一种基于3d打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于3D打印技术的颅内肿瘤综合手术规划模拟方法。该方法首先利用患者螺旋CT颅脑增强扫描所得的DICOM数据，针对颅骨、血管和肿瘤自身特点采用不同的分割方法进行数据信息提取和重建，并在同一坐标系下实现三者的配准和融合；优化处理后的虚拟三维几何模型经快速成形技术获得患者的颅脑实体模型；通过对肿瘤直径、体积、数目及与周围重要血管和组织的毗邻关系等信息的获取，基于患者的颅脑实体模型进行术前综合风险分析、手术方案设计、手术方案模拟及手术风险应对分析，为患者提供个性化的手术方案，以期提高颅内肿瘤摘除手术的精确性和成功率，探索一条可行的基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法。
【专利说明】一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明是涉及一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，属于医学图 像处理及应用领域。
【背景技术】
[0002] 颅内肿瘤即各种脑肿瘤，是神经系统中常见的疾病之一，对人类神经系统的功能 有很大的危害。近年来，颅内肿瘤发病率呈上升趋势，据统计，颅内肿瘤约占全身肿瘤的5%， 占儿童肿瘤的70%，而其它恶性肿瘤最终会有20-30%转入颅内，由于其膨胀的浸润性生长， 在颅内一旦占据一定空间时，不论其性质是良性还是恶性，都势必使颅内压升高，压迫脑组 织，导致中枢神经损害，危及患者生命。
[0003] 日前，国内外对颅内肿瘤的治疗多采用手术，化疗、放疗、X刀、γ刀等，但大多难 以治愈，恶性肿瘤病程短，发展快，根据恶性程度高低手术切除的多少或放化疗的敏感度， 复发有早有晚，生长在脑干、丘脑等重要部位的肿瘤难以手术或不能手术，X刀，放射等治疗 后的肿瘤可有缩小或短时间内控制增长以后瘤体不再生长、再复发，良性肿瘤病程较长，生 长缓慢，手术完全切除的不易复发，但生长在脑干等重要部位的脑瘤手术只能部分或大部 分切除，手术后瘤体还会再复发、再生长、颅内恶性肿瘤手术后放、化疗平均存活率不足一 年，偏良性的胶质瘤,垂体瘤、颅咽管瘤、胆脂瘤等颅内良性肿瘤手术不易切除干净，Y刀、X 刀、放射治疗并不可能彻底杀死肿瘤，因此大部分患者手术后仍然会再复发。
[0004] 三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环 境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟 现实的关键技术。利用CT图像数据进行三维重建，构建出人体器官的解剖结构三维结构， 可以让肿瘤、重要血管等感兴趣部位以三维模型的形式真实地显示出来，立体地从各个角 度观察和测量各解剖结构，准确地确定肿瘤的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织结 构的空间关系。但在此虚拟模型上缺乏有效的实体观感，难以提供有效的方法和平台对综 合模拟手术方案和风险、预后进行综合分析。
[0005] 3D打印技术，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末 状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。将虚拟可视化模型 进行实体化，此实体模型克服了传统模型空洞枯燥及病态条件下难以还原人体真实解剖的 不足。利用此实体模型进行个性化的术前规划和模拟手术，使手术可行性的术前评估更加 准确，术前准备更加充分，手术方案的制定具有个性化，更加客观、合理。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，该 方法能够基于患者的颅脑实体模型进行术前综合风险分析、手术方案设计、手术方案模拟 及手术风险应对分析，提高颅内肿瘤摘除手术的精确性和成功率。
[0007] 本发明的技术方案在于： 一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 依据患者术前螺旋CT颅脑增强扫描二维原始图像数据进行颅骨、血管和肿瘤的三 维模型重建； (2) 对肿瘤形态、大小、密度变化及差异的测量，针对肿瘤形态、大小的三维测量可初步 掌握肿瘤的基本信息和特征； (3) 颅骨、血管和肿瘤三维模型的配准融合，根据原始CT坐标关系进行颅骨、血管和肿 瘤的配准和融合，获得同一坐标系下各组织结构的整体三维几何模型，直观显示肿瘤的大 小、位置及其与相关组织的关系，建立整体头颅三维模型； (4) 三维模型的处理分析和信息提取，根据患者病情个体情况，对整体头颅三维模型进 行优化处理，剔除无关组织结构以简化模型，同时获取用于手术规划的信息数据； (5) 采用3D打印技术，在计算机的控制下，利用颅骨、血管和肿瘤三维融合模型按照 1:1比例制作出患者颅脑实体模型； (6) 根据步骤（5)所得到的建模结果，基于患者的头颅实体模型进行术前综合风险分 析、手术方案设计、手术方案模拟及手术风险应对分析。
[0008] 其中，所述步骤（1)包括以下步骤： (1. 1)读取二维DIC0M数据，分别进行颅骨、血管和肿瘤信息提取； (1. 2)根据所提取信息经3D计算分别建立颅骨、血管和肿瘤的三维几何模型，通过对 患者的影像进行重建，可以得到患者个体化解剖数据，为临床治疗提供了立体直观的解剖 学依据。
[0009] 3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法， 其特征在于：所述步骤（4)包括以下步骤： (4. 1)确定肿瘤在头颅内的位置，提取肿瘤信息并在头皮上进行投影定位，确定定位标 记点位置； (4. 2)进行各临床参数测量，利用测量工具在横矢冠三个断面上对相关组织关系进行 平面二维测量，同时还可以对模型进行空间三维立体测量，确定肿瘤与邻近重要骨骼、血管 的田比邻关系； (4. 3)根据测量结果和血管形态、走行、管径、强化表现，确定与肿瘤相关的重要血管， 删除与手术无关的组织结构以简化模型； (4. 4)为了方便区分不同的组织结构，分别用不同的颜色显示颅骨、血管和肿瘤，同时 针对不同结构的颅骨、不同位置的血管也可采用不同颜色予以标记。
[0010] 根据颅骨、血管和肿瘤自身特点采用不同的分割方法进行数据信息提取并分别重 建。
[0011] 所述颅骨信息的提取：采用最基本阈值分割算法，设定分割阈值为60(T2600 HU， 将CT图像上骨组织与软组织自动分离。
[0012] 所述血管信息的提取：经图像定位，采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设 置血管的灰度阈值1〇2~186 HU左右，根据血管度值的均一性程度来调整，在血管待定区域 选择一个种子点作为初始点，分割出目标区域图像，每层图像经选择性编辑和补洞处理，去 除冗余数据。
[0013] 所述肿瘤信息的提取：调整图像的视图方向呈现轴状面、冠状面、矢状面的三个视 图，图像定位，根据不同肿瘤类型的灰度值不同调整阀值，选取灰度阈值6(T150HU，然后经 过图像分割、编辑、补洞处理，去除边缘杂点和冗余数据，区域增长，提取完整有效的肿瘤信 息，对于某些边界不清晰、难以完整划定范围以致提取困难的肿瘤，采取逆向提取的方法， 利用个体脑组织灰度值差异性较小且分布均匀的特征，先对脑组织进行提取并重建，获得 脑组织完整的三维模型，再以此模型为基础经布尔运算获得边界清晰平滑的肿瘤三维几何 模型。。
[0014] 本发明的优点在于：本发明实施过程简单，为提高颅内肿瘤摘除手术的精确性和 成功率提供了保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明实施例的基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法流程图。
[0016] 图2是本发明实施例的听神经瘤的3D打印模型示意图。
[0017] 其中，1-血管，2-肿瘤，3-颅骨。
【具体实施方式】
[0018] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详 细说明如下。
[0019] 参考图1和图2所示，本发明基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，包 括以下步骤： (1)依据患者术前螺旋CT颅脑增强扫描二维原始图像数据进行颅骨、血管和肿瘤的三 维模型重建。
[0020] (2)肿瘤形态、大小、密度变化及差异的测量。针对肿瘤形态、大小的三维测量可初 步掌握肿瘤的基本信息和特征，肿瘤密度变化及差异的测量可作为早期诊断的依据。
[0021] (3)颅骨、血管和肿瘤三维模型的配准融合。根据原始CT坐标关系进行颅骨、血管 和肿瘤的配准和融合，获得同一坐标系下各组织结构的整体三维几何模型，直观显示肿瘤 的大小、位置及其与相关组织的关系，建立整体头颅三维模型。
[0022] (4)三维模型的处理分析和信息提取。根据患者病情个体情况，对整体头颅三维模 型进行优化处理，剔除无关组织结构以简化模型，同时获取用于手术规划的信息数据。
[0023] (5)采用3D打印技术，在计算机的控制下，利用颅骨、血管和肿瘤三维融合模型按 照1:1比例制作出患者颅脑实体模型。
[0024] (6)根据步骤（4)所得到的建模结果，包括肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管 和组织的距离等，基于患者的头颅实体模型进行术前综合风险分析、手术方案设计、手术方 案模拟及手术风险应对分析，为患者提供个性化的手术治疗方案。通过反复手术模拟，提高 医师的手术技能和熟练度，以期提商手术的效率和成功率。
[0025] (7)基于手术规划和患者头颅实体模型的手术实施。
[0026] 进一步的，所述步骤（1)包括以下步骤： (1. 1)读取二维DIC0M数据，分别进行颅骨、血管和肿瘤信息提取。
[0027] (1. 2)根据所提取信息经3D计算分别建立颅骨、血管和肿瘤的三维几何模型。通 过对患者的影像进行重建，可以得到患者个体化解剖数据，为临床治疗提供了立体直观的 解剖学依据。
[0028] 进一步的，所述步骤（4)包括以下步骤： (4. 1)确定肿瘤在头颅内的位置，提取肿瘤信息并在头皮上进行投影定位，确定定位标 记点位置。
[0029] (4. 2)进行各临床参数测量，利用测量工具在横矢冠三个断面上对相关组织关系 进行平面二维测量，同时还可以对模型进行空间三维立体测量，确定肿瘤与邻近重要骨骼、 血管的峨邻关系。
[0030] (4. 3)根据测量结果和血管形态、走行、管径、强化表现等，确定与肿瘤相关的重要 血管，删除与手术无关的组织结构以简化模型。
[0031] (4. 4)为了方便区分不同的组织结构，分别用不同的颜色显示颅骨、血管和肿瘤， 同时针对不同结构的颅骨、不同位置的血管也可采用不同颜色予以标记。
[0032] 进一步的，所述的颅骨、血管和肿瘤信息的提取和三维重建方法，其特征在于，根 据颅骨、血管和肿瘤自身特点采用不同的分割方法进行数据信息提取并分别重建。
[0033] 进一步的，对于某些边界不清晰、难以完整划定范围以致提取困难的肿瘤，采取逆 向提取的方法。利用个体脑组织灰度值差异性较小且分布均匀的特征，先对脑组织进行提 取并重建，获得脑组织完整的三维模型，再以此模型为基础经布尔运算获得边界清晰平滑 的肿瘤三维几何模型。
[0034] 进一步的，所述的融合三维几何模型经3D打印技术制作人体头颅实体模型，将三 维重建的虚拟可视化模型进行实体化，为术前明确诊断，制定个体化的手术方案、指导手术 路径及评估预后提供最为全面直观的参考。同时3D打印模型克服了传统解剖教学的空洞 枯燥及病态条件下难以还原人体真实解剖的不足，是对传统教学材料的完善和补充，为年 轻医师的成长提供了一个良好的学习平台。
[0035] 进一步的，所述的肿瘤头皮定位是基于三维融合模型，并通过3D打印技术体现标 记区域，为手术入路的选择，手术方案的制定提供客观科学的依据。
[0036] 进一步的，所述的术前综合风险分析、手术方案设计、手术方案模拟及手术风险应 对分析是基于步骤（4)的测量分析和3D打印实体模型所确定的，能够协助临床医师确定手 术最佳的路径及切口的位置，通过在3D打印实体模型上实施模拟手术预知术中可能遇到 的问题，并事先考虑补救方法和预防措施，通过手术模拟比较各方案的优劣，确定最佳手术 方案，避免盲目的探查手术，减少不必要的损伤及出血，缩短手术时间。同时术前相关手术 组人员在实体模型上反复预演交流，加深对手术方案的熟练掌握，提高术中默契配合能力。 还可于术前给患者及其家属展示3D打印实体模型，在直观显示手术过程，加深患者对颅内 肿瘤及手术过程的了解，同时还能减轻患者心理负担，提高信心。
[0037] 进一步的，所述的实际手术是在术前设计方案指导实施下进行的，同时在手术过 程中还需利用3D打印实体模型进行辅助和参考，明确肿瘤所在，确定切除范围，最大程度 保留正常组织结构。
[0038] 具体实施过程：下面结合具体听神经瘤的手术规划模拟方法实施例对本发明作进 一步说明。
[0039] (1)依据患者术前螺旋CT颅脑增强扫描二维图像数据进行颅骨、血管和肿瘤的三 维模型重建，步骤包括： (1. 1)读取二维原始DICOM数据，分别进行颅骨、血管和肿瘤信息提取，步骤包括： (1. 1. 1)颅骨信息的提取：采用最基本阈值分割算法，设定分割阈值为60(T2600 HU，将 CT图像上骨组织与软组织自动分离。
[0040] (1. 1.2)血管信息的提取：经图像定位，采用动态自适应区域生长的分割计算方 法，设置血管的灰度阈值1〇2~186 HU左右，根据血管度值的均一性程度来调整，在血管待定 区域选择一个种子点作为初始点，分割出目标区域图像，每层图像经选择性编辑和补洞处 理，去除冗余数据。
[0041] (1. 1.3)肿瘤信息的提取：调整图像的视图方向呈现轴状面、冠状面、矢状面的三 个视图，图像定位，根据不同肿瘤类型的灰度值不同调整阀值，如在一般脑膜瘤病例中选取 灰度阈值6(T80 HU，而在一般听神经瘤病例中选取灰度阈值66~94 HU等等。然后经过图 像分割、编辑、补洞处理，去除边缘杂点和冗余数据，区域增长，提取完整有效的肿瘤信息。 特别地，对于某些边界不清晰、难以完整划定范围以致提取困难的肿瘤，采取逆向提取的方 法。利用个体脑组织灰度值差异性较小且分布均匀的特征，先对脑组织进行提取并重建，获 得脑组织完整的三维模型，再以此模型为基础经布尔运算获得边界清晰平滑的肿瘤三维几 何模型。另外在对于听神经瘤等需要确定小脑膜的病例中，可以根据70-150HU来提取小脑 膜的信息进行重建。
[0042] (1. 2)根据所提取信息经3D计算分别建立颅骨、血管和肿瘤的三维几何模型。通 过对患者的影像进行重建，可以得到患者个体化解剖数据，为临床治疗提供了立体直观的 解剖学依据。
[0043] (2)肿瘤形态、大小、密度变化及差异的测量。针对肿瘤形态、大小的三维测量可初 步掌握肿瘤的基本信息和特征，肿瘤密度变化及差异的测量可作为早期诊断的依据。
[0044] (3)颅骨、血管和肿瘤三维模型的配准融合。根据原始CT坐标关系进行颅骨、血管 和肿瘤的配准和融合，获得同一坐标系下各组织结构的整体三维几何模型，直观显示肿瘤 的大小、位置及其与相关组织的关系，建立整体头颅三维模型，此模型能够任意旋转，多角 度、多方位地三维观察明确并标记肿瘤分区，立体感强，可多侧面、多角度、多方向、多层次 显不。
[0045] (4)三维模型的处理分析和信息提取。在虚拟三维模型中，根据患者病情个体情 况，对整体头颅三维模型进行优化处理，剔除无关组织结构以简化模型，同时获取用于手术 规划的信息数据，步骤包括： (4. 1)在虚拟三维模型中确定肿瘤在头颅内的位置，提取肿瘤信息，并以此信息在头皮 上进行相应区域的投影定位，确定定位标记点位置，为手术入路的选择，手术方案的制定提 供客观科学的依据。
[0046] (4. 2)进行各临床参数测量，利用测量工具在横矢冠三个断面上对相关组织关系 进行平面二维测量，同时还可以对模型进行空间三维立体测量，确定肿瘤与邻近重要骨骼、 血管的峨邻关系。
[0047] (4. 3)根据测量结果和血管形态、走行、管径、强化表现等，确定与肿瘤相关的重要 血管，删除与手术无关的组织结构以简化模型。
[0048] (4. 4)为了方便区分不同的组织结构，分别用不同的颜色显示颅骨、血管和肿瘤， 同时针对不同结构的颅骨、不同位置的血管也可采用不同颜色予以标记。
[0049] (5)模型以STL格式输出，采用3D打印技术，在计算机的控制下，利用颅骨、血管和 肿瘤三维融合模型按照1:1比例制作出患者头颅实体模型，将三维重建的虚拟可视化模型 进行实体化，为手术规划模拟提供最为全面直观的参考，如图2所示。
[0050] (6)根据步骤（4)所得到的建模结果，包括肿瘤直径、体积、数目、与周围重要血管 和组织的距离等，基于患者的头颅实体模型进行术前综合风险分析、手术方案设计、手术方 案模拟及手术风险应对分析，为患者提供个性化的治疗方案。通过反复手术模拟，提高医师 的手术技能和熟练度，以期提高手术的效率和成功率。
[0051] (7)基于手术规划和患者头颅实体模型的手术实施。实际手术是在术前设计方案 指导实施下进行的，同时在手术过程中还需利用3D打印实体模型进行辅助和参考，明确肿 瘤所在，确定切除范围，最大程度保留正常组织结构。
[0052] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1. 一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 依据患者术前螺旋CT颅脑增强扫描二维原始图像数据进行颅骨、血管和肿瘤的三 维模型重建； (2) 对肿瘤形态、大小、密度变化及差异的测量，针对肿瘤形态、大小的三维测量可初步 掌握肿瘤的基本信息和特征； (3) 颅骨、血管和肿瘤三维模型的配准融合，根据原始CT坐标关系进行颅骨、血管和肿 瘤的配准和融合，获得同一坐标系下各组织结构的整体三维几何模型，直观显示肿瘤的大 小、位置及其与相关组织的关系，建立整体头颅三维模型； (4) 三维模型的处理分析和信息提取，根据患者病情个体情况，对整体头颅三维模型进 行优化处理，剔除无关组织结构以简化模型，同时获取用于手术规划的信息数据； (5) 采用3D打印技术，在计算机的控制下，利用颅骨、血管和肿瘤三维融合模型按照 1:1比例制作出患者颅脑实体模型； (6) 根据步骤（5)所得到的建模结果，基于患者的头颅实体模型进行术前综合风险分 析、手术方案设计、手术方案模拟及手术风险应对分析。
2. 根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：所述步骤（1)包括以下步骤： (1. 1)读取二维DICOM数据，分别进行颅骨、血管和肿瘤信息提取； (1. 2)根据所提取信息经3D计算分别建立颅骨、血管和肿瘤的三维几何模型，通过对 患者的影像进行重建，可以得到患者个体化解剖数据，为临床治疗提供了立体直观的解剖 学依据。
3. 根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：所述步骤（4)包括以下步骤： (4. 1)确定肿瘤在头颅内的位置，提取肿瘤信息并在头皮上进行投影定位，确定定位标 记点位置； (4. 2)进行各临床参数测量，利用测量工具在横矢冠三个断面上对相关组织关系进行 平面二维测量，同时还可以对模型进行空间三维立体测量，确定肿瘤与邻近重要骨骼、血管 的田比邻关系； (4. 3)根据测量结果和血管形态、走行、管径、强化表现，确定与肿瘤相关的重要血管， 删除与手术无关的组织结构以简化模型； (4. 4)为了方便区分不同的组织结构，分别用不同的颜色显示颅骨、血管和肿瘤，同时 针对不同结构的颅骨、不同位置的血管也可采用不同颜色予以标记。
4. 根据权利要求2所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：根据颅骨、血管和肿瘤自身特点采用不同的分割方法进行数据信息提取并分别重 建。
5. 根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：所述颅骨信息的提取：采用最基本阈值分割算法，设定分割阈值为60(T2600 HU， 将CT图像上骨组织与软组织自动分离。
6. 根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：所述血管信息的提取：经图像定位，采用动态自适应区域生长的分割计算方法，设 置血管的灰度阈值l〇2~186 HU左右，根据血管度值的均一性程度来调整，在血管待定区域 选择一个种子点作为初始点，分割出目标区域图像，每层图像经选择性编辑和补洞处理，去 除冗余数据。
7.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的颅内肿瘤手术规划模拟方法，其特 征在于：所述肿瘤信息的提取：调整图像的视图方向呈现轴状面、冠状面、矢状面的三个视 图，图像定位，根据不同肿瘤类型的灰度值不同调整阀值，选取灰度阈值6(T150HU，然后经 过图像分割、编辑、补洞处理，去除边缘杂点和冗余数据，区域增长，提取完整有效的肿瘤信 息，对于某些边界不清晰、难以完整划定范围以致提取困难的肿瘤，采取逆向提取的方法， 利用个体脑组织灰度值差异性较小且分布均匀的特征，先对脑组织进行提取并重建，获得 脑组织完整的三维模型，再以此模型为基础经布尔运算获得边界清晰平滑的肿瘤三维几何 模型。
【文档编号】A61B6/03GK104091347SQ201410358489
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月26日 优先权日:2014年7月26日
【发明者】刘宇清, 姚立纲, 黄绳跃, 何炳蔚, 洪文瑶 申请人:刘宇清, 姚立纲, 黄绳跃, 何炳蔚, 洪文瑶