CN111588517A - 一种用于修复骨缺损的系统 - Google Patents

一种用于修复骨缺损的系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111588517A
CN111588517A CN202010345204.4A CN202010345204A CN111588517A CN 111588517 A CN111588517 A CN 111588517A CN 202010345204 A CN202010345204 A CN 202010345204A CN 111588517 A CN111588517 A CN 111588517A
Authority
CN
China
Prior art keywords
module
model
bone defect
image
repair
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010345204.4A
Other languages
English (en)
Inventor
李军
荆珏华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Second Affiliated Hospital of Anhui Medical University
Original Assignee
Second Affiliated Hospital of Anhui Medical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Second Affiliated Hospital of Anhui Medical University filed Critical Second Affiliated Hospital of Anhui Medical University
Priority to CN202010345204.4A priority Critical patent/CN111588517A/zh
Publication of CN111588517A publication Critical patent/CN111588517A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/52—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis
    • A61B6/5211—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis involving processing of medical diagnostic data
    • A61B6/5217—Devices using data or image processing specially adapted for radiation diagnosis involving processing of medical diagnostic data extracting a diagnostic or physiological parameter from medical diagnostic data
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/0613—Apparatus adapted for a specific treatment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N5/067—Radiation therapy using light using laser light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/102—Modelling of surgical devices, implants or prosthesis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28—Bones
    • A61F2002/2835—Bone graft implants for filling a bony defect or an endoprosthesis cavity, e.g. by synthetic material or biological material
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30948—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using computerized tomography, i.e. CT scans
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/3094—Designing or manufacturing processes
    • A61F2/30942—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques
    • A61F2002/30952—Designing or manufacturing processes for designing or making customized prostheses, e.g. using templates, CT or NMR scans, finite-element analysis or CAD-CAM techniques using CAD-CAM techniques or NC-techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N2005/0632—Constructional aspects of the apparatus
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/06—Radiation therapy using light
    • A61N2005/065—Light sources therefor
    • A61N2005/0651—Diodes

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

本发明属于医疗技术领域，公开了一种用于修复骨缺损的系统，包括图像获取模块用于采集人体深度图像数据；缺损确定模块用于获得骨缺损区域的形态以及位置；三维模型构建模块、修复模型构建模块用于构建人体骨骼三维模型、修复模型；材料选取模块用于确定修复体材料；3D打印模块用于打印骨缺损修复体；评估模块用于对修复体进行评估；修复模块用于进行骨缺损修复；辅助光疗模块用于对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。本发明不会产生新的骨缺损，同时也不会导致感染其他病毒；本发明能够智能化的进行人体骨骼的三维模型构建，并基于骨缺损的形态以及位置进行修复体材料的确定，并构建修复模型，保证修复的效果。

Description

一种用于修复骨缺损的系统
技术领域
本发明属于医疗技术领域，尤其涉及一种用于修复骨缺损的系统。
背景技术
目前：骨缺损是由于创伤、炎症、骨病等疾病或手术对骨的完整结构造成破坏的疾病。骨折的标准治疗包括固定、牵引、截肢和内固定等。而对于需要内固定的骨缺损，主要治疗方法为植骨，通过植入移植物为骨折愈合提供足够的稳定性且没有过度的刚性，有助于新骨的形成。虽然内固定比外固定直接且更有效地防止骨折端的旋转性活动，但内固定需要进行手术，必然会破坏骨折周围的软组织和血管分布，延迟骨折的愈合。
骨折的修复涉及复杂的生理和生化反应，这些反应与软组织愈合有些不同，愈合周期漫长，期间因患者自身心理状态和其他因素的影响，也有可能延长。因此，研究其他治疗方法与内固定相结合的新型方式或研究移植物新型材料，以加速骨缺损的修复，缩短修复时间，已经成为研究热点。
组织工程是应用工程与生命科学的原理与方法来认识哺乳类组织(正常或病理状态下)的结构与功能的关系，并研制人工生物材料以便恢复、维持或改善其功能。组织工程作为面向移植而产生功能组织和器官的科学和技术，集成了CT/MRI等图像测量技术、三维重建技术、快速原型技术、材料工程技术、生物工程技术等不同的学科领域。其基本原则是组织可以从病人身上分离出来，在特殊材料制成的组织支架中生长和扩张，最终形成支架引导的三维组织。这样，生成的三维组织可以移植到同一个病人中，以替代病变组织的功能。
组织能够再生主要在于组织支架的结构上的可成形性和支架在种子细胞作用下的生物反应器功能。支架由诸如孔、纤维、膜等结构元素通过随机、分形或周期分布规律组合而成，通过工程方法可以被复制和制造。当一个三维组织结构被用于开发人工替代组织时，可以对支架结构中的生物材料进行工程结构设计，以优化结构并满足一定的营养条件。
现有骨缺损的修复主要是通过自体骨移植、异体骨移植的方式进行，自体骨移植会导致新的骨缺损出现，而异体骨移植则会产生排异反应或感染病毒等后果；同时现有的骨缺损修复并无智能化的控制方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有骨缺损修复可能会导致新的骨缺损出现，或产生排异反应或感染病毒等后果；同时现有的骨缺损修复并无智能化的控制方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于修复骨缺损的系统。
本发明是这样实现的，一种用于修复骨缺损的系统，所述用于修复骨缺损的系统包括：
图像获取模块，与中央控制模块连接，用于利用深度相机采集人体深度图像数据；
缺损确定模块，与中央控制模块连接，用于利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
中央控制模块，与图像获取模块、缺损确定模块、三维模型构建模块、修复模型构建模块、材料选取模块、3D打印模块、评估模块、修复模块、辅助光疗模块连接，用于调控各个模块正常工作；
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；
修复模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；
材料选取模块，与中央控制模块连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
3D打印模块，与中央控制模块连接，用于基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；
评估模块，与中央控制模块连接，用于评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；同时用于对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
修复模块，与中央控制模块连接，用于将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；
辅助光疗模块，与中央控制模块连接，用于利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
进一步，所述辅助光疗模块包括：
光疗参数调节单元，用于确定LED光源或激光光源的功率、光疗模式、时间以及其他参数；
光疗装置固定单元，用于利用移动支架进行光源的位置调节以及固定；
光疗单元，用于利用采用峰值波长在700-840nm范围内的LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
进一步，所述缺损确定模块包括：
数据采集单元，用于获取多组不同角度的CT投影数据，并采集有缺陷的角度的CT投影数据；
图像重建单元，根据采集到的CT投影数据进行二维重建，恢复CT图像；
图像分割单元，对CT图像分割出骨缺损部位的CT图像信息；
图像配准单元，将待检测的CT图像与标准CT图像进行配准，找出两者之间的对应关系，使之对应的部分具有可比性；
缺损检测单元，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征，并与服务器内标准CT图像对应特征进行比较，判断待检测骨骼部位是否有缺陷及缺陷的类型。
进一步，所述缺损检测单元中，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征的方法具体包含以下步骤：
a、对经过图像分割模块处理的2D图像提取闭合轮廓；
b、采用改进的基于分割的等值面提取算法提取各角度图像的等值面；
c、将相邻角度的等值面采用基于区域增长的立方体算法进行连接，实现3D立体重建；
d、采用多层面显示的方法，使外轮廓具有透明效果，便于观测模型内部，更便于对缺陷进行检测和分析；
e、采用基于形状的插值算法代替普通的三线性插值实现虚拟切割算法，获得重建骨骼图像的任意方向的角度显示；
进一步，所述三维模型构建模块包括：
处理单元，用于执行图像处理操作，以基于人体骨骼组织的医学图像资料产生一立体骨骼模型资料；
显示单元，用于依据所述医学图像资料以及所述立体骨骼模型资料于同一操作介面中同时显示一医学图像以及一立体骨骼模型；
输入单元，用于接收参数指令，以使所述处理单元依据所述参数指令编辑立体骨骼模型。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述用于修复骨缺损的系统的用于修复骨缺损的方法，所述用于修复骨缺损的方法包括：
步骤一，利用深度相机采集人体深度图像数据；利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
步骤二，基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
步骤三，基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；并对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
步骤四，将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
进一步，所述人体骨骼三维模型构建方法包括：
(1)将获取到的人体深度图像数据的点云数据进行数据融合，缩短深度图像中相邻点的距离并对所述深度图像进行光滑处理；
(2)从经过预处理后的深度图像中第k帧中选取至少三个点云块作为初始点云块，从第k+1帧中查找与所述初始点云块匹配的点云块，并对匹配成功的点云块与初始点云块进行配准以得到待构建人体的点云数据模型；
(3)采用方向距离函数优化所述待构建人体的点云数据模型，并采用泊松表面重建方法根据所述点云数据模型重建所述待构建人体的三维模型。
进一步，步骤(2)中，所述点云块的匹配方法包括：
计算相邻两帧中的点云块之间的法相角度和距离，如果所述法向角度和距离都小于设定值，则认为匹配点云块成功；反之，则不成功。
进一步，所述步骤(3)具体包括：
获取所述点云数据模型的表面的有向点集，并将所述有向点集转换为模型指示函数的梯度样本点以计算模型指示函数；
采用所述指示函数提取点云数据模型中的等值面，得到三维重建表面；
采用八叉树技术优化所述三维重建表面。
进一步，所述修复模型构建方法包括：
1)确定骨缺损区域的形态以及位置；
2)当缺损区域没有跨中心对称平面，利用镜像方法将健侧的骨骼对称到缺损侧，并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型；
3)当缺损区域跨过了中心对称平面，根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续，得到曲面修复模型；
4)利用数字模型雕刻软件将步骤2)、步骤3)得到的修复模型进行细节化处理；并与人体骨骼三维模型做布尔运算，使所述修复模型的边缘与缺损骨缘吻合；即得所述修复模型。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明不会产生新的骨缺损，同时也不会导致感染其他病毒；本发明能够智能化的进行人体骨骼的三维模型构建，并基于骨缺损的形态以及位置进行修复体材料的确定，并构建修复模型，保证修复的效果；同时本发明还对修复后的部位提供辅助光疗，明显缩短愈合时间；对骨缺损待愈合处无二次损伤；利用移动支架进行装置的移动，对人体不同部位的骨缺损处均可准确的对位，保证设备的光能量的有效传递。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于修复骨缺损的系统结构示意图。
图中：1、图像获取模块；2、缺损确定模块；3、中央控制模块；4、三维模型构建模块；5、修复模型构建模块；6、材料选取模块；7、3D打印模块；8、评估模块；9、修复模块；10、辅助光疗模块。
图2是本发明实施例提供的辅助光疗模块结构示意图。
图中：11、光疗参数调节单元；12、光疗装置固定单元；13、光疗单元。
图3是本发明实施例提供的用于修复骨缺损的方法流程图。
图4是本发明实施例提供的人体骨骼三维模型构建方法流程图。
图5是本发明实施例提供的修复模型构建方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于修复骨缺损的系统，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用于修复骨缺损的系统包括：
图像获取模块1，与中央控制模块3连接，用于利用深度相机采集人体深度图像数据；
缺损确定模块2，与中央控制模块3连接，用于利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
中央控制模块3，与图像获取模块1、缺损确定模块2、三维模型构建模块4、修复模型构建模块5、材料选取模块6、3D打印模块7、评估模块8、修复模块9、辅助光疗模块10连接，用于调控各个模块正常工作；
三维模型构建模块4，与中央控制模块3连接，用于基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；
修复模型构建模块5，与中央控制模块3连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；
材料选取模块6，与中央控制模块3连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
3D打印模块7，与中央控制模块3连接，用于基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；
评估模块8，与中央控制模块3连接，用于评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；同时用于对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
修复模块9，与中央控制模块3连接，用于将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；
辅助光疗模块10，与中央控制模块3连接，用于利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
如图2所示，本发明实施例提供的辅助光疗模块10包括：
光疗参数调节单元11，用于确定LED光源或激光光源的功率、光疗模式、时间以及其他参数；
光疗装置固定单元12，用于利用移动支架进行光源的位置调节以及固定；
光疗单元13，用于利用采用峰值波长在700-840nm范围内的LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
本发明实施例提供的缺损确定模块包括：
数据采集单元，用于获取多组不同角度的CT投影数据，并采集有缺陷的角度的CT投影数据；
图像重建单元，根据采集到的CT投影数据进行二维重建，恢复CT图像；
图像分割单元，对CT图像分割出骨缺损部位的CT图像信息；
图像配准单元，将待检测的CT图像与标准CT图像进行配准，找出两者之间的对应关系，使之对应的部分具有可比性；
缺损检测单元，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征，并与服务器内标准CT图像对应特征进行比较，判断待检测骨骼部位是否有缺陷及缺陷的类型。
本发明实施例提供的缺损检测单元中，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征的方法具体包含以下步骤：
a、对经过图像分割模块处理的2D图像提取闭合轮廓；
b、采用改进的基于分割的等值面提取算法提取各角度图像的等值面；
c、将相邻角度的等值面采用基于区域增长的立方体算法进行连接，实现3D立体重建；
d、采用多层面显示的方法，使外轮廓具有透明效果，便于观测模型内部，更便于对缺陷进行检测和分析；
e、采用基于形状的插值算法代替普通的三线性插值实现虚拟切割算法，获得重建骨骼图像的任意方向的角度显示；
本发明实施例提供的三维模型构建模块包括：
处理单元，用于执行图像处理操作，以基于人体骨骼组织的医学图像资料产生一立体骨骼模型资料；
显示单元，用于依据所述医学图像资料以及所述立体骨骼模型资料于同一操作介面中同时显示一医学图像以及一立体骨骼模型；
输入单元，用于接收参数指令，以使所述处理单元依据所述参数指令编辑立体骨骼模型。
如图3所示，本发明实施例提供的用于修复骨缺损的方法包括：
S101，利用深度相机采集人体深度图像数据；利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
S102，基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
S103，基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；并对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
S104，将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
如图4所示，本发明实施例提供的人体骨骼三维模型构建方法包括：
S201，将获取到的人体深度图像数据的点云数据进行数据融合，缩短深度图像中相邻点的距离并对所述深度图像进行光滑处理；
S202，从经过预处理后的深度图像中第k帧中选取至少三个点云块作为初始点云块，从第k+1帧中查找与所述初始点云块匹配的点云块，并对匹配成功的点云块与初始点云块进行配准以得到待构建人体的点云数据模型；
S203，采用方向距离函数优化所述待构建人体的点云数据模型，并采用泊松表面重建方法根据所述点云数据模型重建所述待构建人体的三维模型。
步骤S202中，本发明实施例提供的点云块的匹配方法包括：
计算相邻两帧中的点云块之间的法相角度和距离，如果所述法向角度和距离都小于设定值，则认为匹配点云块成功；反之，则不成功。
本发明实施例提供的步骤S203具体包括：
3.1)获取所述点云数据模型的表面的有向点集，并将所述有向点集转换为模型指示函数的梯度样本点以计算模型指示函数；
3.2)采用所述指示函数提取点云数据模型中的等值面，得到三维重建表面；
3.3)采用八叉树技术优化所述三维重建表面。
如图5所示，本发明实施例提供的修复模型构建方法包括：
S301，确定骨缺损区域的形态以及位置；
S302，当缺损区域没有跨中心对称平面，利用镜像方法将健侧的骨骼对称到缺损侧，并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型；
S303，当缺损区域跨过了中心对称平面，根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续，得到曲面修复模型；
S304，利用数字模型雕刻软件将步骤S302、步骤S303得到的修复模型进行细节化处理；并与人体骨骼三维模型做布尔运算，使所述修复模型的边缘与缺损骨缘吻合；即得所述修复模型。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于修复骨缺损的系统，其特征在于，所述用于修复骨缺损的系统包括：
图像获取模块，与中央控制模块连接，用于利用深度相机采集人体深度图像数据；
缺损确定模块，与中央控制模块连接，用于利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
中央控制模块，与图像获取模块、缺损确定模块、三维模型构建模块、修复模型构建模块、材料选取模块、3D打印模块、评估模块、修复模块、辅助光疗模块连接，用于调控各个模块正常工作；
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；
修复模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；
材料选取模块，与中央控制模块连接，用于基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
3D打印模块，与中央控制模块连接，用于基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；
评估模块，与中央控制模块连接，用于评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；同时用于对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
修复模块，与中央控制模块连接，用于将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；
辅助光疗模块，与中央控制模块连接，用于利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
2.如权利要求1所述的用于修复骨缺损的系统，其特征在于，所述辅助光疗模块包括：
光疗参数调节单元，用于确定LED光源或激光光源的功率、光疗模式、时间以及其他参数；
光疗装置固定单元，用于利用移动支架进行光源的位置调节以及固定；
光疗单元，用于利用采用峰值波长在700-840nm范围内的LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
3.如权利要求1所述的用于修复骨缺损的系统，其特征在于，所述缺损确定模块包括：
数据采集单元，用于获取多组不同角度的CT投影数据，并采集有缺陷的角度的CT投影数据；
图像重建单元，根据采集到的CT投影数据进行二维重建，恢复CT图像；
图像分割单元，对CT图像分割出骨缺损部位的CT图像信息；
图像配准单元，将待检测的CT图像与标准CT图像进行配准，找出两者之间的对应关系，使之对应的部分具有可比性；
缺损检测单元，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征，并与服务器内标准CT图像对应特征进行比较，判断待检测骨骼部位是否有缺陷及缺陷的类型。
4.如权利要求1所述的用于修复骨缺损的系统，其特征在于，所述缺损检测单元中，提取待检测骨缺损部位的CT图像特征的方法具体包含以下步骤：
a、对经过图像分割模块处理的2D图像提取闭合轮廓；
b、采用改进的基于分割的等值面提取算法提取各角度图像的等值面；
c、将相邻角度的等值面采用基于区域增长的立方体算法进行连接，实现3D立体重建；
d、采用多层面显示的方法，使外轮廓具有透明效果，便于观测模型内部，更便于对缺陷进行检测和分析；
e、采用基于形状的插值算法代替普通的三线性插值实现虚拟切割算法，获得重建骨骼图像的任意方向的角度显示。
5.如权利要求1所述的用于修复骨缺损的系统，其特征在于，所述三维模型构建模块包括：
处理单元，用于执行图像处理操作，以基于人体骨骼组织的医学图像资料产生一立体骨骼模型资料；
显示单元，用于依据所述医学图像资料以及所述立体骨骼模型资料于同一操作介面中同时显示一医学图像以及一立体骨骼模型；
输入单元，用于接收参数指令，以使所述处理单元依据所述参数指令编辑立体骨骼模型。
6.一种应用于如权利要求1-5所述用于修复骨缺损的系统的用于修复骨缺损的方法，其特征在于，所述用于修复骨缺损的方法包括：
步骤一，利用深度相机采集人体深度图像数据；利用CT扫描获得骨缺损区域的形态以及位置；
步骤二，基于获取到的人体骨骼图像数据构建人体骨骼三维模型；基于骨缺损区域的形态以及位置构建修复模型；基于骨缺损区域的形态以及位置确定修复体材料；
步骤三，基于构件的修复模型利用选择的修复体材料进行骨缺损修复体的打印制备；评估打印得到的修复体是否与修复模型一致，是否能够修复骨缺损区域；并对修复体的物理、化学、生物性能进行评估；
步骤四，将评估通过的修复体植入骨缺损区域进行骨缺损修复；利用LED光源或激光光源对修复的骨缺损区域进行辅助光疗。
7.如权利要求6所述用于修复骨缺损的方法，其特征在于，步骤二中，所述人体骨骼三维模型构建方法包括：
(1)将获取到的人体深度图像数据的点云数据进行数据融合，缩短深度图像中相邻点的距离并对所述深度图像进行光滑处理；
(2)从经过预处理后的深度图像中第k帧中选取至少三个点云块作为初始点云块，从第k+1帧中查找与所述初始点云块匹配的点云块，并对匹配成功的点云块与初始点云块进行配准以得到待构建人体的点云数据模型；
(3)采用方向距离函数优化所述待构建人体的点云数据模型，并采用泊松表面重建方法根据所述点云数据模型重建所述待构建人体的三维模型。
8.如权利要求7所述用于修复骨缺损的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述点云块的匹配方法包括：
计算相邻两帧中的点云块之间的法相角度和距离，如果所述法向角度和距离都小于设定值，则认为匹配点云块成功；反之，则不成功。
9.如权利要求7所述用于修复骨缺损的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：
获取所述点云数据模型的表面的有向点集，并将所述有向点集转换为模型指示函数的梯度样本点以计算模型指示函数；
采用所述指示函数提取点云数据模型中的等值面，得到三维重建表面；
采用八叉树技术优化所述三维重建表面。
10.如权利要求6所述用于修复骨缺损的方法，其特征在于，步骤二中，所述修复模型构建方法包括：
1)确定骨缺损区域的形态以及位置；
2)当缺损区域没有跨中心对称平面，利用镜像方法将健侧的骨骼对称到缺损侧，并替换掉破损骨骼，通过模型合并算法得到完整的修复模型；
3)当缺损区域跨过了中心对称平面，根据缺损区域周边曲面的曲率变化，设计修补曲面使其与周围边界曲面曲率连续，得到曲面修复模型；
4)利用数字模型雕刻软件将步骤2)、步骤3)得到的修复模型进行细节化处理；并与人体骨骼三维模型做布尔运算，使所述修复模型的边缘与缺损骨缘吻合；即得所述修复模型。
CN202010345204.4A 2020-04-27 2020-04-27 一种用于修复骨缺损的系统 Pending CN111588517A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010345204.4A CN111588517A (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种用于修复骨缺损的系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010345204.4A CN111588517A (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种用于修复骨缺损的系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111588517A true CN111588517A (zh) 2020-08-28

Family

ID=72182383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010345204.4A Pending CN111588517A (zh) 2020-04-27 2020-04-27 一种用于修复骨缺损的系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111588517A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112206357A (zh) * 2020-09-25 2021-01-12 清华大学 组织工程皮肤生物墨水及制备方法、再生方法及系统
CN112220588A (zh) * 2020-10-15 2021-01-15 北京理工大学 一种可控梯度骨组织工程支架生成方法及系统
CN112932745A (zh) * 2021-01-22 2021-06-11 北京科技大学 基于3d打印技术的钛合金骨缺损支架制备系统及方法
CN114261095A (zh) * 2022-03-03 2022-04-01 西安博恩生物科技有限公司 一种基于ai的骨科3d打印方法和装置
CN115281896A (zh) * 2022-07-12 2022-11-04 中国人民解放军总医院第四医学中心 一种治疗干骺端骨缺损的内支撑填充方法及装置
CN116109628A (zh) * 2023-04-10 2023-05-12 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 骨缺损修复体的构建方法、装置和存储介质
CN116759052A (zh) * 2023-06-20 2023-09-15 华平祥晟(上海)医疗科技有限公司 一种基于大数据的图像存储管理系统及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102415920A (zh) * 2011-07-27 2012-04-18 浙江工业大学 用于下颌骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法
CN103543167A (zh) * 2013-10-08 2014-01-29 华南理工大学 一种基于知识库的三维x射线断层扫描检测系统及方法
CN105912863A (zh) * 2016-04-13 2016-08-31 深圳市艾科赛龙科技有限公司 一种人工骨的制备方法及系统
CN105930617A (zh) * 2016-05-17 2016-09-07 南方医科大学 一种刚度可控的骨肿瘤缺损修复植入体设计和成型方法
CN108122282A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 财团法人金属工业研究发展中心 医学图像建模系统以及医学图像建模方法
CN108175539A (zh) * 2016-12-08 2018-06-19 西安康拓医疗技术有限公司 一种人体颅骨缺损修复用骨板及其制备方法、使用方法
CN108578017A (zh) * 2018-03-16 2018-09-28 深圳市艾科赛龙科技股份有限公司 骨组织修复体模型的构建方法和骨组织修复体制备方法
CN109754459A (zh) * 2018-12-18 2019-05-14 湖南视觉伟业智能科技有限公司 一种用于构建人体三维模型的方法及系统
CN110681062A (zh) * 2019-09-28 2020-01-14 复旦大学 一种骨缺损修复的辅助光疗设备
CN210384490U (zh) * 2019-03-13 2020-04-24 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损的修复装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102415920A (zh) * 2011-07-27 2012-04-18 浙江工业大学 用于下颌骨缺损组织工程化修复的个性化支架的制造方法
CN103543167A (zh) * 2013-10-08 2014-01-29 华南理工大学 一种基于知识库的三维x射线断层扫描检测系统及方法
CN105912863A (zh) * 2016-04-13 2016-08-31 深圳市艾科赛龙科技有限公司 一种人工骨的制备方法及系统
CN105930617A (zh) * 2016-05-17 2016-09-07 南方医科大学 一种刚度可控的骨肿瘤缺损修复植入体设计和成型方法
CN108122282A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 财团法人金属工业研究发展中心 医学图像建模系统以及医学图像建模方法
CN108175539A (zh) * 2016-12-08 2018-06-19 西安康拓医疗技术有限公司 一种人体颅骨缺损修复用骨板及其制备方法、使用方法
CN108578017A (zh) * 2018-03-16 2018-09-28 深圳市艾科赛龙科技股份有限公司 骨组织修复体模型的构建方法和骨组织修复体制备方法
CN109754459A (zh) * 2018-12-18 2019-05-14 湖南视觉伟业智能科技有限公司 一种用于构建人体三维模型的方法及系统
CN210384490U (zh) * 2019-03-13 2020-04-24 上海交通大学医学院附属第九人民医院 一种骨缺损的修复装置
CN110681062A (zh) * 2019-09-28 2020-01-14 复旦大学 一种骨缺损修复的辅助光疗设备

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112206357A (zh) * 2020-09-25 2021-01-12 清华大学 组织工程皮肤生物墨水及制备方法、再生方法及系统
CN112206357B (zh) * 2020-09-25 2021-12-28 清华大学 组织工程皮肤再生系统
CN112220588A (zh) * 2020-10-15 2021-01-15 北京理工大学 一种可控梯度骨组织工程支架生成方法及系统
CN112220588B (zh) * 2020-10-15 2021-06-29 北京理工大学 一种可控梯度骨组织工程支架生成方法及系统
CN112932745A (zh) * 2021-01-22 2021-06-11 北京科技大学 基于3d打印技术的钛合金骨缺损支架制备系统及方法
CN114261095A (zh) * 2022-03-03 2022-04-01 西安博恩生物科技有限公司 一种基于ai的骨科3d打印方法和装置
CN114261095B (zh) * 2022-03-03 2022-05-27 西安博恩生物科技有限公司 一种基于ai的骨科3d打印方法和装置
CN115281896A (zh) * 2022-07-12 2022-11-04 中国人民解放军总医院第四医学中心 一种治疗干骺端骨缺损的内支撑填充方法及装置
CN115281896B (zh) * 2022-07-12 2023-08-29 中国人民解放军总医院第四医学中心 一种治疗干骺端骨缺损的内支撑填充方法及装置
CN116109628A (zh) * 2023-04-10 2023-05-12 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 骨缺损修复体的构建方法、装置和存储介质
CN116759052A (zh) * 2023-06-20 2023-09-15 华平祥晟(上海)医疗科技有限公司 一种基于大数据的图像存储管理系统及方法
CN116759052B (zh) * 2023-06-20 2024-04-05 华平祥晟(上海)医疗科技有限公司 一种基于大数据的图像存储管理系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111588517A (zh) 一种用于修复骨缺损的系统
US8706285B2 (en) Process to design and fabricate a custom-fit implant
US9250620B2 (en) 3D design and fabrication system for implants
KR101072732B1 (ko) 이식골 성형 시스템 및 이를 이용한 이식골 성형 방법
Sun et al. Bio-CAD modeling and its applications in computer-aided tissue engineering
Lohfeld et al. Biomodels of bone: a review
CN105930617A (zh) 一种刚度可控的骨肿瘤缺损修复植入体设计和成型方法
CN109223248A (zh) 一种诱导骨组织再生的颅骨修复体及其制备方法
KR20160091322A (ko) 뼈 재건 및 정형외과용 임플란트
CN101719172A (zh) 一种仿生支架微孔结构的构建方法
Moiduddin et al. Computer assisted design and analysis of customized porous plate for mandibular reconstruction
AU2020200663A1 (en) Customized bendable osteochondral allografts
CN103300946A (zh) 修复下颌骨缺损跨过中心平面的个性化支架的制造方法
CN112245066A (zh) 一种个体化3d打印髋臼壁缺损修复重建系统的构建方法
CN103871104A (zh) 不同内固定方式治疗胫骨平台后外侧骨折的三维有限元模型构建方法
Liu et al. Digital design of scaffold for mandibular defect repair based on tissue engineering
RU2598769C1 (ru) Способ изготовления индивидуализированного прецизионного биоимпланта для одномоментного замещения костных дефектов
CN113768668B (zh) 一种基于tpms设计个性化医用下颌骨模型的建模方法
Wu et al. Fabrication of repairing skull bone defects based on the rapid prototyping
CN114948349A (zh) 一种人体下颌骨受损骨骼的逆向设计与快速制作方法
KR20210003110A (ko) 자유형태의 가역적 임베딩을 통한 의료 디바이스의 3d 바이오프린팅
Yaremenko et al. Augmented reality technology for auricular reconstruction in the treatment of microtia
CN100391417C (zh) 一种人工假体的制作方法
KR20210013269A (ko) 3d 맞춤형 코 임플란트 설계 방법
Starly et al. Layered composite model for design and fabrication of bone replacement

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200828

RJ01 Rejection of invention patent application after publication