人体心脏虚拟现实系统中病灶模型的3D打印技术的研究

摘要

近年来，3D打印技术已经得到了广泛的应用，在医学领域也出现了许多创举，如打印人造肉、打印3D血管以及人体骨骼等，足以说明机械制造领域的3D打印技术与医学领域的结合具有良好的实用价值和广泛的应用前景。本文将机械制造领域的3D打印技术应用在心血管疾病的诊疗方面，首先通过CT扫描和DSA血管造影术获得正常成年人体的心血管系统DICOM图像数据，在此基础上再利用逆向工程技术建立标准的数字化人体心血管系统模型。然后在三维引擎平台上开发了人体心脏桌面式虚拟现实系统，医生利用此系统并对照病患的DICOM图像，可快速构建出个体化数字心血管系统模型。最后基于DirectX开发的三维模型复制软件将个体化数字心血管系统模型从此虚拟现实系统中导出，经过模型处理，利用SLS工艺打印出其实体模型。具体步骤如下：
　　首先在医学图像处理软件Mimics中处理正常成年人的心血管系统DICOM格式数据，然后导出心血管系统点云数据。在此基础上利用 Geomagic Studio和Imageware逆向工程软件对点云数据进行去除噪音点、数据精简和数据修补等预处理，在Pro/E的小平面特征和重新造型模块中对其进行了曲面重构，得到了心血管系统三维CAD模型。
　　接着按照虚拟现实建模的要求，利用3DMax对模型进行模型整理和完善、纹理映射等后处理。再在三维引擎平台Quest3D上对心血管系统模型进行了可视化，开发了人体心脏桌面式虚拟现实系统的模型系统部分。再基于正常的心血管系统模型通过Quest3D设计快速修改算法，只需对照病患的DICOM图像数据，即可快速构建个体化数字人体心血管系统，节省了资源和时间。就心血管搭桥和介入手术进行了模拟仿真，医生利用本系统给患者进行术前模拟和沟通，从而大大减轻医生的工作负担和提高患者满意度。也为以后扩展到心血管手术训练以及远程手术指导提供研究基础和技术支撑。
　　最后使用基于DirectX开发的三维模型复制软件提取出个体化数字模型，通过在3dsMax中安装3drimport.dli插件，将模型导入到3ds Max中，经过模型处理和导出STL格式，并以某一患者的病灶情况为例，利用SLS工艺制造出病灶实体模型，验证了该技术路线的可行性和简捷性。数字化模型和打印出的实体模型为诊疗和教学提供直观、形象的信息记录，以便于医生研究手术方案及规划、学生技能训练和医患沟通。

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1 绪 论

1.1 论文研究的背景及意义

1.2 3D打印技术在医学领域中的应用

1.3 虚拟现实技术在心血管系统的应用概况

1.4 本课题研究的主要内容及论文结构安排

2 桌面式虚拟现实系统的数字化心血管系统模型建立2.1技术流程图

2.2获取医学断层影像数据

2.3基于Mimics的图像处理

2.4点云的预处理

2.5基于Pro/E的曲面重构

2.6本章小结

3数字化心血管系统模型的后处理

3.1 技术流程图

3.2 虚拟现实建模

3.3 主要创作工具简介

3.4基于3ds-Max的后期处理

3.5本章小结

4人体心脏桌面式虚拟现实系统的研发

4.1 Quest 3D介绍

4.2 几何模型的转换

4.3 基于Quest3D的心血管模型系统的算法设计

4.4 基于Quest3D的心血管手术系统的程序设计

4.5整合程序导出可执行文件

4.6 本章小结

5个体化模型的3D打印技术的研究

5.1医学3D打印技术

5.2技术流程

5.3从虚拟现实系统的exe文件提取模型的技术

5.4模型整理并导出成STL格式文件

5.5 个体化病灶模型的3D打印

5.6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录