一种基于医学影像处理与3D打印的快速骨修复体制造方法

本发明涉及医疗，特别是涉及一种基于医学影像处理与3d打印的快速骨修复体制造方法。

背景技术：

1、随着医学影像处理与3d打印技术的不断发展，个性化骨修复体在骨科缺损修复领域中发挥着越来越重要的作用。制造出外形匹配且力学适配的骨修复体，是骨缺损修复成功的关键步骤之一，也是数字骨科领域研究的重点和难点。有效的骨修复体制造其目的是根据患者骨缺损形态与力学环境，设计并制造出能与周边健康骨组织良好融合的植入物。

2、传统技术中，基于医学影像的骨组织分割高度依赖人工操作，分割精度不足，难以自动化提取缺损区域边界；在修复体内部结构设计方面，传统方法多采用均匀孔隙结构，忽略了骨缺损部位非均匀的应力分布特征，难以实现修复体力学性能与骨组织生长需求的梯度适配；此外，传统制造过程往往忽略修复体内部微结构的曲面连续成型控制及成型后的制造偏差检测，导致植入物内部孔隙结构与设计模型存在失真，影响骨长入效果。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于医学影像处理与3d打印的快速骨修复体制造方法，以达到提升骨组织分割自动化水平和缺损边界提取精度、实现修复体力学性能与骨组织生长需求的梯度适配、降低植入物内部孔隙结构相对于设计模型失真程度的技术效果。

2、第一方面，本技术提供了一种基于医学影像处理与3d打印的快速骨修复体制造方法，该方法包括：

3、获取患者骨缺损部位的医学影像体数据，对医学影像体数据进行各向同性预处理，得到预处理后的医学影像体数据，将预处理后的医学影像体数据输入经训练的深度学习分割网络，进行骨组织分割，重建出带有缺损区域的骨骼三维表面模型，通过骨骼三维表面模型识别缺损边界，提取表征缺损区域的封闭轮廓环；

4、获取患者健侧骨骼表面几何，通过镜像对称和曲面拟合的复合修复方式，利用封闭轮廓环和健侧骨骼表面几何，生成填补缺损的修复体外轮廓约束模型，将修复体外轮廓约束模型与周边健康骨组织装配成有限元模型，施加模拟生理活动的载荷和约束进行生物力学求解，得到内部应力场分布；

5、以三周期极小曲面为基本胞元，建立内部应力场分布到胞元结构控制参数之间的映射关系，在修复体外轮廓约束模型内部生成孔隙率和力学性能呈连续梯度变化的多孔支架数字模型；

6、选用由生物相容性聚合物和生物活性陶瓷复合而成的成型丝材，针对多孔支架数字模型规划沿曲面连续无间断的挤出路径，通过熔融沉积成型工艺将成型丝材打印为物理修复体，对物理修复体依次进行表面活化改性和基于无损扫描的制造偏差检测，获得成品骨修复体。

7、在一实施例中，通过镜像对称和曲面拟合的复合修复方式，利用封闭轮廓环和健侧骨骼表面几何，生成填补缺损的修复体外轮廓约束模型，包括：

8、对健侧骨骼表面几何进行特征点提取，得到健侧骨骼特征点集；

9、基于人体矢状面对称面，将健侧骨骼特征点集镜像变换至患侧缺损区域，得到镜像特征点集；

10、对镜像特征点集进行三角剖分和曲面重建，得到初始镜像曲面；

11、提取封闭轮廓环的边界样条曲线，将边界样条曲线作为变形约束边界；

12、以初始镜像曲面为变形对象，以边界样条曲线为位移约束条件，对初始镜像曲面进行保特征的非刚性变形，得到变形后的拟合曲面；

13、对变形后的拟合曲面和周围健康骨组织衔接区域进行曲率连续性光顺，获得修复体外轮廓约束模型。

14、在一实施例中，对变形后的拟合曲面和周围健康骨组织衔接区域进行曲率连续性光顺，获得修复体外轮廓约束模型，包括：

15、提取变形后的拟合曲面与周围健康骨组织衔接区域的边界交线，沿边界交线计算衔接区域两侧的曲面法向变化率，识别曲率突变位置；

16、在曲率突变位置构建局部过渡曲面片，对局部过渡曲面片施加曲率连续性约束，使得变形后的拟合曲面与周围健康骨组织在衔接区域的法向矢量平滑过渡；

17、对施加约束后的局部过渡曲面片和变形后的拟合曲面进行融合拼接，消除衔接区域的几何突变痕迹，获得修复体外轮廓约束模型。

18、在一实施例中，以三周期极小曲面为基本胞元，建立内部应力场分布到胞元结构控制参数之间的映射关系，在修复体外轮廓约束模型内部生成孔隙率和力学性能呈连续梯度变化的多孔支架数字模型，包括：

19、对内部应力场分布进行主应力方向分析，提取应力主方向矢量场和应力幅值标量场；

20、将修复体外轮廓约束模型占据的空间区域离散为空间网格节点阵列，将应力主方向矢量场和应力幅值标量场映射至空间网格节点阵列，为每一个空间网格节点赋予应力方向属性和应力幅值属性；

21、以三周期极小曲面为基本胞元，根据空间网格节点处的应力幅值属性，通过单调映射关系确定对应空间网格节点处胞元的壁厚参数；

22、根据空间网格节点处的应力方向属性，调整对应空间网格节点处胞元的取向角度，使得胞元的主承力方向与应力主方向趋于一致；

23、对相邻空间网格节点之间的胞元壁厚参数和胞元取向角度进行插值平滑，生成全局连续的梯度胞元分布场；

24、以修复体外轮廓约束模型为外部边界，利用梯度胞元分布场在修复体外轮廓约束模型内部进行胞元阵列填充，经布尔运算合成，获得多孔支架数字模型。

25、在一实施例中，根据空间网格节点处的应力方向属性，调整对应空间网格节点处胞元的取向角度，使得胞元的主承力方向与应力主方向趋于一致，包括：

26、提取每个空间网格节点处的应力主方向矢量，将应力主方向矢量作为对应空间网格节点处胞元的目标承力方向；

27、获取三周期极小曲面胞元在初始坐标系下的固有主承力方向矢量，固有主承力方向矢量为三周期极小曲面胞元在未旋转状态下主承力结构对应的方向矢量；

28、计算目标承力方向和固有主承力方向之间的空间旋转偏差，依据空间旋转偏差构建局部旋转矩阵；

29、利用局部旋转矩阵对对应空间网格节点处的胞元进行旋转变换，使得对应胞元的固有主承力方向和应力主方向矢量趋于一致，得到取向调整后的梯度胞元分布场。

30、在一实施例中，将预处理后的医学影像体数据输入经训练的深度学习分割网络，进行骨组织分割，重建出带有缺损区域的骨骼三维表面模型，包括：

31、将预处理后的医学影像体数据输入经训练的深度学习分割网络，通过深度学习分割网络的下采样路径对预处理后的医学影像体数据进行多尺度特征提取，得到多尺度骨骼特征图；

32、通过深度学习分割网络的上采样路径对多尺度骨骼特征图进行分辨率逐级恢复，并与下采样路径中对应尺度的特征图进行跨层特征拼接，得到融合后的骨骼语义特征图；

33、对融合后的骨骼语义特征图进行逐体素分类预测，生成骨组织概率分布图；

34、对骨组织概率分布图进行连通域分析，提取骨组织区域的等值面，重建出带有缺损区域的骨骼三维表面模型。

35、第二方面，本技术还提供一种基于医学影像处理与3d打印的快速骨修复体制造系统，该系统包括：

36、影像重构模块，用于获取患者骨缺损部位的医学影像体数据，对医学影像体数据进行各向同性预处理，得到预处理后的医学影像体数据，将预处理后的医学影像体数据输入经训练的深度学习分割网络，进行骨组织分割，重建出带有缺损区域的骨骼三维表面模型，通过骨骼三维表面模型识别缺损边界，提取表征缺损区域的封闭轮廓环；

37、修复和力学分析模块，用于获取患者健侧骨骼表面几何，通过镜像对称和曲面拟合的复合修复方式，利用封闭轮廓环和健侧骨骼表面几何，生成填补缺损的修复体外轮廓约束模型，将修复体外轮廓约束模型与周边健康骨组织装配成有限元模型，施加模拟生理活动的载荷和约束进行生物力学求解，得到内部应力场分布；

38、梯度支架生成模块，用于以三周期极小曲面为基本胞元，建立内部应力场分布到胞元结构控制参数之间的映射关系，在修复体外轮廓约束模型内部生成孔隙率和力学性能呈连续梯度变化的多孔支架数字模型；

39、打印与检测模块，用于选用由生物相容性聚合物和生物活性陶瓷复合而成的成型丝材，针对多孔支架数字模型规划沿曲面连续无间断的挤出路径，通过熔融沉积成型工艺将成型丝材打印为物理修复体，对物理修复体依次进行表面活化改性和基于无损扫描的制造偏差检测，获得成品骨修复体。

40、第三方面，本技术还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本技术第一方面中任一方法的步骤。

41、第四方面，本技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本技术第一方面中任一方法的步骤。

42、本技术提供一种基于医学影像处理与3d打印的快速骨修复体制造方法，通过对患者骨缺损部位的医学影像体数据进行各向同性预处理，并将处理结果输入经训练的深度学习分割网络，有助于提升骨组织分割过程的自动化水平，同时改善缺损边界的识别稳定性和提取精度，从而为后续修复体数字化建模提供更加可靠的几何依据。在此基础上，利用所提取的封闭轮廓环与健侧骨骼表面几何进行镜像对称及曲面拟合，能够进一步提高缺损区域修复外轮廓的还原程度，并为后续修复体结构设计和力学分析奠定更完整的形态基础。

43、通过将修复体外轮廓约束模型与周边健康骨组织装配为有限元模型，并在模拟生理活动的载荷和约束条件下进行生物力学求解，有助于获得更加贴合实际受力状态的内部应力场分布，进而指导三周期极小曲面胞元形成孔隙率和力学性能连续梯度的多孔支架结构，改善修复体力学性能与骨组织生长需求之间的适配程度。同时，采用沿曲面连续无间断的挤出路径进行熔融沉积成型，并对物理修复体实施表面活化改性和基于无损扫描的制造偏差检测，有助于降低内部孔隙结构相对于设计模型的失真程度，从而提升成品骨修复体的成型质量和结构一致性。