CN113192191B - 一种基于ct扫描半月板三维模型重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法，包括以下步骤：步骤一、使用碘海醇浸泡半月板以增加半月板组织的密度，提高对比度，获取所述半月板的CT扫描图像；步骤二、根据所述半月板的CT扫描图像构建半月板三维模型；步骤三、对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。该方法是基于半月板CT扫描，通过增加半月板密度，精确分割半月板结构，实现半月板三维模型的精准重建。本发明使用Mimics软件进行三维重建时，只需要通过“阈值”功能调整阈值范围，即可单独显示半月板结构，将半月板组织与周围空气或托板分割，更有利于精准重建半月板三维模型。

Description

一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地说，是涉及一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法。

背景技术

半月板是位于股骨髁与胫骨平台之间的半月形纤维软骨组织，具有吸收震荡、缓冲减压、润滑关节、维持关节稳定等功能。然而随着人们参加运动的频率及强度不断增加，半月板损伤已经成为目前较为常见的意外伤。对于轻度半月板损伤，采取半月板修复术或成形术治疗即可缓解症状。然而对于严重的半月板损伤病例，例如半月板复杂撕裂或半月板弥漫性退变，这些类型的半月板已丧失生物学功能，半月板切除术成为治疗如上半月板损伤的主要手段，然而半月板切除后可导致股骨髁与胫骨平台之间的接触面积减小，软骨接触应力急剧上升，从而引发更加严重的软骨继发性退变，甚至发展为骨关节炎，严重影响关节功能和生活质量。

为了防止半月板切除后导致的软骨继发性退变，同种异体半月板移植或人工半月板替代物移植成为解决上述问题的主要手段。但是，同种异体半月板移植术需要从新鲜的尸体标本获取新鲜的半月板，随后将同种异体半月板移植入受体膝关节内。由于目前缺乏新鲜的尸体标本，因此同种异体半月板比较匮乏；其次，移植的半月板来源于异体标本，存在疾病传播的风险，导致同种异体半月板移植术无法大面积开展。因此，人工半月板替代物移植成为未来半月板移植的主要研究方向，目前用于制造人工半月板替代物的方法主要包括3D打印技术及模具制造技术。然而，无论是3D打印技术或模具制造技术，均需要在精确的半月板三维模型基础上进行制造，因此，如何精确重建半月板三维模型是后期精确生产制造人工半月板替代物的前提。

现有技术中膝关节核磁图像拍摄及三维模型构建的方法包括：使用3.0T核磁共振仪器进行膝关节扫描，获取膝关节核磁共振图像，核磁共振扫描序列为PD-FSE-SPIR，具体参数为：重复时间(TR)：2915.0毫秒，回波时间(TE)：39.4毫秒。随后将获取的膝关节核磁二维图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

1、利用“编辑蒙罩”(Edit Masks)、“画笔”(Draw)功能，利用半月板组织与其他组织的灰度差，勾勒出半月板的基本轮廓，并且结合图像矢状位、冠状位进行调整，以最大程度勾勒出真实半月板的轮廓；

2、利用“区域增长”(Region Growing)功能建立半月板“蒙版”(Mask)，选中此项功能后，通过点击半月板组织，即可将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；

3.建立“蒙版”(Mask)后，利用“三维重建”(Calculate 3D)功能即可构建半月板三维模型。

现有技术中虽然能够通过核磁共振采集膝关节二维图像，随后导入医学逆向软件Mimics软件中，利用“编辑蒙罩”(Edit Masks)、“画笔”(Draw)、“区域增长”(RegionGrowing)功能建立半月板“蒙版”(Mask)、“三维重建”(Calculate 3D)功能实现半月板三维模型的构建，但由于半月板在膝关节二维图像中与周边临近组织贴合较近，例如软骨，韧带等结构，导致半月板组织分割过程繁琐、精确度不高，最终重建的半月板三维模型无法反映真实的半月板结构，造成后期3D打印或模具制作的人工半月板替代物产品无法代替天然半月板发挥功能。

需要说明的是，以上现有技术仅代表申请人自己掌握的技术，并非在本申请的申请日之前为公众所知的现有技术，因此不能作为评价本申请的新颖性或创造性的对比文件或相关证据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法，以解决背景技术中提出的技术问题中的至少一项。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法，包括以下步骤：

步骤一、使用碘海醇浸泡半月板以增加半月板组织的密度，提高对比度，获取所述半月板的CT扫描图像；

步骤二、根据所述半月板的CT扫描图像构建半月板三维模型；

步骤三、对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。

优选地，步骤二中根据所述半月板的CT扫描图像构建半月板三维模型具体包括：

将所述半月板的CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics，构建所述半月板的三维模型。

优选地，步骤三中对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理具体包括：

将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。

优选地，步骤一中获取所述半月板的CT扫描图像具体包括以下步骤：

使用医用碘海醇浸泡半月板组织，提高对比度，随后使用micro-CT扫描仪扫描获取半月板断层图像，具体参数为：窗宽(WW)：2286Hu，窗位(WL)：1143Hu。

进一步优选地，将获取的所述半月板的CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

步骤四、创立新“蒙版”(Mask)，选中“阈值”(Thresholding)，将阈值范围调整为2567-10264之间，将半月板组织与周围空气或托板分割；

步骤五、选用“区域增长”(Region Growing)功能，通过点击半月板组织，将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；

步骤六、利用“三维重建”(Calculate 3D)功能构建半月板三维模型，然后导出STL格式。

进一步优选地，将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理具体包括以下步骤：

将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除模型表面钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件，该STL格式文件用于后续的3D打印或模具生产制造。

进一步优选地，在步骤一中，采用二葡甲胺替代碘海醇对半月板进行浸泡，以增加半月板组织的组织密度。

本发明的有益效果包括：

本发明所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法是基于半月板CT扫描，通过增加半月板密度，精确分割半月板结构，实现半月板三维模型的精准重建。本发明采用碘海醇浸泡半月板组织，可增加半月板组织的密度，从而增加与周边结构的对比度，并且使用Mimics软件进行三维重建时，只需要通过“阈值”功能调整阈值范围，即可单独显示半月板结构，将半月板组织与周围空气或托板分割，更有利于精准重建半月板三维模型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本发明所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法包括以下步骤：

使用碘海醇浸泡半月板以增加半月板组织的密度，提高对比度，获取半月板CT扫描图像；随后将半月板CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics，构建半月板三维模型；随后将半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。

优选地，半月板CT图像扫描及三维模型构建具体包括以下步骤：

使用医用碘海醇浸泡半月板组织，提高对比度，随后使用micro-CT扫描仪扫描获取半月板断层图像，具体参数为：窗宽(WW)：2286Hu，窗位(WL)：1143Hu。随后将获取的半月板CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

1、创立新“蒙版”(Mask)，选中“阈值”(Thresholding)，将阈值范围调整为2567-10264之间，即可将半月板组织与周围空气或托板分割；

2、选用“区域增长”(Region Growing)功能，通过点击半月板组织，即可将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；

3、利用“三维重建”(Calculate 3D)功能即可构建半月板三维模型，然后导出STL格式。

进一步优选地，半月板三维模型后期优化处理具体包括以下步骤：

将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除模型表面钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件，即可用于后续的3D打印或模具生产制造。

在本发明的一个优选实施例中，采用大白兔膝关节进行了CT扫描后三维重建半月板模型，实验结果显示本发明所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法能够实现半月板三维模型的精准重建。

在本发明的其他实施例中，根据具体实验或临床需求选用其他实验动物半月板或人体半月板进行CT扫描三维重建，结果表明同样能够实现半月板三维模型的精准重建。

在本发明的另一个优选实施例中，作为碘海醇的替代药剂，采用二葡甲胺浸泡半月板以增加半月板组织的组织密度，同样有利于获取半月板CT扫描图像。

选用碘海醇浸泡半月板组织，实质是为了增加半月板组织的密度，实验结果表明，其他可用于增加半月板组织密度的试剂同样可用，例如二葡甲胺等。

本发明的技术关键点及优势为：

本发明所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法是采用碘海醇浸泡半月板组织，可增加半月板组织的密度，从而增加与周边结构的对比度，并且使用Mimics软件进行三维重建时，只需要通过“阈值”功能调整阈值范围，即可单独显示半月板结构，将半月板组织与周围空气或托板分割，更有利于精准重建半月板三维模型。

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 (5)

1.一种基于CT扫描半月板三维模型重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、使用碘海醇浸泡半月板以增加半月板组织的密度，提高对比度，获取所述半月板的CT扫描图像；

步骤二、根据所述半月板的CT扫描图像构建半月板三维模型；

步骤三、对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度；

步骤二中根据所述半月板的CT扫描图像构建半月板三维模型具体包括：

将所述半月板的CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics，构建所述半月板的三维模型；

将获取的所述半月板的CT扫描图像导入医学逆向软件Mimics软件，将采取以下步骤进行半月板组织分割及三维模型重建：

步骤四、创立新“蒙版”，选中“阈值”，将阈值范围调整为2567-10264之间，将半月板组织与周围空气或托板分割；

步骤五、选用“区域增长”功能，通过点击半月板组织，将半月板内部组织全部选中，而半月板之外的组织则被剔除，从而保证后期更加准确的重建半月板三维模型；

步骤六、利用“三维重建”功能构建半月板三维模型，然后导出STL格式。

2.如权利要求1所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法，其特征在于，步骤三中对所述的半月板三维模型进行三角面片优化处理具体包括：

将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理，提高模型表面平滑度。

3.如权利要求1所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法，其特征在于，步骤一中获取所述半月板的CT扫描图像具体包括以下步骤：

使用医用碘海醇浸泡半月板组织，提高对比度，随后使用micro-CT扫描仪扫描获取半月板断层图像，具体参数为：窗宽：2286 Hu，窗位：1143 Hu。

4.如权利要求2所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法，其特征在于，将所述的半月板三维模型导入Geomagic软件进行三角面片优化处理具体包括以下步骤：

将STL格式的半月板三维模型导入Geomagic软件，删除模型表面钉状物，进行三角面片优化处理，进一步优化模型表面质量，随后导出STL格式文件，该STL格式文件用于后续的3D打印或模具生产制造。

5.如权利要求1所述的基于CT扫描半月板三维模型重建方法，其特征在于，在步骤一中，采用二葡甲胺替代碘海醇对半月板进行浸泡，以增加半月板组织的组织密度。