颅颌面医学影像三维重建及3D打印技术初探文献综述

 2022-11-03 09:11
  1. 文献综述(或调研报告):

关于下颌骨三维重建及3D打印技术的综述

三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示与处理的数学模型,那么顾名思义,下颌骨的三维重建便是基于CT/MRI等医学影像数据建立出符合实际的模型。而3D打印技术,又称增材制造技术或快速成型技术,于上世纪80年代诞生,是一种将计算机重建的三维模型转变成实际物体的技术。结合3D打印技术,我们可以清楚地知道我们所重建的模型是否符合真实情况,并且对我们的重建有着一定的知道意义。

  1. 下颌骨三维重建
    1. Dicom数据格式

Dicom格式图像文件是指按照Dicom标准存储的文件,一般由Dicom头文件和Dicom数据集组成。这种格式为大多数医学图像所采用,于是Dicom数据文件也是我们进行下颌骨三维重建的基础数据。基本上,下颌骨的三维重建数据便来源Dicom。

    1. Mimics软件

一般而言,三维重建是基于二维图像数据通过算法进行重组,进而显示出三维图形。完成这一过程的方法有很多种,其中包括自编程序,也包括现成软件,例如CAD、Mimics等。Mimics是比利时公司开发的专门用于医学图像三维重建的工具。Mimics内置了丰富便利的图像分割工具,同时也为后续的打印等设计了专用的接口,方便于重建的后续处理。

    1. 三维重建的过程

根据文献阅读,最终使用的重建工具是Mimics软件,利用其内置的丰富的分割工具完成下颌骨的三维重建。这种工具的三维重建很难实现全自动的重建,也就是说重建过程是需要自行处理的。这也是该软件的一个特点。总结重建的过程,主要包含以下步骤:

  1. 首先是导入图像的二维Dicom数据,这一点软件很友好,是可以实现自动导入并显示图像的序列图的;
  2. 其次,便是对序列图像的处理,处理过程主要就是一般的图像处理的过程,包含了阈值分割、区域生长、腐蚀膨胀和填充等步骤;
  3. 建立重建的数学模型,这也是有内置的Mimics工具来帮助实现的;
  4. 当然,如果模型不太符合预期,我们可以在三维模型中进行适当的修改,并重复重建过程,已达到最初的目标结果。
    1. 下颌骨三维重建的意义

一般而言,下颌骨的重建主要就是为了方便医生对患者的下颌骨的病情进行准确的判断。我们知道,现阶段的骨科疾病主要都是通过CT/MRI等影像数据进行判断的。但由于医疗设备的局限,我们并不能看到整个下颌骨的情况,通常得结合医生的自身经验,这对病人是一个不好的过程。重建下颌骨模型则能有效地改善这一情况,方便直观地观察病人病情。

  1. 3D打印及其实现方式

目前,主流的3D打印实现方式大致分为:基于光聚合原理的立体光刻成型技术(SLA)、数字光处理技术(DLP)、挤压式熔融沉积成型技术(FDM)等。但无论是使用哪种打印方式,其核心的制造原理均是由计算机进行三维建模,后将三维数据存为STL格式,再进行打印设计,最后得到实物模型。

以下简单介绍FDM打印技术:

熔融沉积成型技术于上世纪80年代由Crump发明,它主要包括三维重建、数据处理、加热材料、熔积成型以及后处理。具体是选择将材料经高温熔融后成液态,经过挤压器将材料喷出,这些材料迅速固化成小颗粒,通过计算机模拟的空间排列组合,得到需要的产品。大多数的骨科疾病模型的打印用的都是此类方法,简单便宜。同时,用于下颌骨的加工打印的材料多见为钛合金。

文献:

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