[发明专利]一种低成本多材料3D打印头部脑部模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本多材料3D打印脑部医学模型的方法，具体涉及一种用于脑部医学模型的制造方法。

背景技术

3D打印作为一项创新技术，以三维模型数据为基础，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。3D打印与传统制造方式相比具有明显的成本优势：无需设计模具，不必引进生产流水线。同时，3D打印制作模型的速度快，单个实物的制作费用低，已在工业快速成型、设计模型制造和医疗义肢制作等领域获得应用。近几年，3D打印技术快速发展引起了广泛关注，引起较大影响，是制造业发展的一个新趋势。随着桌面3D打印机及打印材料价格的不断下降，3D打印技术正在向实用化方向迈进。3D打印可以为医学模型制造提供有别于传统制造方式的新思路，可提高模型的制造效率，提供可定制化和个性化的医学模型。

基于挤出器和加热喷头的3D打印机，技术成熟且价格便宜。但是，通常的打印机一个喷头只能打印一种材料。头部医学模型为了精确模拟头部的不同组织，在成型过程中需要使用多种材料，以准确地反映组织（器官）的密度、软硬和触感等特征。脑部医学模型用于教学时，有时需要对不用脑区使用不用的颜色以示区别。为了实现以上目的，通常需要使用多材料多颜色3D打印机。多材料多颜色3D打印机价格昂贵，操作复杂，大幅提高了医学模型的制作成本。事实上，针对脑部医学模型，由于人体脑部的组织（器官）分布呈现为分区域（或分层）结构，且人体脑部的软组织、颅骨和皮肤的结构呈左右对称的结构，因此可以使用分区域打印的方式打印大脑，然后再分别打印左右部分的颅骨和皮肤，最后将各个部件组装成完整的脑部模型。通过以上方式，将一次多材料3D打印的过程分解为多次单材料3D打印的过程，大幅降低多材料3D打印头部医学模型的成本。并且，借助脑部医学图像处理，为脑部组织建立精确的三维模型，保证了3D打印的准确性。

发明内容

本发明提供了一种针对头部医学模型的低成本多材料3D打印方法。本发明针对脑部组织（器官）的分布特性，使用分区域/分层打印后组装的方式对脑部模型进行快速成型，将多材料3D打印脑部模型转变为单材料多次3D打印脑部模型，从而降低3D打印脑部模型的成本。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种低成本3D打印多材料脑部医学模型的方法，其特征在于包含以下步骤：MR图像预处理、MR图像分割、组织/器官的三维模型构建和3D打印。

所述MR图像预处理步骤包括使用重定向和重采样技术对MR图像进行归一化处理，使用非均匀性灰度校正算法对MR图像进行灰度校正，使用重采样技术将MR图像重采样为256×256×256。

所述MR图像分割步骤包括头皮分割、颅骨分割、大脑分割、大脑灰质与白质分割、大脑脑区分割，其中，所述大脑分割包括如下步骤：

（I）使用Marching Cubes算法构造MR图像中的脑组织初始三维表面；

（II）由空间平滑力平滑初始三维表面，以获得均匀间距的顶点；

（III）根据MR图像的灰度信息构造驱动力，以分割脑组织和非脑组织；

（IV）由脑概率图驱动顶点移向脑组织的真实边界；

（V）分割得到去除了皮肤和颅骨的脑组织，同时也分割得到皮肤和颅骨；

（VI）使用FLIRT和Demons算法配准MNI脑图谱和去除了颅骨与皮肤的MR图像，得到去除了小脑的大脑，同时也分割得到了小脑。

所述的大脑灰质和白质分割包括如下步骤：

（I）使用多水平集分割大脑组织的灰质、白质、脑脊液和背景，其中多水平集相应的零水平面分别表示白质/灰质、灰质/脑脊液和脑脊液/背景的分界面；

（II）使用局部灰度分布和脑皮层厚度约束以精确分割大脑皮层；

所述的大脑脑区分割包括如下步骤：

使用非线性对称配准算法配准仅包含大脑的MR图像和MNI脑图谱，同时分割得到90个大脑脑区。

所述的组织/器官的三维模型构建步骤包括：三维网格模型生成、三维网格模型平滑、曲面厚度计算和其他信息获取。