CN101615303A - 骨内部结构三维可视化模型制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法。该方法将干骨标本用透明聚甲基丙烯酸甲酯包埋固定成模型标本，再逐层磨削标本断面，并逐层扫描、记录二维灰度图像和真彩图像，再用医学三维重建软件得到骨近端结构的高精度三维可视化模型。本发明可应用于人体及动物诸骨的三维重建，获得客观、真实、完整地反映骨近端结构的高精度三维可视化模型。可对骨小梁的结构形态，以及三维骨小梁的连接性进行一定的评价，并可对骨小梁结构参数进行测定，为医学研究和临床医疗提供科学依据。
Description
【技术领域】
本发明涉及骨内部结构模型制作方法，特别是一种建立数字化的骨内部结构三维可视化模型制作方法。
【背景技术】
骨小梁位于长骨(如股骨)的末端和立方骨(如脊骨)中，是人类骨骼中承载生物组织的主要生物组织。由于此种类型的骨，如股骨受力的复杂性和松质骨的各向异性，形成了其特殊的骨内结构。股骨头和股骨颈的骨内结构交织成网状致密板层有序排列，并形成：主压力小梁、主张力小梁、次压力小梁、次张力小梁、大粗隆小梁五组小梁。小梁排列方向主要沿着其承受主要载荷的主应力方向，并形成密度减低的Ward三角区和致密骨质构成纵行骨板，即股骨距等重要结构，共同构建了符合生理需求的负重系统。本发明可用于研究人体诸骨结构，了解骨小梁构造，清晰显示骨小梁结构及走向，提供准确的三维可视化模型。同时，可以对骨小梁的结构形态，以及三维骨小梁的连接性进行评价，并可对骨小梁结构参数进行测定，从而对临床工作提供帮助。
虽然在骨结构的研究中现有的研究方法多样，但都存在各自的缺点：基于CT、MRI的三维重建可以显示股骨近端小梁排列趋势，但是由于图象处理方式的不同，CT、MRI等对骨、软组织不同的敏感性等原因，限制了其对骨小梁微观结构进行清晰显示。而且该法所获得的数据为间接性数据以及不可避免的部分容积效应。同时，无论是CT还是MRI其有限的时间和空间分辨率都限制了模型的精度，也不能真实、清晰地反映股骨内部精细结构。在骨质疏松研究中，取得突破性进展的利用甲基丙烯酸甲酯进行不脱钙切片技术，能在一定程度上真实反映骨的内部结构，但是由于标本量小、操作复杂，因此获得的数据不完全，不能反映股骨内部结构的全貌。
近年来micro-CT的出现为骨小梁的成像提供了一种崭新的有效方法。高空间分辨率的显微CT，可以对目标进行三维立体重建，分析测量传统骨组织形态计量学参数，如骨小梁体积、骨小梁厚度、骨小梁空间距离等，从而可以全面、立体、实时的观察骨质量的改变。但目前micro-CT主要应用于对活组织检查标本及小动物的研究，由于只能对很小的感兴趣区域进行扫描，获得有限范围的数据。同时，为了获得高分辨率所必需的X线照射也限制了其在人体中的应用。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，该方法不同于以为往基于CT、MRI图像数据的三维重建，具有更高的精度和准确度，能真实地再现股骨近端内部结构，提供准确的三维可视化模型。
本发明为解决上述问题所采用的方案是设计一种股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法。该方法的特征在于将干骨标本用透明聚甲基丙烯酸甲酯包埋固定成模型标本，再逐层磨削标本断面，并逐层扫描、记录二维灰度图像和真彩图像，再用医学三维重建软件得到骨近端结构的高精度三维可视化模型。
本发明的有益效果是：本发明应用机械制造中的高精度平面磨床对经特殊处理的人股骨近端模型以50μm/层厚进行磨削，采用扫描仪对磨削后的股骨模型进行扫描，获得高精度、清晰的二维断层图像(彩色和灰度)，再利用先进的Mimics医学三维重建软件进行三维重建。将BMP图像叠加，并进行阈值切割，区域增长分割，手工操作等，最终可获得客观、真实、完整地反映股骨近端结构的高精度三维可视化模型。可对骨小梁的结构形态，以及三维骨小梁的连接性进行一定的评价，并可对骨小梁结构参数进行测定。本发明可应用于人体及动物诸骨的三维重建，提供准确的高精度三维可视化模型，为医学研究和临床医疗提供科学依据。
【附图说明】
图1为骨近端内部结构三维可视化模型制作方法流程示意图；
图2为股骨近端三维可视化模型上面视图；
图3为股骨近端三维可视化模型断面视图；
图4为股骨近端部分骨小梁三维可视化模型视图；
以下结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法可以包括以下步骤：
(1)制作骨模型标本：使用聚甲基丙烯酸甲酯盒体作为干骨标本容器，在容器中用快凝牙托水和自凝牙托粉对干骨进行包埋，制成骨模型；
(2)磨削标本：使用平面磨床对包埋后的股骨模型，以每层10-50μm厚度逐层磨削，并清洁碎屑；
(3)逐层扫描并记录标本断面二维灰度图像和真彩图像，其精度为600*600DPI，像素为3000*3000；
(4)三维重建：将图像导入Mimics、AMIRA或Imageware Surfacer软件进行三维重建，得到高精度骨小梁三维可视化模型。
实施例1
1、本发明选取死于心血管疾患女尸一侧股骨制备干骨，于股骨近端垂直截取长150mm标本，并测定其外观参数。
2、取边长120mm，高250mm的长方体聚甲基丙烯酸甲酯盒体作为干骨标本容器，干骨标本容器下方通过粘接和克氏针固定在铸铁底座上。即用三氯甲烷制成粘合剂，将盒体的底部牢固粘接在截面相同的方形铸铁块上，同时还在盒体的底部与铸铁块之间，交叉打孔打入多支(例如1-3支)直径2mm的克氏针，加强固定。用于骨科内固定的克氏针，一般直径在0.5-2毫米，长20公分左右。本发明.用Maktec充电式手钻电钻在距标本底部15mm左右处，沿垂直股骨纵轴方向交叉打入长90mm，直径2mm克氏针以固定容器的底部与铸铁块。
3、然后将快凝牙托水和自凝牙托粉调和，灌入上述盒体，对置于其中的干骨标本进行包埋固定，制成人股骨近端标本。干骨标本的底部距盒体底部应有15mm距离。
4、将标本用M618卧轴矩台平面磨床磨削，其磨削精度可达10μm，考虑骨小梁实际厚度，以50um/层逐层磨削标本断面，磨削后使用吹风机清洁标本。
5、采用BENQ 5550T扫描仪，以600DPI扫描分辨率对每层标本断面进行扫描并记录，得到大小5*5英寸，像素3000*3000，灰度级8bit的二维灰度图像和大小5*5英寸，像素3000*3000，24位真彩图像。
6、使用医学三维重建软件Mimics进行三维重建，得到高精度股骨近端骨小梁三维可视化模型。
图2、图3图4所示是本发明用上述方法三维重建后得到的股骨内部结构的模型。从图上可以清楚的看出股骨近端骨小梁走形及分布情况，骨小梁三维空间结构。
Claims (6)
1、一种股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于将干骨标本用透明聚甲基丙烯酸甲酯包埋固定成模型标本，再逐层磨削标本断面，并逐层扫描、记录二维灰度图像和真彩图像，再用医学三维重建软件得到骨近端结构的高精度三维可视化模型。
2、根据权利要求1所述的股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)制作骨模型标本：使用聚甲基丙烯酸甲酯盒体作为干骨标本容器，在容器中用快凝牙托水和自凝牙托粉对干骨进行包埋，制成骨模型；
(2)磨削标本：使用平面磨床对包埋后的股骨模型，以每层10-50μm厚度逐层磨削，并清洁碎屑；
(3)逐层扫描并记录标本断面二维灰度图像和真彩图像，其精度为600*600DPI，像素为3000*3000；
(4)三维重建：将图像导入Mimics、AMIRA或Imageware Surfacer软件进行三维重建，得到高精度骨小梁三维可视化模型。
3、根据权利要求1或2所述的股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于所述干骨标本容器下方通过粘接和克氏针固定在铸铁底座上。
4、根据权利要求1所述的股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于所述逐层磨削的厚度为每层50μm。
5、根据权利要求1所述的股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于所述扫描使用BENQ 5550T扫描仪。
6、根据权利要求1所述的股骨近端内部结构三维可视化模型制作方法，其特征在于所述三维重建软件是Mimics软件。
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