[发明专利]一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析系统

说明书

本发明公开了一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析系统，是由脊柱二维图像预处理模块、脊柱三维模型重建模块、参数化癌转移脊柱模型重建模块、脊柱运动分析模块组成；本发明基于医学影像图像，可以重建人体脊柱3D实体模型；充分集成肿瘤形状、肿瘤数量、肿瘤尺寸、肿瘤方位等参数，建立参数化的癌转移脊柱3D模型；结合运动载荷分析，进行癌转移脊柱生物力学评估及椎骨失效机制的研究探索。本发明支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW、STL、PLY等在内的多种格式文件的批量导入，同时也提供STL、PLY、IGES等3D模型数据的导出，与常规有限元软件交互性良好，真正意义上实现了对癌转移人体脊柱的精细、多参数、一体化的模型重建与分析。

技术领域

本发明涉及脊柱生物力学领域，特别涉及一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析系统。

背景技术

脊柱转移癌是指原发于骨外的其他恶性肿瘤，通过血液循环、淋巴循环或直接扩散等途径转移到脊柱并继续生长，形成继发性的肿瘤病灶。转移癌破坏脊柱骨质，造成椎节塌陷及脊髓神经受压，进而导致顽固性疼痛、骨髓衰竭、病理性骨折、截瘫等并发症，严重影响患者生活质量和生存期。脊柱转移癌的发病率远高于原发性恶性脊柱肿瘤，具有较高的致残率和死亡率，严重危害人类健康。

国内脊柱转移癌研究起步较晚，对于该病的预后无论是临床还是基础研究都缺乏丰富的经验，尤其是脊柱生物力学及椎骨失效机制等基础理论的不足，导致术中术后严重并发症的发生。目前，临床中只能依靠医生的个人经验和主观判断进行脊柱转移癌预后评估，对于手术时机和方案的选择一直颇有争议且未形成一致的标准。因此，亟需开展癌转移人体脊柱的生物力学模型的研究，明晰肿瘤参数对椎骨失效的影响机制。鉴于临床脊柱实验生物力学的局限性，近年来，研究人员开始将具有可替代性、可重复性和可控性等优点的有限元分析法引入到脊柱的研究中。

2011年，西安电子科技大学的鱼滨、代俊、王莹在专利发明CN 102208117A中发明了脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，通过对三维重建后的医学CT图像进行特征点定位和标记，获得每个脊椎样本的形状矩阵，采用最近点迭代算法和主成分分析法对形状矩阵进行对齐、配准及训练，从而建立脊椎的几何形态统计模型。2012年，中南大学湘雅医院的张宏其和谢一方在专利发明CN 102743158 A中发明了一种脊柱数字化重建方法及系统，以患者的骨盆投射角的基础，通过计算和绘图重建稳定的脊柱—骨盆矢状面平衡，以指导脊柱矫形手术。2015年，天津市医学堂科技有限公司的秦志超、黄鹏和张磊在专利发明CN 105448155 A中发明了脊柱内镜虚拟训练系统，通过仿真模型、手术器械、传感系统和服务器，模拟临床真实手术场景。这些专利都对脊柱的三维高精度建模、定位及模拟提供了新的技术与方法，但均未可考虑肿瘤大小、肿瘤数量、肿瘤形状、肿瘤空间方位等参数建立癌转移人体脊柱模型，也未对参数化癌转移人体脊柱模型进行生物力学分析。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，而提供一种参数化癌转移人体脊柱模型重建与分析系统，本发明与常规有限元软件交互性良好，真正意义上实现了对癌转移人体脊柱的精细、多参数、一体化的模型重建与分析。

本发明是由脊柱二维图像预处理模块、脊柱三维模型重建模块、参数化癌转移脊柱模型重建模块、脊柱运动分析模块组成。所述的脊柱二维图像预处理模块支持包括DICOM、IMO、IMG、TIFF、JPEG、BMP、RAW等在内的多种格式文件的批量导入及批量图像预处理；所述的脊柱三维模型重建模块包括面三维重建、体三维重建、脊柱三维模型人机交互模块及脊柱三维模型导出模块；所述的参数化癌转移脊柱模型重建模块包括脊柱3D模型导入、肿瘤设置模块、分区网格划分、3D肿瘤脊柱模型导出模块；脊柱运动分析模块包括参数化癌转移脊柱3D模型导入、载荷作用模块及运动分析模块。

所述的批量图像预处理集成了多种图像滤波、图像增强、图像插值、图像分割及边缘检测方法，来提高系统的适用性和灵活性。