CN110216872A - 一种基于cta数据的肝脏三维重建方法及其3d打印模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型。以患者CTA数据为基础，通过MIMICS21.0的Dynamic Region Grow、Multiple Slice Edit、Split Mask、Lasso和Edit Contour功能在特定HU值下对动脉、下腔静脉、门静脉和肝脏进行三维重建，所得到模型经过Merge Mask并导出Stl文件后输入3D打印设备中利用特定的打印参数和材料进行肝脏模型的三维制造。所制造的肝脏三维实体模型具有个性化、精确、高效的特点，且模型可视化程度高，能够展示肝脏内部结构和血管走向，同时也能赋予其一定的柔韧度，在触感上接近于生理状态下的肝脏。这种技术可用于术前的规划或者手术指导，再结合临床诊断知识，将大大提高手术效率，简化手术过程，是一种值得推广的应用方式。

Description

一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型
技术领域
本发明属于三维器官建模领域，涉及一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型。
背景技术
3D打印技术（3D printing，3DP）亦被称作增材制造（Additive Manufacture, AM）或快速成型技术（Rapid Prototyping, RP），最早出现于20世纪90年代，是一种采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术。目前，3D打印按照不同的成型原理可分为熔融沉淀成型（FDM）、激光烧结（SLS）、光固化（SLA）等类别，所涉及的材料及应用领域也不相同。与传统的制造手段相比，3D打印以高灵敏、高精确著称。目前，有关3D打印技术在医疗领域上运用的例子不在少数，包括3D打印制造药物、个性化医疗器械和3D医学建模等等。3D打印在临床上的应用有着美好的前景。
三维医学建模是3D打印技术在临床上发挥作用的一种重要方式。结合CT血管造影（简称CTA，CT Angiography）技术和MIMICS(Materialise’s Interactive Medical ImageControl System)重建的3D打印能够对患者特定部位的组织、骨骼甚至器官做出重建、实体化。所制造出的模型具有个性化、精确、高效等特点,并能展示其在人体中的空间关系。这种技术可用于术前的规划或者手术指导，再结合临床诊断知识，将大大提高手术效率，简化手术过程，是一种值得推广的应用方式。
MMICS是一款功能强大的，专为临床所设计。其中，各种对图像进行处理、修饰的功能，如Contour Editing，Smooth，Wrap的作用都不是独立的，每一项处理都会对其他功能产生一定的影响，针对每一个处理，软件都会基于CT图像做出相应的变动，其各项功能并非能随意对重建的模型做出改动，而是充分基于CT数据，这一定程度上起到了纠正作用，防止建模人员做出重大错误。工程师也需要熟悉相应的建模功能，这样才能做出最精确的肝脏，乃至各种器官、骨骼、组织的重建。
光敏树脂亦称为UV树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外线）引发剂或称为光敏剂，在一定波长的紫外光照射下立刻引起聚合反应，完成固化。SLA打印以光敏树脂为材料，通过对材料混合比例的调节可以实现对打印物强度、颜色和透明度的可控。但是，该技术依然存在不足。相比于FDM打印，光敏树脂昂贵的材料成本是光固化打印普及的一大障碍。此外，在打印细微、复杂结构如肝门静脉或动脉时，如果对材料选择、调控不到位，导致韧性或硬度不佳，可能会使这些结构过于脆弱，极易断裂。同时，肝脏模型的可视化程度也会受影响。因此，对打印材料的开发和材料使用的方法将是光固化打印的的主要发展方向。3D打印使用的材料必须要具有更灵活的物理性能，在能够被现有设备打印的同时，还需做到材料成本和打印成本能够被大众所接受。
为了最精确地还原肝脏及各组件间的结构，CTA数据的来源最为重要。高质量的CT或CTA数据将大大提高肝脏重建的效率和精确度。其次，工程师在对各组件独立重建过程中需充分考虑相互之间的边界关系，避免位置重叠或者对各组件识别差错，这需要一定的医学影像和临床知识。存在病灶的时候工程师还需具备CT诊断能力，正确认识病灶的部位及其形态，或者是同临床医生密切合作，这样才能最终得到全面接近真实肝脏的3D模型。因此，基于CTA数据的MIMICS肝脏3D重建乃至后续的3D打印肝脏是一项结合了临床和工程学知识的学科交叉技术。
因此，基于CTA数据的肝脏三维重建技术是一项结合了临床和工程学知识的学科交叉技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型。所重建和打印的肝脏模型具有个性化、精确、高效，并具有一定的可视化特点，可用于手术前的规划或手术指导，再结合临床诊断知识，能够大大提高手术效率，计划手术过程，是一种值得推广的应用方式。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型。所重建和打印的肝脏模型具有个性化、精确、高效，并具有一定的可视化特点。
所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法，具体步骤如下：
（1）使用三维重建软件打开患者CTA数据，设置灰度值（Grayscale）参数后，使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow对动脉进行标记，设置Deviation Min值和DeviationMax值，并勾选Multiple Layer项，对图层的相连区域进行关联标记，最后，使用CalculatePart计算出肝脏动脉结构；
（2）打开CTA数据，设置Threshold的HU值后，点击Clear Mask还原被标记的区域，再使用Multiple Slice Edit下的Lasso对每个图层的下腔静脉进行手动标记，最后，使用Calculate Part计算出肝脏下腔静脉结构；
（3）使用Split Mask对肝脏门静脉进行重建，设置Threshold的HU值在一定范围，然后在DICOM图像中将门静脉周围的软组织标记为Region A，门静脉部分标记为Region B，再依靠Edit Mask下的Lasso对门静脉做修剪和修补，最终得到精确的门静脉结构并CalculatePart；
（4）使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow功能对肝脏的大体结构进行标记，选择Multiple Layer，设置Deviation Min值和Max值，然后点击图像中的肝脏某一部位，直至肝脏标记达到最佳效果，使用Mask 3D Preview观察到3D效果图，并利用Mask Edit下的Lasso功能对图像进行修剪和补充，最终得到精确的肝脏结构并Calculate Part；
（5）肝脏各组件重建完毕后，使用Edit Contours的Grab和Smooth对各肝脏组件的边界进行修饰，也可以对识别不正确的边界进行拉伸或缩减，使边缘和CTA图像更贴合；
（6）使用Merge Mask对重建的肝脏各组件进行融合，并导出为Stl文件；
（7）将Stl文件倒入3D打印设备，设置打印参数，装载打印材料后，进行肝脏模型的实体化制造；
其中，步骤（1）中，三维重建软件为MIMICS21.0，设置灰度值为Min：-150，Max：350；Deviation Min值为85HU，Deviation Max值为85HU；
其中，步骤（2）中，设置Threshold值为Min：5HU，Max：225HU；
其中，步骤（3）中，设置Threshold值的范围为75~450HU；
其中，步骤（4）中，设置Deviation Min值和Max值为5~10HU。
其中，肝脏标记的最佳效果为减少其他结构标记的情况下最大程度地标记肝脏
其中，肝脏各组件包括门静脉、动脉、下腔静脉和肝脏。
其中，设置打印参数为打印厚度25μm，打印精度≤200μm，环境温度18~25℃，肖氏硬度30，打印材料为柔性光敏树脂。
本发明与现有技术比较有一下优点：
（1）本发明以柔性光敏树脂为3D打印材料，所制造的肝脏模型可视化程度高，能够展示其内部结构和血管走向，同时也能赋予其一定的柔韧度，在触感上接近于生理状态下的肝脏；
（2）本发明以3D打印方法制造实体肝脏模型，所制造的模型具有个性化、精确、高效的特点；
（3）本发明以CTA数据和MIMICS进行肝脏建模，实现了对生理状态下人体肝脏的三维重建。
附图说明
图1为本发明实例中3D打印制造的肝脏模型。
图2为本发明实例中经过MIMICS重建的肝脏模型。
图3为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，一下结合实例对本发明做进一步的详细说明。
如图3所示，一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法，具体步骤如下：
（1）使用三维重建软件打开患者CTA数据，设置灰度值（Grayscale）参数为Min：-150，Max：350后，使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow对动脉进行标记，设置Deviation Min值为85HU和Deviation Max值为85HU，并勾选Multiple Layer项，对图层的相连区域进行关联标记，最后，使用Calculate Part计算出肝脏动脉结构；
（2）打开CTA数据，设置Threshold的HU值为Min：5HU，Max：225HU后，点击Clear Mask还原被标记的区域，再使用Multiple Slice Edit下的Lasso对每个图层的下腔静脉进行手动标记，最后，使用Calculate Part计算出肝脏下腔静脉结构；
（3）使用Split Mask对肝脏门静脉进行重建，设置Threshold的HU值为100HU，然后在DICOM图像中将门静脉周围的软组织标记为Region A，门静脉部分标记为Region B，再依靠Edit Mask下的Lasso对门静脉做修剪和修补，最终得到精确的门静脉结构并CalculatePart；
（4）使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow功能对肝脏的大体结构进行标记，选择Multiple Layer，设置Deviation Min值为8HU和Max值为8HU，然后点击图像中的肝脏某一部位，直至减少其他结构标记的情况下最大程度地标记肝脏，使用Mask 3D Preview观察到3D效果图，并利用Mask Edit下的Lasso功能对图像进行修剪和补充，最终得到精确的肝脏结构并Calculate Part；
（5）肝脏各组件重建完毕后，使用Edit Contours的Grab和Smooth对各肝脏组件的边界进行修饰，也可以对识别不正确的边界进行拉伸或缩减，使边缘和CTA图像更贴合；
（6）使用Merge Mask对重建的肝脏各组件进行融合，并导出为Stl文件；
（7）将Stl文件倒入3D打印设备，设置打印参数为打印厚度25μm，打印精度≤200μm，环境温度18~25℃，肖氏硬度30，装载打印材料为柔性光敏树脂后，进行肝脏模型的实体化制造。
图1所示为3D打印制造的肝脏模型。
图2所示为经过MIMICS重建的肝脏模型。
以上所述仅为本发明的较佳实例，凡依本发明申请专利范围进行的变化与修饰均应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于，包括如下步骤：
（1）使用三维重建软件打开患者CTA数据，设置灰度值（Grayscale）后，使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow对动脉进行标记，设置Deviation Min值和Deviation Max值，并勾选Multiple Layer项，对图层的相连区域进行关联标记，最后，使用Calculate Part计算出肝脏动脉结构；
（2）打开CTA数据，设置Threshold值后，点击Clear Mask还原被标记的区域，再使用Multiple Slice Edit下的Lasso对每个图层的下腔静脉进行手动标记，最后，使用Calculate Part计算出肝脏下腔静脉结构；
（3）使用Split Mask对肝脏门静脉进行重建，设置Threshold值范围，然后在DICOM图像中将门静脉周围的软组织标记为Region A，门静脉部分标记为Region B，再依靠Edit Mask下的Lasso对门静脉做修剪和修补，最终得到精确的门静脉结构并Calculate Part；
（4）使用SEGMENT下的Dynamic Region Grow功能对肝脏的大体结构进行标记，选择Multiple Layer，设置Deviation Min值和Max值，然后点击图像中的肝脏某一部位，直至肝脏标记达到最佳效果，使用Mask 3D Preview观察到3D效果图，并利用Mask Edit下的Lasso功能对图像进行修剪和补充，最终得到精确的肝脏结构并Calculate Part；
（5）肝脏各组件重建完毕后，使用Edit Contours的Grab和Smooth对各肝脏组件的边界进行修饰，也可以对识别不正确的边界进行拉伸或缩减，使边缘和CTA图像更贴合；
（6）使用Merge Mask对重建的肝脏各组件进行融合，并导出为Stl文件；
（7）将Stl文件倒入3D打印设备，设置打印参数，装载打印材料后，进行肝脏模型的实体化制造。
2.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（1）中，三维重建软件为MIMICS21.0。
3.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（1）中，设置的灰度值（Grayscale）为Min：-150，Max：350，Deviation Min值为85HU，Deviation Max值为85HU。
4.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（2）中，设置Threshold值为Min：5HU，Max：225HU。
5.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（3）中，设置Threshold值范围为75~450HU。
6.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（4）中，设置Deviation Min值和Max值为5~10HU。
7.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（4）中，最佳效果为减少其他结构标记的情况下最大程度地标记肝脏。
8.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（7）中，打印参数为：打印厚度25μm，打印精度≤200μm，环境温度18~25℃，肖氏硬度30。
9.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：所述步骤（7）中，打印材料为柔性光敏树脂。
10.根据权利要求1所述的一种基于CTA数据的肝脏三维重建方法及其3D打印模型，其特征在于：3D打印模型组成包括门静脉、动脉、下腔静脉和肝脏。
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