一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用计算机辅助建模领域，尤其涉及人体解剖结构、植入物数字建模及其快速成型方法。
【背景技术】
[0002]目前3D打印技术工业革命方兴未艾，但该技术在临床的应用仍然处于实验室阶段，制约该技术的临床应用主要原因有三:1.精度，临床对精度的要求较高，比如肿瘤的体积、位置等信息，如果偏差较大，可能会导致术中切错组织，2.成型速度，临床术前准备时间有限，延长一天都会给患者带来经济负担，而3D打印技术目前比较耗时，在新的技术突破前，这种现状将维持很长时间，3.成本，目前3D打印的物品成本较高，患者往往无法接受过高的价格，故而没办法产生利润。4.生物墨水研发推广困难，成本较高。故而为改变现状，使3D打印技术在临床的应用得到更好的推广，需要从精度、成型速度、成本、并绕过生物细胞打印技术的瓶颈四个方面下功夫。另外，目前感染的关节置换翻修临时骨水泥假体大多是医生手工制作，其形状不够准确，可能带来一些并发症，可以通过3D打印技术来弥补诸如此类问题的缺陷。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高模型建立精度、成型速度，减少成本的人体解剖结构模型、植入物快速成型方法。
[0004]为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
[0005]—种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，包括以下步骤:
[0006]第一步数据采集、图像分割:利用医疗成像系统CT、MR、三维扫描仪、摄像摄影设备对目标解剖结构进行扫描、摄影获取图像，并输出图像文件或者点云文件；图像文件导入到图像分割软件，分离出目标解剖结构的像素集(蒙板)或轮廓，在图像分割软件中对分离的蒙板，输出点云文件或能够在逆向工程软件中体现为点云的文件，或者对蒙板计算模型但不做光顺减噪，输出三维模型的文件，而对于功能较强大的图像分割软件，可计算三维模型后，再核对模型轮廓线与图像的偏差，通过修改轮廓线的方式，修正模型再输出模型；如果时间有限对模型精度要求较低，或对图像分割软件计算三维模型产生的偏差有足够的了解，蒙板质量满意，可直接计算三维模型输出进入第五步。
[0007]第二步逆向工程处理，利用带有偏差分析功能的逆向或正逆向工程软件对上述数据格式的文件进行去噪、光顺、补洞等各种处理；如第一步输出的蒙板点云或模型较为满意，使用偏差分析功能了解逆向生成的模型与原点云或模型的偏差，依据偏差分析结果修正模型，在模型的光滑程度、解剖结构的真实程度、偏差达到预定要求后，生成CAD曲面模型或实体模型输出到第五步；如输出的蒙板较为粗糙，图像分割软件处理较繁琐的，在逆向工程软件中通过手工去除多余的组织，通过去噪、光顺、补洞等各种处理，生成较为接近目标结构的模型。
[0008]第三步模型与图像的核对验证，第二步生成的模型，生成模型文件回输至图像分割软件，对比模型轮廓与目标解剖结构图像的差异，并通过调整轮廓线、增加删除蒙板像素点等处理，对蒙板或模型进行修正，输出蒙板点云或模型文件。
[0009]第四步逆向工程中模型修正输出、模型质量分级，将修改后的蒙板点云或模型导入逆向工程软件中，通过去噪、光顺、补洞等各种处理，模型光滑、偏差分析达到要求后，得到修正后的模型，在模型的光滑程度、解剖结构的真实程度、偏差达到预定要求后，生成CAD曲面模型或实体模型输出到第五步，三、四步骤可依据模型质量反复进行多次，取得最佳的模型。第一、第二、第四步输出的模型最终质量予可以分级，进行标注。
[0010]第五步模型的进一步处理，第一步、第二步或第四步输出的模型导入CAD或快速成型制造软件中:一)对实体解剖结构或按实体解剖结构处理的，实质器官以及植入物，通过抽壳、面加厚、面偏置、补面、布尔运算等处理，生成空心薄壁模型，壁的厚度由要求与3D打印机精度来决定，如使用SLA打印技术，使用较好的材料，推荐0.8-1.2mm，前面步骤建立的经过偏差分析的模型表面不做修改或编辑，它构成薄壁模型的内表面或外表面；二)对腔体解剖结构或按腔体结构处理的，建立其内外表面的蒙板或模型，然后通过布尔运算的到该结构的蒙板或模型，如仅需要外表面，则可完全当作实质器官处理；三)对于血管、气管、淋巴管、胆管、神经等空心分枝样结构的模型，管径小于一定程度建立实体模型，管径大的主干依据需求予以空心化；四)对于内部带有分枝样结构的复合解剖结构的管腔化模型，生成实体解剖结构；对位于实体内的分枝系统，通过布尔运算，得到实体去内部除血管的形成内部管腔的模型和位于实体外的分枝系统。内部多套分枝结构，需要检查分支结构模型是否相交，布尔运算后在管腔相通的位置增加壁予以隔断；五)对于内部带有分支样结构的复合解剖结构的框架化模型，建立模型后，外部的壳按实体解剖结构进行薄壁空心化，并使实质结构的壁有足够厚度与分枝结构有相连或设计接口与分枝结构末端相连，需要进行对解剖结构分叶分段的，建立叶间隔、室间隔、骨筋膜室壁、大脑镰、小脑幕等实际组织间隔或肝分叶段等人为划分间隔的模型与分枝结构共同构成内部框架。对于不打印外壁使用覆盖软材料进行代替的，为保证覆盖材料的外形正确，在实质结构的上适当切割取材或使用软件功能对实体进行完全框架化，与内部框架组合建立模型；六)对于多层次结构模型，比如透明皮肤内有骨骼模型，脑白质灰质模型，则依据需要进行布尔运算，对其中某一层次设置为空腔，生成带空腔的模型，其它层次可依据需要按实体解剖结构的方法进行抽壳等处理，生成空腔薄壁模型，前面步骤建立的高精度模型表面不做影响精度的修改或编辑，确保其精度；对于演示层次较多的，按照由内向外，或由外向内的顺序进行排序，结构本身的腔隙层次纳入排序；对于连续层次均为实体层次的:选择以外部的实体层次建立的模型为主体，内部的实体层次、部分通过布尔运算在外部模型中形成该层次、部分的空腔，外部层次进行或不进行薄壁空心化，空腔化的实体层次、部分的选择原则是体积较大、需要打印材料(包括支撑材料)多的予以空腔化，利用在多层次中走形的分支结构或在空腔中或空腔间设计支撑连接结构，避免空腔中的结构不能固定于外部结构中，如灰质白质，建立脑模型后内部去除白质模型，形成白质为空腔的模型。欲以覆盖软质材料模拟其外部结构，则选择以内层作为主体，如颅骨与皮肤，在打印的颅骨表面覆盖软材料模拟皮肤，则只需要颅骨模型并打印。如果需要对于多层次结构内部分枝样结构模拟，则将分枝结构分为在实质走形的部分和在腔体层次走形的部分，在实体走形的，将内部分枝结构通过布尔运算在实体内形成管腔结构，腔体化的层次中走形的分支结构设计能够与实体结构的层次中的分支结构对接的装配结构。如将较大的器官当作带分枝结构的多层次解剖结构处理的模型，则内含管径较小的分支段的实质予以建立内部管腔，而管径较大主干区域腔体化，腔体化区域的主干血管走形的分支结构予以打印并与实体结构的层次中的分支结构装配对接；模型可进一步在软件中进行一定比例的缩放。
[0011]第六步，装配模型生成，第五步的模型在快速成型辅助软件中对模型进行分析，选择支撑最少的分割方案，对模型进行切割，必要时在切割后的模型部分设计装配对接结构或标记；而为顺利注入或填充，或为适应消毒规范，利用隐蔽的位置或模型本身的结构，在模型上设置必要的注入孔或通气孔；最后所有的部件在快速成型辅助软件中添加支撑结构生成打印文件。
[0012]第七步3D打印，对各部件使用3D打印机进行打印，依据具体需求确定打印方式、材料，高精度推荐使用SLA打印机。打印材料方法优先选择打印精度高的方法，各部分、层次可选用不同的材料进行打印。
[0013]第八步，装配以及后续填充、注入、覆盖软质材料，对打印出模型进行去除支撑等处理后，将模型进行装配粘合，多层次模型的组装遵循由里向外的原则；多层次模型在第5步中设置为空腔的层次通过在部件中充