基于3D打印的个性化外科手术模板设计软件关键算法研究与系统实现

摘要

个性化手术模板作为将术前规划方案转化到临床实际操作中的有效手段而被广泛使用。目前国内的手术模板主要依赖进口或使用CAD绘图软件设计。前者的费用高昂、交付时间较长且医生无法参与模板的设计过程；后者设计操作繁琐，需要由工程师代替医生完成。针对模板设计工作的现状，本文提出了一种基于3D打印的个性化外科手术模板设计方法。这是一种半自动式的计算机辅助设计方法，用户只需在重建的三维模型表面取点，导入种植体或医用螺钉轴线，输入相关参数，即可得到个性化的手术模板模型。
　　本文针对其中的关键算法进行了研究，主要包括曲面分割、曲面偏移、给定边界内的曲面填充以及布尔运算等。该方法的主要流程如下：首先，用户在手术部位的重建三维模型表面取点勾画出目标区域，根据用户点计算模型顶点的有符号标量值，通过提取等值线实现曲面分割从而得到模板的内表面。建立内表面的距离场，根据模板的厚度提取等值面，从等值面中分割出模板的外表面。利用直纹曲面联接内外表面形成模板的基板。此处将直纹曲面问题转化成单向赋权图中的最短路问题并使用标号设定算法求解。最后根据术前规划结果及用户设定参数生成导向圆柱，通过本文提出的布尔运算方法将导向圆柱与基板结合生成最终的手术模板STL模型，通过3D打印制造出手术模板。
　　本文以VS2008为集成开发环境，结合开源类库Qt和VTK开发了一款手术模板设计软件，实现了这一方法，并将其集成到术前规划软件中。通过简单友好的用户操作界面，医生可以根据病灶部位的重建三维模型和术前规划结果方便地设计手术模板。应用该系统设计了几种不同解剖部位的手术模板，针对软件的运行效率及影响运算速度的参数进行了分析，验证了本文所提出方法的有效性、高效性及通用性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 个性化外科手术模板概述

1.3 文章结构安排

第二章 模板设计系统与关键算法概述

2.1 模板设计系统概述

2.2 关键算法概述

2.3 本章小结

第三章 模板的内表面生成算法

3.1 三角面片分割算法

3.2 分割算法输入点的获取

3.3 本章小结

第四章 模板的外表面自动生成算法

4.1 偏移曲面的生成

4.2 细分曲面

4.3 外表面的生成

4.4 本章小结

第五章 模板的内外表面自动联接算法

5.1 最短路问题与经典标号算法

5.2 模板的内外表面自动联接算法

5.3 本章小结

第六章 模板导向圆柱生成算法

6.1 碰撞检测

6.2 三角面片细分

6.3 模型分割及子模型的分类

6.4 本章小结

第七章 系统实现与应用分析

7.1 系统实现及应用

7.2 运行时间分析

7.3 与现有方法的比较

7.4 本章小结

第八章 文章总结与未来工作展望

8.1 文章总结

8.2 本文的创新点

8.3 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

声明