一种基于扫描图像重建骨骼数字模型的方法及辅助工具与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.如一篇公开号为cn107320221a的中国发明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。
4.又如一篇公开号为cn110223391a的中国发明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。
5.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。经本发明人研究发现，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5-15%，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。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明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。
7.本发明还提供一种上述方法用到的辅助工具。
8.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
9.一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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.更为优选的是，所述辅助工具通过3d打印直接加工出成品。
15.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。
16.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。
17.[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；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。
[0022]
本发明的有益效果是：由于个体差异、数字重建方法差异，对于某一次特定个体的特定扫描参数下的特定解剖结构重建，这种最终体积增大比例往往是未知的。而本发明采用的辅助工具与重建方法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。
[0023]
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0.2-0.5mm。
附图说明
[0024]
图1所示为i型辅助工具的结构示意图。
[0025]
图2所示为ii型辅助工具的结构示意图。
[0026]
图3所示为iii型辅助工具的结构示意图。
[0027]
附图标记说明。
[0028]
1：内层组件，2：外层组件。
具体实施方式
[0029]
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向
”ꢀ
、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
[0030]
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
[0031]
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
[0032]
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征
ꢀ“
之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
[0033]
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
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。
[0040]
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。
[0041]
其中，辅助工具为两层或多层结构，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。下面以两层结构为例进行说明。两层结构中，内层组件嵌入或完全包埋在外层材料中。
[0042]
如图1所示，外层组件2为在ct扫描图像灰度或mr扫描图像弛豫时间与目标解剖结构外的人体组织基本一致的材料制成。内层组件1为尺寸标准件，内封入的标准件为形态各异的基本形状，可以为球、圆柱、管型、自由曲面或者与目标解剖结构完全一致的形态等等，所使用材料在ct扫描图像灰度或mr扫描图像弛豫时间与目标解剖结构平均值基本一致。
[0043]
如图2所示，在一些实施方式中，对目标解剖结构的图像灰度或弛豫时间在人群中变化范围进行分段，不同图像灰度、弛豫时间材料对应不同分段的平均值。同样地，对目标解剖结构外的人体组织的图像灰度或弛豫时间在人群中变化范围也进行分段，不同图像灰度、弛豫时间材料对应不同分段的平均值。制作辅助工具时，可以成套设计，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2，以对应不同的人群；每个外层组件2上设置多个形状相同的内层组件1，各内层组件1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。
[0044]
由于各内层组件1的ct灰度或磁共振弛豫时间不同，在同一外层组件2上最好将各内层组件1按ct灰度或磁共振弛豫时间不同成阶梯排列。
[0045]
如图3所示，在一些实施方式中，还可以在单个外层组件2中封入或嵌入的与目标解剖结构形态一致的内层组件1。
[0046]
为方便本领域技术人员更好地理解本发明的骨骼模型重建方法，下面以华南地区基于ge16排或32排ct的髋骨数字模型重建为例进行说明。以下表述中，i型表示图1所示的辅助工具，ii型表示图2所示的辅助工具，iii型表示图3所示的辅助工具。
[0047]
华南地区基于ge16排或32排ct的髋骨扫描图像中，单个个体骨骼周边软组织ct平均灰度一般处于40-70hu范围，平均值约为55hu，髋骨骨骼的平均灰度在300-560hu，平均值为405hu，i型外层结构以ct灰度55hu高分子树脂材料、高分子凝胶或乳胶等材料适当加入硫酸钙等无机盐制成，内层材料使用石膏、粘胶石膏等无机盐或无机盐与高分子材料（聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液等）的混合物制成的ct灰度405hu的材料。ii型，可通过调整无机盐与高分子材料的比例调整材料ct灰度，得到ct灰度呈阶梯排列的多种外层、内层材料，如45hu、55hu、65hu的3种外层材料，300hu、350hu、400hu、450hu、500hu、550hu6种内层材料，利用6种内层材料制作采用相同直径的球体18个分别封入3种内层材料中形成一套工具。 iii型，材料与i型相同，不同之处在于其内封入或嵌入的标准件为与目标形态一致的组件。
[0048]
辅助工具加工方法：先设计出内层组件标准件的数字模型。外层材料形状不限。再通过两条技术路线之一得到成品：1）多种材料的增材制造（3d打印）直接加工出成品。2）先制作高精度的内层组件，封入外层材料中制作成品：内层组件可使用：a）增材制造（3d打印），b）制作模具将内层材料导入模具固化成型的方式，c）cnc加工对凝结成型的块进行削、铣。封入外层材料可以依据外层材料的不同，采取：a）将内层材料置入未凝结的外层材料中，外层材料凝固后得到成品，b）打孔或活动安装带腔外层材料组件中置入内层组件，安装成型。
[0049]
使用方法：i型与ii型体积较小，一般与患者目标解剖结构一起扫描，得到包含有目标解剖结构与i型或ii型工具的图像，采用相同技术路线对目标解剖结构及i型或ii型工具的内层组件进行图像分割、模型重建，在重建出的i型工具内层组件中选择拓扑形状与解剖结构相近的组件，在ii型工具中选择内外层材料与目标解剖结构及周边组织灰度相近的组件，所选择的内层组件模型导入逆向工程软件或3d打印支持软件可计算重建模型体积，重建后模型体积除以原始组件体积即为整个技术流程造成重建模型体积的比率（体积变化率）。在软件中测量解剖结构重建模型的体积除以这个比率即可计算出目标解剖结构的校正体积。使用面偏置算法或在软件中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得处理后的模型接近目标解剖结构的校正体积，此时，校正的模型即消除了模型放大，更加接近真实解剖结构。
[0050]
iii型工具需在解剖结构扫描前、后单独扫描（扫描参数与解剖结构扫描参数相同），采用相同技术路线对目标解剖结构及iiii型工具的内层组件进行图像分割、模型重建，内层组件模型导入逆向工程软件或3d打印支持软件可计算重建模型体积，重建后模型体积除以原始组件体积即为整个技术流程造成重建模型体积的比率（体积变化率）。在软件中测量解剖结构重建模型的体积除以这个比率即可计算出目标解剖结构的校正体积。使用面偏置算法或在软件中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
离使得处理后的模型接近目标解剖结构的校正体积，此时，校正的模型即消除了模型放大，更加接近真实解剖结构。
[0051]
验证。
[0052]
在上述过程中还可选验证方法，对上述参与后续计算的比率（设此比率为x1）进行适当校正，所选的i型或ii型工具的内层组件重建数字模型与原始的标准件的数字模型利用最小二乘算法完成三维模型的配准或在逆向工程软件（如geomagic等）中使用3d模型配准工具完成重建后的内层组件与原始数字模型的配准，配准后利用软件三维偏差分析功能（或使用等值面提取算法等算法计算平均hausdorff距离作为绝对平均偏差）了解重建模型与原始数字模型的平均偏差，通过面偏置算法或功能将重建模型向内面偏置，通过调整面偏置距离，使得重建组件模型体积近似于原始组件体积，通过偏差分析了解处理后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，使得处理后的重建组件模型与原始组件绝对平均偏差最小（设此最小值为k2）；如果k1、k2相差较大，则需要检查重建技术流程是否受到噪声影响，是否需要改变重建技术路线重建模型；如果k1、k2的差值符合预期，可选择重建组件模型体积除以处理后的重建组件模型体积的比例（设此比率为x2，校正比率）来进一步校正目标解剖结构的体积。
[0053]
验证标准。
[0054]
在验证过程中还可通过以下方法判断是否应选用校正比率参与计算解剖结构的校正体积。设扫描图像的像素尺寸为l，首先了解k1与k2是否接近或小于0.301*l，即如果k1与k2均明显大于0.301*l，则说明模型重建方法技术流程需要改进。如果k2接近或小于0.301*l则选择x2进入后续校正计算。其原理是：可以通过数学方法证明理想状态下采用切片级重建方法对不规则的解剖结构重建无限次数，全部重建模型的平均偏差会接近0.301*l，以此为标准可以判断某个重建方法的重建误差达到了较理想的水平，如果校正后的重建误差仍然明显大于0.301*l则说明模型重建技术流程有问题。。
[0055]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0056]
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。