CN1609899A - 基于ct图像的仿生支架生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CT图像的仿生支架生成方法。它是根据医院提供的患者CT图像数据，将其转换为三维模型，针对骨组织的缺损部位，构造该缺损部位的三维模型，最后按照组织工程的要求，建立非均质多孔结构几何描述模型，从而生成具有内部微观结构的、适合骨种子细胞生长的、用于骨组织缺损修复的三维仿生支架模型。

Description

基于CT图像的仿生支架生成方法

技术领域：

本专利涉及人体组织工程领域中用于骨组织缺损修复的仿生支架生成方法。特别是一种基于CT图像的仿生支架生成方法。

背景技术：

针对医学上广泛采用的CT图像数据，国外已有报道可将其转换为三维模型，并根据CT图像对于不同组织和病变呈现为不同像素灰度的性质，可观察、判断、分析、定位各种组织或病变位置，这仅仅是宏观意义上的，而对于微观仿生医学模型即具有内部微观多孔结构的三维仿生支架模型的建模方法，目前尚无报道。另外一方面，对于骨组织缺损的修复，其所需的仿生支架模型目前只能是通过手工以及理化方法(即纤维粘结、气体发泡、微粒析出、相分离等方法)得到。纤维粘结技术是利用热处理或溶液粘结无纺纤维网状物的方式形成三维多孔支架；气体发泡技术是利用高压二氧化碳和气体致孔剂制备出多孔仿生支架；相分离技术是在聚合物溶液中形成聚合物富相和贫相，通过升华等方式去掉聚合物贫相后，即可获得多孔的聚合物支架；溶液浇铸/粒子沥析技术通过将致孔剂和可降解材料混合，浇铸到具有外部形状特征的模具成型，然后通过溶液溶解的方法，溶解其中的致孔剂，获得多孔支架。

上述仿生支架的制作方法，在宏观结构上不能做到与骨组织缺损部位的完全吻合，而在微观结构上又受材料及环境因素的影响，生成的内部微孔是不可控的。

发明内容：

本发明目的在于提供一种基于CT图像的仿生支架生成方法，能够利用计算机辅助建模的方法以及已有计算机软件，建立非均质多孔结构几何描述模型，从而生成具有内部微观结构的、适合骨种子细胞生长的、用于骨组织缺损修复的三维仿生支架模型。

为达到上述目的，本发明的构思是：利用计算机辅助建模的方法，首先将CT图像转换为三维模型，然后针对骨组织的缺损部位，研究建立仿生支架的理论和方法以及骨组织的仿生建模方法。

通过对医学CT数据的分析，提出医学模型三维CAD的建模方法，实现CT扫描图片数据的转换，采用基于仿生制造和组织工程的理论，针对骨组织的缺损部位，研究建立仿生支架的理论和方法以及骨组织的仿生建模方法，建立非均质多孔结构集合描述模型，从而生成具有内部微观结构的用于骨组织缺损修复的三维仿生支架模型。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征是在将CT图像数据转换为三维模型的基础上，针对骨组织的缺损部位，构造该缺损部位的三维模型，最后按照组织工程的要求，建立非均质多孔结构几何描述模型，从而生成具有内部微观结构的、适合骨种子细胞生长的、用于骨组织缺损修复的三维仿生支架模型；具体建模方法的步骤为：

1)提取由医院提供的患者CT数据；

2)将CT数据转换为三维模型；

3)针对骨组织的缺损部位，构造该缺损部位的三维模型；

4)在骨组织缺损部位三维模型的基础上，构造具有内部微观多孔结构的仿生支架模型；

上述的CT数据必须符合DICOM标准。

上述的将CT数据转换为三维模型的方法是：利用计算机医学软件的图像预处理、图像分割、边缘检测和轮廓采样和提取功能，将CT数据转换为三维模型。

上述的构造骨组织缺损部位三维模型的建模方法：利用计算机医学软件的图像预处理、图像分割、边缘检测和轮廓采样和提取功能，将CT数据转换为三维模型。

上述的计算机辅助建模软件的功能，包括：如果缺损部位是对称的，采用镜像方法；如果缺损部位是接近规则的，如圆柱形、圆锥形、球形的，采用体素方法；以及需要进行实体的并、交、差运算的，采用布尔运算方法。

上述内部微观多孔结构的仿生支架模型的构造方法是：根据缺损部位三维模型，建立直径在0.2～0.5mm之间、深度大于该缺损部位模型最大轮廓尺寸、相互正交的三个圆柱孔，然后分别将该三个圆柱孔按平面阵列方法构造出相互间隔在0.2±0.05mm的阵列孔，这些阵列孔必须遍历整个缺损部位三维模型；所得到的模型，即具有内部微观多孔结构的适合骨种子细胞生长的用于骨组织缺损修复的仿生支架模型。

上述的计算机医学软件采用Mimics 7.30医学软件；所述的计算机图形处理软件采用Magics 7.1图形处理软件；所述的计算机模型重建软件采用Imageware 10.0模型重建软件；所述的计算机辅助设计软件采用UG NX 2计算机辅助设计软件。

上述的仿生支架模型内部的微观多孔结构适合种子细胞生长的要求是：孔隙率达到80％～90％，孔径为0.2mm～0.5mm，并保证孔的连通性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用了计算机辅助建模的方法及已有计算机软件，建立骨组织缺损部位的三维模型，再按照组织工程的要求，建立非均质多孔结构几何描述模型，由其生成的三维仿生支架模型具有内部微观结构，适合于骨种子细胞生长，适用于骨组织缺损的修复。

附图说明：

图1是基于CT图像的仿生支架生成方法流程框图。

图2是本发明一个实施例用的患者头颅CT数据图像图。

图3是图2所示患者头颅的三维模型图。

图4是图2所示患者头颅的按CAD方法建立的缺损部位三维模型图。

图5是图4示出的独立的缺损部位三维模型图。

图6是图5所示独立缺损部位的仿生支架模型图。

具体实施方式：

本发明的一个优选实施例详述如下：本实施例是根据医院提供的有骨组织缺损的患者头颅CT图像数据，通过计算机处理获得具有内部微孔结构的缺损部位仿生支架模型。其方法是：根据患者骨骼CT图像，首先将其转换成三维骨骼模型，之后由该骨骼模型建立骨组织缺损部位的三维模型，然后构造具有内部微观多孔结构的适合骨种子细胞生长的仿生支架模型。其中微观多孔结构将按种子细胞生长的要求，即孔隙率达到80％～90％，孔径在0.2～0.5mm之间(孔径大小可控)，并保证孔的连通性。

参见图1，本方法的步骤为：

(1)首先获得由医院提供的符合DICOM标准的患者CT数据；

(2)通过Mimics软件的图像预处理、图像分割、边缘检测、轮廓采样和提取等功能，对患者CT数据进行分析和处理，并转换为三维模型；

(3)根据患者三维模型中的骨组织缺损部位的形态，通过Magics、Imageware和UG NX等软件的计算机辅助建模方法，即镜像方法、体素方法以及布尔运算方法等建立骨组织缺损部位的三维模型；

(4)根据缺损部位三维模型，建立直径在0.2～0.5mm之间、深度大于该缺损部位模型最大轮廓尺寸、相互正交的三个圆柱孔，然后分别将该三个圆柱孔按平面阵列方法构造出相互间隔在0.2±0.05mm的阵列孔，这些阵列孔必须遍历整个缺损部位三维模型；最后获得的就是具有内部微观多孔结构、各孔间为互连通的适合骨种子细胞生长的用于骨组织缺损修复的仿生支架模型。

具体操作步骤如下：

(1)由医院通过介质CD或FTP等网络途径提供头部有骨组织缺损的患者头颅CT图像数据(参见图2)，文件格式符合DICOM标准；

(2)经计算机图像预处理、图像分割、边缘检测、轮廓采样和提取等建模方法将CT数据转换为三维模型(参见图3)，具体操作为：

i.在Mimics软件里，选择菜单File→Import Images，在出现的对话框里，选中要转换的CT图像数据，选择Add Auto，然后按Convert选项，将数据读入；并选择Open in Mimics，将读入的图片数据打开；

ii.选择菜单Segmentation→Calculate 3D，在出现的对话框里，在Mask选项下选中打开的图片数据，然后按Calculate选项，计算三维模型；

iii.选择File→CTM，在出现的对话框里，在Name选项下选中三维模型数据，再选择Add，然后按Next选项和Finish选项，输出三维模型的STL格式；

(3)将患者头颅三维模型中的骨组织缺损部位按镜像方法、体素方法以及布尔运算方法等建立缺损部位三维模型(参见图4)，具体操作为：

i.在Magics7.1软件里，选择菜单File→Load Part，打开上一步输出的STL格式的三维模型文件；

ii.选择菜单Edit→Mirror，在出现的对话框里，选择YZ-Plane作为镜像平面，并选中Create Copy和Center of Part选项，然后按OK，即将颅骨完整的一侧镜像拷贝到缺损的一侧；

iii.选择菜单Tools→Cut & Punch，在出现的对话框里，选择Indicate选项，然后用光标圈选缺损处的镜像拷贝部分(圈选的范围、形状要略小于缺损部分)，同时在Cut & Punch对话框里，选中Round选项，并且将其Radius设置为10mm，最后按Cut选项，这样就得到了所需的缺损部位三维模型(STL格式)；

iv.选择菜单File→Export→Point Cloud，将STL格式的缺损部位三维模型转换成点云格式，以便Imageware软件读取；

v.打开Imageware软件，选择菜单File→Open，将上一步输出的点云格式的缺损部位模型文件打开，按照三维重建的方法，通过菜单Construct→CurveFrom Cloud→Fit Curve构造曲线，通过菜单Construct→Surface FromCloud→Uniform Surface构造曲面；

vi.选择菜单File→Save As，将构造好的缺损部位三维模型曲面保存为IGES格式的文件，以便UG NX软件读取；

vii.打开UG NX软件，选择菜单File→New，新建一个文件，然后选择菜单File→Import→IGES，输入上一步保存的缺损部位三维模型曲面文件，选择Application→Modeling，进入建模环境，选择Insert→Feature Operation→Sew，然后分别选中模型的三个曲面(即上面、侧面和下面)，将其缝合成一个实体，并对其棱边进行倒圆，倒圆半径为0.5mm，最后将该模型独立保存为一个文件(参见图5)，便于后续操作；

(4)根据上一步得到的患者头颅缺损部位三维模型，建立直径在0.2～0.5mm之间、深度大于该缺损部位模型最大轮廓尺寸、相互正交的三个圆柱孔，然后分别将该三个圆柱孔按平面阵列方法构造出相互间隔在0.2±0.05mm的阵列孔，这些阵列孔必须遍历整个缺损部位三维模型，具体操作为：

i.选择菜单Insert→Form Feature→Datum CSYS，构建一个用户坐标系和三个相互正交的辅助面，它们分别是XY面(位于模型的底面)、YZ面(位于模型的左侧面)和ZX面(位于模型的正前面)，各面与模型间隔不超过2mm；

ii.选择菜单Insert→Form Feature→Hole，分别在三个相互正交的辅助面上打孔，孔径分别为0.3mm、0.4mm、0.5mm，深度为100mm，孔中心必须穿过模型；

iii.选择菜单Insert→Feature Operation→Instance→Rectangular Array，分别将上一步生成的孔在各自辅助面的水平和垂直方向阵列，阵列间隔分别为0.35mm、0.45mm、0.55mm，最终生成的阵列孔必须遍历整个缺损部位三维模型；

(5)最后获得的就是具有内部微观多孔结构、各孔间为互连通的患者头颅缺损部位仿生支架模型(参见图6)。

Claims (8)

1.一种基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征是在将CT图像数据转换为三维模型的基础上，针对骨组织的缺损部位，构造该缺损部位的三维模型，最后按照组织工程的要求，建立非均质多孔结构几何描述模型，从而生成具有内部微观结构的、适合骨种子细胞生长的、用于骨组织缺损修复的三维仿生支架模型；具体建模方法的步骤为：

1)提取由医院提供的患者CT数据；

2)将CT数据转换为三维模型；

3)针对骨组织的缺损部位，构造该缺损部位的三维模型；

4)在骨组织缺损部位三维模型的基础上，构造具有内部微观多孔结构的仿生支架模型；

2.权利要求1所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于患者CT数据必须符合DICOM标准。

3.根据权利要求1所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于将CT数据转换为三维模型的方法是：利用计算机医学软件的图像预处理、图像分割、边缘检测和轮廓采样及提取功能，将CT数据转换为三维模型。

4.根据权利要求1所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于构造骨组织缺损部位的三维模型的建模方法是：利用计算机图形处理软件、计算机模型重建软件和计算机辅助设计软件，建立骨组织缺损部位的三维模型。

5.权利要求4所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于计算机辅助建模软件的功能，包括：如果缺损部位是对称的，采用镜像方法；如果缺损部位是接近规则的，如圆柱形、圆锥形、球形的，采用体素方法；以及需要进行实体的并、交、差运算的；采用布尔运算方法。

6.根据权利要求1所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于内部微观多孔结构的仿生支架模型的构造方法是：根据缺损部位三维模型，建立直径在0.2～0.5mm之间、深度大于该缺损部位模型最大轮廓尺寸、相互正交的三个圆柱孔，然后分别将该三个圆柱孔按平面阵列方法构造出相互间隔在0.2±0.05mm的阵列孔，这些阵列孔必须遍历整个缺损部位三维模型；所得到的模型，即具有内部微观多孔结构的适合骨种子细胞生长的用于骨组织缺损修复的仿生支架模型。

7.根据权利要求3、或4、或5所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于所述的计算机医学软件采用Mimics 7.30医学软件；所述的计算机图形处理软件采用Magics 7.1图形处理软件；所述的计算机模型重建软件采用Imageware10.0模型重建软件；所述的计算机辅助设计软件采用UG NX 2计算机辅助设计软件。

8.根据权利要求6所述的基于CT图像的仿生支架生成方法，其特征在于仿生支架模型内部的微观多孔结构适合种子细胞生长的要求是：孔隙率达到80％～90％，孔径为0.2mm～0.5mm，并保证孔的连通性。

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