一种基于3D打印在骨缺损修复中的建模构造系统及方法

一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统及方法
技术领域
1.本发明属于建模打印技术领域，尤其涉及一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统及方法。


背景技术：

2.3d打印(3dp)即快速成型技术的一种，又称增材制造，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。3d打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。
3.3d打印在医疗上的应用已日渐成熟，尤其是在骨科中的使用，减小了其手术难度和缩短手术时间,增加手术精确性，专利号为cn110522501a的3d打印个性化骨科内植物构建及生物力学优化处理方法，其实现了骨骼模型的快速生成和自动优化，解决了传统方法交互量大、自动化程度低的问题，但其应用缺少了一些术中可用的高效可行性辅助手段，使得方案存在一定的局限性，未能有效发挥3d打印技术在骨科中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统及方法，旨在解决3d打印技术无法形成有效可行性辅助手段、存在一定局限性的技术问题。
5.本发明是这样实现的，一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统，所述基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统包括数据获取模块、处理成像模块、识别模块、标记模块、3d打印模块及控制模块，所述数据获取模块的输出端连接所述处理成像模块的输入端，所述处理成像模块的输出端连接所述识别模块的输入端，所述识别模块的输出端连接所述标记模块的输入端，所述标记模块的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接所述3d打印模块的输入端；
6.所述数据获取模块，用于根据ct图像对骨缺损区域的扫描数据进行采集；
7.所述处理成像模块，用于将从采集的扫描数据图像进行分割、修订、校正预处理后并最终形成三维模型图像；
8.所述识别模块，用于对缺损区域骨骼、整体骨骼及该区域软组织进行识别，并通过图像分析最终用于手术导航模板的构造；
9.所述标记模块，用于将识别出的图形进行标记并标以不同的颜色进行区分；
10.所述控制模块，用于与打印模块建立数据传输连接并控制打印模块的模型精准打印；
11.3d打印模块，用于根据3d打印特性将修复体及三维骨骼物理模型的构造出来。
12.本发明的进一步技术方案是：所述识别模块包括软组织识别单元和骨骼识别单
元，所述软组织识别单元，用于将骨骼区域的软组织架构、与骨骼粘连的图像进行识别，将识别后的数据信息传输给标记模块；所述骨骼识别单元，用于扫描区域的整体骨骼、缺损区域骨骼图像进行识别，并将识别后的数据信息传输给标记模块。
13.本发明的进一步技术方案是：所述3d打印模块包括定位模块及构造模块，所述定位模块，用于对缺损区域修复体和三维骨骼物理模型进行取点进行构造定位；所述构造模块，用于对缺损区域修复体和三维骨骼物理模型进行构造。
14.本发明的进一步技术方案是：所述构造模块包括局部构造单元及整体构造单元，所述局部构造单元，用于对缺损区域修复体进行构造；所述整体构造单元，用于三维骨骼物理模型进行构造。
15.本发明的进一步技术方案是：所述处理成像模块包括图像处理单元、图像分割单元、图像分析单元及图像重组单元，所述图像处理单元，用于对采集到的缺损区域骨骼、整体骨骼及该区域的软组织的二维ct图像进行灰度调整、平滑滤波、锐化滤波进行增强处理；所述图像分割单元，用于将经过增强处理后的图像根据损伤程度进行区域分割；所述图像分析单元，用于对扫描数据进行分析，并对分割后的缺损区域加强分析处理获取更加准确的数据信息；所述图像重组单元，用于应用等值面绘制方法对目标数据进行三维重建。
16.本发明的进一步技术方案是：所述手术导航模板是通过在术前准备中根据ct扫描图像数据结果分析结合缺损区域加强结果分析、设计构造成，用于辅助螺钉的精准植入。
17.本发明的另一目的在于提供一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造方法，所述基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造方法包括如下步骤：
18.s1、对缺损区域进行ct断层扫面和对整体骨骼及骨骼区域软组织的扫描，通过ct扫描获得骨缺节段断面图像和整体图像；
19.s2、将信息输入计算机，应用mimics软件通过阈值分割区域增长生成三维图像，经修改、校正，通过标记模块标记并识别骨骼缺损区域及软组织区域用以不同颜色区分，并最终获得打印模型标stl格式数据；
20.s3、通过定位模块对识别模块识别并被标记的缺损区域进行精准定位；
21.s4、将构造的缺损区域的修复体和三维骨骼模型数据传输至3d打印模块，通过控制模块控制3d打印机进行三维骨骼模型的打印，运用可粘合材料，通过构造模块逐层打印的方式来构造修复体；运用普通实验材料，将ct扫描的整体骨骼图像信息和软组织图像信息来构造三维骨骼物理模型和手术导航模板；
22.s5、对获得的三维骨骼物理模型进行术前操作，其操作过程中包括模拟截骨、设计截取线和确定螺钉轨迹；
23.s6、运用手术导航模板进行固定、限位，选择术前选择的最佳进钉点、螺钉的长度及直径，并运用修复体替换缺损区域骨骼，完成整个修复过程。
24.本发明的进一步技术方案是：所述s4中得到的三维骨骼物理模型，用来观察患者的骨质情况及骨缺损的具体部位，通过收集数据及数据分析，可以在术前对模型进行模拟截骨，设计截取线和确定螺钉轨迹。
25.本发明的进一步技术方案是：所述s4中修复体截面为骨水泥连接。
26.本发明的进一步技术方案是：所述步骤s1中ct断层扫描数据以dicom格式进行保存。
27.本发明的有益效果是：根据ct缺损区域扫描数据结果分析、设计并通过构造模块制造手术导航模板，用以辅助螺钉的植入，充分的手术准备，提高了手术安全性和精确性。
28.该发明，通过设置图像处理模块对二维ct图像进行灰度调整、平滑滤波、锐化滤波等增强处理，且重组后的三维图像为剖切、透明等显示,以便观察到骨骼的内部结构，手术导航模板和修复体的精确性将会直接影响到手术的安全性和精确性，增强处理后的影像，并通过标记模块用予不同颜色来区分标记使得可以更好的对其进行分析、设计并构造出手术导航模板及修复体，提高了精确性。
29.该发明，通过在3d打印单元中设置有定位模块，能够通过收集数据及数据分析，来对模型进行模拟截骨、设计截取线及确定螺钉轨迹，同时构造的手术导航模板在术中可精确定位修复体植入部位，能够在很大程度上确保修复体植入的正确性，不仅能够极大缩减手术的进行时间，螺钉的准确置入也会减小手术并发症，使其在骨骼中的应用更加安全高效。
30.3、该发明，通过对骨骼、骨骼受损区域及骨骼区域软组织的扫描，并标以不同标记，再通过3d打印技术制造出符合患者使用的手术导航模板及用于手术预演的3d骨骼物理模型，来达到精准定位受损区域及修复体的置换和固定，使其达到更好的手术效果。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统的模块示意图。
32.图2是本发明实施例提供的基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造方法的流程示意图。
具体实施方式
33.如图1-2所示，本发明提供的基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造系统，包括数据获取模块、处理成像模块、识别模块、标记模块、3d打印模块及控制模块，所述数据获取模块的输出端连接所述处理成像模块的输入端，所述处理成像模块的输出端连接所述识别模块的输入端，所述识别模块的输出端连接所述标记模块的输入端，所述标记模块的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接所述3d打印模块的输入端；
34.所述数据获取模块，用于根据ct图像对骨缺损区域的扫描数据进行采集；
35.所述处理成像模块，用于将从采集的扫描数据图像进行分割、修订、校正预处理后并最终形成三维模型图像；
36.所述识别模块，用于对缺损区域骨骼、整体骨骼及该区域软组织进行识别，并通过图像分析最终用于手术导航模板的构造；
37.所述标记模块，用于将识别出的图形进行标记并标以不同的颜色进行区分；
38.所述控制模块，用于与打印模块建立数据传输连接并控制打印模块的模型精准打印；
39.3d打印模块，用于根据3d打印特性将修复体及三维骨骼物理模型的构造出来。
40.其中，识别模块包括有软组织识别单元和骨骼识别单元，软组织识别单元用于骨骼区域软组织架构、与骨骼粘连图像识别，并通过对图像分析最终用于手术导航模板的构
造，骨骼识别单元，用于扫描区域的整体骨骼、缺损区域骨骼图像进行识别，并将识别后的数据信息传输给标记模块；定位模块，用于对缺损区域修复体和三维骨骼物理模型进行取点进行构造定位；所述构造模块，用于对缺损区域修复体和三维骨骼物理模型进行构造；构造模块包括有局部构造单元和整体构造单元，局部构造单元用于修复体的构造，整体构造单元用于三维骨骼物理模型的构造，通过图像处理单元对采集到的缺损区域骨骼、整体骨骼及该区域的软组织的二维ct图像进行灰度调整、平滑滤波、锐化滤波等增强处理，通过重组模块应用等值面绘制方法对目标数据进行三维重建，进而可以使得在术前准备中，图像分割单元，用于将经过增强处理后的图像根据损伤程度进行区域分割；图像分析单元，用于对扫描数据进行分析，并对分割后的缺损区域加强分析处理获取更加准确的数据信息；图像重组单元，用于应用等值面绘制方法对目标数据进行三维重建；根据扫描数据结果分析、设计并通过构造模块制造手术导航模板，用以辅助螺钉的精准植入，进一步将所有数据都传输至3d打印机，并运用可粘合材料，通过构造模块逐层打印的方式来构造修复体和手术导航模板，并运用普通实验材料，来构造三维骨骼物理模型。
41.一种基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造方法，所述基于3d打印在骨缺损修复中的建模构造方法包括如下步骤：
42.s1、对缺损区域进行ct断层扫面和对整体骨骼及骨骼区域软组织的扫描，通过ct扫描获得骨缺节段断面图像和整体图像；
43.s2、将信息输入计算机，应用mimics软件通过阈值分割区域增长生成三维图像，经修改、校正，通过标记模块标记并识别骨骼缺损区域及软组织区域用以不同颜色区分，并最终获得打印模型标stl格式数据；
44.s3、通过定位模块对识别模块识别并被标记的缺损区域进行精准定位；
45.s4、将构造的缺损区域的修复体和三维骨骼模型数据传输至3d打印模块，通过控制模块控制3d打印机进行三维骨骼模型的打印，运用可粘合材料，通过构造模块逐层打印的方式来构造修复体；运用普通实验材料，将ct扫描的整体骨骼图像信息和软组织图像信息来构造三维骨骼物理模型和手术导航模板；
46.s5、对获得的三维骨骼物理模型进行术前操作，其操作过程中包括模拟截骨、设计截取线和确定螺钉轨迹；
47.s6、运用手术导航模板进行固定、限位，选择术前选择的最佳进钉点、螺钉的长度及直径，并运用修复体替换缺损区域骨骼，完成整个修复过程。
48.在医学中，图像通常来源于ct扫描，扫描产生的dicom数据，经过计算机处理后得到三维数据，然后可根据临床需要，可使用cad软件对图像进行修改，处理完毕后将数据传输至3d打印机，根据需要选择不同类型的3d打印技术来进行三维物理模型及修复体的打印。其中，在s4中得到的三维骨骼物理模型，用来观察患者的骨质情况及骨缺损的具体部位，通过收集数据及数据分析，可以在术前对模型进行模拟截骨，设计截取线和确定螺钉轨迹，修复体截面为骨水泥连接，相对于传统的方法难以直观了解骨缺损断层面，而3d打印的1:1的三维实体模型可以更加直观和清晰，可以很好的协助医生进行术前诊断，帮助医生了解创面的缺损情况，并同时可通过收集的数据信息及对数据的分析，通过在术前对三维物理模型进行模拟截骨，设计截取线和确定螺钉轨迹，能及时发现手术设计上的缺陷与不足，以便做出调整，提高手术的安全性。术前在模型上选择最佳的进钉点、螺钉的长度及直径，
可以减少术中出血量及手术时间，为术中的骨缺损修复提供基础。
49.在术前准备中，根据ct缺损区域扫描数据结果进行计算机分析、设计并构造模块制造手术导航模板，用以辅助术中螺钉的植入，同时在术中可精准确定位修复体植入部位，能够在很大程度上确保修复体植入的正确性。通过分析模块计算与手术导航模板的贴合面，防止术中手术导航模板的滑落。图像处理模块为对二维ct图像进行灰度调整、平滑滤波、锐化滤波等增强处理，通过重组模块应用等值面绘制方法对目标数据进行三维重建，重组后的三维图像为剖切、透明等显示,以便观察到骨骼的内部结构。
50.本发明，通过在ct扫描的图像基础上，对骨骼、骨骼缺损区域及软组织方面等的图像分析和标记处理，运用3d打印可以打印完整的三维骨骼物理模型，使得工作人员可以更清楚的演示应如何截骨和固定，并通过术前对骨骼区域及软组织进行ct扫描，利用3d打印制作的符合患者本身的手术导航模板来辅助手术修复的进行。同时三维骨骼物理模型也很直观的向患者及其家属分析手术进程及其结果，有助于医患间的沟通，该种3d打印在骨缺损修复中的应用，不仅有助于工作人员对其缺损区域有更直观的了解，而且还可以利用1:1的三维骨骼物理模型做术前的预演与准备，以避免手术过程可能会出现的问题，且3d打印应用在骨科治疗中，不但对学科发展起到了非常大的促进作用，同时也带动了相关产业的良性发展，通过3d打印技术能够使组织工程支架材料得到有效复合，使其生物活性得到维持，有助于骨缺损的临床修复再生，可在很大程度上降低感染及疼痛等术后不良反应。
51.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。