膝盖骨CT序列三维重建与打印制造
膝盖骨CT序列三维重建与打印制造[20200106195126]
采用CT扫描机对人体断裂的膝关节进行扫描，获得断层数据图像；采用图像处理软件mimics对图像进行处理和建模；然后使用UG软件设计出贴合骨面的钢板模型；最后，使用三维打印机将膝盖骨模型和钢板模型打印出来并装配。此外该项目可以帮助医生合理、定量地制定手术方案；同时对于选择最佳手术路径、减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率等有十分重要的意义。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:膝盖骨,医学图像处理,三维重建,UG曲面建模,三维打印
目 录
1 引言····························································· 1
1.1 医学图像三维重建概述··········································· 1
1.2 国内外发展现状················································· 2
2 研究方法及途径··················································· 2
2.1 研究方法······················································· 2
2.2 所使用的软件··················································· 3
3 研究课题具体过程················································· 4
3.1 膝盖骨三维重建················································· 4
3.2 钢板cad模型设计··············································· 12
4 三维打印························································· 22
4.1 三维打印机机器和材料··········································· 22
4.2 三维打印原理··················································· 23
4.3 三维打印过程··················································· 23
4.4 三维打印结果··················································· 24
结论································································ 25
致谢································································ 26
参考文献···························································· 27
1 引言
随着建筑业和交通运输业的迅速发展，以及生活水平不断提高，骨折的出现率日渐增多，需要手术治愈的案例逐步增加。过去在手术方案的多种选择中，从最初的用手体会到 X 线图片的出现，到 CT、MRI 断层扫描图片来辅助手术医师获得对人体受损部位的大致了解。可是，传统的医学图片还只能获得人体某一断层的图像数据，然后医生通过图片进行诊断或者使用显示屏幕进行观察。无论图片还是显示屏幕，医生所能观察到的依然是二维图像，并且只能用固定的方式对图片进行观察，所得到的诊断结果一般会带有医生的主观经验判断，这在很大程度上取决于医生的临床经验。
近年来，随着计算机技术的发展与应用，这种状况迅速得到改善。三维医学图像可视化技术作为非常有力的辅助手段能够填补影像设备在图片成像上的不足，能够为医生提供相当真实的三维医学图像，便于医生从多层次、多角度进行观察和分析，并且能够使医生方便有效地对数据进行处理和分析，在帮助医生诊断、手术仿真、协助治疗等方面都表现出重要的作用，因此面向医学领域的三维可视化技术的研究得到了广泛的关注，逐步形成了具有特色的一门科学。
1．1 医学图像三维重建概述
医学图像三维重建及可视化技术，是指用一系列二维图像重建出三维图像模型并且进行定性和定量分析的技术。
该技术利用CT， MRI等医学影像设备输出的图像体数据，根据需要选择合适的三维重建算法，得到可以从任意视角进行观察的三维投影图像，这样诊断医生就可以方便地对人体内部组织或器官的结构进行观察诊断。医学图像三维重建技术的关键点在于对不同的断层图像，提取出图像的边缘特征，再根据每幅图像的边缘特征将二维图像序列拟合成三维模型。通过对医学图像进行有针对性的处理后，再利用三维重建技术构造出器官或组织的三维模型，然后把三维模型显示在屏幕上，对于有些医生重点观察的器官，还可以将它的形状、大小和位置等定量或定性信息提取出来，便于分析。三维重建技术的大量使用，使得医务人员能够清晰直观、定量地对人体内部受损部位的三维立体结构进行察看，还能够针对不同疾病诊断的需要突出图像中原有的某些细节，进而使医生可以更快速做出正确的疾病诊断。
1．2 国内外发展现状
自从Bersler和Frankel在1950年建立了一个早期的人体膝关节生物力学模型以来，之后许多研究者已建立了各种各样的人体膝关节模型。
1956年Turner等提出可视化的概念以来，可视化理论及应用发展迅速。伴随着计算机技术的快速发展、三维可视化软件的开发，可视化分析法由最开始的简单分析转向和有关时间的生物性质描述、理想植入假体结构设计、假体受损机理及其生物学病理变化的探讨等。七十年代起，可视化即开始应用于骨科生物力学研究，最早是应用于脊柱，八十年代后，其应用范围逐渐扩展到脊椎骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上，并在牙齿及其附属结构、脊柱生物力学问题上得到了非常广泛的应用。
2004年，郑淑贤通过CT图像处理技术、反求工程技术（Geomagic反求软件）实现了残肢骨骼和皮肤软组织三维模型的重建。2006年王玮和2008年等张建宏分别通过CT图像，借助CAD软件实现了三维建模工作。2006年，万磊等使用Mimics8.1医学图像重建软件建立起形态学高度拟真的膝关节模型。2008年，胡辉莹等通过CT图像，应用Mimics10.1建立了共1 158 085个节点、736 022 个单元的人体胸廓三维可视化模型。
但目前国际国内的研究仍存在如下问题：（1）建立的生物模型形态、结构与实际人体还有差别，很多可视化模型还是二维平面模型；（2）所建立的模型材料性质多数要参考国外文献，与国内实际存在差别，国内缺少单独开展测试生物材料性能的能力；（3）很多研究仍停留在静力分析状态，对各类结构流体力学、动力学、热力学研究较少；（4）用CAD软件等构建的三维模型较粗糙，不符合人体膝关节的在体情况。
2 研究方法及途径
2．1 研究方法
本研究课题需要学习、掌握mimics、ug、3d打印机等设计软件和工具有关的知识，了解ct图像、3d图像重建、3d模型设计等。
采用CT扫描机对人体断裂的膝关节进行扫描，获得断层数据图像；采用图像处理软件mimics对图像进行处理和建模；然后使用UG软件设计出贴合骨面的钢板模型；最后，使用三维打印机将膝盖骨模型和钢板模型打印出来并装配。此外该项目可以帮助医生合理、定量地制定手术方案；同时对于选择最佳手术路径、减小手术创伤、减少对临近组织损害、执行复杂外科手术和提高手术成功率等有十分重要的意义。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:膝盖骨,医学图像处理,三维重建,UG曲面建模,三维打印
目 录
1 引言····························································· 1
1.1 医学图像三维重建概述··········································· 1
1.2 国内外发展现状················································· 2
2 研究方法及途径··················································· 2
2.1 研究方法······················································· 2
2.2 所使用的软件··················································· 3
3 研究课题具体过程················································· 4
3.1 膝盖骨三维重建················································· 4
3.2 钢板cad模型设计··············································· 12
4 三维打印························································· 22
4.1 三维打印机机器和材料··········································· 22
4.2 三维打印原理··················································· 23
4.3 三维打印过程··················································· 23
4.4 三维打印结果··················································· 24
结论································································ 25
致谢································································ 26
参考文献···························································· 27
1 引言
随着建筑业和交通运输业的迅速发展，以及生活水平不断提高，骨折的出现率日渐增多，需要手术治愈的案例逐步增加。过去在手术方案的多种选择中，从最初的用手体会到 X 线图片的出现，到 CT、MRI 断层扫描图片来辅助手术医师获得对人体受损部位的大致了解。可是，传统的医学图片还只能获得人体某一断层的图像数据，然后医生通过图片进行诊断或者使用显示屏幕进行观察。无论图片还是显示屏幕，医生所能观察到的依然是二维图像，并且只能用固定的方式对图片进行观察，所得到的诊断结果一般会带有医生的主观经验判断，这在很大程度上取决于医生的临床经验。
近年来，随着计算机技术的发展与应用，这种状况迅速得到改善。三维医学图像可视化技术作为非常有力的辅助手段能够填补影像设备在图片成像上的不足，能够为医生提供相当真实的三维医学图像，便于医生从多层次、多角度进行观察和分析，并且能够使医生方便有效地对数据进行处理和分析，在帮助医生诊断、手术仿真、协助治疗等方面都表现出重要的作用，因此面向医学领域的三维可视化技术的研究得到了广泛的关注，逐步形成了具有特色的一门科学。
1．1 医学图像三维重建概述
医学图像三维重建及可视化技术，是指用一系列二维图像重建出三维图像模型并且进行定性和定量分析的技术。
该技术利用CT， MRI等医学影像设备输出的图像体数据，根据需要选择合适的三维重建算法，得到可以从任意视角进行观察的三维投影图像，这样诊断医生就可以方便地对人体内部组织或器官的结构进行观察诊断。医学图像三维重建技术的关键点在于对不同的断层图像，提取出图像的边缘特征，再根据每幅图像的边缘特征将二维图像序列拟合成三维模型。通过对医学图像进行有针对性的处理后，再利用三维重建技术构造出器官或组织的三维模型，然后把三维模型显示在屏幕上，对于有些医生重点观察的器官，还可以将它的形状、大小和位置等定量或定性信息提取出来，便于分析。三维重建技术的大量使用，使得医务人员能够清晰直观、定量地对人体内部受损部位的三维立体结构进行察看，还能够针对不同疾病诊断的需要突出图像中原有的某些细节，进而使医生可以更快速做出正确的疾病诊断。
1．2 国内外发展现状
自从Bersler和Frankel在1950年建立了一个早期的人体膝关节生物力学模型以来，之后许多研究者已建立了各种各样的人体膝关节模型。
1956年Turner等提出可视化的概念以来，可视化理论及应用发展迅速。伴随着计算机技术的快速发展、三维可视化软件的开发，可视化分析法由最开始的简单分析转向和有关时间的生物性质描述、理想植入假体结构设计、假体受损机理及其生物学病理变化的探讨等。七十年代起，可视化即开始应用于骨科生物力学研究，最早是应用于脊柱，八十年代后，其应用范围逐渐扩展到脊椎骨、颌骨、四肢骨等骨性结构的生物力学研究上，并在牙齿及其附属结构、脊柱生物力学问题上得到了非常广泛的应用。
2004年，郑淑贤通过CT图像处理技术、反求工程技术（Geomagic反求软件）实现了残肢骨骼和皮肤软组织三维模型的重建。2006年王玮和2008年等张建宏分别通过CT图像，借助CAD软件实现了三维建模工作。2006年，万磊等使用Mimics8.1医学图像重建软件建立起形态学高度拟真的膝关节模型。2008年，胡辉莹等通过CT图像，应用Mimics10.1建立了共1 158 085个节点、736 022 个单元的人体胸廓三维可视化模型。
但目前国际国内的研究仍存在如下问题：（1）建立的生物模型形态、结构与实际人体还有差别，很多可视化模型还是二维平面模型；（2）所建立的模型材料性质多数要参考国外文献，与国内实际存在差别，国内缺少单独开展测试生物材料性能的能力；（3）很多研究仍停留在静力分析状态，对各类结构流体力学、动力学、热力学研究较少；（4）用CAD软件等构建的三维模型较粗糙，不符合人体膝关节的在体情况。
2 研究方法及途径
2．1 研究方法
本研究课题需要学习、掌握mimics、ug、3d打印机等设计软件和工具有关的知识，了解ct图像、3d图像重建、3d模型设计等。
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