面向3D打印的骨肿瘤仿生多孔一体化修复假体设计关键技术研究

Bone metastasis occurs in nearly all patients with cancers, whereas the customization of the implant on full body arbitrary bone remains a challenging problem which needs substantial domain knowledge and user input. The difficulty lies in the randomness of bone tumor incidence area. To approach this problem, we aim to develop an integrated bone tumor implant design system. Our research mainly includes the following three steps: First, the 3D CT volumetric images are decomposed into super-voxels by using semantic clustering algorithm. To improve bone segmentation performance, we are to design a volumetric semantic segmentation model based on machine learning. The segmented voxels will be reconstructed into mesh model by using non-rigid deformation mapping algorithm. Next, we plan to study generating optimal bone scaffolds with adaptive porosity and pore inter-connectivity based on spatial tessellation and harmonic distance field. Finally, customized implant will be designed according to the relative spatial relationship between adjacent and pathological bone structures. On this basis, 3D printable integrated implant with porous scaffold can be designed accurately and efficiently. As a consequence, the outcome of this project would decrease the expertise requirement and improve the efficiency for the design of bone tumor repair scheme.

骨肿瘤修复具有高度的定制化特性，而目前对骨肿瘤修复方案的设计仍具有较高的知识复杂度和经验依赖性，因此研发形成面向3D打印的个性化仿生骨肿瘤修复系统，是骨肿瘤修复领域亟需解决的痛点。本项目拟从系统性的角度对骨肿瘤修复过程中所涉及的关键技术进行深入研究，首先采用语义聚类的方法对CT影像序列进行超体素划分，结合SVM和条件随机场构建机器学习分割方法，并设计基于非刚体变形映射逼近的骨骼表面模型重建方法；基于最优化空间剖分和调和距离场，研究设计孔隙率、连通性可调的骨骼多孔支架结构生成方法；依据邻近骨、肿瘤骨对应的空间位置约束关系，设计修复假体的生成架构，并结合支架结构设计，最终生成面向3D打印的仿生多孔一体化修复假体。本项目的实施将会解决骨肿瘤修复方案的算法理论设计和性能要求之间的一些基础科学和工程应用问题，降低骨肿瘤修复方案设计时的知识复杂度、提高效率，具有重要的研究和经济价值。

骨肿瘤修复具有高度的定制化特性，而目前对骨肿瘤修复方案的设计仍具有较高的知识复杂度和经验依赖性，因此研发形成面向3D打印的个性化仿生骨肿瘤修复系统，是骨肿瘤修复领域亟需解决的痛点。本项目从系统性的角度对骨肿瘤修复过程中所涉及的关键技术进行深入研究，实现了基于视觉超球面映射的CT骨骼三维水密表面模型生成算法和系统性的骨肿瘤修复方案设计方法。首先，采用窄阈值区间提取骨骼对应的欠采样顶点数据，设计基于视觉超球面映射的骨骼表面采样点提取算，对表面采样点进行曲面重建生成封闭的初始骨骼三维表面模型。其次，采用宽阈值区间再次提取骨骼对应的完整体采样点数据，设计符合骨骼生理医学特性的变形逼近算法，将初始骨骼三维表面模型变形调整逼近至骨骼实际表面附近，从而得到准确的目标骨骼三维表面模型。重建算法能有效解决对CT图像进行三维重建时出现的孔洞、冗余结构、阶梯状伪影等问题，为手术方案设计提供更准确的骨骼三维水密表面模型。将修复方案的设计主要划分为：病变区切除后的形态复原、人工关节设计、骨修复体内部仿生结构设计。构建了统一的投影变形算法，实现对骨缺失区域的形态复原和人工关节塑形。设计了大小可调的蜂窝结构和孔隙率可调的孔隙支架结构两种仿生结构生成算法。所提骨修复方案设计方法可扩展应用至其他类型的骨肿瘤修复方案设计上，只需在对关节约束生成时选择相应的标准关节模型即可，能大大提高骨修复方案设计的准确性和效率，在临床应用上有较大的使用价值。