配准融合CT和MRI信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法与流程

本发明属于医学影像虚拟仿真领域，尤其涉及一种使用计算机断层扫描和磁共振成像的二维数据，分别建立三维模型再配准融合形成高分别率的虚拟仿真立体模型的方法，适用于人体腰椎器质性病变辅助诊断以及制定手术决策。

背景技术：

骨科病人在手术之前通常需要进行必要的影像学检查，包括ct(computedtomography，电子计算机断层扫描)和mri(magneticresonanceimaging，磁共振成像)。ct能在一个横断解剖平面上，准确地探测各种不同组织间密度的微小差别，是观察骨关节及软组织病变的一种较理想的检查方式。mri的组织密度对比范围大。在骨、关节与软组织病变诊断方面，磁共振成像由于具有多于ct数倍的成像参数和高度的软组织分辨率，使其对软组织的对比度明显高于ct。目前临床上ct和mri提供的都是二维图像，未能直观地显示病变部位，且二者的检查影像相互独立。

对于腰椎疾病如腰椎间盘突出症、腰椎椎管狭窄症等疾病，ct检查可以获得良好的骨性结构如椎管边界、椎体增生，钙化黄韧带、钙化椎间盘等结构影像，但对于突出的椎间盘、肥厚黄韧带等受压的软组织不能良好辨别区分。利用磁共振成像对于软组织的高分辨率的特点可以对软组织影像进行补充。同时，通过选择特定的扫描序列与扫描参数可以提高特定组织如硬膜囊及神经根的分辨率。ct和mri检查的临床意义重大，但两种检查相互独立，并且为二维图像。医生在接收影像科医生处理的二维图像时，已经失去一定的数据的完整性。以上的限制因素限制了两种检查获得的影像在疾病诊断、术前预案设计以及术中径路导航发挥更大的价值。

ct和mri的配准融合技术一直是医学影像领域的研究热点之一。但由于二者成像原理不同导致数据的差异性较大、不同设备检查时病人动作变换、体外辅助配准工具操作繁琐等因素导致两种图像配准融合的成功率低、可重复性差、耗时长。

申请号cn201510437619.3，申请名称“一种结合ct和mri二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法”虽描述了结合ct和mri二维图像建立完整人体膝关节几何解剖仿真模型的方法，但用同样的方法不能准确融合形成人体腰椎的三维仿真立体模型。

在采集图像的硬件方面，“一种结合ct和mri二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法”应用的膝关节磁共振扫描采用的是膝关节线圈，而腰椎磁共振扫描使用的是主线圈和脊柱线圈，不同采集线圈的信号采集方法、方式不同，对应的检查对象的特征信号也不相同，可使用的磁共振检查序列以及检查参数并不相同。本发明采用了西门子me3d序列用以采集硬膜囊以及神经根外形的图像数据，侧重点在于弥补腰椎ct检查时难以辨别的硬膜囊、神经根结构；在模型建立方面，“一种结合ct和mri二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法”对于磁共振影像数据的建模采用单一序列的阈值分割建模。本发明的创新点还在于使用了四个常规序列以及一个优选序列进行数据协同建模。充分利用现有常规检查序列的高信噪比以及优选序列高空间分辨率的优势，弥补了常规序列层厚、层间距大和优选序列局部软组织对比度低的劣势。在配准融合的方法上又有不同，“一种结合ct和mri二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法”使用的为ct以及mri两者的骨组织结构作为点云配准的依据。腰椎与膝关节的骨组织的构成比例不同，使用该方法并不能获得较好的骨组织作为两种图像的共同配准点。本发明通过优化后采用的me3d序列则可以通过分割获得边界清晰完整的黄韧带，黄韧带起始于上位椎体椎板下缘，止于下位椎体椎板上缘，在mri成像中其边界正是板的边界。利用mri黄韧带边界的点云数据中椎体椎板边界的点云数据进行配准正是本发明不同于已有专利的一大特征。同时，使用me3d序列扫描作为配准数据时又能为获得临床腰椎椎间盘突出症以及腰椎椎管狭窄症诊断时神经根压迫位点诊断提供准确影像。通过本发明的方法，可以为后续的3d打印、手术模拟、入路判断等虚拟仿真应用提供直观的解剖模型。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，通过比较不同的建模方法，提供一种配准融合ct和mri信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法，本发明方法使用计算机断层扫描(ct)和磁共振成像(mri)的二维数据，分别建立三维模型再配准融合形成高分别率的虚拟仿真立体模型的方法，适用于人体腰椎器质性病变的辅助诊断以及术前演练、预案制定和入路判断等手术决策。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种配准融合ct和mri信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法，包括：

步骤1，采集计算机断层扫描图像

根据需求采用仰卧位对第一腰椎至第一骶椎进行螺旋薄层扫描。建立病人dicom3.0(digitalimagingandcommunicationsinmedicine)标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘。

步骤2，采集磁共振成像图像

去除一切金属异物进入此步骤，体位应与步骤1中对应相同。进行常规腰椎检查序列(定位像序列、t1-tse-sag序列、t2-tse-sag序列、t2-tse-fs-sag序列、t2-tse-tra-msma序列)、优选序列(t2-me3d-we-cor-iso序列)扫描。进行t2-tse-tra-msma序列扫描时，在椎体间高度允许的条件下保证有5个断层以上的扫描成像。进行t2-me3d-we-cor-iso序列扫描时，尽量使得目标椎体节段落于成像中心，以获得较为完整的椎间盘、黄韧带、小关节突、椎体、椎板的图像。建立病人dicom3.0标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘。

步骤3，建立计算机断层扫描图像三维模型

使用医学影像处理软件mimics19.0导入步骤1数据建立腰椎、骶椎、髂嵴三维模型。

步骤31，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以导入步骤1的计算机断层扫描获得的数dicom3.0格式据，建立并保存计算机断层扫描建模项目，获得项目“ct.mcs”。

步骤32，建立三维模型二维蒙版

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人骨组织ct值，获得含有第一腰椎至第五腰椎、骶椎、髂骨的二维蒙版“mask1”。

通过“splitmask”工具，将“mask1”分割成第一腰椎、第二腰椎、第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨分割成独立的获得二维蒙版命名为“l1”、“l2”“l3”、“l4”、“l5”、“s”、“i”。

步骤33，优化腰椎二维蒙版

上述步骤获得了第一腰椎、第二腰椎、第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨的蒙版。因为自动化划分二维蒙版操作使得在细小边界的分割上较为粗糙，例如上下相邻椎体的关节突关节，钙化软组织以及椎体退行性改变等导致分离边界不清，而上述的组织在后续的手术模拟应用及其重要，所以需要手动优化二维蒙版。

选择骨窗窗位后使用蒙版编辑工具“editmasks”对上述步骤二维蒙版进行正确的像素修补。适当使用“multiplesliceedit”、“regiongrowing”、“cropmask”等工具辅助优化操作。

步骤34，二维蒙版转换三维模型

通过“calculate3d”工具对上述步骤的二维蒙版运算生成三维模型，并对其重命名。获得腰椎、骶椎、髂骨三维模型并分别命名“l1”、“l2”、“l3”、“l4”、“l5”、“s”、“i”。

步骤35，优化三维模型

在二维蒙版计算转换为三维模型时可能产生误差，为了获得精准的模型需要人为进行必要检查优化。

使用“contourediting”工具分别对每个三维模型在调整三维模型的轮廓线，使其贴合实际图像。

步骤36，导出优化后三维模型

通过“export”将优化后的三维模型导出式的三维模型文件，获得文件“l1.stl”、“l2.stl”、“l3.stl”、“l4.stl”、“l5.stl”、“s.stl”、“i.stl”。

步骤4，建立磁共振成像图像三维模型

步骤41，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以分别导入常规序列与优选序列扫描数据(dicom3.0格式数据，建立并存储对应序列名称磁共振图像项目，获得下列5个项目。“t1-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-fs-sag序列.mcs”、“t2-tse-tra-msma序列.mcs”、“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”

步骤42，建立初步二维蒙版

此步骤的ct值不同于步骤32中的ct值。此步骤的ct值指的是由mri扫描数据像素的灰度值通过公式：hu＝pixel*slope+intercept转化为hu值。不同序列中因为mri成像的扫描原理和扫描参数不同，同一组织的灰度值可能相同或不同。

根据具有丰富临床影像诊断经验的影像科医生的经验与相关文献报道，反复对比。确定本发明中t2-me3d-we-cor-iso序列中的软组织的ct值。

于上述步骤41的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为80hu-180hu)使蒙版颜色在横断面、矢状面、冠状面上完整涂布腰骶神经、椎间盘、黄韧带、关节囊，获得“mask1”。

为了减少不必要得运算工作，使用“cropmask”工具保留目标腰椎间盘至相邻椎体的二维蒙版。使用“duplicatemask”功能复制“mask1”获得“mask2”、“mask3”。

步骤43，三维模型的分割与建立

由于在三维视图中黄韧带、小关节囊、椎间盘、腰骶神经彼此之间空间存留较大，故不采用直接编辑二维蒙版，而是采用更高效率的三维编辑。

此步骤的操作是以t2-me3d-we-cor-iso序列”作为建模数据基础，常规序列影像则作为前者三维模型优化数据基础。以下的操作步骤中会同时在五个序列中对三维模型进行质量控制。

步骤431，腰椎间盘三维模型建立

于上述步骤42的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中选中“mask1”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“mask1”重命名“disc”。

通过“calculate3d”工具将“disc”转换为三维模型“disc-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d”进行优化，提高模型轮廓准确度。

将“disc-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-t1”进行模型优化，将“disc-me3d”重命名为“disc-me3d-t1”。

将“disc-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1”进行模型优化，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1”重命名为“disc-me3d-t1-t2”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2”进行模型优化，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“disc-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤432，硬膜囊及神经根三维模型分割

于上述步骤431的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“disc-done”的二维蒙版“maskdisc-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask2”减去“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“nerve”。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”保留硬膜囊以及神经根，擦去腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“nerve”重命名“nerve-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“nerve-me3d”转换为三维模型“nerve-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。

将“nerve-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-t1”进行模型优化，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d”重命名为“nerve-me3d-t1”。

将“nerve-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1”进行模型优化，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1”重命名为“nerve-me3d-t1-t2”。

将“nerve-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2”进行模型优化，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”。

将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“nerve-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤433，黄韧带、小关节囊三维模型的分割

于上述步骤4.3.2的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“nerve-done”的二维蒙版“masknerve-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔加运算，将“masknerve-done”加上“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“maskdisc&nervedone”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask3”减去“mask“maskdisc&nervedone”获得二维蒙版，重命名为“lf”(ligamentaflava)。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留黄韧带、小关节囊，擦去硬膜囊以及神经根、腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、等其他组织,将“lf”重命名“lf-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“lf-me3d”转换为三维模型“lf-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。

将“lf-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-t1”进行模型优化，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d”重命名为“lf-me3d-t1”。

将“lf-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1”进行模型优化，纠正黄韧、小关节囊带轮廓。将“lf-me3d-t1”重命名为“lf-me3d-t1-t2”。

同上,将“lf-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2”进行模型优化，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上,将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“lf-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤44，三维模型导出

通过“export”将项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中优化后的三维模型“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”导出，获得slt格式文件“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤5，配准融合三维模型

步骤51，配准原理

通过简单配准和全局计算配准两步完成。简单配准根据腰椎解剖结构；全局计算配准根据目标椎间盘上位椎板中部至下缘的骨皮质结构大多数情况下有连续完整、少发生退行性改变的特点，以此接触面作为配准面，提取磁共振影像数据中上位椎板中部至下缘紧密覆盖的黄韧带作为配准面与计算机断层扫描成像的椎体椎板至下关节突骨皮质表面配准，同时所有磁共振三维模型坐标随配准面转换，以达到磁共振成像三维模型与计算机断层扫描成像三维模型配准的目的。

步骤52，数据导入

使用软件“3-matic”建立“registration.mxp”，使用“importpart”功能导入“l1.stl”、“l2.stl”、“l3.stl”、“l4.stl”、“l5.stl”、“s.stl”、“i.stl”、“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤53，三维模型配准

步骤531，简单配准

通过“interactivetranslate”工具将“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”平移至计算机断层扫描成像三维模型的解剖位置；通过“interactiverotate”工具将“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”选装至计算机断层扫描成像三维模型“l1”、“l2”、“l3”、“l4”、“l5”、“s”、“i”的对应解剖位置。重复平移操作与旋转操作使得简单配准尽可能准确，以减少后续计算误差与计算时间。

步骤532，全局计算配准

步骤5321，网格重划分

通过“adaptiveremesh”工具对三维模型“l4”、“l5”、“lf-done”进行网格重划分。(“shapemeasure”＝smallestangle(n)；“minimumtriangleedgelength”＝0.0000“maximumtriangleedgelength”＝0.5000；“numberofiterations”＝20)，获得“l1_remesh”、“l2_remesh”、“l3_remesh”、“l4_remesh”、“l5_remesh”、“lf-done_remesh”。黄韧带特征面提取

通过“wavebrushmark”工具“lf-done_remesh”的黄韧带对应上位椎板中部至下缘的表面涂布标记，使用“separate”功能分离出标记面“surface-01”，并重命名“if-surface-01”。

步骤5322，全局配准

通过“globalregistration”工具，“distancethresholdmethod”选择“manual”，以“if-surface-01”与对应椎体“lx”进行全局配准。其中“distancethreshold”根据每次待配准的点差值20次迭代计算结果，在不小于点差值的前提下，从3.0000到0.0050重复调整参数直至点差值最小；“movingalongentities”选择“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”。

步骤54，配准验证

将配准后的“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”以stl格式导出并重名，获得“disc-r.stl”、“nerve-r.stl”、“lf-r.stl”。

将上述stl文件导入项目“ct.mcs”中，查看配准后的三维模型轮廓线在矢状面、冠状面、横断面上的配准结果。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明充分利用现有常规检查如计算机断层扫描和磁共振成像结合优选磁共振扫描序列，建立可以在各个磁共振序列内相互验证准确度的腰椎间盘、神经根和黄韧带的重要软组织三维模型；建立了腰椎间盘新的医学影像高准确度的建模方式，同时大大提高了医学影像检查的数据的利用率；

(2)本发明通过以本发明的技术方案来实现计算机断层扫描和磁共振成像建立三维模型并配准融合形成人体腰椎的三维虚拟仿真立体模型，提供了更加精确、立体、生动的医学影像；

(3)本发明可重复性高，成功率高，可以获得对应腰椎节段高分辨率的三维模型图像，并可以直接应用于虚拟手术入路设计、3d打印等虚拟仿真技术应用。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种配准融合ct和mri信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法不局限于实施例。

附图说明

图1-1为本发明实施例一第四腰椎/第五腰椎ct骨窗图像；

图1-2为本发明实施例一第四腰椎/第五腰椎ct软组织窗图像；

图1-3为本发明实施例一t1-tse-sag序列图像；

图1-4为本发明实施例一t2-tse-sag序列图像；

图1-5为本发明实施例一t2-tse-fs-sag序列图像；

图1-6为本发明实施例一t2-tse-tra-msma序列(第四腰椎/第五腰椎)图像；

图1-7为本发明实施例一t2-me3d-we-cor-iso序列图像；

图1-8为本发明实施例一以计算机断层扫描图像建立腰椎、骶椎、髂骨三维模型；

图1-9为本发明实施例一以计算机断层扫描图像建立第四腰椎/第五腰椎椎间盘模型；

图1-10为本发明实施例一以计算机断层扫描图像建立第四腰椎/第五腰硬膜囊及神经根三维模型；

图1-11为本发明实施例一以t2-me3d-we-cor-iso序列图像建立第四腰椎/第五腰椎椎间盘模型；

图1-12为本发明实施例一以t2-me3d-we-cor-iso序列图像建立第四腰椎/第五腰硬膜囊及神经根模型；

图1-13为本发明实施例一以t2-me3d-we-cor-iso序列图像建立第四腰椎/第五腰黄韧带模型；

图1-14为本发明实施例一通过常规序列与优选序列比对优化的第四腰椎/第五腰椎椎间盘、硬膜囊、神经根、黄韧带模型；

图1-15为本发明实施例一计算机断层扫描数据与磁共振成像数据构建第四腰椎/第五腰椎腰椎间盘三维模型对比图；其中，a1和a2中颜色较深的三维模型为第四/第五腰椎腰椎间盘，颜色较浅三维模型为第五腰椎椎体，都由计算机断层扫描数据构建；b1和b2为应用本方法配准后的三维图像，其中颜色较深的三维模型为第四腰椎/第五腰椎腰椎间盘，由磁共振成像常规序列与优选序列数据构建，颜色较浅部分为第五腰椎椎体，由计算机断层扫描数据构建；

图1-16为本发明实施例一计算机断层扫描数据与磁共振成像数据构建第四腰椎/第五腰椎硬膜囊与神经根三维模型对比图；其中，a1和a2中颜色较深的三维模型为第四腰椎/第五腰椎硬膜囊与神经根，颜色较浅三维模型为第五腰椎椎体，都由计算机断层扫描数据构建；b1和b2为应用本方法配准后的三维图像，其中颜色较深三维模型为第四腰椎/第五腰椎硬膜囊与神经根，由磁共振成像常规序列与优选序列数据构建，颜色较浅部分为第五腰椎椎体，由计算机断层扫描数据构建；

图1-17为本发明实施例一三维图像配准前示意图；

图1-18为本发明实施例一三维图像配准后示意图；

图1-19为本发明实施例一配准后三维图像三维渲染解剖示意图；

图1-20为本发明实施例一配准后三维模型中模拟椎间孔镜器械置放图；

图1-21为本发明实施例一配准后三维模型中模拟椎间孔镜器械置放图；

图2-1为本发明实施例二第三腰椎/第四腰椎ct重建骨窗图像；

图2-2为本发明实施例二第三腰椎/第四腰椎ct重建软组织窗图像；

图2-3为本发明实施例二t1-tse-sag序列图像；

图2-4为本发明实施例二t2-tse-sag序列图像；

图2-5为本发明实施例二t2-tse-fs-sag序列图像；

图2-6为本发明实施例二t2-tse-tra-msma序列(第三腰椎/第四腰椎)图像；

图2-7为本发明实施例二t2-me3d-we-cor-iso序列图像；

图2-8为本发明实施例二以计算机断层扫描图像建立腰椎、骶椎、髂骨三维模型；

图2-9为本发明实施例二基于本研究方法建立的第三腰椎/第四腰椎椎间盘三维模型；

图2-10为本发明实施例二基于常规序列t1-tse-sag序列图像第三腰椎/第四腰椎椎间盘三维模型；

图2-11为本发明实施例二基于常规序列t2-tse-sag序列图像第三腰椎/第四腰椎椎间盘三维模型；

图2-12为本发明实施例二基于常规序列t2-tse-fs-sag序列图像第三腰椎/第四腰椎椎间盘三维模型；

图2-13为本发明实施例二基于常规序列t2-tse-tra-msma序列图像第三腰椎/第四腰椎椎间盘三维模型；

图2-14为本发明实施例二以t2-me3d-we-cor-iso序列图像建立第四腰椎/第五腰硬膜囊及神经根三维模型；

图2-15为本发明实施例二以t2-me3d-we-cor-iso序列图像建立第四腰椎/第五腰黄韧带三维模型；

图2-16为本发明实施例二通过常规序列与优选序列优化的第四腰椎/第五腰椎椎间盘、硬膜囊、神经根、黄韧带三维模型；

图2-17为本发明实施例二三维图像配准前示意图；

图2-18为本发明实施例二三维图像配准后示意图；

图2-19为本发明实施例二配准后三维图像渲染解剖示意图；

图2-20为本发明实施例二配准后三维模型中模拟椎间孔镜器械置放a；

图2-21为本发明实施例二配准后三维模型中模拟椎间孔镜器械置放b；

图2-22为本发明实施例二配准后三维模型中模拟椎间孔镜器械置放c；

图2-23为本发明实施例二剖切后的术前3d打印模型；

图2-24为本发明实施例二剖切后的术后3d打印模型；

图2-25为本发明实施例二3d打印模型(左为术后模型、右为书签模型)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

实施例一

将“第四腰椎/第五腰椎右侧侧隐窝狭窄合并第五腰椎上终板椎体后缘离断”的ct与mri两套二维影像构建三维模型后配准融合为一个三维模型并为经皮椎间孔镜椎间盘切除术设计术入路。

本实施例中，经本发明方法配准构建的腰椎三维模型中，腰椎间盘、硬膜囊与神经根的三维模型与使用计算机断层扫描数据建立的腰椎间盘、硬膜囊与神经根三维模型相比，具有空间位置准确、轮廓清晰光滑、毗邻关系清楚的优点。

参见图1-1至图1-21所示，本实施例一种配准融合ct和mri信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法，包括：

步骤1，采集计算机断层扫描图像

根据需求采用仰卧位对第一腰椎至第一骶椎进行螺旋薄层扫描。建立病人dicom3.0(digitalimagingandcommunicationsinmedicine)标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘，如表1-1所示。

表1-1

步骤2，采集磁共振成像图像

此步骤中的体位应与步骤1中对应相同。进行常规腰椎检查序列(定位像序列、t1-tse-sag序列、t2-tse-sag序列、t2-tse-fs-sag序列、t2-tse-tra-msma序列)、优选序列(t2-me3d-we-cor-iso序列)扫描。进行t2-tse-tra-msma序列扫描时，在椎体间高度允许的条件下保证有5个断层以上的扫描成像。进行t2-me3d-we-cor-iso序列扫描时，尽量使得目标椎体节段落于成像中心，以获得较为完整的椎间盘、黄韧带、小关节突、椎体、椎板的图像。建立病人dicom3.0(标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘，如下表1-2至表1-6所示。

表1-2

表1-3

表1-4

表1-5

表1-6

步骤3，建立计算机断层扫描图像三维模型

使用医学影像处理软件mimics19.0导入步骤1数据建立腰椎、骶椎、髂嵴三维模型，同时以此数据建立腰椎间盘、硬膜囊与神经根的三维模型用于同本方法所建立的腰椎间盘、硬膜囊与神经根三维模型进行比较。

步骤31，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以导入步骤1的计算机断层扫描获得的数dicom3.0格式据，建立并保存计算机断层扫描建模项目，获得项目“ct.mcs”。

步骤32，建立三维模型二维蒙版

根据ct值定义，ct值的单位是hounsfield，简称为hu，范围是-1024-3071。用于衡量人体组织对x射线的吸收率，密致骨ct值为+1000。

在实施过程中发现，对于不同年龄和不同性别的患者，尤其骨质疏松症者，其椎体ct值应在骨窗下调节ct值阈值的下限以保证腰椎椎体二维蒙版划分得准确度。通过实验对比发现，骨组织的二维蒙版分割阈值下限在220hu左右有最佳建模效果。分割阈值低于此ct值时，在骨窗上可见腰椎椎体实际体积偏小，且将会使上下关节突二维蒙版的像素相连，导致后续的二维蒙版编辑工作量巨大，骨组织边缘精度下降，最终使得进一步建立相互独立的腰椎椎体三维模型的难度增加；分割阈值高于此ct值，在骨窗上可见腰椎椎体实际体积偏小，皮质骨表面的血管穿行的孔隙将变多，椎体内的松质骨的二维蒙版的像素将产生许多不连续的断面，最终导致作为stl格式的腰椎椎体三维模型产生许多需要额外进行处理的壳体、坏面、噪点。在体内无金属存在使，骨组织ct值的上限可直接取ct数据中最高ct值；在有金属伪影得干扰下，ct数据中的最高ct值将由对应金属的ct值决定，此时应根据实际情况调整古族中二维蒙版分割阈值的上限，跟据多次实验结果可知一般此ct值约在1800hu以下。因此骨组织二维蒙版分割阈值的ct值一般限定为220hu-1800hu,再结合实际情况微调。

腰椎间盘的ct值一般再60hu至110hu，实际ct值受其组织生理情况的影响，如炎症水肿、将使ct值降低；髓核脱水、腰椎间盘骨化和钙化将使得ct值升高。可通过软组织窗观察调整腰椎间盘的ct值。在实施过程中，可知此方法只能模糊分割出腰椎间盘的三维形态，可见附图中的比较结果。因此本发明提出使用mri数据构建腰椎间盘三维模型，再与ct数据构建的腰椎椎体三维模型进行配准融合。

在腰椎的椎管内，脊髓圆锥已分为硬膜囊包裹马尾神经，硬膜囊内含有脑脊液，在脊神经节前也同样含有脑脊液；在间孔内的脊神经在被脂肪组织包裹。上述原因使得硬膜囊与神经根在ct的软组织窗可大致观察到外形，但因为脑脊液和脂肪组织的ct值(-100hu至10hu)与神经根的ct值(30-60hu)差值很小，因此对比度低。用阈值分割的方法直接建立硬膜囊与神经根的方法获得的三维模型表面结构不连续、模型表面特征失真。可见附图中的比较结果。因此本发明提出使用mri数据构建腰椎间盘三维模型，再与ct数据构建的腰椎椎体三维模型进行配准融合。

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人骨组织ct值(226hu-1268hu)，获得含有第四腰椎至、第五腰椎、骶椎、髂骨的二维蒙版“mask1”。

通过“splitmask”工具，将“mask1”分割第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨分割成独立的二维蒙版。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“mask1”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第四腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“mask1”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第四腰椎影像)、“regionb”(含第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l4”、“l5+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“l5+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第五腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“l5+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第五腰椎影像)、“regionb”(骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l5”、“s+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“s+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将骶椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“s+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含骶骨影像)、“regionb”(含髂骨影像)，分别重名命二维蒙版为“s”、“i”。

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人椎间盘组织ct值(60hu-224hu)，获得含有第四/五腰椎间盘的二维蒙版“maskx1”。

通过“editmasks”工具，将二维蒙版“maskx1”中的非腰椎间盘组织的像素擦除，获得“maskx1”。

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人椎间盘组织ct值(60hu-224hu)，获得含有第四/五腰椎间盘的二维蒙版“maskx1”。

通过“editmasks”工具，将二维蒙版“maskx1”中的非腰椎间盘组织的像素擦除，获得“maskx1”。

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人硬膜囊与神经根ct值(8hu-60hu)，获得含有第四/五腰椎间盘的二维蒙版“maskx2”。

通过“editmasks”工具，将二维蒙版“maskx2”中的非硬膜囊与神经根ct值组织的像素擦除，获得“maskx2”。

步骤33，腰椎二维蒙版优化

对上述步骤获得了第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨、第四/五腰椎间盘、硬膜囊与神经根的二维蒙版进行优化。

选择骨窗窗位后使用蒙版编辑工具“editmasks”对第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨二维蒙版进行正确的像素修补。选择软组织窗窗位后使用蒙版编辑工具“editmasks”对第四/五腰椎间盘、硬膜囊与神经根的二维蒙版进行正确的像素修补。使用“multiplesliceedit”对连续帧进行操作；使用“regiongrowing”清除噪点像素；使用“cropmask”工具界定目标区域。

由于通过阈值分割直接使用ct数据建立的腰椎间盘、硬膜囊与神经根的二维蒙版表面连续性差、对比度差，已难以再通过观察进行二维蒙版进行优化。

步骤34，二维蒙版转换三维模型

通过“calculate3d”工具对上述步骤的二维蒙版运算生成三维模型，并对其重命名。获得腰椎、骶椎、髂骨、第四/五腰椎间盘、硬膜囊与神经根的三维模型并分别命名“l4”、“l5”、“s”、“i”、“discx”、“nervex”。

步骤35，三维模型的优化

在二维蒙版计算转换为三维模型时可能产生误差，为了获得精准的模型需要人为进行必要检查优化。

使用“contourediting”工具分别对“l4”、“l5”、“s”、“i”三维模型在横断面、矢状面、冠状面调整三维模型的轮廓线，使其贴合实际图像。由于通过计算机断层扫描图像数据对软组织的分辨率不足以获得的腰椎间盘、硬膜囊与神经根的连续像素块，因此“discx”、“nervex”的边界粗糙且含有许多缺失像素，“contourediting”工具对三维模型优化时，将严重变形失真，故无法对其进行优化。

步骤36，优化后三维模型导出

通过“export”将优化后的三维模型导出式的三维模型文件，获得文件“l4.stl”、“l5.stl”、“s.stl”、“i.stl”、“discx.stl”、“nervex.stl”。

步骤4，磁共振成像图像三维模型建立

步骤41，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以分别导入常规序列与优选序列扫描数据(dicom3.0格式数据，建立并存储对应序列名称磁共振图像项目，获得下列5个项目。“t1-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-fs-sag序列.mcs”、“t2-tse-tra-msma序列.mcs”、“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”

步骤42，建立初步二维蒙版

此步骤的ct值不同于步骤32中的ct值。此步骤的ct值指的是由mri扫描数据像素的灰度值通过公式：hu＝pixel*slope+intercept转化为hu值。不同序列中因为mri成像的扫描原理和扫描参数不同，同一组织的灰度值可能相同或不同。

根据具有丰富临床影像诊断经验的影像科医生的经验与相关文献报道，反复对比。确定本发明中t2-me3d-we-cor-iso序列中的各软组织的ct值。

于上述步骤42的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为80hu-180hu)使蒙版颜色在横断面、矢状面、冠状面上完整涂布腰骶神经、椎间盘、黄韧带、关节囊，获得“mask1”。

使用“cropmask”工具保留第四腰椎至第五腰椎的二维蒙版。使用“duplicatemask”功能复制“mask1”获得“mask2”、“mask3”。

步骤43，三维模型的分割与建立

此步骤的操作是以“t2-me3d-we-cor-iso序列”作为建模数据基础，由于腰椎mri检查常规序列的诊断意义明确，因此常规序列影像可以则作为前者三维模型优化数据基础。以下的操作步骤中会同时在五个序列中对三维模型进行质量控制。通过实验对比发现，三维模型在常规序列中的质量控制顺序为t1-tse-sag序列、t2-tse-sag序列、t2-tse-fs-sag序列、t2-tse-tra-msma序列时获得的三维模型在表面结构、空间毗邻关系上有最佳的效果。这样的顺序同时符合临床医生在阅读mri二维图像的逻辑习惯。

步骤431，腰椎间盘三维模型建立

于上述步骤42的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中选中“mask1”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“mask1”重命名“disc”。

通过“calculate3d”工具将“disc”转换为三维模型“disc-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“disc-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d”重命名为“disc-me3d-t1”。

将“disc-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1”重命名为“disc-me3d-t1-t2”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上，将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“disc-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤432，硬膜囊及神经根三维模型分割

于上述步骤431的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“disc-done”的二维蒙版“maskdisc-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask2”减去“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“nerve”。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留硬膜囊以及神经根，擦去腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“nerve”重命名“nerve-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“nerve-me3d”转换为三维模型“nerve-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“nerve-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d”重命名为“nerve-me3d-t1”。

将“nerve-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1”重命名为“nerve-me3d-t1-t2”。

同上，将“nerve-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上，将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上，将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“nerve-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤433，黄韧带、小关节囊三维模型的分割

于上述步骤432的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“nerve-done”的二维蒙版“masknerve-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔加运算，将“masknerve-done”加上“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“maskdisc&nervedone”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask3”减去“mask“maskdisc&nervedone”获得二维蒙版，重命名为“lf”(ligamentaflava)。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留黄韧带、小关节囊，擦去硬膜囊以及神经根、腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、等其他组织，将“lf”重命名“lf-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“lf-me3d”转换为三维模型“lf-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“lf-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d”重命名为“lf-me3d-t1”。

将“lf-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧、小关节囊带轮廓。将“lf-me3d-t1”重命名为“lf-me3d-t1-t2”。

同上，将“lf-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上，将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上，将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“lf-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤44，三维模型导出

通过“export”将项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中优化后的三维模型“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”导出，获得slt格式文件“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤5，三维模型配准融合

步骤51，配准原理

通过简单配准和全局计算配准两个步骤完成。简单配准根据腰椎解剖结构，将mri三维模型平移和旋转至大致解剖空间位置；在实验过程中发现直接对椎间盘的上下表面因为可能因上下终板影响，导致配准结果不如使用黄韧带和关节囊软组织作为配准面的结果。通过对比多次的配准结果，本发明提出以黄韧带的局部特征面作为配准特征面。由于全局计算配准根据目标椎间盘上位椎板中部至下缘的骨皮质结构大多数情况下有连续完整、少发生退行性改变的特点，故以此接触面作为配准面在解剖学上是合理的。本发明的方法是提取磁共振影像数据中上位椎板中部至下缘紧密覆盖的黄韧带作为配准面与ct的椎体椎板至下关节突骨皮质表面配准，同时所有mri三维模型坐标随配准面转换，以达到mri三维模型与计ct三维模型配准的目的。

步骤52，数据导入

使用软件“3-matic”建立“registration.mxp”，使用“importpart”功能导入“l4.stl”、“l5.stl”、“s.stl”、“i.stl”、“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤53，三维模型配准

步骤531，简单配准

通过“interactivetranslate”工具将“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”平移至计算机断层扫描成像三维模型的解剖位置；通过“interactiverotate”工具将“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”选装至计算机断层扫描成像三维模型“l4”、“l5”、“s”、“i”的对应解剖位置。重复平移操作与旋转操作使得简单配准尽可能准确，以减少后续计算误差与计算时间。

步骤532，全局计算配准

待配准模型的数据特征决定了，全局计算配准的准确度与计算时间。本发明的待配准模型为stl模型，stl文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。三角形面片的大小、数量、形状将直接影响配准的结果准确与否。待配准模型的表面特征越相似，配准的精度就越高。由于ct数据与mri数据两者在空间分辨率上的差异，导致经阈值分割建立的stl三维模型的三角形面片存在差异。因此应通过实验比较，在配准前确定网格重划分的三角形面片质量测量方法为smallestangle(n)，maximumgeometricalerror值为0.5000，minimumtriangleedgelength值为0.0000，maximumtriangleedgelength值为0.5000，迭代次数为20次时，有良好的配准结果。

步骤5321，网格重划分

通过“adaptiveremesh”工具对三维模型“l4”、“l5”、“lf-done”进行网格重划分。(“shapemeasure”＝smallestangle(n)；“minimumtriangleedgelength”＝0.0000“maximumtriangleedgelength”＝0.5000；“numberofiterations”＝20)，获得““l4_remesh”、“l5_remesh”、“lf-done_remesh”。

步骤5322，黄韧带特征面提取

通过“wavebrushmark”工具“lf-done_remesh”的黄韧带对应上位椎板中部至下缘的表面涂布标记，使用“separate”功能分离出标记面“surface-01”，并重命名“if-surface-01”。

步骤5323，全局配准

通过比较“distancethresholdmethod”的两种方法“automatic”和“manual”。发现自动配准即“automatic”的配准结果与实际解剖位置相差较多。在手动配准即“manual”的参数中通过尝试不同的“distancethreshold”的参数后获得良好的配准结果。

通过“globalregistration”工具，以“if-surface-01”与第四腰椎椎体“l4”进行全局配准。其中“distancethreshold”根据每次待配准的点差值20次迭代计算结果，在不小于logger窗口反馈的点差值的前提下，依次从3.0000、2.0000、1.0000、0.5000、0.3000、0.2000、0.1800、0.1500、0.1200、0.1000、0.0900、0.0800、0.0700、0.0600、0.0500、0.0400、0.0200、0.0100、0.0050重复调整参数直至点差值最小；“movingalongentities”选择“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”。

步骤5324，配准验证

将配准后的“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”以stl格式导出并重名，获得“disc-r.stl”、“nerve-r.stl”、“lf-r.stl”。

将上述stl文件导入项目“ct.mcs”中，查看配准后的三维模型轮廓线在矢状面、冠状面、横断面上的配准结果。

步骤6，根据虚拟仿真的三维模型进行手术入路模拟

导入通过逆向工程建立的三维手术器械模型(微创手术工作通道、髓核钳、安全骨钻)于含有配准模型的3-matic软件中。通过逆向工程建立的椎间孔镜关键器械三维模型，调整手术器械至合理的方向，保存为该器械的位置。获得模拟手术入路工作通道三维模型stl文件。再将带有坐标信息的模型文件导入至计算机断层扫描数据的mimics19.0工作窗口。根据ct中的影像，由主刀医生进行优选，用以辅助手术穿刺路径的决策。

实施例二

将“第三腰椎/第四腰椎腰椎间盘突出症合并第三腰椎下终板椎体后缘离断”的ct与mri两套二维影像构建三维模型后配准融合成一个三维模型并为经皮椎间孔镜椎间盘切除术设计术入路、3d打印实物模型以及进行术前术后结果对比分析。

本实施例中，经本方法配准构建的腰椎间盘三维模型与分别基于磁共振成像腰椎常规检查序列(t1wi序列、t2wi序列、t2fs序列)数据建立的腰椎间盘模型相比，空间分辨率高、空间位置准确、轮廓清晰光滑、毗邻关系清楚的优点。

参见图2-1至图2-25所示，本发明实施例一种配准融合ct和mri信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法，包括如下步骤：

步骤1，采集计算机断层扫描图像

根据需求采用仰卧位对第一腰椎至第一骶椎进行螺旋薄层扫描。建立病人dicom3.0(digitalimagingandcommunicationsinmedicine)标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘，如下表2-1所示。

表2-1

步骤2，采集磁共振成像图像采集

此步骤中的体位应与步骤1中对应相同。进行常规腰椎检查序列(定位像序列、t1-tse-sag序列、t2-tse-sag序列、t2-tse-fs-sag序列、t2-tse-tra-msma序列)、优选序列(t2-me3d-we-cor-iso序列)扫描。进行t2-tse-tra-msma序列扫描时，在椎体间高度允许的条件下保证有5个断层以上的扫描成像。进行t2-me3d-we-cor-iso序列扫描时，尽量使得目标椎体节段落于成像中心，以获得较为完整的椎间盘、黄韧带、小关节突、椎体、椎板的图像。建立病人dicom3.0(标准数据并拷贝存储在cd或dvd盘，如下表2-2至2-6所示。

表2-2

表2-3

表2-4

表2-5

表2-6

步骤3，建立计算机断层扫描图像三维模型

使用医学影像处理软件mimics19.0导入步骤1数据建立腰椎、骶椎、髂嵴三维模型。

步骤31，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以导入步骤(1)的计算机断层扫描获得的数dicom3.0格式据，建立并保存计算机断层扫描建模项目，获得项目“ct.mcs”。

步骤32，建立三维模型二维蒙版

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人骨组织ct值，获得含有第一腰椎至第五腰椎、骶椎、髂骨的二维蒙版“mask1”。

通过“splitmask”工具，将“mask1”分割成第一腰椎、第二腰椎、第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨分割成独立的二维蒙版。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“mask1”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第一腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“mask1”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第一腰椎影像)、“regionb”(含第二腰椎至第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l1”、“l2+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“l2+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第二腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“l2+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第二腰椎影像)、“regionb”(含第三腰椎至第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l2”、“l3+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“l3+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第三腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“l3+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第三腰椎影像)、“regionb”(含第四腰椎、第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l3”、“l4+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“l4+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第四腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“l4+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第四腰椎影像)、“regionb”(含第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l4”、“l5+”。

步骤33，腰椎二维蒙版优化

上述步骤获得了第一腰椎、第二腰椎、第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨的蒙版。因为自动化划分二维蒙版操作使得在细小边界的分割上较为粗糙，例如上下相邻椎体的关节突关节，钙化软组织以及椎体退行性改变等导致分离边界不清，而上述的组织在后续的手术模拟应用及其重要，所以需要手动优化二维蒙版。

选择骨窗窗位后使用蒙版编辑工具“editmasks”对上述步骤二维蒙版进行正确的像素修补。适当使用“multiplesliceedit”、“regiongrowing”、“cropmask”等工具辅助优化操作。

步骤34，二维蒙版转换三维模型

通过“calculate3d”工具对上述步骤的二维蒙版运算生成三维模型，并对其重命名。获得腰椎、骶椎、髂骨三维模型并分别命名“l3”、“l4”、“l5+”。

步骤35，三维模型的优化

在二维蒙版计算转换为三维模型时可能产生误差，为了获得精准的模型需要人为进行必要检查优化。

使用“contourediting”工具分别对每个三维模型在横断面、矢状面、冠状面调整三维模型的轮廓线，使其贴合实际图像。

步骤36，优化后三维模型导出

通过“export”将优化后的三维模型导出式的三维模型文件，获得文件“l3.stl”、“l4.stl”、“l5+.stl”、“。

步骤4，建立磁共振成像图像三维模型

由于常规腰椎检查序列t1-tse-sag序列、t2-tse-sag序列、t2-tse-fs-sag序列、t2-tse-tra-msma序列通过断层单帧影像诊断腰椎间盘、腰椎椎体、脊髓的生理病理情况和毗邻关系。虽然判断腰椎间盘压迫神经与否具有明确的指征，但是由于其为断层图像，对于神经根的走形、椎间盘的完整形态表现能力差。本实施例的下述步骤将基于常规序列分别建立腰椎间盘三维模型，同时基于本发明的方法建立腰椎间盘、黄韧带、硬膜囊与神经根的三维模型。比较两种方法所建立的腰椎间盘三维模型，说明本发明的优势。

步骤41，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以分别导入常规序列与优选序列扫描数据(dicom3.0格式数据，建立并存储对应序列名称磁共振图像项目，获得下列5个项目。“t1-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-sag序列.mcs”、“t2-tse-fs-sag序列.mcs”、“t2-tse-tra-msma序列.mcs”、“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”。

步骤42，建立初步二维蒙版

步骤421，基于本研究建立初步二维蒙版

此步骤的ct值不同于步骤32中的ct值。此步骤的ct值指的是由mri扫描数据像素的灰度值通过公式：hu＝pixel*slope+intercept转化为hu值。不同序列中因为mri成像的扫描原理和扫描参数不同，同一组织的灰度值可能相同或不同。

根据具有丰富临床影像诊断经验的影像科医生的经验与相关文献报道，反复对比。确定本发明中t2-me3d-we-cor-iso序列中的软组织的ct值。腰椎mri检查的常规序列的腰椎间盘二维蒙版同样根据具有丰富临床影像诊断经验的影像科医生的经验与相关文献报道进行阈值划分割。

于上述步骤41的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为80hu-180hu)使蒙版颜色在横断面、矢状面、冠状面上完整涂布腰骶神经、椎间盘、黄韧带、关节囊，获得“mask1”。使用“cropmask”工具保留第三腰椎至第四腰椎范围内的二维蒙版。使用“duplicatemask”功能复制“mask1”获得“mask2”、“mask3”。

步骤421，基于常规序列独立建立初步二维蒙版

于上述步骤,41的项目“t1-tse-sag序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为95hu-185hu)使蒙版颜色在矢状面上完整涂布椎间盘“maskx1”。使用“cropmask”工具保留第三腰椎至第四腰椎范围内的二维蒙版。

于上述步骤41的项目“t2-tse-sag序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为5hu-52hu)使蒙版颜色在矢状面上完整涂布椎间盘“maskx2”。使用“cropmask”工具保留第三腰椎至第四腰椎范围内的二维蒙版。

于上述步骤41的项目“t2-tse-fs-sag序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为14hu-151hu)使蒙版颜色在矢状面上完整涂布椎间盘“maskx3”。使用“cropmask”工具保留第三腰椎至第四腰椎范围内的二维蒙版。

于上述步骤41的项目“t2-tse-tra-msma序列.mcs”中使用“predefinedthresholdssets”工具，调整适当的ct值(约为15hu-73hu)使蒙版颜色在矢状面上完整涂布椎间盘“maskx4”。使用“cropmask”工具保留第三腰椎至第四腰椎范围内的二维蒙版。

步骤43，三维模型的分割与建立

步骤431，腰椎间盘三维模型建立

步骤4311，基于本研究建立腰椎间盘三维模型

此步骤的操作是以“t2-me3d-we-cor-iso序列”作为建模数据基础，常规序列影像则作为前者三维模型优化数据基础。以下的操作步骤中会同时在五个序列中对三维模型进行图像质量控制。

于上述步骤421的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中选中“mask1”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“mask1”重命名“disc”。

通过“calculate3d”工具将“disc”转换为三维模型“disc-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“disc-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d”重命名为“disc-me3d-t1”。

将“disc-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1”重命名为“disc-me3d-t1-t2”。

同上,将“disc-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上,将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上,将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中腰椎间盘的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“disc-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正腰椎间盘轮廓。将“disc-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“disc-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤4312，基于常规序列独立建立腰椎间盘三维模型

于上述步骤422的项目“t1-tse-sag序列.mcs”中选中“maskx1”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“maskx1”重命名“discx1”。通过“calculate3d”工具将“discx1”转换为三维模型“disc-x1”。

于上述步骤422的项目“t2-tse-sag序列.mcs”中选中“maskx1”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“maskx2”重命名“discx12。通过“calculate3d”工具将“discx2”转换为三维模型“disc-x2”。

于上述步骤422的项目“t2-tse-fs-sag序列.mcs”中选中“maskx3”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“maskx3”重命名“discx3”。通过“calculate3d”工具将“discx3”转换为三维模型“disc-x3”。

于上述步骤422的项目“t2-tse-tra-msma序列.mcs”中选中“maskx4”在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留腰间盘组织，擦去肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“maskx4”重命名“discx4”。通过“calculate3d”工具将“discx4”转换为三维模型“disc-x4”。

步骤432，硬膜囊及神经根三维模型分割

于上述步骤431的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“disc-done”的二维蒙版“maskdisc-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask2”减去“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“nerve”。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留硬膜囊以及神经根，擦去腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、黄韧带、小关节囊等其他组织,将“nerve”重命名“nerve-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“nerve-me3d”转换为三维模型“nerve-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“nerve-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d”重命名为“nerve-me3d-t1”。

将“nerve-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1”重命名为“nerve-me3d-t1-t2”。

同上,将“nerve-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上,将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上,将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中硬膜囊、神经根的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“nerve-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正硬膜囊、神经根轮廓。将“nerve-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“nerve-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤433，黄韧带、小关节囊三维模型的分割

于上述步骤432的项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中，使用“calculatemaskfromobject”工具，计算出三维模型“nerve-done”的二维蒙版“masknerve-done”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔加运算，将“masknerve-done”加上“maskdisc-done”获得二维蒙版，重命名为“maskdisc&nervedone”。

通过“booleanoperation”工具中的布尔减运算，将“mask3”减去“mask“maskdisc&nervedone”获得二维蒙版，重命名为“lf”(ligamentaflava)。

在“togglemaskpreview”功能窗口下使用“editmasks”工具中的“lasso”选中类型在3d窗口保留黄韧带、小关节囊，擦去硬膜囊以及神经根、腰椎间盘、肌肉、腰骶神经、等其他组织,将“lf”重命名“lf-me3d”。

通过“calculate3d”工具将“lf-me3d”转换为三维模型“lf-me3d”。

通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d”进行模型优化，提高模型轮廓准确度。在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓。

使用系统自带的剪切板功能将“lf-me3d”复制至“t1-tse-sag序列.mcs”项目中。以t1-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d”重命名为“lf-me3d-t1”。

将“lf-me3d-t1”复制至“t2-tse-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧、小关节囊带轮廓。将“lf-me3d-t1”重命名为“lf-me3d-t1-t2”。

同上,将“lf-me3d-t1-t2”复制至“t2-tse-fs-sag序列.mcs”项目中。以t2-tse-fs-sag序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2”进行模型优化，在矢状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs”。

同上,将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”复制至“t2-tse-tra-msma序列.mcs”项目中。以t2-tse-tra-msma序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs”重命名为“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”。

同上,将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”复制至“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”项目中。再次以t2-me3d-we-cor-iso序列中黄韧带的影像边界作为参考，通过“contourediting”工具对三维模型“lf-me3d-t1-t2-t2fs”进行模型优化，在横断面、矢状面、冠状面上调整三维模型的轮廓线贴合实际影像轮廓，纠正黄韧带、小关节囊轮廓。将“lf-me3d-t1-t2-t2fs-tra”重命名为“lf-done”。

适当重复本步骤，可提高三维模型的准确度。

步骤44，三维模型导出

通过“export”将项目“t2-me3d-we-cor-iso序列.mcs”中优化后的三维模型“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”导出，获得slt格式文件“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤5，配准融合三维模型

配准原理：通过简单配准和全局计算配准两个步骤完成。简单配准根据腰椎解剖结构，将mri三维模型平移和旋转至大致解剖空间位置；在实验过程中发现直接对椎间盘的上下表面因为可能因上下终板影响，导致配准结果不如使用黄韧带和关节囊软组织作为配准面的结果。通过对比多次的配准结果，本发明提出以黄韧带的局部特征面作为配准特征面。由于全局计算配准根据目标椎间盘上位椎板中部至下缘的骨皮质结构大多数情况下有连续完整、少发生退行性改变的特点，故因此此以此接触面作为配准面在解剖学上是合理的。本发明的方法是提取磁共振影像数据中上位椎板中部至下缘紧密覆盖的黄韧带作为配准面与计算机断层扫描成像ct的椎体椎板至下关节突骨皮质表面配准，同时所有磁共振mri三维模型坐标随配准面转换，以达到磁共振成像mri三维模型与计算机断层扫描成像ct三维模型配准的目的。

步骤51，数据导入

使用软件“3-matic”建立“registration.mxp”，使用“importpart”功能导入“l3.stl”、“l4.stl”、“l5+.stl”、“disc-done.stl”、“nerve-done.stl”、“lf-done.stl”。

步骤52，三维模型配准

步骤521，简单配准

通过比较“distancethresholdmethod”的两种方法“automatic”和“manual”。发现自动配准即“automatic”的配准结果与实际解剖位置相差较多。在手动配准即“manual”的参数中通过尝试不同的“distancethreshold”的参数后获得良好的配准结果。

通过“globalregistration”工具，以“if-surface-01”与第四腰椎椎体“l4”进行全局配准。其中“distancethreshold”根据每次待配准的点差值20次迭代计算结果，在不小于logger窗口反馈的点差值的前提下，依次从3.0000、2.0000、1.0000、0.5000、0.3000、0.2000、0.1800、0.1500、0.1200、0.1000、0.0900、0.0800、0.0700、0.0600、0.0500、0.0400、0.0200、0.0100、0.00505、0.00到0.0050重复调整参数直至点差值最小；“movingalongentities”选择“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”。

步骤522，全局计算配准

步骤5221，网格重划分

通过“adaptiveremesh”工具对三维模型“l3”、“l4”、“l5”、“lf-done”进行网格重划分。(“maximumtriangleedgelength”＝0.5000；“numberofiterations”＝20)，获得“l3_remesh”、“l4_remesh”、“l5+_remesh”、“lf-done_remesh”。

步骤5222，黄韧带特征面提取

通过“wavebrushmark”工具“lf-done_remesh”的黄韧带对应上位椎板中部至下缘的表面涂布标记，使用“separate”功能分离出标记面“surface-01”，并重命名“if-surface-01”。

步骤5223，全局配准

通过“globalregistration”工具，以“if-surface-01”与对应椎体“lx”进行全局配准。其中“distancethreshold”根据每次待配准的点差值20次迭代计算结果，在不小于点差值的前提下，依次从3.0000、2.0000、1.0000、0.5000、0.3000、0.2000、0.1800、0.1500、0.1200、0.1000、0.0900、0.0800、0.0700、0.0600、0.0500、0.0400、0.0200、0.0100、0.00550到0.0050重复调整参数直至点差值最小；“movingalongentities”选择“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”。

步骤5224，配准验证

将配准后的“disc-done”、“nerve-done”、“lf-done”以stl格式导出并重名，获得“disc-r.stl”、“nerve-r.stl”、“lf-r.stl”。

将上述stl文件导入项目“ct.mcs”中，查看配准后的三维模型轮廓线在矢状面、冠状面、横断面上的配准结果。

步骤6，根据虚拟仿真的三维模型进行手术入路

导入通过逆向工程建立的三维手术器械模型(微创手术工作通道、髓核钳、安全骨钻)于含有配准模型的3-matic软件中。通过逆向工程建立的椎间孔镜关键器械三维模型，调整手术器械至合理的方向，保存为该器械的位置。获得模拟手术入路工作通道三维模型stl文件。再将带有坐标信息的模型文件导入至计算机断层扫描数据的mimics19.0工作窗口。根据ct中的影像，由主刀医生进行优选。以辅助手术穿刺路径的决策。

步骤7，3d打印

将上述stl文件进行局部剖切获得最佳的实物观察视角，并按3d打印文件格式要求对模型进行修复，最终输入3d打印机进行3d打印。通过本发明的方法3d打印的模型因此可以分别用不用颜色将腰椎椎体、腰椎间盘组织、硬膜囊和神经根、黄韧带选择性打印，获得的腰椎骨组织与软组织三维模型并存的三维模型。相比较现有单纯的腰椎椎体骨组织椎体模型有了更大的解剖学应用意义。

步骤8，术前术后分析

步骤81，导入数据

通过“newprojectwizard”工具，以导入步骤(1)的计算机断层扫描获得的数dicom3.0格式据，建立并保存计算机断层扫描建模项目，获得项目“ct.mcs”。

步骤82，建立三维模型二维蒙版

通过“mask”工具，以阈值选取的方法选中成人骨组织ct值，获得含有第四腰椎至、第五腰椎、骶椎、髂骨的二维蒙版“mask1”。

通过“splitmask”工具，将“mask1”分割第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨分割成独立的二维蒙版。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“mask1”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第四腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“mask1”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第四腰椎影像)、“regionb”(含第五腰椎、骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l4”、“l5+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“l5+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将第五腰椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“l5+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含第五腰椎影像)、“regionb”(骶骨、髂骨影像)，分别重名命新二维蒙版为“l5”、“s+”。

在“splitmask”工具界面中对二维蒙版“s+”以“regiona”在横断面、矢状面、冠状面的影像中将骶椎部分涂布为蓝色，以“regionb”在横断面、矢状面、冠状面的其余“s+”影像部分涂布为粉色。获得新二维蒙版“regiona”(含骶骨影像)、“regionb”(含髂骨影像)，分别重名命二维蒙版为“s”、“i”。

步骤82，腰椎二维蒙版优化

上述步骤获得了第四腰椎、第五腰椎、骶椎、髂骨的蒙版。

选择骨窗窗位后使用蒙版编辑工具“editmasks”对上述步骤二维蒙版进行正确的像素修补。适当使用“multiplesliceedit”、“regiongrowing”、“cropmask”等工具辅助优化操作。

步骤83，二维蒙版转换三维模型

通过“calculate3d”工具对上述步骤的二维蒙版运算生成三维模型，并对其重命名。获得腰椎、骶椎、髂骨三维模型并分别命名“l4”、“l5”、“s”、“i”。

步骤84，三维模型的优化

在二维蒙版计算转换为三维模型时可能产生误差，为了获得精准的模型需要人为进行必要检查优化。

使用“contourediting”工具分别对每个三维模型在横断面、矢状面、冠状面调整三维模型的轮廓线，使其贴合实际图像。

步骤85，优化后三维模型导出

通过“export”将优化后的三维模型导出式的三维模型文件，获得文件“l4p.stl”、“l5p.stl”、“sp.stl”、“ip.stl”。

步骤86，3d打印

将步骤86中的stl文件进行局部剖切，获得最佳的实物观察视角并输入3d打印机进行3d打印，获得腰椎术后3d打印实物模型。可用于与术前模型进行分析，验证手术入路，回顾手术决策优良。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。