CN110292466A - 一种解剖结构的立体模型构建方法及其修复体 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种解剖结构的立体模型构建方法及其修复体。其中，所述方法包括：拟合所述解剖结构，获得对应的外网格实体；向内缩小所述外网格实体，形成内网格实体；基于预设尺寸的正方体，创建单元格；以所述内网格实体为基础，生成由所述单元格组成的内网格；以所述外网格实体为基础，生成对应的外网格；连接所述外网格和所述内网格，生成以网格结构表示的立体模型。该方法可以形成网格结构的立体三维模型。该立体模型能够很好的与病灶区域，或者重建修复所需要的三维立体形状相吻合。

Description

一种解剖结构的立体模型构建方法及其修复体

技术领域

本发明涉及医学三维重构技术领域，尤其涉及一种解剖结构的立体模型构建方法及其修复体。

背景技术

人体器官作为一种的非常精细的，用于执行复杂功能的立体结构。其具有构造复杂以及明显结构特异性等的特点。这些特定的人体器官结构因各种事故或者意外造成缺损，无法承担相应的功能时，需要通过外科手术进行修复和重建。

例如，当下颌骨缺损时，经常会造成面部畸形和功能障碍，需要借助外科手术修复重建以恢复人体正常的机能。

但是，申请人在实现本发明的过程中发现，现有的修复重建通常都是采用自体骨移植的方法，需要以病人自身的肋骨、髂骨或者腓骨为代价。这些自体骨还需要进行进一步的处理才能够用于进行修复。

为了提供更方便的修复体或者修复材料，减少病人的痛苦，现有还有一些利用生物材料进行修复的技术方案。但是，这些生物材料普遍具有承载力小，脆性大，塑形困难的缺点，无法很好的满足现有修复重建的使用要求。

发明内容

本发明的实施例提供了一种解剖结构的立体模型构建方法及其修复体以解决现有技术中的外科修复重建所存在的问题。

一方面，本发明提供了一种解剖结构的立体模型构建方法。该立体模型构建方法包括：

拟合所述解剖结构，获得对应的外网格实体；

向内缩小所述外网格实体，形成内网格实体；

基于预设尺寸的正方体，创建单元格；

以所述内网格实体为基础，生成由所述单元格组成的内网格；

以所述外网格实体为基础，生成对应的外网格；

连接所述外网格和所述内网格，生成以网格结构表示的立体模型。

另一方面，本发明实施例提供了一种修复体。所述修复体基于如上所述的立体模型构建方法，通过3D立体打印制备获得。

本发明的实施例提供的立体模型构建方法，可以形成网格结构的立体三维模型。该立体模型能够很好的与病灶区域，或者重建修复所需要的三维立体形状相吻合。

另外，基于该方法构建的立体模型，可以利用3D打印技术，方便快捷的打印获得所需要使用的修复体。修复体具有良好的安全性，又能够满足解剖结构在力学性能上的使用标准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种解剖结构的立体模型构建方法的流程图；

图2a是本发明实施例提供的单元格的示意图；

图2b是本发明实施例提供的基准正方体和扩展正方体的示意图；

图3是本发明实施例中步骤S300的流程图；

图4是本发明实施例中步骤S600的流程图；

图5a是本发明实施例提供的下颌骨建模的示意图；

图5b是本发明实施例提供的内网格的示意图；

图5c是本发明实施例提供的外网格的示意图；

图5d是本发明实施例提供的内网格和外网格连接的示意图；

图5e是本发明实施例提供的线径调整的网格结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

立体模型(或者三维模型)是以合适形式，用于表示物体在三维立体坐标系中的具体结构的数据集合。根据编辑软件等的不同，其可以用多种不同的数据格式表示。

通过已经构建完成的立体模型，可以直接或者经过数据格式转换等操作后，输入到3D打印设备中，通过3D打印的方式生成具有对应结构和形状的实物。

立体模型作为3D打印技术的基础数据，很大程度上决定了最终打印成形的实物的精确性以及力学性能等。因此，设计和构建解剖结构的立体模型是制备修复体的基础。

在本说明书中，以“修复体”这样的术语表示通过3D打印技术打印生成的，与所解剖结构具有一致的立体结构，外形等的修复实体结构。其可以被应用到外科手术中。该修复体依其实际的使用场景或者需求，具体可以使用多种不同的材料制作获得。

请参阅图1，其为本发明实施例提供的一种解剖结构的立体模型构建方法的流程图。如图1所示，所述立体模型构建方法，包括以下步骤：

步骤S100、拟合所述解剖结构，获得对应的外网格实体。

“外网格实体”是一个具有特定位置和外形结构的立体结构。其可以通过合适的数据形式来表示，主要用于表示整个立体模型的外部形态。

步骤S200、向内缩小所述外网格实体，形成内网格实体。

“内网格实体”是一个相对于外网格实体的概念，由外网格实体向内缩小一定的长度或者按照特定的比例缩小获得。例如，可以将外网格实体向内缩小1mm，以形成所述内网格实体。该缩小获得的内网格实体处于内部，主要用于作为立体模型的内部骨架结构。

步骤S300、基于预设尺寸的正方体，创建单元格。

“单元格”是指构成网格实体的单位或者元素。亦即，通过多个单元格组成完整的网络结构。单元格具体的大小或者形态结构可以根据实际情况进行调整而确定。

在本实施例中，单元格以一个合适大小的正方体为基础而设置。该预设尺寸是一个经验性数值，可以根据实际情况的需要进行调整或者确定。

步骤S400、以所述内网格实体为基础，生成由所述单元格组成的内网格。

如上步骤所记载的，该内网格实体也是一个三维的立体模型，可以以步骤S300创建的单元格为基础，形成对应的内网格。

步骤S500、以所述外网格实体为基础，生成对应的外网格。

与内网格实体相类似地，同样还可以进一步的将外网格实体网格化。当然，上述步骤S400和步骤S500之间的次序没有先后，该步骤的标号仅用于表示两者属于不同的步骤而不用于限定步骤的先后顺序。

在一些实施例中，所述外网格可以是由多个正方形网格连接构成。该外网格通过所述外部网格实体逆向设计而获得，形成的是一个与外部网格实体的外部形态相对应的网格。

步骤S600、连接所述外网格和所述内网格，生成以网格结构表示的立体模型。

以单元格组成的内网格类似于立体模型中的骨架结构。而外网格则作为立体模型的外表面网格。将内网格放置在外网格的内部，并连接两者对应的点以后，即可完成立体模型的构建，形成一个网格结构的立体模型。

本申请提供的立体模型构建方法，可以构建获得外部形状与目标解剖结构完全一致的，呈网格状的立体模型。在被3D打印成形以后，修复体可以具有良好的力学性能和契合度，可以很好的解决现有外科修复重建手术中所存在的一系列问题。

具体参见图2a，在一些实施例中，该单元格可以由基准正方体1a及从所述基准正方体的八个顶点1b向外延伸的线段1c组成。任意两个单元格之间通过线段连接，从而形成立体的网格骨架结构。

图3为本申请实施例提供的，用于创建图2a所示的单元格的方法流程图。如图3所示，步骤S300可以包括：

步骤S301、生成具有第一边长的基准正方体和具有第二边长的扩展正方体。

该第一边长和第二边长都是经验性数值，可以根据实际情况的需要进行调整或者设置。不同的边长决定了最终创建形成的单元格的具体结构。

其中，如图2b所示的，在创建过程中，需要保持所述基准正方体1a与所述扩展正方体2a的重心重叠，所述基准正方体1a与所述扩展正方体2a的边线平行。

在实际操作过程中，可以通过直接放大所述基准正方体1a的方式来生成扩展正方体2a。

步骤S302、通过直线连接所述基准正方体的顶点以及与所述基准正方体的顶点距离最近的，所述扩展正方体的顶点。

如图2b所示的，在步骤301生成的扩展正方体的基础上，扩展正方体的顶点2b总是与处于内部的基准正方体的其中一个顶点1b相对。可以使用直线将这两个距离最短的顶点连接起来。

步骤S303、提取所述基准正方体的边线以及所述直线，构成所述单元格。

请继续参阅图2b，在使用直线连接后，只要将直线和处于内部的基准正方体的边线提取出来，即可创建形成所需要的单元格。当然，也可以采用消除扩展正方体的边线的方式。

可以理解的是，单元格向外延伸的线段的角度以及长度都取决于第一边长和第二边长的相对关系。在一些实施例中，可以令所述第二边长为第一边长的两倍。其中，所述第一边长为2mm。这样的，基本可以满足使用的需要，获得具有合适尺寸和形状的单元格。

在较佳实施例中，请继续参见图1，所述方法还可以包括：

步骤S700、调整所述网格结构的线径在预设半径范围内渐变。

通过该调整步骤，可以令网格结构内的线条的半径在设定的范围内渐变。这样线径渐变的网格结构有助于提升和加强立体模型的力学性能。

该预设半径范围同样也是一个经验性数值，需要根据实际情况的需要进行调整。在一些实施例中，该预设半径范围可以控制在0.3-1mm。

具体参见图4，步骤S600具体包括：

步骤S601、确定处于所述内网格的边缘的断点。

“断点”是处于内网格边缘的坐标点。其通常是单元格中，向外延伸的线段中的某一点。如图5b所示，在形成内网格的过程中，当单元格10与内网格实体的边缘20之间的空间无法容纳一个完整的单元格时，向外延伸的线段会在表面或者边缘被打断。在本说明书中，将这样被打断的线段形成的点称为“断点”。

步骤S602、将所述内网格的断点与所述外网格中，距离最近的节点连接。

如上实施例所记载的，外网格可以是由多个正方形或者其他合适形状的网格形成。在本说明书中，将相邻网格相交形成的点(亦即多个边相交的点)称为“节点”。

通过将断点与距离最近的节点连接，即可保持内网格与外网格之间的对应关系，确保内网格骨架可以被正确的放置在外网格内，不发生偏移。

具体可以根据实际使用的三维软件，而使用相应的程序指令来实现上述断点与最近的节点的连接过程。在不同的三维软件中可能需要调用不同的指令或者信息。

为了便于理解上述方案，此处通过一具体实例来详细说明该立体模型构建方法。在本具体实例中，所针对的解剖结构为下颌骨，具体包括如下步骤：

1)如图5a所示，建立下颌骨的立体模型M，并且在调整拟合立体模型中的上颌骨和下颌骨的位置之后，确定相应位置的下颌骨为外网格实体。亦即，所述外网络实体是具有给定位置信息的下颌骨的立体模型。

2)在已知外网格实体的情况下，可以将外网格实体整体向内缩小1mm后，获得对应的内网格实体。

3)基于三维软件中的立方体单元格创建命令，生成两个边长分别为2mm和4mm的正方体后，用直线线段连接这两个正方体之间距离最近的顶点。

4)选择提取边长为2mm的正方体及连接的直线线段，基于三维软件中的曲线抓取命令，创建用于组成内网格实体的单元格。

5)如图5b所示，基于三维软件中的单元格抓取命令，可以生成以步骤4)创建的单元格为基础单元的，与内网格实体对应的内网格(其中，左侧示意图为所有单元格的示意图，右侧示意图为某个切面的示意图)。

6)如图5c所示，基于三维软件中的网格抓取命令，生成与步骤1)确定的外网格实体的表面相对应的外网格，该外网格可以由多个正方形网格组成，与外网络实体的表面形状相对应。

7)在三维软件中，通过将内网格的网格列表拖动到外网格的网格列表内的方式来比对内网格和外网格的情况。并且，基于三维软件中的网格连接指令，将内网格的断点与所述外网格中，距离最近的节点连接，获得一个由内网格和外网格组成的整体网格(如图5d所示，)。

8)基于三维软件中的线径调整指令，将步骤7)生成的整体网格设置为从上到下，在0.3-1mm范围内渐变的线径，获得一个线径渐变的渐变网格(如图5e所示)。该从上到下是指沿三维坐标系的Z轴的方向，从上到下的改变线径。

9)通过三维软件中的图形转换指令，将步骤8)中获得渐变网格转换为STL格式的立体模型。

10)以步骤9)构建获得的立体模型为基础，可以利用现有的3D打印技术，选择使用合适的材料，快速打印制备与立体模型形状结构一致的下颌骨修复体，应用于外科修复重建手术等。

综上，本申请所提供的立体模型构建方法设计获得的以网格结构标识的立体模型的整体形状与病灶区域的三维形体结构吻合。其中，立体模型的网格结构大致可以分解为内部网格和外部网格。内部网格由正方体和其棱角延伸出的成一定角度的线组成的单元格构成，外部网格则由逆向设计，然后生成的正方形网格构成。

该网格结构还具有渐变的线径，有效的加强了修复体的力学性能。最终通过3D打印形成的修复体既能满足力学性能的要求，又能具有较好的安全性，能够与待修复的区域完美的契合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种解剖结构的立体模型构建方法，其特征在于，包括：

拟合所述解剖结构，获得对应的外网格实体；

向内缩小所述外网格实体，形成内网格实体；

基于预设尺寸的正方体，创建单元格；

以所述内网格实体为基础，生成由所述单元格组成的内网格；

以所述外网格实体为基础，生成对应的外网格；

连接所述外网格和所述内网格，生成以网格结构表示的立体模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单元格由基准正方体及从所述基准正方体的八个顶点向外延伸的线段组成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于预设尺寸的正方体，创建单元格，包括：

生成具有第一边长的基准正方体和具有第二边长的扩展正方体；所述基准正方体与所述扩展正方体的重心重叠，所述基准正方体与所述扩展正方体的边线平行；

通过直线连接所述基准正方体的顶点以及与所述基准正方体的顶点距离最近的，所述扩展正方体的顶点；

提取所述基准正方体的边线以及所述直线，构成所述单元格。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二边长为第一边长的两倍；所述第一边长为2mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外网格由正方形网格构成，通过所述外部网格实体逆向设计获得。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

调整所述网格结构的线径在预设半径范围内渐变。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设半径范围为0.3-1mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述拟合所述解剖结构，获得对应的外网格实体，包括：

建立下颌骨的立体模型；

根据上颌骨，拟合确定所述下颌骨的立体模型的位置以形成对应的外网格实体。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接所述外网格和所述内网格，生成以网格结构表示的立体模型，包括：

确定处于所述内网格的边缘的断点；

将所述内网格的断点与所述外网格中，距离最近的节点连接。

10.一种修复体，其特征在于，所述修复体基于如权利要求1-9任一项所述的立体模型构建方法，通过3D立体打印制备获得。