CN110706825A - 一种基于三维建模和3d打印的骨科医疗平台系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，包括预处理模块：用于CT影像数据采集、分离；建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；打印模块：用于骨骼3D打印；反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台的方法。本发明将将二维CT医学影像进行数字化、立体化三维建模，通过3D打印技术制作术前设计用具及手术素材，将三维立体影像、术前设计3D影像等加载到患者档案中，能有效的与患者沟通病情、手术方案，使患者能够理解并建立对医生的信息感，减少医患间因沟通不畅导致的看病难等问题，并结合3D打印、医患平台打造出一个综合性地、现代化地骨科医疗平台。
Description
技术领域
本发明涉及临床医学智能技术领域，尤其涉及一种基于三维建 模和3D打印的骨科医疗平台系统和方法。
背景技术
近年来，骨科类疾病发病率逐年递增，因骨骼包裹于人体组织 内目前主要通过CT进行骨骼断层扫描来诊断。在医生与患者沟通 病情及治疗方案时，因CT医学影像的平面化、专业化造成患者无 法看懂，进而产生一定的沟通不畅和不信任感。医疗平台是搭建医生与患者沟通最有效的桥梁，也是医生进行术前设计、医研交互的 平台。在骨科类医疗平台中，医患交流方面缺乏一种立体三维化的 骨骼医学影像支撑病情沟通、治疗方案的共知和共识；平台不具备 术前精确设计、模拟以及术中辅助指导功能；平台不具备直接调出 患者档案和骨骼三维影像进行医研交互，只能通过视频、PPT或专 门的通讯交互平台进行。目前，缺少一个系统或方法能够改变这一 现状。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种基于三维建模和3D打 印的骨科医疗平台系统和方法。
一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，包括：
预处理模块：用于CT影像数据采集、分离；
建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；
打印模块：用于骨骼3D打印；
反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；
所述预处理模块输入端接CT医疗设备，所述预处理模块输出 端与建模模块输入端连接，建模模块输出端分别与打印模块和反馈 模块输入端连接。
优选的是，所述预处理模块包括：
接口模块：用于连接CT医疗设备，接收CT医疗设备的图像数 据；
组织分离模块：用于所述接口模块采集区域的骨骼与周边肌 肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
骨骼分离模块：用于所述组织分离模块处理后的病患骨骼与 正常骨骼的分离；
骨骼分离调整模块：用于所述骨骼分离模块处理后，对于骨 骼裂痕、碎块进行辨别确认；
骨骼优化模块：用于所述骨骼分离调整模块处理后，通过低 通滤波器实现对采集区域图像平滑处理。
优选的是，所述建模模块包括：
三维建模模块：用于所述预处理模块输出的骨骼进行三维数 字化建模；
建模优化模块：用于对所述三维建模模块生成的三维骨骼模 型依照解剖学进行医学仿真渲染，然后进行三维结构表面的平滑处 理；
模型储存模块：用于保存所述建模优化模块处理后的三维骨 骼模型，并转化为360度可控旋转模型；
拼接复位模块：用于将所述建模优化模块处理后的骨骼碎块 进行可视化的虚拟复位，恢复成损伤前骨骼原始几何形状。
优选的是，所述打印模块包括：
局部打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型划 分成骨骼和骨骼碎块，打印出骨骼及其骨骼碎块；
完整打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型数 据传入3D打印机，打印完整的骨骼模型。
优选的是，所述反馈模块包括：医患沟通模块、设计与辅助 模块和医研模块，且所述医患沟通模块、设计与辅助模块和医研模 块分别与所述建模模块连接。
优选的是，所述设计与辅助模块包括：
术前设计模块：用于显示三维骨骼模型、修复方案设计，支 持方案中骨骼修复的动态、模拟过程可视化；
辅助指导模块：用于通过打印骨骼实物模型，及可视化修复 方案，辅助医生在手术时顺利完成手术。
优选的是，所述医研模块包括：
教研模块：调研步骤能够调取患者案例信息，包括三维建模， 修复方案，治疗过程等可视化数据，进行相关学术讨论、研究，并 对3D打印进行追溯管理；
医生讲座模块：在讲座平台，医生能够搭配案例，进行有针 对性的多人线上讲座交流，可以用于医生与医生之间的学术讲座， 也可以用于支持患者平台的知识普及可视化讲座。
本发明同时公开了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平 台的方法，包括如下步骤：
步骤1，所述预处理模块接收CT医疗设备的骨骼数据并传输至 所述建模模块；
步骤2，所述建模模块对步骤1的接收数据进行三维建模、模 型平滑、模型拼接和保存；
步骤3，所述打印模块对步骤2的三维模型进行局部打印和完 整打印，得到实体的骨骼碎块模型和完整骨骼模型；
步骤4，所述反馈模块提取步骤2保存的三维模型，进行医患 沟通，为术前提供指导，并以此作为医学交流和研究的信息。
优选的是，所述步骤1中要求CT医疗设备的像素矩阵为 512×512，并以DICOM格式接收。
优选的是，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1，所述接口模块以DICOM格式接收CT医疗设备的图像 数据；所述CT医疗设备的像素矩阵大小为512×512。
步骤1.2，所述组织分离模块将步骤1.1的图像数据，进行骨骼 与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
步骤1.3，所述骨骼分离模块将步骤1.2处理的图像数据进行相 邻骨骼分离；
步骤1.4，所述骨骼分离调整模块将步骤1.3处理的图像数据进 行骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
步骤1.5，所述骨骼优化模块使用cv2.GaussianBlur()函数，通 过低通滤波器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周 围像素点的加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理。
优选的是，所述步骤1.2将CT影像处理成0和255的值，0代表 黑色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加 权平均，获取较为明显的轮廓区域，公式为：
Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
优选的是，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，所述三维建模模块通过GlodSectionRatio算法建立三 维骨骼模型；
步骤2.2，所述建模优化模块使用Edit Masks对步骤2.1的三维 骨骼模型进行医学仿真渲染
步骤2.3，所述模型储存模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 保存为.Mcs、.stl三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件；
步骤2.4，所述拼接复位模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 进行可视化的虚拟复位。
本发明有益效果：
本发明提供了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系 统和方法，将二维CT医学影像进行数字化、立体化三维建模，通 过3D打印技术制作术前设计用具及手术素材；将三维立体影像、 术前设计3D影像等加载到患者档案中，能有效的与患者沟通病情、手术方案，使患者能够理解并建立对医生的信息感，减少医患间因 沟通不畅导致的看病难等问题。医患间能够通过平台进行沟通交流， 医生能够进行术前方案设计，并可视化虚拟手术方案、术中进行辅 助指导，术后跟踪康复情况。本发明将传统的经验诊疗模式转变成数字化、精准化、互动化、个体化模式，服务于医患间、医研间、 医教间，打造出一个综合性地、现代化地骨科医疗平台。
附图说明
图1是本发明专利的整体流程结构图；
图2是本发明专利的三维立体文件效果示意图；
图3是本发明专利骨骼表面优化示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实 施例的限制。
请参见附图1至附图3所述，一种基于三维建模和3D打印的骨 科医疗平台系统，包括：
预处理模块：用于CT影像数据采集、分离；
建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；
打印模块：用于骨骼3D打印；
反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；
所述预处理模块输入端接CT医疗设备，所述预处理模块输出 端与建模模块输入端连接，建模模块输出端分别与打印模块和反馈 模块输入端连接。
进一步地，所述预处理模块包括：
接口模块：用于集成CT医疗设备的接口模块，接口模块接收 如西门子Emotion16排螺旋CT、美国GE的Speed Light16排螺旋CT 床等各大医院常用的CT设备的数据，要求设置像素矩阵大小为 512X512，根据骨骼的部位选择适合的扫描层厚，以DICOM格式传 入接口中。
组织分离模块：在接收到CT影像数据采集后，要进行采集区 域骨骼与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值，提取 灰度值属于骨骼值的部分进行分离，获取较为完整的骨骼部分。所 谓灰度值就是将CT影像处理成0和255的值，0代表黑色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权平均，获取较 为明显的轮廓区域，公式表现为：
Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
骨骼分离模块：在骨骼与软组织分离后，要处理病患骨骼与正 常骨骼的分离，因骨骼之间依靠韧带、软骨相连接，细化灰度值及 图像特征，将相邻骨骼进行渐离处理。
骨骼分离调整模块：在相邻骨骼分离后，人工判断调整，对于 骨骼裂痕、碎块进行辨别确认。
骨骼优化模块：在获取所需骨骼CT影响后，对骨骼外轮廓进 行去噪处理，使用cv2.GaussianBlur()函数，见下式。通过低通滤波 器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周围像素点的 加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理，效果如附图3所示。
进一步地，所述建模模块，如图1所示，包括：
三维建模模块：CT影像采用512X512矩阵高清率，通过 GlodSectionRatio算法进行骨骼三维数字化建模。设置三维正交数 据场，表达式为
Oi,j,k＝O(xi,yj,zk)
(i＝1...Nx,j＝1...Ny,z＝1...Nk)
通过棱边分割，如果点F在棱边x轴上
通过棱边分割，如果点F在棱边y轴上
通过棱边分割，如果点F在棱边z轴上
三维模型点点的法向量表达式为
其中c 为阈值，V为点灰度值，N为法向量。
当点F在棱边x轴上
当点F在棱边y轴上
当点F在棱边z轴上
通过GlodSectionRatio算法的三维建模误差率几乎看不见，使 用本算法点法向量只需要计算3次。
建模优化模块：在完成三维建模后，集成Edit Masks对生成的 三维图像依照解剖学进行医学仿真渲染，然后进行三维结构表面的 平滑处理，使模型更为逼真。
模型储存模块：将建模优化后的生成文件保存为.Mcs、.stl等 三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件。
拼接复位模块：将三维建模后的骨骼碎块进行可视化的虚拟复 位，恢复成损伤前骨骼原始几何形状，复位的方式将会成为术前设 计、术中辅助的重要依据和参考。根据视觉原理进行骨骼裂痕或断 切面吻合度匹配，排列组合找到所有碎骨完美匹配的方案，如果无 法完全匹配，将会人工调整或虚拟修复部分碎裂骨骼，例如骨骼已 经粉碎，无法复原的情况。
进一步地，所述打印模块包括：
局部打印模块：将三维建模数据划分成骨骼和骨骼碎块传入到 3D打印机，3D打印机会根据三维数字值打印出骨骼及其骨骼碎块， 主要用于医生和患者进行病情沟通、治疗方案的探讨等，实物化骨 骼更容易让患者理解，也可以用于对术前方案的认证等。
完整打印模块：根据骨骼拼接后的模型数据传入3D打印机， 打印完整的骨骼模型，主要用于大块骨骼替代性骨骼进行修复治疗。
进一步地，所述反馈模块包括：
医患沟通模块：分别维护医生个人信息库及患者信息库，同时 建立起医患间电子病历管理，在电子病历中加载骨骼病患CT平面 及三维建模后立体影像资料。患者能够快速查看到本人的诊断记录、 治疗方案，进行术后恢复反馈，在治疗过程中和主治医生咨询及观 看相关学习讲座；医生能够与患者线上沟通，留言解答，可以快速 调阅患者电子病历，进行术前设计，对患者术后情况进行跟踪及评 估。
设计与辅助模块：用于术前设计的术前设计模块：使用三维建 模、3D-MAX等进行骨骼拼接、修复方案设计，系统支持方案中骨 骼修复的动态、模拟过程可视化显示，并能评估骨骼拼接的吻合度 等效果；辅助指导模块用于术中的辅助指导模块：在手术过程中， 可以辅助指导骨骼修复手术的完成，通过3D打印实物骨骼，及可 视化修复方案，能辅助医生在手术时顺利完成手术。
医研模块：用于医生教研的教研模块，调研模块能够调取患者 案例信息，包括三维建模，修复方案，治疗过程等可视化数据，进 行相关学术讨论、研究，并对3D打印进行追溯管理；用于医生讲 座的医生讲座模块，在讲座平台，医生能够搭配案例，进行有针对 性的多人线上讲座交流，可以用于医生与医生之间的学术讲座，也 可以用于支持患者平台的知识普及可视化讲座。
本发明同时公开了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平 台的方法，包括如下步骤：
步骤1，所述预处理模块接收CT医疗设备的骨骼数据并传输至 所述建模模块；
步骤2，所述建模模块对步骤1的接收数据进行三维建模、模型 平滑、模型拼接和保存；
步骤3，所述打印模块对步骤2的三维模型进行局部打印和完整 打印，得到实体的骨骼碎块模型和完整骨骼模型；
步骤4，所述反馈模块提取步骤2保存的三维模型，进行医患沟 通，为术前提供指导，并以此作为医学交流和研究的信息。
优选的是，所述步骤1中要求CT医疗设备的像素矩阵为512× 512，并以DICOM格式接收。
优选的是，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1，所述接口模块以DICOM格式接收CT医疗设备的图像 数据；所述CT医疗设备的像素矩阵大小为512×512。
步骤1.2，所述组织分离模块将步骤1.1的图像数据，进行骨骼 与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
步骤1.3，所述骨骼分离模块将步骤1.2处理的图像数据进行相 邻骨骼分离；
步骤1.4，所述骨骼分离调整模块将步骤1.3处理的图像数据进 行骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
步骤1.5，所述骨骼优化模块使用cv2.GaussianBlur()函数，通 过低通滤波器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周 围像素点的加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理。
优选的是，所述步骤1.2将CT影像处理成0和255的值，0代表黑 色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权 平均，获取较为明显的轮廓区域，公式为：
Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
优选的是，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，所述三维建模模块通过GlodSectionRatio算法建立三 维骨骼模型；
步骤2.2，所述建模优化模块使用Edit Masks对步骤2.1的三维骨 骼模型进行医学仿真渲染
步骤2.3，所述模型储存模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 保存为.Mcs、.stl三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件；
步骤2.4，所述拼接复位模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 进行可视化的虚拟复位。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本 发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都 可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书 所界定的为准。
Claims (10)
1.一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，包括：
预处理模块：用于CT影像数据采集、分离；
建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；
打印模块：用于骨骼3D打印；
反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；
所述预处理模块输入端接CT医疗设备，所述预处理模块输出端与建模模块输入端连接，建模模块输出端分别与打印模块和反馈模块输入端连接。
2.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述预处理模块包括：
接口模块：用于连接CT医疗设备，接收CT医疗设备的图像数据；
组织分离模块：用于所述接口模块采集区域的骨骼与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
骨骼分离模块：用于所述组织分离模块处理后的病患骨骼与正常骨骼的分离；
骨骼分离调整模块：用于所述骨骼分离模块处理后，对于骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
骨骼优化模块：用于所述骨骼分离调整模块处理后，通过低通滤波器实现对采集区域图像平滑处理。
3.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述建模模块包括：
三维建模模块：用于所述预处理模块输出的骨骼进行三维数字化建模；
建模优化模块：用于对所述三维建模模块生成的三维骨骼模型依照解剖学进行医学仿真渲染，然后进行三维结构表面的平滑处理；
模型储存模块：用于保存所述建模优化模块处理后的三维骨骼模型，并转化为360度可控旋转模型；
拼接复位模块：用于将所述建模优化模块处理后的骨骼碎块进行可视化的虚拟复位，恢复成损伤前骨骼原始几何形状。
4.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述打印模块包括：
局部打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型划分成骨骼和骨骼碎块，打印出骨骼及其骨骼碎块；
完整打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型数据传入3D打印机，打印完整的骨骼模型。
5.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述反馈模块包括：医患沟通模块、设计与辅助模块和医研模块，且所述医患沟通模块、设计与辅助模块和医研模块分别与所述建模模块连接。
6.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述设计与辅助模块包括：
术前设计模块：用于显示三维骨骼模型、修复方案设计，支持方案中骨骼修复的动态、模拟过程可视化；
辅助指导模块：用于通过打印骨骼实物模型，及可视化修复方案，辅助医生在手术时顺利完成手术。
7.根据权利要求1所述基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，其特征在于，所述医研模块包括：
教研模块：调研模块能够调取患者的三维骨骼模型信息，进行相关学术讨论、研究，并对骨骼实物模型进行追溯管理；
医生讲座模块：用于医生与医生之间的学术讲座，也可以用于支持患者平台的知识普及可视化讲座。
8.一种利用权利要求1-7任意一项所述的基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，所述预处理模块接收CT医疗设备的骨骼数据并传输至所述建模模块；
步骤2，所述建模模块对步骤1的接收数据进行三维建模、模型平滑、模型拼接和保存；
步骤3，所述打印模块对步骤2的三维模型进行局部打印和完整打印，得到实体的骨骼碎块模型和完整骨骼模型；
步骤4，所述反馈模块提取步骤2保存的三维模型，进行医患沟通，为术前提供指导，并以此作为医学交流和研究的信息。
9.根据权利要求8所述的一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台的方法，其特征在于，所述步骤1中要求CT医疗设备的像素矩阵为512×512，并以DICOM格式接收，所述步骤1包括如下步骤：
步骤1.1，所述接口模块以DICOM格式接收CT医疗设备的图像数据；所述CT医疗设备的像素矩阵大小为512×512。
步骤1.2，所述组织分离模块将步骤1.1的图像数据，进行骨骼与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
步骤1.3，所述骨骼分离模块将步骤1.2处理的图像数据进行相邻骨骼分离；
步骤1.4，所述骨骼分离调整模块将步骤1.3处理的图像数据进行骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
步骤1.5，所述骨骼优化模块使用cv2.GaussianBlur()函数，通过低通滤波器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周围像素点的加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理。
10.根据权利要求9所述的一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台的方法，其特征在于，所述步骤1.2将CT影像处理成0和255的值，0代表黑色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权平均，获取较为明显的轮廓区域，公式为：
Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)，
所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，所述三维建模模块通过GlodSectionRatio算法建立三维骨骼模型；
步骤2.2，所述建模优化模块使用Edit Masks对步骤2.1的三维骨骼模型进行医学仿真渲染
步骤2.3，所述模型储存模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型保存为.Mcs、.stl三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件；
步骤2.4，所述拼接复位模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型进行可视化的虚拟复位。
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