CN109925614A - 基于3d打印的放疗头枕、放疗头枕制造方法及制造装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印的放疗头枕、放疗头枕制造方法及制造装置，所述头枕上侧面设有形状与由患者头部CT图像建模得到的3D模型相匹配的凹槽，所述制造方法包括：1、获取患者头部的多层CT图像；2、提取患者头部的外轮廓数据，用标准化头枕的外轮廓数据减去患者头部的外轮廓数据，得到各层的头枕外轮廓数据；3、对各层的头枕外轮廓数据进行平滑处理和数据插值；4、对各层之间的头枕插值数据点进行对齐和连接，得到头枕外轮廓的3D模型数据；5、将头枕的3D模型数据以标准格式文件输出；6、在3D打印装置中打印出个性化的放疗头枕。该方法及装置可以制造出个性化的放疗头枕，更严密地贴合患者头部，提高对患者头部定位的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械与3D打印技术领域，具体涉及一种基于3D打印的放疗头枕、放疗头枕制造方法及制造装置。
背景技术
放射治疗是治疗恶性肿瘤的三种主要治疗手段之一，大约60%~70%的肿瘤病人需要接受放射治疗。放射治疗的目的在于提高放射治疗的增益比，即最大限度的将射线剂量集中至肿瘤内，并使周围正常组织少受或免受不必要的照射。头颈部肿瘤，特别是鼻咽癌是中国南方高发头颈部肿瘤，放射治疗是当前鼻咽癌主要的治疗手段。鼻咽癌因以下特点最适合进行调强放射治疗（intensity modulated radiation therapy, IMRT）的肿瘤之一。鼻咽癌周围紧邻重要的正常的组织多，器官运动少，体位固定和重复性较好。目前治疗都是实现三精治疗：精确勾画，精确设计，精确摆位。精确勾画与精确设计在计算机辅助设计充分引入放射治疗后有飞速的发展，其精度可以达到毫米级。但是精确摆位与技师和患者及多种因素相关，还无法跟上精确勾画和精确设计的脚步。
调强计划实施中精确摆位是最终是否实现三精治疗的最重要的一步。目前大部分的治疗中心主要还是在治疗时采用标准化的头枕，在治疗前虽然有采取一些拍摄影像片，如EPID或CBCT图像来确定患者的体位的一致性和准确性，但是因为患者的固定的非紧贴性，头部和头枕的并非完全一致性，造成患者的摆位的一致性和准确性没法充分的保证。治疗中时有发生患者头部摆位准确性和一致性无法达到计划设计要求，进而重新进行计划设计的情况。而采用标准化的头枕，比较难于解决准确性和个性化的问题。
随着3D打印技术的快速发展，使用图像的局部外轮廓建立模型，然后利用算法把轮廓数据转化为3D打印机可以识别的格式，最终生成个性化实体模型应用于患者的治疗中，可以实现精确摆位的最基本的头枕一致性和个体化。而目前在患者的治疗中的仅仅是使用标准化的头枕模型进行固定摆位，并未在治疗过程中的实现个性化的严格的精确性摆位。不能很好的严密的紧贴患者的头部的外轮廓形状，许多时候会给予患者的头枕骨部和枕头留有一定的活动空间，而在不同治疗分次时产生大大小小的误差。但是调强治疗对于治疗的摆位和固定都有极高的要求。因此如何实现患者的个性化和精确性的头枕设计和实现调强治疗摆位分次间的一致性和每次摆位的精确性是摆在放射治疗团队，医生，物理师及技师面前最大的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印的放疗头枕、放疗头枕制造方法及制造装置，该方法及装置可以制造出个性化的放疗头枕，更严密地贴合患者头部，提高对患者头部定位的准确性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印的放疗头枕，所述头枕上侧面设有凹槽，所述凹槽的形状与由患者头部CT图像建模得到的患者头部3D模型相匹配，以使所述头枕更贴合患者头部。
本发明还提供了一种基于3D打印的放疗头枕制造方法，包括以下步骤：
步骤S1：获取患者头部的多层CT图像；
步骤S2：基于各层CT图像，提取各层中患者头部的外轮廓数据；在各层中建立标准化头枕的外轮廓数据，然后用其减去患者头部的外轮廓数据，得到各层的头枕外轮廓数据；
步骤S3：对各层的头枕外轮廓数据分别进行平滑处理，同时对其进行数据插值，得到各层的头枕平滑曲线和头枕插值数据点；
步骤S4：对各层之间的头枕插值数据点沿头脚方向进行对齐，然后将各层之间对齐后的数据点进行连接，得到头枕外轮廓的3D模型数据；
步骤S5：对得到的3D模型数据进行平滑处理，然后将头枕的3D模型数据以标准格式文件输出；
步骤S6：在3D打印装置中打开头枕的3D模型数据的标准格式文件，对头枕的3D模型进行切片和支撑处理后，在3D打印装置中打印出个性化的放疗头枕。
进一步地，步骤S2中，用标准化头枕的外轮廓数据减去患者头部的外轮廓数据以得到头枕外轮廓数据的具体方法为：基于一个基准水平面，使标准化头枕上轮廓与患者头部下轮廓重叠，重叠部分以患者头部下轮廓数据作为头枕上轮廓数据，结合标准化头枕原有的外轮廓数据，得到头枕外轮廓数据。
进一步地，步骤S2得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离，生成各层的头枕内轮廓数据，然后按步骤S3-S4的方法对头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据，而后在步骤S5中，先采用所述头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到中空结构头枕的3D模型数据，然后对得到的3D模型数据进行平滑处理，最后将头枕的3D模型数据以标准格式文件输出。
进一步地，得到中空结构头枕的3D模型数据后，在3D模型下表面适当位置生成固定柱，以与放疗装置相配合，固定头枕，然后再对得到的3D模型数据进行平滑处理。
进一步地，步骤S5中，对3D模型数据进行平滑处理，包括对3D模型的边缘部位进行平滑处理，以避免头枕给患者产生尖锐触感。
本发明还提供了一种基于3D打印的放疗头枕制造装置，包括：
CT图像获取模块，用于获取患者头部的多层CT图像；
轮廓数据提取模块，用于从各层CT图像中提取患者头部的外轮廓数据，并结合标准化头枕的外轮廓数据，计算得到各层的头枕外轮廓数据；
3D建模模块，用于对各层的头枕外轮廓数据分别进行平滑处理和数据插值，并对各层之间的头枕插值数据点进行对齐和数据点连接，建立头枕外轮廓的3D模型数据，对得到的3D模型数据进行平滑处理后，以标准格式文件输出；以及
3D打印装置，用于根据头枕的3D模型数据的标准格式文件，打印出个性化的放疗头枕。
进一步地，所述轮廓数据提取模块还用于在得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离，生成各层的头枕内轮廓数据；所述3D建模模块还用于对各层的头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据，然后采用头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到中空结构头枕的3D模型数据。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：提供了一种基于3D打印的放疗头枕及其制造方法和装置，该方法及装置基于患者头部的CT图像，提取和重建出患者头颈部外轮廓数据，基于此进行3D建模，然后利用3D打印技术制造出患者个性化的放疗头枕，最终将其应用于患者治疗中。采用该方法及装置制造的头枕，可以更好更严密地贴合患者的体表，提高对患者头部定位的准确性，大幅度提高患者治疗时体位的舒适性和准确性，为鼻咽癌调强放射治疗的准确实施提供有力的技术支撑。
附图说明
图1是本发明实施例中放疗头枕的结构示意图。
图2是本发明实施例中放疗头枕制造方法的实现流程图。
图3是本发明实施例中获得头枕外轮廓数据的实现原理图。
图4是本发明实施例中多层之间的头枕插值数据点的连接结果示意图（只示出三层）。
图5是本发明实施例中放疗头枕制造装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本实施例中放疗头枕的示意图。如图1所示，本发明基于3D打印的放疗头枕，上侧面设有凹槽，凹槽的形状与由患者头部CT图像建模得到的患者头部3D模型相匹配，以使所述头枕更贴合患者头部。
图2是本实施例中放疗头枕制造方法的实现流程图。如图2所示，该放疗头枕的制造方法包括以下步骤：
步骤S1：获取鼻咽癌患者头部的多层CT图像。
1.1 体位：患者一般采用仰卧位，平躺，再用头枕加热塑模固定。
1.2 CT图像的获取：进行Philips大孔径螺旋定位CT扫描；范围：头顶至锁骨头上沿下2cm；扫描条件：图像层厚为3mm。
1.3 肿瘤靶区的勾画：依据ICRU83号文件，根据相应的检查材料如MRI，PET/CT图像与定位CT图像进行融合配准，并在融合配准后的CT图像上勾画肿瘤靶区及危及器官。
步骤S2：基于各层CT图像，提取各层中患者头部的外轮廓数据；在各层中建立标准化头枕的外轮廓数据，然后用其减去患者头部的外轮廓数据，得到各层的头枕外轮廓数据。
具体方法为：首先，如图3(a)所示，基于一个基准水平面，使标准化头枕上轮廓与患者头部下轮廓重叠；然后，重叠部分以患者头部下轮廓数据作为头枕上轮廓数据，结合标准化头枕原有的外轮廓数据，得到如图3(b)所示的头枕外轮廓数据。
得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离（本实施例中为3mm），生成各层的头枕内轮廓数据。
步骤S3：对各层的头枕外轮廓数据分别进行贝塞尔曲线平滑处理，处理的同时对其进行数据插值，本实施例中每层的外轮廓数据插值为500个数据点，得到各层的头枕平滑曲线和头枕插值数据点。
步骤S4：对各层之间的头枕插值数据点沿头脚方向进行对齐调整，然后按照stl格式文件的连接方式将各层之间对齐后的数据点进行连接，得到头枕外轮廓的3D模型数据。图4(a)、4(b)即为其中三层头枕插值数据点之间连接结果的左视图和轴测图。
按步骤S3-S4的方法对头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据。
步骤S5：首先采用所述头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到一个厚度为3mm的中空结构头枕的3D模型数据；接着在3D模型下表面适当位置生成两个直径为5cm，高度为0.4cm的圆柱形固定柱，以与放疗装置相配合，固定头枕；然后对得到的3D模型数据进行平滑处理；而后将头枕的3D模型数据以stl标准格式文件输出。其中，对3D模型数据进行平滑处理，包括对3D模型的边缘部位进行平滑处理，因为这些部位会与患者体表接触，进行平滑处理以避免头枕给患者产生尖锐触感。
步骤S6：在3D打印装置中打开头枕的3D模型数据的标准格式文件，对头枕的3D模型进行切片和支撑处理后，在3D打印装置中打印出个性化的放疗头枕。
打印出个性化的放疗头枕后，使用新的个性化放疗头枕在CT机下对于病人的治疗中心进行确定。扫描包括个性化头枕的上下界的图像，确认个性化的头枕的贴合性和舒适度。
本发明还提供了用于实现上述制造方法的放疗头枕制造装置，其结构如图5所示。该基于3D打印的放疗头枕制造装置，包括CT图像获取模块、轮廓数据提取模块、3D建模模块和3D打印装置。
所述CT图像获取模块用于获取患者头部的多层CT图像。
所述轮廓数据提取模块用于从各层CT图像中提取患者头部的外轮廓数据，并结合标准化头枕的外轮廓数据，计算得到各层的头枕外轮廓数据，还用于在得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离，生成各层的头枕内轮廓数据。
所述3D建模模块用于对各层的头枕外轮廓数据分别进行平滑处理和数据插值，并对各层之间的头枕插值数据点进行对齐和数据点连接，建立头枕外轮廓的3D模型数据，同理对各层的头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据，然后采用头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到中空结构头枕的3D模型数据，对得到的3D模型数据进行平滑处理后，以标准格式文件输出。
所述3D打印装置用于根据头枕的3D模型数据的标准格式文件，打印出个性化的放疗头枕。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于3D打印的放疗头枕，其特征在于，所述头枕上侧面设有凹槽，所述凹槽的形状与由患者头部CT图像建模得到的患者头部3D模型相匹配，以使所述头枕更贴合患者头部。
2.一种基于3D打印的放疗头枕制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取患者头部的多层CT图像；
步骤S2：基于各层CT图像，提取各层中患者头部的外轮廓数据；在各层中建立标准化头枕的外轮廓数据，然后用其减去患者头部的外轮廓数据，得到各层的头枕外轮廓数据；
步骤S3：对各层的头枕外轮廓数据分别进行平滑处理，同时对其进行数据插值，得到各层的头枕平滑曲线和头枕插值数据点；
步骤S4：对各层之间的头枕插值数据点沿头脚方向进行对齐，然后将各层之间对齐后的数据点进行连接，得到头枕外轮廓的3D模型数据；
步骤S5：对得到的3D模型数据进行平滑处理，然后将头枕的3D模型数据以标准格式文件输出；
步骤S6：在3D打印装置中打开头枕的3D模型数据的标准格式文件，对头枕的3D模型进行切片和支撑处理后，在3D打印装置中打印出个性化的放疗头枕。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印的放疗头枕制造方法，其特征在于，步骤S2中，用标准化头枕的外轮廓数据减去患者头部的外轮廓数据以得到头枕外轮廓数据的具体方法为：基于一个基准水平面，使标准化头枕上轮廓与患者头部下轮廓重叠，重叠部分以患者头部下轮廓数据作为头枕上轮廓数据，结合标准化头枕原有的外轮廓数据，得到头枕外轮廓数据。
4.根据权利要求2所述的基于3D打印的放疗头枕制造方法，其特征在于，步骤S2得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离，生成各层的头枕内轮廓数据，然后按步骤S3-S4的方法对头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据，而后在步骤S5中，先采用所述头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到中空结构头枕的3D模型数据，然后对得到的3D模型数据进行平滑处理，最后将头枕的3D模型数据以标准格式文件输出。
5.根据权利要求4所述的基于3D打印的放疗头枕制造方法，其特征在于，得到中空结构头枕的3D模型数据后，在3D模型下表面适当位置生成固定柱，以与放疗装置相配合，固定头枕，然后再对得到的3D模型数据进行平滑处理。
6.根据权利要求2所述的基于3D打印的放疗头枕制造方法，其特征在于，步骤S5中，对3D模型数据进行平滑处理，包括对3D模型的边缘部位进行平滑处理，以避免头枕给患者产生尖锐触感。
7.一种基于3D打印的放疗头枕制造装置，其特征在于，包括：
CT图像获取模块，用于获取患者头部的多层CT图像；
轮廓数据提取模块，用于从各层CT图像中提取患者头部的外轮廓数据，并结合标准化头枕的外轮廓数据，计算得到各层的头枕外轮廓数据；
3D建模模块，用于对各层的头枕外轮廓数据分别进行平滑处理和数据插值，并对各层之间的头枕插值数据点进行对齐和数据点连接，建立头枕外轮廓的3D模型数据，对得到的3D模型数据进行平滑处理后，以标准格式文件输出；以及
3D打印装置，用于根据头枕的3D模型数据的标准格式文件，打印出个性化的放疗头枕。
8.根据权利要求7所述的基于3D打印的放疗头枕制造装置，其特征在于，所述轮廓数据提取模块还用于在得到各层的头枕外轮廓数据后，将头枕外轮廓数据向内偏移设定距离，生成各层的头枕内轮廓数据；所述3D建模模块还用于对各层的头枕内轮廓数据进行处理，得到头枕内轮廓的3D模型数据，然后采用头枕外轮廓的3D模型数据减去头枕内轮廓的3D模型数据，得到中空结构头枕的3D模型数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190625 |