CN107616839A - 一种基于3d打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，通过人体CT、MR的DICOM图像将视图和数据传送到处理装置上，然后处理装置对视图数据进行如下步骤处理：a、将视图对比调整；b、初定义选点及确定点位置；c、调值域确定取点走向；d、描点跟踪；e、制作数字化3D分割模型；之后根据步骤e模型进行3D打印出物理模型。本发明的有益效果在于，能够准确无误的标记皮瓣穿支动脉的位置，同时根据不同的部位定位打印出相对应的人体器官，使得3D模型表面具有皮瓣穿支动脉对应于皮肤的标志位点，与人体的器官一一对应，通过模型比对能够准确的判断出人体皮瓣穿支动脉对应于皮肤的位置，能够准确无误的数字化虚拟重建和3D物理打印全身各部位数百支皮穿支动脉的位置和形态。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法。
背景技术
解剖学图谱上胫后动脉在内踝上5cm左右存在一条恒定穿支。内踝上皮支是从胫后肌群与小腿三头肌群的肌间隔穿支，显微外科解剖研究，内踝上皮支其与相邻小动脉吻合的三种途径与三条阴经走形相同。一是内踝上皮支与胫后动脉踝管处穿支（交信、太溪）在深筋膜上皮下的吻合，沿胫后肌肉和小腿三头肌（跟腱）的肌间隙，与足少阴肾经走形相同。一是内踝上皮支 与胫前动脉内踝支（中封）在深筋膜下、胫骨骨膜表面的吻合，与足厥阴肝经的走向相同；一是同隐神经（漏谷、商丘）伴行动脉的吻合，最为粗大，与足太阴脾经的走向相同。
供应穿支血管穿过深筋膜后开始呈树状分布，呈树状分布的血管连同其营养的组织被称为“血管体”。这个血管体包括皮肤、皮下、深筋膜等组织的各种细胞，所以，血管体区的概念就是有多种组织、多种细胞构成，有多种生物学反应机制，可以看作一个小型“器官”。
穿支皮瓣被认为是皮瓣微创化的标志，是皮瓣外科领域的研究热点，常用作修复软组织缺损，创面修复，穿支动脉为相应局部皮瓣组织的主要血供，关于皮瓣的定位，如腓动脉穿支皮瓣的穿支定位需要参考腓动脉穿支出现较恒定和较集中的位置，临床上以此为中心，设计皮瓣。
目前定位人体内部的动静脉系统只能通过放射科计算机扫描和血管造影显示出来，大血管也可以通过3D重建并打印输出物理模型，但是皮瓣穿支动脉属于微小循环系统，直径只有0.5mm-1mm，既往都是通过尸体解剖来确定，目前尚未找到3D打印的办法，尤其是其对应皮肤表面的位置是在哪里，手术范围都是通过医生经验模拟选取皮瓣，没有在术前就精确标记位置的无创手段和工具，存在较大的误差和风险。
尤为重要的是，传统针灸穴位也是因人而异，针灸的时候需要对穴位进行精准取穴定位，然后才能进行针灸，但是每个人都有不同的穴位位置，不同人的穴位只是大概相同，并非完全一致，所以在定位的时候就会产生很大的困扰。目前市场上有多种通过红外定位或比例尺度量的方法，因为都是体外测量方法，未涉及到人体器官本质，所以检测出来的结果与人眼取穴一样，无法做到精准取穴。
目前有学者认为，人体穴位有物质基础，其定位和大小均与各部位皮肤相应的皮瓣穿支动脉对应位置高度重合，WHO规范中穴位共有361个，加上每个人均有奇经穴位，数目四百有余，而全身穿支动脉数目也与此相同，位置与数目都相同，直径大小又相同，所以也可以用全身各部位皮瓣穿支动脉的精确位置来精准标记传统穴位的位置，达到精准取穴的目的。
发明内容
为解决上述技术背景中提到的问题，本发明提供一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，通过建造人体器官例如下肢的一个部位，然后将下肢的具体皮瓣穿支动脉定位在模型相对应的皮肤层上，根据3D模型与人体进行对比，就能够精确定位皮瓣穿支动脉的走行以及这条皮穿支具体对应于人体皮肤上的位置。
一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，通过CT、MR的DICOM数据将人体视图和数据传送到处理装置上，然后处理装置对视图跟数据进行如下步骤处理：
a、将视图对比调整：在视窗内突出预处理部分，修改整体图组初始灰度值；
b、初定义选点及确定点位置：根据皮瓣穿支动脉的特点进行初定义选点及确定点位置，初步选定位置为在皮肤组织CT值-718~ -177和肌肉组织CT值-5~+135之间，贴近皮肤组织的地方清晰可见有一由源血管发出、穿经深筋膜为皮下组织和皮肤供血的营养血管，穿过深筋膜到达皮下组织和皮肤，并在近皮肤处有明显分叉；
c、调值域确定取点走向：使用Profile Line工具确定该结构的大致阈值，而后用Thresholding工具调整取值范围，使得全图层覆盖该结构，为方便局部组织处理，使用CropMask在三视图中框出所需要的大致位置；
d、描点跟踪：使用edit mask工具，根据该结构的走势，添加和消除与周围多余组织连接处，必要时建议可把周围的多余都去掉，避免前后图层的重叠，把制作好剩下的部分用Region Growing工具提取出该结构的剩余部分；
e、制作数字化3D分割模型：确定相对位置用calculate 3D from Mask工具进行该结构与骨骼，皮肤的3D图形建模，建模由计算机标记对应皮肤的彩色圆点；
之后根据步骤e模型进行3D打印输出物理模型。
优选的，所述的3D模型表面具有皮瓣穿支动脉对应于皮肤的标记位点。
优选的，所述的3D模型对应于皮肤的位点为对应穴位的外表皮肤标记点。
优选的，根据3D模型能够判断出对应于皮肤的标记位点可用于针灸穴位精准取穴。
优选的，所述的制作模型采用3D打印软件数字化建模并输出物理模型。
本发明的有益效果在于，能够高仿真打印皮瓣穿支动脉的形态与走行，精准定位皮穿支动脉对应于人体皮肤上的位置。根据本方法能够准确建造出一个3D模型，该3D模型高度仿真于真实人体器官，同时在3D模型表面会将皮瓣穿支动脉对应于外表皮肤的位置精确标出，本发明使用高仿真的生物材料，能够准确无误的打印和重建全身数百支皮穿支动脉的位置和形态。
附图说明
图1是本发明中3D打印软件MIMICS重建图像示意图。
图2是本发明中A点为矢状面的标定点及血管关系示意图。
图3是本发明中横截面标定A点与血管关系示意图。
图4是本发明中冠状面皮肤与标定A点关系示意图。
图5是本发明中同一定位A点在不同CT图层的分支血管示意图。
图6是本发明中标定A点与周围组织的CT值对比曲线示意图。
图7是本发明中增加肌肉与软组织的三段CT对比曲线示意图。
图8是本发明中Crop Mask在三视图中框出所需要的大致位置示意图。
图9是本发明中不同物理层的跟踪构型示意图。
图10是本发明不同物理层的跟踪构型中示意图。
图11是本发明A点侧支动脉分布的原始图示意图。
图12是本发明A点原始图和描记图示意图。
图13是本发明皮肤的3D图形建模示意图。
图14是本发明3D建模前示意图。
图15是本发明3D建模后A点所在位置示意图。
图16是本发明穿支动脉叠加胫腓骨踝关节三维重建图示意图。
图17是本发明穿支动脉三维图及其末端对应皮肤位置的标记点示意图。
图18是本发明透明化穿支动脉及皮肤软组织层仅保留标志点示意图。
图19是本发明下肢皮肤三维重建示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，通过人体CT、MR的DICOM图像将视图和数据传送到处理装置上，然后处理装置对视图跟数据进行如下步骤处理：
a、将视图对比调整：在视窗内突出预处理部分，修改整体图组初始灰度值。图像由于使用机器型号等原因个体差异较大，需要进行微调，如图1为最佳对比度。（CT值以标度HU表示）MIMICS调整图像时仅改变对比度设置，不会影响后面的阈值分割。
b、初定义选点及确定点位置：三阴交为足太阴脾经、足少阴肾经、足厥阴肝经交会之处，十总穴之一，为临床常用穴位；且穴位成像相对直观，取穴方式初步选定位置为在皮肤组织（CT值-718~ -177）和肌肉组织（CT值-5~+135）之间，贴近皮肤组织的地方清晰可见有一由源血管发出、穿经深筋膜为皮下组织和皮肤供血的营养血管，穿过深筋膜到达皮下组织和皮肤，并在近皮肤处有明显分叉，图2中A点为矢状面的标定点及血管关系，图3为横截面标定A点与血管关系，图4为冠状面皮肤与标定A点关系，图5为同一定位A点在不同CT图层的分支血管，最终汇聚深部主干动脉。图6为标定A点与周围组织的CT值对比曲线，可见两个明显波峰，小波为皮肤层CT取值，大波为穿支CT取值。由此可进行区域分离。图7为增加肌肉与软组织的三段CT对比曲线。
c、调值域确定取点走向：使用Profile Line工具确定该结构的大致阈值，而后用Thresholding工具调整取值范围，使得全图层覆盖该结构，为方便局部组织处理，使用CropMask在三视图中框出所需要的大致位置。如图8所示。此时仅可大致分离相邻组织，如图中不同的颜色层。
d、描点跟踪：使用edit mask工具，根据该结构的走势，添加和消除与周围多余组织连接处，必要时建议可把周围的多余都去掉，避免前后图层的重叠。把制作好剩下的部分用Region Growing工具提取出该结构的剩余部分。如图9和图10所示，为不同CT层的跟踪构型，图11、图12、图13分别为该点侧肢动脉分布的原始图，带点原始图和描记图。
e、制作数字化3D分割模型：而后同时为确定相对位置用calculate 3D from Mask工具进行该结构与骨骼，皮肤的3D图形建模，建模由计算机标记对应皮肤的圆点。图14、15所示结构相对位置点。
之后根据步骤e模型进行3D打印输出物理模型。
优选的，所述的3D模型表面具有皮瓣穿支动脉对应于皮肤的标记位点。
优选的，所述的3D模型对应于皮肤的位点为对应穴位的外表皮肤标记点。
优选的，根据3D模型能够判断出对应于皮肤的标记位点可用于针灸穴位精准取穴。
优选的，所述的制作模型采用3D打印软件数字化建模并输出物理模型。
本发明中所提到的软件为优选软件，并非是唯一的，只要能够实现相同功能的软件都可以替换，应该理解为本发明的保护范围之内。
本发明的有益效果在于，能够高仿真打印皮瓣穿支动脉的形态与走行，精准定位皮穿支动脉对应于人体皮肤上的位置。根据本方法能够准确建造出一个3D模型，该3D模型高度仿真于真实人体器官，同时在3D模型表面会将皮瓣穿支动脉对应于外表皮肤的位置精确标出，本发明使用高仿真的生物材料，能够准确无误的打印和重建全身数百支皮穿支动脉的位置和形态。
以上对本发明实施例所提供的一种皮瓣穿支动脉定位方法和三维打印重建进行了详细介绍， 本文中应用了具体实施案例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施案例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上会将本方法用于人体表面穴位的标记，同时替换使用的软件和三维重建方法，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所设定的范围内。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的方法步骤，而并非用作对本发明的限定，只要使用本发明的穿支动脉定位方法来标记定位人体穴位之类的人体信息，以及对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (5)
1.一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，通过人体CT、MR的DICOM图像将视图和数据传送到处理装置上，然后处理装置对视图跟数据进行如下步骤处理：
a、将视图对比调整：在视窗内突出预处理部分，修改整体图组初始灰度值；
b、初定义选点及确定点位置：根据皮瓣穿支动脉的特点进行初定义选点及确定点位置，初步选定位置为在皮肤组织CT值-718~ -177和肌肉组织CT值-5~+135之间，贴近皮肤组织的地方清晰可见有一由源血管发出、穿经深筋膜为皮下组织和皮肤供血的营养血管，穿过深筋膜到达皮下组织和皮肤，并在近皮肤处有明显分叉；
c、调值域确定取点走向：使用Profile Line工具确定该结构的大致阈值，而后用Thresholding工具调整取值范围，使得全图层覆盖该结构，为方便局部组织处理，使用CropMask在三视图中框出所需要的大致位置；
d、描点跟踪：使用edit mask工具，根据该结构的走势，添加和消除与周围多余组织连接处，必要时建议可把周围的多余都去掉，避免前后图层的重叠，把制作好剩下的部分用Region Growing工具提取出该结构的剩余部分；
e、制作数字化3D分割模型：确定相对位置用calculate 3D from Mask工具进行该结构与骨骼，皮肤的3D图形建模，建模由计算机标记对应皮肤的圆点；
之后根据步骤e模型进行3D打印输出物理模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，所述的3D模型表面具有皮瓣穿支动脉对应于皮肤的标记位点。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，所述的模型对应于皮肤的点位可作为相对应人体穴位的定位标志。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，根据3D模型能够精准的判断出对应于皮肤的位点可用于针灸穴位的标记点。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印重建的皮瓣穿支动脉定位方法，其特征在于，所述的制作模型采用3D打印软件数字化建模并输出物理模型。
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