基于3d打印的头部医学模型快速成型方法

基于3d打印的头部医学模型快速成型方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，
【发明内容】
包括：使用CT/MR多模态医学图像，快速地为头部组织/器官建立三维模型，使用3D打印方法对三维模型进行快速成型，其步骤操作包括：（1）使用多模态图像配准技术，将CT/MR图像配准到统一的空间坐标系中；（2）根据CT/MR图像提供的医学信息，提取头部的不同组织/器官；（3）为提取的组织/器官建立三维模型；（4）对三维模型进行逐层分层，得到分层后的横截面数据，并根据横截面数据进行3D打印。本发明可根据CT/MR图像对头部组织/器官进行快速、精确地建模，可有效提高头部医学模型的制作速度和精度，并可以提供定制化和个性化的头部医学模型。
【专利说明】基于3D打印的头部医学模型快速成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种头部医学模型的设计和制造技术，尤其是涉及一种基于3D打印的医学模型快速成型方法。
【背景技术】
[0002]3D打印作为一项创新技术，以三维模型数据为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。3D打印与传统制造方式相比具有明显成本优势:无需设计模具，不必引进生产流水线。同时，3D打印制作模型的速度快，单个实物制作费用低，并在在工业快速成型、设计模型制造和医疗义肢制作等领域获得应用。近几年，3D打印技术快速发展引起了广泛关注，引起较大影响，是制造业发展的一个新趋势。随着桌面3D打印机及打印材料价格的不断下降，3D打印技术正在向实用化方向迈进。3D打印可以为医学1?型制造提供有别于传统制造方式的新思路，可提闻1?型的制造效率，提供可定制化和个性化的医学模型。

【发明内容】

[0003]本发明提供了一种基于3D打印的医学模型快速成型方法。基于多模态医学图像的精确分割和配准，有效利用CT图像和MR图像的信息，对头部皮肤、颅骨、灰质、白质、脑脊液和大脑不同脑区建立三维模型，通过3D打印的方法，精确、快速地制造头部医学模型，并可提供可定制化、个性化的模型，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。 [0004]为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现:
一种基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于包含以下步骤:
多模态医学图像配准、基于多模态图像的组织/器官精确分割、组织/器官的三维模型
建立和3D打印，其中，所述多模态医学图像，包含以下任意一种模态的图像或任意组合:计算机断层成像(CT)图像和磁共振成像(MR)图像，或衍生自CT的成像技术获取的图像和衍生自MR的成像技术获取的图像的任一组合。
[0005]所述的衍生自CT的成像技术，包含以下任意一种成像技术:灌注CT成像技术、功能CT成像技术和计算机断层血管造影。
[0006]所述的衍生自MR的成像技术，包含以下任意一种成像技术:灌注MR成像技术，功能MR成像技术、弥散张量MR成像技术和磁共振血管造影技术。
[0007]所述的多模态医学图像配准步骤包括:
(I)构造或选择参考图像，并提取多模态图像的相关信息；
(II)构造图像的相似性测度；
(III)最大化相似性测度，计算得到图像的位移向量；
(IV)将多模态图像所在的空间变换到参考图像的坐标空间；
其中所述的参考图像是待配准的多模态图像中的其中之一，或是参考图像是标准的模板图像，或是由若干幅图像构造的模板图像，或是由多模态图像构造的先验结构图像，或是由健康人体采集而得的高精度图像；
其中所述的多模态图像的相关信息，包含以下任一一种或若干种信息的任意组合:
图像像素的灰度、图像梯度、图像局部梯度方向、互相关系数、互信息(或归一化互信息、或条件互信息、或包含空间上下文内容的互信息)、图像局部熵、拉普拉斯邻域图和自相似性特征，以及基于以上信息的改进；
其中所述的空间变换是以下任—种:刚性变换、仿射变换、弹性变换或非刚性变换，以及在不同图像尺度上上述变换的任意组合。
[0008]所述的多模态医学图像的组织/器官精确分割步骤包括:
对于MR图像的处理，具体指的是对MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像(以下简称MR图像)进行如下处理:
(I)预处理MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像，得到预处理后的图像；
(II)去除MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像中的颅骨和小脑等组织；
(III)分割得到灰质、白质、脑脊液和背景等区域，并计算灰质等组织的厚度；
(IV)分割大脑中的感兴趣区域；
对于CT图像的处理，具体指的是对CT图像或衍生自CT的成像技术获取的图像(以下简称CT图像)，进行如下处理:
(I)预处理CT图像或衍生自CT的成像技术获取的图像，去除图像噪声和灰度分布不均匀性；
(II)分割头部的颅骨组织；
(III)分割头部的皮肤；
(IV)分割得到整体的脑部组织。
[0009]对于MR图像的处理步骤(III)中采用MR图像分割算法，其特征在于:使用多水平集方法分割灰质、白质和脑脊液；对于MR图像的处理步骤(IV)中采用非线性对称配准算法分割大脑的感兴趣区域，其特征在于:所述的非线性对称配准算法，可将大脑区域分割成90个脑区。
[0010]所述的组织/器官的三维模型建立步骤包括:
(I)基于图像分割的结果，生成可精确描述各组织/器官表面的三角网格曲面；
(II)根据多模态医学图像的信息和先验解剖知识，生成各组织/器官的信息，并附加到网格曲面中；
(III)将三维模型转换为逐层横截面数据；
其中所述的三角网格曲面，其特征在于:存储该三角网格曲面的文件格式是STL，或3MF，或自定位的包含三角网格曲面和其他附加信息；
其中所述的可附加到网格曲面的信息，可包含以下内容:网格曲面对应的组织/器官的密度、曲面的厚度、曲面所包围区域的填充率和曲面所代表组织/器官的颜色；
其中所述的逐层横截面数据地厚度是0.1毫米I毫米；
生成其所述的逐层横截面数据，可使用的软件是Cura，或是Slicr，或是netfabb，或是Skeinforge,或是基于Windows8.1及后续版本提供的SDK开发的软件。
[0011]所述的3D打印方法，包含以下步骤: (I)为不同的组织/器官选择合适的3D打印材料；
(II)根据权利要求13所述的附加信息，设置3D打印的参数；
(III)执行3D打印过程；
其所述的3D打印材料，其特征在于:打印颅骨的材料是磷酸钙、或是磷酸钙生物陶瓷、或是含磷酸钙的混合材料、或是聚乳酸、或是含有聚乳酸的混合物、或是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、或是含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物，打印皮肤和脑组织的材料是硅胶、或是橡胶、或是明胶、或是工业淀粉、或是含有上述任一一种或若干种材料的混合物。
[0012]所述的3D打印材料，包括:3D打印的材料和人体组织/器官的颜色一致或较为接近；或可根据不同组织(器官)，或根据大脑中的不同脑区，可选用不同颜色的材料。
[0013]所述的3D打印过程中，3D打印的层厚是0.1毫米?3毫米。
[0014]上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的【具体实施方式】由以下实施例及其附图详细给出。
[0015]【专利附图】

【附图说明】
[0016]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明提供的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法的步骤流程图；
图2为本发明一实施例提供的CT/MR多模态医学图像配准的步骤流程图；
图3为本发明一实施例提供的MR图像分割脑组织的步骤流程图；
图4为本发明一实施例提供的脑部三维模型建立的步骤流程图；
图5为本发明一实施例提供的3D打印脑部组织的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和实施例对本发明的技术实施过程做进一步说明。
[0018]一种基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，该方法的实施步骤如下所述。
[0019]1.采集图像:
采集同一人体的头部CT图像和MR图像。
[0020]2.预处理MR图像:
a)利用重定向和重采样算法对MR图像进行归一化处理，得到256X 256 X 256大小的图
像；
b)利用非均匀性灰度校正算法对MR图像进行灰度校正。
[0021]3.CT图像和MR图像刚性配准:
a)获取CT/MR图像大小、分辨率、原点坐标和灰度阶数等信息；
b)将MR图像作为参考图像，将CT图像作为浮动图像，插值CT图像，将CT图像的分辨率调整和MR图像一致，对齐CT/MR图像的坐标原点；
c)使用图像灰度等特征信息构造相似性函数； d)最大化相似性函数，计算CT图像在X/Y/Z方向上的位移量、旋转矩阵和放缩量；
e)插值CT图像，计算得到配准后的MR图像。
[0022]4.分割CT图像:
a)设置CT的窗宽/窗位，二值化图像，得到皮肤、颅骨和脑组织所在的区域；
b)将二值化的结果作为水平集模型的初值位置；
c)使用多水平集算法分割头部CT图像，同时分割得到皮肤和颅骨的内外表面，分割得到脑组织的外表面；
5.分割MR图像
a)利用MarchingCubes算法对脑MR图像进行三维表面重建，由空间平滑力来平滑三维表面并获得均匀间距的顶点，接着基于图像灰度的驱动力来区分脑组织和非脑组织，然后由脑概率图来驱动顶点移向真实的脑组织边界，最后得到去除了颅骨的脑组织；
b)采用FLIRT算法和Demons算法配准MR图像和丽I脑图谱，得到去除了小脑的大脑区域；
c)采用局部灰度约束和脑皮层厚度约束多水平集分割的方法，分割出大脑区域中的灰质、白质和背景目标；
d)使用非线性对称配准算法配准MR图像和丽I脑图谱，从而获得丽I脑图谱到MR图像的非线性变换。
[0023]6.生成组织(器官)的三维模型
a)根据CT图像的分割结果，为头部皮肤和颅骨生成双层的三维网格曲面，其中，皮肤的内层曲面即为颅骨的外层曲面；
b)根据MR图像的分割结果，为头部皮肤、颅骨、脑灰质建立双层的三维网格曲面；
c)建立白质的三维网格曲面，建立90个脑区的三维网格曲面；
d)平滑三维网格曲面；
e)计算头部皮肤、颅骨和灰质的厚度；
f)根据CT图像与MR图像信息、医学先验知识和分割结果，为三维网格曲面附件曲面厚度、密度、填充率和颜色等信息。
[0024]7.3D 打印:
a)将三维曲面模型进行切片处理，设置切片厚度，将三维模型转换为分层的横截面数据。
[0025]b)选择磷酸钙作为颅骨打印材料，选择医用明胶打印皮肤和脑部的软组织；
c)设置3D打印的层厚为I毫米；
d)设置打印速度、送料速度等参数后，上位机联机3D打印机进行打印。
[0026]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于包含以下步骤:多模态医学图像配准、基于多模态图像的组织/器官精确分割、组织/器官的三维模型建立和3D打印，其中，所述多模态医学图像，包含以下任意一种模态的图像或任意组合:CT图像和MR图像，或衍生自CT的成像技术获取的图像和衍生自MR的成像技术获取的图像的任一组合。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的衍生自CT的成像技术，包含以下任意一种成像技术:灌注CT成像技术、功能CT成像技术和计算机断层血管造影。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的衍生自MR的成像技术，包含以下任意一种成像技术:灌注MR成像技术，功能MR成像技术、弥散张量MR成像技术和磁共振血管造影技术。
4.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的多模态医学图像配准步骤包括: (I)构造或选择参考图像，并提取多模态图像的相关信息； (II)构造图像的相似性测度； (III)最大化相似性测度，计算得到图像的位移向量； (IV)将多模态图像所在的空间变换到参考图像的坐标空间； 其中所述的参考图像是待配准的多模态图像中的其中之一，或是参考图像是标准的模板图像，或是由若干幅图像构造的模板图像，或是由多模态图像构造的先验结构图像，或是由健康人体采集而得的高精度图像； 其中所述的多模态图像的相关信息，包含以下任一一种或若干种信息的任意组合: 图像像素的灰度、图像梯度、图像局部梯度方向、互相关系数、互信息、图像局部熵、拉普拉斯邻域图和自相似性特征，以及基于以上信息的改进； 其中所述的空间变换是以下任--种:刚性变换、仿射变换、弹性变换或非刚性变换，以及在不同图像尺度上上述变换的任意组合。
5.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的多模态医学图像的组织/器官精确分割步骤包括: 对于MR图像的处理，具体指的是对MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像进行如下处理: (I)预处理MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像，得到预处理后的图像； (II)去除MR图像或衍生自MR的成像技术获取的图像中的颅骨和小脑等组织； (III)分割得到灰质、白质、脑脊液和背景等区域，并计算灰质等组织的厚度； (IV)分割大脑中的感兴趣区域； 对于CT图像的处理，具体指的是对CT图像或衍生自CT的成像技术获取的图像进行如下处理: (I)预处理CT图像或衍生自CT的成像技术获取的图像，去除图像噪声和灰度分布不均匀性； (II)分割头部的颅骨组织； (III)分割头部的皮肤； (IV)分割得到整体的脑部组织。
6.根据权利要求5所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，对于MR图像的处理步骤(III)中采用MR图像分割算法，其特征在于:使用多水平集方法分割灰质、白质和脑脊液；对于MR图像的处理步骤(IV)中采用非线性对称配准算法分割大脑的感兴趣区域，其特征在于:所述的非线性对称配准算法，可将大脑区域分割成90个脑区。
7.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的组织/器官的三维模型建立步骤包括: (I)基于图像分割的结果，生成可精确描述各组织/器官表面的三角网格曲面； (II)根据多模态医学图像的信息和先验解剖知识，生成各组织/器官的信息，并附加到网格曲面中； (III)将三维模型转换为逐层横截面数据； 其中所述的三角网格曲面，其特征在于:存储该三角网格曲面的文件格式是STL，或3MF，或自定位的包含三角网格曲面和其他附加信息； 其中所述的可附加到网格曲面的信息，可包含以下内容:网格曲面对应的组织/器官的密度、曲面的厚度、曲面所包围区域的填充率和曲面所代表组织/器官的颜色； 其中所述的逐层横截面数 据地厚度是0.1毫米I毫米； 生成其所述的逐层横截面数据，可使用的软件是Cura，或是Slicr，或是netfabb，或是Skeinforge,或是基于Windows8.1及后续版本提供的SDK开发的软件。
8.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的3D打印方法，包含以下步骤: (I)为不同的组织/器官选择合适的3D打印材料； (II)根据权利要求13所述的附加信息，设置3D打印的参数； (III)执行3D打印过程； 其所述的3D打印材料，其特征在于:打印颅骨的材料是磷酸钙、或是磷酸钙生物陶瓷、或是含磷酸钙的混合材料、或是聚乳酸、或是含有聚乳酸的混合物、或是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、或是含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物，打印皮肤和脑组织的材料是硅胶、或是橡胶、或是明胶、或是工业淀粉、或是含有上述任一一种或若干种材料的混合物。
9.根据权利要求8所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的3D打印材料，包括:3D打印的材料和人体组织/器官的颜色一致或较为接近；或可根据不同组织(器官)，或根据大脑中的不同脑区，可选用不同颜色的材料。
10.根据权利要求1所述的基于3D打印的头部医学模型快速成型方法，其特征在于:所述的3D打印过程中，3D打印的层厚是0.1毫米I毫米。
【文档编号】B41J3/44GK103978789SQ201410218464
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】周志勇, 戴亚康, 郁朋, 耿辰 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所