心脏模体的制作方法和制作心脏模体的装置

摘要

本申请公开了一种心脏模体的制作方法和制作心脏模体的装置。该心脏模体的制作方法包括以下步骤：获取人的心脏影像数据；基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型；基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体。通过本发明，提供了利用3D打印并将其扩展以定制和精确的方式整合心肌和冠状动脉模体的方法和装置，解决了现有技术中的心脏模体无法满足冠脉CT造影成像性能评估需求的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及心脏模体的制作方法和装置，具体涉及基于3D打印技术的多功能仿生心脏模体的制作方法和装置。

背景技术

为了提供与冠状动脉疾病(Coronary Artery Disease，CAD)相关的解剖异常的准确诊断信息，已经提出了冠状动脉计算机断层扫描血管造影(Coronary ComputedTomographic Angiography，CCTA)技术。由于直接准确地观察个体化心脏病变对于临床辅助诊断有着重要影响，因此，需要通过冠状动脉计算机断层扫描血管造影技术获得无伪像的高图像质量。同时，随着对患者护理的关注日益提高，也需要针对患者制定特定扫描方案/策略以及达到合理可达到的最低剂量(ALARA)的适当剂量，实现上述需求主要受以下因素影响：

·冠脉CT造影成像系统在系统和硬件级别上的物理性能(例如：转速)，以及特殊的重建技术(例如：时间分辨率增强)；

·通过适当的程序(例如：ECG门控螺旋或ECG触发序列)和参数(例如：旋转速度，螺距，重建阶段等)优化扫描/重建策略决策；

·整个检查过程中的教育指导和心律控制。

模体研究仍然是进行临床前评估以评估冠脉CT造影系统在心脏成像上的表现以及检查策略有效性的常用方法。用于针对CCTA影像评估的良好的心脏模体需要满足以下要求：

·运动和变形与真实心脏相似(多方向，扭曲，形状和容积变化)

·解剖结构模拟的接近/相似的冠脉CT造影成像行为(例如：HU接近摄取非造影剂的心脏或摄取造影剂的心脏)

·高保真拟人结构，具有重要的解剖结构/次器官(例如：造影增强的冠状动脉)

·病变插入能力以模仿解剖或功能异常行为(例如：狭窄，钙化斑块，支架等)

在现有技术中，由于实体化的心脏3D模体通常仅体现心脏的外观，对于心脏内部解剖结构、位置关系以及运动方式没有充分展现，因此无法满足针对CCTA影像评估的良好的心脏模体的上述需求。例如，在现有技术中，存在以下商业化的功能性动态模体：

·雪莱公司(雪莱医学成像技术公司，伦敦，安大略省)开发的动态多模态心脏模体(型号为DHP-01)由聚乙烯醇基的解剖学精确的左心室结构和右心室结构组成。该动态多模态心脏模体可在超声，CT，X射线、MR下成像，并且具有通过机械零件和控制设备实现的运动和变形功能。

·来自京都科学的拟人动态心脏和肺部模体。该模体的心脏部分也可以通过注入水来实现运动/变形，可以连接标准化的动脉样(子)结构(直径不同的动脉，程度不同的狭窄或冠状动脉解剖)。

另一方面，快速发展和完善的3D打印技术为基于通过不同方式进行成像的各种器官的真实解剖结构信息而开发复杂且可复制的模体提供了潜力。例如，现有技术中公开了有关自行开发/修改的3D打印心肌或冠状动脉模体的一些技术：

·为了定量评估在CTA灌注成像中的新的运动校正算法，J.D.Pack等人(J.D.Pack2016,Zhye Yin,Guanglei Xiong,Priya Mittal,Simon Dunham,KimberlyElmore,Peter M.Edic,James K.Min,“Motion correction for improving the accuracyof dual-energy myocardial perfusion CT imaging,”Proc.SPIE 9788,MedicalImaging 2016:Biomedical Applications in Molecular,Structural,and FunctionalImaging,97880Z(29March 2016)；doi:10.1117/12.2216986)开发了一种采用3D打印技术制造的左心室模体，其包含心室腔，心肌腔和其他功能套件，并具有规则的几何形状；

·劳伦等人(Lauren M 2019.Shepard,Kelsey N.Sommer,Erin Angel,VijayIyer,Michael F.Wilson,Frank J.Rybicki,Dimitrios Mitsouras,Sabee Molloi,Ciprian N.Ionita,“Initial evaluation of three-dimensionally printed patient-specific coronary phantoms for CT-FFR software validation,”J.Med.Imag.6(2),021603(2019),doi:10.1117/1.JMI.6.2.021603.)开发了一种3D打印的患者专用冠状动脉模体，其能够一定程度还原生理血流和压力状况。冠状动脉树模型来自真实的冠状动脉CCTA扫描，包含主动脉根和三个主要冠状动脉(左前降支(LAD)，左旋支(LCX)和右冠状动脉(RCA))。CT-FFR软件的验证可以在这样的造影剂注射后的模体上进行。

然而，现有技术中所存在的模体并不能完全满足针对CCTA影像评估的良好的心脏模体的上述需求。例如，雪莱公司提供了高保真的心室解剖结构，此外，运动控制器还有助于模仿多方向心脏运动。但该心脏模体在CT扫描下的HU值却与碘造影剂增强后的心肌真实成像行为显著不同，即，缺乏足够对比度，同时模拟部位也没有反映拟人性。此外，虽然京都科学的模体带有标准化的冠状动脉，甚至带有狭窄结构的冠状动脉，但是不同的动脉模型(例如：狭窄样或解剖模型)附着在单独的心脏模体上。换言之，解剖结构缺乏灵活性和可扩展性，因此人们无法观察到具有狭窄部位的解剖动脉。此外，京都科学的模体无法模仿旋转运动。此外，其他实验性的3D打印的模体或是缺乏如真实的心脏腔室那样的解剖学上的柔韧性，或是缺乏用于整个心腔的启用结构。对于用于冠脉CT造影成像性能评估的全功能高强度心脏模体，目前仍然没有一种全功能设计可实现上述需求。

因此，期望提供利用3D打印并将其扩展以定制和精确的方式整合心肌和冠状动脉模体的方法和装置。

发明内容

针对现有技术中的上述情况，本发明提出了一种通过将基于图像的模型优化与3D印刷技术结合，从而提供一种满足高保真、全功能性和更好的CT扫描成像需求的心脏模体。该心脏模体能够满足对于心脏CT造影图像性能评估的需求。

根据本发明的一个方面，提供了一种心脏模体的制作方法，包括以下步骤：获取人的心脏影像数据；基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型；基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型的步骤包括：对心脏影像数据中的感兴趣区域进行初步标记。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型的步骤包括：在三维重建心脏解剖结构模型期间，对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸。

优选地，该心脏模体的制作方法，感兴趣区域包括以下至少一项：心脏内发生病变的解剖结构、已安装医疗器械的解剖结构。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型的步骤包括：在感兴趣区域是已安装医疗器械的解剖结构的情况下，在三维重建心脏解剖结构模型的同时，对医疗器械进行三维重建，以构建医疗器械模型。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体的步骤包括：利用3D打印技术，对心脏模体中对应于不同的解剖结构的部位采用不同的打印材料。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体的步骤包括：利用3D打印技术，对心脏模体中对应于发生病变的解剖结构的部位和/或对应于已安装医疗器械的解剖结构的部位采用不同的打印材料。

优选地，该心脏模体的制作方法，解剖结构包括以下各项中的至少一项：心肌、心腔、主动脉根、冠状动脉、心室腔、心房腔、瓣膜、静脉。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于HU值，选择用于心脏模体中对应于不同的解剖结构的部位的打印材料，使得心脏模体中的每个部位的HU值与对应的解剖结构的HU值彼此接近。

优选地，该心脏模体的制作方法，基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体步骤还包括：基于心脏解剖结构模型和医疗器械模型，利用3D打印技术，打印附带有医疗器械模体的心脏模体。

根据本发明的另一方面，提供了一种制作心脏模体的装置，包括：数据获取单元，被配置为获取人的心脏影像数据；重建单元，被配置为基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型；打印单元，被配置为基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体。

优选地，该制作心脏模体的装置，重建单元包括：初步标记部，被配置为对心脏影像数据中的感兴趣区域进行初步标记。

优选地，该制作心脏模体的装置，重建单元包括：精细标记部，被配置为在三维重建心脏解剖结构模型期间，对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸。

优选地，该制作心脏模体的装置，感兴趣区域包括以下至少一项：心脏内发生病变的解剖结构、已安装医疗器械的解剖结构。

优选地，该制作心脏模体的装置，重建单元进一步被配置为：在感兴趣区域是已安装医疗器械的解剖结构的情况下，在三维重建心脏解剖结构模型的同时，对医疗器械进行三维重建，以构建医疗器械模型。

优选地，该制作心脏模体的装置，打印单元进一步被配置为：利用3D打印技术，对心脏模体中对应于不同的解剖结构的部位采用不同的打印材料。

优选地，该制作心脏模体的装置，打印单元进一步被配置为：利用3D打印技术，对心脏模体中对应于发生病变的解剖结构的部位和/或对应于已安装医疗器械的解剖结构的部位采用不同的打印材料。

优选地，该制作心脏模体的装置，解剖结构包括：心肌、心腔、主动脉根、冠状动脉、心室腔、心房腔、瓣膜、静脉。

优选地，该制作心脏模体的装置，打印单元基于HU值，选择用于心脏模体中对应于不同的解剖结构的部位的打印材料，使得心脏模体中的每个部位的HU值与对应的解剖结构的HU值彼此接近。

优选地，该制作心脏模体的装置，打印单元被配置为基于心脏解剖结构模型和医疗器械模型，利用3D打印技术，打印附带有医疗器械模体的心脏模体。

与现有的商业化或自行开发/扩展的3D打印模体相比，本发明使用细化的3D打印构造流程以定制化和精确的方式开发了动态心脏模体。此外还满足了进一步CCTA成像评估目的所需的所有需求。

因此，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)如同真实心脏的多向运动和变形相似性；

2)施加造影剂的成像行为；

3)扩展的冠状动脉结构，以进行全面图像质量评估；

4)模体可以通过额外超高保真结构(例如，支架，狭窄)灵活地扩展和完善，模体可以作为标准模体用于临床前评估心脏成像的冠脉CT造影系统性能和检查策略有效性；

5)不限于心脏模体，只要准备好高分辨率断层图像，并且确定了合适的打印材料和技术，该3D打印构造处理就可以应用于任何期望的结构/器官，而且，其目的不仅限于模体成像评估(例如，教育指导)。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法的示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的冠状动脉模体的制作方法的示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的制作心脏模体的装置的示意框图。

具体实施方式

为使需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法的流程图。根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法，通过将基于图像的模型优化与3D打印技术结合，从而能够提供具有高保真度、全功能性以及满足CT扫描成像需求的心脏模体。如图1所示，根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法包括以下步骤：S102，获取人(例如，患者)的心脏影像数据，例如，为了反映具有对于心脏CT造影成像而言至关重要的解剖结构(例如：冠状动脉造影增强，甚至有狭窄或支架部分)的高保真拟人结构，可对患者心脏进行完整的造影剂填充，经增强CT对患者进行心脏部位扫描，从患者的扫描和重建中获得的真实的患者数据用作模体3D建模的输入；S104，将步骤S102中获取的心脏影像数据形成为DICOM图像序列；S106，对DICOM图像序列进行处理，例如，可以通过计算机辅助方式(例如，3DPrinting，Syngo.via Frontier)，由用户对DICOM图像序列中的感兴趣区域(例如，心脏内发生病变的解剖结构、已安装医疗器械的解剖结构)进行初步标记；S108，基于经处理的DICOM图像序列，三维重建心脏解剖结构模型，以形成基于STL的3D模型，此外，在感兴趣区域是已安装医疗器械的解剖结构的情况下，在三维重建心脏解剖结构模型的同时，对医疗器械进行三维重建，以构建医疗器械模型，另外，在三维重建心脏解剖结构模型期间，可以利用计算机辅助方式(例如，Unigraohix NX,Siemens PLM Software)对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸，并且去除诸如图像不全或边界不清楚的边界区域等缺陷区域，从而使3D模型对于后续的3D打印处理更加平滑并且机械上更加稳定；S110，基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体，例如，通过特定的材料(诸如，HU值接近对比增强的心肌组织的丙烯酸酯聚合物，或者运动和变形特征接近真实心肌组织的材料)进行打印，并采用适当的3D打印技术(例如，材料喷射)，此外，利用3D打印技术，对心脏模体中对应于不同的解剖结构(例如，CCTA自胸廓入口至心脏膈面扫描所涵盖的部位，解剖结构包括但不限于：心肌、心腔、主动脉根、冠状动脉、心室腔、心房腔、瓣膜、静脉)的部位以及心脏模体中对应于发生病变的解剖结构的部位和/或对应于已安装医疗器械的解剖结构的部位采用不同的打印材料，使得心脏模体中的每个部位的HU值与对应的解剖结构的HU值彼此接近。

图2示出了根据本发明的一个实施例的心脏模体的制作方法的示意图。如图2中所示，心脏模体的制作方法包括以下：在S202，可以通过相应的CT扫描条件从典型的心脏病患者检查中获取重建的DICOM图像序列作为心脏模型建立的输入；S204，可以通过计算机辅助方式(例如：3D Printing，Syngo.via Frontier)处理DICOM图像系列，以生成3D打印模型(例如，STL文件)用于进行进一步的打印处理，如S204中的箭头A所指示的阴影区域，可以通过计算机辅助方式，由用户对DICOM图像序列中的感兴趣区域(例如，心脏内发生病变的解剖结构、已安装医疗器械的解剖结构)进行初步标记；S206，基于经处理的DICOM图像序列，三维重建心脏解剖结构模型，以生成基于STL的3D模型；S208，可以通过计算机辅助方式(例如Unigraohix NX，Siemens PLM Software)进一步完善和重新设计基于STL的3D模型，诸如去除诸如图像不全或边界不清楚的边界区域等缺陷区域，从而使3D模型对于后续的3D打印处理更加平滑并且机械上更加稳定，此外，可以利用计算机辅助方式(例如，UnigraohixNX,Siemens PLM Software)对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸(例如，可以由用户输入精确的位置参数和尺寸参数)；S210，基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体，例如，通过特定的材料(诸如，HU值接近对比增强的心肌组织的丙烯酸酯聚合物，或者运动和变形特征接近真实心肌组织的材料)进行打印，并采用适当的3D打印技术(例如，材料喷射)，此外，利用3D打印技术，对心脏模体中对应于不同的解剖结构(例如，CCTA自胸廓入口至心脏膈面扫描所涵盖的部位，解剖结构包括但不限于：心肌、心腔、主动脉根、冠状动脉、心室腔、心房腔、瓣膜、静脉)的部位以及心脏模体中对应于发生病变的解剖结构的部位和/或对应于已安装医疗器械的解剖结构的部位采用不同的打印材料，使得心脏模体中的每个部位的HU值与对应的解剖结构的HU值彼此接近。

图3示出了根据本发明的一个实施例的冠状动脉模体的制作方法的示意图。与图2示出的心脏模体的制作方法类似，冠状动脉模体的制作方法包括以下：在302，可以通过相应的CT扫描条件从典型的心脏病患者检查中获取重建的DICOM图像序列作为冠状动脉模型建立的输入；S304，可以通过计算机辅助方式(例如：3D Printing，Syngo.via Front ier)处理DICOM图像系列，以生成3D打印模型(例如，STL)用于进行进一步的打印处理，如S304中的箭头B所指示的区域，可以通过计算机辅助方式，由用户对DICOM图像序列中的感兴趣区域(例如，发生诸如狭窄，斑块等病变的冠状动脉结构、已安装支架等医疗器械的冠状动脉结构)进行初步标记；S306，基于经处理的DICOM图像序列，三维重建冠状动脉解剖结构模型，以生成基于STL的3D模型，此外，在感兴趣区域是已安装医疗器械的解剖结构的情况下，在三维重建心脏解剖结构模型的同时，对医疗器械进行三维重建，以构建医疗器械模型；S308，可以通过计算机辅助方式(例如Unigraohix NX，Siemens PLM Software)进一步完善和重新设计基于STL的3D模型，诸如去除诸如图像不全或边界不清楚的边界区域等缺陷区域，从而使3D模型对于后续的3D打印处理更加平滑并且机械上更加稳定，此外，可以利用计算机辅助方式(例如，Unigraohix NX,Siemens PLM Software)对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸(例如，可以由用户输入精确的位置参数和尺寸参数)；S310，基于冠状动脉解剖结构模型，打印冠状动脉模体，例如，通过特定的材料(诸如，HU值接近碘吸收情况的Agilus30和Vero混合物，或者运动和变形特征接近冠状动脉的材料)进行打印，并采用适当的3D打印技术(例如，材料喷射)，此外，利用3D打印技术，冠状动脉模体可以是具有模拟病变和造影剂的实心结构，也可以是空心结构以用于进一步的病变插入，此外，在感兴趣区域是已安装医疗器械的解剖结构的情况下，基于冠状动脉解剖结构模型和医疗器械模型，利用3D打印技术，对冠状动脉模体中对应于发生病变的解剖结构的部位和/或对应于已安装医疗器械的解剖结构的部位采用不同的打印材料打印附带有医疗器械模体的冠状动脉模体。可替换地，代替基于医疗器械模型打印医疗器械模体并将其附接至冠状动脉模体，可以将医疗器械实体直接附接至冠状动脉模体。通过图3所示的冠状动脉模体的制作方法所制造的冠状动脉模体可以附着在通过图2所示的心脏模体的制作方法所制造的心脏模体上，从而使其整体具有以下功能：1)与真实心脏相似性的多向运动和变形性；2)施加造影剂的成像行为；3)扩展的冠状动脉结构，可进行全面图像质量评估。

图4示出了根据本发明的一个实施例的制作心脏模体的装置的示意框图。如图4所示，制作心脏模体的装置包括：数据获取单元402，被配置为获取人的心脏影像数据；重建单元404，被配置为基于心脏影像数据，三维重建心脏解剖结构模型，其中，重建单元404包括初步标记部404-2和精细标记部404-4，其中，初步标记部被配置为对心脏影像数据中的感兴趣区域进行初步标记，精细标记部被配置为在三维重建心脏解剖结构模型期间，对初步标记的感兴趣区域进行精细处理，以进一步确定感兴趣区域的位置和尺寸；打印单元406，被配置为基于心脏解剖结构模型，打印心脏模体。

在此，以最优选的方式实施了本发明，提供了用于冠脉CT造影成像性能评估的全功能高强度心脏模体的需求问题。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1)如同真实心脏的多向运动和变形相似性；

2)施加造影剂的成像行为；

3)扩展的冠状动脉结构，以进行全面图像质量评估；

4)模体可以通过超高保真结构(例如，支架，狭窄)灵活地扩展和完善，模体可以作为标准模体用于临床前评估心脏成像的冠脉CT造影系统性能和检查策略有效性；

5)不限于心脏模体，只要准备好高分辨率断层图像，并且确定了打印材料和技术，该3D打印构造处理就可以应用于任何期望的结构/器官，而且，其目的不仅限于模体成像评估(例如，教育指导)

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。