基于計(jì)算機(jī)ct及3d打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種股骨頭標(biāo)準(zhǔn)化取樣方法，特別是基于計(jì)算機(jī)體層掃描成像（CT) 及3D打印技術(shù)的對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 股骨頭標(biāo)本內(nèi)特定類型小梁（壓力小梁、張力小梁等）的微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成成分、機(jī) 械性能等變化，已成為研宄骨質(zhì)疏松及骨性關(guān)節(jié)炎等骨骼系統(tǒng)退行性疾病的重要指標(biāo)。然 而，由于骨小梁存在各向異性，股骨頭內(nèi)不同位置骨小梁的分布數(shù)量、密度、走形等不盡相 同，因此，在對(duì)比不同個(gè)體相應(yīng)骨小梁病理或生理狀態(tài)的變化研宄中，精確定位、確保取出 相同類型的骨小梁成為首先需要解決的問(wèn)題。既往文獻(xiàn)報(bào)道，依據(jù)股骨頭表面固有的解剖 結(jié)構(gòu)（如小凹），結(jié)合小梁空間分布的Wolf定律，能夠定位感興趣小梁區(qū)域，進(jìn)而保證取樣 組間小梁的可比性。然而，實(shí)際操作中，由于受離體股骨頭標(biāo)本周圍重要解剖標(biāo)志的缺如的 制約，通過(guò)表面殘留的解剖結(jié)構(gòu)如小凹，難以辨認(rèn)其手術(shù)取出前在體狀態(tài)下的空間位置，因 而不利于分析定位感興趣的小梁區(qū)域。而對(duì)于股骨頭內(nèi)在的某些結(jié)構(gòu)，如張力骨小梁，通過(guò) 表面解剖結(jié)構(gòu)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位；另外，取樣過(guò)程中由于缺乏導(dǎo)向，鉆取時(shí)容易偏離預(yù)先規(guī) 劃的取樣部位，影響取樣的準(zhǔn)確性。由此可見(jiàn)，基于表面解剖進(jìn)行定位取樣易產(chǎn)生誤差，使 獲得的小梁類型存在差異，造成混雜偏倚。近來(lái)有文獻(xiàn)報(bào)道借助X線掃描圖像或透視下進(jìn) 行取樣，以期增加取樣的準(zhǔn)確性。然而，X線圖像屬于二維影像，是與X射線垂直方向上（z 軸方向）的所有結(jié)構(gòu)在射線接收平面上投影的疊加。而骨取樣涉及三維結(jié)構(gòu)的定位，借助X 線圖像定位仍有可能出現(xiàn)在Z軸方向上偏離感興趣骨組織區(qū)域，但接收平面的投影仍顯示 取樣部位包含在感興趣區(qū)域內(nèi)，定位不準(zhǔn)。并且，利用鉆頭鉆取骨組織過(guò)程中因缺乏導(dǎo)向而 出現(xiàn)的偏離同樣存在，造成取樣結(jié)果誤差。綜上，傳統(tǒng)方法在小梁定位及取樣的準(zhǔn)確性上存 在不足，目前尚無(wú)研宄就對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行有效地解決。
[0003] 3D打印技術(shù)，屬快速成型技術(shù)的一種，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金 屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，涉 及工程、機(jī)械制造、藝術(shù)、教育以及醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)，尤其在醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，生物材料、人體 組織或器官等3D生物打印技術(shù)成為當(dāng)前研宄的熱點(diǎn)。運(yùn)用3D生物打印技術(shù)完全再現(xiàn)三維 數(shù)據(jù)，能夠滿足臨床及醫(yī)學(xué)科研領(lǐng)域?qū)τ诰_性及標(biāo)準(zhǔn)化的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于計(jì)算機(jī)體層掃描成像（CT)及3D打印技術(shù)的對(duì)人股 骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方法，可以解決骨退行性疾病研宄中特定骨小梁定位及取 樣時(shí)，取樣前定位更準(zhǔn)確、取樣時(shí)不偏移，實(shí)現(xiàn)取樣過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目，所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方法，包括 如下步驟：
[0007] (1)設(shè)定薄層CT對(duì)股骨頭標(biāo)本進(jìn)行掃描；
[0008] (2)借助于CT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)松質(zhì)骨區(qū)域的精準(zhǔn)定位：將CT掃描后圖像導(dǎo) 入醫(yī)學(xué)三維圖像處理軟件，在調(diào)整任意切面的條件下，根據(jù)內(nèi)部骨小梁走形，選取感興趣骨 組織分布區(qū)域；
[0009] 借助于CT數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)松質(zhì)骨區(qū)域的精準(zhǔn)標(biāo)識(shí)：確定感興趣骨組織區(qū)域 后，利用圖像處理軟件對(duì)目標(biāo)位置做一個(gè)標(biāo)識(shí)，并標(biāo)記骨組織取樣導(dǎo)向通道，將股骨頭和標(biāo) 識(shí)通道分別建立三維模型，并且分別存儲(chǔ)為stl格式；
[0010] (3)將經(jīng)過(guò)步驟（2)處理后的三維模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖軟件，依據(jù)每個(gè) 股骨頭的表面形態(tài)，采用布爾減運(yùn)算，設(shè)計(jì)一個(gè)與股骨頭表面精確吻合的殼狀結(jié)構(gòu)，以保證 殼狀模具的內(nèi)表面與相應(yīng)的股骨頭外表面準(zhǔn)確配準(zhǔn)，并結(jié)合取樣導(dǎo)向通道的三維模型制作 一個(gè)定向取樣模具；
[0011] (4)定向取樣模具存儲(chǔ)為通用的三維打印數(shù)據(jù)格式stl，選用打印耗材，打印模 具，將模具與股骨頭準(zhǔn)確配準(zhǔn)后，在快速成型技術(shù)制作的取樣模具的引導(dǎo)下，實(shí)施對(duì)前期規(guī) 劃的感興趣區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確取材。
[0012] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，所述步驟（1)，掃描參數(shù)為100-120kV、700-740mA，所述薄層在1. 0-0. 625mm層厚。
[0013] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，所述精準(zhǔn)定位的圖像處理軟件采用Mimics軟件，借助于該軟件的OnlineReslice功能 創(chuàng)建出interactiveMPR，通過(guò)旋轉(zhuǎn)十字準(zhǔn)星顯示任意三維平面下股骨頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而在 三維可視條件下選取感興趣骨組織分布區(qū)域。
[0014] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，所述精準(zhǔn)定位的圖像處理軟件采用Analyze、Simpleware或3D_Doctor軟件中的一種。
[0015] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，利用圖像處理軟件對(duì)目標(biāo)位置做一個(gè)標(biāo)識(shí)是根據(jù)實(shí)際需要添加一個(gè)CAD幾何模型，長(zhǎng) 方體或圓柱體模型，調(diào)整CAD對(duì)象大小、形狀，以及在各個(gè)平面內(nèi)的位置及角度，將股骨頭 和導(dǎo)向通道CAD對(duì)象分別存儲(chǔ)為stl格式。
[0016] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，每個(gè)股骨頭的表面形態(tài)包括：股骨頭凹、表面輪廓、斷端解剖輪廓。
[0017] 所述的基于計(jì)算機(jī)CT及3D打印技術(shù)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方 法，所述計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制圖軟件包括：CAD、3-matic、Solidworks軟件中的一種。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 1、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套"定位-導(dǎo)向-模具制作-取樣"的標(biāo)準(zhǔn)化取樣流程，嚴(yán)格規(guī) 范了骨標(biāo)本取樣過(guò)程中的每一步。在對(duì)不同個(gè)體骨標(biāo)本進(jìn)行分組研宄時(shí)，控制了人為取樣 操作造成的偏倚，減少取樣誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，使研宄結(jié)果的可信度更高。
[0020] 2、定位利用CT掃描股骨頭標(biāo)本后經(jīng)圖像處理軟件分析處理，能夠從三個(gè)不同的 切面對(duì)股骨頭內(nèi)任意感興趣區(qū)域進(jìn)行定位，特別的可以對(duì)骨骼內(nèi)部某些特殊部位（如壓力 小梁、張力小梁等）進(jìn)行定位，有利于評(píng)估該區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成成分、機(jī)械性能，可以為 骨質(zhì)疏松及骨性關(guān)節(jié)炎等骨骼系統(tǒng)退行性疾病病理變化的研宄提供素材。
[0021] 3、導(dǎo)向基于精確定位的基礎(chǔ)上，利用快速成型技術(shù)，制作了個(gè)性化導(dǎo)向模具，固定 了取樣的角度、方向，實(shí)現(xiàn)了取樣操作的精確配準(zhǔn)和牢固把持，避免了取樣過(guò)程中鉆頭偏離 取樣部位的問(wèn)題。
[0022] 4、取樣前規(guī)劃取樣前對(duì)股標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，制作導(dǎo)向取樣模具，實(shí)際上相 當(dāng)于利用計(jì)算機(jī)先對(duì)股標(biāo)本進(jìn)行虛擬取樣，避免了盲目取樣對(duì)珍貴的骨標(biāo)本造成損傷，提 高骨標(biāo)本的利用率，降低了研宄成本。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1-1是本發(fā)明選定合適切面在三維圖像處理軟件中三個(gè)相互垂直的切面之一， 確定感興趣區(qū)域的不意圖。
[0024] 圖1-2是本發(fā)明選定合適切面在三維圖像處理軟件中三個(gè)相互垂直的切面之二， 確定感興趣區(qū)域的不意圖。
[0025] 圖1-3是本發(fā)明選定合適切面在三維圖像處理軟件中三個(gè)相互垂直的切面之三， 確定感興趣區(qū)域的不意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明標(biāo)識(shí)CAD對(duì)象的建立在該位置建立一圓柱形CAD對(duì)象做標(biāo)識(shí)的示意 圖。
[0027] 圖3是導(dǎo)向CAD標(biāo)識(shí)和股骨頭標(biāo)本的三維模型在三維圖像處理軟件中，提取股骨 頭外輪廓模型，將該股骨頭模型與CAD標(biāo)識(shí)對(duì)象導(dǎo)出的示意圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明股骨頭表面輪廓數(shù)據(jù)提取在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中，提取股骨頭表 面輪廓數(shù)據(jù)，合并導(dǎo)向CAD圓柱，形成上方殼形導(dǎo)向模具的示意圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明導(dǎo)向模具與股骨頭精確配準(zhǔn)切源位置、股骨頭小凹等解剖特征點(diǎn)與 導(dǎo)向磨具形成凹凸相配的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)人股骨頭內(nèi)任意松質(zhì)骨區(qū)域精準(zhǔn)取樣方法的詳細(xì)步驟：
[0031] 實(shí)施案例1 :股骨頭主要壓力小梁定位取樣
[0032] 如圖1-1、1-2、1_3、2、3、4、5所示，演示對(duì)股骨頭主要壓力小梁的定位取樣，具體 步驟如下：
[0033] (1)設(shè)定CT掃描參數(shù)，對(duì)股骨頭標(biāo)本進(jìn)行掃描，并建立股骨頭的三維圖像。
[0034] 參見(jiàn)圖1-1、1-2、1_3所不，通過(guò)CT不同截面選定合適切面：在二維圖像處理軟件 中通過(guò)三個(gè)相互垂直的切面，確定感興趣區(qū)域。圖示為擬在該截面選取軟骨下15mm，直徑為 12mm圓柱形區(qū)域最佳的觀察面。
[0035] CT(GEDiscoveryCT750HD)掃描參數(shù)設(shè)定：層厚0. 625mm，掃描電壓120kV，掃描電 流740mA，掃描范圍多股骨頭直徑。由于CT掃描是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中常用的一種檢測(cè)方法，其掃描 成像技術(shù)已是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的技術(shù)，在此不再對(duì)其掃描成像方法過(guò)多贅述。
[0036] (2)掃描后圖像導(dǎo)入mimics軟件，在三維可視條件下定位主要壓力小梁分布集中 區(qū)域，并標(biāo)記骨組織取樣導(dǎo)向通道，如圖1-1、1-2、1_3、2、3。
[0037] 將CT掃描獲得的股骨頭標(biāo)本圖像數(shù)據(jù)（DICOM格式）導(dǎo)入mimics軟件（mimics 16，Materialise，Belgium)，并對(duì)股骨頭進(jìn)行三維重建。Mimics軟件中OnlineReslice菜 單下的沿平面再切割（alongplane)功能，允許用戶在空間內(nèi)任意選取三點(diǎn)作為"特定平 面"，沿該平面對(duì)圖像進(jìn)行再次切割，并得到與該平面在空間內(nèi)垂直相交的另外兩個(gè)平面。 由此，軟件視圖呈現(xiàn)出三個(gè)垂直正交平面（interactiveMPR)上股骨頭的二維結(jié)構(gòu)圖像 (其中一個(gè)即為所選"特定平面"），以及三維視窗下該"特定平面"與股骨頭的空間位置關(guān) 系圖（圖 1-1、1_2、1_3)。
[0038] 本發(fā)明正是利用該軟件的這一功能，實(shí)現(xiàn)股骨頭標(biāo)本內(nèi)任意平面的可視化。另外， 通過(guò)旋轉(zhuǎn)某一正交平面（interactiveMPR)內(nèi)的十字準(zhǔn)星（crosshair)能夠直接改變"特