CN110522501A

CN110522501A - 3d打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法

Info

Publication number: CN110522501A
Application number: CN201910732472.9A
Authority: CN
Inventors: 刘宏伟; 蒋俊锋; 顾勇; 张文; 翁益平; 徐南伟; 张云坤; 魏辉; 王庆; 周鑫叠; 李栋
Original assignee: Changzhou Second Peoples Hospital
Current assignee: Changzhou Second Peoples Hospital
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN110522501B

Abstract

本发明属于图像信息处理技术领域，公开了一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，首先对CT图像进行预处理；然后进行CT图像的分割；之后重建好典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行三维骨骼模型的修复重建处理；对面向骨骼解剖复位的数字化网格配准算法进行研究；对经置钉方案优化的个性化手术导板进行设计；对个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能进行优化；对三维模型进行打印，进行基于三维打印的骨科植入物治疗。本发明对于缩短骨科术前规划周期、提高个性化内植物植入效率和力学性能、减少手术时间和手术创伤，以及促进骨科内植物产业发展均有着重要的理论意义和临床应用价值。

Description

3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法

技术领域

本发明属于图像信息处理技术领域，尤其涉及一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：传统骨科手术前，医生一般通过X光、CT等影像学方法了解病情，然后在二维图纸或脑海中进行手术规划与模拟。这一方法很难直观了解伤病骨骼区域，难以进行复杂的手术模拟，且对医生的业务水平和想象力有较高的要求。和数字模型相比，三维打印实体模型提供了更逼真的环境。医生可在术前作出准确的诊断，制定详细的手术方案，评估术中可能存在的风险，并在实物模型上操作练习，从而缩短手术时间、提高手术成功率。通过制造伤病骨部位1∶1的三维实体模型，可提前选择合适型号的骨科植入物、对通用植入物进行变形处理，进一步缩短手术时间。

解剖结构复杂或邻近重要组织的手术一般对术中定位有较高的要求，比如，粉碎性骨折的复位需要在术中确定定位螺钉打入的位置和方向。传统方法往往依靠医生的解剖知识及经验，由于患者解剖结构的个体化及医生经验的不足，如果进钉点、进钉方向及进钉深度错误，可导致手术失败，甚至危及患者生命。

借助数字化方法设计手术导板，利用三维打印技术快速制作，术中将导板与患者相对固定，可用于确定进钉点、进钉方向，进而提高手术成功率、降低手术难度、确保患者安全。与传统徒手置钉方法相比，应用导板辅助置钉更加准确；与计算机导航置钉方法相比，三维打印导板操作简单、成本低廉，并可减少术中X光透视次数，降低辐射量。

骨科植入物与病人骨骼之间良好的贴合匹配能保证假体的初始稳定，使应力均匀传导，有利于“假体-骨”界面的骨长入及愈合，是植入物长期稳定的基础。针对人体骨骼的个体差异，传统方法生产不同型号的骨科植入物，医生选择最合适的型号，然后手术时磨锉切骨或对植入物加工调整，以实现假体和骨骼间的匹配。但这一方法将导致手术创伤大、手术时间长、引发假体周围骨折等并发症；调整变形改变了植入物的生物力学性能，增加其术后松动、断裂的风险。

三维打印技术给骨科植入物设计及制造带来了前所未有的良机。根据病人的骨骼模型，设计并三维打印出个性化的骨科植入物，直接实现良好的匹配，从而缩短手术时间、降低手术并发症、提高手术质量。另外，和传统的减式制造相比，三维打印更适合加工具有复杂表面形状的个性化骨科植入物，制造成本低。

国内外研究现状分析

(1)三维打印在骨科诊疗中的应用

术前根据患者CT图像重建出三维模型，应用三维打印技术制备1:1的骨骼实体模型，有助于医生准确了解骨骼组织的局部解剖结构及病变与周围结构的关系，讨论并制定手术方案。文献《打印技术在儿童髋关节脱位翻修术中的临床应用》对髋关节脱位患者骨盆模型进行三维打印，在实体模型上进行手术规划和手术模拟。由于三维打印模型能够准确直观地反映术前骨盆畸形的立体形态和解剖结构，使手术更精确可靠，有效地减少了手术时间，提高了手术效果。文献《Three-dimensional biomodeling in complexmandibular reconstruction and surgical simulation:prospective trial》利用三维打印的下颌骨模型，术前预弯重建钛板，使其完全贴合于模型表面，省去术中弯制钛板步骤，减少了颌面骨缺损修复手术的时间。文献《个性化三维打印仿生骨骼术前诊断模型》不仅考虑到打印模型的外形与自然骨骼一样，其内部也应具有松质骨的微细网状结构, 力学性能更加接近病患者个体特征，使医生在术前可以更准确地进行手术方案的规划。基于CT图像重建可打印的三维骨骼模型，目前仍需大量的手工交互，处理耗时耗力；三维打印技术在打印速度、打印精度等方面的缺陷，也限制了其在手术规划与模拟中的应用。文献《Computer assisted orthopaedic surgery with image based individual templates》最早应用三维打印手术导板于腰椎椎弓根置钉的研究，此后迅速推广，现已广泛应用于关节、颈椎、胸椎以及其它复杂的骨科手术。针对颈椎椎弓根细小、置钉风险大的问题，文献《Deviation analysis of C2 translaminar screw placement assisted by a novelrapid prototyping drill template:a cadaveric study》术前确定螺钉尺寸、设计置入轨道，手术时在三维打印的手术导板辅助下进行螺钉置入，简便准确，缩短了手术时间，减少医生及患者的辐射量。在复杂四肢骨折中，文献《Applicationof computer-generatedstereolithographyand inter-positioning template in acetabular fractures:areport of eight cases》利用三维打印导板辅助螺钉及内固定材料的准确置入，可缩短手术时间，减少并发症发生，手术效果令人满意。应用三维打印的手术导板，在提高手术操作便利性的同时，可减少置钉穿孔率及方向错误率，置钉准确率远高于传统方法。然而，目前手术导板的个性化设计仍然缺少专业软件，对于复杂的手术，手术导板构建难度大、成本高。复杂创伤常造成局部骨质的缺损及周围粉碎性骨折，理想的治疗方案是依照患者骨折分型及骨质缺失情况进行个体化植入物的设计及治疗，在达到最佳固定稳定性的同时修复骨质缺损。文献[《计算机辅助个体化人工半骨盆的设计与应用》利用三维打印的患者个体化骨盆假体，进行了世界首例半骨盆置换手术。文献《西京医院骨科完成亚洲首例3D打印钛合金骨盆假体值入术》完成亚洲首例钛合金三维打印骨盆肿瘤假体植入术。文献《3D打印钛合金骨小梁金属臼杯全髋关节置换术的短期疗效》研究了三维打印钛合金骨小梁金属臼杯，在初次全髋关节置换术中的短期应用，短期疗效良好。然而和传统加工方法相比，三维打印植入物机械强度较低、抗疲劳性较差，较难适应术后的高强度长期使用，这已成为限制三维打印骨科植入物应用于临床的关键环节。

(2)面向骨骼模型的图形图像处理方法

三维骨骼模型的获取，一般需要经过CT图像采集、图像预处理、图像分割、三维重建四个步骤。对于成像设备获取的图像，一般存在失真与噪声，首先需要对CT图像进行预处理，增强图像质量。图像去噪通常采用滤波运算，常用的有均值滤波、中值滤波、低通滤波等；图像增强通常采用直方图均衡、拉普拉斯锐化等方法。人体CT图像包括骨骼和软组织两部分，而骨骼的灰度值一般低于软组织，因此可以利用图像分割算法取出骨骼区域。CT图像分割方法按其性质可分为四类：基于区域的分割方法、基于边界的分割方法、基于模型的分割方法以及基于图谱的分割方法。基于灰度信息的分割是最为普遍应用的骨分割方法，而阈值分割是该类方法的代表。另外，基于形状先验知识的分割算法近年来也得到了广泛的关注。利用图像分割的结果，通过等值面提取或基于轮廓线的算法，可以得到三维骨骼的表面模型。

基于CT图像的三维骨骼模型重建方法，仍存在建模困难、交互工作量大等问题。主要原因是医学图像的特殊性造成算法难以自动处理，比如：骨骼间的间隙过小，造成相邻骨骼间的边界模糊；松质骨的灰度值介于骨骼和软组织之间，区分困难；病变骨骼的缺损塌陷，造成骨骼边界穿插。

另外，当前方法得到的三维骨骼模型，一般用于医生交互观察，往往存在顶点数过多、包含空洞、孤立面、多层结构、含有大量噪声等情况，无法进行三维打印。对几何模型的优化处理，在计算机图形学领域得到了广泛的研究。比如，为了减少几何模型的数据量，可以对网格模型进行简化，在尽量保持曲面特征的情况下，减少顶点、面片和边的数量。针对模型表面含有空洞、自相交、面片重合等几何位置缺失或者交叠，可以进行几何错误的修复。对于模型上含有的多余环、孤岛和空洞，可以进行拓扑错误的修复和去除，生成拓扑规范、易于处理的高质量网格。进一步，可在尽量保持几何细节的前提下，抑制模型上的噪声。骨骼模型上解剖学语义下的三维网格分割，对于医生确定骨折分型、实现骨折位置、方向、移位程度等定量测量具有重要的意义。对不同骨块三维模型进行拼接、进行个性化植入物和导板的设计，首先需要对骨骼模型进行配准。三维模型间的刚性配准，一般利用迭代最近点或者随机抽样一致等算法。对于可变形物体，可以进行非刚体配准；通过多个模型间的全局配准，可以减少局部两两配准引起的误差累计。

三维骨骼模型的几何处理，有其特殊性。比如，在粉碎性骨折中，骨块不仅有位移、旋转，还有互相穿插、挤压拉伸等非规则形变；三维骨骼模型的处理，不仅需要考虑几何属性，还需考虑生物力学、解剖结构方面的约束。目前通用的图形处理算法，在处理三维骨骼模型的修复、分割、配准时还有一定的困难。相关处理软件目前依赖专业人员大量的人工交互，自动化程度较低。本发明拟结合人体骨骼的先验知识，针对三维打印在骨科诊疗中的应用，研发相应的模型处理算法，提高算法处理效率、提升自动化程度、改进模型优化结果。

(3)面向三维打印的数字化技术改进研究

针对骨科诊疗中的应用需求，目前的三维打印技术还存在一些共性问题，如打印速度较慢、打印材料较贵、可打印物体尺寸较小、打印物体的力学性能较差等。这些问题的解决，离不开电子机械、材料科学的发展。除此之外，在现有硬件条件下，研究人员也考虑利用数字化技术和图形算法，对三维几何模型和打印数据进行优化处理，以提高三维打印的效果。三维打印需对三维模型切片逐层打印，传统等层厚切片会产生模型精度与打印时间之间的矛盾：分层厚度小，模型精度有保证，但打印时间长；反之，打印时间缩短，但易导致模型阶梯误差大。针对这一问题，文献《Saliency-Preserving Slicing Optimizationfor Effective 3D Printing》提出了一种基于几何显著性的网格模型自适应切片方法，通过对模型中不同视觉显著度的部分设置不同的切片层厚，在保证打印模型视觉效果的前提下，节省三维打印时间。切片计算的下一步是打印路径规划，通过减少空行程，减少扫描路径在不同区域的跳转次数，缩小每一层截面之间的扫描间隔，可以进一步提高打印速度。通过模型优化，尽量较少悬空部分的支撑结构，可以减少打印时间，且可避免后期去除支撑材料的操作时间。三维打印成本与材料消耗成正比，因此研究人员考虑如何能在不牺牲打印质量的前提下，通过优化模型来减少打印材料消耗。文献《Cost-effectiveprinting of 3D objects with skin-frame structures》将模型表达成一个很薄的蒙皮以及内部的刚架结构，使得在满足所要求的物理强度、受力稳定性、自平衡性及可打印性等要求下，表达后的物体所使用的打印材料最小。文献《Build-to-last:Strength toweight 3D printed objects》采用蜂窝结构作为模型的内部结构，在减少材料损耗的同时保证了模型的强度。针对三维打印物体尺寸的限制，一个可行的解决方案是将其分割为多块可打印的小对象，然后再将其组装成一个整体大物体。文献《Chopper: partitioningmodels into 3D-printable parts》采用平面分割，每次均将处理对象一分为二，逐步细化，最终形成一个树状层次分割结果。然而，骨骼模型和人工假体的三维打印优化，不仅需要考虑其几何属性，还需要考虑解剖结构和生物力学特征，目前相应的算法还未见报道。

针对三维打印物体的强度问题，文献《Stress relief:improving structuralstrength of 3D printable objects》通过对三维模型进行应力结构分析进行自动检测，并使用增加支柱、加厚、挖空三种操作对模型的结构强度进行修正。文献《Worst-casestructural analysis》寻找一种最不利荷载的情况，并据此识别出模型上最易破坏或最大变形区域，以提醒用户对相应区域修改。文献《Physical reproduction of materialswith specified subsurface scattering》通过优化不同材料之间层次叠加的组合方式，使得打印模型能够达到给定外力时的形变效果。利用图形优化算法，还有研究人员进行打印模型重心优化、机构设计、自支撑机构设计等工作。然而，骨科治疗对三维打印模型的力学强度和抗疲劳性有较高的要求，特别是髋膝关节、下肢骨骼这类承重部位，即使利用上述优化算法，目前三维打印技术仍无法完全满足骨科诊疗的需求。

随着社会生活水平的提高，机动车数量激增导致交通事故增加，以及人口老龄化进程加速，骨科诊疗需求越来越多、要求也越来越高，我国每年仅骨缺损患者就高达300万例，骨科植入物的销售量每年以20％的速度递增。三维打印特别适合于打印人体骨骼相关工具及骨科植入物这类具有复杂表面及空间结构的物体，包括创伤接骨板、人工关节假体、脊柱内植物、以及肿瘤骨缺损内植物等，为骨科诊断治疗、医疗器械产业发展提供了新的契机。基于三维打印的骨科诊疗中亟待解决的关键问题，为数字骨科技术提供了新的机遇。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)基于CT图像的三维骨骼模型重建，仍存在建模困难、交互量大。

(2)对于个性化骨科植入物和手术导板的设计，需要熟练掌握相关的医学和CAD设计软件，且需要有一定的手术经验，对人员要求较高。

(3)三维打印骨科植入物力学性能的机械强度较低、抗疲劳性较差，较难适应术后高强度长期使用。

解决上述技术问题的难度：

骨骼模型和人工假体的三维打印优化，不仅需要考虑其几何属性，还需要考虑解剖结构和生物力学特征，目前相应的算法还未见报道。

骨科治疗对三维打印模型的力学强度和抗疲劳性有较高的要求，特别是髋膝关节、下肢骨骼这类承重部位。

解决上述技术问题的意义：

三维打印根据物体的三维数字模型，通过逐层增加材料进行离散堆积，简化产品的制造程序、缩短研制周期、提高效率并降低成本，被视为第三次工业革命的重要标志之一。随着三维打印技术的发展、设备成本的降低，目前已应用于航空航天、工业制造、生物医学等领域。三维打印特别适合应用于人体骨骼这类复杂的表面及空间结构，为骨科诊断治疗、医疗器械产业发展带来了新的机遇。三维打印技术在骨科诊疗中的应用主要体现在以下三个方面，如图3 所示。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法。

本发明是这样实现的，一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，所述3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法包括以下步骤：

步骤一，对CT图像进行预处理；然后进行CT图像的分割；之后重建好典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行三维骨骼模型的修复重建处理；

步骤二，对于骨缺损较多、正常骨骼和配准骨骼应用实体布尔差运算，求出对应个性化骨科植入物的形状；

步骤三，对个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能优化；

步骤四，对待打印的三维模型进行三维分割、三维装箱、结构优化、自适应切片操作；

步骤五，对三维模型进行打印，进行基于三维打印的骨科植入物治疗。

进一步，在CT图像的分割中，通过将CT断层图像与分割好的模板断层图像建立对应关系，将难以分割的边缘区域参照模板进行分割；具体实现包括：先将两者的CT图像做非刚体配准，将模板图像中的分割线作为初值，利用 Snake模型或水平集等方法进行迭代优化；通过等值面提取或基于轮廓线的算法，得到三维骨骼的表面模型；拟合出形状最接近的骨骼模板，再根据曲率变化、极值点、CT图像灰度值特征将模板向CT重建的骨骼模型变形对齐，实现骨骼模型的修复。

进一步，构造正常骨骼的参考模型，通过优化骨块间的配准、以及骨块与参考模型间的配准来实现较好的对齐；参考骨骼模型通过镜像健康骨，或者参数化变形的模板网格得到。

进一步，进行骨骼的解剖复位，考虑几何匹配与力学功能恢复的依次迭代优化，构建包含所有约束的能量方程，进行整体模型的优化求解。

进一步，所述个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能优化，通过组配型和一体化型两种个性化人工关节假体植入物设计方案，将传统加工方法制作的标准化植入物与三维打印的个性化植入物结合实现。

进一步，所述基于三维打印的骨科植入物治疗包括：手术规划与模拟演练、建立手术导板、个性化接骨板、个性化关节假体四部分。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

(1)本发明充分利用人体骨骼二维CT图像和三维几何形状的先验知识，实现三维骨骼模型的快速生成和自动优化，解决传统方法交互量大、自动化程度低的问题。

(2)面向骨骼解剖复位的数字化网格配准及置钉方案优化，同时考虑几何形状与力学功能的复位，降低了医生进行复杂手术规划与操作的难度。

(3)本发明将传统加工方法制作的标准化植入物与三维打印的个性化假体植入物相结合，优势互补，在实现良好几何匹配的同时具有较好的生物力学性能，扩展了三维打印在骨科中的应用范围。

(4)紧扣实际应用需求。随着社会发展，机动车数量激增、人口老龄化加速，骨科诊疗需求越来越多、要求越来越高。另一方面，三维打印的出现和普及，为提升骨科诊疗效果、降低诊疗成本带来了新的机遇。本发明围绕三维打印在骨科诊疗应用中亟待解决的三维骨骼模型生成困难、植入物与手术导板设计繁琐、三维打印效率低、打印模型力学性能差等实际问题，开展了关键图形算法的研究。

(5)多学科交叉性强。本发明结合计算机图形学、计算机辅助设计、三维打印、数字骨科、生物力学等领域的应用发展趋势，引进了基于模板的图像分割、三维模型数据库、网格变形、几何形状描述算子、全局配准、实体布尔运算、随机搜索算法、应力分析、网格分割、三维装箱、自适应切片、曲面提取、碰撞检测、有限元仿真等重要思想及工具，通过这些学科的进一步交叉，寻求解决应用问题的有效途径。

(6)完整的系统框架。三维打印在骨科诊疗中的应用主要体现在手术规划与模拟、建立手术导板、个性化骨科植入物三个方面。本发明对涉及的基于CT 图像的三维骨骼模型生成、骨骼模型优化、骨骼解剖复位、手术导板生成、个性化植入物设计、高效三维打印、实验验证等完整流程进行了系统的研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法流程图。

图2是本发明实施例提供的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法的总体框架与流程图。

图3是本发明实施例提供的三维打印在骨科诊疗中的应用示意图；

图中：(a)是手术规划与模拟；(b)是建立手术导板；(c)是个性化骨科植入物。

图4是本发明实施例提供的CT图像重建得到的三维骨骼模型示意图。

图5是本发明实施例提供的面向骨骼解剖复位的网格配准示意图；

图中：(a)是破碎骨块模型；(b)是正常骨骼参考模型；(c)是骨骼配准效果。

图6是本发明实施例提供的骨折螺钉固定和手术导板示意图。

图7是本发明实施例提供的传统假体植入和组配式个性化假体植入效果图；

图中：(a)是传统股骨柄假体植入效果；(b)是股骨外表面、髓腔内表面曲面提取；(c)是标准化股骨柄与个性化袖套组配效果；(d)是(EBM RP)金属3D打印个性化股骨假体袖套+传统锻造标准化柄体(组配型)。

图8是本发明实施例提供的一体化型个性化股骨假体模型示意图。

具体实施方式

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法包括以下步骤：

S101，对CT图像进行预处理；然后进行CT图像的分割；之后重建好典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行三维骨骼模型的修复重建处理。

S102，对于骨缺损较多的情况，对正常骨骼和配准骨骼应用实体布尔差运算，求出对应个性化骨科植入物的形状，进行骨骼的解剖复位。

S103，对个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能优化。

S104，对待打印的三维模型进行三维分割、三维装箱、结构优化、自适应切片操作。

S105，对三维模型进行打印，进行基于三维打印的骨科植入物治疗。

步骤S101中，本发明实施例提供的CT图像的分割，重建典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行三维骨骼模型的修复重建处理具体包括：

通过将CT断层图像与分割好的模板断层图像建立对应关系，将难以分割的边缘区域参照模板进行分割；

具体实现包括：

先将两者的CT图像做非刚体配准，将模板图像中的分割线作为初值，利用Snake模型或水平集等方法进行迭代优化；通过等值面提取或基于轮廓线的算法，得到三维骨骼的表面模型；拟合出形状最接近的骨骼模板，再根据曲率变化、极值点、CT图像灰度值特征将模板向CT重建的骨骼模型变形对齐，实现骨骼模型的修复。

本发明实施例提供的骨骼模型变形对齐具体包括：

构造正常骨骼的参考模型，通过优化骨块间的配准、以及骨块与参考模型间的配准来实现较好的对齐；参考骨骼模型通过镜像健康骨，或者参数化变形的模板网格得到。

步骤S102中，本发明实施例提供的利用实体布尔差运算求出对应个性化骨科植入物的形状具体包括：

(1)计算正常骨骼中各顶点坐标的最值；

(2)计算配准骨骼中各顶点坐标的最值；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)中得到的最值，求出正常骨骼以及配准骨骼中各顶点坐标的最大值和最小值，建立正常骨骼与配准骨骼的包围盒；由最值组成八个顶点作为包围盒的顶点，然后把相应顶点组合成面，从面形成一个补集提；

(4)把补集体的顶点和面分别加入配准骨骼的顶点表和面表中，把补集体作为配准骨骼的外壳，调整配准骨骼各面顶点顺序后作为内壳，由内壳和外壳组成配准骨骼的补集体；所述配准骨骼的补集体即为个性化骨科植入物的形状。

步骤S102中，本发明实施例提供的骨骼的解剖复位具体包括：

通过几何匹配与力学功能恢复的依次迭代优化，构建包含所有约束的能量方程，进行整体模型的优化求解。

步骤S103中，本发明实施例提供的对个性化人工关节假体(组配型/一体化型)的几何形态匹配与力学性能进行优化具体包括：

所述个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能优化，通过组配型和一体化型两种个性化人工关节假体植入物设计方案，将传统加工方法制作的标准化植入物与三维打印的个性化植入物结合实现。

步骤S103中，本发明实施例提供的三维模型的三维分割方法具体包括：

采用自底向上地聚类对三维模型表面进行分割，然后找出合适的切割面对整体进行划分；

具体包括：

(1)随机取了m个打印方向d_i作为样本方向，从而减少搜索耗费，在分割质量与运行时间上达到一个好的权衡状态；然后在m个大小的样本方向集合D_init中选出候选方向，具体操作如下：

设三维模型S的表面网格用集合F表示，三角网格用f_i(f_i∈F)表示；对于每个方向d_i，统计出所有法线与d_i所成角度θ位于区间[60°，120°]的三角网格f_i，用f^*表示满足要求的网格集合，而后求出f^*中所有网格的面积和，定义为方向d_i的覆盖分数，具体如下：

而后根据每个打印方向d_i覆盖得分的高低，从D_init选出候选打印方向集合D，当模型完全被覆盖时为止，即要保证每个网格都有所对应的打印方向；

(2)对于D_init中每一个候选打印方向d_i，让网格f^*对适合其打印的方向d_i投票；对所有的投票结果以及m个三角网格、以及n个打印方向统一到一个二值矩阵M＝(m_ik)_m*n}中，即m_ij＝0 or 1；

当m_ij＝1时，表示在以方向d_i打印时，网格f_i与d_i的夹角满足预设范围，否则m_ij＝0；

显然，矩阵M记录了每一个三角网格与打印方向的关系，如果样本点对相同的打印方向d_i投票，则它们有可能相邻并属于相同的单元；

故简单地通过遍历一次矩阵M对三角网格进行聚类，将拥有相同行的网格分为一类形成单元；

(3)设立相似度矩阵S，表示各单元之间的相似度；

矩阵大小为n*n，n为单元的数量；为了在较高的表面质量以及分块间的紧密度之间做出平衡，将矩阵各项定义如下：

u_i∩u_j≠0表明单元C_i与C_j是邻接的，此外：

用上述两式分别评估表面质量以及分块间的紧密性，其中l(u_i)表示单元u_i的边界线长度；

得到矩阵A后，使用Ncut算法基于矩阵A进行聚类，将相似度高的单元聚类得到最终的分块；当单元合并成分块后，每个分块都有与之对应的候选方向向量集合，这个集合是由组成分块的单元所对应的打印方向试的并集构成的，而后根据表面质量评价函数确定最优打印方向；

表面质量评价函数如下：

上式中M为整个表面网格，f表示每一个三角网格，其中：

E(f)＝C*area(f)。

步骤S103中，本发明实施例提供的三维模型的三维装箱算法具体包括：

对待装箱的三维模型进行体素化处理，生成初始装箱序列，使用禁忌搜索寻找装箱序列，输出装箱序列以及对应的装箱结果；

所述禁忌搜索具体包括：

初始化装箱序列，按照序列顺序对分块进行装箱，选择最优移动方案并记录，评价装箱结果并判断装箱结果是否满足终止条件，若满足则输出序列以及装箱结果；若不满足，则生成候选序列。

步骤S105中，本发明实施例提供的基于三维打印的骨科植入物治疗具体包括：

所述基于三维打印的骨科植入物治疗包括：手术规划与模拟演练、建立手术导板、个性化接骨板、个性化关节假体四部分。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例提供的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法包括以下步骤：

步骤一，基于先验知识对三维骨骼模型进行重建与优化；首先对CT图像进行预处理；然后进行CT图像的分割；之后重建好典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行三维骨骼模型的修复重建处理。

步骤二，对面向骨骼解剖复位的数字化网格配准算法进行研究；对于骨缺损较多的情况，对正常骨骼和配准骨骼应用实体布尔差运算，求出对应个性化骨科植入物的形状。

步骤三，对经置钉方案优化的个性化手术导板进行设计；个性化植入物；对个性化人工关节假体(组配型/一体化型)的几何形态匹配与力学性能进行优化。

步骤四，对待打印的三维模型进行三维分割、三维装箱、结构优化、自适应切片等操作。

实施例2：

(1)基于先验知识的三维骨骼模型重建与优化

三维骨骼模型的快速生成和自动优化，是三维打印应用于骨科诊疗的基础。然而，目前基于CT图像的三维骨骼重建质量和自动化程度仍然较低。本发明拟充分利用人体骨骼CT图像和几何形状的先验知识，提升二维图像分割、三维骨骼模型重建优化的准确率和自动化程度。

对于正常人体骨骼，同一类骨骼一般具有相同的结构特征。因此，可以对CT图像进行预处理、重建好典型的三维骨骼模型，以典型模型为模板，对其它骨骼基于模板进行修复重建处理。在CT图像的分割中，通过将CT断层图像与分割好的模板断层图像建立对应关系，将难以分割的边缘区域参照模板进行分割。具体实现包括：先将两者的CT图像做非刚体配准，然后将模板图像中的分割线作为初值，利用Snake模型或水平集等方法进行迭代优化。通过等值面提取或基于轮廓线的算法，可以得到三维骨骼的表面模型；然后拟合出形状最接近的骨骼模板，再根据曲率变化、极值点、CT图像灰度值等特征将模板向 CT重建的骨骼模型变形对齐，从而实现骨骼模型的修复。

对于病变区域的骨骼，需要实现直观高效的交互环境，特别是在多层CT图像上的快速交互，能够方便医生进行骨骼区域的分割和提取。另外，需要考虑更鲁棒的几何形状描述算子，如shape context，integral invariants，heat kernel signature等，来进行模板网格向重建网格的变形。进一步，可以将优化的骨骼网格重新投影到CT图像空间，利用对应的边界指导CT图像分割，并进行迭代优化。算法基本流程如图2(1)所示。

(2)面向骨骼解剖复位的数字化网格配准算法

对于复杂的骨创伤，已有的商业软件一般缺少智能化处理工具。比如复杂的粉碎性骨折，需要对数十块碎骨模型进行拼接，然后才能确认手术方案。现有的手术规划大都依靠医生经验手工排放碎骨，耗时且不准确。而碎骨间曲面的不贴合，会加大接触压力，引起退行性变。针对这一问题，本发明拟研究面向骨骼解剖复位的网格配准算法，如图5所示。

和三维扫描领域经典的几何配准算法相比，CT重建的网格模型具有质量低、骨块模型上可能存在缺失和形变等缺陷。为了降低配准算法的难度，可以构造正常骨骼的参考模型，通过优化骨块间的配准、以及骨块与参考模型间的配准来实现较好的对齐。参考骨骼模型可以通过镜像健康骨，或者参数化变形的模板网格得到。进行骨骼的解剖复位，需要考虑骨块间接触面的对位匹配，还需要考虑不同骨折段间在纵向上的对线一致，具体实现包括：首先考虑几何匹配与力学功能恢复的依次迭代优化，减少算法计算量；最后可以构建包含所有约束的能量方程，进行整体模型的优化求解。另外，对于骨缺损较多的情况，对正常骨骼和配准骨骼应用实体布尔差运算，求出对应个性化骨科植入物的形状。

(3)经置钉方案优化的个性化手术导板设计

三维打印的手术导板可以帮助医生在术中确定定位螺钉的位置和方向，如图6所示。本发明拟采取方案，在医生置钉方案的基础上，优化定位螺钉的位置和方向，进一步提高手术成功率、降低手术难度、确保患者安全。

为了实现术后良好的固定，对手术螺钉打入的位置和方向有一定的要求。比如，所有的骨块均需要被螺钉固定；螺钉需尽可能经过骨块中间的皮质骨部分，从而实现该骨块良好的固定；螺钉应尽可能避免骨折线和应力集中区域，以减少术后断钉的可能；螺钉不能穿过人体重要的组织和器官；所有的螺钉不能相交；螺钉数目不能过多，尽量减少不必要的螺钉孔数。上述问题的求解，可以近似为在几何域确定若干直线段的优化问题，需要优化直线段的个数、每根直线段的位置、方向和长度，以满足：每个骨块所在的区域至少被一根直线段穿过；直线段需尽可能通过每个骨块中间的皮质骨区域，并尽量避免通过骨折线和应力集中区域；直线段不能通过重要组织区域；所有直线段不能相交、线段间距离不能过小；在满足前述要求下，直线段的数目应尽可能少。一个求解策略，是医生给出一个置钉方案的初值，然后利用模拟退火、粒子群、遗传算法等随机搜索算法进行优化；另一个思路，是将该优化问题抽象转换为经典的计算几何问题进行求解。最后，优化的方案需要经过医生的认同，并可在尸骨、活体手术中进行验证。

(4)个性化人工关节假体(组配型/一体化型)的几何形态匹配与力学性能优化

对于髋膝关节、下肢骨骼等承重部位，目前三维打印骨科植入物的力学强度和抗疲劳性还有待提高。本发明拟通过组配型和一体化型两种个性化人工关节假体植入物设计方案，通过将传统加工方法制作的标准化植入物与三维打印的个性化植入物结合，优势互补，同时具有良好的几何匹配和优良的力学性能。本发明将首先以人工髋关节置换手术中的股骨柄假体为例进行研究。

a、方案一：个性化股骨假体的设计(组配型)：

标准化股骨柄假体很难做到与病人骨骼间的良好匹配，易于造成应力分布集中，引起假体松动断裂；为了匹配标准型号假体，手术时医生需要进行切骨扩髓，容易加大手术创伤、引发并发症。本方案拟首先建立股骨髓腔内表面的三维网格模型，然后根据对应的标准股骨柄三维模型，生成两者之间的个性化干骺端袖套三维模型(组配型)。手术时将三维打印袖套与标准股骨柄组配植入，可在实现良好几何匹配的同时，具有较好的力学性能，见实体样品模型。对于特定病人的股骨模型，选择适应型号的标准股骨柄及生成个性化袖套的几何模型，可以抽象为一个几何优化与力学仿真的过程。首先，个性化袖套需要可打印制造，其外表面需尽可能与髓腔内表面贴合，内表面需与标准股骨柄的外表面贴合；考虑到骨骼的弹性，可以实现袖套和股骨的压配；其次，髓腔内表面不是严格的上大下小结构，在碰撞检测的测试下，需要满足可安装约束；满足前述条件的同时，应尽可能减少对股骨髓腔内表面的变形修改，减少术中磨锉骨量、缩短手术时间；通过优化袖套几何形状及内部结构，优化应力分布，避免应力集中导致骨萎缩，且植入物整体需达到标准压应力、张应力、扭转应力以及剪切应力等条件下的生物力学性能要求；术后金属三维打印模型表面微小孔径会引起骨长入，优化系统也需要考虑此情况下的人工假体固定需求。

(5)个性化骨科植入物(接骨板、人工关节假体)的生物力学和骨长入验证方案

本发明将以医生、设计人员的经验为指导，与商品化软硬件系统的成熟功能有机结合，利用关键数字化技术的改进，进行基于三维打印的骨科植入物治疗，主要包括：手术规划与模拟演练、建立手术导板、个性化接骨板、个性化关节假体四部分。其中，骨骼实体模型可由低成本的挤压熔融或光固化三维打印机进行打印，用于术前演示、手术规划及手术操作模拟演练，并通过实际手术效果进行验证。个性化手术导板可采用PLA、PCA、PHA等较低成本的生物相容性材料进行打印，利于常规消毒，避免手术感染；手术导板辅助定位可先期在尸体骨标本上实验，待技术成熟后应用于真实病人的手术过程中予验证。个性化金属3D打印骨科植入物(包括接骨板和人工关节)拟采用高能电子束熔融(ElectronBeam Melting EBM)或选择性激光熔化(Selective laser melting SLM)技术进行金属三维打印，打印完成及后处理后，首先与标准化内植物进行三维有限元力学仿真对比；然后植入尸体骨标本内与标准化内植物进行生物力学对比测试。对于个性化人工股骨假体，传统标准化假体进行细胞学骨长入对比实验，并设计植入动物骨骼内，在生理应力状况下进行假体表面骨长入对比实验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，所述3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法包括以下步骤：

2.如权利要求1中所述的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，在CT图像的分割中，通过将CT断层图像与分割好的模板断层图像建立对应关系，将难以分割的边缘区域参照模板进行分割；具体实现包括：先将两者的CT图像做非刚体配准，将模板图像中的分割线作为初值，利用Snake模型或水平集等方法进行迭代优化；通过等值面提取或基于轮廓线的算法，得到三维骨骼的表面模型；拟合出形状最接近的骨骼模板，再根据曲率变化、极值点、CT图像灰度值特征将模板向CT重建的骨骼模型变形对齐，实现骨骼模型的修复。

3.如权利要求2中所述的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，构造正常骨骼的参考模型，通过优化骨块间的配准、以及骨块与参考模型间的配准来实现较好的对齐；参考骨骼模型通过镜像健康骨，或者参数化变形的模板网格得到。

4.如权利要求1中所述的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，进行骨骼的解剖复位，考虑几何匹配与力学功能恢复的依次迭代优化，构建包含所有约束的能量方程，进行整体模型的优化求解。

5.如权利要求1中所述的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，所述个性化人工关节假体的几何形态匹配与力学性能优化，通过组配型和一体化型两种个性化人工关节假体植入物设计方案，将传统加工方法制作的标准化植入物与三维打印的个性化植入物结合实现。

6.如权利要求1中所述的3D打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其特征在于，所述基于三维打印的骨科植入物治疗包括：手术规划与模拟演练、建立手术导板、个性化接骨板、个性化关节假体四部分。