一種基于3d打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于3D打印技術的顱內腫瘤綜合手術規劃模擬方法。該方法首先利用患者螺旋CT顱腦增強掃描所得的DICOM數據，針對顱骨、血管和腫瘤自身特點采用不同的分割方法進行數據信息提取和重建，并在同一坐標系下實現三者的配準和融合；優化處理后的虛擬三維幾何模型經快速成形技術獲得患者的顱腦實體模型；通過對腫瘤直徑、體積、數目及與周圍重要血管和組織的毗鄰關系等信息的獲取，基于患者的顱腦實體模型進行術前綜合風險分析、手術方案設計、手術方案模擬及手術風險應對分析，為患者提供個性化的手術方案，以期提高顱內腫瘤摘除手術的精確性和成功率，探索一條可行的基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法。
【專利說明】一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明是涉及一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，屬于醫學圖 像處理及應用領域。
【背景技術】
[0002] 顱內腫瘤即各種腦腫瘤，是神經系統中常見的疾病之一，對人類神經系統的功能 有很大的危害。近年來，顱內腫瘤發病率呈上升趨勢，據統計，顱內腫瘤約占全身腫瘤的5%， 占兒童腫瘤的70%，而其它惡性腫瘤最終會有20-30%轉入顱內，由于其膨脹的浸潤性生長， 在顱內一旦占據一定空間時，不論其性質是良性還是惡性，都勢必使顱內壓升高，壓迫腦組 織，導致中樞神經損害，危及患者生命。
[0003] 日前，國內外對顱內腫瘤的治療多采用手術，化療、放療、X刀、γ刀等，但大多難 以治愈，惡性腫瘤病程短，發展快，根據惡性程度高低手術切除的多少或放化療的敏感度， 復發有早有晚，生長在腦干、丘腦等重要部位的腫瘤難以手術或不能手術，X刀，放射等治療 后的腫瘤可有縮小或短時間內控制增長以后瘤體不再生長、再復發，良性腫瘤病程較長，生 長緩慢，手術完全切除的不易復發，但生長在腦干等重要部位的腦瘤手術只能部分或大部 分切除，手術后瘤體還會再復發、再生長、顱內惡性腫瘤手術后放、化療平均存活率不足一 年，偏良性的膠質瘤,垂體瘤、顱咽管瘤、膽脂瘤等顱內良性腫瘤手術不易切除干凈，Y刀、X 刀、放射治療并不可能徹底殺死腫瘤，因此大部分患者手術后仍然會再復發。
[0004] 三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型，是在計算機環 境下對其進行處理、操作和分析其性質的基礎，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬 現實的關鍵技術。利用CT圖像數據進行三維重建，構建出人體器官的解剖結構三維結構， 可以讓腫瘤、重要血管等感興趣部位以三維模型的形式真實地顯示出來，立體地從各個角 度觀察和測量各解剖結構，準確地確定腫瘤的空間位置、大小、幾何形狀以及與周圍組織結 構的空間關系。但在此虛擬模型上缺乏有效的實體觀感，難以提供有效的方法和平臺對綜 合模擬手術方案和風險、預后進行綜合分析。
[0005] 3D打印技術，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末 狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。將虛擬可視化模型 進行實體化，此實體模型克服了傳統模型空洞枯燥及病態條件下難以還原人體真實解剖的 不足。利用此實體模型進行個性化的術前規劃和模擬手術，使手術可行性的術前評估更加 準確，術前準備更加充分，手術方案的制定具有個性化，更加客觀、合理。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，該 方法能夠基于患者的顱腦實體模型進行術前綜合風險分析、手術方案設計、手術方案模擬 及手術風險應對分析，提高顱內腫瘤摘除手術的精確性和成功率。
[0007] 本發明的技術方案在于： 一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 依據患者術前螺旋CT顱腦增強掃描二維原始圖像數據進行顱骨、血管和腫瘤的三 維模型重建； (2) 對腫瘤形態、大小、密度變化及差異的測量，針對腫瘤形態、大小的三維測量可初步 掌握腫瘤的基本信息和特征； (3) 顱骨、血管和腫瘤三維模型的配準融合，根據原始CT坐標關系進行顱骨、血管和腫 瘤的配準和融合，獲得同一坐標系下各組織結構的整體三維幾何模型，直觀顯示腫瘤的大 小、位置及其與相關組織的關系，建立整體頭顱三維模型； (4) 三維模型的處理分析和信息提取，根據患者病情個體情況，對整體頭顱三維模型進 行優化處理，剔除無關組織結構以簡化模型，同時獲取用于手術規劃的信息數據； (5) 采用3D打印技術，在計算機的控制下，利用顱骨、血管和腫瘤三維融合模型按照 1:1比例制作出患者顱腦實體模型； (6) 根據步驟（5)所得到的建模結果，基于患者的頭顱實體模型進行術前綜合風險分 析、手術方案設計、手術方案模擬及手術風險應對分析。
[0008] 其中，所述步驟（1)包括以下步驟： (1. 1)讀取二維DIC0M數據，分別進行顱骨、血管和腫瘤信息提取； (1. 2)根據所提取信息經3D計算分別建立顱骨、血管和腫瘤的三維幾何模型，通過對 患者的影像進行重建，可以得到患者個體化解剖數據，為臨床治療提供了立體直觀的解剖 學依據。
[0009] 3.根據權利要求1所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法， 其特征在于：所述步驟（4)包括以下步驟： (4. 1)確定腫瘤在頭顱內的位置，提取腫瘤信息并在頭皮上進行投影定位，確定定位標 記點位置； (4. 2)進行各臨床參數測量，利用測量工具在橫矢冠三個斷面上對相關組織關系進行 平面二維測量，同時還可以對模型進行空間三維立體測量，確定腫瘤與鄰近重要骨骼、血管 的田比鄰關系； (4. 3)根據測量結果和血管形態、走行、管徑、強化表現，確定與腫瘤相關的重要血管， 刪除與手術無關的組織結構以簡化模型； (4. 4)為了方便區分不同的組織結構，分別用不同的顏色顯示顱骨、血管和腫瘤，同時 針對不同結構的顱骨、不同位置的血管也可采用不同顏色予以標記。
[0010] 根據顱骨、血管和腫瘤自身特點采用不同的分割方法進行數據信息提取并分別重 建。
[0011] 所述顱骨信息的提取：采用最基本閾值分割算法，設定分割閾值為60(T2600 HU， 將CT圖像上骨組織與軟組織自動分離。
[0012] 所述血管信息的提取：經圖像定位，采用動態自適應區域生長的分割計算方法，設 置血管的灰度閾值1〇2~186 HU左右，根據血管度值的均一性程度來調整，在血管待定區域 選擇一個種子點作為初始點，分割出目標區域圖像，每層圖像經選擇性編輯和補洞處理，去 除冗余數據。
[0013] 所述腫瘤信息的提取：調整圖像的視圖方向呈現軸狀面、冠狀面、矢狀面的三個視 圖，圖像定位，根據不同腫瘤類型的灰度值不同調整閥值，選取灰度閾值6(T150HU，然后經 過圖像分割、編輯、補洞處理，去除邊緣雜點和冗余數據，區域增長，提取完整有效的腫瘤信 息，對于某些邊界不清晰、難以完整劃定范圍以致提取困難的腫瘤，采取逆向提取的方法， 利用個體腦組織灰度值差異性較小且分布均勻的特征，先對腦組織進行提取并重建，獲得 腦組織完整的三維模型，再以此模型為基礎經布爾運算獲得邊界清晰平滑的腫瘤三維幾何 模型。。
[0014] 本發明的優點在于：本發明實施過程簡單，為提高顱內腫瘤摘除手術的精確性和 成功率提供了保障。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明實施例的基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法流程圖。
[0016] 圖2是本發明實施例的聽神經瘤的3D打印模型示意圖。
[0017] 其中，1-血管，2-腫瘤，3-顱骨。
【具體實施方式】
[0018] 為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳 細說明如下。
[0019] 參考圖1和圖2所示，本發明基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，包 括以下步驟： (1)依據患者術前螺旋CT顱腦增強掃描二維原始圖像數據進行顱骨、血管和腫瘤的三 維模型重建。
[0020] (2)腫瘤形態、大小、密度變化及差異的測量。針對腫瘤形態、大小的三維測量可初 步掌握腫瘤的基本信息和特征，腫瘤密度變化及差異的測量可作為早期診斷的依據。
[0021] (3)顱骨、血管和腫瘤三維模型的配準融合。根據原始CT坐標關系進行顱骨、血管 和腫瘤的配準和融合，獲得同一坐標系下各組織結構的整體三維幾何模型，直觀顯示腫瘤 的大小、位置及其與相關組織的關系，建立整體頭顱三維模型。
[0022] (4)三維模型的處理分析和信息提取。根據患者病情個體情況，對整體頭顱三維模 型進行優化處理，剔除無關組織結構以簡化模型，同時獲取用于手術規劃的信息數據。
[0023] (5)采用3D打印技術，在計算機的控制下，利用顱骨、血管和腫瘤三維融合模型按 照1:1比例制作出患者顱腦實體模型。
[0024] (6)根據步驟（4)所得到的建模結果，包括腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管 和組織的距離等，基于患者的頭顱實體模型進行術前綜合風險分析、手術方案設計、手術方 案模擬及手術風險應對分析，為患者提供個性化的手術治療方案。通過反復手術模擬，提高 醫師的手術技能和熟練度，以期提商手術的效率和成功率。
[0025] (7)基于手術規劃和患者頭顱實體模型的手術實施。
[0026] 進一步的，所述步驟（1)包括以下步驟： (1. 1)讀取二維DIC0M數據，分別進行顱骨、血管和腫瘤信息提取。
[0027] (1. 2)根據所提取信息經3D計算分別建立顱骨、血管和腫瘤的三維幾何模型。通 過對患者的影像進行重建，可以得到患者個體化解剖數據，為臨床治療提供了立體直觀的 解剖學依據。
[0028] 進一步的，所述步驟（4)包括以下步驟： (4. 1)確定腫瘤在頭顱內的位置，提取腫瘤信息并在頭皮上進行投影定位，確定定位標 記點位置。
[0029] (4. 2)進行各臨床參數測量，利用測量工具在橫矢冠三個斷面上對相關組織關系 進行平面二維測量，同時還可以對模型進行空間三維立體測量，確定腫瘤與鄰近重要骨骼、 血管的峨鄰關系。
[0030] (4. 3)根據測量結果和血管形態、走行、管徑、強化表現等，確定與腫瘤相關的重要 血管，刪除與手術無關的組織結構以簡化模型。
[0031] (4. 4)為了方便區分不同的組織結構，分別用不同的顏色顯示顱骨、血管和腫瘤， 同時針對不同結構的顱骨、不同位置的血管也可采用不同顏色予以標記。
[0032] 進一步的，所述的顱骨、血管和腫瘤信息的提取和三維重建方法，其特征在于，根 據顱骨、血管和腫瘤自身特點采用不同的分割方法進行數據信息提取并分別重建。
[0033] 進一步的，對于某些邊界不清晰、難以完整劃定范圍以致提取困難的腫瘤，采取逆 向提取的方法。利用個體腦組織灰度值差異性較小且分布均勻的特征，先對腦組織進行提 取并重建，獲得腦組織完整的三維模型，再以此模型為基礎經布爾運算獲得邊界清晰平滑 的腫瘤三維幾何模型。
[0034] 進一步的，所述的融合三維幾何模型經3D打印技術制作人體頭顱實體模型，將三 維重建的虛擬可視化模型進行實體化，為術前明確診斷，制定個體化的手術方案、指導手術 路徑及評估預后提供最為全面直觀的參考。同時3D打印模型克服了傳統解剖教學的空洞 枯燥及病態條件下難以還原人體真實解剖的不足，是對傳統教學材料的完善和補充，為年 輕醫師的成長提供了一個良好的學習平臺。
[0035] 進一步的，所述的腫瘤頭皮定位是基于三維融合模型，并通過3D打印技術體現標 記區域，為手術入路的選擇，手術方案的制定提供客觀科學的依據。
[0036] 進一步的，所述的術前綜合風險分析、手術方案設計、手術方案模擬及手術風險應 對分析是基于步驟（4)的測量分析和3D打印實體模型所確定的，能夠協助臨床醫師確定手 術最佳的路徑及切口的位置，通過在3D打印實體模型上實施模擬手術預知術中可能遇到 的問題，并事先考慮補救方法和預防措施，通過手術模擬比較各方案的優劣，確定最佳手術 方案，避免盲目的探查手術，減少不必要的損傷及出血，縮短手術時間。同時術前相關手術 組人員在實體模型上反復預演交流，加深對手術方案的熟練掌握，提高術中默契配合能力。 還可于術前給患者及其家屬展示3D打印實體模型，在直觀顯示手術過程，加深患者對顱內 腫瘤及手術過程的了解，同時還能減輕患者心理負擔，提高信心。
[0037] 進一步的，所述的實際手術是在術前設計方案指導實施下進行的，同時在手術過 程中還需利用3D打印實體模型進行輔助和參考，明確腫瘤所在，確定切除范圍，最大程度 保留正常組織結構。
[0038] 具體實施過程：下面結合具體聽神經瘤的手術規劃模擬方法實施例對本發明作進 一步說明。
[0039] (1)依據患者術前螺旋CT顱腦增強掃描二維圖像數據進行顱骨、血管和腫瘤的三 維模型重建，步驟包括： (1. 1)讀取二維原始DICOM數據，分別進行顱骨、血管和腫瘤信息提取，步驟包括： (1. 1. 1)顱骨信息的提取：采用最基本閾值分割算法，設定分割閾值為60(T2600 HU，將 CT圖像上骨組織與軟組織自動分離。
[0040] (1. 1.2)血管信息的提取：經圖像定位，采用動態自適應區域生長的分割計算方 法，設置血管的灰度閾值1〇2~186 HU左右，根據血管度值的均一性程度來調整，在血管待定 區域選擇一個種子點作為初始點，分割出目標區域圖像，每層圖像經選擇性編輯和補洞處 理，去除冗余數據。
[0041] (1. 1.3)腫瘤信息的提取：調整圖像的視圖方向呈現軸狀面、冠狀面、矢狀面的三 個視圖，圖像定位，根據不同腫瘤類型的灰度值不同調整閥值，如在一般腦膜瘤病例中選取 灰度閾值6(T80 HU，而在一般聽神經瘤病例中選取灰度閾值66~94 HU等等。然后經過圖 像分割、編輯、補洞處理，去除邊緣雜點和冗余數據，區域增長，提取完整有效的腫瘤信息。 特別地，對于某些邊界不清晰、難以完整劃定范圍以致提取困難的腫瘤，采取逆向提取的方 法。利用個體腦組織灰度值差異性較小且分布均勻的特征，先對腦組織進行提取并重建，獲 得腦組織完整的三維模型，再以此模型為基礎經布爾運算獲得邊界清晰平滑的腫瘤三維幾 何模型。另外在對于聽神經瘤等需要確定小腦膜的病例中，可以根據70-150HU來提取小腦 膜的信息進行重建。
[0042] (1. 2)根據所提取信息經3D計算分別建立顱骨、血管和腫瘤的三維幾何模型。通 過對患者的影像進行重建，可以得到患者個體化解剖數據，為臨床治療提供了立體直觀的 解剖學依據。
[0043] (2)腫瘤形態、大小、密度變化及差異的測量。針對腫瘤形態、大小的三維測量可初 步掌握腫瘤的基本信息和特征，腫瘤密度變化及差異的測量可作為早期診斷的依據。
[0044] (3)顱骨、血管和腫瘤三維模型的配準融合。根據原始CT坐標關系進行顱骨、血管 和腫瘤的配準和融合，獲得同一坐標系下各組織結構的整體三維幾何模型，直觀顯示腫瘤 的大小、位置及其與相關組織的關系，建立整體頭顱三維模型，此模型能夠任意旋轉，多角 度、多方位地三維觀察明確并標記腫瘤分區，立體感強，可多側面、多角度、多方向、多層次 顯不。
[0045] (4)三維模型的處理分析和信息提取。在虛擬三維模型中，根據患者病情個體情 況，對整體頭顱三維模型進行優化處理，剔除無關組織結構以簡化模型，同時獲取用于手術 規劃的信息數據，步驟包括： (4. 1)在虛擬三維模型中確定腫瘤在頭顱內的位置，提取腫瘤信息，并以此信息在頭皮 上進行相應區域的投影定位，確定定位標記點位置，為手術入路的選擇，手術方案的制定提 供客觀科學的依據。
[0046] (4. 2)進行各臨床參數測量，利用測量工具在橫矢冠三個斷面上對相關組織關系 進行平面二維測量，同時還可以對模型進行空間三維立體測量，確定腫瘤與鄰近重要骨骼、 血管的峨鄰關系。
[0047] (4. 3)根據測量結果和血管形態、走行、管徑、強化表現等，確定與腫瘤相關的重要 血管，刪除與手術無關的組織結構以簡化模型。
[0048] (4. 4)為了方便區分不同的組織結構，分別用不同的顏色顯示顱骨、血管和腫瘤， 同時針對不同結構的顱骨、不同位置的血管也可采用不同顏色予以標記。
[0049] (5)模型以STL格式輸出，采用3D打印技術，在計算機的控制下，利用顱骨、血管和 腫瘤三維融合模型按照1:1比例制作出患者頭顱實體模型，將三維重建的虛擬可視化模型 進行實體化，為手術規劃模擬提供最為全面直觀的參考，如圖2所示。
[0050] (6)根據步驟（4)所得到的建模結果，包括腫瘤直徑、體積、數目、與周圍重要血管 和組織的距離等，基于患者的頭顱實體模型進行術前綜合風險分析、手術方案設計、手術方 案模擬及手術風險應對分析，為患者提供個性化的治療方案。通過反復手術模擬，提高醫師 的手術技能和熟練度，以期提高手術的效率和成功率。
[0051] (7)基于手術規劃和患者頭顱實體模型的手術實施。實際手術是在術前設計方案 指導實施下進行的，同時在手術過程中還需利用3D打印實體模型進行輔助和參考，明確腫 瘤所在，確定切除范圍，最大程度保留正常組織結構。
[0052] 以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
【權利要求】
1. 一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 依據患者術前螺旋CT顱腦增強掃描二維原始圖像數據進行顱骨、血管和腫瘤的三 維模型重建； (2) 對腫瘤形態、大小、密度變化及差異的測量，針對腫瘤形態、大小的三維測量可初步 掌握腫瘤的基本信息和特征； (3) 顱骨、血管和腫瘤三維模型的配準融合，根據原始CT坐標關系進行顱骨、血管和腫 瘤的配準和融合，獲得同一坐標系下各組織結構的整體三維幾何模型，直觀顯示腫瘤的大 小、位置及其與相關組織的關系，建立整體頭顱三維模型； (4) 三維模型的處理分析和信息提取，根據患者病情個體情況，對整體頭顱三維模型進 行優化處理，剔除無關組織結構以簡化模型，同時獲取用于手術規劃的信息數據； (5) 采用3D打印技術，在計算機的控制下，利用顱骨、血管和腫瘤三維融合模型按照 1:1比例制作出患者顱腦實體模型； (6) 根據步驟（5)所得到的建模結果，基于患者的頭顱實體模型進行術前綜合風險分 析、手術方案設計、手術方案模擬及手術風險應對分析。
2. 根據權利要求1所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：所述步驟（1)包括以下步驟： (1. 1)讀取二維DICOM數據，分別進行顱骨、血管和腫瘤信息提取； (1. 2)根據所提取信息經3D計算分別建立顱骨、血管和腫瘤的三維幾何模型，通過對 患者的影像進行重建，可以得到患者個體化解剖數據，為臨床治療提供了立體直觀的解剖 學依據。
3. 根據權利要求1所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：所述步驟（4)包括以下步驟： (4. 1)確定腫瘤在頭顱內的位置，提取腫瘤信息并在頭皮上進行投影定位，確定定位標 記點位置； (4. 2)進行各臨床參數測量，利用測量工具在橫矢冠三個斷面上對相關組織關系進行 平面二維測量，同時還可以對模型進行空間三維立體測量，確定腫瘤與鄰近重要骨骼、血管 的田比鄰關系； (4. 3)根據測量結果和血管形態、走行、管徑、強化表現，確定與腫瘤相關的重要血管， 刪除與手術無關的組織結構以簡化模型； (4. 4)為了方便區分不同的組織結構，分別用不同的顏色顯示顱骨、血管和腫瘤，同時 針對不同結構的顱骨、不同位置的血管也可采用不同顏色予以標記。
4. 根據權利要求2所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：根據顱骨、血管和腫瘤自身特點采用不同的分割方法進行數據信息提取并分別重 建。
5. 根據權利要求4所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：所述顱骨信息的提取：采用最基本閾值分割算法，設定分割閾值為60(T2600 HU， 將CT圖像上骨組織與軟組織自動分離。
6. 根據權利要求4所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：所述血管信息的提取：經圖像定位，采用動態自適應區域生長的分割計算方法，設 置血管的灰度閾值l〇2~186 HU左右，根據血管度值的均一性程度來調整，在血管待定區域 選擇一個種子點作為初始點，分割出目標區域圖像，每層圖像經選擇性編輯和補洞處理，去 除冗余數據。
7.根據權利要求4所述的一種基于3D打印技術的顱內腫瘤手術規劃模擬方法，其特 征在于：所述腫瘤信息的提取：調整圖像的視圖方向呈現軸狀面、冠狀面、矢狀面的三個視 圖，圖像定位，根據不同腫瘤類型的灰度值不同調整閥值，選取灰度閾值6(T150HU，然后經 過圖像分割、編輯、補洞處理，去除邊緣雜點和冗余數據，區域增長，提取完整有效的腫瘤信 息，對于某些邊界不清晰、難以完整劃定范圍以致提取困難的腫瘤，采取逆向提取的方法， 利用個體腦組織灰度值差異性較小且分布均勻的特征，先對腦組織進行提取并重建，獲得 腦組織完整的三維模型，再以此模型為基礎經布爾運算獲得邊界清晰平滑的腫瘤三維幾何 模型。
【文檔編號】A61B6/03GK104091347SQ201410358489
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月26日 優先權日:2014年7月26日
【發明者】劉宇清, 姚立綱, 黃繩躍, 何炳蔚, 洪文瑤 申請人:劉宇清, 姚立綱, 黃繩躍, 何炳蔚, 洪文瑤