本发明涉及器官医学影像成像以及处理技术领域，尤其涉及一种基于肾血管与肾集合系统同步显影3d打印的方法。
背景技术
人体器官3d打印是近年来飞速发展的新兴技术，在临床和医学科研方面的应用受到了医学界的广泛关注，尤其在人体器官结构研究上有巨大的社会价值和发展潜力，但医学上器官3d打印的稳定性、精密度和材料领域尚不够完善，表现在制造工艺方面，模型曲面阶梯误差和收缩变形使得模型器官外表结构粗糙，不同组织或细胞有相似的物理密度，导致在图像中有相似的灰度，ct在获取数据转化为灰度图像之后会丢失较多有用的信息。而且在临床实践中通过ctu来显示肾集合系统和输尿管，通过cta来显示肾动静脉，通过ct增强来显示病变组织来增加不同组织结构的分辨率。但技术上各检查相对独立进行，耗时长，不能同时获取灰度数据，致使肾盂输尿管、血管和病变不能同时显影，从而导致成模数据的不全，输出到3d打印机时或血管的缺失或肾盂输尿管的缺失，不能同时显示二者的三维空间关系，失去较大的临床意义，使得逆向工程变得困难，打印出肾脏的血管、肾集合系统和病变部位三者组织关系不清楚，这就为医生的准确诊断以及做出针对性的治疗方案带来很多不利的影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于肾血管与肾集合系统同步显影3d打印的方法，同步对肾血管、肾集合系统和病变组织显影，区分不同组织结构，提高各组织的分辨率，以此提取实时三维数据建模，再结合3d打印技术，精细地显示出肾动静脉、肾盂输尿管和病变部位的内部结构特点，打印高清3d器官模型，为泌尿外科临床教学、手术模拟、个体化医疗等提供有效实用的临床意义。
为实现上述目的，本发明的一种基于肾血管与肾集合系统同步显影3d打印的方法，包括如下步骤：
a）采用ct扫描仪对患者全身进行三期扫描；
b）第一期扫描：通过双筒高压注射器将碘帕醇（370mg/100ml）注射进患者体内，患者仰卧位，足先进，进行泌尿系平扫，观察泌尿系有无明显梗阻和积水征象；
c）第二期扫描：对患者静脉注射碘帕醇（370mg/100ml）25ml，注射后5～7min扫描肾和输尿管上段，泌尿系积水和梗阻患者可适当延迟扫描时间；
d）第三期扫描：确认肾和输尿管内造影剂充盈良好之后就进行第三期扫描，采用碘帕醇和生理盐水双期注射，对患者首期静脉团注60～80ml碘帕醇，流率4ml/s，后期注射生理盐水40ml，流率4ml/s；
e）采用ct阈值跟踪触发扫描，当ct值达到所设定的阈值时触发自动扫描，跟踪点为肾动脉平面降主动脉，阈值110hu，扫描时间为8～10秒，肾动脉显示1～4级；
f）综合收集以上的肾集合系统与肾血管同步显影之后的断层扫描数据，获得标准格式的医学数字成像和通信dicom文件；
g）将所述dicom文件通过数据处理重建操作，得到计算机辅助设计cad格式的三维器官数据模型；
h）将所述三维器官数据模型转化为3d打印机可识别的stl格式文件，进而通过3d打印机打印出3d人体器官模型。
优选的，所述步骤g）的数据处理重建操作包括导入vitreafxves6.0三维后期处理工作站，采用三维容积重建vr、最大密度投影mip、多平面重建mpr的数据处理，进行三维器官的模型重建。
优选的，所述步骤h）的stl格式文件导入netfabb或meshl.ab建模修复软件中进行模型校正和自动修复操作，经过stl格式的转换、分层等前处理和向量控制之后就可以发送至3d打印机进行打印。
优选的，所述步骤h）的3d打印机为光固化3d打印机，使用钢性不透明材料verocyan、veroblue和类橡胶半透明材料tangoplus配比混合打印出3d人体器官模型。
优选的，所述步骤a）中的ct扫描仪为东芝640层动态容积ct扫描仪。
本发明的有益效果：本发明的一种基于肾血管与肾集合系统同步显影3d打印的方法，包括如下步骤：a）采用ct扫描仪对患者全身进行三期扫描；b）第一期扫描：通过双筒高压注射器将碘帕醇（370mg/100ml）注射进患者体内，患者仰卧位，足先进，进行泌尿系平扫，观察泌尿系有无明显梗阻和积水征象；c）第二期扫描：对患者静脉注射碘帕醇（370mg/100ml）25ml，注射后5～7min扫描肾和输尿管上段，泌尿系积水和梗阻患者可适当延迟扫描时间；d）第三期扫描：确认肾和输尿管内造影剂充盈良好之后就进行第三期扫描，采用碘帕醇和生理盐水双期注射，对患者首期静脉团注60～80ml碘帕醇，流率4ml/s，后期注射生理盐水40ml，流率4ml/s；e）采用ct阈值跟踪触发扫描，当ct值达到所设定的阈值时触发自动扫描，跟踪点为肾动脉平面降主动脉，阈值110hu，扫描时间为8～10秒，肾动脉显示1～4级；f）综合收集以上的肾集合系统与肾血管同步显影之后的断层扫描数据，获得标准格式的医学数字成像和通信dicom文件；g）将所述dicom文件通过数据处理重建操作，得到计算机辅助设计cad格式的三维器官数据模型；h）将所述三维器官数据模型转化为3d打印机可识别的stl格式文件，进而通过3d打印机打印出3d人体器官模型。本发明同步对肾血管、肾集合系统和病变组织显影，区分不同组织结构，提高各组织的分辨率，以此提取实时三维数据建模，再结合3d打印技术，精细地显示出肾动静脉、肾盂输尿管和病变部位的内部结构特点，打印高清3d器官模型，为泌尿外科临床教学、手术模拟、个体化医疗等提供有效实用的临床意义。
具体实施方式
以下对本发明进行详细的描述。
本发明提供的一种基于肾血管与肾集合系统同步显影3d打印的方法，包括如下步骤：
a）采用ct扫描仪对患者全身进行三期扫描；
b）第一期扫描：通过双筒高压注射器将碘帕醇（370mg/100ml）注射进患者体内，患者仰卧位，足先进，进行泌尿系平扫，观察泌尿系有无明显梗阻和积水征象；
c）第二期扫描：对患者静脉注射碘帕醇（370mg/100ml）25ml，注射后5～7min扫描肾和输尿管上段，泌尿系积水和梗阻患者可适当延迟扫描时间；
d）第三期扫描：确认肾和输尿管内造影剂充盈良好之后就进行第三期扫描，采用碘帕醇和生理盐水双期注射，对患者首期静脉团注60～80ml碘帕醇，流率4ml/s，后期注射生理盐水40ml，流率4ml/s；
e）采用ct阈值跟踪触发扫描，当ct值达到所设定的阈值时触发自动扫描，跟踪点为肾动脉平面降主动脉，阈值110hu，扫描时间为8～10秒，肾动脉显示1～4级；
f）综合收集以上的肾集合系统与肾血管同步显影之后的断层扫描数据，获得标准格式的医学数字成像和通信dicom文件；
g）将所述dicom文件通过数据处理重建操作，得到计算机辅助设计cad格式的三维器官数据模型；
h）将所述三维器官数据模型转化为3d打印机可识别的stl格式文件，进而通过3d打印机打印出3d人体器官模型。
本实施例的步骤g）的数据处理重建操作包括导入vitreafxves6.0三维后期处理工作站，采用三维容积重建vr、最大密度投影mip、多平面重建mpr的数据处理，进行三维器官的模型重建。
本实施例的步骤h）的stl格式文件导入netfabb或meshl.ab建模修复软件中进行模型校正和自动修复操作，经过stl格式的转换、分层等前处理和向量控制之后就可以发送至3d打印机进行打印。
本实施例的步骤h）的3d打印机为光固化3d打印机，使用钢性不透明材料verocyan、veroblue和类橡胶半透明材料tangoplus配比混合打印出3d人体器官模型。
本实施例的步骤a）中的ct扫描仪为东芝640层动态容积ct扫描仪。
本发明同步对肾血管、肾集合系统和病变组织显影，区分不同组织结构，提高各组织的分辨率，以此提取实时三维数据建模，再结合3d打印技术，精细地显示出肾动静脉、肾盂输尿管和病变部位的内部结构特点，打印高清3d器官模型，为泌尿外科临床教学、手术模拟、个体化医疗等提供有效实用的临床意义。
具体地，采用东芝640层动态容积ct扫描仪（aquilionone640ct）分三期扫描，通过双筒高压注射器将碘帕醇（370mg/100ml）注射进患者体内，患者仰卧位，足先进，进行第一期泌尿系平扫，观察泌尿系有无明显梗阻和积水征象；第二期，静脉注射碘帕醇（370mg/100ml）25ml，注射后5～7min扫描肾和输尿管上段，泌尿系积水和梗阻患者可适当延迟扫描时间；确认肾和输尿管内造影剂充盈良好行第三期扫描，第三期扫描采用碘帕醇和生理盐水双期注射，首期团注60～80ml碘帕醇，流率4ml/s，后期生理盐水40ml，流率4ml/s，采用ct阈值跟踪触发扫描，当ct值达到所设定的阈值时触发自动扫描，跟踪点为肾动脉平面降主动脉，阈值110hu，扫描时间为8～10秒，肾动脉显示1～4级。
数字化人体肾脏模型的建立：综合收集以上的肾集合系统与肾血管同步显影之后的断层扫描数据，获得标准格式的医学数字成像和通信dicom文件，用vitreafxves6.0三维后期处理工作站，采用三维容积重建vr、最大密度投影mip、多平面重建mpr处理，进行三维器官的模型重建，得到计算机辅助设计cad格式的三维器官数据模型，然后转化为3d打印机可识别的stl格式文件，通过3d打印机打印出3d人体器官模型。和其他cad数据格式转换一样，在stl格式转化中也会出现数据和格式上的错误，如遗漏、错误、故障失效，因此需要首先将stl格式的模型导入netfabb或meshl.ab建模修复软件中进行模型校正和自动修复操作。经过stl格式转换、分层等前处理和向量控制之后就可以在3d打印机上加工制造。目前快速成型设备可接受的格式文件以美国3dsystem公司开发的stl格式最为广泛，被认为是标准数据格式，stl数据格式的实质是运用细小的空间三角形面片逼近三维cda模型的外表面，其类似于实体模型表面有限元网格划分，拟合的结果是原模型的一种近似，由于三角面片距离模型真正的表面有一定的距离，因此stl模型和原模型也存在一定的几何误差。3d打印机的机型为objet500connex3光固化3d打印机，使用钢性不透明材料verocyan、veroblue和类橡胶半透明材料tangoplus配比混合打印而成。成型效果：静脉部分为刚性蓝色材料，肾实质部分是类似橡胶半透明材料，结石及病变部位用紫色刚性材料，肾盂和输尿管是浅粉色混合软性材料，动脉是深粉色混合性软性材料。在打印过程中出现的模型曲面阶梯误差和收缩变形问题，通过工艺参数的优化配置提高原型件的成型质量。由于建模过程所依赖的空间点坐标直接来源于ct图像dicom格式原始数据，消除了人工描图、操作的误差，理论上模型与活体器官比例1∶1，几何模型精度可达到ct扫描精度的0.5mm，可供任何数据测量。3d打印其制造过程是激光、计算机、数控、精密伺服驱动、新材料等各种高新技术的集成。打印器官的曲面精度及与原器官结构的一致性除与现代工业工艺有关外，与人体器官不同组织原始数据的获得有极大的相关性。
基于同步显影技术的高清3d打印：目前国内外3d打印器官模型的研究采用的器官组织数据主要来源于ct和mri等医学图像，其医学成像的途经都是间接的，通过计算机技术重建，在精度和准确度方面存在不足，本发明的3d打印是以计算机三维设计为蓝本，通过cad软件成模，转换成stl格式在3d打印机上实现“打印叠加”，从而制造出一个真实结构的实体。打印的实体器官与人体器官组织结构的外观、比例，内部结构完全一致，这是医疗领域基本要求，完全忠实于原器官。但是由于泌尿系不同组织或细胞有相似的物理密度，导致在图像中有相似的灰度，在转化为灰度图像后丢失了部分信息，降低了组织分辨率，血管、肾集合系统和病变部位三者组织关系不清楚，仿真度不能令人满意，致使实用性下降。这是所有基于高分辩率ct重建3d模型，通过计算机自动分割重建存在的不足。为了解决这一问题，目前有效的办法有：（1）进行多种成像技术图像的融合，如mri/ct，pet/ct图像融合；（2）依据图谱进行图像的自动分割技术；（3）依据解剖知识行人工手动图像分割技术。但此方法也有不足，方法复杂耗时。从打印的技术原理我们知道，其技术的关键是器官不同组织结构在ct灰度成像过程中数据差别过小，不同组织结构分辨率差，灰度数据相近，在打印成3d器官后各组织结构分辨不清。在临床实践中通过ctu来显示肾集合系统和输尿管，通过cta来显示肾动静脉，通过ct增强来显示病变组织来增加不同组织结构的分辨率。但技术上各检查相对独立进行，不能同时相获取灰度数据，致使肾盂输尿管、血管和病变不能同时显影，从而导致成模数据的不全，输出到3d打印机时或血管的缺失或肾盂输尿管的缺失，不能同时显示二者的三维空间关系，失去较大的临床意义，采用同步显影技术能够很好的解决了上述问题。
临床意义：高清的器官模型有利于术前对病变与周围组织结构之间进行精细的判断，减少术中对周围组织的损伤；不同组织采用不同的着色更有利于区别各组织的毗邻关系，为医生提供手术难易程度的判断；通过透明材料打印的肾实质可以明显看到3级血管的走行，为经皮肾手术、肾部分切除术、肾门相关疾病手术治疗提供术前模拟，并提供清楚的解剖学依据，有更高的实用价值。一个高清、各组织结构区别明显的3d打印技术与数字化设计辅助复杂的外科手术有利于提高手术的精度和手术成功率，并可优化手术效果。另外3d打印的局部病变模型可用于与患者的交流，降低患者的理解难度，缓解当前日趋紧张的医患矛盾。3d打印技术的发展是从基础的实体模型发展到具有生物功能“活”体器官，其终极目标是打印具备有相应结构和功能的人体器官并用于移植，有生物功能的器官在其生成过中，其精密的实体模型是实现这一目标的基础。数字化医学3d打印，不是对原始图像、数据的简单组合，而是讲求对手术部位的更深入的、多层次的研究，在这一操作过程中，以明确的目标为方向，对相关内容进行研究，并最终研发出科学、高效的产品，促进医学和各个领域的发展，相信会在不远的将来通过技术的改进和组织工程学的深入研究，3d打印与再生医学的有机结合，在传统外科手术和腔内治疗方面发挥更大作用。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。