CN105224759B - 一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，该方法首先通过软件处理得到植入物、解剖结构或解剖结构各个部分、各个层次的三维数字模型；然后，通过软件对模型的全部或者部分进行向内或向外腔体化、空心化、薄壁化处理，形成内部框架结构或加入内部管腔结构，得到打印模型；然后，对体积小、打印成本低的结构直接增添支撑结构后予以打印；对于体积大的结构、分支或网状结构，通过3D支撑结构的分析，并予以分割，再对分割后的模型打印后，通过装配粘合得到模型；最后进行模型的进一步处理。本发明能够提高建模精度，减少打印材料，节省成本、时间，并避免了一些技术瓶颈，故而实用且易于推广。

Description

一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法

技术领域

本发明涉及利用计算机辅助建模领域，尤其涉及人体解剖结构、植入物数字建模及其快速成型方法。

背景技术

目前3D打印技术工业革命方兴未艾，但该技术在临床的应用仍然处于实验室阶段，制约该技术的临床应用主要原因有三：1.精度，临床对精度的要求较高，比如肿瘤的体积、位置等信息，如果偏差较大，可能会导致术中切错组织，2.成型速度，临床术前准备时间有限，延长一天都会给患者带来经济负担，而3D打印技术目前比较耗时，在新的技术突破前，这种现状将维持很长时间，3.成本，目前3D打印的物品成本较高，患者往往无法接受过高的价格，故而没办法产生利润。4.生物墨水研发推广困难，成本较高。故而为改变现状，使3D打印技术在临床的应用得到更好的推广，需要从精度、成型速度、成本、并绕过生物细胞打印技术的瓶颈四个方面下功夫。另外，目前感染的关节置换翻修临时骨水泥假体大多是医生手工制作，其形状不够准确，可能带来一些并发症，可以通过3D打印技术来弥补诸如此类问题的缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高模型建立精度、成型速度，减少成本的人体解剖结构模型、植入物快速成型方法。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，包括以下步骤：

第一步数据采集、图像分割：利用医疗成像***CT、MR、三维扫描仪、摄像摄影设备对目标解剖结构进行扫描、摄影获取图像，并输出图像文件或者点云文件；图像文件导入到图像分割软件，分离出目标解剖结构的像素集(蒙板)或轮廓，在图像分割软件中对分离的蒙板，输出点云文件或能够在逆向工程软件中体现为点云的文件，或者对蒙板计算模型但不做光顺减噪，输出三维模型的文件，而对于功能较强大的图像分割软件，可计算三维模型后，再核对模型轮廓线与图像的偏差，通过修改轮廓线的方式，修正模型再输出模型；如果时间有限对模型精度要求较低，或对图像分割软件计算三维模型产生的偏差有足够的了解，蒙板质量满意，可直接计算三维模型输出进入第五步。

第二步逆向工程处理，利用带有偏差分析功能的逆向或正逆向工程软件对上述数据格式的文件进行去噪、光顺、补洞等各种处理；如第一步输出的蒙板点云或模型较为满意，使用偏差分析功能了解逆向生成的模型与原点云或模型的偏差,依据偏差分析结果修正模型，在模型的光滑程度、解剖结构的真实程度、偏差达到预定要求后,生成CAD曲面模型或实体模型输出到第五步；如输出的蒙板较为粗糙，图像分割软件处理较繁琐的，在逆向工程软件中通过手工去除多余的组织，通过去噪、光顺、补洞等各种处理，生成较为接近目标结构的模型。

第三步 模型与图像的核对验证，第二步生成的模型，生成模型文件回输至图像分割软件，对比模型轮廓与目标解剖结构图像的差异，并通过调整轮廓线、增加删除蒙板像素点等处理，对蒙板或模型进行修正，输出蒙板点云或模型文件。

第四步 逆向工程中模型修正输出、模型质量分级，将修改后的蒙板点云或模型导入逆向工程软件中，通过去噪、光顺、补洞等各种处理，模型光滑、偏差分析达到要求后，得到修正后的模型，在模型的光滑程度、解剖结构的真实程度、偏差达到预定要求后,生成CAD曲面模型或实体模型输出到第五步，三、四步骤可依据模型质量反复进行多次，取得最佳的模型。第一、第二、第四步输出的模型最终质量予可以分级，进行标注。

第五步 模型的进一步处理，第一步、第二步或第四步输出的模型导入CAD或快速成型制造软件中：一)对实体解剖结构或按实体解剖结构处理的，实质器官以及植入物，通过抽壳、面加厚、面偏置、补面、布尔运算等处理，生成空心薄壁模型，壁的厚度由要求与3D打印机精度来决定，如使用SLA打印技术，使用较好的材料，推荐0.8-1.2mm，前面步骤建立的经过偏差分析的模型表面不做修改或编辑，它构成薄壁模型的内表面或外表面；二)对腔体解剖结构或按腔体结构处理的，建立其内外表面的蒙板或模型，然后通过布尔运算的到该结构的蒙板或模型，如仅需要外表面，则可完全当作实质器官处理；三)对于血管、气管、***、胆管、神经等空心分枝样结构的模型，管径小于一定程度建立实体模型，管径大的主干依据需求予以空心化；四)对于内部带有分枝样结构的复合解剖结构的管腔化模型，生成实体解剖结构；对位于实体内的分枝***，通过布尔运算，得到实体去内部除血管的形成内部管腔的模型和位于实体外的分枝***。内部多套分枝结构，需要检查分支结构模型是否相交，布尔运算后在管腔相通的位置增加壁予以隔断；五)对于内部带有分支样结构的复合解剖结构的框架化模型，建立模型后，外部的壳按实体解剖结构进行薄壁空心化，并使实质结构的壁有足够厚度与分枝结构有相连或设计接口与分枝结构末端相连，需要进行对解剖结构分叶分段的，建立叶间隔、室间隔、骨筋膜室壁、大脑镰、小脑幕等实际组织间隔或肝分叶段等人为划分间隔的模型与分枝结构共同构成内部框架。对于不打印外壁使用覆盖软材料进行代替的，为保证覆盖材料的外形正确，在实质结构的上适当切割取材或使用软件功能对实体进行完全框架化，与内部框架组合建立模型；六)对于多层次结构模型，比如透明皮肤内有骨骼模型，脑白质灰质模型，则依据需要进行布尔运算，对其中某一层次设置为空腔，生成带空腔的模型，其它层次可依据需要按实体解剖结构的方法进行抽壳等处理，生成空腔薄壁模型，前面步骤建立的高精度模型表面不做影响精度的修改或编辑，确保其精度；对于演示层次较多的，按照由内向外，或由外向内的顺序进行排序，结构本身的腔隙层次纳入排序；对于连续层次均为实体层次的：选择以外部的实体层次建立的模型为主体，内部的实体层次、部分通过布尔运算在外部模型中形成该层次、部分的空腔，外部层次进行或不进行薄壁空心化，空腔化的实体层次、部分的选择原则是体积较大、需要打印材料(包括支撑材料)多的予以空腔化，利用在多层次中走形的分支结构或在空腔中或空腔间设计支撑连接结构，避免空腔中的结构不能固定于外部结构中，如灰质白质，建立脑模型后内部去除白质模型，形成白质为空腔的模型。欲以覆盖软质材料模拟其外部结构，则选择以内层作为主体，如颅骨与皮肤，在打印的颅骨表面覆盖软材料模拟皮肤，则只需要颅骨模型并打印。如果需要对于多层次结构内部分枝样结构模拟，则将分枝结构分为在实质走形的部分和在腔体层次走形的部分，在实体走形的，将内部分枝结构通过布尔运算在实体内形成管腔结构，腔体化的层次中走形的分支结构设计能够与实体结构的层次中的分支结构对接的装配结构。如将较大的器官当作带分枝结构的多层次解剖结构处理的模型，则内含管径较小的分支段的实质予以建立内部管腔，而管径较大主干区域腔体化，腔体化区域的主干血管走形的分支结构予以打印并与实体结构的层次中的分支结构装配对接；模型可进一步在软件中进行一定比例的缩放。

第六步，装配模型生成，第五步的模型在快速成型辅助软件中对模型进行分析，选择支撑最少的分割方案，对模型进行切割，必要时在切割后的模型部分设计装配对接结构或标记；而为顺利注入或填充，或为适应消毒规范，利用隐蔽的位置或模型本身的结构，在模型上设置必要的注入孔或通气孔；最后所有的部件在快速成型辅助软件中添加支撑结构生成打印文件。

第七步 3D打印，对各部件使用3D打印机进行打印，依据具体需求确定打印方式、材料，高精度推荐使用SLA打印机。打印材料方法优先选择打印精度高的方法，各部分、层次可选用不同的材料进行打印。

第八步，装配以及后续填充、注入、覆盖软质材料，对打印出模型进行去除支撑等处理后，将模型进行装配粘合，多层次模型的组装遵循由里向外的原则；多层次模型在第5步中设置为空腔的层次通过在部件中充填、注入材料来构建或演示，在各部件中充填、注入材料、覆盖软质材料可以在装配前也可以在装配后，覆盖软质材料后还可进一步利用覆盖材料与框架材料的热变形温度的差异予以适当处理使覆盖的软质材料外型更为满意，模型完成。如果是植入物的制作，打印的物品作为植入物的模具，在其中充填材料并粘合凝固甚至是组织培养后，去除模具即可得到植入物；对于使用组织培养的方式获得植入物的，建立的打印模型可以是更微观的结构，打印材料可以是培养基，而注入物可以是干细胞或培养液。

在上述基础上，血管、神经、***、气管、空腔脏器等结构还可建立理想化分枝结构模型后进行成型，模型建立方法如下：

通过在图像分割或逆向工程软件中生成原始模型并计算中心线，模型以及中心线输出至CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线为样条，再对各段样条作为扫掠路径，以圆形、环形、椭圆形、椭圆环形甚至是多段弧线组成的闭合截面、闭合样条曲线、作为扫掠截面，圆形或椭圆形截面的直径随扫掠路径而变化，变化规律可以依据计算公式设定，也可以在样条的控制点做样条的垂直截面，与模型相交的截面线轮廓来拟合。如不能计算中心线或者图像分割不满意者，可通过在图像中描记其走行的中心点，输出到CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线为样条再扫掠；如对精度有较高要求，理想化的血管、气管、***、神经等分枝结构模型建立后，可进一步与原始模型进行偏差分析，依据偏差分析结果修正理想化模型，或导入图像分割软件直接与原图像进行对比修改。

使用本发明制作快速成型模型的主要优势在于，需要打印的材料较少，大大节省成本，提高打印速度，能有效减少成本。建模过程反复核对，使得建模精度大大提高，而由于材料成本的减少、速度的提高，使得全部使用高精度材料方法进行打印，从而提高进一步提高模型精度和质量。由于材料填充和覆盖能够比打印更快地完成，进一步提高了工作效率。使用本发明方案还可以制作更精良的骨水泥假体、具有更贴合缺损的人工骨骼、软骨等植入物。由于本方案避免了生物打印技术生物细胞对温度敏感的瓶颈，故而本方案能更好地进行推广。总之，本发明方案，使3D打印技术更广泛的临床应用推广成为了可能。而模型的反复核对与偏差分析、模型质量分级，则能够提高模型构建精度，将所有有可能导致细节丢失的环节纳入掌控，分级***更能帮助使用者更明确所用模型的精度，使其对于个体的真实情况有更准确的估计、了解，便于质量分析比较，有法可依，防止以次充好。

具体实施方式

为便于本领域普通技术人员更好地理解本发明的实质，下面对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

该方法首先利用CT、MR、扫描仪、摄像摄影设备获取目标结构的图像数据；通过软件处理得到植入物、解剖结构或解剖结构各个部分、各个层次的三维数字模型；然后，通过软件对模型进行处理：模型的全部或者部分进行向内或向外腔体化、空心化、薄壁化处理，形成内部框架结构或加入内部管腔结构，得到打印模型，打印模型可进行进一步缩放；对体积小、打印成本低的结构直接增添支撑结构后予以打印；对于体积大的结构、分支或网状结构，通过3D支撑结构的分析，确定模型最佳分割方案，并予以分割，再对分割后的模型打印后，通过装配粘合得到模型；最后进行模型的进一步处理，模型的空腔、管腔可在装配前或装配后充填或注入材料，对各个部分予以区分或演示，或进一步对填入的材料粘合、凝固成形或组织培养，形成植入物；填充成型后打印的外壁依据需要予以去除，成型后去除薄壁形成植入物；模型或框架表面依据需要进一步覆盖可变性软质材料模拟演示其外部层次或外壁。

本发明建立模型的流程详细说明如下：1.利用CT、MR、三维扫描仪、摄像摄影设备对目标解剖结构(正常或有病变；活体、尸体、模型标本、分层组织切片如病理切片)进行扫描、摄影获取图像，并输出图像文件或者点云文件；图像文件有jpg、dicom等格式，对于组织切片，在显微镜摄影所得图片，需要在制作时注意每层图片中心对准对齐。每层图像文件导入到图像分割软件如MIMICS、3D doctor等软件，分离出目标解剖结构的像素集(蒙板)或轮廓，在图像分割软件中对分离的蒙板，输出点云文件或能够在逆向工程软件中体现为点云的文件，(如MIMICS软件中输出轮廓线IGES格式，在GEOMAGIC、IMAGEWARE软件中显示为点云)，或者对蒙板计算模型但不做光顺减噪，输出三维模型的文件，如在MIMICS软件中以最高分辨率，不光顺不减噪生成的模型，这样可以避免因图像分割软件没有偏差分析功能导致的未知的细节丢失，而对于功能较强大的图像分割软件如MIMICS18以上版本，可计算三维模型后，再核对模型轮廓线与图像的偏差，通过修改轮廓线的方式，修正模型再输出模型；如果时间有限对模型精度要求较低，或对图像分割软件计算三维模型产生的偏差有足够的了解，蒙板质量满意，且不需要CAD处理的，可直接计算三维模型输出至3D打印软件中而不经逆向工程处理。2.逆向工程处理，该步对图像分割软件输出的数据进行处理，主要是在逆向或正逆向软件通过去噪、光顺、补洞等各种处理，去除明显的大块异常区域错误轮廓，去除钉状物、光顺曲面提高模型表面质量，由于不正确的处理会导致模型与原始数据失真，故而需要对模型与原始数据进行偏差分析，并通过模型与图像的反复核对并修改，缩小建立的模型与图像的偏差，其偏差达到的程度纳入分级，或通过偏差分析了解模型构建的精度，并修正模型，模型构建与图像或点云的误差达到的程度纳入分级，最终模型质量按分级标准，予以标注其质量等级。模型质量分级参考指标如下：明显的噪声、伪影造成的大块异常区域或错误轮廓的多少，除去异常区域、错误轮廓模型偏差分析的各项数值，以其中最大偏差数值为主，模型表面钉状物的个数，模型轮廓与图像的最大偏差有多少像素。最佳的模型应是所有大块异常区域错误轮廓予以去除，模型表面钉状物除骨表面明显骨刺、分枝样结构细小分支等解剖结构本身就具备的细小特征以外的个数为0，偏差分析最大偏差小于0.5mm或0.1mm，模型轮廓与图像的最大偏差小于1个像素。逆向工程处理后的生成CAD曲面或实体模型，输入CAD软件，或以STL等文件格式输入3D打印软件。3.模型的进一步处理生成打印模型：一)对实体解剖结构或按实体解剖结构处理的，如骨骼、肌肉、肝、脾等实质器官，以及植入物比如髋关节假体，通过进一步的设计(如加入球头等)以及抽壳、面加厚、面偏置、补面、布尔运算等处理，生成空心薄壁模型，壁的厚度由要求与3D打印机精度来决定，如使用SLA打印技术使用较好的材料，推荐0.8-1.2mm，前面步骤建立的经过偏差分析的模型表面不做修改或编辑，防止失真，它构成薄壁模型的内表面或外表面；二)对腔体解剖结构或按腔体结构处理的，如胃、肠、心、膀胱等是建立其内外表面的蒙板或模型，然后通过布尔运算的到该结构的蒙板或模型，如仅需要外表面，则可完全当作实质器官处理；三)对于血管、气管、***、胆管、神经等空心分枝样结构的模型，管径小于一定程度建立实体模型，管径大的主干依据需求予以空心化；四)对于内部带有分枝样结构的复合解剖结构的管腔化模型，推荐对体积较小的解剖结构使用，如演示带有血管的脾脏，带有血管以及肾盂的肾脏，带血管的肿瘤等，生成实体解剖结构，对位于实体内的分枝***，通过布尔运算，得到实体去内部除血管的形成内部管腔的模型和位于实体外的分枝***。内部多套分枝结构，需要检查分支结构模型是否相交，布尔运算后在管腔相通的位置增加壁予以隔断；五)对于内部带有分支样结构的复合解剖结构的框架化模型，推荐对体积较大的解剖结构使用，如带有血管、胆管的肝脏，带气管、血管的肺，建立模型后，外部的壳如肝脏、肺按实体解剖结构进行薄壁空心化，并使实质结构的壁有足够厚度与分枝结构有相连或设计接口与分枝结构末端相连，需要进行对解剖结构分叶分段的，建立叶间隔、室间隔、骨筋膜室壁、大脑镰、小脑幕等实际组织间隔或肝分叶段等人为划分间隔的模型与分枝结构共同构成内部框架。对于不打印外壁使用覆盖软材料进行代替的，为保证覆盖材料的外形正确，在实质结构的上适当切割取材或使用软件功能对实体进行完全框架化，与内部框架组合建立模型；六)对于多层次结构模型，比如透明皮肤或肌肉内有骨骼模型，脑白质灰质模型，则依据需要进行三维模型的布尔运算，对其中某一层次设置为空腔，生成带空腔的模型，其它层次可依据需要按实体解剖结构的方法进行抽壳等处理，生成空腔薄壁模型，前面步骤建立的高精度模型表面不做影响精度的修改或编辑，确保其精度。对于演示层次较多的，按照由内向外，或由外向内的顺序进行排序，结构本身的腔隙层次纳入排序，如演示皮肤、颅骨、灰质、白质的头颅模型，由外向内排序皮肤、颅骨、蛛网膜下腔(腔隙)、灰质、白质，对于连续层次均为实体层次的：选择以外部的实体层次建立的模型为主体，内部的实体层次、部分通过三维模型的布尔运算在外部模型中形成该层次、部分的空腔，外部层次进行或不进行薄壁空心化，空腔化的实体层次、部分的选择原则是体积较大、需要打印材料(包括支撑材料)多的予以空腔化，利用在多层次中走形的分支结构或在空腔中或空腔间设计支撑连接结构，避免空腔中的结构不能固定于外部结构中，如灰质白质，建立脑模型后内部去除白质模型，形成白质为空腔的模型。欲以覆盖软质材料模拟其外部结构，则选择以内层作为主体，如颅骨与皮肤，在打印的颅骨表面覆盖软材料模拟皮肤，则只需要颅骨模型并打印。如果需要对于多层次结构内部分枝样结构模拟，则将分枝结构分为在实质走形的部分和在腔体层次走形的部分，在实体走形的，将内部分枝结构通过三维模型的布尔运算在实体内形成管腔结构，腔体化的层次中走形的分支结构设计能够与实体结构的层次中的分支结构对接的装配结构。如将较大的器官当作带分枝结构的多层次解剖结构处理的模型，则内含管径较小的分支段的实质予以建立内部管腔，而管径较大主干区域腔体化，腔体化区域的主干血管走形的分支结构予以打印并与实体结构的层次中的分支结构装配对接；七)模型可进一步在软件中进行一定比例的缩放。4.装配模型生成，处理后的模型在快速成型辅助软件中对模型进行分析，选择支撑最少的分割方案，对模型进行切割，必要时在切割后的模型部分设计装配对接结构或是标记，如选用的辅助软件不具备设计功能，可在CAD软件中完成分割以及对接结构的添加；而为顺利注入或填充，或为适应消毒规范，利用隐蔽的位置或模型本身的结构如滋养孔血管等，在模型上设计必要的注入孔、通气孔。最后所有的部件在快速成型辅助软件中添加支撑结构生成打印文件。5.3D打印，对各部件使用3D打印机进行打印，依据具体需求确定打印方式、材料，高精度推荐使用SLA打印机。打印材料方法优先选择打印精度高的方法，各部分、层次可选用不同的材料进行打印。6装配与后续处理，打印成型的材料除按打印后的一般处理如去除支撑、清洗表面等外，需对各部分进行装配，对于管腔化的模型，在装配前或后管腔中充填注入染色剂标注管腔，如打印透明脾脏，内部血管通过管腔内的染色剂予以演示，如果带有多套分支结构，如动脉和静脉，通过在装配前或装配后在管腔中注入不同染色剂予以区分。为避免染色剂进入错误的分支，在管腔相通处设计隔断，防止不同的分支相互干扰，导致染色混淆。形成框架结构的，可以在框架结构外覆盖柔软可变形的材料，并缝合、钉合、粘连，取代模型外表面的打印，或利用内部框架结构作为支撑结构打印模型外壁；框架结构内部空腔还可进一步注射填充材料，或进一步对填入的材料粘合或凝固成形，提高演示效果。如在肺模型充填液体模拟积液积水等使用框架结构的，分枝结构的区分使用不同颜色的材料打印或进行涂色。实体解剖结构使用透明材料打印，实体内的分支***通过此法能清晰演示。框架、管腔化结合的方式制作的带分枝结构的多层次解剖结构(多层次的实体、腔体结构)，或将较大的器官当作带分枝结构的多层次解剖结构制作的模型,在装配对接前或后，按照管腔化框架化的注入填充处理，如带血管颅脑模型，白质予以腔体化,灰质按管腔化处理，白质中血管打印与管腔化的灰质对接，白质层充填或不充填,灰质外腔隙中的血管予以打印予以装配，然后装配打印颅骨，颅骨外附软质材料模拟皮肤。如果是植入物的制作，打印的物品作为植入物的模具或框架，在其中充填材料并粘合凝固甚至是组织培养后，去除模具即可得到植入物，比如骨水泥假体，人工骨骼、关节软骨植入物等等。对于使用组织培养的方式获得植入物的，建立的打印模型可以是更微观的结构，打印材料可以是培养基，而注入物可以是干细胞或培养液。如用于翻修术的髋关节骨水泥假体，通过上述方法得到模具后，术中在模具中充填骨水泥得到需要的骨水泥假体。如培养更合适外型的软骨或骨软骨，通过对关节面建模打印制作模具后，在其中充填干细胞以及培养材料，得到合适外型的软骨组织，从而更利于移植。

血管、气管、***、胆道***、集合***等空心分枝样结构的模型，管径小于一定程度使用实心结构建模打印，神经等实心分枝样结构使用实心，管径大的主干依据需求使用空心结构进行建模打印。分枝样结构可依据需要进一步建立理想化模型，理想化的血管、气管、***、神经等分枝结构在图像分割或逆向工程软件中生成原始模型并计算中心线，模型以及中心线输出至CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线功能将中心线转变为可以作为扫掠路径的曲线，以理想化的闭合曲线(如圆形、环形、椭圆形、椭圆环形甚至是多段弧线组成的闭合截面、闭合样条曲线)作为扫掠截面，进行扫掠建立模型。(圆形或椭圆形)截面的大小随扫掠路径而变化，变化规律可以依据一定的计算公式设定，也可以在扫掠路径的关键控制点做垂直截面，与原始模型相交的截面线轮廓来拟合生成理想化的截面。不能计算中心线或者图像分割不满意者，则通过在图像中描记其走行的中心点，输出到CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线为样条再扫掠。如对精度有较高要求，理想化的血管、气管、***、神经等分枝结构模型建立后，可进一步与原始模型进行偏差分析，依据偏差分析结果修正理想化模型，或导入图像分割软件直接与原图像进行比对后修改。

对于多个不同解剖结构(同种或不同种)的组合演示，如果两器官或组织本身相贴合或较为接近，如肝脏与胆囊，则在贴合或接近处设计隐蔽接口粘合或当作一个器官分割、打印、装配，而如两器官或组织相距较远且两者共同的“容器”层次不需要打印时，如肝与脾演示不需要腹腔，骨与肌肉中的血管同时演示不需要肌肉，则设计简单框架、支架或容器打印，打印出的模型安装在框架、支架、容器中的相应位置，使各个结构的位置关系正确。

如填充、注入材料包括但不限于磷酸盐、碳酸盐、硫酸盐如石膏、羟基磷灰石、骨水泥、动物组织或其它仿生材料、明胶淀粉琼脂塑料树脂等高分子材料、金属、或上述以及其它固体材料的粉末、墨水或其它染色剂、液体或其它可凝固的材料等，用于框架覆盖软材料包括但不限于皮革、橡胶、纸质材料、塑料树脂纤维等高分子材料或织物、石膏、泥等凝固材料等等。

模型需要进行配准的，配准是通过软件中的配准功能实现的，在两幅图像共同的辨识度高的结构如骨骼、扫描时在人体外安装的配准球体等，以相同参数路线建模后，在图像分割软件或逆向工程软件中进行对该结构配准。不具备配准功能的，通过软件或手工计算两幅图像共同的辨识度高的结构的模型的质心、坐标主轴，通过坐标变换到该坐标系实现配准。

需要进行消毒的打印模型，为适应消毒规范，模型上设计必要的通气孔，通气孔数目、大小、位置、形状的变化属于本发明保护范围。

各个打印部件打印材料、打印机型选择、打印精度变化、填充材料变化、连接结构变化、分割部件方式变化、框架、支架、容器的变化应在本发明保护范围之内。

各种解剖结构的按照上述权利方式变通处理应对各种需要，比如腔体解剖结构当作实体解剖结构来建立空心薄壁模型，体积较大的带分支结构的实体或多层次模型全部等等，均属于本发明的保护范围。

本发明使用图像分割软件、逆向或正逆向工程软件、CAD软件、快速成型制造软件(3D打印软件)四类软件中的若干软件，使用软件的变化属于本发明保护范围。

依据本发明的思想，进一步建立优化算法整合各步骤开发的软件***应属于本发明保护范围。

Claims (9)

1.一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，该方法首先利用医疗成像***、三维扫描仪、摄像摄影设备获取目标结构的图像数据；然后通过软件处理图像得到植入物、解剖结构或解剖结构各个部分、各个层次的三维数字模型，并依据需要对模型的构建质量予以分级并标注；再通过软件对模型进行处理：模型的全部或者部分进行向内或向外腔体化、空心化、薄壁化处理，形成内部框架结构或加入内部管腔结构，得到打印模型，打印模型可进行进一步缩放，对体积小、打印成本低的结构直接增添支撑结构后予以打印，对于体积大的结构、分枝样结构或网状结构，通过3D支撑结构的分析，确定模型最佳分割方案，并予以分割，再对分割后的模型打印后，通过装配粘合得到模型；最后进行模型的进一步处理，模型的空腔、管腔可在装配前或装配后充填或注入材料，对各个部分予以区分或演示，或进一步对填入的材料粘合、凝固成形或组织培养，形成植入物；填充成型后打印的外壁予以去除，成型后去除薄壁形成植入物；模型或框架表面可进一步覆盖可变性软质材料模拟演示其外部层次或外壁；

其中制作内部带有分枝样结构的解剖结构，适用于加入内部管腔、形成框架结构或两者结合的方式；加入内部管腔是通过建立实体以及分枝状结构模型，对位于实体内的分枝***，通过三维模型的布尔运算，得到实体去内部除血管的模型，以及位于实体外的分枝***，实体外与实体内的分枝***通过CAD设计装配接口，两者分解打印装配后，如果带有多套分枝样结构，通过在装配前或装配后在管腔中注入不同染色剂予以区分；为避免染色剂进入错误的分支，在管腔相通处设计隔断，防止不同的分支相互干扰，导致染色混淆；实体解剖结构使用透明材料打印，实体内的分支***通过此法能清晰演示；使用框架结构的，分枝结构的区分使用不同颜色的材料打印或进行涂色；框架、管腔化结合的方式适用于带分枝结构的多层次解剖结构或实体、腔体结构，或将较大的器官当作带分枝结构的多层次解剖结构处理,基本原则是作为实体打印的内部分枝结构形成管腔结构对实体进行打印，腔体化的层次中走行的分支结构予以打印，并与实体结构的层次中的管腔化分支结构装配对接。

2.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，在三维数字模型的建立阶段，解剖结构、植入物，通过模型与图像的反复核对并修改，缩小建立的模型与图像的偏差，其偏差达到的程度纳入分级，或通过偏差分析了解模型构建的精度，并修正模型，模型构建与图像或点云的误差程度纳入分级，最终模型质量按分级标准，予以标注其质量等级；模型质量分级参考指标如下：明显的噪声、伪影造成的大块异常区域或错误轮廓的多少，除去异常区域、错误轮廓模型偏差分析的各项数值，以其中最大偏差数值为主，模型表面钉状物的个数，模型轮廓与图像的最大偏差有多少像素；最佳的模型应是所有大块异常区域错误轮廓予以去除，模型表面钉状物除骨表面明显骨刺、分枝样结构细小分支，解剖结构本身就具备的细小特征以外其个数为0，偏差分析最大偏差小于0.5mm或0.1mm，模型轮廓与图像的最大偏差小于1个像素。

3.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，所述解剖结构由框架结构制作而成，框架结构是选取以下结构中的全部或部分组合建立：分枝样结构，解剖间隔、筋膜；人为划分的间隔，在实体结构中适当分割、取材或实体结构完全框架化。

4.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，对于多个部分、多个层次的解剖结构演示，先对需要演示的层次结构由内到外或由外到内排序，结构本身的腔隙层次纳入排序，对于连续层次均为实体层次的：选择以外部的实体层次建立的模型为主体，内部的实体层次或部分通过三维模型的布尔运算在外部模型中形成该层次或部分的空腔，外部层次进行或不进行薄壁空心化，并进行打印组装后，在形成空腔的层次、部分填充或注入材料，以演示这些层次、部分；选择以内层作为主体的，模型建立后可在其上覆盖软质材料模拟其外部的结构。

5.据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，在分割模型后，可在各部件上通过CAD软件建立装配连接结构或标记，并利用隐蔽的位置或模型本身的结构孔洞，在模型上设置有方便填充或消毒的注入孔或通气孔。

6.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，所述分枝样结构，管径小空心的使用实心结构建模打印，实心分枝样结构使用实心，管径大的主干依据需求使用空心结构进行建模打印；分枝样结构进一步建立理想化模型，理想化的分枝结构在图像分割或逆向工程软件中生成原始模型并计算中心线，模型以及中心线输出至CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线功能将中心线转变为扫掠路径的曲线，以理想化的闭合曲线作为扫掠截面，进行扫掠建立模型，即环形或者多段弧线组成的闭合截面、闭合样条曲线；该闭合截面的大小随扫掠路径而变化，变化规律可以依据计算公式设定，也可以在扫掠路径的关键控制点做垂直截面，与原始模型相交的截面线轮廓来拟合生成理想化的截面；不能计算中心线或者图像分割不满意，则通过在图像中描记其走行的中心点，输出到CAD软件中，通过控制误差的拟合曲线为样条再扫掠。

7.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，对于多个不同解剖结构的组合演示，两器官或组织本身相贴合或较为接近，则在贴合或接近处设置隐蔽接口粘合或作为一个器官分割、打印、装配，而两器官或组织相距较远且两者共同的容器层次不需要打印时，则设计简单框架、支架或容器打印，打印出的模型安装在框架、支架、容器中的相应位置，使各个结构的位置关系正确。

8.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，同一模型内部不同结构或多个不同的模型的组合模型，其各个部分的来源不同的，则需要对模型进行配准，配准是通过软件中的配准功能实现的，在两幅图像共同辨识度高的结构中，骨骼、扫描时在人体外安装的配准球体，以相同参数路线建模后，在图像分割软件或逆向工程软件中对模型内部不同结构进行配准；不具备配准功能的，通过软件或手工计算两幅图像共同的辨识度高的结构的模型的质心、坐标主轴，通过坐标变换到坐标系实现配准。

9.根据权利要求1所述一种人体解剖结构模型、植入物快速成型方法，其特征在于，对于组织培养获得植入物的，建立的打印模型是微观的结构，打印的是用于培养、塑形的容器或支架，材料是培养基，而注入物是干细胞或培养液；通过容器内或支架上的细胞培养得到植入物或植入结构。