CN111590901A - 一种章鱼全息数字化建模和3d打印模型的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法，通过不断的修改调整扫描参数，确定对章鱼的最佳扫描参数，获得高质量扫描图像，对得到的图像数据进行重建和三维后处理，得到章鱼任意方位任意切面的结构图像，将获得的图像数据导入建模软件进行三维立体建模将不同结构的提取标注和渲染，得到章鱼的立体解剖模型，导入不同场景进行显示，可以导入彩色3D打印机打印出实体模型，进行展示和培训教学。本发明通过对序列参数的调整可以使软组织结构能够完美的显示出来，各不同组织之间的分界明显，给后期建模提供帮助。

Description

一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法
技术领域
本发明涉及一种模型的制备方法，具体涉及一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法。
背景技术
在对海洋生物章鱼研究时，为了解章鱼的内部结构往往采取的是实体解剖后不同部位进行拍照或者描绘的方式进行记录，这种方式的局限性是对生物体具有破坏性、产生的图像是二维平面的，不能任意立体多层次的观察生物组织器官结构。为了能够解决上述观察章鱼的局限性，现使用医学诊断中CT、核磁共振检查的方式对章鱼进行不同方式的扫描成像，从而完成章鱼结构的数字化，章鱼的组织的基本成分也和人类一样有蛋白质、氢质子、钙质等组成，但是业内从未有对章鱼进行扫描成像的案例，所以用人类的常规扫描参数对章鱼结构能否成像和成像质量都没有标准可循，为了成功获得章鱼的数字影像，通过不断的修改调整扫描参数，确定对章鱼的最佳扫描参数，获得高质量扫描图像，对得到的图像数据进行重建和三维后处理，得到章鱼任意方位任意切面的结构图像，将获得的图像数据导入建模软件进行三维立体建模将不同结构的提取标注和渲染，得到章鱼的立体解剖模型，导入不同场景进行显示，可以导入彩色3D打印机打印出实体模型，进行展示和培训教学。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的不足，而提供一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法，通过不断的修改调整扫描参数，确定对章鱼的最佳扫描参数，获得高质量扫描图像，对得到的图像数据进行重建和三维后处理，得到章鱼任意方位任意切面的结构图像，将获得的图像数据导入建模软件进行三维立体建模将不同结构的提取标注和渲染，得到章鱼的立体解剖模型，导入不同场景进行显示，可以导入彩色3D打印机打印出实体模型，进行展示和培训教学。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法，包括以下步骤：
(1)章鱼标本的制备：向1L蒸馏水中添加30ml无水乙醇，将章鱼置入其中进行麻醉；再将麻醉的章鱼用蒸馏水快速冲洗后放入装满蒸馏水的透明塑料容器中；然后将装有章鱼的透明塑料容器放入冰箱冷藏室速冻后以备扫描；
(2)章鱼的磁共振扫描建模：将步骤(1)中装有速冻好的章鱼的透明塑料容器取出，对章鱼内部的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织进行磁共振扫描，然后根据扫描获得的磁共振图像数据对章鱼内部软组织进行建模，得到章鱼内部软组织的模型；最后，参照活体章鱼各组织颜色，分别给不同的组织定义颜色；
(3)章鱼模型的显示：将步骤(2)中得到的章鱼内部软组织的模型由外向内进行透明度的调整，使各组织结构的模型都能够三维立体的视觉可见，同时通过任意截面可以显示各种剖面结构，方便进行章鱼组织结构观察，最终得到章鱼全息数字化建模，章鱼全息数字化建模进行彩色3D打印得到3D打印模型。
上述技术方案中，步骤(1)中，章鱼放入装满蒸馏水的透明塑料容器中时，章鱼头部向上，腕足向下，将头部和腕足末端用棉线分别绑住，通过调整棉线长度保持章鱼位于容器中央，绑腕足末端的棉线的另一端用胶带固定在透明塑料容器内壁下缘，绑头部的棉线的另一端固定在透明塑料容器上口横置的木条中间。用此方法制作的标本以自然悬浮于液体，便于观察和扫描，位置可以按照需求进行任意调整固定。
上述技术方案中，步骤(2)中，所述的章鱼的磁共振扫描建模的具体操作如下：
①将步骤(1)中装有速冻好的章鱼的透明塑料容器取出，将其平放在磁共振扫描床上已安装好的头部线圈中；通过位置调整，让激光定位的正中线经过章鱼的长轴，侧面定位线经过章鱼侧面中心；
②对章鱼内部的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织进行磁共振扫描，得到磁共振图像数据；
③根据扫描获得的磁共振图像数据对章鱼的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织分别建模，阈值分割和结构提取过程中需要反复对照实物解剖图谱进行建模，通过实时微调阈值范围进行分割提取，然后再对照图谱进行不同结构的标注，同时将图谱中没有涉及到的微小结构进行标注建模，通过连续的立体建模，将章鱼的运动系统、消化系统、神经系统完整的提取出来从而获得章鱼内部软组织的模型；
④参照活体章鱼各组织颜色，分别给章鱼内部软组织的模型中不同的组织定义颜色。
上述技术方案中，步骤②中，进行磁共振扫描时，按照OAx 3D Fiesta-c快速薄层扫描系列进行成像扫描，扫描时主要参数：TR 7msc，TE 2msc，设置层厚2mm，层间隔1mm以达到最佳建模效果。
上述技术方案中，步骤②中，进行磁共振扫描时，按照OAx 3D Fiesta-c快速薄层扫描系列进行成像扫描的同时，还扫描磁共振的常规扫描序列，比如T1、T2、压脂等序列，以方便在建模的时候辅助区分章鱼组织结构。
上述技术方案中，步骤③中，阈值分割和结构提取过程中需要反复对照实物解剖图谱进行建模，通过实时微调阈值范围进行分割提取，其中：消化系统使用13800～22000GV阈值范围，运动系统使用6000～7800GV阈值范围，神经系统使用8000～18000GV阈值范围。
上述技术方案中，步骤(3)中，章鱼全息数字化建模的数据可以导入到虚拟现实、增强现实或者混合现实等显示系统进行各类交互式的教学培训等工作，也可导入网上模拟海洋生物博物馆系统进行科普教育。
上述技术方案中，步骤(3)中，进行彩色3D打印时，按照给章鱼内部软组织的模型中不同的组织模型定义的颜色进行打印，按照由外向内的显示透明度调整各组织结构的打印时的透明度，将定义好的模型数据导入彩色3D打印机中使用柔性材料进行打印。
本发明具有以下优点：章鱼壳内的软组织体积小、水分、蛋白质等氢质子含量结构丰富，经测试CT扫描对章鱼软组织结构的显示不佳，特别是对比较微小精细的机构，而磁共振扫描的特长就是这种软组织的成像，本发明通过对序列参数的调整可以使软组织结构能够完美的显示出来，各不同组织之间的分界明显，给后期建模提供帮助。
具体实施方式
以下对本发明技术方案的具体实施方式详细描述，但本发明并不限于以下描述内容：
下面结合具体的实施例，对本发明进行阐述：
实施例1：
一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法，包括以下步骤：
(1)章鱼标本的制备：
向1L蒸馏水中添加30ml无水乙醇，将章鱼置入其中进行麻醉。再将麻醉的章鱼用蒸馏水快速冲洗后放入装满蒸馏水的透明塑料容器中，章鱼头部向上，腕足向下，将头部和腕足末端用棉线分别绑住，通过调整棉线长度保持章鱼位于容器中央，绑腕足末端的棉线的另一端用胶带固定在透明塑料容器内壁下缘，绑头部的棉线的另一端固定在透明塑料容器上口横置的木条中间。然后将装有章鱼的透明塑料容器放入冰箱冷藏室速冻后以备扫描。用此方法制作的标本以自然悬浮于液体，便于观察和扫描，位置可以按照需求进行任意调整固定。
(2)章鱼的磁共振扫描建模：
①将步骤(1)中装有速冻好的章鱼的透明塑料容器取出，将其平放在磁共振扫描床上已安装好的头部线圈中；通过位置调整，让激光定位的正中线经过章鱼的长轴，侧面定位线经过章鱼侧面中心；
②章鱼的软组织结构较多，富含水分，经过测试不同磁共振的扫描序列，按照章鱼软组织成像的最佳效果，选择OAx 3D Fiesta-c快速薄层扫描系列对章鱼内部的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织进行磁共振扫描，该序列具有扫描层厚薄，速度快、水分与软组织分界清晰的特点；扫描时主要参数：TR 7msc，TE 2msc，设置层厚2mm，层间隔1mm以达到最佳建模效果。同时扫描磁共振的常规扫描序列，T1、T2、压脂等序列，以方便在建模的时候辅助区分章鱼组织结构。扫描结束后得到磁共振图像数据(DICOM数据)。
③根据扫描获得的磁共振图像数据入到医学图像后处理建模软件(MIMICS医学建模软件)中，对章鱼的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织分别建模，阈值分割和结构提取过程中需要反复对照实物解剖图谱进行建模，通过实时微调阈值范围进行分割提取(消化系统使用13800～22000GV阈值范围，运动系统使用6000～7800GV阈值范围，神经系统使用8000～18000GV阈值范围)，然后再对照图谱进行不同结构的标注，同时将图谱中没有涉及到的微小结构进行标注建模，通过连续的立体建模，将章鱼的运动系统、消化系统、神经系统完整的提取出来从而获得章鱼内部软组织的模型。
④参照活体章鱼各组织颜色，分别给章鱼内部软组织的模型中不同的组织定义颜色。
(3)章鱼模型的显示：在MIMICS医学建模软件中，将步骤(2)中得到的章鱼内部软组织的模型由外向内进行透明度的调整，使各组织结构的模型都能够三维立体的视觉可见，同时通过任意截面可以显示各种剖面结构，方便进行章鱼组织结构观察，最终得到章鱼全息数字化建模。章鱼全息数字化建模的数据(DICOM数据)可以导入到虚拟现实、增强现实或者混合现实等显示系统进行各类交互式的教学培训等工作，也可导入网上模拟海洋生物博物馆系统进行科普教育。
(4)将章鱼全息数字化建模的数据(DICOM数据)导入彩色3D打印机的切片软件中，按照模型显示的颜色定义各结构需打印的颜色，按照由外向内的显示透明度调整各组织结构的打印时的透明度。将定义好的模型数据导入彩色3D打印机使用柔性材料进行打印，将真实章鱼标本进行磁共振扫描和柔性3D打印模型标本为业内首创。
上述实例只是为说明本发明的技术构思以及技术特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种章鱼全息数字化建模和3D打印模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)章鱼标本的制备：向1L蒸馏水中添加30ml无水乙醇，将章鱼置入其中进行麻醉；再将麻醉的章鱼用蒸馏水快速冲洗后放入装满蒸馏水的透明塑料容器中；然后将装有章鱼的透明塑料容器放入冰箱冷藏室速冻后以备扫描；
(2)章鱼的磁共振扫描建模：将步骤(1)中装有速冻好的章鱼的透明塑料容器取出，对章鱼内部的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织进行磁共振扫描，然后根据扫描获得的磁共振图像数据对章鱼内部软组织进行建模，得到章鱼内部软组织的模型；最后，参照活体章鱼各组织颜色，分别给不同的组织定义颜色；
(3)章鱼模型的显示：将步骤(2)中得到的章鱼内部软组织的模型由外向内进行透明度的调整，使各组织结构的模型都能够三维立体的视觉可见，同时通过任意截面可以显示各种剖面结构，方便进行章鱼组织结构观察，最终得到章鱼全息数字化建模，章鱼全息数字化建模进行彩色3D打印得到3D打印模型。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，章鱼放入装满蒸馏水的透明塑料容器中时，章鱼头部向上，腕足向下，将头部和腕足末端用棉线分别绑住，通过调整棉线长度保持章鱼位于容器中央，绑腕足末端的棉线的另一端用胶带固定在透明塑料容器内壁下缘，绑头部的棉线的另一端固定在透明塑料容器上口横置的木条中间。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的章鱼的磁共振扫描建模的具体操作如下：
①将步骤(1)中装有速冻好的章鱼的透明塑料容器取出，将其平放在磁共振扫描床上已安装好的头部线圈中；通过位置调整，让激光定位的正中线经过章鱼的长轴，侧面定位线经过章鱼侧面中心；
②对章鱼内部的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织进行磁共振扫描，得到磁共振图像数据；
③根据扫描获得的磁共振图像数据对章鱼的运动系统的软组织、消化系统的软组织、神经系统的软组织分别建模，阈值分割和结构提取过程中需要反复对照实物解剖图谱进行建模，通过实时微调阈值范围进行分割提取，然后再对照图谱进行不同结构的标注，同时将图谱中没有涉及到的微小结构进行标注建模，通过连续的立体建模，将章鱼的运动系统、消化系统、神经系统完整的提取出来从而获得章鱼内部软组织的模型；
④参照活体章鱼各组织颜色，分别给章鱼内部软组织的模型中不同的组织定义颜色。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤②中，进行磁共振扫描时，按照OAx 3D Fiesta-c快速薄层扫描系列进行成像扫描，扫描时主要参数：TR 7msc，TE 2msc，设置层厚2mm，层间隔1mm以达到最佳建模效果。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤②中，进行磁共振扫描时，按照OAx 3D Fiesta-c快速薄层扫描系列进行成像扫描的同时，还扫描磁共振的常规扫描序列，方便在建模的时候辅助区分章鱼组织结构。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤③中，阈值分割和结构提取过程中需要反复对照实物解剖图谱进行建模，通过实时微调阈值范围进行分割提取，其中：消化系统使用13800～22000GV阈值范围，运动系统使用6000～7800GV阈值范围，神经系统使用8000～18000GV阈值范围。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，章鱼全息数字化建模的数据能够导入到虚拟现实、增强现实或者混合现实等显示系统进行各类交互式的教学培训等工作，也能够导入网上模拟海洋生物博物馆系统进行科普教育。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，进行彩色3D打印时，按照给章鱼内部软组织的模型中不同的组织模型定义的颜色进行打印，按照由外向内的显示透明度调整各组织结构的打印时的透明度，将定义好的模型数据导入彩色3D打印机中使用柔性材料进行打印。
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