一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法与流程

本发明涉及医学工程领域，特别是涉及一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法。

背景技术：

据报道，我国是世界上康复矫形器需要人数最多、市场潜力最大的国家。但是目前传统康复矫形器制造方法需要经历取模、浇铸、倒模、填充、调整等步骤，复杂繁琐，费时费工，造成了材料浪费，质控也无法保证。

而3d打印技术作为第三次工业革命的标志技术，由于其具有个性化设计、可制造复杂结构、快速成型等优势，已经在医疗产业广泛应用。3d打印技术在康复矫形器领域的应用可很好弥补传统制造模式中的缺陷，近年来国家也出台了一系列政策文件，如《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《中国制造2025》等，明确了增材制造(即3d打印技术)在促进康复辅助器具设计创新、提高定制化水平等方面的重要作用。

在3d打印技术的促进康复辅助器具设计创新中，康复矫形器的模型设计是关键的一步，获取患侧肢体三维模型时尚存在一些困难，如患者肢体缺失，或者由于疾病无法呈现合适的扫描体位，如果能找到与其形态学类似的异体的肢体模型，即可通过异体数据匹配解决上述问题。

因此针对现有技术不足，提供一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法以解决现有技术不足甚为必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法。该基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法具有精确率高和流程简单的优点。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法,包括步骤有：

步骤一，分别采集多个对像左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数和左右两侧的人体下肢mri影像数据；

步骤二、将步骤一得到的多个对像的人体下肢mri影像数据分别进行重构，得到下肢轮廓模型；

步骤三、对步骤二得到的下肢表面轮廓模型进行初步分割，得到下肢分割三维模型；

步骤四、对步骤三得到的下肢分割三维模型进行优化处理，得到下肢三维模型；

步骤五、将步骤一得到的多个对像的左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数进行筛选操作，得到下肢三维匹配模型组；

步骤六、根据步骤五得到的下肢三维匹配模型组，查找同一对像根据步骤四得到的下肢三维模型且进行拟合对齐，得到下肢三维拟合模型；

步骤七，将步骤六得到的下肢三维拟合模型进行3d偏差分析，得到3d偏差分析结果。

优选的，上述步骤一的人体下肢mri影像数据的采集，具体为使用3.0tmri扫描仪扫描并保存为dicom格式的人体下肢mri影像数据。

所述人体下肢体表形态学指标参数为对像的身高值、体重值、小腿长度、小腿最大周径、小腿最小周径、踝跟周径、内外踝周径、足长度和足宽度。

优选的，上述步骤二具体为，将步骤一得到的人体下肢mri影像数据导入mimics医学建模软件，使用segment模块并选择thresholding功能且调节阈值，得到完整下肢表面皮肤轮廓的下肢轮廓模型。

优选的，上述阈值包括有最低阈值和最高阈值。

优选的，上述最低阈值为25～45。

优选的，上述最高阈值为240～300。

优选的，上述步骤三具体为，将步骤二得到的下肢轮廓模型继续在mimics医学建模软件中处理，选择cropmask模块对下肢轮廓模型在冠状面处进行分割，然后使用editmask模块进行修补，最后利用3dcalculate模块计算并导出stl格式的下肢分割三维模型。

优选的，上述步骤四具体为，

步骤4.1、将步骤三得到的下肢分割三维模型导入geomagicstudio逆向工程软件；

步骤4.2、选择多边形模块对下肢分割三维模型的表面轮廓进行全选和反转选区，然后删除与表面轮廓不相连的部分，再进行视图剪切验证；

步骤4.3、对下肢分割三维模型表面的局部粗糙或者破损的部分进行去除特征、删除和填充处理；

步骤4.4、对下肢分割三维模型进行删除钉状物，然后快速光顺处理；

步骤4.5、导出wrap格式的下肢三维模型。

优选的，上述步骤五具体为，将步骤一得到的多个对像的左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数导入excel软件中，利用宏运算功能并进行筛选操作，得到下肢三维匹配模型组。

优选的，上述筛选操作具体是，将多个对像右侧的人体下肢体表形态学指标参数分别进行两两比对，同时满足符合三个条件的两个右侧人体下肢体表形态学指标参数定义为一组下肢三维匹配模型；或者

所述筛选操作具体是，将多个对像左侧的人体下肢体表形态学指标参数分别进行两两比对，对同时满足符合三个条件的两个左侧人体下肢体表形态学指标参数定义为一组下肢三维匹配模型。

优选的，上述三个条件为小腿长差异小于等于3cm，小腿最大周径差异小于等于5cm和小腿最小周径差小于等于5cm。

优选的，上述步骤六具体为，

步骤6.1、根据步骤五得到的下肢三维匹配模型组，分别查找出同一对像同侧的人体下肢mri影像数据，并取得两个根据步骤四得到的下肢三维模型；

步骤6.2、将步骤6.1得到的两个下肢三维模型导入geomagicqualify逆向工程建模软件中，将其中一个下肢三维模型定义为参考对像，另一个定义为测试对像；

步骤6.3、选择对齐模块将两个下肢三维模型进行两次拟合对齐。

优选的，上述步骤6.3具体为，选择对齐模块将两个下肢三维模型，采样率设置为300进行第一次拟合，然后再对齐采样率设置为1500进行第二次拟合。

优选的，上述3d偏差分析包括最大正偏差、最大负偏差、平均偏差、平均负偏差和标准偏差。

优选的，上述3.0tmri扫描仪型号为philips-medical-systems-ingenia3.0tmri扫描仪；

优选的，上述3.0tmri扫描仪的设置参数为t1-mdixon-w扫描模式，层厚为2mm，层距为1mm，重建矩阵×512，单层图像分辨率为512×512pixel。

优选的，上述cropmask模块对下肢表面皮肤轮廓的冠状面进行分割的分割范围为上自腓骨头向下2cm至外踝。

本发明的一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法,包括7个步骤。该基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法具有三个优点。第一、对临床下肢康复支具的模型设计流程提供参考的方案。第二、通过三维图像配准技术精准显示异体之间的形态学偏差大小及分布位置，对临床上康复支具的制造过程提供指导意义。第三、进一步为未来实现智能化、个性化康复支具匹配的大数据库建设提供重要数据支持。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法流程示意图。

图2是右侧下肢轮廓模型的示意图。

图3是右侧下肢在mimics医学建模软件中使用cropmask模块对下肢轮廓模型在冠状面处进行分割的示意图。

图4是右侧下肢在mimics中使用editmask工具初步修补后二维冠状面的下肢分割三维模示意图。

图5是右侧下肢stl的文件导入到geomagicstudio中处理前的下肢分割三维模示意图。

图6是经过反转选区、删除、去除特征、填充孔、删除钉状物和光顺优化处理后的下肢三维模型示意图。

图7是经过对齐拟合处理后的下肢三维拟合模型示意图。

图8是下肢三维拟合模型的3d偏差分析结果示意图。

图9是下肢三维拟合模型的计算表面积结果示意图。

图10是下肢三维拟合模型的计算体积结果示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1。

一种基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法，如图1至10所示，包括步骤有：

步骤一，分别采集多个对像左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数和左右两侧的人体下肢mri影像数据；

步骤二、将步骤一得到的多个对像的人体下肢mri影像数据分别进行重构，得到下肢轮廓模型；

步骤三、对步骤二得到的下肢表面轮廓模型进行初步分割，得到下肢分割三维模型；

步骤四、对步骤三得到的下肢分割三维模型进行优化处理，得到下肢三维模型；

步骤五、将步骤一得到的多个对像的左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数进行筛选操作，得到下肢三维匹配模型组；

步骤六、根据步骤五得到的下肢三维匹配模型组，查找同一对像根据步骤四得到的下肢三维模型且进行拟合对齐，得到下肢三维拟合模型；

步骤七，将步骤六得到的下肢三维拟合模型进行3d偏差分析，得到3d偏差分析结果。

其中步骤一的人体下肢mri影像数据的采集，具体为使用3.0tmri扫描仪扫描并保存为dicom格式的人体下肢mri影像数据。

人体下肢体表形态学指标参数为对像的身高值、体重值、小腿长度、小腿最大周径、小腿最小周径、踝跟周径、内外踝周径、足长度和足宽度。

其中步骤二具体为，将步骤一得到的人体下肢mri影像数据导入mimics医学建模软件，使用segment模块并选择thresholding功能且调节阈值，得到完整下肢表面皮肤轮廓的下肢轮廓模型。

本发明的阈值包括有最低阈值和最高阈值。其中最低阈值为25～45；最高阈值为240～300。

其中步骤三具体为，将步骤二得到的下肢轮廓模型继续在mimics医学建模软件中处理，选择cropmask模块对下肢轮廓模型在冠状面处进行分割，然后使用editmask模块进行修补，最后利用3dcalculate模块计算并导出stl格式的下肢分割三维模型。

其中步骤四具体为，

步骤4.1、将步骤三得到的下肢分割三维模型导入geomagicstudio逆向工程软件；

步骤4.2、选择多边形模块对下肢分割三维模型的表面轮廓进行全选和反转选区，然后删除与表面轮廓不相连的部分，再进行视图剪切验证；

步骤4.3、对下肢分割三维模型表面的局部粗糙或者破损的部分进行去除特征、删除和填充处理；

步骤4.4、对下肢分割三维模型进行删除钉状物，然后快速光顺处理；

步骤4.5、导出wrap格式的下肢三维模型。

其中步骤五具体为，将步骤一得到的多个对像的左右两侧的人体下肢体表形态学指标参数导入excel软件中，利用宏运算功能并进行筛选操作，得到下肢三维匹配模型组。

其中筛选操作具体是，将多个对像右侧的人体下肢体表形态学指标参数分别进行两两比对，同时满足符合三个条件的两个右侧人体下肢体表形态学指标参数定义为一组下肢三维匹配模型；或者

所述筛选操作具体是，将多个对像左侧的人体下肢体表形态学指标参数分别进行两两比对，对同时满足符合三个条件的两个左侧人体下肢体表形态学指标参数定义为一组下肢三维匹配模型。

其中三个条件为小腿长差异小于等于3cm，小腿最大周径差异小于等于5cm和小腿最小周径差小于等于5cm。

需说明的是，本发明的小腿长差异、小腿最大周径差异和小腿最小周径差可分别为上述数值，也可以根据实际情况而设定，其他的设定情况根据实际情况而调节。例如，当在多个对像右侧的人体下肢体表形态学指标参数中，没有找同时符合三个条件的一组下肢三维匹配模型时，可以适当放宽小腿长差异、小腿最大周径差异和小腿最小周径差的数值，以便找到至少一组的下肢三维匹配模型。如果同时存在多组下肢三维匹配模型时，可任意选择一组继续进行步骤六的操作。

本发明的筛选操作分别对应右侧的人体下肢体表形态学指标参数和左侧的人体下肢体表形态学指标参数。本发明选用excel软件的宏运算功能，是因为计算机强大的计算功能，可取代低效的肉眼筛选，提高模型匹配速度，并能随时根据研究目的调整筛选条件，因此灵活性非常高。

其中步骤六具体为，

步骤6.1、根据步骤五得到的下肢三维匹配模型组，分别查找出同一对像同侧的人体下肢mri影像数据，并取得两个根据步骤四得到的下肢三维模型；

步骤6.2、将步骤6.1得到的两个下肢三维模型导入geomagicqualify逆向工程建模软件中，将其中一个下肢三维模型定义为参考对像，另一个定义为测试对像；

步骤6.3、选择对齐模块将两个下肢三维模型进行两次拟合对齐，得到下肢三维拟合模型。

其中步骤6.3具体为，选择对齐模块将两个下肢三维模型，采样率设置为300进行第一次拟合，然后再对齐采样率设置为1500进行第二次拟合。

本发明的3d偏差分析包括最大正偏差、最大负偏差、平均偏差、平均负偏差和标准偏差。

本发明的3.0tmri扫描仪型号为philips-medical-systems-ingenia3.0tmri扫描仪。

本发明的3.0tmri扫描仪的设置参数为t1-mdixon-w扫描模式，层厚为2mm，层距为1mm，重建矩阵×512，单层图像分辨率为512×512pixel。

本发明的cropmask模块对下肢表面皮肤轮廓的冠状面进行分割的分割范围为上自腓骨头向下2cm至外踝。

本发明的分割范围的选取是因为大多数足踝康复支具都涉及了这段区间的形态，因此选择这段区间可有效指导临床足踝康复支具的制造与分析。

本发明选用geomagicstudio逆向工程软件的型号为geomagic公司，因为该逆向工程软件能将点云数据转化为多边形网格，并具备强大的多边形处理能力。

本发明的人体下肢体表形态学指标参数的采集具体为，利用身高体重测量仪、卷尺和马丁尺等工具，测量多个对象的身高值、体重值、小腿长度、小腿最大周径、小腿最小周径、踝跟周径、内外踝周径、足长度和足宽度。

该基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法,包括7个步骤。该基于医学影像技术康复支具形态学模型的创建方法具有三个优点。第一、对临床下肢康复支具的模型设计流程提供参考的方案。第二、通过三维图像配准技术精准显示异体之间的形态学偏差大小及分布位置，对临床上康复支具的制造过程提供指导意义。第三、进一步为未来实现智能化、个性化康复支具匹配的大数据库建设提供重要数据支持。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。