本发明总体上涉及用于提供3D模型参数以制造物理3D解剖结构模型的系统和方法、用于制造物理3D解剖结构模型的设备和方法以及计算机程序产品。
背景技术：
用于植入物(例如颅骨部分、髋关节、膝关节、牙齿植入物)或用于患者研究的解剖模型是已知的并且以诸如雕刻、铸造、蚀刻等的各种方式来制造。最近解剖部分也已经利用3D打印来制造。
对于所有制造技术，重要的是要获得足够精确和可靠以作为制造的解剖模型的基础的患者的感兴趣解剖体的相关解剖数据。通常DICOM数据库被用于获得解剖数据，但是这不能保证与特定患者有关的个性化解剖模型的匹配。WO2015/074158A1公开了使用计算机断层摄影成像来获得患者的感兴趣解剖体的几何信息。
几何数据(来自DICOM库或CT扫描)然后被转换为可以直接或间接用于制造模型的数据。例如，几何数据被转换为3D CAD数据，所述3D CAD数据可以直接被馈送至制造设备，诸如3D打印机。备选地，几何数据可以首先由另一设备处理，并且然后在3D模型制造过程中使用。
然而，从医学成像获得可复写且准确的几何数据是一个问题，因为多数扫描器不被操作为诸如获得最高可能几何精度。
技术实现要素：
本发明旨在解决上述缺点并且允许解剖模型的更精确的并且通用的制造。
根据本发明的实施例涉及一种用于提供3D模型参数以制造物理3D解剖模型的系统。所述系统包括：成像系统，其被配置为采集解剖结构的三维图像数据，重建器，其用于将所采集的三维图像数据重建为3D模型参数；以及3D模型提供单元23，其用于直接或间接地将3D模型参数提供给用于制造物理3D解剖模型的设备。用于提供经优化的参数的参数提供器提供针对最大几何精度被优化的成像系统的成像采集参数和/或重建器的重建输入参数。这允许制造具有高几何准确度的模型。
在本系统的优选实施例中，参数提供器被实施为至少一个可选择预设参数设置。这为仅需要选择用于本发明的快速实施的经优化的参数的用户提供了工作的便利。
在本系统的优选实施例中，系统还被配置为获得解剖结构的材料信息。优选地，材料信息包括以下中的一项或多项：材料成分；材料的结构分布，诸如材料密度或孔隙率；材料能量信息，诸如辐射吸收或反射性质；材料内的其他材料的灌注，诸如血液或造影剂灌注性质；组织对比度信息，诸如硬组织材料和软组织材料的对比度或者诸如硬组织材料和软组织材料之间的对比度；或者温度信息。该额外的信息可以用于获得比仅具有几何信息的更通用的解剖模型。
在优选实施例中，成像系统是：3D X射线成像系统，诸如计算机断层摄影成像系统，优选地光谱3D X射线成像系统或相位对比X射线成像系统；磁共振成像系统；超声成像系统；正电子发射断层摄影成像系统；单光子发射计算机断层摄影系统；或其组合。
本发明还涉及一种用于制造物理3D解剖结构模型的设备，所述设备被配置为基于从根据本发明的系统接收的3D模型参数来制造物理解剖结构模型13。使用这样的设备获得更精确的解剖模型。
设备还被配置为基于3D模型参数内的材料和/或功能性质来调整制造输出。所述输出制造输出优选地包括：不同的颜色；颜色等级；针对不同材料参数的透明水平；诸如刚度或硬度的机械性质的变化；和/或成像性质，如超声反射率、透射率或X射线吸收率。当存在时，额外的性质可以改进解剖模型的准确度和/或通用性。
设备优选是3D打印机，其是通用的制造设备，尤其适于获得具有本发明的所有优点的解剖模型。
本发明还涉及与系统和设备相对应的方法以及执行所述方法的计算机程序产品。
在阅读并理解了以下详细说明后，本领域普通技术人员将意识到本发明的其他方面和实施例。在阅读了优选实施例的以下详细描述后，许多额外的优点和益处对本领域普通技术人员而言变得显而易见。
附图说明
本发明通过以下附图图示：
图1示出了生成解剖结构的3D参数，制造所述解剖结构和使用所述解剖插入物的示意性表示。
本发明可以采用各种部件和部件布置的形式，并且可以采取各种处理操作和处理操作的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。为了更好地可视化，可以省略特定特征，或者尺度可以不按比例。
具体实施方式
使用图1来解释本发明，图1是使用医学成像来制造解剖插入物的高度示意图和基本概览。在该非限制性范例中，解剖模型是骨插入物，并且通过3D打印来执行制造。然而，技术人员将知道如何使该范例适应于其他制造技术和/或相关解剖模型，诸如其他骨结构，以及完整的或部分的脑部、心脏、血管系统或器官模型。相同的图图示了在获得模型之后如何通过简单地不使用最后步骤(107)来获得非插入解剖模型。
物理解剖模型可以用于植入到患者的身体中，以研究总体的或患者特定的解剖问题、介入治疗规划或用于教育原因。明显地，当模型基于实际解剖结构时模型是最逼真的，并且在植入或患者特定问题的研究的情况下这甚至更为重要。当解剖模型将被植入身体中例如作为骨插入物或替代植入物(诸如髋关节、膝关节或牙齿植入物)时，解剖模型的几何准确度尤其重要。当解剖模型太大或太小，甚至轻微地太大或太小时，安装可以很差，从而引起不适或甚至植入物的非最佳功能和/或外科医师在介入期间校正几何结构的需要，这延长了流程并增加了患者的风险。
为了实现几何准确度，通常由医学成像器医学地扫描患者中的感兴趣解剖结构。可以使用各种类型的医学成像器，这取决于解剖结构以及所需的准确度和/或可以获得的另外的功能或材料信息。
在图1中，利用医学成像器20来扫描102例如由于骨折、出生缺陷或疾病而具有缺失部分11的骨10。在该范例中，医学成像器是具有源和探测器的成像系统20，诸如X射线、计算机断层摄影(CT)。备选地，也可以使用其他类型的成像器，诸如磁共振(MR)成像系统、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)，或在一些情况下，超声成像器。基于感兴趣解剖结构来选择医学成像器的类型。对于诸如骨的硬结构，X射线成像，具体地诸如C型臂X射线或CT成像的3D X射线成像是特别合适的。为了获得较软组织之间的对比度，MR或相位对比X射线或CT成像可以是更合适的。在图像质量较不关键或者应该可视化其他功能信息的情况下，超声可以是选择。
例如，对于脑部结构，MR是优选模态。在这种情况下，脑部的准确的几何结构不用于植入物，而是用于实际物理模型，所述实际物理模型用于介入的准确规划和准备。例如，必须示出肿瘤的准确位置和体积，以对必须应用的外科手术工具和流程做出正确的决定。对于诸如骨结构和关节的硬解剖结构，CT成像是优选的技术，因为这允许硬组织和软组织之间的优化的对比度。
然而，医学成像器通常没有被最佳地调谐为获得具有最大几何精度的图像，并且在许多情况下，医学图像的几何信息可以与实际情况有些偏离。因此，患者能够不得不被重新扫描，从而引起不便、时间延迟，并且在一些情况下增加的辐射曝光，或者必须基于经校正的几何数据改装解剖模型，或者需要通过添加或移除材料来校正模型本身。若干迭代能够是必要的以获得可接受的解剖模型，从而导致获得模型的增加的时间和增加的材料使用。
例如，所提取的医学成像模型的精度取决于医学成像器的类型和模型、扫描的参数设置，但甚至还取决于重建参数和滤波器参数。而且，参数设置可能取决于感兴趣解剖结构或针对感兴趣解剖结构被优化。这是很大的缺点，因为模型的精度然后并不总是相同的，并且可以出现高达几毫米的偏离，这对于制造解剖模型而言准确度是不够的，尤其是如果这些模型稍后被插入到身体内。例如，针对骨植入物的准确几何结构需要现有骨结构的准确测量结果。若干毫米的差异可以使所制造的解剖插入物的安装成问题或者甚至完全不合适，从而需要制造后校正或者甚至插入物的丢弃。
本发明通过将成像系统20配置为生成具有针对最大几何结构精度而优化的采集和/或重建参数的解剖结构的三维图像数据24来提供对此的解决方案。术语最大几何结构精度应当在本申请的背景下阅读：以所使用的医学成像器的可能的最高的几何结构精度来采集几何信息，即使以其他参数为代价。图像参数选择单元被配置为选择成像系统的经优化的成像采集参数和/或重建器的重建输入参数。这可以以经优化的扫描采集参数(例如，辐射剂量或分布、滤波器优化、探测器灵敏度等)和/或被优化或甚至完全专用于获得几何信息的输入参数重建模型来实施。因此，本发明的实施例指向获得已经针对几何准确度被优化的扫描数据的针对扫描和采集参数的优化设置，和/或优化地重建和处理针对最佳几何准确度的所采集的数据的设置。在本发明的实施例中，采集和/或重建参数被优化为获得具有锐利边缘的成像数据。这可以通过使用被已知为实现硬边缘的采集参数或者通过使用专用的或甚至非平滑算法来实施。通常，边缘通过这样的平滑算法针对经改进的可视化在成像中被平滑，但是平滑使确定几何信息复杂，并且因为存在多个平滑算法，因此从一种平滑算法获得的几何信息可能不会产生与当使用另一种平滑算法时相同的几何数据。
例如，针对骨植入物的准确几何结构需要现有骨结构的准确测量结果。因此，医学成像器(例如CT成像系统)的扫描采集参数已经可以被优化为具有针对骨结构相对于组织的最大对比度(针对kV和/或mA的优化设置)。重建和滤波参数随后可以针对准确地在骨与组织界面处的最佳对比度被优化，以实现选定的感兴趣区域的精确分割和几何结构提取。
感兴趣解剖结构的运动可以导致不精确的几何数据。因此，可以采取额外的努力来减少由于扫描期间感兴趣解剖结构的移动的运动伪迹和/或缺陷。与高空间分辨率结合的高时间分辨率与经优化的运动校正的组合实现几何数据的高精度。
因为每个扫描器模态、类型和型号，或者甚至是个体扫描器，尤其是来自不同制造商的扫描器，能够具有不同的优化设置，并且由于诸如3D打印服务的制造服务提供者仅提供关于应当使用哪种标准协议的针对扫描的指南，经优化的参数可用于特定扫描器的用户，例如作为用户可以选择的预设选项是非常有利的。这可以例如通过在控制软件或硬件中提供可视特征21，例如“针对3D模型的处理”按钮或其他可选择的预定义设置来实施，所述其他可选择的预定义设置激活使成像器使用优化设置来实现最大几何精度的协议。
为了确定针对具体扫描器的经优化的采集协议，具有精确尺寸的三维体模的专用几何结构校准可以用于校准和验证协议设置。这甚至可以针对特定材料选择被优化。
感兴趣解剖结构或区域的界面处的空间分辨率的调整可以被优化为提供用于转换为3D CAD数据格式(例如，STL格式)的最佳数据，其用于对要转移到制造设备的解剖模型的建模和制造。
用于制造解剖模型的外部服务提供者(例如3D打印公司)仅能使用它们接收的数据集，因为其来自不知道数据的优化和变化的成像设备，因此标准化从医学成像器输出的几何信息从而使其可以由任何制造服务提供者直接使用可以是有益的。
本发明的一种见解是，大多数扫描器模态或者每种扫描器模态的变化能够提供不仅仅是几何信息，而且还能够提供材料信息，而且该额外的材料信息可以有利地用于不仅改进物理解剖模型的精度和质量，而且也在物理解剖模型中使用该额外的材料信息来提供额外的信息或突出显示解剖结构的特定方面。
例如，除了几何信息之外，一些模态尤其适于获得功能对象(例如，肿瘤)的材料信息。该信息然后可以用于制造解剖模型中，例如通过对物理模型中的功能对象(或整个解剖对象)的材料信息突出显示或颜色分级，或者提供功能对象的经提取的独立版本，其在功能对象嵌入感兴趣解剖结构(例如，肝脏、肺、脑部等中的肿瘤)内并且需要被研究的情况下是特别有用的。具体感兴趣实施例将是以透明材料制造主要解剖模型，并且在例如肿瘤和供血血管内以颜色材料制造功能对象，并且使用颜色分级来示出朝向肿瘤和在肿瘤中的血液渗透。例如，在灌注成像中，实际血流信息可以用于具有高几何精度的颜色映射。
而且，如果额外的材料数据与几何信息结合使用，则解剖模型的灵活性可以根据原始解剖结构(例如器官)来制造。在一个实施例中，材料参数的映射被映射到专用的分割器官区域。这允许将测量的性质(例如，经由谱CT)自动映射到诸如CAD模型的3D模型数据中的分割区域。这实现为特定目的而做出的准确的“外观-及-感觉”模型，例如，供外科医师切入模型的组织中以进行训练并且稍后在真正的介入流程中的相同的触觉体验(“感觉”)。
额外的材料信息对于要植入的解剖模型也可以是感兴趣的，例如，使用所确定的骨结构密度来估计解剖模型的稳定性。通常，该数据还可以取决于成像期间解剖结构的取向和位置(例如，患者在医学成像器中的患者支撑物上的位置)。该信息还是可用的并且优选地被使用。此外，诸如心跳的阶段和/或肺的呼吸阶段的无意识的解剖学移动也是已知的，并且最佳阶段可以被选择用于数据采集。
X射线成像，以及具体地CT成像，对于获得除了几何信息之外的材料信息是尤其有用的。利用定量X射线或CT成像，可以获得关于材料密度或孔隙率有关的信息和材料X射线吸收信息(例如，通过分析针对感兴趣解剖结构的Houndsfield单位值)。利用K边缘X射线或CT成像，可以确定感兴趣解剖结构内的造影剂灌注和流信息。X射线和CT成像对于对硬组织解剖结构成像尤其好，但是利用相位对比X射线或CT成像，获得增强的软组织对比度，其可以改进几何信息，而且还可以开发(open up)将X射线或CT成像用于软组织解剖结构。暗场X射线和CT成像可以提供关于材料结构和组织或骨密度的额外的信息。在实施例中，解剖模型基于CT成像信息，其中，解剖模型例如通过印刷基于Houndsfield单位信息来制造，或者以其他方式基于Houndsfield值利用颜色信息来制造，例如对于具有低Houndsfield单位值的区域更透明，并且对于具有高Houndsfield单位值的区域更暗。
MR成像可以提供组织的各种材料性质，尤其是针对软组织或辐射敏感解剖结构。如前所述，PET和SPECT成像对于获得功能对象(例如肿瘤)的材料信息是尤其有用的。甚至尽管超声提供较少的高分辨率(这限制了其用于获得与前面提到的成像模态一样精确的几何信息)，但在一些情况下，超声对于获得几何信息是足够的，可以同时获得诸如感兴趣解剖结构的透射、反射以及甚至温度的额外的信息。考虑了技术人员可用的其他方式，以及不同模态的组合。
根据本发明的用于提供3D模型参数以制造物理3D解剖模型的系统和用于制造物理3D解剖结构模型的设备可以集成在一个组合系统中。
所制造的模型的质量取决于3D模型参数。外部制造服务供应商仅利用实际上来自系统的DICOM数据进行工作，仅成像设备制造商对提供该数据有影响。所述数据的标准化将高度有益于允许更高质量的模型以及基于不同成像数据的模型之间的更好比较。与来自成像设备的可用几何和额外的材料信息数据的链接的是以优选标准化“扩展DICOM”或其他格式对数据的优化处理、运输和存储的可用性，以使其可用于针对制造目的被优化的分割、CAD处理。改进的数据运输和潜在的新数据接合到制造-硬件控制处理、材料混合和颜色以及解剖模型的材料性质。
无论如何，额外的材料信息固有地可用于所执行的扫描中的多数，但是在现有技术中不用于解剖模型的制造。因此，本发明的优点是不仅改进模型的质量，其还扩展这样的物理解剖提供给医师以进行处置或研究而不需要另外的扫描或测试的可能性。对于医师，具有该额外的材料信息的物理表示是非常感兴趣的。
在图1中，在从参数提供器21提供101经优化的采集或重建参数并且扫描102感兴趣解剖结构之后，通过重建器22将所获得的3D图像数据重建为3D模型数据24，模型数据24包括几何信息，但是优选地还包括额外的材料和/或功能信息。接下来，可以由3D模型提供器23处理104重建数据，例如以分割具体的感兴趣区域12或者获得用于制造植入物的几何信息25，并且将3D图像数据转换为3d制造输入数据。将3D制造输入数据转移105到诸如3D打印机的3D制造设备30，其使用几何数据以及任选地额外的材料信息来制造106解剖模型。然后可以将解剖模型13用于研究或被植入107，例如作为在图1中使用的示范性骨10的缺失部分11的骨插入物，以图示本发明。
用于3D制造和用于植入-手术的经优化的材料处理提供非常有价值的附加信息，其一方面可以针对医师被可视化，并且另一方面能够在用于3D对象的更准确的建模的增强CAD数据文件中使用。材料信息还可以用于优化或适应于身体界面材料。经优化的成像参数和得到的图像数据24的另一个应用是这些可以用于工业检查。
在纯几何信息之后使用额外的材料信息也受益于被制造为可用于用户的预定优化设置，但是优点已经固有地存在，即使没有优化设置。
根据本发明的用于解剖模型的制造的设备30优选地包括3D打印机。3D打印是用于不断扩展的材料范围的通用制造技术，其允许实施本发明的许多(如果不是全部的话)优点，诸如使用不同的颜色、颜色等级、透明水平或甚至用于制造不同解剖部分或不同解剖区域的不同材料性质的不同材料。例如，功能性质也可以映射到不同颜色的部分或颜色等级，诸如血流、肿瘤浓度、热点等。还可以实施解剖模型的机械性质的变化，诸如刚度或硬度。此外，可以视觉地或机械地在模型中表示成像性质，例如超声反射率、透射率、X射线吸收率。
经优化的扫描参数优选地实施在计算机软件中，所述计算机软件优选地还包括提供供设备制造解剖模型的指令。
尽管已经在附图和前面的说明中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和说明应当被认为是说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和权利要求，本领域技术人员在实践请求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。尽管在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式费分布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统分布。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。