CN111227931A - 一种针对主动脉瓣疾病的3d模型构建方法及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印领域，公开了一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，包括如下步骤：步骤1：采集主动脉瓣疾病患者的主动脉造影数据并进行预处理，得到心脏CT数据；步骤2：根据心脏CT数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型和血液模型；步骤3：对比瓣叶边界与心脏CT数据中实际的瓣叶边界，修正边界得到内腔模型；步骤4：删除血液并保留主动脉根部、冠脉局部以及左心室流出道，得到针对主动脉瓣疾病的3D模型。还公开了一种针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，本发明建模的效率高，只需要将血管管腔内的血液形态重建出来，然后快速分割出所需要的组织，无需将血管管壁及其他心脏全部重建出来再次进行分割，为模型修复节省大量时间。

Description

一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法及制备方法

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法及制备方法。

背景技术

主动脉瓣疾病是由于炎症、粘液样变性、退行性改变等原因引起的单个或多个瓣膜结构的功能或结构异常，导致瓣口狭窄及(或)关闭不全。主动脉瓣钙化属于一种先天性主动脉瓣钙化，此钙化主要是由于随着年龄的增长，血管弹力降低或高血压等诱因而引起；近年来随着经济状况改善和医疗水平的提高，人类寿命得以延长，发生率明显增高，主动脉瓣钙化已经成为老年临床心脏病学中一个突出的问题。

轻微的主动脉瓣钙化患者可通过药物控制病情，但对较严重患者则需要手术治疗，代以人工瓣膜。相比于传统的影像诊断方法，3D打印主动脉瓣模型能够更直观地显示解剖结构，基于患者本人的3D打印主动脉瓣模型供医生术前参考、研究，那么就可以有很清晰的解剖认识，外科医生还可以在心脏模型上面进行模拟手术，根据模拟手术的效果制定出合适的TAVI手术方案。

然而，心脏组织关系复杂，个体化差异明显，各部位各组织相互之间错综复杂，计算机不易识别各部位改变情况，导致心脏图像不易大范围计算机分割，尤其是主动脉瓣瓣叶形态及钙化分布准确度不高，主动脉瓣瓣叶重建分割过程繁琐，重建出来的模型在后期修复过程中主观性太强，对于CT的参考不多，模型很容易走形变样，重建出的模型可能会对医生TAVI术前评估误导。同时，材料的物理特性和主动脉瓣钙化疾病手术的特殊要求，对模型的透明度、表面光洁度、多彩显示以及软硬结合提出新的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法及制备方法，用以解决现有技术中建立的主动脉瓣瓣叶模型准确度不高而导致的重建出的模型可能会对医生TAVI术前评估误导等问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1：采集主动脉瓣疾病患者的主动脉造影数据，所述主动脉造影数据包括患者的主动脉根部造影数据、升主动脉造影数据、冠脉造影数据以及左心室造影数据，对所述主动脉造影数据进行预处理，得到心脏CT数据；

步骤2：根据心脏CT数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型和血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型和左心室内腔血液模型；

步骤3：获取血液模型外覆盖的主动脉根部内腔、冠脉内腔和左心室内腔的瓣叶边界，对比瓣叶边界与心脏CT数据中实际的瓣叶边界，修正边界，并删除血液模型内包裹的主动脉瓣结构，得到内腔模型；

步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中主动脉根部、冠脉局部以及左心室流出道并删除内腔模型中的血液结构，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到主动脉瓣疾病的3D模型。

进一步的，步骤1中预处理包括如下子步骤：

步骤a：选取主动脉造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为瓣叶开口最大或开口最小；

步骤b：沿瓣环平面自上而下观察主动脉造影数据，调节主动脉造影数据的灰度值至清楚看到升主动脉结构、钙化分布情况以及左心室房，得到心脏CT数据。

更进一步的，步骤b中主动脉造影数据的灰度值范围为：最小值为250-400，最大值为3071。

一种针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，包括如下步骤：

步骤1：采用上述任一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法得到主动脉瓣疾病的3D模型；

步骤2：将3D模型导入OBJET切片软件中进行打印，然后将打印完成后的3D模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留；

步骤3：将步骤2得到的3D模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；

步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。

进一步的，步骤2中所述碱性溶液是浓度为百分之二的氢氧化钠溶液和百分之一的偏硅酸钠溶液

进一步的，步骤2中所述震荡清洗的频率为25KHz，所述震荡清洗的时间为30分钟。

进一步的，步骤3中所述烘干箱的温度设置为75摄氏度，烘干时间为150分钟。

进一步的，步骤3中所述喷砂机采用首先50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后采用200目沙砾对模型表面进行抛光。

进一步的，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：

首先用195T灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点:

(1)本发明前期收集心脏CT数据，根据心脏CT数据对主动脉瓣进行快速精确的三维重建，得到更贴近真实的的三维模型，接着对三维模型进行3D打印，得到传统影像学技术所无法提供的直观心脏模型，可以使用工具测量分析和评估瓣叶堵住冠脉出口的风险，以及观察钙化分布情况及瓣叶厚度，从而使医师可以更加清晰直观地观察了解主动脉瓣钙化疾病，得到传统影像学技术所无法提供的直观心脏模型。

(2)本发明建模的准确度高，在建模过程中将增强CT中血管腔内的血液形态全部提取，由于主动脉瓣瓣膜全部包裹在血液中，因此根据CT中血液和主动脉瓣瓣膜组织的不同灰度值能更加准确地将瓣叶重建及钙化重建出来。

(3)本发明建模的效率高，只需要将血管管腔内的血液形态重建出来，然后快速分割出所需要的组织，无需将血管管壁及其他心脏全部重建出来再次进行分割，为后期的模型修复节省了大量时间。

(4)本发明的实施例还对建立得到的主动脉瓣钙化模型的可用性进行判断，从而保证了得到模型的制作精度，进一步提高了手术效果。

(5)本发明的实施例还可以通过3D打印技术针对主动脉瓣钙化患者制作术前解剖模型，并据此制定手术方案评估手术风险，从而提高手术效果，避免严重并发症的发生。而且还可以制作术后模型，并结合超声、CT、MRI等常规影像学检查结果，综合评价患者的预后情况。

附图说明

图1为常规建模方法得到的3D心脏模型示意图；

图2为常规建模方法得到的血管管腔模型；

图3为本发明得到的左心室内和主动脉内的血液模型示意图；

图4为中左上角为CT的冠状面、右上角为CT的横切面、左下角为CT的矢状面、右下角为重建的血液模型；图4中深蓝色为钙化点、青色为血管腔内血液模型；

图5为本发明最终重建的3D主动脉瓣钙化疾病模型示意图；

图6为本发明3D打印后得到的主动脉瓣模型；

图7为本发明实施例中的钙化组织模型；

图8为本发明实施例中的血液模型；

图9为本发明实施例中的内腔模型。

具体实施方式

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。因此本发明发明也包括建模过程和切片打印过程。

一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1：采集主动脉瓣疾病患者的主动脉造影数据，所述主动脉造影数据包括患者的主动脉根部造影数据、升主动脉造影数据、冠脉造影数据以及左心室造影数据，对所述主动脉造影数据进行预处理，得到心脏CT数据；

所述造影数据根据患者的钙化部位的情况进行选择；

步骤2：根据心脏CT数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型和血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型和左心室内腔血液模型；

其中，由于不同组织对X射线的吸收不同，因此在计算机上不同组织会显示不同的颜色，依照颜色的不同划分各个组织的界限。

所述钙化组织模型建立的过程为：根据钙化组织对应灰度值筛选出钙化组织，并将钙化相连的组织进行分割，建立钙化组织3D模型，钙化组织3D模型能够最大程度的真实反映出钙化程度，同理，根据血液结构对应灰度值筛选出血液结构，获得血液模型；

优选的，钙化组织的灰度值范围为：最小值区间为530-630，最大值为3071。

优选的，血液结构的灰度值范围为：最小值区间为164-261，最大值为3071。

步骤3：获取血液模型外覆盖的主动脉根部内腔、冠脉内腔和左心室内腔的瓣叶边界，对比瓣叶边界与心脏CT数据中实际的瓣叶边界，修正边界，并删除血液模型内包裹的主动脉瓣结构，得到内腔模型；

步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中主动脉根部、冠脉局部以及左心室流出道并删除内腔模型中的血液结构，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到主动脉瓣疾病的3D模型。

其中，布尔运算一般指在图形处理操作中使简单的基本图形组合产生新的形体，在本方案中布尔运算的作用为将剪裁后的内腔模型和钙化组织模型进行融合得到完整的3D模型。

具体的，步骤4中剪裁的依据是判断已经模型上重建的瓣叶边界是否和CT上边界贴近，如果不贴近则修正模型，剪切掉主动脉和左心室内部血液模型中包含的主动脉瓣结构，建出完整内腔模型。

具体的，步骤1采集主动脉造影数据时选取增强造影并且处于收缩期或舒张期最佳状态的数据；

具体的，步骤1中预处理包括如下子步骤：

步骤a：选取主动脉造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为瓣叶开口最大或开口最小；

步骤b：沿瓣环平面自上而下观察主动脉造影数据，调节主动脉造影数据的灰度值至清楚看到升主动脉结构、钙化分布情况以及左心室房，得到心脏CT数据。

优选的，主动脉造影数据的灰度值范围最小值为250-400，最大值为3071；

具体的，步骤4中采用瓣环平面裁剪掉完整内腔模型中多余的部分，保留主动脉根部、少许冠脉以及左心室流出道，将模型重画网格并且光滑其表面，将模型镂空，使之成为中空状结构并检查修复模型，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到针对主动脉瓣疾病的3D模型，检查得到的3D模型是否符合解剖结构要求，编辑使轮廓更加真实。

实施例1：

在本实施例中公开了一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，采用以下步骤在Mimics软件中实现：

(1)使用医疗影像设备对主动脉瓣疾病(主动脉瓣狭窄、主动脉瓣关闭不全、主动脉瓣狭窄)的患者主动脉造影进行数据收集，主要采集患者的主动脉根部、部分升主动脉、冠脉以及左心房室，并生成包含有心脏收缩期及舒张期CT(DICOM)文件。

(2)将DICOM文件导入Mimics软件,并生成.mcs文件保存

(3)分割数据：

Step1,在Pseudo colors命令中根据不同组织所显现不同色谱观察不同组织、钙化的结构和边界情况，瓣叶形态及钙化程度；

Step2,CT图像回放选择瓣叶开口最大的时相数据，将数据的像素灰度值调节使之完全清楚的看到升主动脉、钙化以及左心室房；

Step3,在视图中(View)中建立瓣环平面，在横切面上自上而下可以看清楚主动脉瓣结构以及钙化分布情况；

Step4,新建一个Mask通过预览三维模型重建出钙化部位的组织，能够最大程度的真实反映出钙化程度，将钙化相连的组织使用区域增长(Region Grow)单独分割重建出来，

Step5,新建第二个Mask使蒙版覆盖升主动脉内腔血液、主动脉根部内腔血液、左心室房内腔血液；

Step6,Split mask去除掉多余的心脏组织重建主动脉+左心室内部血液模型；

Step7,Clipping三维模型检查瓣叶的完整性，然后手动编辑删除内部血液中包含的主动脉瓣结构，建出完整内腔模型；

(4)输出三维模型的STL文件导入Geomagic Studio逆向软件中，使用瓣环平面裁剪掉多余的部分，保留主动脉根部、少许冠脉以及左心室流出道，将模型重画网格并且光滑其表面；在Magics中将模型镂空，使之成为中空状结构并检查修复模型，再次在GeomagicStudio中裁剪端面和钙化组织(钙化)做布尔运算后保存文件；

(5)将完整的三维模型输入到.mcs文件中使模型轮廓可见，检查是否符合解剖结构要求，如果可编辑轮廓更加真实。

实施例2：

本实施例公开了一种针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，在实施例1的基础上，还包括如下步骤：

步骤1：采用上述任一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法得到针对主动脉瓣疾病的3D模型，将模型导出为STL格式文件；

步骤2：将3D模型导入OBJET切片软件中进行打印，切片过程中模型高度尽可能低，减少打印时间，使用工具取下模型表面的大块支撑后，将打印完成后的3D模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留，使用水枪工具冲洗表面残留的支撑材料和碱性溶液；

步骤3：将步骤2得到的3D模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；

步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。

OBJET切片软件是

具体的，步骤2中将打印完成后的3D模型置入碱性溶液中震荡清洗是指，将模型泡在包含百分之二氢氧化钠和百分之一的偏硅酸钠溶液中，使用超声波清洗机盛放溶液和模型，模型浸泡入溶液后，使用25KHz频率震荡清洗30分钟。若模型质量超过300克，则适当延长震荡时间，每次震荡总时间不得超过40分钟，避免模型长时间泡胀变形。

具体的，步骤3中将步骤2得到的3D模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干是指，将取出的模型置于专用的工业烘干箱中，以75摄氏度温度烘干150分钟，大于300g质量的模型可以适当增加烘干时间，以超出部分每50g增加10分钟为宜，但总烘干时间一次不得超过180分钟，避免模型长时间加热变形。

具体的，步骤3中使用喷砂机对模型表面进行打磨抛光是指，使用50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后使用200目沙砾对模型表面进行抛光。

具体的，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：

首先用195T灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。

优选的，使用195T灌封胶、聚氨酯灌封胶，柔性UV光油，水性聚氨酯涂层胶等对模型进行涂层。

具体的，上述各种材料的具体选型为：

灌封胶：奥斯邦195T透明导热有机硅灌封胶。

聚氨酯灌封胶：奥斯邦130pu透明聚氨酯灌封胶。

UV柔性光油：宜祥6510-46柔性膜压UV光油。

水性聚氨酯涂层胶：恒天新材料，非离子型水性聚氨酯树脂HT-201柔软平流水性纺织涂层胶。

根据模型的要求不同，使用不同的涂层材料可以获得相应不同的效果，使用195T灌封胶和聚氨酯灌封胶可以增加模型的通透度，将调配好的195T灌封胶和聚氨酯灌封胶按2：1的比例混合，195T灌封胶可以增加液体粘度，聚氨酯灌封胶可以增加液体固化后与模型的附着力。

使用水性聚氨酯涂层胶涂层的模型，透明度比使用灌封胶涂层的模型低，但是其附着力比灌封胶涂层强，在使用器械模拟时可以保证涂层材料不因为揉搓和摩擦脱落。

使用柔性UV光油涂层的材料，其透明度和附着力介于灌封胶和涂层胶之间，在所有涂层材料中，其涂层最薄，固化速度最快。

对比例1：

(1)将DICOM文件导入mimics软件，选择收缩期或舒张期的图像；

(2)手动调节CT灰度值以看清主动脉轮廓为准；

(3)新建一个Mask，手动调节阈值选择一定像素灰度值范围包含主动脉以及左右冠脉的内外壁，使主动脉窦及主动脉根部形成管腔结构，使用区域增长命令单独选出。

(4)计算出有血管壁厚的三维模型，使用动态区域增长选出高亮的瓣叶钙化部分，Clipping模型检查瓣叶是否重建完整，是否符合手术评估要求；

(5)根据手术评估所要求Edit像素灰度值重建出瓣叶模型，去掉多余组织或添加瓣膜组织蒙版；

(6)Smoothing模型使模型内外表面光滑，由于血管壁以及外部心脏组织在影响设备下密度接近，在mimics中灰度值接近较难分离，所以需要将三维模型生成STL文件，导入Geomagic Studio中进行逆向建模；

(7)在Geomagic Studio中使用多边形命令删除掉多余结构处的三角面片，重画网格并且松弛模型，使用三个点平面截面命令，分别选中三个主动脉窦的最低点(瓣环平面)，裁剪掉多余的组织。

(8)若是主动脉瓣钙化，将钙化导入Geomagic Studio与主动脉瓣进行布尔运算，将模型保存为STL文件；

(9)在Magics中打开STL模型，点击修复模型，若模型诊断没有问题，将模型导入切片软件切片后进行打印。

如图1所示，对比例1中将血管内外壁通过单纯的调节阈值建模，不能够快速准确的将钙化位置重建出来，会和其他心脏软组织粘连，后期分割繁琐难度大。

如图2所示，对比例1采用的常规建模方法会将心脏所不需要软组织覆盖，瓣叶通道不明确，同时，图2中重建的是血管管腔模型，图4重建的是内部血液形态，图4和图2相比较噪点更少、瓣叶形态更明显准确、目的性更强后期的处理工作更少。

Claims (9)

1.一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集主动脉瓣疾病患者的主动脉造影数据，所述主动脉造影数据包括患者的主动脉根部造影数据、升主动脉造影数据、冠脉造影数据以及左心室造影数据，对所述主动脉造影数据进行预处理，得到心脏CT数据；

步骤2：根据心脏CT数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型和血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型和左心室内腔血液模型；

步骤3：获取血液模型外覆盖的主动脉根部内腔、冠脉内腔和左心室内腔的瓣叶边界，对比瓣叶边界与心脏CT数据中实际的瓣叶边界，修正边界，并删除血液模型内包裹的主动脉瓣结构，得到内腔模型；

步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中主动脉根部、冠脉局部以及左心室流出道并删除内腔模型中的血液结构，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到主动脉瓣疾病的3D模型。

2.如权利要求1所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，其特征在于，步骤1中预处理包括如下子步骤：

步骤a：选取主动脉造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为瓣叶开口最大或开口最小；

步骤b：沿瓣环平面自上而下观察主动脉造影数据，调节主动脉造影数据的灰度值至清楚看到升主动脉结构、钙化分布情况以及左心室房，得到心脏CT数据。

3.如权利要求2所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法，其特征在于，步骤b中主动脉造影数据的灰度值范围为：最小值为250-400，最大值为3071。

4.一种针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用如权利要求1-3中任一种针对主动脉瓣疾病的3D模型构建方法得到主动脉瓣疾病的3D模型；

步骤2：将3D模型导入OBJET切片软件中进行打印，然后将打印完成后的3D模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留；

步骤3：将步骤2得到的3D模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；

步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。

5.如权利要求4所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，步骤2中所述碱性溶液是浓度为百分之二的氢氧化钠溶液和百分之一的偏硅酸钠溶液。

6.如权利要求4所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，步骤2中所述震荡清洗的频率为25KHz，所述震荡清洗的时间为30分钟。

7.如权利要求4所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，步骤3中所述烘干箱的温度设置为75摄氏度，烘干时间为150分钟。

8.如权利要求4所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，步骤3中所述喷砂机采用首先50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后采用200目沙砾对模型表面进行抛光。

9.如权利要求4所述的针对主动脉瓣疾病的3D模型制备方法，其特征在于，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：

首先用195T灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。

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