一种骨肿瘤仿生修复系统技术方案

本发明专利技术公开了一种骨肿瘤仿生修复系统，属于计算机辅助生物医学工程领域，所述的系统包括骨肿瘤影像数据输入单元，骨组织区域分割和表面形态重建单元，骨肿瘤曲面模型单元，一体化修复假体设计单元，仿生多空一体化修复假体输出单元；其中，所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元包括超体素划分子单元、统计机器学习分割子单元、骨骼曲面模型重建子单元；一体化修复假体设计单元包括骨缺失形态复原子单元、内部结构设计子单元、内固定假体设计子单元；本发明专利技术构建的个性化、精准化的骨肿瘤修复系统，提高设计过程的自动化、降低设计过程的复杂度和不便性，使得最终的修复假体具有良好的生物相容性和力学性。

【技术实现步骤摘要】
一种骨肿瘤仿生修复系统
本专利技术属于计算机辅助生物医学工程领域，具体涉及一种骨肿瘤仿生修复系统。
技术介绍
由肿瘤切除引起的骨缺失是导致骨骼功能丧失的重要因素之一，对于局部骨缺失主要采用生物骨(包括：自体骨、异体骨)和人工骨两种方式进行移植修复。自体骨移植是骨修复的黄金标准，但来源、取骨量受限且对供骨区造成损伤；异体骨移植虽然不受限于来源和形状的影响，但术后排异反应、感染率较高。采用传统机加工制造的、具有一定生物相容性的人工骨被广泛应用于骨修复领域，但通常存在结构形态、力学性能方面的不匹配问题。随着近几年骨修复替代材料、骨组织工程、3D打印技术方面取得的重大进展，符合解剖学形态、具有良好生物和机械性能的3D打印骨肿瘤修复假体取得了良好的效果，在具有定制化特性的骨肿瘤修复领域将起到不可替代的作用，具有十分广泛的应用前景，受到越来越多的学者关注。鉴于骨肿瘤发病位置、类型、尺寸大小的不确定性，面向3D打印的骨肿瘤修复需要进行术前的精准数字化修复方案设计，以逼近自体骨的外部形态、内部结构、力学性能为设计目标，并确保所构建修复模型的可制造性。骨肿瘤数字化修复方案是一个复杂的系统性方案，涉及CT影像数据的分割和骨骼表面模型的三维重建、肿瘤切除后骨缺失区域植入假体的设计、内部仿生支架结构的生成等关键技术，设计过程复杂、需要同时掌握多领域跨学科的专业知识。攻克骨肿瘤修复涉及的关键技术CT影像分割和骨骼表面模型三维重建、一体化修复假体设计、内部仿生支架结构设计，并研发形成一体化的骨肿瘤修复方法和系统，降低修复方案设计时的知识复杂度、提高效率，是骨肿瘤修复领域亟需解决的痛点，也是骨科领域研究的难点和热点。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的不足，明提供了一种针对来源自不患者的肿瘤影像数据以及患者骨肿瘤发病位置的任意性，设计、生成一体化的仿生植入假体的方法和系统。本专利技术是这样实现的：一种骨肿瘤仿生修复系统，其特征在于，所述的系统包括骨肿瘤影像数据输入单元，骨组织区域分割和表面形态重建单元，骨肿瘤曲面模型单元，一体化修复假体设计单元，仿生多空一体化修复假体输出单元；其中，所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元包括超体素划分子单元、统计机器学习分割子单元、骨骼曲面模型重建子单元；一体化修复假体设计单元包括骨缺失形态复原子单元、内部结构设计子单元、内固定假体设计子单元。其中的输入单元用以输入患者影像数据；骨组织区域分割和表面形态重建单元用以对输入的影像数据进行超体素划分、统计机器学习分割、骨骼曲面模型重建；肿瘤骨曲面模型单元作为一体化修复假体设计的肿瘤骨曲面模型输入单元。一体化修复假体设计单元用以对肿瘤骨进行骨缺失形态复原、内部结构设计、内固定假体设计，并对人工骨假体和内固定假体融合生成一体化的植入假体。输出单元，输出仿生多孔一体化的修复假体。其中的输入单元所接受的数据是患者影像数据，如：螺旋CT、增强CT、CBCT等。骨组织区域分割和表面形态重建单元，其特征在于，用于对影像数据目标区域进行准确的分割和表面模型重建。骨组织区域分割和表面形态重建单元中的超体素划分是对影像数据的体素进行语义聚类生成超体素；统计机器学习分割，是基于超体素的特征表达结构，采用统计机器学习方法实现骨组织区域具有语义特性的准确分割；骨骼表面模型重建子单元，是对骨骼表面实现具有自然光顺连续、封闭特性的曲面模型重建。肿瘤骨曲面模型单元其对应的模型是骨骼模型的曲面表达；一体化修复假体设计单元是基于邻近骨、剩余健康骨空间位置约束，对骨肿瘤切除后导致的大段骨缺失进行形态复原，并在此基础上设计个性化的内固定假体，并将索人工骨假体和内固定假体融合生成一体化的植入假体。其中骨缺失形态复原是对骨肿瘤切除后造成的缺失区域进行具有符合骨骼空间位置约束、结构形态约束以及满足肢体功能恢复要求的骨缺失形态的复原。一体化修复假体设计单元中的内部结构设计，用以对人工骨假体设计合理的内部仿生结构，使得其具有良好力学性能、可加工性、生物活性；内固定假体设计子单元，采用几何及可量化的方式，进行自由形态的内固定假体设计。输出单元采用布尔运算将人工骨假体和内固定假体融合在一起，在有限元分析的基础上对融合体进行边界接触区域的过渡形态优化，得到最终的输出模型：一体化的植入假体。进一步，所述的骨肿瘤影像数据输入单元用于系统读取并解析来自不同患者、不同类型的骨肿瘤影像数据，数据包括人体206块骨骼任意位置的骨肿瘤影像数据；所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元，首先针对骨肿瘤可能发生在人体206块骨骼任意位置的特性，进行骨组织区域分割，对分割出的数据，采用曲面模型重建算法；所述的超体素划分子单元是对经骨组织边界增强和内部孔洞填充后的影像数据，设计超体素的特征结构表达式、邻近超体素对的相似度函数，根据相似度函数优先合并隶属于同一组织区域内的超体素，采用具有语义聚类的操作生成超体素集合；所述的统计机器学习分割子单元是采用统计机器学习方法首先对骨组织区域具有语义特性的一次分类，二次或多次分类，实现对骨组织区域的分割；所述骨骼曲面模型重建子单元是采用非刚体变形映射的方法包络、逼近骨骼内外边界体素信息，从而实现对骨骼的网格曲面重建。进一步，经由超体素划分、统计机器学习分割、骨骼曲面模型重建子单元操作后，输出的模型为具有自然光顺连续、封闭特性的骨骼表面曲面模型，其作为肿瘤骨曲面模型单元的输入数据，所述肿瘤骨曲面模型单元对应数据为一体化修复假体设计单元的输入数据。进一步，所述一体化修复假体设计单元，首先基于邻近骨、肿瘤空间位置约束，设计构建基于体空间的形态复原架构，实现骨缺失区域和功能的准确恢复；在骨缺失形态复原的基础上，从几何及量化的角度对接触稳定性、可安装性、面积最小化进行描述，实现满足医学约束条件的内固定假体设计，并与人工骨假体融合生成一体化的植入假体；所述的一体化修复假体设计单元包括骨缺失形态复原子单元、内部结构设计子单元、内固定假体设计子单元。进一步，所述骨缺失形态复原子单元是对骨肿瘤切除后造成的缺失区域进行具有符合骨骼空间位置约束、结构形态约束以及满足肢体功能恢复要求的骨缺失形态的复原；包括：基于骨骼轮廓特征信息的配准算法，实现模板骨和肿瘤骨健康区域的位置匹配，根据邻近骨、剩余健康骨空间位置约束，采用基于体空间的模板骨变形、配准调整架构，实现骨缺失区域的复原；所述的内部结构设计子单元用以对人工骨假体设计内部仿生结构，包括：采用基于拓扑优化调和场的内部大小可调的微孔和微孔道组成的负型结构，经与人工骨假体的布尔运算即得到骨骼内部的仿生结构；所述的内固定假体设计子单元包括：采用几何及可量化的方式，设计贴合于骨骼表面的自由形态内固定假体，通过等距加厚、倒角、内部蜂窝设计、力学仿真分析得到最终的自由形态轻量化内固定假体。进一步，所述的一体化修复假体设计单元包括：采用布尔运算将人工骨假体和内固定假体融合在一起，通过虚拟安装仿真实验，最终完成整个骨肿瘤修复方案的设计流程。本专利技术还公开了一种骨肿瘤仿生修复方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、输入来源自不同患者的骨肿瘤影像数据，具体是读取并解析来自不同患者、不同类型的骨肿瘤影像数据，人体206块骨骼任意位置的骨肿瘤影像数据。步骤二、对患者肿瘤影像数据进行分割，准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种骨肿瘤仿生修复系统，其特征在于，所述的系统包括骨肿瘤影像数据输入单元，骨组织区域分割和表面形态重建单元，骨肿瘤曲面模型单元，一体化修复假体设计单元，仿生多空一体化修复假体输出单元；其中，所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元包括超体素划分子单元、统计机器学习分割子单元、骨骼曲面模型重建子单元；一体化修复假体设计单元包括骨缺失形态复原子单元、内部结构设计子单元、内固定假体设计子单元。

【技术特征摘要】
1.一种骨肿瘤仿生修复系统，其特征在于，所述的系统包括骨肿瘤影像数据输入单元，骨组织区域分割和表面形态重建单元，骨肿瘤曲面模型单元，一体化修复假体设计单元，仿生多空一体化修复假体输出单元；其中，所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元包括超体素划分子单元、统计机器学习分割子单元、骨骼曲面模型重建子单元；一体化修复假体设计单元包括骨缺失形态复原子单元、内部结构设计子单元、内固定假体设计子单元。2.根据权利要求1所述的一种骨肿瘤仿生修复系统，其特征在于，所述的骨肿瘤影像数据输入单元用于系统读取并解析来自不同患者、不同类型的骨肿瘤影像数据，数据包括人体206块骨骼任意位置的骨肿瘤影像数据；所述的骨组织区域分割和表面形态重建单元，首先针对骨肿瘤可能发生在人体206块骨骼任意位置的特性，进行骨组织区域分割，对分割出的数据，采用曲面模型重建算法；所述的超体素划分子单元是对经骨组织边界增强和内部孔洞填充后的影像数据，设计超体素的特征结构表达式、邻近超体素对的相似度函数，根据相似度函数优先合并隶属于同一组织区域内的超体素，采用具有语义聚类的操作生成超体素集合；所述的统计机器学习分割子单元是采用统计机器学习方法首先对骨组织区域具有语义特性的一次分类，二次或多次分类，实现对骨组织区域的分割；所述骨骼曲面模型重建子单元是采用非刚体变形映射的方法包络、逼近骨骼内外边界体素信息，从而实现对骨骼的网格曲面重建。3.根据权利要求2所述的一种骨肿瘤仿生修复系统，其特征在于，经由超体素划分、统计机器学习分割、骨骼曲面模型重建子单元操作后，输出的模型为具有自然光顺连续、封闭特性的骨骼表面曲面模型，其作为肿瘤骨曲面模型单元的输入数据，所述肿瘤骨曲面模...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁天然，汪俊，罗春英，侯志伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，淮阴工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32