一种全耳再造术耳部支撑架的3D打印方法及系统与流程

本发明涉及医疗器具技术领域，特别是涉及一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

全耳再造术是针对耳部轮廓先天不足，或缺少外耳等情况进行的修整手术，全耳再造术通过扩张后的耳区皮肤薄而增大面积的特点，提供了良好的再造耳廓，采用自体或人造肋软骨，按健侧耳形态雕刻软骨支架，并利用小块软骨叠加在耳廓支架后方，使再造耳具有耳甲腔清楚，外形逼真，立体感强的耳廓外形。

为防止术后耳廓被挤压变形，影响术后恢复效果，需利用外部装置保护和固定耳廓。但是，发明人发现，市面上众多术后耳部保护装置多为固定模型，虽然可以固定保护耳部，但由于不同患者耳部存在差异性，使患者感到不适，影响患者耳部的术后恢复，甚至产生不良反应；而对于儿童患者往往因普通保护装置带来的不适影响其睡眠，进而影响其健康发育。其次，对于耳部支撑结构制作方面，耳部支撑结构的形状曲面丰富、凹凸结构较多，使用传统模具拔模较为困难。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印方法及系统，由于外耳廓、耳软骨、耳垂在三维扫描结果中存在差异性，采用阈值分割方法将各部分进行提取，并对每部分进行边缘优化来去除模型表面的噪声，通过平面拉伸进行面域实体化，组合后获得完整的耳部组合模型；将耳部组合模型转换为耳部支撑架模型，对其采用3d打印得到耳部支撑架，制作程序化，降低了成本以及制备周期。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印方法，包括：

根据获取的耳部扫描影像构建耳部扫描模型，对耳部扫描模型进行分割得到外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型；

对外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型分别进行边缘优化和平面拉伸后，组合得到耳部组合模型；

对耳部组合模型进行布尔运算和抽壳处理后得到耳部支撑架模型，对耳部支撑架模型采用3d打印得到耳部支撑架。

第二方面，本发明提供一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印系统，包括：

模型分割模块，用于根据获取的耳部扫描影像构建耳部扫描模型，对耳部扫描模型进行分割得到外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型；

组合模块，用于对外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型分别进行边缘优化和平面拉伸后，组合得到耳部组合模型；

打印模块，用于对耳部组合模型进行布尔运算和抽壳处理后得到耳部支撑架模型，对耳部支撑架模型采用3d打印得到耳部支撑架。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用三维扫描和3d打印制作模具，根据不同患者进行定制，使耳部支撑结构更加适合患者的耳部结构，有利于不同患者的术后恢复及耳部发育；并且使制作程序化，降低了成本以及制备周期。

本发明建立耳部三维模型时，由于外耳廓，耳软骨，耳垂在三维扫描结果存在差异性，所以采用不同阈值的大津阈值分割将各部分进行提取，将每部分进行边缘优化来去除模型表面的噪声，通过平面拉伸进行面域实体化，将三部分进行组合获得完整的耳部模型。

本发明采用布尔运算将多余部分进行裁剪，并且为了解决术后上药问题，采用抽壳处理在耳部支撑架佩戴后与耳部之间存在间隙。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。

图1为本发明实施例1提供的全耳再造术耳部支撑架的3d打印方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的耳部支撑架佩戴示意图；

图3为本发明实施例1提供的耳部支撑架佩戴受力分析图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印方法，包括：

s1：根据获取的耳部扫描影像构建耳部扫描模型，对耳部扫描模型进行分割得到外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型；

s2：对外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型分别进行边缘优化和平面拉伸后，组合得到耳部组合模型；

s3：对耳部组合模型进行布尔运算和抽壳处理后得到耳部支撑架模型，对耳部支撑架模型采用3d打印得到耳部支撑架。

所述步骤s1中，采用三维扫描仪对耳部进行扫描，得到耳部扫描影像；其中，为保证耳部扫描的完整性，耳部扫描影像中可包括与耳相连的头部；

在本实施例中，利用高精度非接触式激光三维人体扫描仪分别从上、下、前、后四个方位扫描耳部包括耳朵周围1厘米内的头部，采集耳部信息，根据采集到的信息生成dicom格式文件，后置于mimics软件后，导出stl格式文件。

由于在影像扫描时，包含了将除耳部之外的其他部位，如头部；且外耳廓、耳软骨和耳垂在三维扫描结果中表现出差异性，所以，在本实施例中，将耳部扫描模型分割，对分割后的各个子部分分别进行预处理；

即，在本实施例中，采用不同阈值的大津阈值分割方法将耳部扫描模型分割为外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型，阈值可选择550-4500之间，将多余脑骨部分删除；对各个子模型进行边缘优化去除模型表面的噪声，使其变得平滑，去噪后通过平面拉伸将面域实体化，为后续布尔预算提供剪切模型；

所述步骤s2中，边缘优化采用拉普拉斯网格平滑方法，通过预设噪声阈值删除各个子模型的噪声点，平滑参数可选择10％，实现多解剖结构的边缘平滑，将经预处理后的三个子模型进行组合得到完整的耳部组合模型。

可以理解的，在本实施例中，对耳部扫描模型通过图像定位，确定外耳廓、耳软骨和耳垂的位置，进而通过大津阈值分割将上述三个部分进行提取，保证后续对各个部分预处理编辑的精确性。

所述步骤s3中，所述布尔运算包括合并、减去和相交，在本实施例中，对所述耳部组合模型采用两次减去运算，结合抽壳处理实现耳部三维图像到耳部支撑结构模型的转换。

在本实施例中，采用布尔运算目的是将多余部分进行剪裁，得到耳部支撑结构的三维初模型；为解决术后上药的问题，需使耳部支撑结构佩戴后与耳部之间留有一定间隙，因此本实施例对初模型进行一次抽壳处理，抽壳厚度选择在0.8mm至1.0mm，得到最终的耳部支撑结构模型。

所述步骤s3中，对耳部支撑架模型导出stl文件，将stl文件导入3d切片软件，设置打印参数，进行3d打印；为解决3d打印过程中可能出现的坠丝和拉丝问题，将模具从中间分成上下两部分，以便打印出成品后去除打印过程中的拉丝,防止打印出现坠丝现象；

在本实施例中，为使后期灌注方便，需提供一个灌注孔，本实施例模具的灌注孔设置在上模具正中间，直径为5mm；

将stl格式的模具三维图像导入3d打印机内，设置参数挤出头直径0.40mm、层厚0.20mm、打印速度50mm/s、打印耗材直径1.75mm进行3d打印；

为了便于脱模，使用聚乙烯醇pva为3d打印材料，打印耳部支撑结构模具，由于耳部支撑结构的形状曲面丰富、凹凸结构较多，使用传统模具拔模较为困难，使用聚乙烯醇制作的可溶模具可以获得完整的模型；

3d打印中的模具形状采用长方形，为了三维软件建模、3d打印时无需设置支撑且浇注模型时便于固定；

显示模式采用透明模式，方便耳部支撑结构模型在模具中定位。

经熔融沉积得到模具后,去除打印过程中产生的拉丝,然后将上下模具粘合在一起；从灌注孔向模具内灌注硅胶,待硅胶凝固后,将铸件及模具整体放入水中,去除模具，得到定制的耳部支撑结构；

在本实施例中，耳部支撑结构的制作材料为硅胶，硅胶质地柔软有弹性，塑型好，不仅能维持良好的造型持久保护再造耳，同时也不会对皮肤造成大的压力与刺激；硅胶材料无色透明，便于随时观察病情，医务人员和患者都能非常清楚地观察再造耳的愈合情况，而且硅胶材料普遍，价格适中。

患者佩戴耳部支撑结构后，用可粘性弹性绷带缠绕固定于头顶和下巴处，减少了因佩戴不当滑落或压迫伤口的风险。如图2所示，自粘弹力绷带1、3分别固定于额部和下巴，用于耳部支撑结构2；如图3所示的受力分析，为了固定耳廓，需有一个大小与重力相等、方向向上作用于耳廓的力f支撑，力f为摩擦力，由作用于耳部支撑结构与耳部接触面的压力n1产生：

f＝n1*μ

其中，μ为摩擦系数；

n1、n2分别为耳部支撑结构在水平方向受到的合力，由受力平衡可知：

n1＝n2，

为使佩戴更加舒适，通过绷带1、3可增大接触面积，减小压强：

p＝n/s；

本实施例利用三维扫描和3d打印制作模具，根据不同患者进行定制，使耳部支撑结构更加适合患者的耳部结构，有利于不同患者的术后恢复及耳部发育；并且使制作程序化，降低了成本以及患者家属的经济负担，降低了制备周期，制作过程环保无污染。

实施例2

本实施例提供一种全耳再造术耳部支撑架的3d打印系统，包括：

模型分割模块，用于根据获取的耳部扫描影像构建耳部扫描模型，对耳部扫描模型进行分割得到外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型；

组合模块，用于对外耳廓子模型、耳软骨子模型和耳垂子模型分别进行边缘优化和平面拉伸后，组合得到耳部组合模型；

打印模块，用于对耳部组合模型进行布尔运算和抽壳处理后得到耳部支撑架模型，对耳部支撑架模型采用3d打印得到耳部支撑架。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤s1至s3，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。