一种医学影像三维实体重建系统及其重建方法与流程

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种医学影像三维实体重建系统及其重建方法。

背景技术：

医学图像三维重建技术，是指利用一系列二维切片图像重建三维图像模型并进行定性分析，定量分析的技术。随着计算机断层扫描、核磁共振设备的研制成功并投入使用，为医生提供了清晰的人体内部丰富的组织、器官的断层图像信息，协助医生更加直观、迅速、准确地诊断病情。现有的医学影像三维成像重建系统主要是根据X射线、计算机断层扫描CT、核磁共振MR以及超声波等医学成像方法得到的二维序列图像对人体器官组织进行重构，呈现出三维立体的形态。

目前的三维成像技术对医生的经验要求较高，医生对于病情的评估和治疗方案的制定具有一定的局限性，进而影响医生对病情的分析及治疗方案的制定。另外由于人体骨骼、外形各部相同，而且都是由复杂的曲面构成，目前是三维重建技术无法让医生直观有效地观察病灶的具体情况，无法准确诊断病变部位的准确位置，降低治疗方案的精准性。对于复杂的开颅手术或者骨骼的假体制作无法在手术前进行模拟。

医学影像的三维实体重建能有效解决上述问题。三维医学图像实体重建使得我们可以从任意角度观察人体结构，对人体内部各个组织和相对位置关系有个全面的了解，从而降低误诊、漏诊率。而应用三维重建技术对人体组织进行三维重建，能直观明了的确定病变体的空间位置、大小、几何形状及周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。三维实体重建可以帮助医生对病人的病情有完善的整体看法，找出最佳的手术方案，分析解剖入路，大大提升手术的质量，减少对组织的意外伤害，此外也易于病人理解医生策划的手术，有效缩短手术时间、减低手术风险和病人的不适感。

此外，医学影像的三维实体重建为诊断、治疗和教学提供直观、能触摸的信息记录，易于测量，利于深入研究，从而更有效的更新医护人员的知识，提高其医疗技术水平，进而推进医疗事业的发展。

FDM3D打印技术兴起于二十世纪八十年代后期，后来逐步发展成为一项加工制造技术，其本质就是快速成型技术，根据逐层堆积的加工方式，将固体材料加热熔融后重新叠加起来，从而打印出产品的三维模型。由于3D打印能够以最快的速度将设计转变为具有一定结构功能的产品原型，可以对产品设计进行评估，减少开发费用，缩短研发周期，降低生产成本，且产品的造价几乎与产品批量及复杂性无关，使得3D打印技术得到了快速的发展，在实际生产中得到了广泛的应用。

在FDM3D打印中，打印速度、打印精度、材料多样性都非常重要，传统的3D打印机多数为单喷头形式，打印中需更换材料时要停止打印，降低工作效率，并且更换材料操作也会降低打印成品的质量；还有一种3D打印机采用多喷头间距固定的方法，多喷头同时工作，原理类似把铅笔绑成一排写字，还有多个支架独立打印形式，还有多喷头集成的打印形式等等，上述的各类多喷头打印机多均需将打印头控制在同一平面上，方便多喷头同时作业提高成型效率。但是在成型过程中随着喷头的水平移动，易触碰到已挤出成型的结构，导致工件结构失准，难以满足较高的打印精度要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的3D打印机难以实现复杂的医学影像的三维模型构建的缺陷，提供一种医学影像三维实体重建系统及其重建方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种医学影像三维实体重建系统，包括水平移动装置、垂直升降装置和旋转装置；水平移动装置包括平行轴和垂直轴，平行轴设置有两条，垂直轴的两端分别与两条平行轴滑动连接；旋转装置设置在垂直轴上，且旋转装置能沿垂直轴方向运动；旋转装置上安装有多个喷头模组，喷头模组在旋转装置的驱动下进行旋转和角度调节；垂直升降装置设置在水平移动装置下方，垂直升降装置上设置有能升降的打印平台。

进一步地，本发明的所述旋转装置包括刹车电机、旋转板和传动系统，传动系统与垂直轴相连，刹车电机通过传动系统与旋转板相连，喷头模组安装在旋转板上，旋转板在刹车电机提供的动力作用下旋转，进而带动喷头模组旋转。

进一步地，本发明的所述喷头模组包括喷头和送料机构，喷头上连接有用于加热打印材料的加热器，加热器和送料机构之间通过输料管相连，送料机构上还连接有驱动电机。

进一步地，本发明的所述加热器与用于控制打印材料的加热温度的温度传感器相连。

进一步地，本发明的系统还包括多个电机，水平移动装置、垂直升降装置和旋转装置均通过电机驱动。

进一步地，本发明的所述旋转板上还设置有使打印中的喷头模组保持垂直的限位装置。

本发明提供一种医学影像三维实体重建方法，包括以下步骤：

S1、使用CT机对病患进行患处扫描，采集患处的图像，对图像进行分割后，导入医学三维重建软件进行三维重建，得到患处的三维模型；

S2、对三维模型进行分层切片，提取切片截面轮廓，并对截面轮廓内的图像信息进行处理，得到患处的不同组织的物理特征；

S3、根据不同组织的物理特性，选择不同熔点的打印材料，并根据打印材料种类的数量设置喷头的数量；

S4、通过温度传感器控制不同打印材料的加热温度，分别使用加热器对不同的打印材料进行加热融化为粘弹性流体状态，并将其分别送入各个喷头；

S5、控制水平移动装置和旋转装置，使喷头移动至待打印的位置，喷头按照截面轮廓沉积一层设定厚度的打印材料，融化的打印材料凝固并粘接到打印平台上；

S6、完成一层截面中各个材料的打印后，控制垂直升降装置使打印平台下降一个分层的厚度，继续沉积该层截面的打印材料，直到完成所有分层的打印，得到打印完成的所需患处组织。

进一步地，本发明的方法的打印过程中，针对不同形状特征的组织，采用可溶性材料作为临时支撑，处理完成后将其去除，得到所需的患处组织。

进一步地，本发明的方法还包括判断是否发生材料断裂的方法，具体为：

若打印过程中出现材料断裂，提示更换打印材料，打印材料更换完成后，返回步骤S4继续打印剩余的患处组织。

进一步地，本发明的方法还包括判断是否发生断电的方法，具体为：

若打印过程中出现断电的情况，待下次恢复电力时，启动打印过程，选择上次打印过程中未完成的患处组织部件，返回步骤S4继续打印剩余的患处组织。

本发明产生的有益效果是：本发明的医学影像三维实体重建系统及其重建方法，通过设置的多个喷头模组，能够实现对不同材料设置不同的温度分别进行加温融化，并同时使用多个喷头进行不同材料的组合打印；能够有效克服多探头3D打印机中由于相邻探头的运动带来的工件成型误差，提升了成型工件的精度，提高了机器的工作效率；本发明的方法将患者病灶位置的二维影像数据转化为真实且与实物大小一致模型，立体感强，空间结构清晰，为医生提供了更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，为个性化治疗方案提供全面直观的依据；该方法能够提高手术治疗的效果，降低手术风险。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的3D打印机结构示意图；

图2是本发明实施例的喷头模组的左视结构示意图；

图3是本发明实施例的喷头模组的结构示意图；

图4是本发明实施例的方法流程图；

图5是本发明实施例的盆骨结构示意图；

图6是本发明实施例的股骨、股骨处血管及肌肉的结构示意图；

图中，1-水平移动装置，2-垂直升降装置，3-旋转装置，4-平行轴，5-垂直轴，6-喷头模组，7-打印平台，8-电机，31-刹车电机，32-旋转板，60-喷头，61-加热器，62-输料管，63-送料机构，64-驱动电机。

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。

如图1所示，本发明实施例的医学影像三维实体重建系统，包括水平移动装置1、垂直升降装置2和旋转装置3；水平移动装置1包括平行轴4和垂直轴5，平行轴4设置有两条，垂直轴5的两端分别与两条平行轴4滑动连接；旋转装置3设置在垂直轴5上，且旋转装置3能沿垂直轴5方向运动；旋转装置3上安装有多个喷头模组6，喷头模组6在旋转装置3的驱动下进行旋转和角度调节；垂直升降装置2设置在水平移动装置1下方，垂直升降装置2上设置有能升降的打印平台7。

如图2所示，旋转装置3包括刹车电机31、旋转板32和传动系统，传动系统与垂直轴5相连，刹车电机31通过传动系统与旋转板32相连，喷头模组6安装在旋转板32上，旋转板32在刹车电机31提供的动力作用下旋转，进而带动喷头模组6旋转。

如图3所示，喷头模组6包括喷头60和送料机构63，喷头60上连接有用于加热打印材料的加热器61，加热器61和送料机构63之间通过输料管62相连，送料机构63上还连接有驱动电机64。

加热器61与用于控制打印材料的加热温度的温度传感器相连。

系统还包括多个电机，水平移动装置1、垂直升降装置2和旋转装置3均通过电机驱动。

旋转板32上还设置有使打印中的喷头模组6保持垂直的限位装置。

在本发明系统的实施例1中：

医学影像三维实体重建系统为一种可旋转的多喷头3D打印机，主要包括X轴轨道、Y轴轨道、Z轴轨道和多个喷头模组，喷头模组是有转盘式多喷头组成，固定于移动支架上，模组上固定多个喷头，移动支架在垂直及纵向移动。喷头模组固定在与X轴垂直，与Y轴平行的A轴，喷头模组能绕A轴旋转。

水平移动装置包括电机、有电机驱动的平行轴，喷头固定于水平轴上，平行轴的两端均连接有垂直轴。由电机、平行轴、喷头构成的运动装置组成相对简洁，故障率低、精度误差较小。

喷头模组包括刹车电机、有电机驱动的A轴、垂直方向的旋转板，喷头固定于旋转板上。A轴由刹车电机驱动。每个喷头模组上集成有不少于一个喷头。

旋转板上装有限位装置，以保证工作喷头在打印过程保持与支撑平台垂直。

喷头在旋转板上得位置及旋转角度需由喷头的数量来计算配合得出。

通过采用上述结构，本发明能够有效克服多探头3D打印机中由于相邻探头的运动带来的工件成型误差，提升了成型工件的精度，提高了机器的工作效率，增加了3D打印机批量生产，介入产品加工制造的可能。

在本发明系统的实施例2中：

医学影像三维实体重建系统包括多个喷头，每个喷头均固定在一个垂直旋转装置上，旋转装置固定在导杆上，并可在导杆在水平方向运动。垂直旋转装置、导杆的功能在于使喷头实现在X-Y平面内的运动及垂直平面的旋转运动。

喷头通过水平移动装置实现水平方向的任意位置移动。电机控制打印平台在垂直方向移动。从而使得喷头可以到达所需位置。在工作时，选择需要的喷头进行运动控制，与该喷头在同一旋转装置上的另一个喷头处于待机状态。

水平移动装置优选为包括电机、由电机驱动的平行轴以及固定在平行轴上的喷头模组，平行轴的两端均滑动连接有垂直轴。实际应用中，电机可以通过齿轮皮带传动系统连接平行轴。其余的常用机械传动机构如杆传动、链传动和凸轮机构等等均可。

支撑平台用于在其上执行3D打印的物体的操作，并且打印出的物体支撑于该支撑平台上。电机可以通过第一传动系统连接到支撑平台上，从而通过该第一传动系统驱动支撑平台相对于喷头模组运动。喷头模组通过导杆和水平移动装置，可以到达支撑平台上任意一点。电机驱动支撑平台的运动可以保证工作喷头到达空间任意位置。

喷头模组用于在其上执行喷头的工作指令。喷头模组由刹车电机驱动，刹车电机可以通过第一传动系统与旋转板相连。喷头与喷头固定在旋转板上。从而通过该传动系统驱动旋转板的运动保证工作喷头与支撑平台垂直。

多个打印头分别与不同的加热器相连。加热器分别与各自的输料管相连，输料管上端分别安装有送料机构。

安装板上对应送料机构分别安装有一台驱动电机，通过齿轮传动的方式进行驱动送料。

旋转板上固定喷头，通过旋转板控制工作喷头，例如喷头与支撑平台垂直，物料经过送料机构，到达输料管，再经由加热器加热熔化，由喷头挤出，在支撑平台上凝固成当前层并与前一层相粘连。另外一个不作业喷头则旋转通过旋转板的运动与工作台面保持一定的角度，维持一定的高度差。

通过采用上述结构，本发明能在快速打印工件的前提下，有效的降低多喷头打印过程中由于其他喷头的引入带来的误差，提升成型精度。

如图4所示，本发明实施例的医学影像三维实体重建方法，包括以下步骤：

S1、使用CT机对病患进行患处扫描，采集患处的图像，对图像进行分割后，导入医学三维重建软件进行三维重建，得到患处的三维模型；

S2、对三维模型进行分层切片，提取切片截面轮廓，并对截面轮廓内的图像信息进行处理，得到患处的不同组织的物理特征；

S3、根据不同组织的物理特性，选择不同熔点的打印材料，并根据打印材料种类的数量设置喷头的数量；

S4、通过温度传感器控制不同打印材料的加热温度，分别使用加热器对不同的打印材料进行加热融化为粘弹性流体状态，并将其分别送入各个喷头；

S5、控制水平移动装置和旋转装置，使喷头移动至待打印的位置，喷头按照截面轮廓沉积一层设定厚度的打印材料，融化的打印材料凝固并粘接到打印平台上；

S6、完成一层截面中各个材料的打印后，控制垂直升降装置使打印平台下降一个分层的厚度，继续沉积该层截面的打印材料，直到完成所有分层的打印，得到打印完成的所需患处组织。

打印过程中，针对不同形状特征的组织，采用可溶性材料作为临时支撑，处理完成后将其去除，得到所需的患处组织。

若打印过程中出现材料断裂，提示更换打印材料，打印材料更换完成后，返回步骤S4继续打印剩余的患处组织。

若打印过程中出现断电的情况，待下次恢复电力时，启动打印过程，选择上次打印过程中未完成的患处组织部件，返回步骤S4继续打印剩余的患处组织。

在本发明方法的实施例1中：

医学影像三维实体重建系统为医护人员提供了具体化的病灶模型，从而使得医生对病情有完善的整体看法，制定个性化的治疗方案，达到精准治疗的目的。该方法易于病患理解医生策划的治疗方案，能更好的于医疗专家进行交流，有效降低病人的不适感。此外由于该方法能为诊断、治疗和教学提供直观、可触摸的信息记录，将大大提升医疗技术水品，推进医疗事业的发展。包括以下步骤：

步骤1、数据采集：使用CT机对病患进行患处扫描，采集影像文件为Dicom格式文件，导入医学三维重建软件进行三维重建；

步骤2、使用医学三维重建软件，根据CT机扫描数据把图像分割，并进行三维模型重建；

步骤3、根据三维模型的特征选择合适的方向进行分层切片，提取截面轮廓，处理截面信息；

步骤4、由于人体结构的复杂性，组织物理性质各不相同，根据人体各组织的特点选取不同的材料成型，例如，骨骼一般选用强度较高的白色的材料，血管一般选择蓝色有柔韧好的材料。材料的性能不同决定其熔点不同，而打印复杂的人体结构需不同的材料在同一层面上凝固，故需多探头同时作业，本发明中引入四个探头；

步骤5、本实施例中设置有四个喷头。控制信号控制送料机构的运动，牵引丝状材料到两个驱动轮间被夹住，依靠驱动轮旋转时产生的摩擦力将丝状材料送往与喷头相连的塑料导向软管中，再送入喷头；

步骤6、送入喷头中的丝状材料在有温度传感器控制的加热器中融化成粘弹性流体状态，喷头上的步进电机驱动螺杆旋转，将丝挤出；

步骤7、计算机控制在安装导轨上的喷头根据截面轮廓信息在X-Y平面内运动，喷头按照截面轮廓沉积一层设定厚度的丝，从喷嘴挤出的丝马上凝固并粘接到工作台面上；

步骤8、一层加工完后，工作台下降一个分层的厚度，喷头沉积新一层的截面，并粘接到前一层已凝固的丝上，这样不断堆积，最终得到所需组织；

步骤9、针对不同形状特征的组织，通常会采用可溶性材料作为临时支撑，在后处理中将其去除，得到所需的完整组织；

步骤10、如果打印过程中出现材料断裂，机器提示更换材料，待问题解决后，返回第5步继续打印剩余部件；

步骤11、若打印过程出现断电的情况，待下次恢复电力时，启动机器，选择打印上次未完成部件，返回第5步继续打印剩余部件。

在本发明方法的实施例2中：

如图5所示，对人体盆骨的三维实体进行重建，盆骨是一个解剖结构极为复杂并紧密联系的多层次互相影响的整体，涉及多种机制的协同作用。空间结构的复杂性给三维实体重建带来一定的困扰，相对人体的其他骨骼盆骨截面要大，进一步加大了三维实体重建的难度。鉴于盆骨空间结构的复杂性，实体重建中需引入一种水溶性的支撑材料。

步骤1、通过CT扫描仪沿盆骨自上而下扫描人体盆骨的结构，信息数据以DICOM格式存入光盘；

步骤2、运用Mimics软件，将DICOM格式的盆骨扫描数据读入PC，得到包括背景、软组织和骨组织在内的个具灰度特性的图像区域。通过选择合适的分割阈值，提取出全部骨组织；

步骤3、利用Mimics软件对盆骨进行三维重建，得到盆骨三维数字模型。由于模型不可避免的会出现曲面或者空洞，为防止所需关键结构的却是，提高与实际模型的相似度，需要将模型进行一系列的小三角平面来逼近原来的模型，数据以STL格式输出；

步骤4、利用Magics软件对三维立体模型进行修复并进行光顺处理，得到与实际更相符的盆骨模型；

步骤5、将所得到的三维模型沿着高度方向进行切片。采用不同的方法形成表达立体模型截面信息的成型轨迹。因盆骨空间结构复杂，需要另外一种可溶性的支撑材料作为支撑，故盆骨的打印需要两种性质不同的材料；

步骤6、控制信号控制驱动轮的运动，分别牵引两种丝状材料到驱动轮间被夹住，依靠驱动轮旋转时产生的摩擦力将丝状材料送往与喷头相连的塑料导向软管中，再送入喷头；

步骤7、将构建盆骨模型的材料送入喷头中，设置熔化温度为T1，将支撑材料送入到喷头2中加热融化，设置熔化温度为T2；

步骤8、成型计算机根据每一层的截面信息控制不同的探头在X-Y平面内做运动。根据截面信息在构建骨骼的位置控制喷头将股骨材料挤出，同理另一个喷头将支撑材料挤出。在工作台面上凝固成当前层，并同时连接到前一层，最终堆积成实体；

步骤7、待模型完全冷却后，去除支撑材料，不必要的连接和成型过程中不必要的凹起。

在本发明方法的实施例3中：

如图6所示，对人体大腿的三维实体进行重建，股骨位于人体下肢大腿中，上端参与组成髋关节连接盆骨，下端参与组成膝关节连接小腿胫骨，是人体最长的管状骨，承担着人体上半部分所有重量。股骨还是骨科及整形万科临床手术中最常见的骨骼之一。本模型包括股骨、股骨处血管及肌肉。骨骼、血管、肌肉功能及结构各部相同，且血管结构复杂，脆弱易断，需支撑材料。所以股骨三维实体重建需要四种性能各异的材料。因此本设备采用四个探头熔融四种材料沉积模型，保证了实体模型重建的速度，同时由于骨骼、血管、肌肉及支撑的同步构建有效的保证了模型与实体的一致性，保证模型的精度。

步骤1、通过CT扫描人体前臂的结构，信息数据以DICOM格式存入光盘；

步骤2、运用Mimics软件将DICOM格式的股骨数据导入PC机。通过设定恰当的灰度阈值分割、抽取股骨不同目标区域的数据信息，分别将选定区域生成STL模型；

步骤3、利用Magics软件对三维立体模型进行模型成型处理，得到与实际相符的三维模型；

步骤4、根据前臂的结构特点选择合适的方向将所得到的三维模型进行切片；

步骤5、选择合适的三种构建骨骼、血管和肌肉的材料，同时引入满足要求的支撑材料，分别放入料盘支架；

步骤6、控制信号控制驱动轮的运动，分别牵引四种种材料到驱动轮间被夹住，依靠驱动轮旋转时产生的摩擦力将丝状材料送往与喷头相连的塑料导向软管中；

步骤7、将四种材料分别送入喷头加热熔化，例如将构建骨骼的材料送入第一喷头，设置熔化温度为T3,将支撑材料送入第二喷头，设置熔化温度为T4，将构建血管材料送入第三喷头，设置熔化温度为T5，将构成肌肉材料送入第四喷头，设置熔化温度为T6；

步骤7、成型计算机根据截面信息控制不同的探头在X-Y平面运动，在构建骨骼的位置，第一喷头作业，挤出骨骼材料，同理第二喷头挤出支撑材料，第三喷头挤出血管材料，第四喷头挤出肌肉材料；

步骤8、熔化的材料在工作台面上凝固成当前层，并同时连接到前一层，最终堆积成实体；

步骤9、对股骨的三维模型去除支撑材料和不必要的连接。

该方法的有益效果为：

(1)辅助治疗方案的制定。将患者病灶位置的二维影像数据转化为真实且与实物大小一致模型，立体感强，空间结构清晰，病灶的大小、形状、位置及其与周围关系明确，为医生提供了更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，为个性化治疗方案提供全面直观的依据；

(2)保证治疗方案的有效实施，尤其是对于指导复杂的手术有及其重要的意义。医学影像三维实体重建为手术提供了实体模型，减少了因手术中因暴露空间有限等原因造成的于病患影像学检查位置不符、参照系改变所造成的偏差，有助于医生准确的把握手术切口及路径的选择，降低手术风险；

(3)实体模型是对传统医学教学的完善和补充，为年轻医务工作者的成长提供良好的学习平台。通过三维实体重建系统，可以促进医务工作者对人体结构知识的掌握，缩短医师培训时间，增进医生之间的交流，有助于治疗方案的改进，提高医疗综合水平；

(4)增进医患沟通。提供患者直观可触摸的三维实体模型可使其对疾病及治疗方案有明确的了解，减轻患者及家属的心理负担，有助于医患间有效沟通，减少医患纠纷。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。