本发明涉及脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型的制备方法，其可作为辅助手术系统，术前模拟手术操作，属于医学领域。
背景技术：
神经外科是临床医学中风险和难度最大的专业之一，致残率和死亡率高，诊疗过程中需有精准的靶向性；并且神经外科手术显露范围有限，要求术者在操作过程中熟悉局部解剖层次，并且建立三维立体概念。将二维图像在头脑中建立起三维概念，是神经外科医师综合实力飞跃性提升的过程，神经导航系统模拟计算机断层扫描（computedtomography,ct）和磁共振（magneticresonanceimaging,mri）的数字化影像，与实际神经解剖结构之间建立起动态的联系，展示三维立体解剖结构，使医生能够实时了解病变在颅内的空间位置以及与周围结构之间的关系。
颅脑手术治疗目前临床上仍然是根据二维（2-dimensional，2d）影像学、模拟三维（3-dimensional,3d）图像进行三维空间想象来进行手术，虽然临床已有很多商用导航及开源软件可以模拟在屏幕上进行3d显示，但是由于病灶结构深在，与周围脑血管关系密切，手术中轻微的体位头位变化无法在屏幕得到精确的响应，有些血管及脑沟回的关系在屏幕假3d的显示中与真实情况有很大的出入（图1），导致手术判断错误的情况始终不能彻底根除。
例如，发明人前期对300例癫痫患者通过术前检查mri、磁共振血管成像（magneticresonancevenography,mrv），利用brain-lab软件进行3d重建（图1a），将血管信息与大脑皮层的立体模型进行融合获得数据后进行术中导航，这种技术极大提高了定位的准确性，有利于临床的推广应用，但实际操作中发明人发现，这种方法与术前计划仍有一定的误差，术中需要判断脑沟或脑回与血管的距离等，误判往往会造成手术效果不理想，稍有不慎就会带来严重并发症。因此，探索更加精确合理，简便安全的术前模拟应用于临床已成为神经外科手术个体化治疗的迫切需要。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够突出显示病灶及其周围血管相对解剖关系，更符合实体模型，手术入路清晰显示经过的血管、病灶及其周围血管关系，为病人进行个性化诊治，提前模拟手术操作，降低手术风险的3d脑打印的制备方法。
本发明的脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型的制备方法包括以下步骤：
（1）获取病人大脑多种原始影像数据并输出；
（2）将输出的多种原始影像数据通过三维重建软件分别至少进行大脑皮层、白质纤维束和血管的三维重建，并勾画病灶；
（3）将重建的各模型利用图像分析软件进行多模影像融合，获得三维多模态三维数据；
（4）基于所得三维多模态三维数据以光敏树脂材料按1：1的比例进行3d打印，得到包含脑皮层结构、脑血管及脑内病灶的透明3d打印模型。
根据本发明，基于多模态医学图像的精确分割和配准，有效利用影像数据信息，对大脑皮层和血管建立三维模型，并结合勾画病灶，通过3d打印的方法，精确、快速地制造定制化、个性化的透明头部医学模型，解决了传统医学模型制作周期长、精度低、不可定制化的缺点。因此：术前可精确地定位脑沟，脑回，脑血管及病灶的解剖位置，尤其是病灶与脑沟及血管的关系，术前发现术中可能出现的问题，并提出解决方案，降低手术风险，为手术提供安全保障，另外为年轻神经外科医师进行神经解剖和手术技能的培训学习，系统掌握显微神经解剖知识，以提高临床诊疗技能。
较佳地，所述原始影像数据包括头颅ct成像和mri成像、dti成像（diffusiontensorimaging,弥散张量成像）以及cta（computerimagingangiography,cta,ct血管造影）血管造影数据。其中，ct在图像融合配准中更加精确，mri成像可以显示脑组织，dti可显示白质传导通路，ct血管造影可以显示脑血管。
较佳地，所述原始影像数据通过dicom格式经pacs软件系统输出。
较佳地，所述三维重建软件为freesurfer软件。
较佳地，所述图像分析软件为fsl软件及3d-slicer软件。
较佳地，脑肿瘤、血管瘤根据影像学结果进行图像分割提取病灶，癫痫病灶根据患者立体定向脑电图结果结合临床症状学及解剖学关系勾画术区范围。
较佳地，所得的3d打印模型中，脑皮层结构为透明，脑血管及脑内病灶为不同的颜色。这样可以更清晰地显示病灶周围解剖，病灶与血管的对应关系。
本发明还提供由上述制备方法制备的脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型。
本发明可以精确、快速地制造透明头部医学模型，显示病灶及周围血管解剖关系，可用术前模拟手术路径，仔细分析病灶周围解剖血管关系，切除病灶，手术过程发现问题，并提出解决方案，降低病人手术风险，获益极大提升。
附图说明
图1中的a为利用brain-lab软件进行脑皮层、血管及病灶3d重建；绿颜色为术前电极计划路径，红颜色为病灶位置，即手术切除病灶脑组织，b为此病人开颅后显示真实脑组织，血管的解剖关系。病灶位置深在，术前模拟图像不能清晰反应术中脑回、脑沟、病灶及深部血管的解剖关系，且与病人体位，头位有一定关系。
图2为本发明一实施方式的工艺流程图。
图3为本发明一实施方式得到的透明3d打印模型。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明一实施方式提供一种脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型的制备方法。在此，“脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型”是指能精确还原地显示实际人脑中的脑皮层结构、脑血管及脑内病灶的3d打印脑模型。应理解，该3d打印模型还可以包括脑中的其它任何结构。另外，应理解，在此提及的“透明3d打印模型”，是指至少主体（皮层）为透明（优选为无色透明）。除主体以外的部分，例如血管、病灶等可为透明，也可为不透明，但优选为透明，更优选为透明且有色。本发明一优选的实施方式中，脑皮层结构为透明，脑血管及脑内病灶为与脑皮层结构不同的颜色，且更优选为脑血管及脑内病灶彼此为不同的颜色。本发明另一优选的实施方式中，脑皮层结构、脑血管及脑内病灶均为透明，且三者颜色互不相同。
图2为本发明一实施方式的工艺流程图。如图2所示，首先获取病人的原始薄层ct、mri、dti、ct血管造影等影像学数据。优选采集高分辨率的影像学数据。低分辨率的数据会导致生成的模型与真实脑解剖之间的误差。
然后，可将原始影像学数据输出，即转化为计算机数字形式。一个示例中，将原始影像数据通过dicom格式经pacs（医学影像的存储和传输系统）软件系统输出。
将输出的影像学数据导入到三维重建软件中，分别至少实现大脑皮层、白质纤维束、血管的重建。更优选地，进行灰质、白质、脑脊液、脑沟、脑血管，大脑不同脑区的立体重建。
一个示例中，所述三维重建软件为freesurfer。freesurfer软件是一款提供一系列算法来量化人脑功能、连接以及结构属性，能对高分辨率的磁共振图像进行三维重建，生成展平或胀平图像，并能得到皮质厚度、面积、灰质容积等解剖参数。
进行图像分割，勾画病灶范围，以使所得的三维多模态三维数据清晰显示脑内病灶，以使病灶与其它部位区别开来。
例如，脑肿瘤、血管瘤可根据影像学结果进行图像分割提取病灶。癫痫病灶可根据患者立体定向脑电图（stereoelectroencephalography,seeg）结果结合临床症状学及解剖学关系勾画术区范围。
利用图像分析软件对三维重建所得的影像数据进行多模影像数据融合，生成三维多模态三维数据（即3d图像，或称“3d模型数据”）。一个示例中，所述图像分析软件为fsl及3d-slicer软件。
将生成的3d模型数据转化为3d打印机可识别的格式例如niff格式导出，输入3d打印系统按1：1的比例进行3d打印。
3d打印所用的材料可为光敏树脂材料。其中用于打印大脑皮层部分（主体部分）的材料优选为光敏树脂透明材料。由此，打印出的3d打印模型为透明化3d脑、脑血管及病灶模型。用于打印除主体以外的部分的材料可为与用于打印大脑皮层部分（主体部分）的材料不同（例如材质和/或颜色不同）的材料。另外，用于打印脑血管的材料和用于打印病灶的材料可以是相互不同（例如材质和/或颜色不同）的材料。因此，可以清晰完整地显示病灶及周围血管解剖关系。
打印出的3d打印模型中，大脑皮层可为透明，优选为无色透明。脑血管与病灶可为不同颜色。例如，脑血管可显示为红色或蓝色，病灶为其它不同颜色均可。另外，脑血管和/或病灶优选为透明（有色透明）。图3为本发明一实施方式得到的透明3d打印模型，可以看出，其中大脑皮层为透明，脑血管与病灶为不同颜色。
通过3d打印机可打印出含有大脑皮层（灰质）、白质、脑脊液和大脑不同脑区、脑血管、病灶的三维模型。可通过打印脑组织的材料和/或颜色不同突出显示尤其是病灶及其周围血管相对解剖关系。
通过打印出的3d模型可模拟手术操作，在进行临床手术入路的操作过程中，明确每一手术步骤所涉及的重要解剖结构分层次，发现术中出现的各种问题并提出解决方案，并对容易误损伤的重要神经血管结构进行重点解剖，降低血管损伤风险，更好的为手术准备，降低手术风险。
在此公开的脑皮层结构、脑血管及脑内病灶3d打印模型的制备方法有如下优点：
（1）薄层ct、mri、dti、cta为原始数据，将大脑皮层，血管，病灶分别进行重建，应用fsl及3d-slice软件并进行多模影像融合，将灰质、白质、脑脊液和大脑不同脑区建立三维模型；
（2）将脑沟，脑回，脑血管及病灶的解剖关系进行个体化精确1:1打印，且显示不同的颜色对比，强化病灶周围解剖关系；术前模拟手术操作；在进行临床手术入路的操作过程中，明确每一手术步骤所涉及的重要解剖结构分层次，发现术中出现的各种问题并提出解决方案，并对容易误损伤的重要神经血管结构进行重点解剖，对其有更准确、直观的认识，从而为手术操作奠定基础，极大的降低了手术风险。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
步骤1、选择在上海交通大学医学院附属仁济医院治疗明确诊断为难治性癫痫，经过严格评估拟行手术切除的患者（经患者本人或监护人同意，并签署知情同意书）；经ct、mri、dti、cta检查获得患者影像学资料；头颅影像学数据的采集是非常重要的，低分辨率的数据会导致生成的模型与真实脑解剖之间的误差。
头颅ct1mm轴位薄层扫描；磁共振行无间距轴位，冠状位及矢状位flair序列及t1轴位、冠状位、矢状位序列1mm薄扫扫描，并行dti及血管cta检查；所有影像学数据均以dicom格式通过我院pacs软件系统输出。
步骤2、将影像学数据进行处理，实现脑及脑血管的重建；mri对脑组织显示较佳，cta用于血管成像，因此利用freesurfer软件分别进行大脑、脑血管、病灶重建，并利用fsl及3d-slicer软件进行多模影像数据融合进行数据分析。
步骤3、根据患者影像学特征，脑肿瘤，血管瘤等可进行图像分割提取；癫痫病灶根据患者电-临床-解剖学模式分析每一个患者特定的临床表现、神经电生理及解剖学特征制定个性化手术方案，定位癫痫病灶，勾画感兴趣区，进而指导外科手术切除。原始影像学数据在3d模型的精准性中起到了决定性的作用。
步骤4、将上述多模影像进行融合，建立3d模型，并进行3d后处理将解剖、病灶的关系清晰展示，尤其是病灶周围解剖，病灶与血管的对应关系。
步骤5、将处理后的3d模型转化为niff格式，通过3d打印设备1:1打印制作透明大脑皮层、脑血管及病灶模型，清晰显示术区血管，病灶周围血管的关系。所采用的打印材料为光敏树脂透明材料。打印出来的3d打印模型中，大脑皮层、脑血管及病灶为透明且为彼此为不同颜色。
步骤6、术前模拟手术入路及手术经过的脑组织、血管，避开病灶周围的重要的血管，纤维束，功能区等；为手术开颅提供重要参考，同时为年轻医生提供很好的学习平台。