基于计算机ct及3d打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种股骨头标准化取样方法，特别是基于计算机体层扫描成像（CT) 及3D打印技术的对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法。
【背景技术】
[0002] 股骨头标本内特定类型小梁（压力小梁、张力小梁等）的微观结构、构成成分、机 械性能等变化，已成为研宄骨质疏松及骨性关节炎等骨骼系统退行性疾病的重要指标。然 而，由于骨小梁存在各向异性，股骨头内不同位置骨小梁的分布数量、密度、走形等不尽相 同，因此，在对比不同个体相应骨小梁病理或生理状态的变化研宄中，精确定位、确保取出 相同类型的骨小梁成为首先需要解决的问题。既往文献报道，依据股骨头表面固有的解剖 结构（如小凹），结合小梁空间分布的Wolf定律，能够定位感兴趣小梁区域，进而保证取样 组间小梁的可比性。然而，实际操作中，由于受离体股骨头标本周围重要解剖标志的缺如的 制约，通过表面残留的解剖结构如小凹，难以辨认其手术取出前在体状态下的空间位置，因 而不利于分析定位感兴趣的小梁区域。而对于股骨头内在的某些结构，如张力骨小梁，通过 表面解剖结构根本无法实现定位；另外，取样过程中由于缺乏导向，钻取时容易偏离预先规 划的取样部位，影响取样的准确性。由此可见，基于表面解剖进行定位取样易产生误差，使 获得的小梁类型存在差异，造成混杂偏倚。近来有文献报道借助X线扫描图像或透视下进 行取样，以期增加取样的准确性。然而，X线图像属于二维影像，是与X射线垂直方向上（z 轴方向）的所有结构在射线接收平面上投影的叠加。而骨取样涉及三维结构的定位，借助X 线图像定位仍有可能出现在Z轴方向上偏离感兴趣骨组织区域，但接收平面的投影仍显示 取样部位包含在感兴趣区域内，定位不准。并且，利用钻头钻取骨组织过程中因缺乏导向而 出现的偏离同样存在，造成取样结果误差。综上，传统方法在小梁定位及取样的准确性上存 在不足，目前尚无研宄就对上述问题进行有效地解决。
[0003] 3D打印技术，属快速成型技术的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金 属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术应用领域广泛，涉 及工程、机械制造、艺术、教育以及医疗等多个行业，尤其在医疗卫生行业，生物材料、人体 组织或器官等3D生物打印技术成为当前研宄的热点。运用3D生物打印技术完全再现三维 数据，能够满足临床及医学科研领域对于精确性及标准化的需要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于计算机体层扫描成像（CT)及3D打印技术的对人股 骨头内任意松质骨区域精准取样方法，可以解决骨退行性疾病研宄中特定骨小梁定位及取 样时，取样前定位更准确、取样时不偏移，实现取样过程标准化等技术问题。
[0005] 本发明实现上述发明目，所采用的技术方案如下：
[0006] 基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法，包括 如下步骤：
[0007] (1)设定薄层CT对股骨头标本进行扫描；
[0008] (2)借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准定位：将CT扫描后图像导 入医学三维图像处理软件，在调整任意切面的条件下，根据内部骨小梁走形，选取感兴趣骨 组织分布区域；
[0009] 借助于CT数据实现三维空间内松质骨区域的精准标识：确定感兴趣骨组织区域 后，利用图像处理软件对目标位置做一个标识，并标记骨组织取样导向通道，将股骨头和标 识通道分别建立三维模型，并且分别存储为stl格式；
[0010] (3)将经过步骤（2)处理后的三维模型导入计算机辅助设计制图软件，依据每个 股骨头的表面形态，采用布尔减运算，设计一个与股骨头表面精确吻合的壳状结构，以保证 壳状模具的内表面与相应的股骨头外表面准确配准，并结合取样导向通道的三维模型制作 一个定向取样模具；
[0011] (4)定向取样模具存储为通用的三维打印数据格式stl，选用打印耗材，打印模 具，将模具与股骨头准确配准后，在快速成型技术制作的取样模具的引导下，实施对前期规 划的感兴趣区域进行准确取材。
[0012] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，所述步骤（1)，扫描参数为100-120kV、700-740mA，所述薄层在1. 0-0. 625mm层厚。
[0013] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，所述精准定位的图像处理软件采用Mimics软件，借助于该软件的OnlineReslice功能 创建出interactiveMPR，通过旋转十字准星显示任意三维平面下股骨头内部结构，从而在 三维可视条件下选取感兴趣骨组织分布区域。
[0014] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，所述精准定位的图像处理软件采用Analyze、Simpleware或3D_Doctor软件中的一种。
[0015] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，利用图像处理软件对目标位置做一个标识是根据实际需要添加一个CAD几何模型，长 方体或圆柱体模型，调整CAD对象大小、形状，以及在各个平面内的位置及角度，将股骨头 和导向通道CAD对象分别存储为stl格式。
[0016] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，每个股骨头的表面形态包括：股骨头凹、表面轮廓、断端解剖轮廓。
[0017] 所述的基于计算机CT及3D打印技术对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方 法，所述计算机辅助设计制图软件包括：CAD、3-matic、Solidworks软件中的一种。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 1、本发明设计了一套"定位-导向-模具制作-取样"的标准化取样流程，严格规 范了骨标本取样过程中的每一步。在对不同个体骨标本进行分组研宄时，控制了人为取样 操作造成的偏倚，减少取样误差对实验结果造成的影响，使研宄结果的可信度更高。
[0020] 2、定位利用CT扫描股骨头标本后经图像处理软件分析处理，能够从三个不同的 切面对股骨头内任意感兴趣区域进行定位，特别的可以对骨骼内部某些特殊部位（如压力 小梁、张力小梁等）进行定位，有利于评估该区域的微观结构、构成成分、机械性能，可以为 骨质疏松及骨性关节炎等骨骼系统退行性疾病病理变化的研宄提供素材。
[0021] 3、导向基于精确定位的基础上，利用快速成型技术，制作了个性化导向模具，固定 了取样的角度、方向，实现了取样操作的精确配准和牢固把持，避免了取样过程中钻头偏离 取样部位的问题。
[0022] 4、取样前规划取样前对股标本内部结构进行分析，制作导向取样模具，实际上相 当于利用计算机先对股标本进行虚拟取样，避免了盲目取样对珍贵的骨标本造成损伤，提 高骨标本的利用率，降低了研宄成本。
【附图说明】
[0023] 图1-1是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之一， 确定感兴趣区域的不意图。
[0024] 图1-2是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之二， 确定感兴趣区域的不意图。
[0025] 图1-3是本发明选定合适切面在三维图像处理软件中三个相互垂直的切面之三， 确定感兴趣区域的不意图。
[0026] 图2是本发明标识CAD对象的建立在该位置建立一圆柱形CAD对象做标识的示意 图。
[0027] 图3是导向CAD标识和股骨头标本的三维模型在三维图像处理软件中，提取股骨 头外轮廓模型，将该股骨头模型与CAD标识对象导出的示意图。
[0028] 图4是本发明股骨头表面轮廓数据提取在计算机辅助设计软件中，提取股骨头表 面轮廓数据，合并导向CAD圆柱，形成上方壳形导向模具的示意图。
[0029] 图5是本发明导向模具与股骨头精确配准切源位置、股骨头小凹等解剖特征点与 导向磨具形成凹凸相配的关系示意图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明实现对人股骨头内任意松质骨区域精准取样方法的详细步骤：
[0031] 实施案例1 :股骨头主要压力小梁定位取样
[0032] 如图1-1、1-2、1_3、2、3、4、5所示，演示对股骨头主要压力小梁的定位取样，具体 步骤如下：
[0033] (1)设定CT扫描参数，对股骨头标本进行扫描，并建立股骨头的三维图像。
[0034] 参见图1-1、1-2、1_3所不，通过CT不同截面选定合适切面：在二维图像处理软件 中通过三个相互垂直的切面，确定感兴趣区域。图示为拟在该截面选取软骨下15mm，直径为 12mm圆柱形区域最佳的观察面。
[0035] CT(GEDiscoveryCT750HD)扫描参数设定：层厚0. 625mm，扫描电压120kV，扫描电 流740mA，扫描范围多股骨头直径。由于CT扫描是现代医学中常用的一种检测方法，其扫描 成像技术已是本领域技术人员所公知的技术，在此不再对其扫描成像方法过多赘述。
[0036] (2)扫描后图像导入mimics软件，在三维可视条件下定位主要压力小梁分布集中 区域，并标记骨组织取样导向通道，如图1-1、1-2、1_3、2、3。
[0037] 将CT扫描获得的股骨头标本图像数据（DICOM格式）导入mimics软件（mimics 16，Materialise，Belgium)，并对股骨头进行三维重建。Mimics软件中OnlineReslice菜 单下的沿平面再切割（alongplane)功能，允许用户在空间内任意选取三点作为"特定平 面"，沿该平面对图像进行再次切割，并得到与该平面在空间内垂直相交的另外两个平面。 由此，软件视图呈现出三个垂直正交平面（interactiveMPR)上股骨头的二维结构图像 (其中一个即为所选"特定平面"），以及三维视窗下该"特定平面"与股骨头的空间位置关 系图（图 1-1、1_2、1_3)。
[0038] 本发明正是利用该软件的这一功能，实现股骨头标本内任意平面的可视化。另外， 通过旋转某一正交平面（interactiveMPR)内的十字准星（crosshair)能够直接改变"特