本发明属于3d打印领域，具体涉及一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建及制备方法。
背景技术：
二尖瓣疾病是危害人群心血管病健康的最常见瓣膜病。绝大多数二尖瓣狭窄(mitralstenosis,ms)是风湿热的后遗症，极少数为先天性狭窄或老年性二尖瓣环或环下钙化。二尖瓣关闭不全(mitralinsufficiency,mi)主要因瓣膜退行性变、风湿热、冠心病心肌梗死后二尖瓣瓣下结构损伤等引起，常引起房颤和心功能不全。根据美国等西方发达国家的最新流行病学数据显示，大于65岁以上的老年人群发病率占首位的瓣膜病类型是二尖瓣反流。研究表明，手术治疗二尖瓣病变的长期效果优于药物治疗，然而对于风湿热引起的二尖瓣狭窄的部分患者年纪较轻，过早置换瓣膜明显影响生活质量；同时，对于高龄合并多系统疾病的外科手术高危患者，手术风险高，生存获益少，欧洲数据显示此类患者的外科手术成功率仅50％，重度功能性反流患者的外科手术成功率更是低至16％。因此二尖瓣的微创治疗始终是临床医生探索的重心。
回顾既往的5年，全世界范围内二尖瓣介入成形及置换器械层出不穷，临床试验成功的消息也频频发出。但截至目前，该技术的推广和普及仍十分有限，这不仅与二尖瓣结构的特殊性有关，更与患者的术前筛选和评估的困难相关。目前，专家共识推荐经导管二尖瓣成形术及置换术主要通过经食道超声进行术前评估，评估精确十分有限。考虑到二尖瓣是空间立体结构，病变是模态多样化，具有复杂的瓣下结构，且在心动周期中是动态变化的，故而经食道超声和ct平面分析都具有很大局限性，其可控性及直观性较差，常难以发现实际操作中的齐纳在风险和问题。因此，临床亟待一种新型的、可以提供空间立体模型进行观察和模拟的评估方式。
3d打印技术与医学的交叉正逐渐凸显出这种技术的优势。3d打印技术相比较传统影像学检查可以显示二尖瓣结构的丰富信息，对临床医生显得尤为重要。由于材料的物理特性和二尖瓣结构的特殊要求，对模型的透明度、表面光洁度、多彩显示以及软硬结合提出新的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建及制备方法，用以解决现有技术中传统影像评估二尖瓣结构以及瓣下结构局限性等问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建，包括如下步骤：
步骤1：采集二尖瓣反流及钙化狭窄患者的左心结构造影数据，所述左心结构造影数据包括升主动脉造影数据、主动脉根部造影数据、左心房造影数据、左心室造影数据、冠脉造影数据、左心耳造影数据、二尖瓣瓣叶造影数据、腱索造影数据和乳头肌造影数据，对所述左心结构造影数据进行预处理，得到心脏ct数据；
步骤2：根据心脏ct数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型以及血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型、左心室内腔血液模型、左心房内腔血液模型以及左心耳内腔血液模型；
步骤3：获取血液模型内包裹的左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，所述左心内部结构包括主动脉根部、升主动脉、冠脉、左心室、左心房和左心耳，对比获得的左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界与心脏ct数据中实际二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，修正边界，删除血液模型，得到内腔模型；
步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中部分左心房、左心室、左心耳开口、主动脉根部、冠脉开口、二尖瓣瓣叶、腱索和乳头肌，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到二尖瓣钙化狭窄以及二尖瓣反流疾病的3d模型。
进一步的，步骤1中预处理包括如下子步骤：
步骤a：选取主动脉造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为是指左心室舒张最大或者左心室收缩最小的状态；
步骤b：沿瓣环平面自上而下观察左心结构造影数据，调节左心结构造影数据的灰度值至清楚看到二尖瓣瓣叶、腱索、乳头肌结构、钙化分布情况、二尖瓣瓣环形态以及左心室房，得到心脏ct数据。
进一步的，步骤b中左心结构造影数据的灰度值范围为：最小值为250-400，最大值为3071。
一种针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用如权利要求1-3中任一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法得到二尖瓣疾病的3d模型；
步骤2：将3d模型导入objet切片软件中进行打印，然后将打印完成后的3d模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留；
步骤3：将步骤2得到的3d模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；
步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。
进一步的，步骤2中所述碱性溶液是浓度为百分之二的氢氧化钠溶液和百分之一的偏硅酸钠溶液
进一步的，步骤2中所述震荡清洗的频率为25khz，所述震荡清洗的时间为30分钟。
进一步的，步骤3中所述烘干箱的温度设置为75摄氏度，烘干时间为150分钟。
进一步的，步骤3中所述喷砂机采用首先50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后采用200目沙砾对模型表面进行抛光。
进一步的，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：
首先用195t灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
本发明中利用3d打印技术获得的二尖瓣模型可以更好的进行评估，并在指导二尖瓣反流及下有以下优点：
(1)对于二尖瓣置换术3d打印模型可以进行术前综合评估和患者筛选，从而进行手术策略制定、瓣膜型号选择与置入深度决定，同时3d打印模型可帮助竖着选定合适的心尖穿刺部位，避开心肌表面的冠脉、心室内腱索、乳头肌等重要结构，避免手术操作中导丝导管、介入瓣膜的进出影响重要解剖结构。
(2)针对二尖瓣修复术，打印出的三维二尖瓣模型，可以立体的看到二尖瓣瓣叶的病变区域及左心室、左心房结构。借此，医生可以在体外分析手术方案的选择及选择夹合位置。
在指导二尖瓣钙化狭窄有以下优点：
(3)打印模型显示左心耳及左心室结构，术前模拟避免指导术者避免损伤左心耳，对于瓣口狭窄患者，可以帮助术者找到合适的推送球囊的角度和方向，减少实际手术中的操作耗时和射线摄入。
附图说明
图1为常规建模方法得到的3d心脏模型示意图；
图2为常规建模方法得到的心脏腔体剖开模型；
图3为本发明得到的心脏系统的血液模型示意图；
图4为本发明重建的3d左心模型示意图；
图5为本发明重建得到的二尖瓣瓣叶；
图6为本发明实施例中的二尖瓣瓣叶最终模型；
图7为本发明实施例中的腱索乳头肌模型；
图8为本发明实施例中的内腔模型。
具体实施方式
三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。因此本发明发明也包括建模过程和切片打印过程。
在本实施例中公开了一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1：采集二尖瓣反流及钙化狭窄患者的左心结构造影数据，所述左心结构造影数据包括升主动脉造影数据、主动脉根部造影数据、左心房造影数据、左心室造影数据、冠脉造影数据、左心耳造影数据、肺静脉造影数据、二尖瓣瓣叶造影数据、腱索造影数据和乳头肌造影数据，对所述左心结构造影数据进行预处理，得到心脏ct数据；
所述造影数据根据患者的钙化部位的情况进行选择；
步骤2：根据心脏ct数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型以及血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型、左心室内腔血液模型、左心房内腔血液模型以及左心耳内腔血液模型；
步骤3：获取血液模型内包裹的左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，所述左心内部结构包括主动脉根部、升主动脉、冠脉、左心室、左心房和左心耳，对比左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界与心脏ct数据中实际二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，修正边界，删除血液模型，得到内腔模型；
步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中部分左心房、左心室、左心耳开口、主动脉根部、冠脉开口、二尖瓣瓣叶、腱索和乳头肌，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到二尖瓣钙化狭窄以及二尖瓣反流疾病的3d模型。
其中，由于不同组织对x射线的吸收不同，因此在计算机上不同组织会显示不同的颜色，依照颜色的不同划分各个组织的界限。
所述钙化组织模型建立的过程为：根据钙化组织对应灰度值筛选出钙化组织，并将钙化相连的组织进行分割，建立钙化组织3d模型，钙化组织3d模型能够最大程度的真实反映出钙化程度，同理，根据血液结构对应灰度值筛选出血液结构，获得血液模型；
优选的，钙化组织的灰度值范围为：最小值区间为530-630，最大值为3071。
优选的，血液结构的灰度值范围为：最小值区间为164-261，最大值为3071。
其中，布尔运算一般指在图形处理操作中使简单的基本图形组合产生新的形体，在本方案中布尔运算的作用为将剪裁后的内腔模型和钙化组织模型进行融合得到完整的3d模型。
具体的，步骤4中剪裁的依据是判断已经模型上重建的瓣叶边界是否和ct上边界贴近，如果不贴近则修正模型，剪切掉整个左心系统中包含的肺静脉、左心耳、部分左心房、部分左心室、部分升主动脉以及多余的冠脉，建出完整内腔模型。
具体的，步骤1中预处理包括如下子步骤：
步骤a：选取左心结构造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为左心室舒张最大或者左心室收缩最小的状态，即处于收缩期和舒张期最佳状态的数据；根据对比多组ct数据挑选。因为二尖瓣结构复杂所以二尖瓣瓣环是一个复杂的空间结构，随着心动周期二尖瓣环也处于动态变化状态，所以需要重建舒张期和收缩期作为手术参考。一位患者的ct数据中包含有至少一个心动周期分成不同组从中选择一组。
步骤b：沿瓣环平面自上而下观察左心结构造影数据，调节左心结构造影数据的灰度值至清楚看到二尖瓣瓣叶、腱索、乳头肌结构、钙化分布情况、二尖瓣瓣环形态以及左心室房，得到心脏ct数据。
优选的，左心结构造影数据的灰度值范围最小值为250-400，最大值为3071；
具体的，步骤4中采用瓣环平面裁剪掉完整内腔模型中多余的部分，保留部分左心室、左心房、主动脉根部、左心耳开口、冠脉开口、二尖瓣瓣叶、腱索、乳头肌，将模型重画网格并且光滑其表面，将模型镂空，使之成为中空状结构并检查修复模型，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型，检查得到的3d模型是否符合解剖结构要求，编辑使轮廓更加真实。
实施例1：
在本实施例中公开了一种针对二尖瓣疾病的3d模型构建方法，采用以下步骤在mimics软件中实现：
(1)使用医疗影像设备对二尖瓣疾病(二尖瓣钙化狭窄、二尖瓣反流的患者左心造影进行数据收集，主要采集患者的主动脉根部、部分升主动脉、冠脉以及左心房、左心室，并生成包含有心脏收缩期及舒张期ct(dicom)文件。
(2)将dicom文件导入mimics软件,并生成.mcs文件保存
(3)分割数据：
step1,在pseudocolors命令中根据不同组织所显现不同色谱观察不同组织、钙化的结构和边界情况，瓣叶形态及钙化程度；
step2,ct图像回放选择左心处于最大或者最小的时相数据，将数据的像素灰度值调节使之完全清楚的看到主动脉、钙化以及左心结构；
step3,在视图中(view)中建立瓣环平面，在横切面上自上而下可以看清楚二尖瓣瓣叶以及钙化分布情况；
step4,新建一个mask通过预览三维模型重建出钙化部位的组织，能够最大程度的真实反映出钙化程度，将钙化相连的组织使用区域增长(regiongrow)单独分割重建出来，
step5,新建第二个mask使蒙版覆盖升主动脉内腔血液、主动脉根部内腔血液、左心室房内腔血液；
step6,splitmask去除掉多余的心脏组织重建主动脉、左心室、左心房、左心耳、冠脉开口内部血液模型；
step7,clipping三维模型检查瓣叶的完整性，然后手动编辑删除内部血液中包含的二尖瓣瓣叶、腱索、乳头肌结构，建出完整内腔模型；
(4)输出三维模型的stl文件导入geomagicstudio逆向软件中，使用瓣环平面裁剪掉多余的部分，保留主动脉根部、冠脉开口、左心室、左心房、左心耳开口，将模型重画网格并且光滑其表面；在magics中将模型镂空，使之成为中空状结构并检查修复模型，再次在geomagicstudio中裁剪端面和钙化组织(钙化)做布尔运算后保存文件；
(5)将完整的三维模型输入到.mcs文件中使模型轮廓可见，检查是否符合解剖结构要求，如果可编辑轮廓更加真实。
实施例2：
本实施例中打印选择的软件为objet切片软件，还可以选用fdmcura、slamaterialisemagics、slmquantam等切片软件。
本实施例公开了一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型制备方法，在实施例1的基础上，还包括如下步骤：
步骤1：采用上述任一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法得到针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型，将模型导出为stl格式文件；
步骤2：将3d模型导入objet切片软件中进行打印，切片过程中模型高度尽可能低，减少打印时间，使用工具取下模型表面的大块支撑后，将打印完成后的3d模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留，使用水枪工具冲洗表面残留的支撑材料和碱性溶液；
步骤3：将步骤2得到的3d模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；
步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。
具体的，步骤2中将打印完成后的3d模型置入碱性溶液中震荡清洗是指，将模型泡在包含百分之二氢氧化钠和百分之一的偏硅酸钠溶液中，使用超声波清洗机盛放溶液和模型，模型浸泡入溶液后，使用25khz频率震荡清洗30分钟。若模型质量超过300克，则适当延长震荡时间，每次震荡总时间不得超过40分钟，避免模型长时间泡胀变形。
具体的，步骤3中将步骤2得到的3d模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干是指，将取出的模型置于专用的工业烘干箱中，以75摄氏度温度烘干150分钟，大于300g质量的模型可以适当增加烘干时间，以超出部分每50g增加10分钟为宜，但总烘干时间一次不得超过180分钟，避免模型长时间加热变形。
具体的，步骤3中使用喷砂机对模型表面进行打磨抛光是指，使用50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后使用200目沙砾对模型表面进行抛光。
具体的，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：
首先用195t灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。
优选的，使用195t灌封胶、聚氨酯灌封胶，柔性uv光油，水性聚氨酯涂层胶等对模型进行涂层。
根据模型的要求不同，使用不同的涂层材料可以获得相应不同的效果，使用195t灌封胶和聚氨酯灌封胶可以增加模型的通透度，将调配好的195t灌封胶和聚氨酯灌封胶按2：1的比例混合，195t灌封胶可以增加液体粘度，聚氨酯灌封胶可以增加液体固化后与模型的附着力。
使用水性聚氨酯涂层胶涂层的模型，透明度比使用灌封胶涂层的模型低，但是其附着力比灌封胶涂层强，在使用器械模拟时可以保证涂层材料不因为揉搓和摩擦脱落。
使用柔性uv光油涂层的材料，其透明度和附着力介于灌封胶和涂层胶之间，在所有涂层材料中，其涂层最薄，固化速度最快。
具体的，上述各种材料的具体选型为：
灌封胶：奥斯邦195t透明导热有机硅灌封胶。
聚氨酯灌封胶：奥斯邦130pu透明聚氨酯灌封胶。
uv柔性光油：宜祥6510-46柔性膜压uv光油。
水性聚氨酯涂层胶：恒天新材料，非离子型水性聚氨酯树脂ht-201柔软平流水性纺织涂层胶。
对比例1：
(1)将dicom文件导入mimics软件，选择收缩期或舒张期的图像；
(2)手动调节ct灰度值以看清左心系统轮廓为准；
(3)新建一个mask，手动调节阈值选择一定像素灰度值范围包含主动脉、左心房、左心室、左心耳、左右冠脉的内外壁，使主动脉窦及主动脉根部形成管腔结构，使用区域增长命令单独选出。
(4)计算出有血管壁厚的三维模型，使用动态区域增长选出高亮的瓣叶钙化部分，clipping模型检查瓣叶是否重建完整，是否符合手术评估要求；
(5)根据手术评估所要求edit像素灰度值重建出瓣叶、腱索、乳头肌模型，去掉多余组织或添加瓣膜组织蒙版；
(6)smoothing模型使模型内外表面光滑，由于血管壁以及外部心脏组织在影响设备下密度接近，在mimics中灰度值接近较难分离，所以需要将三维模型生成stl文件，导入geomagicstudio中进行逆向建模；
(7)在geomagicstudio中使用多边形命令删除掉多余结构处的三角面片，重画网格并且松弛模型，使用三个点平面截面命令，分别挑选二尖瓣处三个分布均匀的点(瓣环平面)，裁剪掉多余的组织。
(8)若是二尖瓣钙化，将钙化导入geomagicstudio与主动脉瓣进行布尔运算，将模型保存为stl文件；
(9)在magics中打开stl模型，点击修复模型，若模型诊断没有问题，将模型导入切片软件切片后进行打印。
如图1所示，对比例1中将血管内外壁通过单纯的调节阈值建模，不能够快速准确的将钙化位置重建出来，会和其他心脏软组织粘连，后期分割繁琐难度大。
如图2所示，对比例1采用的常规建模方法会将心脏所不需要软组织覆盖，瓣叶通道不明确，同时，图2中重建的是血管管腔模型，图4重建的是内部血液形态，图5和图2相比较噪点更少、瓣叶形态更明显准确、目的性更强后期的处理工作更少。
1.一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采集二尖瓣反流及钙化狭窄患者的左心结构造影数据，所述左心结构造影数据包括升主动脉造影数据、主动脉根部造影数据、左心房造影数据、左心室造影数据、冠脉造影数据、左心耳造影数据、二尖瓣瓣叶造影数据、腱索造影数据和乳头肌造影数据，对所述左心结构造影数据进行预处理，得到心脏ct数据；
步骤2：根据心脏ct数据中不同组织对应的灰度值建立钙化组织模型以及血液模型，所述血液模型包括主动脉根部内腔血液模型、升主动脉内腔血液模型、冠脉内腔血液模型、左心室内腔血液模型、左心房内腔血液模型以及左心耳内腔血液模型；
步骤3：获取血液模型内包裹的左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，所述左心内部结构包括主动脉根部、升主动脉、冠脉、左心室、左心房和左心耳，对比获得的左心内部结构边界、二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界与心脏ct数据中实际二尖瓣瓣叶边界、腱索边界和乳头肌边界，修正边界，删除血液模型，得到内腔模型；
步骤4：对内腔模型进行剪裁，保留内腔模型中部分左心房、左心室、左心耳开口、主动脉根部、冠脉开口、二尖瓣瓣叶、腱索和乳头肌，然后对剪裁后的内腔模型和步骤2得到的钙化组织模型做布尔运算得到二尖瓣钙化狭窄以及二尖瓣反流疾病的3d模型。
2.如权利要求1所述的针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法，其特征在于，步骤1中预处理包括如下子步骤：
步骤a：选取主动脉造影数据中处于瓣叶最佳观察状态的一组，并依据该组数据建立瓣环平面，所述瓣叶最佳观察状态为是指左心室舒张最大或者左心室收缩最小的状态；
步骤b：沿瓣环平面自上而下观察左心结构造影数据，调节左心结构造影数据的灰度值至清楚看到二尖瓣瓣叶、腱索、乳头肌结构、钙化分布情况、二尖瓣瓣环形态以及左心室房，得到心脏ct数据。
3.如权利要求2所述的针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法，其特征在于，步骤b中左心结构造影数据的灰度值范围为：最小值为250-400，最大值为3071。
4.一种针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用如权利要求1-3中任一种针对二尖瓣反流及钙化狭窄的3d模型构建方法得到二尖瓣疾病的3d模型；
步骤2：将3d模型导入objet切片软件中进行打印，然后将打印完成后的3d模型置入碱性溶液中震荡清洗，清洗结束后将模型从溶液内取出并冲洗表面残留；
步骤3：将步骤2得到的3d模型放入烘干箱内保持鼓风模式进行烘干，取出烘干模型，使用喷砂机对表面进行打磨抛光处理；
步骤4：对打磨抛光后的模型表面进行涂层处理，完成模型制备。
5.如权利要求4所述的针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，步骤2中所述碱性溶液是浓度为百分之三点五的氢氧化钠溶液和百分之二的偏硅酸钠溶液。
6.如权利要求4所述的针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，步骤2中所述震荡清洗的频率为27khz，所述震荡清洗的时间为45分钟。
7.如权利要求4所述的针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，步骤3中所述烘干箱的温度设置为75摄氏度，烘干时间为225分钟。
8.如权利要求4所述的针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，步骤3中所述喷砂机采用首先50目沙砾对模型表面杂质进行打磨，然后采用200目沙砾对模型表面进行细磨，最后采用400目沙砾对模型表面进行抛光。
9.如权利要求4所述的针对二尖瓣疾病的3d模型制备方法，其特征在于，步骤4中进行涂层处理时，采用如下步骤：
首先用195t灌封硅胶进行首次涂层操作，然后用按照10：1.2配比混合的硅胶和固化剂进行二次涂层操作，最后用固化剂在模型表面封层。
技术总结