CN105250062B - 一种基于医学影像的3d打印骨骼矫形支具制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，首先采集患者的CT、MRI等医学影像，在计算机中重建待矫正部位的骨骼三维模型和皮肤三维模型，根据皮肤三维模型正向设计与待矫正部位表面完全贴合的支具，根据骨骼三维模型确定矫形所需要的施力点并对支具进行设计，得到矫形支具的三维模型，最后通过3D打印机打印生产出来。本发明利用患者的CT、MRI等医学影像进行三维重建，可很好地显示骨骼畸形，并可方便测量骨骼数据；同时，利用构建的三维模型，直接提取患者皮肤模型作为体表数据，简化了患者体表数据获取的流程，数据更精准。本发明方法尤其适合制备夜间佩戴的矫形支具。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体为一种骨骼矫形支具的3D打印制备方法。
背景技术
脊柱侧弯是一种脊柱的三维畸形，包括冠状面、矢状面和水平面的椎体序列异常。正常人的脊柱从后面看应该是一条直线，并且躯干两侧对称。如果从正面看有双肩不等高或后面看到有后背左右不平，就应怀疑“脊柱侧弯”。这个时候拍摄站立位的全脊柱X线片，如果正位X线片显示脊柱有大于10度的侧方弯曲，即可诊断为脊柱侧弯。轻度的脊柱侧弯通常没有明显的不适，外观上也看不到明显的躯体畸形。较重的脊柱侧弯则会影响婴幼儿及青少年的生长发育，使身体变形，严重者可以影响心肺功能、甚至累及脊髓，造成瘫痪。轻度的脊柱侧弯可以观察，配合矫形体操，中度的脊柱侧弯必须穿戴矫形支具。严重者需要手术治疗。脊柱侧弯是危害青少年和儿童的常见疾病，关键是要早发现、早治疗。
目前，脊柱侧弯矫形与预防主要有形体训练、支具治疗以及手术治疗等方式，其中形体训练常见的有脊柱侧凸形体训练。
脊柱侧凸形体训练是指根据脊柱侧凸发生部位，指导患者在简单设备辅助下，通过增强脊柱周围肌肉力量，使之与脊柱侧凸发展相对抗，从而控制脊柱侧凸进展的一系列形体活动。此治疗方式一般适用于脊柱侧凸较轻(如侧凸角度为10°～20°)或不能配合支具治疗的患者。
支具治疗是指通过各种材料做成的矫形器在脊柱侧凸位置的凸处一侧(简称凸侧)施加一个反向的挤压力，从而起到部分矫正侧凸并控制侧凸的进展。一般用于侧凸角度20°～40°并且生长潜能仍很大的患者。大部分角度较小的患者采用支具治疗将有可能限制侧凸的发展，从而避免手术。目前临床常用的支具有以下两种类型：软支具(适用于侧凸角度较小，脊柱较柔软的小孩)和硬支具(适用于侧凸角度较大，脊柱柔软度较差的小孩)。
传统的矫形支具存在以下几个问题：矫形支具的定型矫形效果受支具师专业水平限制，更多依赖于支具师的经验，矫形效果难以保障；支具太大，不容易遮掩；支具不透气，夏天穿戴非常热。
近来有人提出了一种支具的制备方法，该制备方法利用三维扫描技术获取人体部位表面点云数据，并进行三维建模；然后利用X光透视设备获取骨骼信息，修正三维模型；再利用3D打印技术，分块多线打印，制作出矫形支具，最后拼接成型。现有的这种技术虽然解决了支具穿戴舒适度的问题，但是仅依靠X光片来获取骨骼信息，可获取的信息有限。由于X光片多数为站立状态下的正侧位线片，无法提供夜间支具的信息。此外，大多数的医院未配备三维扫描仪，难以获取患者的体表数据。
发明内容
为解决现有技术所获取骨骼信息有限，制备的支具不适合夜间穿戴的技术问题，本发明提出一种基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，利用患者的CT、MRI等医学影像进行三维重建，可很好地显示骨骼畸形，并可方便测量骨骼数据(例如胸椎椎弓根的横径、椎弓根-肋骨头结合体横径、椎弓根矢状径等)；同时，利用构建的三维模型，直接提取患者皮肤模型作为体表数据，简化了患者体表数据获取的流程，数据更精准。本发明方法尤其适合制备夜间佩戴的矫形支具。
本发明采用如下技术方案：一种基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采集待矫正部位的CT断层扫描医学影像；
步骤2：在计算机中导入步骤1所采集的数据，利用三维后处理软件进行三维重建，根据不同组织的密度，分离骨骼三维模型和皮肤三维模型；
步骤3：在骨骼三维模型上观察骨骼形态，测量骨骼数据，确定矫形方案；
步骤4：根据矫形方案对矫形支具的皮肤三维模型进行修改设计；
步骤5：利用修改后的皮肤三维模型，设计与患者皮肤完全匹配的矫形支具模型；
步骤6：采用3D打印技术将设计好的矫形支具打印生产。
优选地，步骤1还采集X光片影像，步骤3所述矫形方案结合X光片确定。
优选地，步骤3观察脊椎弯曲弧线顶点出现在哪个脊柱，并测量脊椎弯曲的角度方向和大小；观察脊椎是否有旋转，如伴有旋转，测量旋转的方向与大小。
优选地，步骤1采集待矫正部位的CT断层扫描医学影像后将获取二维医学影像DICOM数据，步骤2包括以下步骤：
步骤21、将二维医学影像DICOM数据导入医学影像处理软件中；
步骤22、在医学影像处理软件中使用阈值选择功能，选择需要提取的骨骼组织密度阈值范围和皮肤组织密度阈值范围；
步骤23、将所述阈值范围内的组织提取出来，并保存为STL文件。
在步骤22中，骨骼的阈值范围在250-3000间，皮肤的阈值范围在-140左右。
优选地，步骤4包括以下步骤：
步骤41、根据步骤3所确定的矫形方案对皮肤三维数据进行凹陷处理，凹陷的位置、方向、范围及深度与矫形方案一致；
步骤42、根据步骤3所确定的矫形方案，对力的释放区域进行掏空或松弛处理；
步骤43、删除皮肤三维数据上不需要的部分。
优选地，步骤5包括以下步骤：
步骤51、对修改后的皮肤三维模型进行扩大或缩小处理，使之成为矫形支具的雏形；
步骤52、对支具雏形进行增厚处理，使之成为完整的矫形支具；
步骤53、对支具的边角进行倒角处理。
在步骤51中，若矫形支具贴身穿则进行缩小处理，若矫形支具隔衣服穿则进行增大处理。
与现有技术相比，本发明创造所带来的有益效果如下：
1、本发明利用患者的CT、MRI等医学影像进行三维重建，可很好地显示骨骼畸形，并可方便测量骨骼数据(例如胸椎椎弓根的横径、椎弓根-肋骨头结合体横径、椎弓根矢状径等)；同时，利用构建的三维模型，直接提取患者皮肤模型作为体表数据，简化了患者体表数据获取的流程，数据更精准。
2、由于医学影像数据多数为仰卧状态下的影像，可为夜间支具提供精准的骨骼数据信息；进一步结合X线片可为日间支具的制作提供更为全面的信息。
3、借助三维处理技术和3D打印技术制作矫形支具，所制备的骨骼矫形支具质量轻，佩戴舒服，适应性好，治疗效果明显，还减少了制备过程对支具师的依赖。
4、由于该方法以待矫正部位的CT断层扫描医学影像和X光片影像作为数据输入，数据容易获得，便于推广和实施。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的具体实施方式不局限于此。
实施例
本发明首先采集患者的CT、MRI等医学影像，在计算机中重建待矫正部位的骨骼三维模型和皮肤三维模型，根据皮肤三维模型正向设计与待矫正部位表面完全贴合的支具，根据骨骼三维模型确定矫形所需要的施力点并对支具进行设计，得到矫形支具的三维模型，最后通过3D打印机打印生产出来。参见图1，具体包括如下步骤：
步骤一：采集待矫正部位的CT断层扫描医学影像和X光片影像；获取DICOM数据。
步骤二：在计算机中导入二维医学影像DICOM数据，利用三维后处理软件进行三维重建，根据不同组织的密度，分离骨骼三维模型和皮肤三维模型。具体如下：
A、将二维医学影像DICOM数据导入医学影像处理软件中。
B、在医学影像处理软件中使用阈值选择功能，选择需要提取的骨骼组织密度阈值范围和皮肤组织密度阈值范围。
C、将所述阈值范围内的组织提取出来，并保存为STL文件。一般提取骨骼和皮肤，骨骼的阈值范围在250-3000间，皮肤的阈值范围在-140左右。
步骤三：在骨骼三维模型上观察骨骼形态，测量骨骼数据，结合X光片确定矫形方案。
本步骤主要是观察脊椎弯曲弧线顶点出现在哪个脊柱，并测量脊椎弯曲的角度方向和大小；观察脊椎是否有旋转，如伴有旋转，测量旋转的方向与大小。其中X光片不是必须的，而是作为辅助手段，通过软件的融合功能匹配X光片数据与CT数据，进一步提高了数据准确性，使得确定后的矫形方案充分考虑了患者在站立状态下的骨骼信息。
步骤四：根据矫形方案对矫形支具的皮肤三维模型进行修改设计。具体如下：
A、根据矫形方案对皮肤三维数据进行凹陷处理，凹陷的位置、方向、范围及深度与矫形方案一致。
B、根据矫形方案，对力的释放区域进行掏空或松弛处理。
C、删除皮肤三维数据上不需要的部分，例如头部、上臂等。
D、进行美观设计处理，如设计花纹。本步骤是对皮肤三维模型的优化，设计花纹不是必须的，只是让制备后的矫形支具更加美观。
步骤五：采用设计软件，利用修改后的皮肤三维模型，设计与患者皮肤完全匹配的矫形支具模型。具体如下：
A、对修改后的皮肤三维模型进行扩大或缩小处理，使之成为矫形支具的雏形。若矫形支具贴身穿则稍微缩小，若矫形支具隔衣服穿则稍微增大。
B、对支具雏形进行增厚处理，使之成为完整的矫形支具。
C、对支具的边角进行倒角处理，以免有锐角刮伤皮肤。
步骤六：采用3D打印技术将设计好的矫形支具打印生产。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集待矫正部位的CT断层扫描医学影像和X光片影像；
步骤2：在计算机中导入步骤1所采集的数据，利用三维后处理软件进行三维重建，根据不同组织的密度，分离骨骼三维模型和皮肤三维模型；
步骤3：在骨骼三维模型上观察骨骼形态，测量骨骼数据，确定矫形所需要的施力点，结合X光片确定矫形方案，使确定后的矫形方案充分考虑了患者在仰卧状态下和站立状态下的骨骼信息；
步骤4：根据矫形方案对矫形支具的皮肤三维模型进行修改设计；
步骤5：利用修改后的皮肤三维模型，设计与患者皮肤完全匹配的矫形支具模型；
步骤6：采用3D打印技术将设计好的矫形支具打印生产。
2.根据权利要求1所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤3观察脊椎弯曲弧线顶点出现在哪个脊柱，并测量脊椎弯曲的角度方向和大小；观察脊椎是否有旋转，如伴有旋转，测量旋转的方向与大小。
3.根据权利要求1所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤1采集待矫正部位的CT断层扫描医学影像后将获取二维医学影像DICOM数据，步骤2包括以下步骤：
步骤21、将二维医学影像DICOM数据导入医学影像处理软件中；
步骤22、在医学影像处理软件中使用阈值选择功能，选择需要提取的骨骼组织密度阈值范围和皮肤组织密度阈值范围；
步骤23、将所述阈值范围内的组织提取出来，并保存为STL文件。
4.根据权利要求3所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤22中，骨骼的阈值范围在250-3000间，皮肤的阈值范围在-140左右。
5.根据权利要求1所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤41、根据步骤3所确定的矫形方案对皮肤三维数据进行凹陷处理，凹陷的位置、方向、范围及深度与矫形方案一致；
步骤42、根据步骤3所确定的矫形方案，对力的释放区域进行掏空或松弛处理；
步骤43、删除皮肤三维数据上不需要的部分。
6.根据权利要求5所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤4还包括步骤44、进行美观设计处理。
7.根据权利要求1所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤5包括以下步骤：
步骤51、对修改后的皮肤三维模型进行扩大或缩小处理，使之成为矫形支具的雏形；
步骤52、对支具雏形进行增厚处理，使之成为完整的矫形支具；
步骤53、对支具的边角进行倒角处理。
8.根据权利要求7所述的基于医学影像的3D打印骨骼矫形支具制备方法，其特征在于，步骤51中，若矫形支具贴身穿则进行缩小处理，若矫形支具隔衣服穿则进行增大处理。
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