CN107895597A - 一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，是由脊柱二维图像预处理模块、脊柱三维模型重建模块、参数化癌转移脊柱模型重建模块、脊柱运动分析模块组成；本发明基于医学影像图像，可以重建人体脊柱3D实体模型；充分集成肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位等参数，建立参数化的癌转移脊柱3D模型；结合运动载荷分析，进行癌转移脊柱生物力学评估及椎骨失效机制的研究探索。本发明支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW、STL、PLY等在内的多种格式文件的批量导入，同时也提供STL、PLY、IGES等3D模型数据的导出，与常规有限元软件交互性良好，真正意义上实现了对癌转移人体脊柱的精细、多参数、一体化的模型重建与分析。
Description
技术领域
本发明涉及脊柱生物力学领域，特别涉及一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***。
背景技术
脊柱转移癌是指原发于骨外的其他恶性肿瘤，通过血液循环、淋巴循环或直接扩散等途径转移到脊柱并继续生长，形成继发性的肿瘤病灶。转移癌破坏脊柱骨质，造成椎节塌陷及脊髓神经受压，进而导致顽固性疼痛、骨髓衰竭、病理性骨折、截瘫等并发症，严重影响患者生活质量和生存期。脊柱转移癌的发病率远高于原发性恶性脊柱肿瘤，具有较高的致残率和死亡率，严重危害人类健康。
国内脊柱转移癌研究起步较晚，对于该病的预后无论是临床还是基础研究都缺乏丰富的经验，尤其是脊柱生物力学及椎骨失效机制等基础理论的不足，导致术中术后严重并发症的发生。目前，临床中只能依靠医生的个人经验和主观判断进行脊柱转移癌预后评估，对于手术时机和方案的选择一直颇有争议且未形成一致的标准。因此，亟需开展癌转移人体脊柱的生物力学模型的研究，明晰肿瘤参数对椎骨失效的影响机制。鉴于临床脊柱实验生物力学的局限性，近年来，研究人员开始将具有可替代性、可重复性和可控性等优点的有限元分析法引入到脊柱的研究中。
2011年，西安电子科技大学的鱼滨、代俊、王莹在专利发明CN 102208117A中发明了脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，通过对三维重建后的医学CT图像进行特征点定位和标记，获得每个脊椎样本的形状矩阵，采用最近点迭代算法和主成分分析法对形状矩阵进行对齐、配准及训练，从而建立脊椎的几何形态统计模型。2012年，中南大学湘雅医院的张宏其和谢一方在专利发明CN 102743158 A中发明了一种脊柱数字化重建方法及***，以患者的骨盆投射角的基础，通过计算和绘图重建稳定的脊柱—骨盆矢状面平衡，以指导脊柱矫形手术。2015年，天津市医学堂科技有限公司的秦志超、黄鹏和张磊在专利发明CN 105448155 A中发明了脊柱内镜虚拟训练***，通过仿真模型、手术器械、传感***和服务器，模拟临床真实手术场景。这些专利都对脊柱的三维高精度建模、定位及模拟提供了新的技术与方法，但均未可考虑肿瘤大小、肿瘤数量、肿瘤形状、肿瘤空间方位等参数建立癌转移人体脊柱模型，也未对参数化癌转移人体脊柱模型进行生物力学分析。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，而提供一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，本发明与常规有限元软件交互性良好，真正意义上实现了对癌转移人体脊柱的精细、多参数、一体化的模型重建与分析。
本发明是由脊柱二维图像预处理模块、脊柱三维模型重建模块、参数化癌转移脊柱模型重建模块、脊柱运动分析模块组成。所述的脊柱二维图像预处理模块支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW等在内的多种格式文件的批量导入及批量图像预处理；所述的脊柱三维模型重建模块包括面三维重建、体三维重建、脊柱三维模型人机交互模块及脊柱三维模型导出模块；所述的参数化癌转移脊柱模型重建模块包括脊柱3D模型导入、肿瘤设置模块、分区网格划分、3D肿瘤脊柱模型导出模块；脊柱运动分析模块包括参数化癌转移脊柱3D模型导入、载荷作用模块及运动分析模块。
所述的批量图像预处理集成了多种图像滤波、图像增强、图像插值、图像分割及边缘检测方法，来提高***的适用性和灵活性。
所述的脊柱三维模型人机交互模块不但包括平移、旋转、缩放等几何变换上的视觉调整，还包括径线、夹角、椎管横截面积、椎管容积等几何尺寸上的二维、三维测量。
所述的脊柱三维模型导出模块提供STL、PLY、IGES等3D模型数据的导出，保证与常规有限元软件的良好通讯。
所述的肿瘤设置模块提供肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位等多个肿瘤特征参数的调节。
所述的3D肿瘤脊柱模型导出模块提供STL、PLY、IGES等划分网格前后的3D模型数据，保证与常规有限元软件的数据高速处理及无缝转化。
所述的载荷作用模块内置各种载荷算法，可以为癌转移人体脊柱模型进行运动仿真分析提供牵引、挤压、扭转及弯曲等特定作用载荷。
所述的运动分析模块可以提供脊柱在各种受力状态下的位移、应力变化以及关键椎骨的载荷作用特征信息，方便操作人员开展癌转移脊柱模型生物力学及椎骨失效机制的研究。
本发明的有益效果：
1)考虑到影像学图像本身的不均匀性和模糊性，再加上脊柱与人体的其他部位相比，其形态结构和运动形式的复杂性，本发明集成了多种图像预处理的手段，来提高人体脊柱3D重建的适用性和灵活性。
2)本发明充分集成肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位等参数，可以很方便的进行肿瘤信息的设定，操作简单，可以快速自动生成癌转移脊柱三维模型，并结合运动载荷分析，为癌转移脊柱生物力学评估及椎骨失效机制的研究提供了一种简单、高效、准确的建模与分析新技术。
3)本***支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW、STL、PLY等在内的多种格式文件的批量导入，同时也提供STL、PLY、IGES等格式的3D模型(3D脊柱模型、划分网格前后的3D肿瘤脊柱模型)数据的导出，保证与常规有限元软件的数据高速处理及无缝转化。
4)本***交互界面良好，使用方便，效率高，实用性强，具有较好的应用及推广价值。
附图说明
图1是本发明***组成方框图。
图2是本发明脊柱二维图像预处理模块界面示意图。
图3是本发明人体脊柱三维模型重建模块界面示意图。
图4是本发明参数化癌转移脊柱模型重建模块界面示意图。
图5是本发明脊柱运动分析模块界面示意图。
其中：1—脊柱二维图像预处理模块；2—批量导入；3—批量图像预处理；4—图像平滑；5—图像滤波；6—图像增强；7—图像插值；8—图像分割；9—边缘检测；10—脊柱三维模型重建模块；11—面三维重建；12—体三维重建；13—脊柱三维模型人机交互模块；14—视觉调整；15—二维测量；16—三维测量；17—脊柱三维模型导出模块；18—参数化癌转移脊柱模型重建模块；19—脊柱3D模型导入；20—分区网格划分；21—肿瘤设置模块；22—3D肿瘤脊柱模型导出模块；23—脊柱运动分析模块；24—参数化癌转移脊柱3D模型导入；25—载荷作用模块；26—运动分析模块。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例包括脊柱二维图像预处理模块1、脊柱三维模型重建模块10、参数化癌转移脊柱模型重建模块18、脊柱运动分析模块23；
所述的脊柱二维图像预处理模块1支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW格式文件的批量导入2及批量图像预处理3；所述的脊柱三维模型重建模块10包括面三维重建11、体三维重建12、脊柱三维模型人机交互模块13及脊柱三维模型导出模块17；所述的参数化癌转移脊柱模型重建模块18包括脊柱3D模型导入19、肿瘤设置模块21、分区网格划分20、3D肿瘤脊柱模型导出模块22；所述的脊柱运动分析模块23包括参数化癌转移脊柱3D模型导入24、载荷作用模块25及运动分析模块26。
所述的批量图像预处理3集成有图像平滑4、图像滤波5、图像增强6、图像插值7、图像分割8及边缘检测9方法，来提高***的适用性和灵活性。
所述的脊柱三维模型人机交互模块13包括平移、旋转、缩放的几何变换上的视觉调整14，还包括径线、夹角、椎管横截面积、椎管容积的几何尺寸上的二维测量15、三维测量16。
所述的脊柱三维模型导出模块17提供STL、PLY、IGES的3D模型数据的导出，保证与常规有限元软件的良好通讯。
所述的肿瘤设置模块21提供肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位的肿瘤特征参数的调节。
所述的3D肿瘤脊柱模型导出模块22提供STL、PLY、IGES等划分网格前后的3D模型数据，保证与常规有限元软件的数据高速处理及无缝转化。
所述的载荷作用模块25内置各种载荷算法，能为癌转移人体脊柱模型进行运动仿真分析提供牵引、挤压、扭转及弯曲的特定作用载荷。
所述的运动分析模块26能提供脊柱在各种受力状态下的位移、应力变化以及关键椎骨的载荷作用特征信息，方便操作人员开展癌转移脊柱模型生物力学及椎骨失效机制的研究。
Claims (8)
1.一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：是由脊柱二维图像预处理模块(1)、脊柱三维模型重建模块(10)、参数化癌转移脊柱模型重建模块(18)、脊柱运动分析模块(23)组成；
所述的脊柱二维图像预处理模块(1)支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW格式文件的批量导入(2)及批量图像预处理(3)；
所述的脊柱三维模型重建模块(10)包括面三维重建(11)、体三维重建(12)、脊柱三维模型人机交互模块(13)及脊柱三维模型导出模块(17)；
所述的参数化癌转移脊柱模型重建模块(18)包括脊柱3D模型导入(19)、肿瘤设置模块(21)、分区网格划分(20)、3D肿瘤脊柱模型导出模块(22)；
所述的脊柱运动分析模块(23)包括参数化癌转移脊柱3D模型导入(24)、载荷作用模块(25)及运动分析模块(26)。
2.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的批量图像预处理(3)集成有图像平滑(4)、图像滤波(5)、图像增强(6)、图像插值(7)、图像分割(8)及边缘检测(9)方法，来提高***的适用性和灵活性。
3.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的脊柱三维模型人机交互模块(13)包括平移、旋转、缩放的几何变换上的视觉调整(14)，还包括径线、夹角、椎管横截面积、椎管容积的几何尺寸上的二维测量(15)、三维测量(16)。
4.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的脊柱三维模型导出模块(17)提供STL、PLY、IGES的3D模型数据的导出，保证与常规有限元软件的良好通讯。
5.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的肿瘤设置模块(21)提供肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位的肿瘤特征参数的调节。
6.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的3D肿瘤脊柱模型导出模块(22)提供STL、PLY、IGES等划分网格前后的3D模型数据，保证与常规有限元软件的数据高速处理及无缝转化。
7.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的载荷作用模块(25)内置各种载荷算法，能为癌转移人体脊柱模型进行运动仿真分析提供牵引、挤压、扭转及弯曲的特定作用载荷。
8.根据权利要求1所述的一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析***，其特征在于：所述的运动分析模块(26)能提供脊柱在各种受力状态下的位移、应力变化以及关键椎骨的载荷作用特征信息，方便操作人员开展癌转移脊柱模型生物力学及椎骨失效机制的研究。
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