一种可实现内外结构的实体化心脏3D模型制作方法

摘要

本发明涉及可实现心脏内外结构的实体化心脏3D模型制作方法，能克服现有技术之缺陷，1、对病人进行心脏部位扫描，获得医学影像数据，形成DICOM文件；2、用Mimics软件识别步骤1中的DICOM文件并保存，形成计算机识别的.mcs文件；3、在软件内提取不同的数据模板；4、对步骤3中的存在空腔结构或图像不全或边界不清楚的模板进行处理，使模板清晰完整；5、通过各模板之间添加、删除、分离或合并形成需要的模板；6、对步骤5中形成的3D图像进行处理，使3D图像外部光滑和内部图像模板的完整性，形成STL文件；7、将步骤6中处理好的数据导入3D激光打印机中，打印出心脏模型，本发明能获得结构清晰完整的心脏模型，能大大提高心脏手术的成功率。

说明书

技术领域

    本发明涉及心脏模型成型技术，特别是一种可实现内外结构的实体化心脏3D模型制作方法。

背景技术

    由于CT和MRI工作平台的加密保护设计，使心脏临床医师阅读的心脏扫描诊断数据不论是增强CT和MRI都是二维数据图像和平面截图，缺乏心脏内部结构立体感及缺少手术操作部位测量的数据；一般的心脏图像研究只是在心脏表面结构上进行重建，并不包括心肌内膜和心脏瓣膜，肌柱及腱索及覆盖的脂肪组织，先天复杂性心脏病变是小儿心脏发育阶段心肌细胞在组织分裂过程中出现变异，发育过程后产生严重的心脏结构改变及血液动力学改变，影响患儿生存状况及疾病治愈几率；复杂心脏手术需要对心脏结构进行重新构建，包括流出道、瓣膜、腱索、室间隔或房间隔等，达到同龄正常心脏发育的生理解剖，现阶段复杂心脏病手术治愈率远远低于其他心脏手术，与其复杂结构的客观再现能力技术及术前明确的方案设计有关；所以需要更准确的三维图像和邻近组织结构距离数值测量，直接观察个体化心脏病变进行手术预方案的研究对缩短手术时间和提高治愈率有重大的需求；实体化心脏3D模型是手术医师希望得到的指导操作模型。

现有的技术问题是计算机模拟医学三维成像技术认知度浅，绝大部分医生并没有接触此类技术，现阶段主要在成像结构简单、关系不复杂的骨科领域探索性临床应用指导；心脏组织结构复杂、关系紧密，一般都是作为整体图像提取研究，并没有显示心脏内部组织结构和位置关系，而且现有技术存在以下缺点；

1、增强CT扫描心脏数据提取不准确往往造成图像处理不全（由于扫描断层层厚及心脏跳动有关）；

2、心脏组织关系复杂，个体化差异明显，各部位各组织相互之间错综复杂，计算机不易识别各部位改变情况，导致心脏图像不易大范围计算机分割，绝大部分步骤需要实验及临床人员进行人工干预；

3、心脏内部提取复杂，造影剂心脏分布不均导致内部成像更加复杂；

4、心房壁比较薄，平均1~3mm 容易形成图像断层；

5.、DICOM数据成像模板边界失真，导致形成不易观察各部位分界线；

6、计算机复杂操作3D模型成像处理；

7、3D打印材料选择，现阶段打印材料一般是工程领域常用的材料，心脏三维重建主要是看内部结构，更透明、更柔软的、适合人体工程柔韧度的材料选择是现阶段材料需要解决的技术缺点。

因此，个体化、实体化的心脏3D模型制作方法及3D模型打印是亟需解决的医学方面问题。

发明内容

    针对上述情况，为克服现有技术之问题，探索新的测量方法及模型制作方法，推广医学三维重建技术及心脏三维重建和3D模型打印，本发明提出一种可实现心脏内外结构的实体化心脏3D模型制作方法，完成心脏内部结构清晰完整的显示。

其方法为：

       步骤1、增强CT、MRI扫描：对病人心脏进行完整的造影剂填充，CT扫描层厚为0.9mm、切片数量为150到200层的条件下经增强CT、MRI对病人进行心脏部位扫描，获得医学影像数据，使用工作平台将图像层厚再分割到0.45mm层厚，形成DICOM文件；

       步骤2、提取数据：将步骤1中扫描所得的数据DICOM格式文件导出，用Mimics软件识别并保存，形成计算机识别的 .mcs新文件；

步骤3、形成模板：在Mimics软件内对DICOM数据进行处理，根据CT及MRI的成像原理，在Mimics软件的不同组织mask范围内提取不同的数据模板；

步骤4、模板修复：步骤3中所提取的模板中会存在空腔结构或图像不全或边界不清楚的问题，经Mimics软件对上述问题进行处理，使模板清晰完整；

  步骤5、编辑模板生成“病变”模板：在Mimics软件内，计算机辅助手工编辑模板操作，完成心血管系统粗略与精细分割，形成包括内部心腔造影剂模板、各部位心肌模板及覆盖脂肪模板；通过各模板之间相互添加、删除、分离或合并步骤形成需要的模板； 

        步骤6、优化图像：经图形处理软件对步骤5中形成的3D图像进行处理，使3D图像外部光滑和保证内部图像模板的完整性，并形成通用的打印识别STL文件；

       步骤 7、3D打印模型：将步骤6中处理好的数据导入3D激光打印机中，选择合适材料打印出心脏模型。

    本发明能获得结构清晰完整的心脏模型，能大大提高心脏手术的成功率。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

本发明的步骤是：

步骤1、增强CT、MRI扫描：对病人心脏进行完整的造影剂填充，CT扫描层厚为0.9mm、切片数量为150到200层的条件下经增强CT、MRI对病人进行心脏部位扫描，获得医学影像数据，使用工作平台将图像层厚再分割到0.45mm层厚，形成DICOM文件；（需要最小的层厚 现在常规0.9mm需要工作平台劈成0.45mm）

步骤2、提取数据：将步骤1中扫描所得的数据DICOM格式文件导出，用Mimics软件识别并保存，形成计算机识别的 .mcs新文件；

步骤3、形成模板：在Mimics软件内对DICOM数据进行处理，根据CT及MRI的成像原理，在Mimics软件的不同组织mask范围内提取不同的数据模板；

步骤4、模板修复：步骤3中所提取的模板中会存在空腔结构或图像不全和边界不清楚的问题，经Mimics软件对上述问题进行处理，使模板清晰完整；

步骤5、编辑模板生成“病变”模板：计算机辅助手工编辑模板操作，完成心血管系统粗略与精细分割，形成包括内部心腔造影剂模板、各部位心肌模板及覆盖脂肪模板；通过各模板之间相互添加、删除、分离或合并步骤形成需要的模板；所说的“病变”模板是指包括发育不良及缺陷的解剖结构的模板。

 步骤6、优化图像：经图形处理软件对步骤5中形成的3D图像进行处理，使3D图像外部光滑和保证内部图像模板的完整性，并形成通用的打印识别STL文件；

步骤 7、3D打印模型：将步骤6中处理好的数据导入3D激光打印机中，打印出心脏模型。

以下对各个步骤作进一步的解释：

    增强CT和MRI图像扫描处理

本步骤需要完整而高清的心脏扫面数据，准确的扫描图像对数据图像处理是很重要的步骤，增强CT和MRI需要图像保持清晰，减少患者生理活动主要是肺部呼吸运动及心脏跳动产生的阴影，减少设备噪声和斑点等干扰因素，心脏CT扫描层厚为0.9mm、切片数量为150到200层，增强CT 和MRI对观察部位进行完整的造影剂填充，以显示最清楚的病变部位和解剖关系；所需要的造影剂和注射速度必须符合《临床技术操作规范》和《影像技术分册》的要求，根据患者年龄及需要观察病变不同造影剂需求、注射速度、扫描设置也不相同；造影剂首次经过病变的部位心脏结构对比显示最清，需要在这个节点上确定完成CT扫描；如果完成一个循环往往导致结构对比性比较差；将获得的医学影像数据，使用工作平台将图像层厚再分割到0.45mm层厚，形成DICOM文件；需要最小的层厚：现在常规层厚0.9mm需要工作平台劈成0.45mm层厚。

    提取数据：

提取数据主要是将CT和MRI的原始医学影像数据通过DICOM文件格式导入Mimics软件，保存可被Mimics软件识别的MCS文件，将医学数据转换成普通计算机识别的文件，“提取数据”提取的是病变医学部位的图片层数范围；提取数据要包括观察部位的全部CT信息，心脏一般在主动脉弓层和心尖层之间提取，可以按照观察病变部位提取相应的CT层数减少工作量及图像复杂度。

形成模板

CT和MRI扫描过程是将整个胸廓进行断层扫描，形成完整的胸部医学图像数据，但是本方法只需要心脏的医学图像，所以只需要心脏数据 “心脏”作为选择的部位，其它的部位成像是严重的干扰因素，需要将它们从模板图像中删除。

Mimics或与Mimics相似功能的医学处理软件根据CT及MRI的成像原理，根据不同组织视窗范围提取，提取数据可以包括心腔内造影剂、各腔心肌、覆盖脂肪等，得到不同的视窗模板的心脏模板。

模板修复

“形成模板”步骤中形成的各个模板心脏内部会形成空腔，形成的是造影剂模板提取形成内部空腔结构，结合医学知识剔除干扰影像，或者是造影剂在血运中在心脏显示不清导致图像不全。

产生的原因；心脏内部图像一般是循环中使用心脏造影剂提高心脏腔室密度，随着血液循环在心脏内聚集形成高密度区域，循环往往导致造影剂填充不均，而且心腔内结构复杂有肌束，瓣膜和流出道等复杂结构，由于造影剂模板形成不全，往往形成模板空洞效应，复杂部位显示不全。

修复的标准是：根据医学知识根据解剖学进行修补图像模板，模板之间没有空洞和其他模板和医学图像的干扰因素；需要进行逐层分离内部心脏造影剂保留正常组织结构，需要打印的部位被模板识别，具体为：

1、模板在选择的区域保持模板图像完整、统一；

2、不同部位形成不同模板避免干扰；

3、病变部位完美呈现，减少干扰，保留正常组织结构；

解决需要根据专业知识修补CT和MRI成像不完整达到要求。

    优化图像

利用Photoshop软件或maya软件或其他同类软件在上个步骤中处理过的数据内，将体循环系统和肺循环系统进行分别不同的标示出来，由于计算机医学图像主要是由无数个三角形组成，对其模板进行光滑处理，处理的标准是：

第一、通过增加模板和减少模板使模板更光滑；

第二、通过增加和减少三角形数目和形状处理三维模板图像的不全和缺陷。

    3D打印

使用常规的激光3D打印进，心脏打印需要完整而准确的模型，心脏3D模型透光性越高越好，更容易的方便观察内部结构，材料须有有一定的柔软度，最好能达到人类血管和心房壁的程度，心室壁的柔软度和脆性，这样在模型进行手术缝合和切割手感能直观，现在采用光敏树脂材料、医用硅橡胶或高分子生物材料。

本发明的具体操作是：

准备阶段：1、练病人呼吸和屏气要领，减少呼吸运动胸廓阴影形成干扰心脏成像；2、碘对比剂准备在检查前4h禁食。

一、增强CT、MRI扫描医学数据阶段

增强CT、MRI扫描：对病人心脏进行造影剂填充，CT扫描层厚为0.9mm、切片数量为150到200层的条件下经增强CT、MRI对病人进行心脏部位扫描，获得医学影像数据，使用工作平台将图像层厚再分割到0.45mm层厚，形成DICOM文件；需要最小的层厚 现在常规0.9mm需要工作平台劈成0.45mm。

二、心脏模板提取、成像及3D打印阶段

1、导入心血管系统数据：CT 和MRI工作平台扫描心血管系统，DICOM 格式数据依次导入Mimics 软件中，确定视角方向，病变部位在Mimics 软件中的Organize Images命令下选择病变所在层数范围确定需要的影像部位并保存。

2、CT数值显示256灰度数值：不能形成多部位多层次准确观察，通过Mimics 软件中的Pseudo colors命令显示彩色的图谱，放大观察心脏各部位视窗变化情况，观察各组织视窗及组织、病变范围及边界情况；使用Mimics或与Mimics相似功能的医学处理软件根据CT及MRI的成像原理，根据不同组织模板成像范围使用Profile Line/形成模板范围或Measure Density inside Ellipse/区域模板范围或调节模板范围送视觉观察边界覆盖情况，提取数据可以包括心腔内造影剂、各腔心肌、覆盖脂肪等，得到不同的视窗模板的心脏模板。

3、分割出心血管系统区域：Mimics 软件中的的Profile line命令画线确定选择提取部位的模板视窗范围或Mimics 软件中的Measure Density inside Rectang命令通过方框组织平均数寻则视窗范围；经Mimics 软件中的再利用区域生长（regiongrowing ）及动态区域生长（dynamic region growing）算法对目标区域进行粗分割。

   4、删除图像干扰因素：利用编辑（Edit）功能进行精细分割，至清晰显示心血管系统各个部分，具体为：

a、删除外部干扰因素：心脏造影剂密度同骨密度有交叉的视窗范围，心肌、脂肪组织在同层面都有相似区域的组织结构相互交叉，主要去掉胸骨柄、胸廓、降主动脉和脊柱，由于视窗范围相互交错导致模板图像包含不需要的结构；1.距离远的使用Mimics 软件中的Crop Mask命令通过划定范围将不需要的模板部分删除；2.经Calculate polylines命令生成的三维进行手工划出不需要的范围，删除不要的部分；3.计算机不能识别模板交叉距离近的部位应在放大镜8~16倍的作用下人工修复模板。

b、修补内部结构干扰因素：心脏造影剂心脏聚集分布不均，心腔内结构复杂，有肌柱、肌束、乳头肌、瓣膜和流出道等复杂结构影响及干扰造影剂填充心腔；由于造影剂不均匀，模板形成不完整导致上述结构边界显示不清，使用编辑（Edit）功能进行精细分割，手工操作和计算机命令相互配合逐层完成模板提取、修复；分离心腔中心脏造影剂保留正常组织结构，从而消除造影剂对心脏内部成像的干扰及完成内部病变结构准确提取；运行“波尔”运算公式对模板进行“加”、“ 减”或“合并”相关操作获得需要的模板。

5、“波尔”运算公式模板相互融合和删除：将涉及的心脏模板 “减去”造影剂模板形成需要心腔的心脏模板。

6、将不同部位的模板合并成同一块模板并用smooth命令进行光滑处理和划分网格处理 3-matic；Zbrush雕刻软件也可以完成内部及表面光滑处理图像。

7、Calculate 3D 形成计算机三维模型数据 STL+。

8、Geomagic Studio 中，用目测观察法手动删除明显的噪音点，然后再利用减少噪音工具，选择自由曲面形状，将平滑度水平置于中间水平，迭代次数是3，偏差限制为9.4647（可以根据图像清晰程度自由设置） geomagic识别stl文件，可以观察内部结构和进行数据测量。

 9、图像再优化：利用图像处理软件Photoshop 和三维软件3ds Max，将重建好的心脏表面模型和心脏肌肉表面血管导入到3ds Max 中进行后期处理，包括模型整理，纹理映射，建立血管模型，烘焙和输出光线贴图。

10、心脏病变部位透视利于观察：用maya软件或Geomagic软件测量心脏内部。

11、3D模型：如果需要只打印病变部位，可用计算机图像分割软件，如mimics软件、maya软件、Zbrush雕刻软件或Geomagic软件对形成的3D数据进行分割处理，分割出需要的病变部位。

 12、3D打印模型机打印医学STL文件：心脏模型不仅需要内膜，还有外膜包括两层膜之间的肌肉，3D打印只识别简单的内外两层膜，中间组织不识别，这是3D打印“镂空”效应，进行翻转逆向操作或用软件填补。 

13、心脏STL文件激光打印、固化和形成模型。

本发明实现了现阶段心脏图像研究只在心脏内膜结构重建并不包括外膜和心肌及覆盖的脂肪组织转换，实现了由普通实验设计向指导临床指导转换，具体为：

1、复杂心脏结构由医学图像向计算机图像转换，

2、复杂心脏计算机3D图像建立及生成STL文件，

3、3D打印识别复杂心脏STL文件，制作生成3D心脏模型。

本发明将影像数据转换成被计算机识别的三维图像可以被任意测量，不仅可以脱离工作平台的限制，而且加入普通计算机辅助软件可以更完善的支持医学图像；通过三维图像软件结合3D打印技术，制造的3D模型可以更直观的观察病变部位，使数字领域的医学图像转换成实物的心脏模型；通过在3D模型上的病变观察和研究可以完成术前预演、相互模拟手术配合；更直观的、更清晰的、完全个体化的心脏模型重建为心脏手术做好准备，建立完整的心脏三维图像能减少手术并发症和缩短手术时间，能大大的保证手术的成功率，减少风险，是心脏打印技术上的创新。

本发明全面的心脏三维图像计算机图像可以脱离系统加密工作平台的限制，使用计算机辅助软件可以完成一系列步骤操作：比如心脏四维成像、心脏手术动漫演示或心脏手术计算机模拟等会为心脏计算机辅助搭建良好的平台。

本发明的有益效果是：

1、形成心脏计算机模型 为心脏计算机技术搭建一个平台

2、3D打印模型 从医学实物上可以直接观察病变，增加三维立体感和实物感及把脑中的想象图像变成实物展现在面前。

本发明拓宽了解剖学心脏领域的认识水平，从工作平台的影像平面转到个人计算机的三维层面理解，并且可以简单的独立完成操作步骤，而且推广了医学三维重建技术及心脏三维重建和3D模型打印技术。