一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法及辅助工具技术

本发明专利技术公开一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法及辅助工具，通过对辅助工具进行图像扫描、图像分割、模型重建获得内层组件模型；将重建的内层组件模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，计算出内层组件重建模型体积，内层组件重建模型体积除以原始内层组件体积得到整个技术流程造成的重建模型体积变化率；利用该重建模型体积变化率来校正重建骨骼数字模型的体积；可以准确了解每次扫描、模型重建体积增大比例，然后进行精确矫正，有效提高3D模型重建精度。经实验验证，与传统的骨骼数字模型重建方法相比，通过本发明专利技术提供的方法重建获得的骨骼数字模型与实际结构的绝对平均偏差值要比传统方法小0.2

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法及辅助工具


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，尤其涉及一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法及辅助工具。

技术介绍

[0002]目前，3D打印在医疗上的应用方兴未艾。常见的3D打印技术在医疗上的应用主要有：打印假体、植入物、模板、导板等等。3D打印技术在实现个体化设计方面有其不可替代的优势。为实现个体化设计目标，这些技术往往离不开利用患者CT、MR图像重建患者解剖结构（如骨骼）的3D数字模型。
[0003]如一篇公开号为CN107320221A的中国专利技术专利申请揭示一种基于3D打印的畸形膝关节骨骼模型制作方法，主要包括以下步骤：(1)对患者进行连续断层CT扫描，获得影像数据；(2)在医学软件Mimics中，进行阈值区分和二值化处理，得到单独的股骨和胫骨蒙板数据，构建三维模型；(3)在逆向工程软件中进行多边形处理和精确曲面处理，得到NURBS曲面模型；(4)利用FDM成型3D打印技术打印1:1比例病理骨骼模型。
[0004]又如一篇公开号为CN110223391A的中国专利技术专利揭示一种骨骼的三维立体模型的3D打印方法及装置。该方法包括：获取目标数据，其中，目标数据是对患者的骨骼病变部位进行CT扫描或者MRI扫描而获取的相关数据；依据目标数据，建立骨骼的三维立体模型；利用3D打印机对骨骼的三维立体模型进行打印。
[0005]然而，在现有技术中，重建的3D模型与实际的误差相较于国际尺寸精度标准仍处于较粗糙水平，重建精度不能满足高精度装配要求，因而制约了3D打印技术的临床应用。经本专利技术人研究发现，造成这种误差的因素很多，如扫描设备品牌型号不同、CT、MR扫描的部分容积效应、扫描机器的尺寸误差、特定的某次扫描参数的选择、个体差异、体位因素等等。但最终结果往往导致重建模型比实际结构体积大，体积增大的比例依据具体解剖结构不同而不同，以髋骨为例，髋骨重建体积一般大5
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15%，这种体积增大往往带来重建模型与真实结构有较大的偏差。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种重建模型误差小、重建精度高的基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法。
[0007]本专利技术还提供一种上述方法用到的辅助工具。
[0008]为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0009]一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制作辅助工具，该辅助工具包括内层组件和外层组件，内层组件嵌入或完全包埋在外层组件中；内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构一致，外层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构外的人体组织一致；2）对目标解剖结构及辅助工具进行扫描得到图像，然后采用相同技术路线对目标解剖结构及内层组件进行图像分割、模型重建；3）将
重建的内层组件模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，计算出内层组件重建模型体积，重建模型体积除以原始内层组件体积得到整个技术流程造成的重建模型体积变化率；4）将重建的目标解剖结构模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，测量目标解剖结构重建模型体积，目标解剖结构重建模型体积除以重建模型体积变化率得到目标解剖结构模型的校正体积；5）在逆向工程软件或3D打印支持软件中，使用面偏置算法对目标解剖结构的重建模型进行向内的面偏置，通过调整面偏置距离使重建模型接近目标解剖结构的校正体积。
[0010]更为优选的是，在单个所述外层组件上设置多个形状不同的内层组件，对辅助工具进行扫描时同步扫描各内层组件；所述内层组件的形状在球状、圆柱状、管状、自由曲面状、与目标解剖结构完全一致的形状中选择；各所述内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构平均值对应。
[0011]更为优选的是，在单个所述外层组件上设置多个形状相同的内层组件，对辅助工具进行扫描时同步扫描各内层组件；各内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与不同人群的目标解剖结构平均值对应。
[0012]更为优选的是，所述辅助工具成套设置，每套辅助工具内具有至少两个CT灰度或磁共振弛豫时间不同的外层组件，以对应不同的人群。
[0013]更为优选的是，在单个所述外层组件上设置一个所述内层组件，所述内层组件的形状与目标解剖结构的形状完全一致；所述内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构平均值对应，所述外层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构外的人体组织平均值对应。
[0014]更为优选的是，所述辅助工具通过3D打印直接加工出成品。
[0015]或，所述辅助工具先制作出内层组件，再封入外层组件中制作成品；制作内层组件时，采用3D打印、模具固化成型或CNC加工的方式；封入外层组件时，采用以下两种方式中的一种：a）将内层材料置入未凝结的外层材料中凝固得到成品，b）在打孔或活动安装的带腔的外层材料中置入内层组件安装成型。
[0016]更为优选的是，在步骤2）中，对目标解剖结构及辅助工具进行扫描得到图像的方式为：前后分两次单独扫描或辅助工具与患者目标解剖结构一起扫描。
[0017][更为优选的是，当目标解剖结构和/或人体组织为多层时，所述内层组件和/或所述外层组件相应的设置成多层。
[0018]更为优选的是，所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，还包括体积变化率校正步骤：内层组件的重建模型与内层组件的原始模型用最小二乘等算法完成三维模型的配准或在逆向工程软件中使用3D模型配准工具完成内层组件的重建模型与原始模型的配准；配准后通过面偏置算法或功能将内层组件的重建模型向内面偏置，通过调整面偏置距离，使得重建模型体积近似于原始模型体积，通过偏差分析获取此时模型与原始模型的绝对平均偏差，设为k1；进一步调整面偏置距离，使处理后的重建模型与原始模型绝对平均偏差最小，设此最小值为k2；比较k1、k2值的大小，如果k1、k2相差值不大于阈值，则选择重建模型体积除以处理后的重建模型体积获得的校正比率x2来校正目标解剖结构模型的体积。
[0019]更为优选的是，判断是否选择校正比率x2来校正目标解剖结构模型的体积时，还
包括以下步骤：设扫描图像的像素尺寸为L，如果k1与k2都大于0.301*L，则不通过校正比率x2来校正目标解剖结构模型的体积，如果k2不大于0.301*L，则选择校正比率x2来校正目标解剖结构模型的体积。
[0020]一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的辅助工具，其特征在于，包括：内层组件和外层组件，内层组件嵌入或完全包埋在外层组件中；内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构一致，外层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构外的人体组织一致。
[0021]应用时，通过对辅助工具进行图像扫描、图像分割、模型重建获得内层组件模型；将重建的内层组件模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，计算出内层组件重建模型体积，内层组件重建模型体积除以原始内层组件体积得到整个技术流程造成的重建模型体积变化率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制作辅助工具，该辅助工具包括内层组件和外层组件，内层组件完全包埋或嵌入在外层组件中；内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构一致，外层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构外的人体组织一致；2）对目标解剖结构及辅助工具进行扫描得到图像，然后采用相同技术路线对目标解剖结构及内层组件进行图像分割、模型重建；3）将重建的内层组件模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，计算出内层组件重建模型体积，重建模型体积除以原始内层组件体积得到整个技术流程造成的重建模型体积变化率；4）将重建的目标解剖结构模型导入逆向工程软件或3D打印支持软件中，测量目标解剖结构重建模型体积，目标解剖结构重建模型体积除以重建模型体积变化率得到目标解剖结构模型的校正体积；5）在逆向工程软件或3D打印支持软件中，使用面偏置算法对目标解剖结构的重建模型进行向内的面偏置，通过调整面偏置距离使重建模型接近目标解剖结构的校正体积。2.根据权利要求1所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，在单个所述外层组件上设置多个形状不同的内层组件，对辅助工具进行扫描时同步扫描各内层组件；所述内层组件的形状在球状、圆柱状、管状、自由曲面状、与目标解剖结构完全一致的形状中选择；各所述内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构平均值对应。3.根据权利要求1所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，在单个所述外层组件上设置多个形状相同的内层组件，对辅助工具进行扫描时同步扫描各内层组件；各内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与不同人群的目标解剖结构平均值对应。4.根据权利要求2或3所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，所述辅助工具成套设置，每套辅助工具内具有至少两个CT灰度或磁共振弛豫时间不同的外层组件，以对应不同的人群。5.根据权利要求1所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，在单个所述外层组件上设置一个所述内层组件，所述内层组件的形状与目标解剖结构的形状完全一致；所述内层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构平均值对应，所述外层组件在CT灰度或磁共振弛豫时间上与目标解剖结构外的人体组织平均值对应。6.根据权利要求1所述的一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法，其特征在于，所述辅助工具通过3D打印直接加工出成品；或，所述辅助工具先制作出内层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张帆，
申请(专利权)人：佛山市三水区人民医院，
类型：发明
国别省市：