技术领域
[0001] 本
发明涉及临床医学智能技术领域，尤其涉及一种基于三维建 模和3D打印的骨科医疗平台系统和方法。
背景技术
[0002] 近年来，骨科类
疾病发病率逐年递增，因骨骼包裹于人体组织 内目前主要通过CT进行骨骼
断层扫描来诊断。在医生与患者沟通 病情及
治疗方案时，因CT医学影像的平面化、专业化造成患者无 法看懂，进而产生一定的沟通不畅和不信任感。医疗平台是搭建医 生与患者沟通最有效的
桥梁，也是医生进行术前设计、医研交互的 平台。在骨科类医疗平台中，医患交流方面缺乏一种立体三维化的 骨骼医学影像
支撑病情沟通、治疗方案的共知和共识；平台不具备 术前精确设计、模拟以及术中辅助指导功能；平台不具备直接调出 患者档案和骨骼三维影像进行医研交互，只能通过视频、PPT或专
门的通讯交互平台进行。目前，缺少一个系统或方法能够改变这一 现状。
发明内容
[0003] 本发明为了解决上述问题，提供了一种基于三维建模和3D打 印的骨科医疗平台系统和方法。
[0004] 一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系统，包括：
[0005] 预处理模
块：用于CT影像
数据采集、分离；
[0006] 建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；
[0007] 打印模块：用于骨骼3D打印；
[0008] 反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；
[0009] 所述预处理模块输入端接CT医疗设备，所述预处理模块输出 端与建模模块输入端连接，建模模块输出端分别与打印模块和反馈 模块输入端连接。
[0010] 优选的是，所述预处理模块包括：
[0011]
接口模块：用于连接CT医疗设备，接收CT医疗设备的图像数 据；
[0012] 组织分离模块：用于所述接口模块采集区域的骨骼与周边肌 肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
[0013] 骨骼分离模块：用于所述组织分离模块处理后的病患骨骼与 正常骨骼的分离；
[0014] 骨骼分离调整模块：用于所述骨骼分离模块处理后，对于骨 骼裂痕、碎块进行辨别确认；
[0015] 骨骼优化模块：用于所述骨骼分离调整模块处理后，通过低 通
滤波器实现对采集区域图像平滑处理。
[0016] 优选的是，所述建模模块包括：
[0017] 三维建模模块：用于所述预处理模块输出的骨骼进行三维数 字化建模；
[0018] 建模优化模块：用于对所述三维建模模块生成的三维骨骼模 型依照解剖学进行医学仿真
渲染，然后进行三维结构表面的平滑处 理；
[0019] 模型储存模块：用于保存所述建模优化模块处理后的三维骨 骼模型，并转化为360度可控旋转模型；
[0020] 拼接复位模块：用于将所述建模优化模块处理后的骨骼碎块 进行
可视化的虚拟复位，恢复成损伤前骨骼原始几何形状。
[0021] 优选的是，所述打印模块包括：
[0022] 局部打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型划 分成骨骼和骨骼碎块，打印出骨骼及其骨骼碎块；
[0023] 完整打印模块：用于将所述建模模块输出的三维骨骼模型数 据传入3D
打印机，打印完整的骨骼模型。
[0024] 优选的是，所述反馈模块包括：医患沟通模块、设计与辅助 模块和医研模块，且所述医患沟通模块、设计与辅助模块和医研模 块分别与所述建模模块连接。
[0025] 优选的是，所述设计与辅助模块包括：
[0026] 术前设计模块：用于显示三维骨骼模型、修复方案设计，支 持方案中骨骼修复的动态、模拟过程可视化；
[0027] 辅助指导模块：用于通过打印骨骼实物模型，及可视化修复 方案，辅助医生在手术时顺利完成手术。
[0028] 优选的是，所述医研模块包括：
[0029] 教研模块：调研步骤能够调取患者案例信息，包括三维建模， 修复方案，治疗过程等可视化数据，进行相关学术讨论、研究，并 对3D打印进行追溯管理；
[0030] 医生讲座模块：在讲座平台，医生能够搭配案例，进行有针 对性的多人线上讲座交流，可以用于医生与医生之间的学术讲座， 也可以用于支持患者平台的知识普及可视化讲座。
[0031] 本发明同时公开了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平 台的方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤1，所述预处理模块接收CT医疗设备的骨骼数据并传输至 所述建模模块；
[0033] 步骤2，所述建模模块对步骤1的接收数据进行三维建模、模 型平滑、模型拼接和保存；
[0034] 步骤3，所述打印模块对步骤2的三维模型进行局部打印和完 整打印，得到实体的骨骼碎块模型和完整骨骼模型；
[0035] 步骤4，所述反馈模块提取步骤2保存的三维模型，进行医患 沟通，为术前提供指导，并以此作为医学交流和研究的信息。
[0036] 优选的是，所述步骤1中要求CT医疗设备的
像素矩阵为 512×512，并以DICOM格式接收。
[0037] 优选的是，所述步骤1包括如下步骤：
[0038] 步骤1.1，所述接口模块以DICOM格式接收CT医疗设备的图像 数据；所述CT医疗设备的像素矩阵大小为512×512。
[0039] 步骤1.2，所述组织分离模块将步骤1.1的图像数据，进行骨骼 与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
[0040] 步骤1.3，所述骨骼分离模块将步骤1.2处理的图像数据进行相 邻骨骼分离；
[0041] 步骤1.4，所述骨骼分离调整模块将步骤1.3处理的图像数据进 行骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
[0042] 步骤1.5，所述骨骼优化模块使用cv2.GaussianBlur()函数，通 过
低通滤波器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周 围像素点的加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理。
[0043] 优选的是，所述步骤1.2将CT影像处理成0和255的值，0代表 黑色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加 权平均，获取较为明显的轮廓区域，公式为：
[0044] Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
[0045] 优选的是，所述步骤2包括如下步骤：
[0046] 步骤2.1，所述三维建模模块通过GlodSectionRatio
算法建立三 维骨骼模型；
[0047] 步骤2.2，所述建模优化模块使用Edit Masks对步骤2.1的三维 骨骼模型进行医学仿真渲染
[0048] 步骤2.3，所述模型储存模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 保存为.Mcs、.stl三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件；
[0049] 步骤2.4，所述拼接复位模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 进行可视化的虚拟复位。
[0050] 本发明有益效果：
[0051] 本发明提供了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平台系 统和方法，将二维CT医学影像进行数字化、立体化三维建模，通 过3D打印技术制作术前设计用具及手术素材；将三维立体影像、 术前设计3D影像等加载到患者档案中，能有效的与患者沟通病情、 手术方案，使患者能够理解并建立对医生的信息感，减少医患间因 沟通不畅导致的看病难等问题。医患间能够通过平台进行沟通交流， 医生能够进行术前方案设计，并可视化虚拟手术方案、术中进行辅 助指导，术后
跟踪康复情况。本发明将传统的经验诊疗模式转变成 数字化、精准化、互动化、个体化模式，服务于医患间、医研间、 医教间，打造出一个综合性地、现代化地骨科医疗平台。
附图说明
[0053] 图2是本发明专利的三维立体文件效果示意图；
[0054] 图3是本发明专利骨骼表面优化示意图。
具体实施方式
[0055] 下面结合具体
实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实 施例的限制。
[0056] 请参见附图1至附图3所述，一种基于三维建模和3D打印的骨 科医疗平台系统，包括：
[0057] 预处理模块：用于CT影像数据采集、分离；
[0058] 建模模块：用于三维数字化建模和模型拼接；
[0059] 打印模块：用于骨骼3D打印；
[0060] 反馈模块：用于医患平台、设计及指导及医研交互平台建立；
[0061] 所述预处理模块输入端接CT医疗设备，所述预处理模块输出 端与建模模块输入端连接，建模模块输出端分别与打印模块和反馈 模块输入端连接。
[0062] 进一步地，所述预处理模块包括：
[0063] 接口模块：用于集成CT医疗设备的接口模块，接口模块接收 如西门子Emotion16排螺旋CT、美国GE的Speed Light16排螺旋CT 床等各大医院常用的CT设备的数据，要求设置像素矩阵大小为 512X512，根据骨骼的部位选择适合的扫描层厚，以DICOM格式传 入接口中。
[0064] 组织分离模块：在接收到CT影像数据采集后，要进行采集区 域骨骼与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值，提取 灰度值属于骨骼值的部分进行分离，获取较为完整的骨骼部分。所 谓灰度值就是将CT影像处理成0和255的值，0代表黑色255代表白 色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权平均，获取较 为明显的轮廓区域，公式表现为：
[0065] Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
[0066] 骨骼分离模块：在骨骼与软组织分离后，要处理病患骨骼与正 常骨骼的分离，因骨骼之间依靠韧带、软骨相连接，细化灰度值及 图像特征，将相邻骨骼进行渐离处理。
[0067] 骨骼分离调整模块：在相邻骨骼分离后，人工判断调整，对于 骨骼裂痕、碎块进行辨别确认。
[0068] 骨骼优化模块：在获取所需骨骼CT影响后，对骨骼外轮廓进 行去噪处理，使用cv2.GaussianBlur()函数，见下式。通过低通滤波 器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周围像素点的 加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理，效果如附图3所示。
[0069]
[0070] 进一步地，所述建模模块，如图1所示，包括：
[0071] 三维建模模块：CT影像采用512X512矩阵高清率，通过 GlodSectionRatio算法进行骨骼三维数字化建模。设置三维
正交数 据场，表达式为
[0072] Oi,j,k＝O(xi,yj,zk)
[0073] (i＝1...Nx,j＝1...Ny,z＝1...Nk)
[0074] 通过棱边分割，如果点F在棱边x轴上
[0075] 通过棱边分割，如果点F在棱边y轴上
[0076] 通过棱边分割，如果点F在棱边z轴上
[0077] 三维模型点点的法向量表达式为 其中c 为
阈值，V为点灰度值，N为法向量。
[0078] 当点F在棱边x轴上
[0079] 当点F在棱边y轴上
[0080] 当点F在棱边z轴上
[0081] 通过GlodSectionRatio算法的三维建模误差率几乎看不见，使 用本算法点法向量只需要计算3次。
[0082] 建模优化模块：在完成三维建模后，集成Edit Masks对生成的 三维图像依照解剖学进行医学仿真渲染，然后进行三维结构表面的 平滑处理，使模型更为逼真。
[0083] 模型储存模块：将建模优化后的生成文件保存为.Mcs、.stl等 三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件。
[0084] 拼接复位模块：将三维建模后的骨骼碎块进行可视化的虚拟复 位，恢复成损伤前骨骼原始几何形状，复位的方式将会成为术前设 计、术中辅助的重要依据和参考。根据视觉原理进行骨骼裂痕或断 切面吻合度匹配，排列组合找到所有碎骨完美匹配的方案，如果无 法完全匹配，将会人工调整或虚拟修复部分碎裂骨骼，例如骨骼已 经
粉碎，无法复原的情况。
[0085] 进一步地，所述打印模块包括：
[0086] 局部打印模块：将三维建模数据划分成骨骼和骨骼碎块传入到
3D打印机，3D打印机会根据三维数字值打印出骨骼及其骨骼碎块， 主要用于医生和患者进行病情沟通、治疗方案的探讨等，实物化骨 骼更容易让患者理解，也可以用于对术前方案的认证等。
[0087] 完整打印模块：根据骨骼拼接后的模型数据传入3D打印机， 打印完整的骨骼模型，主要用于大块骨骼替代性骨骼进行修复治疗。
[0088] 进一步地，所述反馈模块包括：
[0089] 医患沟通模块：分别维护医生个人信息库及患者信息库，同时 建立起医患间
电子病历管理，在电子病历中加载骨骼病患CT平面 及三维建模后立体影像资料。患者能够快速查看到本人的诊断记录、 治疗方案，进行术后恢复反馈，在治疗过程中和主治医生咨询及观 看相关学习讲座；医生能够与患者线上沟通，留言解答，可以快速 调阅患者电子病历，进行术前设计，对患者术后情况进行跟踪及评 估。
[0090] 设计与辅助模块：用于术前设计的术前设计模块：使用三维建 模、3D-MAX等进行骨骼拼接、修复方案设计，系统支持方案中骨 骼修复的动态、模拟过程可视化显示，并能评估骨骼拼接的吻合度 等效果；辅助指导模块用于术中的辅助指导模块：在手术过程中， 可以辅助指导骨骼修复手术的完成，通过3D打印实物骨骼，及可 视化修复方案，能辅助医生在手术时顺利完成手术。
[0091] 医研模块：用于医生教研的教研模块，调研模块能够调取患者 案例信息，包括三维建模，修复方案，治疗过程等可视化数据，进 行相关学术讨论、研究，并对3D打印进行追溯管理；用于医生讲 座的医生讲座模块，在讲座平台，医生能够搭配案例，进行有针对 性的多人线上讲座交流，可以用于医生与医生之间的学术讲座，也 可以用于支持患者平台的知识普及可视化讲座。
[0092] 本发明同时公开了一种基于三维建模和3D打印的骨科医疗平 台的方法，包括如下步骤：
[0093] 步骤1，所述预处理模块接收CT医疗设备的骨骼数据并传输至 所述建模模块；
[0094] 步骤2，所述建模模块对步骤1的接收数据进行三维建模、模型 平滑、模型拼接和保存；
[0095] 步骤3，所述打印模块对步骤2的三维模型进行局部打印和完整 打印，得到实体的骨骼碎块模型和完整骨骼模型；
[0096] 步骤4，所述反馈模块提取步骤2保存的三维模型，进行医患沟 通，为术前提供指导，并以此作为医学交流和研究的信息。
[0097] 优选的是，所述步骤1中要求CT医疗设备的像素矩阵为512× 512，并以DICOM格式接收。
[0098] 优选的是，所述步骤1包括如下步骤：
[0099] 步骤1.1，所述接口模块以DICOM格式接收CT医疗设备的图像 数据；所述CT医疗设备的像素矩阵大小为512×512。
[0100] 步骤1.2，所述组织分离模块将步骤1.1的图像数据，进行骨骼 与周边肌肉、软组织分离的处理，提取影像的灰度值；
[0101] 步骤1.3，所述骨骼分离模块将步骤1.2处理的图像数据进行相 邻骨骼分离；
[0102] 步骤1.4，所述骨骼分离调整模块将步骤1.3处理的图像数据进 行骨骼裂痕、碎块进行辨别确认；
[0103] 步骤1.5，所述骨骼优化模块使用cv2.GaussianBlur()函数，通 过低通滤波器，输出图像的每个像素点是原图像上对应像素点与周 围像素点的加权和，利用滤波器实现对图像的平滑处理。
[0104] 优选的是，所述步骤1.2将CT影像处理成0和255的值，0代表黑 色255代表白色，然后将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权 平均，获取较为明显的轮廓区域，公式为：
[0105] Gray(i,j)＝0.299*R(i,j)+0.578*G(i,j)+0.114*B(i,j)
[0106] 优选的是，所述步骤2包括如下步骤：
[0107] 步骤2.1，所述三维建模模块通过GlodSectionRatio算法建立三 维骨骼模型；
[0108] 步骤2.2，所述建模优化模块使用Edit Masks对步骤2.1的三维骨 骼模型进行医学仿真渲染
[0109] 步骤2.3，所述模型储存模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 保存为.Mcs、.stl三维模型格式，并转化为360度可控旋转模型文件；
[0110] 步骤2.4，所述拼接复位模块将步骤2.2渲染后的三维骨骼模型 进行可视化的虚拟复位。
[0111] 虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本 发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都 可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以
权利要求书 所界定的为准。
