治疗起到准确的指导作用，在应用中能够更加准确的模拟人体耳石症中耳石在膜半规管内的运动轨迹。

附图说明

图1为本发明方法所制备的膜迷路模型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

本实施例公开的一种膜迷路模型制作方法，其步骤包括如下：

步骤1、

1.13D实体的采样：无眩晕症正常人内耳。

入选标准：内耳显示清晰，没有伪影。

排除标准：1.存在局部病变可能影响半规管解剖结构；2.存在头颅结构异常。采用临床MRI或者CT对无眩晕症正常人内耳进行扫描，采取若干个正常人内耳的源数据，采用至少40个源数据；

对源数据分类，其分类标准根据不同的性别、年龄、人种进行分类，其根据年龄分为未成年组和青年组。

1.2扫描方法：采用超导型磁共振系统，标准头线圈，应用三维稳态构成干预序列(3D constructive interference insteady state，3D-CISS)进行内耳检查；MRI扫描参数可以选择为：TR：6.0ms，TE：2.7ms，FOV：135X180，matrix：256X192，层厚0.7mm。

步骤2、将若干个源数据导入3D Slicer软件，使用3D Slicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成内耳眼球骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对内耳眼球骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

2.1模型分割方法：内耳眼球骨迷路模型需要获取内耳表面模型，要将内耳结构从影像资料中分割出来，分割过程使用3D Slicer软件。首先，使用0tsu法分割获取二值图像；然后进行手动处理，包括必要时擦除耳蜗和周边粘连；最后，调用Fditor模块ChangeIsIandEffect功能改变内耳标识颜色以及MakeModelEffect功能根据内耳Label颜色建模获取内耳3D模型，其优点是耳蜗部分分割完整且较少有周围组织粘连；分割效果不满意，选择Segment Editor模块Scissors功能选择合适阈值对半规管部分进行精细化处理。

2.2模型清理：使用MeshLab软件对模型进行清理去除不必要的网格结构，使用netfabb软件进行模型水密性检查和修复。

步骤3、建立内耳眼球3D形状平均模型；

选择其中一个内耳眼球骨迷路模型作为第一参考模型，然后将其他内耳眼球骨迷路模型和第一参考模型进行配准，并根据第一参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行进一步点对点的配准，最终可以根据配准的模型来建立内耳眼球骨迷路的统计形状模型。

为消除初始选择参考模型所产生的选择偏移，根据内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为第二参考模型，重复以上过程直至最后生成的过程模型稳定无明显变化后，将最后的内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为内耳眼球骨迷路的标准模型。

为判断以上方法是否能够消除选择偏移，分别选择后半规管夹角最大值，最小值和平均值的模型作为初始参考模型，比较分析生成的内耳眼球骨迷路的标准模型。

初步配准是必要的，否则后继点对点的配准过程会报错。为判断初始不同配准方法的影响，分别选择刚体变换(RigidBody)和相似变换(Similarity)进行配准，并比较分析生成的内耳眼球3D形状平均模型。

初步校准过程可以使用3D Slicer的Surface Registration模块，校准类型为Surface Registration，校准方式包括刚体变换(RigidBody)，仿射变换(Affine)，相似变换(Similarity)，优选选用刚体变换或者相似变换。点对点的校准使用statismo软件的statismo-fit-surface命令，可以将其他模型与参考模型之进行点对点的校准并生成校准模型。

作为进一步的实施方式，使用3D Slicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成双侧内耳骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对双侧内耳骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

再在步骤3中选择其中一个双侧内耳骨迷路模型作为第二参考模型，然后将其他双侧内耳骨迷路模型和第二参考模型进行配准，并根据第二参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行进一步点对点的配准，最终可以根据配准的模型来建立双侧内耳骨迷路模型的统计形状模型，然后和内耳眼球骨迷路的标准模型校准来确立空间方向。

步骤4、建立标准立体空间坐标系

3D Slicer Transform模块进行坐标平移和旋转，使得水平面经过标准模型双侧半规管总脚分叉点和眼球下缘，双侧半规管关于矢状面对称。

步骤5、膜迷路的构建与校准

通过解剖尸体，将颞骨染色，采用显微CT扫描数据分割获取的膜迷路模型源数据，其包括壶腹帽模型；

尸体颞骨采用磷钨酸染色，采用Skyscan 1173micro-CT扫描，电压130kV，电流61μA，空间分辨率13.57μm，通过手动分割获得膜迷路模型。将膜迷路模型与内耳眼球骨迷路的统计形状模型进行校准，使得膜迷路模型获得三维空间方向信息。

步骤6、在膜迷路模型的椭圆囊处建立起空间方位标识作用的底座模型，并在连接处设置有开口。在空间位置确定后的膜迷路模型上建立底座模型，其底座模型能够起到方位标识作用，通过3D打印制得带底座的膜迷路模型，该底座优选呈等腰直角三棱柱，该底座的直角顶点与膜迷路模型的椭圆囊处连接，底座的斜边所在的侧面与矢状位对齐并且底座的底面和水平面平行，斜边所在的侧面有凹槽作为连接，内有通道连接直角顶点并开口于椭圆囊内。

步骤7、将膜迷路模型生成适合3D打印机系统的3D打印模型，将3D打印模型导入3D打印机的控制系统，控制系统开启打印机进行打印作业，空心打印膜迷路模型；

步骤8、通过椭圆囊开口往膜迷路模型内部灌溉液体和放置耳石模型，最后形成完整的膜迷路实体模型。

作为进一步的具体实施方式，在分割模型时对壶腹帽模型进行分割，其壶腹帽呈悬链面结构，还包括正中央切面，可以代表壶腹帽和壶腹嵴空间方向，使用openscad软件对膜迷路模型进行处理，在壶腹帽两侧面和正中央切面处进行切割，可以使得3D打印膜迷路模型包括壶腹帽结构，把壶腹帽分成两个部分，其分割间隙较小，在3D打印膜迷路模型时分割间隙处黏连打印。

膜迷路位于骨迷路的内部，其分割较为困难，且一侧膜迷路难以确立空间方向。通过以上建模方法，首先是建立了稳定可靠的统计形状模型建模方法，其次是建立了构造双侧内耳模型来建立统计形状模型的方法，还有是建立了半规管眼球来确立空间坐标系的方法。通过模型校准的方法，可以建立膜迷路空间方向。通过模型构建和3D打印方法设置，可以打印带空间方向表示的膜迷路模型并作为耳石症演示模型。在应用中能够更加准确的模拟人体耳石症中耳石在膜半规管内的运动轨迹，在使用时可以单独在手上演示观察，也可以通过安装在佩戴装置上佩戴在头上随着头部运动而进行演示。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种膜迷路模型制作方法，其步骤包括如下：

步骤1、采用临床影像数据采集装置对无眩晕症正常人内耳进行扫描，采取若干个正常人内耳的源数据，并筛选不合格的源数据；

步骤2、将若干个源数据导入3D Slicer软件，使用3D Slicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成内耳眼球骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对内耳眼球骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

步骤3、选择其中一个内耳眼球骨迷路模型作为第一参考模型，然后将其他内耳眼球骨迷路模型和第一参考模型进行配准，并根据第一参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行点对点的配准，最终根据配准的模型来建立内耳眼球骨迷路的统计形状模型；

步骤4、3D Slicer Transform模块进行坐标平移和旋转，使得水平面经过标准模型双侧半规管总脚分叉点和眼球下缘，双侧半规管关于矢状面对称；

步骤5、将步骤2中的源数据手动分割出膜迷路模型，将膜迷路模型与内耳眼球骨迷路的统计形状模型进行校准，使得膜迷路模型获得三维空间方向信息；

步骤6、在膜迷路模型的椭圆囊处建立起空间方位标识作用的底座模型，并在连接处设置有开口；

步骤7、将膜迷路模型生成适合3D打印机系统的3D打印模型，将3D打印模型导入3D打印机的控制系统，控制系统开启打印机进行打印作业，空心打印膜迷路模型；

步骤8、通过椭圆囊开口往膜迷路模型内部灌溉液体和放置耳石模型，最后形成完整的膜迷路实体模型。

2.根据权利要求1所述的一种膜迷路模型制作方法，其特征在于：根据内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为第二参考模型，重复以上过程直至最后生成的过程模型稳定无明显变化后，将最后的内耳眼球骨迷路的统计形状模型作为内耳眼球骨迷路的标准模型。

3.根据权利要求1所述的一种膜迷路模型制作方法，其特征在于：步骤1中的临床影像数据采集装置采用CT颞骨扫描或者MRT。

4.根据权利要求1所述的一种膜迷路模型制作方法，其特征在于：步骤2中使用3DSlicer软件对源数据进行处理，基于阈值分割法半自动分割形成双侧内耳骨迷路模型，使用Meshlab软件的split功能对双侧内耳骨迷路模型进行清理去除多余的三角形网格结构，并使用netfabb软件对内耳眼球骨迷路模型进行水密性检查并修复裂缝或者漏洞；

再在步骤3中选择其中一个双侧内耳骨迷路模型作为第二参考模型，然后将其他双侧内耳骨迷路模型和第二参考模型进行配准，并根据第二参考模型建立高斯过程模型，将配准后的其他模型与之进行点对点的配准，最终根据配准的模型来建立双侧内耳骨迷路模型的统计形状模型，然后和内耳眼球骨迷路的标准模型校准来确立空间方向。

5.根据权利要求1所述的一种膜迷路模型制作方法，其特征在于：步骤5中，在分割膜迷路模型时，对壶腹帽模型进行分割，其壶腹帽呈悬链面结构，还包括正中央切面，代表壶腹帽和壶腹嵴空间方向，使用openscad软件对膜迷路模型进行处理，在壶腹帽两侧面和正中央切面处进行切割，使得3D打印膜迷路模型包括壶腹帽结构，把壶腹帽分成两个部分。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种膜迷路模型制作方法，其特征在于：步骤6中的底座呈等腰直角三棱柱，该底座的直角顶点与膜迷路模型的椭圆囊处连接，底座的斜边所在的侧面用于与矢状位对齐并且底座的底面用于和水平面平行。

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