骨模型断层成像图片3D模型重建与设计制造
骨模型断层成像图片3D模型重建与设计制造
随着生活水平的不断提高和医疗事业的迅猛发展，人们对医疗效果的追求也越来越高。单纯的康复已无法满足人们的需求。因此，修复重建外科得以形成并迅速发展。颅骨重建作为其重要组成部分，获得了更高的关注。
大脑的重要性、精密性以及颅骨的复杂结构给颅骨的破损修复带来了极大的挑战。常规的治疗方法是根据破损部位的大小和形状手工修剪钛网，这种方法具有很大的问题。比如手术时间长、外形难看等等。
本课题提出用钛合金板作为材料，通过三维重建、逆向工程、计算机辅助设计等技术，为患者提供贴合性好、外形美观的个性化钛合金网板。最大程度的满足患者对医疗效果的要求，减少术后并发症。
关键词 图像处理，三维重建，颅骨修复，钛网设计
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 3
2 缺损颅骨3D模型重建 5
2.1 缺损颅骨图像采集 5
2.2 CT图像的处理 7
2.3 颅骨3D模型的重建 13
3 个性化修复假体的设计 16
3.1 假体的修补方式选取 17
3.2 镜像设计法 18
3.3 拟合设计法 19
4 快速成型 30
4.1 假体的制造 30
4.2 3D打印 32
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1.1 课题研究背景与意义
计算机断层成像(CT) 和核磁共振成像(MRI) 等技术的发展为人体内部结构的研究提供了有效的方法。用图像将人体内部结构直观的显示出来，这种方法使医生的诊断更加可靠，治疗更加准确。但有一些器官的结构非常复杂，病变或破损的位置多样化，使得医生从CT图片上也无法分辨。骨膜型断层成像图片3D模型重建与设计制造就是用来直观的显示各个器官、骨骼及其他结构的三维特征。基于病人的CT图片重建其结构，对破损或者病变部分进行标记、重建和还原。对医学特别是骨骼研究和骨骼疾病有突出的贡献。主要用于各种骨骼破损的重建修复手术中。
长久以来，人们关注的只是身体上的康复。只要病情去除即可，而疾病给病人带来的痕迹却视而不见。这些痕迹往往会给病人带来更大的痛苦。现代医学模式已经从单纯的“生物医学模式”向不仅考虑人群健康的生物因素，同时兼顾人群心理、环境和社会因素的“生物--心理--社会医学模式”转变。新的医学模式不仅强调身体上的健康，还包括心理上的健康和具有社会一丁点适应能力。在这种医学模式下，修复重建外科学得以迅猛发展。在治疗肿瘤、感染、畸形、伤残等疾病时，我们不仅要治疗好疾病本身，还要修复被破坏的器官、组织等，确保恢复后各个器官的功能健全，并且具有完美的外观。
颅骨修复是修复重建外科[1]的重要组成部分。颅骨缺损的原因各种各样，比如车祸、钝器击伤等，这类外伤一般为最常见的颅骨缺损的原因。并常伴有面部或其他部位的损伤。先天性畸形、儿童生长性骨折等情况一般很少出现。不管是什么原因造成的颅骨缺损，都给患者带来极大的痛苦。
一般的颅骨破损，破损区域不大或者是颅骨板外层破损并且不会给病人造成容貌上的破坏的，一般不用修复，可依靠自身自动愈合。而破损较大的则不然，它不仅破坏了骨骼等组织，造成了物理伤害，会产生一系列并发症。而且破坏了病人的容貌，这种破坏是不可自愈的，所以必须修复。
颅骨缺损在现代生活中作为常见病已不再奇怪，每年都有很多患者要接受手术。但是传统的手术修补都是先切开病患处，然后根据缺损部位的外形，主治医生通过手动的方式来剪切钛合金板来修补，这样就存在了很大的问题。手术时间过长，而且术后还容易产生并发症，并且修补片的贴合性完全取决于医生的个人经验。颅骨缺损修复技术采用计算机辅助设计，在确保病人临床症状消失、被破坏的组织得以恢复的基础上，最大可能的恢复病人的容貌特征，减少并发症，且贴合性良好，有利于骨骼的自我修复生长。
1.2 国内外研究现状
到目前为止，还并没有一套完善的颅骨修复系统。每一个单位和个人基本上使用的方法也不尽相同。颅骨破损修复技术在操作过程中涉及到的各个专业领域较多。比如逆向工程技术、图像处理技术、数控加工技术、数字化设计制造技术等。每一项技术所包含的各个造作过程也是不一而足的。
就图像处理来说，我们需要的是患者病变部位及周围的CT断层图像，而采集CT图像所使用的CT设备却有很多种，所以得到的图片数据也肯定不会相同。我们得到了原始的CT图像，但是并不能直接得到3D模型，还需要用到CT图像处理软件来对CT图像进行一系列的处理，比如去噪处理、阈值分割等。图像处理软件却又很多，选择不同对最终的处理结果当然有一定的影响。最终通过处理得到三维模型，需要转换到计算机辅助设计软件上对缺损部分进行修复假体的设计，这一转换过程相对较复杂。并且如何设计修复假体以使其与破损部位完美贴合依然很有问题。
随着医学数字成像技术的飞速发展及其在临床诊断中的广泛应用，先进的医学断层仪器，如计算机断层扫描等医学成像设备采集人体器官、骨骼、关节等部位的影像数据为医学研究与诊断提供高质量的二维断层图像信息，同时也为逆向工程在医学上的应用提供了良好的条件。骨膜型断层成像图片3D模型重建与设计制造应运而生。这一项技术是建立于CT图像上的新兴技术。众所周知，国外，尤其是美国的技术发展的最快，也是最先进的。因此，他们的这一技术也发展的最快。相对来说也比较系统化。国外的研究立志于将这一技术应用到临床医学中，他们取得了不小的成就。 国外已经有医学断层图像逆向的商业化系统，在基于断层扫描数据设计人工骨骼方面己经有一些成功的应用。目前，国外的医学机构已经可以重建出部分骨骼并且移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作。甚至可以为一位头骨破碎的人重新建立一个人造头骨，完全不影响正常生活。
国内这一项技术发展的比较迟，还不足以应用于各个医学领域。上海交通大学起步相对较早，他们的逆向工程技术首先应用于医学领域，取得的成果也比其他单位相对要好很多。国内医学界现在所用的3D软件一般都是外国设计编写的，引入比较迟，目前基本是用于重建缺损的骨骼的修补和建立三维模型以用来研究分析。
1.3本文的主要研究内容
本文主要研究从CT图片处理还原3D模型到颅骨破损修复假体的设计成型这个过程。其中涉及到很多的步骤,具体过程如下：
CT图像采集需要使用CT机，这要根据每一个医院的情况来选定。本文使用的是CT断层图像，精度选择0.5mm左右。所谓精度就是每隔0.5mm选取一张患者头部断层图像，最后形成一组CT图像集。精度越高，最后生成的3D模型就越完美，表面趋于平滑。但同时，因为精度的提高，图像总量增大，所占的空间就增大，也大大提高了工作量。所以，如何选取合理的精度是本文要考虑的内容之一。
图像处理过程中涉及到的相关技术很多，比如滤波去噪、阈值分割、轮廓提取等。他们是环环相扣的，前面的处理结果就会影响到后续的处理。常用的滤波去噪方法有限幅滤波法、算术平均滤波法、中位值平均滤波法、中位值滤波法、递推平均滤波法等，选用哪一种滤波去噪方法更加的方便又想、更加大适合于本文的研究也是要考虑到的。此外，滤波去噪是如何设置参数也很重要。其他的包括阈值分割等处理过程需要研究的也基本相似。
修复假体的设计要遵循各种原则。以前老式的修复方式是医生手工剪切钛合金板来修补缺损，不仅不能做到保持外形的完整性，而且通常需要修给很多次再能修不完。钛合金修补部分不可能是一块整体，他们的强度肯定无法与完整的钛合金板相比，老式的修补方式也不考虑钛合金的厚度对强度的影响。本文是通过计算机辅助软件对个性化修复假体进行设计的，设计过程中，钛合金的厚度、钛合金板上的孔洞大小和密度等都是要考虑到的因素。厚度过小强度就不够，手术后恢复后者是在以后的生活中可能会出现一些问题。比如合理的触碰就可能导致修补部分钛合金的变形等等。孔洞大小和密度选择不合理则会对后期骨骼的修复再生在成障碍，无法使钛合金与骨骼、肌肉等融合为一。两只修复方式如图1、2所示。
4.2.1 3D打印机原理
先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。每一层一般厚度为0.1毫米（一般同一台打印机有不同的厚度可供选择）。
传统的3D打印机的原理是在每一层按计算好的图形喷胶水，然后均匀的覆盖上一层粉末（一般为塑料粉末）。这样有胶水的地方粉末就被固定，随着每一层的叠加，最后形成模型。其他没有被胶水固定的材料依然可以使用。
现在已经出现了其他种类的3D打印机，它们打印的过程基本相似。但是用的耗材已经从原来的粉末状态变成了熔融态的塑料，这样就更加的快速，而且成本更低。
4.2.2 本文的3D打印
本文3D打印基本操作与一般的3D打印没有太大的出入。先通过软件给模型分层。选定每层厚度为0.1mm，然后设计模型的安放方式，生成填充路径，最后导入3D打印机中，执行打印。
随着生活水平的不断提高和医疗事业的迅猛发展，人们对医疗效果的追求也越来越高。单纯的康复已无法满足人们的需求。因此，修复重建外科得以形成并迅速发展。颅骨重建作为其重要组成部分，获得了更高的关注。
大脑的重要性、精密性以及颅骨的复杂结构给颅骨的破损修复带来了极大的挑战。常规的治疗方法是根据破损部位的大小和形状手工修剪钛网，这种方法具有很大的问题。比如手术时间长、外形难看等等。
本课题提出用钛合金板作为材料，通过三维重建、逆向工程、计算机辅助设计等技术，为患者提供贴合性好、外形美观的个性化钛合金网板。最大程度的满足患者对医疗效果的要求，减少术后并发症。
关键词 图像处理，三维重建，颅骨修复，钛网设计
1 绪论 1
1.1 课题研究背景与义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要研究内容 3
2 缺损颅骨3D模型重建 5
2.1 缺损颅骨图像采集 5
2.2 CT图像的处理 7
2.3 颅骨3D模型的重建 13
3 个性化修复假体的设计 16
3.1 假体的修补方式选取 17
3.2 镜像设计法 18
3.3 拟合设计法 19
4 快速成型 30
4.1 假体的制造 30
4.2 3D打印 32
结论 34
致谢 35
参考文献 36
1.1 课题研究背景与意义
计算机断层成像(CT) 和核磁共振成像(MRI) 等技术的发展为人体内部结构的研究提供了有效的方法。用图像将人体内部结构直观的显示出来，这种方法使医生的诊断更加可靠，治疗更加准确。但有一些器官的结构非常复杂，病变或破损的位置多样化，使得医生从CT图片上也无法分辨。骨膜型断层成像图片3D模型重建与设计制造就是用来直观的显示各个器官、骨骼及其他结构的三维特征。基于病人的CT图片重建其结构，对破损或者病变部分进行标记、重建和还原。对医学特别是骨骼研究和骨骼疾病有突出的贡献。主要用于各种骨骼破损的重建修复手术中。
长久以来，人们关注的只是身体上的康复。只要病情去除即可，而疾病给病人带来的痕迹却视而不见。这些痕迹往往会给病人带来更大的痛苦。现代医学模式已经从单纯的“生物医学模式”向不仅考虑人群健康的生物因素，同时兼顾人群心理、环境和社会因素的“生物--心理--社会医学模式”转变。新的医学模式不仅强调身体上的健康，还包括心理上的健康和具有社会一丁点适应能力。在这种医学模式下，修复重建外科学得以迅猛发展。在治疗肿瘤、感染、畸形、伤残等疾病时，我们不仅要治疗好疾病本身，还要修复被破坏的器官、组织等，确保恢复后各个器官的功能健全，并且具有完美的外观。
颅骨修复是修复重建外科[1]的重要组成部分。颅骨缺损的原因各种各样，比如车祸、钝器击伤等，这类外伤一般为最常见的颅骨缺损的原因。并常伴有面部或其他部位的损伤。先天性畸形、儿童生长性骨折等情况一般很少出现。不管是什么原因造成的颅骨缺损，都给患者带来极大的痛苦。
一般的颅骨破损，破损区域不大或者是颅骨板外层破损并且不会给病人造成容貌上的破坏的，一般不用修复，可依靠自身自动愈合。而破损较大的则不然，它不仅破坏了骨骼等组织，造成了物理伤害，会产生一系列并发症。而且破坏了病人的容貌，这种破坏是不可自愈的，所以必须修复。
颅骨缺损在现代生活中作为常见病已不再奇怪，每年都有很多患者要接受手术。但是传统的手术修补都是先切开病患处，然后根据缺损部位的外形，主治医生通过手动的方式来剪切钛合金板来修补，这样就存在了很大的问题。手术时间过长，而且术后还容易产生并发症，并且修补片的贴合性完全取决于医生的个人经验。颅骨缺损修复技术采用计算机辅助设计，在确保病人临床症状消失、被破坏的组织得以恢复的基础上，最大可能的恢复病人的容貌特征，减少并发症，且贴合性良好，有利于骨骼的自我修复生长。
1.2 国内外研究现状
到目前为止，还并没有一套完善的颅骨修复系统。每一个单位和个人基本上使用的方法也不尽相同。颅骨破损修复技术在操作过程中涉及到的各个专业领域较多。比如逆向工程技术、图像处理技术、数控加工技术、数字化设计制造技术等。每一项技术所包含的各个造作过程也是不一而足的。
就图像处理来说，我们需要的是患者病变部位及周围的CT断层图像，而采集CT图像所使用的CT设备却有很多种，所以得到的图片数据也肯定不会相同。我们得到了原始的CT图像，但是并不能直接得到3D模型，还需要用到CT图像处理软件来对CT图像进行一系列的处理，比如去噪处理、阈值分割等。图像处理软件却又很多，选择不同对最终的处理结果当然有一定的影响。最终通过处理得到三维模型，需要转换到计算机辅助设计软件上对缺损部分进行修复假体的设计，这一转换过程相对较复杂。并且如何设计修复假体以使其与破损部位完美贴合依然很有问题。
随着医学数字成像技术的飞速发展及其在临床诊断中的广泛应用，先进的医学断层仪器，如计算机断层扫描等医学成像设备采集人体器官、骨骼、关节等部位的影像数据为医学研究与诊断提供高质量的二维断层图像信息，同时也为逆向工程在医学上的应用提供了良好的条件。骨膜型断层成像图片3D模型重建与设计制造应运而生。这一项技术是建立于CT图像上的新兴技术。众所周知，国外，尤其是美国的技术发展的最快，也是最先进的。因此，他们的这一技术也发展的最快。相对来说也比较系统化。国外的研究立志于将这一技术应用到临床医学中，他们取得了不小的成就。 国外已经有医学断层图像逆向的商业化系统，在基于断层扫描数据设计人工骨骼方面己经有一些成功的应用。目前，国外的医学机构已经可以重建出部分骨骼并且移植到人体中，代替正常的骨骼进行工作。甚至可以为一位头骨破碎的人重新建立一个人造头骨，完全不影响正常生活。
国内这一项技术发展的比较迟，还不足以应用于各个医学领域。上海交通大学起步相对较早，他们的逆向工程技术首先应用于医学领域，取得的成果也比其他单位相对要好很多。国内医学界现在所用的3D软件一般都是外国设计编写的，引入比较迟，目前基本是用于重建缺损的骨骼的修补和建立三维模型以用来研究分析。
1.3本文的主要研究内容
本文主要研究从CT图片处理还原3D模型到颅骨破损修复假体的设计成型这个过程。其中涉及到很多的步骤,具体过程如下：
CT图像采集需要使用CT机，这要根据每一个医院的情况来选定。本文使用的是CT断层图像，精度选择0.5mm左右。所谓精度就是每隔0.5mm选取一张患者头部断层图像，最后形成一组CT图像集。精度越高，最后生成的3D模型就越完美，表面趋于平滑。但同时，因为精度的提高，图像总量增大，所占的空间就增大，也大大提高了工作量。所以，如何选取合理的精度是本文要考虑的内容之一。
图像处理过程中涉及到的相关技术很多，比如滤波去噪、阈值分割、轮廓提取等。他们是环环相扣的，前面的处理结果就会影响到后续的处理。常用的滤波去噪方法有限幅滤波法、算术平均滤波法、中位值平均滤波法、中位值滤波法、递推平均滤波法等，选用哪一种滤波去噪方法更加的方便又想、更加大适合于本文的研究也是要考虑到的。此外，滤波去噪是如何设置参数也很重要。其他的包括阈值分割等处理过程需要研究的也基本相似。
修复假体的设计要遵循各种原则。以前老式的修复方式是医生手工剪切钛合金板来修补缺损，不仅不能做到保持外形的完整性，而且通常需要修给很多次再能修不完。钛合金修补部分不可能是一块整体，他们的强度肯定无法与完整的钛合金板相比，老式的修补方式也不考虑钛合金的厚度对强度的影响。本文是通过计算机辅助软件对个性化修复假体进行设计的，设计过程中，钛合金的厚度、钛合金板上的孔洞大小和密度等都是要考虑到的因素。厚度过小强度就不够，手术后恢复后者是在以后的生活中可能会出现一些问题。比如合理的触碰就可能导致修补部分钛合金的变形等等。孔洞大小和密度选择不合理则会对后期骨骼的修复再生在成障碍，无法使钛合金与骨骼、肌肉等融合为一。两只修复方式如图1、2所示。
4.2.1 3D打印机原理
先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。每一层一般厚度为0.1毫米（一般同一台打印机有不同的厚度可供选择）。
传统的3D打印机的原理是在每一层按计算好的图形喷胶水，然后均匀的覆盖上一层粉末（一般为塑料粉末）。这样有胶水的地方粉末就被固定，随着每一层的叠加，最后形成模型。其他没有被胶水固定的材料依然可以使用。
现在已经出现了其他种类的3D打印机，它们打印的过程基本相似。但是用的耗材已经从原来的粉末状态变成了熔融态的塑料，这样就更加的快速，而且成本更低。
4.2.2 本文的3D打印
本文3D打印基本操作与一般的3D打印没有太大的出入。先通过软件给模型分层。选定每层厚度为0.1mm，然后设计模型的安放方式，生成填充路径，最后导入3D打印机中，执行打印。
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