本發(fā)明涉及一種人體腦顱模型的制備方法，尤其是利用3d打印，模具成型，灌封，以及計算機(jī)輔助設(shè)計病人人體腦顱模型的方法。
背景技術(shù)：
：由于各種顱內(nèi)血管，腫瘤性疾病，比如血管瘤，膠質(zhì)瘤，腦膜瘤，垂體瘤，或其他各式各樣的血管及腫瘤疾病，病人需要進(jìn)行開顱手術(shù)，這些疾病威脅著病人的生命，由于顱內(nèi)血管，神經(jīng)密布，尤其是顱底部位，任何術(shù)中失誤均會導(dǎo)致手術(shù)失敗，因此，對病人腦顱內(nèi)腫瘤及周邊血管情況的把握就變得至關(guān)重要。醫(yī)學(xué)界，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對顱內(nèi)腦瘤手術(shù)的術(shù)前信息采集和處理的研究已做了數(shù)十年的努力。隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展，基于3d打印來還原顱內(nèi)各組織的狀態(tài)，尤其是血管和腫瘤，成了臨床發(fā)展方向，而這個技術(shù)的實現(xiàn)必須是基于醫(yī)學(xué)圖像的3d建模和機(jī)加工技術(shù)相結(jié)合才得以實現(xiàn)。目前，人體模型的制備方法，有如下幾種：標(biāo)準(zhǔn)模型：這是用于教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)人體模型，用于展示人體各部位的解剖關(guān)系，比如規(guī)格，肌肉，皮膚，血管等等，這對醫(yī)生手術(shù)有基礎(chǔ)的指導(dǎo)作用，但和具體需要手術(shù)的病人沒有相關(guān)性3d打?。鹤詮?d打印機(jī)被發(fā)明以來，即用于醫(yī)學(xué)研究，用于打印醫(yī)生感興趣的組織，比如骨骼，心臟，血管等獨立的組織，這些技術(shù)進(jìn)展為臨床提供相當(dāng)大的幫助。然而，對于一個完整的人體，除了病變部位之外，我們還需要其他相關(guān)組織的情況，并完整的將這些組織之間的關(guān)系表達(dá)出來，這些僅僅靠3d打印一個技術(shù)是無法完成的，需要模具成型，灌封等等技術(shù)進(jìn)行組裝處理，從而給醫(yī)生一個完整的病人解刨關(guān)系。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：為腫瘤病人，尤其是位于顱底的腫瘤病人，或貫穿顱底，顱外的腫瘤病人，提供符合其個性化需要的，精確的病人頭顱模型，該模型涵蓋一個腦顱所必須的四個組成部分，皮膚，顱骨，血管和腫瘤。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)病人的腦顱cta(計算機(jī)斷層掃描血管造影)數(shù)據(jù)，提取皮膚，顱骨，血管和腫瘤的數(shù)據(jù)集，根據(jù)這些數(shù)據(jù)集，設(shè)計皮膚，腫瘤成型所需要的模具，將模具數(shù)據(jù)輸入3d打印機(jī)或數(shù)控機(jī)床加工依設(shè)計所需要的成型模具，選擇3d打印機(jī)還是數(shù)控機(jī)床制作模具取決于醫(yī)生對醫(yī)學(xué)模型的精準(zhǔn)度及光滑度要求，數(shù)控機(jī)床制作的模具更加精準(zhǔn)和光滑，但時間較長，成本也較高。最后，經(jīng)由模具灌封皮膚，腫瘤材料制作出所需要的組織。顱骨和血管可經(jīng)由3d打印機(jī)直接打印，通常無需制作模具成型。制作出來的皮膚，腫瘤，顱骨，血管進(jìn)行組裝，然后注入灌封材料，固化成型。本發(fā)明的具體步驟如下，發(fā)明過程方法流程可見參考圖1：1.計算機(jī)讀取病人的cta數(shù)據(jù)2.將病人顱骨的cta數(shù)據(jù)在冠狀位，矢狀位和軸位進(jìn)行病人的圖像重建。生成病人的三個相位斷面圖，調(diào)整窗寬窗位，直至腫瘤，血管，骨骼和皮膚可以被分辨識別。然后經(jīng)過組織提取，分別獲得腫瘤，血管，骨骼和皮膚的數(shù)據(jù)集。皮膚和骨骼的采集是基于閾值分割算法，血管和腫瘤的采集是基于區(qū)域生長算法。首先，關(guān)于閾值分割算法：對于顱骨來說，我們通常以ct值226作為密度區(qū)分的下限，但這只是經(jīng)驗值，具體的數(shù)值可以根據(jù)病人實際骨密度的不同而重新定義，顱骨的上限可以以cta數(shù)據(jù)掃描的最高ct值為上限，這是指普通的病人，如果，顱內(nèi)植入其他異物，比如鈦合金修復(fù)體，可以另行處理。對于皮膚來說，可以選取ct值-150為下限，這是低于人體內(nèi)所有軟組織的ct值同時又高于空氣的ct值，用于界定乃外皮膚。然后我們通過以下算法獲取所有的符合條件的像素集合：其中d為最dij點的最初密度值(density)，vs為閾值的下限，vm為閾值的上限，這樣我們就獲得了所需要組織的數(shù)據(jù)集，然而，這些并不足以保證所需要的而組織被成功的識別，必須配合窗寬窗位及顏色區(qū)分，才能將所需要的組織采集出來，這個過程由以下算法所描述windowcenter：窗位windowwidth：窗寬wl：下限；wh：上限wl＝(windowcenter-windowwidth)/2)；wh＝(windowcenter+windowwidth)/2)；dc＝(255/windowwidth*(d-wl))；然后對不同密度進(jìn)行不同的顏色編碼，組織顏色編碼曲線如圖2所示注意，此組織顏色編碼曲線只是經(jīng)驗曲線，組織顯示顏色和組織的病理之間沒有邏輯關(guān)系，也就是，顏色僅用于各組織之間的相對區(qū)分，雖然，血供經(jīng)常顯示為紅色，腫瘤顯示為藍(lán)色，骨骼顯示為橙綠色，但顏色與組織之間沒有必然的關(guān)系，隨窗寬窗位的調(diào)整而改變，最后，我們通過以下公式獲得不同組織密度的顏色值，其中df經(jīng)由顏色曲線獲得，dij為密度值，cij為顏色值。其次，區(qū)域生長算法：閾值分割算法提供了一個簡單快捷的組織區(qū)分，這是根據(jù)兩種組織在ct值上有嚴(yán)格不同來區(qū)分的，比如空氣和皮膚，骨骼和軟組織，然而，對于血管和腫瘤，僅僅通過閾值分割是不足以正確的提取所需要的組織的，因為血管和腫瘤也屬于軟組織，這樣就和周圍的軟組織無法有效的區(qū)分，臨床上為了提高血管和腫瘤的特異性，需要打入含碘的造影劑，然后進(jìn)行ct掃描，稱為cta(計算機(jī)掃描血管造影術(shù))，這樣血管和周圍的軟組織就會被顯著的區(qū)分出來，腫瘤通常含有大量的血管，血供豐富，因此大部分腫瘤通過此種方法，也可以進(jìn)行區(qū)分，即便如此，單純的閾值分割仍舊不足在于將血管，腫瘤與周圍組織嚴(yán)格區(qū)分，其原因是血液中含有造影劑后其密度值往往會接近甚至超過骨密度的ct值，過高的閾值上限會將骨組織劃分進(jìn)來，過低的上限閾值又會使血管信息丟失，因此算法上需要將上限拉至骨密度領(lǐng)域，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的賽選提取，其基本的方法是相關(guān)性計算，因為血管都是相連的，從這個基本的邏輯出發(fā)，只要選定一個血管的截面，通過相關(guān)性計算，就可以從中提取該血管及其分支，人體大腦內(nèi)部的動脈血管是由兩個大動脈提供的，左右頸動脈及椎動脈，左右頸動脈又分支成左右大腦前動脈和左右大腦中動脈，兩只椎動脈分匯合基底動脈，基底動脈又分支成左右大腦后動脈，和小腦動脈。大腦前動脈，大腦中動脈和大腦后動脈又通過willis環(huán)連接。因此，大腦內(nèi)的動脈是完全相連同的，理論上，只要我們手動的識別一根動脈血管，就可以通過相關(guān)性計算，得到所有動脈血管，同理靜脈血管也是如此，然而，作為神經(jīng)外科手術(shù)，動脈血管的破裂更具風(fēng)險性，因此算法仍舊是以解決動脈血管的完整提取為原則兼顧靜脈血管的提取。作為區(qū)域分割，有4連通，8連通，26連通，4連通是指同一個平面上一點的上下左右的判斷，8連通是指一個點的上下左右，左上，左下，右上，右下的判斷，對于血管來說，8連通是可以采用的方案，更加準(zhǔn)確的判斷來自于26連通，除了本平面的八個方位的判斷之外，還要考慮上下平面，每層9個可能性的判斷，這樣就總共26種可能性判斷，符合閾值范圍要求的納入新的數(shù)據(jù)集合。這樣我們可以搜索算法，構(gòu)建鏈表，將所有的點組成一個數(shù)據(jù)樹從而獲得完整的組織數(shù)據(jù)集，以8連通為例，鏈表集如下：配合之前的區(qū)域分割數(shù)據(jù)集我們就可以完整的獲得血管和腫瘤的組織數(shù)據(jù)集3.在步驟2的基礎(chǔ)上構(gòu)建血管和腫瘤實體，采用的算法是表面重建算法，對于血管和腫瘤的表面重建，這是通過體素的切割計算來完成，通過體素的切割獲得構(gòu)成實體表面的三角片，算法如下：其中p1，p2是介于閾值上下的相鄰兩點，u是插值點的比例，由一下公式獲得u＝(d1-dt)/(d1-d2)其中d1，d2是兩個點的ct值，dt是閾值大小，這樣就可以獲得閾值邊緣點的坐標(biāo)值。通過這種方法可以計算出閾值表面的三角片。在計算三角片同時還要獲得三角片表面法線向量的計算，這是由于stl數(shù)據(jù)格式需要顯式的給出法線向量，(iges數(shù)據(jù)無此要求)，因此，表面重建算法需要特別區(qū)分其所有狀態(tài)下的法線向量，否則會使3d打印機(jī)無法進(jìn)行切層計算。法線的計算遵循右手定則，通過兩向量的叉積計算獲得，并需要進(jìn)行歸一化處理。對于空間三個點p0，p1，p2組成的三角片，法線向量的計算如下：分別是p1和p2指向p0的向量；x是叉積運(yùn)算符對于皮膚和腫瘤的模具計算，此處的法線向量計算完全反過來，即但這個反向僅僅包含皮膚在xy方位上的，不包括上下表層皮膚的計算。最終我們獲得一個由三角片組成的空間集合，這個三角片是通過表面重建算法獲得，同時包含這個三角片的法線向量，用于區(qū)分實體的方向界定。整個集合如下：顱骨，腫瘤，皮膚和血管的實體由上述集合所描述，該集合是輸出stl文件和iges文件的基礎(chǔ)集合，所有3d打印數(shù)據(jù)和數(shù)控機(jī)床加工數(shù)據(jù)均由此集合導(dǎo)出。這里所有的三角片之間沒有鏈表關(guān)系，屬于無序集合，也就是，實體的本身包含哪些子模塊(血管，腫瘤，骨骼子模塊)是由軟件自身算法界定的，不是由數(shù)據(jù)集描述的。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出時，三角片的矢量方向和三個頂點的順序特別重要，這是第三方軟件，比如工程制圖3d重建軟件實體識別的根據(jù)。4.在步驟2，3的基礎(chǔ)上構(gòu)建皮膚和腫瘤的模具，采用的算法是是表面重建算法和幾何體建模算法。皮膚是一種較為柔軟的組織，不適于3d打印直接制作，只能用模具灌注的方法進(jìn)行成型模具的算法，首先我們需要選取一個合適的幾何體，比如圓柱體或長方體，然后從中去除皮膚或腫瘤所占的幾何空間，形成一個空腔，利用這個空腔進(jìn)行皮膚腫瘤的加工制作。這里的算法是，先對幾何體進(jìn)行分割，分割的尺寸按照ct數(shù)據(jù)的像素大小進(jìn)行，從中去除符合以下公式的細(xì)分幾何體從而獲得存留下來的細(xì)分集合體，這包括兩部分，一是原屬于原幾何體的數(shù)據(jù)，一是皮膚三角片的數(shù)據(jù)。皮膚的處理需要向內(nèi)擴(kuò)展5mm形成空腔，由這些空腔的內(nèi)腔組成內(nèi)膜實體。法線向量需要重新計算。腫瘤模具需要拆分成上下模，用于灌注成型，這些算法可以通過軟件完成。5.在步驟4的基礎(chǔ)上，將設(shè)計出的病人皮膚腫瘤3d重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成stl文件和iges文件，分別用于3d打印和數(shù)控機(jī)床加工，iges文件需通過專門的軟件轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床加工所需的g代碼數(shù)據(jù)格式。6.在步驟5的基礎(chǔ)上，由3d打印機(jī)或數(shù)控機(jī)床加工皮膚和腫瘤的模具7.制作皮膚和腫瘤，制作材料是由三部分材料組成，一是透明環(huán)氧灌封膠，ab膠比例2∶1，一是透明有機(jī)硅脂，ab膠比例10∶1，一是顏料，不同的組織采用不同顏色的顏料。三者比例，按照50∶50∶1配比。顏色，皮膚通常選用橙色，腫瘤選用藍(lán)色，制作出的皮膚和腫瘤的彈性取決于環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅脂的配比，可以通過減少環(huán)氧樹脂所占的比例來增加腫瘤和皮膚的彈性8.在步驟7的基礎(chǔ)上，調(diào)制后的皮膚腫瘤材料，需要放入真空箱中抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉。9.在步驟6，8的基礎(chǔ)上，將調(diào)制好的材料，灌入皮膚和腫瘤模具，抽取真空，24小時固化。10.在步驟3的基礎(chǔ)上，將血管和顱骨的stl數(shù)據(jù)輸入3d打印機(jī)，進(jìn)行3d打印，通常血管選用紅色的材料，abs，pla皆可，這兩種材料制作的血管質(zhì)地較硬，如果需要有彈性的血管，在打印機(jī)條件許可下，可采用有彈性的flexibletpu材料。顱骨一般選用本色或白色的abs材料。如果打印機(jī)支持多種材料同時打印，則將血管和顱骨同時打印出來，這樣沒有配合誤差，如果打印機(jī)不允許同時打印，又或者，所選擇的材質(zhì)不適于同時打印，比如abs和tpu，那么分別打印，然后組裝，組裝時需保證兩者的裝配誤差在許可的范圍之內(nèi)。兩者用專用粘合劑粘結(jié)，確保不會移位。11.調(diào)制透明灌封材料：制作灌封的材料是透明有機(jī)硅脂，ab膠的比例是10∶1，抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉，24小時固化。12.在步驟9，10，11的基礎(chǔ)上，組裝皮膚，腫瘤和顱骨組件(顱骨加血管)，灌封調(diào)制好的透明有機(jī)硅脂，抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉，24小時固化。13.等有機(jī)硅脂完全固化，一般24小時候，拆封，完成腦顱模型的制作本發(fā)明的實施具有有益效果有：可根據(jù)病人的個性情況為病人量身定做腦顱模型，準(zhǔn)確的描述病人腫瘤及周邊血管的情況，為醫(yī)生手術(shù)入路和手術(shù)方案提供指導(dǎo)，降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)成功率，從而挽救病人生命。附圖說明圖1本發(fā)明方法的主流程圖；圖2顏色編碼曲線圖3皮膚，腫瘤，顱骨，血管組織的區(qū)分圖4皮膚，腫瘤，顱骨，血管的3d模型圖5皮膚模具的3d模型圖6皮膚成型內(nèi)外模具合成圖圖7皮膚成型模具的外模圖8皮膚成型模具的外模實體圖9皮膚成型模具的內(nèi)模圖10皮膚成型模具的內(nèi)模實體圖11調(diào)制皮膚制作材料圖12真空抽取，去除皮膚材料中的氣泡圖13灌注皮膚圖14脫模后的皮膚，實際工藝不需要此步驟，會導(dǎo)致皮膚破損，應(yīng)該灌封后脫模，見圖21圖15腫瘤模具上下模設(shè)計圖圖16腫瘤模具上下模實體圖17腫瘤模具的灌注圖18將模具成型的腫瘤組裝進(jìn)顱骨中圖19調(diào)制透明有機(jī)硅脂圖20將皮膚顱骨，血管和腫瘤灌封固化圖21脫模后的最終模型，皮膚完整展示具體實施方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下通過附圖和具體實施例作進(jìn)一步說明。本病例為巨大腦瘤病人，腫瘤位于顱底左前部，為大約直徑50mm的橢球體，和一個小雞蛋體積相當(dāng)，壓迫willis環(huán)所屬前交通動脈，后交通，侵占大腦前動脈，大腦后動脈，大腦中動脈，小腦動脈，椎-基底動脈等腦顱內(nèi)主要動脈血管，該病人手術(shù)高度復(fù)雜，任何不慎均會產(chǎn)生致命威脅。依照本發(fā)明方法，制作病人腦顱模型，過程如下：1.計算機(jī)讀取病人的cta數(shù)據(jù)2.將病人顱骨的cta數(shù)據(jù)在冠狀位，矢狀位和軸位進(jìn)行病人的圖像重建。生成病人的三個相位斷面圖，調(diào)整窗寬窗位，直至腫瘤，血管，骨骼和皮膚可以被分辨識別。然后經(jīng)過組織提取，分別獲得腫瘤，血管，骨骼和皮膚的數(shù)據(jù)集。首先我們通過閾值分割算法及附圖2所示的顏色編碼曲線通過以下公式提取皮膚，顱骨，腫瘤和血管對于閾值分割算法，按照下面c#計算機(jī)語言代碼予以實現(xiàn)該程序調(diào)用顏色編碼曲線程序，如下：其最終的結(jié)果如附圖3所示，通過顏色編碼后，藍(lán)色為軟組織，主要用于界定皮膚和周圍的空氣，紅色為腫瘤和血管，綠色為顱骨，這樣，通過區(qū)域分割算法，我們可以簡單的在視角上區(qū)分各組織。同時依據(jù)上述算法，根據(jù)各組織的密度范圍不同，區(qū)分成不同的組織數(shù)據(jù)集合。對于血管的提取，必須進(jìn)行區(qū)域生長算法來實現(xiàn)：一個8連通的程序算法如下：其中p是需要檢測的測試點，通過對該點周圍8個點及本身一個點的相關(guān)性判斷，獲得與這個點相關(guān)的鏈表，然后通過遞歸搜索，獲得全部點的相關(guān)性列表。此算法的目的是通過相關(guān)性計算將血管從軟組織中分離出來。3.在步驟2的基礎(chǔ)上，計算表面三角片及三角片的法線向量，三角片的計算公式如下：其中u由一下公式獲得u＝(d1-dt)/(d1-d2)對于空間三個點p0，p1，p2組成的三角片，法線向量：分別是p1和p2指向p0的向量；x是叉積運(yùn)算符通過這些計算，我們可以獲得顱骨，皮膚，血管和腫瘤的表面重建數(shù)據(jù)，以顱骨表面為例，其中最終的數(shù)值如下(部分，共計91萬9150個三角片)三角片中的42個三角片)采用同樣的辦法，可以獲得腫瘤模具的stl文件數(shù)據(jù)如果采用數(shù)控機(jī)床加工，需要轉(zhuǎn)換成iges文件輸出，如下(部分)：通過這種方法我們獲得了完整的顱骨，皮膚，腫瘤和血管的表面重建數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過顯示程序顯示后，如附圖4所示4.在步驟2，3的基礎(chǔ)上構(gòu)建皮膚和腫瘤的模具，以皮膚為例，選擇一個方體做制模材料，從中挖去皮膚的部分，這里的算法是，先對幾何體進(jìn)行分割，分割的尺寸按照ct數(shù)據(jù)的像素大小進(jìn)行，從中去除符合以下公式的細(xì)分幾何體從而獲得存留下來的細(xì)分集合體，這包括兩部分，一是原屬于原幾何體的數(shù)據(jù)，一是皮膚三角片的數(shù)據(jù)。計算的結(jié)果如附圖6所示，可以看到中間部分材料已經(jīng)被做成空腔，這個空腔就是皮膚的空間，可以通過想這個空腔注入相應(yīng)的成型材料，制成所需要的皮膚5.在步驟4的基礎(chǔ)上，將設(shè)計出的病人皮膚腫瘤模具3d數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成stl文件，對于皮膚模具的stl文件如下(部分內(nèi)容，14萬8084個然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)機(jī)床加工所需的g代碼(部分)6.在步驟5的基礎(chǔ)上，由3d打印機(jī)或數(shù)控機(jī)床加工皮膚和腫瘤的模具。7.制作皮膚和腫瘤，制作材料是由三部分材料組成，一是透明環(huán)氧灌封膠，ab膠比例2∶1，一是透明有機(jī)硅脂，ab膠比例10∶1，一是顏料，不同的組織采用不同顏色的顏料。三者比例，按照50∶50∶1配比。顏色，皮膚通常選用橙色，腫瘤選用藍(lán)色，制作出的皮膚和腫瘤的彈性取決于環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅脂的配比，可以通過減少環(huán)氧樹脂所占的比例來增加腫瘤和皮膚的彈性8.在步驟7的基礎(chǔ)上，調(diào)制后的皮膚腫瘤材料，需要放入真空箱中抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉。9.在步驟6，8的基礎(chǔ)上，將調(diào)制好的材料，灌入皮膚和腫瘤模具，抽取真空，24小時固化。10.在步驟3的基礎(chǔ)上，將血管和顱骨的stl數(shù)據(jù)輸入3d打印機(jī)，進(jìn)行3d打印，通常血管選用紅色的材料，abs，pla皆可，這兩種材料制作的血管質(zhì)地較硬，如果需要有彈性的血管，在打印機(jī)條件許可下，可采用有彈性的flexibletpu材料。顱骨一般選用本色或白色的abs材料。如果打印機(jī)支持多種材料同時打印，則將血管和顱骨同時打印出來，這樣沒有配合誤差，如果打印機(jī)不允許同時打印，又或者，所選擇的材質(zhì)不適于同時打印，比如abs和tpu，那么分別打印，然后組裝，組裝時需保證兩者的裝配誤差在許可的范圍之內(nèi)。兩者用專用粘合劑粘結(jié)，確保不會移位。11.調(diào)制透明灌封材料：制作灌封的材料是透明有機(jī)硅脂，ab膠的比例是10∶1，抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉，24小時固化。12.在步驟9，10，11的基礎(chǔ)上，組裝皮膚，腫瘤和顱骨組件(顱骨加血管)，灌封調(diào)制好的透明有機(jī)硅脂，抽取真空，氣壓應(yīng)低于-0.09mpa，確保氣泡被完全抽掉，24小時固化。13.等有機(jī)硅脂完全固化，一般24小時候，拆封，完成腦顱模型的制作。當(dāng)前第1頁12