术前规划及术中导航用3D打印简易肝脏模型及制作方法与流程

术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型及制作方法
技术领域
1.本发明涉及肝脏术前规划及术中导航技术领域，具体地说，涉及一种术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型及制作方法。


背景技术：

2.肝脏疾病在我国是一个严重的公共卫生问题，据统计，我国各类型肝脏疾病患者约4亿人，每年因肝脏疾病死亡人数高达40万人，严重危害我国人民健康，肝病的诊断与治疗越来越受到业界专家重视。目前外科治疗如肝切除、射频消融、肝动脉灌注化疗栓塞等仍是多数肝脏疾病的主要治疗方式。
3.随着3d打印技术的发展，3d打印模型用于术前规划已有不少案例。术前规划模型可以协助医生为患者设计最优手术方案，制定最佳手术入路。增加手术成功率，减少并发症。
4.现已有大量的软质透明肝脏模型用于肝脏外科术前规划。如cn110216872a采用柔性透明光敏树脂材质打印了肝脏模型用于术前规划，该方案具有个性化、精确、高效的特点，能够展示肝脏内部结构和血管走向，但该类模型采用柔性透明光敏树脂打印，成本高，单个模型的成本基本在一万以上；术前制作时间7
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14天不等。因目前3d打印肝脏模型耗时长、费用昂贵，临床难以普及应用，尚处于临床研究探索阶段。现有3d打印模型模型内含有肝实质，透明度并不高，不能非常清晰观察内部血管及病灶结构；而且受透明材质折射影响，视觉上与实际上的解剖位置存在差异。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型的制作方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
6.根据本发明的术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型的制作方法，其包括如下步骤：
7.步骤s1、肝脏模型的三维数据获取
8.该步骤中，基于建模对象的ct数据，获取肝脏模型的三维数据；
9.步骤s2、肝脏模型的3d打印数据处理
10.该步骤中，基于经步骤s1获取的三维数据，建立第一打印模型和第二打印模型；第一打印模型对应建模对象的膈面，第一打印模型为薄壳状且表面具有第一镂空孔；第二打印模型对应建模对象的脏面、病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支，第二打印模型对应脏面的部分为薄壳状且表面具有第二镂空孔；之后，对第一打印模型和第二打印模型进行3d打印并固化；
11.步骤s3、肝脏模型的组装
12.该步骤中，将经步骤s2获取的第一打印模型和第二打印模型进行组装，进而获取肝脏模型。
13.通过步骤s1
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s3使得：1、步骤s1中直接基于建模对象的ct数据获取肝脏模型的三维数据，故而能够较佳地提取出建模对象的实际尺寸，通过按照1:1的比例打印肝脏模型，即可较佳地保证肝脏模型与建模对象的一致性，故而能够在术前规划及术中导航中发挥较佳的临床指导意义；2、通过设置第一打印模型及第二打印模型对应脏面的部分为薄壳状且表面设置镂空孔(第一镂空孔及第二镂空)，不仅能够较佳地降低打印成本、缩短制作周期，而且能够较佳地实现对第二打印模型对应建模对象的病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支的部分的可直视化观察；3、由于肝脏模型通过第一打印模型和第二打印模型组装制成，故而能够较佳地便于观察血管、病灶在肝脏中的整体位置及近距离观察病灶与血管的关系，故而具有较佳的临床指导意义。
14.作为优选，步骤s1具体包括如下步骤，
15.步骤s11、获取建模对象的dicom格式的ct数据，并设置切片层厚为1mm；
16.步骤s12、通过e3d数字医疗建模软件对ct数据进行边界分割和三维重建，进而获取肝脏模型的三维数据。
17.通过步骤s11及s12，能够较佳地借助现有仪器或软件实现肝脏模型的三维数据的获取，故而便于实现且能够较佳地降低应用成本。
18.作为优选，步骤s2具体包括如下步骤，
19.步骤s21、通过e3d数字医疗建模软件对三维重建后的肝脏模型进行处理，进而构建第一打印模型和第二打印模型；
20.步骤s22、通过切片软件cura 4.4.1对第一打印模型和第二打印模型进行切片处理，进而获取对应的3d打印源数据；
21.步骤s23、通过sla光固化三维打印机，并基于3d打印源数据实现第一打印模型和第二打印模型的3d打印。
22.通过步骤s21
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s23，能够较佳实现第一打印模型和第二打印模型的打印。
23.作为优选，步骤s21中，构建第一打印模型依如下步骤进行，
24.步骤s211、自肝脏模型的三维数据中提取肝脏外廓数据，进而建立肝脏外廓模型；
25.步骤s212、对肝脏外廓模型进行分割，进而获取对应膈面的膈面模型和对应脏面的脏面模型；
26.步骤s213、对膈面模型进行处理，进而获取薄壳状且表面具有第一镂空孔的第一打印模型。
27.通过步骤s211
‑
s213，即可较佳地实现第一打印模型的建模及打印。
28.作为优选，步骤s21中，构建第二打印模型依如下步骤进行，
29.步骤s214、对脏面模型进行处理，进而获取薄壳状且表面具有第二镂空孔的脏面打印模型；
30.步骤s215、自肝脏模型的三维数据中提取病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支的数据，进而建立病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支模型；
31.步骤s216、将脏面打印模型与建立病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支模型合并，进而获取第二打印模型。
32.通过步骤s214
‑
s216，即可较佳地实现第二打印模型的建模及打印。
33.作为优选，第一镂空孔和第二镂空孔均为圆形或椭圆形孔，第一镂空孔和第二镂
空孔的半径或长轴或短轴的范围为8mm～25mm。故而能够较佳地便于观察。
34.作为优选，第一打印模型和脏面打印模型的厚度为1.5～2.5mm。故而能够保持较佳的强度。
35.作为优选，肝脏模型的打印材质为白色光敏树脂、abs或pla，肝脏模型的抗弯强度为50～110mpa，断裂延长率为10～20％。故而成本较低。
36.作为优选，第一打印模型用于与第二打印模型对应脏面的部分进行配合的缺口部的冲击强度不低于30j/m。故而能够保持较佳的强度。
37.此外，本实施例还提供了一种术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型，其包括任一上述的第一打印模型和第二打印模型。
38.通过本发明中的模型，能够在术前规划中完全清楚观察和测量肿瘤在肝脏中的位置、肿瘤和血管的关系；术中导航可随着实体肝脏的变动，翻动模型，精准定位肝内外重要血管，选择合适的手术入路及断肝平面，避开肝内重要血管区域，预判手术区域的血液供应以及回流情况，保证手术高效顺利进行。更重要地，对病情较复杂但经济条件普通的患者来说，该模型价格在其可承受范围内，通过该模型的使用能帮助该类患者实现最佳手术效果，缩短住院时间，减少并发症，节省住院费用。这对于推进肝外科的发展也有非常重要的意义。
附图说明
39.图1为实施例1中的建模对象的某一ct图像；
40.图2为实施例1中的建模对象的某一ct图像；
41.图3为实施例1中的建模对象的某一ct图像；
42.图4为实施例1中的经步骤s21优化处理后的肝脏模型；
43.图5为实施例1中的肝脏模型的示意图；
44.图6为实施例1中的第二打印模型的示意图。
具体实施方式
45.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
46.实施例1
47.本实施例提供了一种术前规划及术中导航用3d打印简易肝脏模型的制作方法，其包括如下步骤：
48.步骤s1、肝脏模型的三维数据获取
49.该步骤中，基于建模对象的ct数据，获取肝脏模型的三维数据；
50.步骤s2、肝脏模型的3d打印数据处理
51.该步骤中，基于经步骤s1获取的三维数据，建立第一打印模型和第二打印模型；第一打印模型对应建模对象的膈面，第一打印模型为薄壳状且表面具有第一镂空孔；第二打印模型对应建模对象的脏面、病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支，第二打印模型对应脏面的部分为薄壳状且表面具有第二镂空孔；之后，对第一打印模型和第二打印模型进行3d打印并固化；
52.步骤s3、肝脏模型的组装
53.该步骤中，将经步骤s2获取的第一打印模型和第二打印模型进行组装，进而获取肝脏模型。
54.通过步骤s1
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s3使得：1、步骤s1中直接基于建模对象的ct数据获取肝脏模型的三维数据，故而能够较佳地提取出建模对象的实际尺寸，通过按照1:1的比例打印肝脏模型，即可较佳地保证肝脏模型与建模对象的一致性，故而能够在术前规划及术中导航中发挥较佳的临床指导意义；2、通过设置第一打印模型及第二打印模型对应脏面的部分为薄壳状且表面设置镂空孔(第一镂空孔及第二镂空)，不仅能够较佳地降低打印成本、缩短制作周期，而且能够较佳地实现对第二打印模型对应建模对象的病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支的部分的可直视化观察；3、由于肝脏模型通过第一打印模型和第二打印模型组装制成，故而能够较佳地便于观察血管、病灶在肝脏中的整体位置及近距离观察病灶与血管的关系，故而具有较佳的临床指导意义。
55.本实施例的步骤s1具体包括如下步骤，
56.步骤s11、获取建模对象的dicom格式的ct数据，并设置切片层厚为1mm；
57.步骤s12、通过e3d数字医疗建模软件对ct数据进行边界分割和三维重建，进而获取肝脏模型的三维数据。
58.通过步骤s11及s12，能够较佳地借助现有仪器或软件实现肝脏模型的三维数据的获取，故而便于实现且能够较佳地降低应用成本。
59.结合图1
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3所示，为本实施例中的建模对象的部分ct图像，其分别表示建模对象不同切面处的图像。通过步骤s11，即可获取建模对象的完整ct数据。之后通过步骤s12对建模对象的完整ct数据进行处理后即可较佳地获取肝脏模型的三维数据并进行重建。
60.本实施中，步骤s12中的e3d数字医疗建模软件，能够采用中南e3d数字医疗与虚拟现实研究中心研发的版本号为v17.06的e3d数字医疗建模软件，通过该软件能够较佳地直接对dicom格式的ct数据进行处理，通过进行边界分割和三维重建即可较佳地获取肝脏模型的三维数据。
61.本实施例的步骤s2具体包括如下步骤，
62.步骤s21、通过e3d数字医疗建模软件对三维重建后的肝脏模型进行处理，进而构建第一打印模型和第二打印模型；
63.步骤s22、通过切片软件cura 4.4.1对第一打印模型和第二打印模型进行切片处理，进而获取对应的3d打印源数据；
64.步骤s23、通过sla光固化三维打印机，并基于3d打印源数据实现第一打印模型和第二打印模型的3d打印。
65.通过步骤s21
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s23，能够较佳实现第一打印模型和第二打印模型的打印。
66.本实施例中，在经步骤s1获取建模对象的初始三维数据并进行重建后能够获取肝脏模型的原始重建模型，基于该原始重建模型能够对病灶的位置及其与周围血管的关系进行分析，进而对该原始重建模型进行优化处理，进而能够保留对手术而言重要的肝内重要血管分支及病灶附近血管分支。
67.结合图4所示，即为经步骤s21优化处理后的肝脏模型。该模型中，肝静脉血管保留至三级分支，门静脉保留至三级分支，肝动脉脉保留至二级分支，肝病灶(及肝肿瘤)形态完
全保留。
68.在步骤s22中，切片软件cura 4.4.1为ulitmaker公司开发的软件，故而能够较佳地利用现有软件实现相关数据的处理。
69.在步骤s23中，sla光固化三维打印机能够采用苏州中瑞智创三维科技股份有限公司研发的sla(stereo lithography appearance)光固化三维打印机。
70.通过步骤s22能够生成3d打印机可识别的g代码，故而便于数据处理。
71.本实施例中，在打印完成后能够通过uv汞灯后固化，之后作表面光滑及上色处理即可。
72.本实施例的步骤s21中，构建第一打印模型依如下步骤进行，
73.步骤s211、自肝脏模型的三维数据中提取肝脏外廓数据，进而建立肝脏外廓模型；
74.步骤s212、对肝脏外廓模型进行分割，进而获取对应膈面的膈面模型和对应脏面的脏面模型；
75.步骤s213、对膈面模型进行处理，进而获取薄壳状且表面具有第一镂空孔的第一打印模型。
76.通过步骤s211
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s213，即可较佳地实现第一打印模型的建模及打印。
77.本实施例的步骤s21中，构建第二打印模型依如下步骤进行，
78.步骤s214、对脏面模型进行处理，进而获取薄壳状且表面具有第二镂空孔的脏面打印模型；
79.步骤s215、自肝脏模型的三维数据中提取病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支的数据，进而建立病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支模型；
80.步骤s216、将脏面打印模型与建立病灶、肝内重要血管分支及病灶附近血管分支模型合并，进而获取第二打印模型。
81.通过步骤s214
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s216，即可较佳地实现第二打印模型的建模及打印。
82.本实施例的步骤s21中，第一镂空孔和第二镂空孔均为圆形或椭圆形孔，第一镂空孔和第二镂空孔的半径或长轴或短轴的范围为8mm～25mm。故而能够较佳地便于观察。
83.本实施例中，第一打印模型和脏面打印模型的厚度为1.5～2.5mm。故而能够保持较佳的强度。
84.本实施例中，肝脏模型的打印材质为白色光敏树脂、abs或pla，肝脏模型的抗弯强度为50～110mpa，断裂延长率为10～20％。故而成本较低。
85.本实施例中，第一打印模型用于与第二打印模型对应脏面的部分进行配合的缺口部的冲击强度不低于30j/m。故而能够保持较佳的强度。
86.结合图5和6所示，基于本实施例中的制作方法，本实施例还提供了一种肝脏模型，其通过本实施例中的方法制得。
87.可以知晓的是，肝脏模型包括第一打印模型和第二打印模型，第一打印模型对应建模的对象的膈面，第二打印模型包含脏面打印模型、病灶模型、肝内重要血管分支模型及病灶附近血管分支模型。
88.本实施例的肝脏模型中，第一打印模型和脏面打印模型的厚度为2mm，第一镂空孔及第二镂空孔均为圆孔且半径为23mm，第一打印模型用于与第二打印模型对应脏面的部分进行配合的缺口部的冲击强度为40j/m，其采用白色光敏树脂进行打印，抗弯强度为60～
73mpa，断裂延长率为15％，
89.此外，肝脏模型对应不同的部位处均涂覆颜料层，具体地，第一打印模型及脏面打印模型能够涂覆白色颜料层，病灶模型能够涂覆绿色颜料层，肝内重要血管分支模型及病灶附近血管分支模型中对应肝静脉部分涂覆深蓝色颜料层、对应门静脉部分涂覆浅蓝色颜料层、对应肝动脉部分涂覆红色颜料层，故而便于较为直观地对其进行观察和讲解。
90.此外，第一打印模型和第二打印模型的对应处还成对地设置连接通孔及连接螺孔，故而能够较佳地通过螺钉实现其拆分、组装。
91.针对现有肝脏手术规划模型成本高、制作周期长、内部可视化程度不高等问题，本实施例中能够基于真实病例的ct数据建模，通过采用价格较为低廉的硬质树脂材料仅对肝内病灶与肝内重要血管等管道进行打印，且仅打印肝实质的膈面及脏面，故而能够大幅缩小制作成本；本实施例中的肝脏模型的制作周期能够缩减至60小时左右，制作费用能够缩减至700～800元人民币。因其费用低廉、耗时短，故而能够较佳地适用于临床普及应用，惠及更多的患者。
92.通过本实施例中的模型，能够在术前规划中完全清楚观察和测量肿瘤在肝脏中的位置、肿瘤和血管的关系；术中导航可随着实体肝脏的变动，翻动模型，精准定位肝内外重要血管，选择合适的手术入路及断肝平面，避开肝内重要血管区域，预判手术区域的血液供应以及回流情况，保证手术高效顺利进行。更重要地，对病情较复杂但经济条件普通的患者来说，该模型价格在其可承受范围内，通过该模型的使用能帮助该类患者实现最佳手术效果，缩短住院时间，减少并发症，节省住院费用。这对于推进肝外科的发展也有非常重要的意义。
93.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。