PL247185B1

PL247185B1 - How to make a medical model of the eye socket

Info

Publication number: PL247185B1
Application number: PL445597A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz BUDZIK; Grzegorz Budzik; Paweł Turek; Łukasz Przeszłowski; Tomasz Dziubek
Original assignee: Politechnika Rzeszowska Im Ignacego Lukasiewicza
Priority date: 2023-07-17
Filing date: 2023-07-17
Publication date: 2025-05-26
Also published as: PL445597A1

Abstract

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, w którym prowadzona jest tomografia komputerowa części twarzoczaszki z oczodołem, a następnie sporządzany jest obraz 2D, po czym prowadzona jest segmentacja struktury i kolejno uzyskiwany jest obraz trójwymiarowy, który następnie przesyłany jest do drukarki 3D, po czym wytwarzany jest trójwymiarowy model medyczny oczodołu, prowadzony jest tak, że warstwa obrazowania tomograficznego jest o grubości co najwyżej 1 mm. Podczas sporządzania obrazu 2D prowadzi się ponowne próbkowanie danych DICOM, przy czym w tym celu wykorzystuje się sąsiedztwo czterech pikseli i ocenia się odcień ich szarości. Następnie na bazie tej oceny odcieni szarości tworzy się dodatkowe piksele w ich obrębie. Podczas prowadzenia segmentacji struktury w pierwszej kolejności na przeformatowanych danych DICOM zaznacza się, poprzez wybór pikseli o zadanym stopniu szarości, pierwszy obszar definiujący strukturę kostną oczodołu oraz drugi obszar definiujący obszar otaczający tę strukturę kostną oczodołu. Przestrzeń obu obszarów dzieli się na serię sześcianów, z których każdy obejmuje co najmniej jeden woksel, po czym sprawdza się węzły poszczególnych sześcianów pod względem zdefiniowanej izowartości, którą ustala się jako średnią arytmetyczną odcieni szarości pikseli definiujących geometrię struktury kostnej oczodołu. Następnie na podstawie izowartości przechodzącej pomiędzy węzłami poszczególnych sześcianów w miejsce tych sześcianów wstawia się wielokąty odpowiadające danej izowartości, przy czym uzyskuje się pierwszy model środkowej części twarzoczaszki wraz z trójwymiarowym modelem oczodołu, po czym zapisuje się go, a następnie tworzy się drugi model odbicia lustrzanego części zdrowej oczodołu na jego część uszkodzoną, przy czym w tym celu podaje się wartość liczbową określającą dokładność dopasowania obu modeli i iteracyjnie generuje się nowe współrzędne położenia oraz orientacji drugiego modelu. Jeśli wartość określająca dokładność dopasowania modelu jest większa niż zadana, czynność generowania położenia oraz orientacji drugiego modelu powtarza się, zaś jeśli jest ona mniejsza czynność generowania położenia oraz orientacji drugiego modelu zakańcza się. Pierwszy model i drugi model są dopasowane do siebie. Następnie wzdłuż krawędzi uszkodzenia prowadzi się główną krzywą typu splajn, po czym od tej głównej krzywej tworzy się dwie dodatkowe krzywe, po czym z trzech punktów na powierzchni oczodołu tworzy się płaszczyznę, na którą rzutuje się główną krzywą i dodatkowe krzywe, po czym obszar na płaszczyźnie utworzony przez te trzy krzywe przybliża się parametryczną powierzchnią i na jej podstawie wykonuje się wyciągnięcie o wielkości co najwyżej 2 mm w kierunku, w którym wyciągnięcie przecina się z obszarem geometrii dna oczodołu drugiego modelu odbicia lustrzanego. Na drugim modelu wykonuje się nacięcie obrazujące zakres uszkodzenia, a następnie powstały ostateczny model medyczny zapisuje się i za pomocą techniki przyrostowej wykonuje się jego wydruk.A method of producing a medical model of an eye socket, in which a computed tomography scan of a part of the facial skeleton with the eye socket is conducted, and then a 2D image is prepared, after which the structure is segmented and a three-dimensional image is subsequently obtained, which is then sent to a 3D printer, after which a three-dimensional medical model of the eye socket is produced, is conducted so that the tomographic imaging layer is at most 1 mm thick. During the preparation of the 2D image, DICOM data is resampled, whereby the vicinity of four pixels is used for this purpose and their grey tone is assessed. Then, on the basis of this assessment of the grey tone, additional pixels are created within them. During the segmentation of the structure, first, a first area defining the bony structure of the eye socket and a second area defining the area surrounding this bony structure of the eye socket are marked on the reformatted DICOM data by selecting pixels with a given grey tone. The space of both areas is divided into a series of cubes, each of which includes at least one voxel, and then the nodes of the individual cubes are checked for a defined isovalue, which is determined as the arithmetic mean of the grayscale shades of the pixels defining the geometry of the bony structure of the orbit. Then, based on the isovalue passing between the nodes of the individual cubes, polygons corresponding to the given isovalue are inserted in place of these cubes, whereby the first model of the middle part of the facial skeleton is obtained together with a three-dimensional model of the orbit, then it is saved, and then a second model of the mirror image of the healthy part of the orbit is created on its damaged part, whereby for this purpose a numerical value is given defining the accuracy of the fit of both models and new coordinates of the position and orientation of the second model are iteratively generated. If the value defining the accuracy of the fit of the model is greater than the specified one, the activity of generating the position and orientation of the second model is repeated, and if it is smaller, the activity of generating the position and orientation of the second model is terminated. The first model and the second model are matched to each other. Then, a main spline curve is drawn along the edge of the lesion, and then two additional curves are created from this main curve, and then a plane is created from three points on the orbital surface onto which the main curve and additional curves are projected, and then the area on the plane formed by these three curves is approximated by a parametric surface and an extrusion of at most 2 mm is made on its basis in the direction in which the extrusion intersects with the area of the orbital floor geometry of the second mirror image model. An incision is made on the second model to illustrate the extent of the lesion, and then the final medical model is saved and printed using an additive technique.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykonywania modelu medycznego oczodołu.The subject of the invention is a method of making a medical model of an eye socket.

Uszkodzenia kości oczodołu to jedne z najczęściej występujących urazów w chirurgii twarzoczaszki. Istnieją trzy różne rodzaje złamań oczodołu. Najczęściej występującym jest złamanie wieloodłamowe, w którym gałka oczna zapada się do zatoki szczękowej. Inne typy złamań związane są natomiast ze złamaniem i zakleszczeniem tkanek okołogałkowych w przemieszczonych odłamkach kostnych oraz złamania z zakleszczeniem tkanek miękkich oczodołu w szczelinie nieprzemieszczonego złamania. Ważnym jest, że ubytki dna oczodołu to następstwo złamań typu blow-out oraz oczodołowo-jarzmowych. Gdy dojdzie do przerwania ciągłości dna oczodołu, może wystąpić przepuklina bądź zakleszczenie tkanek około gałkowych, których objawami są zwłaszcza ograniczona ruchomość gałki ocznej i zaburzone unerwienie czuciowe. Rekonstrukcja oczodołu po jego uszkodzeniu pozwala przywrócić dobrą czynność narządu wzroku oraz odtworzyć estetykę twarzy, której brak może doprowadzić do zaburzeń na tle psychologiczno-emocjonalnym. Proces ten może opierać się na przeszczepach struktur kostnych z wyrostka dziobatego żuchwy, ściany przedniej zatoki szczękowej lub kości żeber. Zabieg ten jest jednak bardzo czasochłonny, a jakość dopasowania przeszczepu do ubytku oczodołu pozostaje niska.Orbital bone injuries are one of the most common injuries in craniofacial surgery. There are three different types of orbital fractures. The most common is a comminuted fracture, in which the eyeball collapses into the maxillary sinus. Other types of fractures are associated with fracture and entrapment of the periocular tissues in displaced bone fragments and fractures with entrapment of the soft tissues of the orbit in the gap of an undisplaced fracture. It is important that orbital floor defects are a consequence of blow-out and orbitozgomatic fractures. When the continuity of the orbital floor is disrupted, hernia or entrapment of the periocular tissues may occur, the symptoms of which are primarily limited mobility of the eyeball and impaired sensory innervation. Reconstruction of the orbit after its damage allows to restore good function of the organ of vision and to recreate the aesthetics of the face, the lack of which can lead to psychological and emotional disorders. This process may be based on bone grafts from the coronoid process of the mandible, the anterior wall of the maxillary sinus or rib bones. However, this procedure is very time-consuming, and the quality of the graft's fit to the orbital defect remains low.

W ostatnich latach coraz większą rolę w procesach wsparcia chirurgów podczas przygotowywania oraz wykonywania zabiegów odgrywają modele wykonane technikami przyrostowymi. Zaprojektowanie oraz wykonanie modeli struktur anatomicznych, implantów lub narzędzi do formowania w obrębie obszaru oczodołu jest jednak skomplikowane. Potrzeba odpowiedniej wiedzy oraz umiejętności zarówno z zakresu medycyny, jak również nauk technicznych, które pozwolą na opracowanie niezbędnych narzędzi, które usprawnią przeprowadzenie zabiegu chirurgicznego. Zastosowanie takich rozwiązań jest często niezbędne i pozwala na lepsze przygotowanie chirurga do zabiegu oraz na zwiększenie precyzji wykonywania operacji. Doprowadza to często do skrócenia czasu znieczulenia ogólnego, zmniejszenia ilości utraty krwi podczas zabiegu oraz zminimalizowania komplikacji śródoperacyjnych. Zaprojektowanie przy użyciu systemów RE - Reverse Engineering RE oraz CAD - Computer Aided Design trójwymiarowego modelu oczodołu umożliwia, w wirtualnej przestrzeni, dopasowanie kształtu oraz grubości implantu pod kątem konkretnego pacjenta, co sprzyja później lepszemu wgajaniu się wszczepu. Jednak problemy mogą pojawić się przed procesem projektowania implantu, które wynikają z konieczności poprawnego odtworzenia struktury anatomicznej dna oczodołu, co ponadto utrudnione jest grubością kości dna oczodołu, która wynosi od 0,74 do 1,50 mm. Z uwagi na skomplikowanie procesu odtwarzania struktury anatomicznej oczodołu, najczęściej stosuje się tradycyjne siatki tytanowe lub kompozytowe, które stanowią obecnie najbardziej bezpieczne oraz ekonomiczne rozwiązanie. Zdarza się, że na bazie uzyskanych na podstawie tomografii danych DICOM pojawiają się trudności z całościowym procesem segmentacji oraz rekonstrukcji geometrii dna oczodołu. Dodatkowy wpływ na jakość odtworzenia geometrii oczodołu ma wystąpienie szumów powstałych w wyniku obecności innych implantów w obrębie oczodołu. Czynniki te wpływają znacznie na wydłużenie czasu projektowania implantów. Ponadto długi czas wytwarzania gotowego implantu, determinuje ostatecznie wysokie koszty samej procedury. Na zaprojektowanym oraz wykonanym gotowym implancie nie jest możliwa ponadto późniejsza zmiana jego kształtu oraz wymiarów bezpośrednio podczas zabiegu chirurgicznego. Jeśli z powodu błędów powstałych podczas rekonstrukcji geometrii, uformowana w systemie CAD geometria implantu nie będzie w pełni odzwierciedlała stanu rzeczywistego, może to doprowadzić do odstąpienia od procesu implantacji. Z tego powodu nadal stosowane są bardziej bezpieczne oraz ekonomiczne rozwiązania w postaci siatek tytanowych lub kompozytowych, które doginane są najczęściej do wydrukowanego modelu anatomicznego. W razie wystąpienia problemów podczas zabiegu chirurgicznego, możliwe jest dalsze korygowanie rozmiarów oraz kształtów implantów, co jest jednak czasochłonne. W przypadku diagnostyki środkowego obszaru twarzoczaszki, przyjmuje się standardowy protokół skanowania, który wykonany jest w trybie spiralnym z zastosowaniem wielorzędowego tomografu komputerowego. Pozyskane dane charakteryzują się jednak niezbyt wysoką rozdzielczością przestrzenną oraz charakteryzują się zazwyczaj anizotropową strukturą woksela. Na podstawie tych danych można zaobserwować braki informacji na temat geometrii dna oczodołu na obrazie 2D, co potem powielane jest podczas rekonstrukcji geometrii do modelu trójwymiarowego. Dodatkowo krawędzie struktur na obrazie 2D nie są ciągłe, lecz bardziej postrzępione, przez wzgląd na wystąpienie artefaktu schodkowego stair-step artifacts, co w konsekwencji utrudnia przypisanie danego piksela do konkretnej maski segmentacji. Tym samym anizotropowa struktura woksela wpływa ostatecznie na dokładność wymiarowokształtową oraz objętość rekonstruowanej geometrii struktury anatomicznej.In recent years, models made using additive techniques have been playing an increasingly important role in the support processes for surgeons during the preparation and performance of procedures. However, designing and making models of anatomical structures, implants or tools for shaping in the orbital area is complicated. The need for appropriate knowledge and skills in both medicine and technical sciences, which will allow for the development of the necessary tools that will improve the performance of the surgical procedure. The use of such solutions is often necessary and allows for better preparation of the surgeon for the procedure and for increased precision of the operation. This often leads to a shorter time of general anesthesia, a reduction in the amount of blood loss during the procedure and minimization of intraoperative complications. Designing a three-dimensional model of the orbit using the RE - Reverse Engineering RE and CAD - Computer Aided Design systems allows, in virtual space, the adjustment of the shape and thickness of the implant to a specific patient, which later promotes better implant healing. However, problems may arise before the implant design process, which result from the need to correctly recreate the anatomical structure of the orbital floor, which is furthermore made difficult by the thickness of the orbital floor bone, which ranges from 0.74 to 1.50 mm. Due to the complexity of the process of reproducing the anatomical structure of the orbit, traditional titanium or composite meshes are most often used, which are currently the safest and most economical solution. Sometimes, on the basis of DICOM data obtained from tomography, difficulties arise with the overall process of segmentation and reconstruction of the geometry of the orbital floor. An additional impact on the quality of orbital geometry reproduction is the occurrence of noise resulting from the presence of other implants in the orbit. These factors significantly extend the time of implant design. In addition, the long time of manufacturing the finished implant ultimately determines the high costs of the procedure itself. Furthermore, it is not possible to change its shape and dimensions on a designed and manufactured finished implant directly during the surgical procedure. If, due to errors during geometry reconstruction, the implant geometry formed in the CAD system does not fully reflect the actual state, this may lead to the implantation process being abandoned. For this reason, safer and more economical solutions are still used in the form of titanium or composite meshes, which are most often bent to the printed anatomical model. In the event of problems during the surgical procedure, it is possible to further correct the size and shape of the implants, which is, however, time-consuming. In the case of diagnostics of the central facial region, a standard scanning protocol is adopted, which is performed in spiral mode using a multi-row computed tomography scanner. However, the acquired data is characterized by a not very high spatial resolution and is usually characterized by an anisotropic voxel structure. Based on this data, it is possible to observe the lack of information on the geometry of the orbital floor in the 2D image, which is then replicated during the reconstruction of the geometry into a three-dimensional model. In addition, the edges of structures in a 2D image are not continuous but rather more jagged due to the occurrence of stair-step artifacts, which consequently makes it difficult to assign a given pixel to a specific segmentation mask. Thus, the anisotropic structure of a voxel ultimately affects the dimensional-shape accuracy and volume of the reconstructed anatomical structure geometry.

Z opisu patentowego PL239300B1 znany jest sposób wytwarzania modeli anatomicznych, który obejmuje przeprowadzenie tomografii komputerowej, a następnie sporządzenie obrazu 2D w wyniku rekonstrukcji pierwotnej, po czym przeprowadzenie obróbki cyfrowej poprzez cyfrową filtrację oraz dalej segmentację struktury, a następnie w wyniku renderingu powierzchniowego uzyskiwanie obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej, który przesyłany jest następnie do drukarki 3D, po czym przeprowadzany jest dobór materiału i parametrów procesu i dalej wytwarzany jest model trójwymiarowy struktury anatomicznej, przy czym podczas cyfrowej filtracji obrazu 2D usuwa się szumy. Następnie zwiększa się rozdzielczość przestrzenną obrazu prowadząc interpolację i uzyskując obraz interpolowany, który poddaje się cyfrowej filtracji wyostrzającej granice pomiędzy strukturą kostną a tkanką miękką uzyskując obraz przetworzony, na którym prowadzi się lokalne progowanie. Następnie poddaje się obszarowej segmentacji wyodrębniając struktury kostne, które łączy się cyfrowo, a następnie obrazuje się trójwymiarowy model struktury anatomicznej, który poddaje się edycji powierzchni fasetkowej i generuje się obraz trójwymiarowy modelu struktury anatomicznej o podwyższonej dokładności. Po przesłaniu tego obrazu trójwymiarowego modelu struktury anatomicznej do drukarki 3D usuwa się z niego wtrącenia powstałe podczas segmentacji.From the patent description PL239300B1 a method of producing anatomical models is known, which includes conducting a computer tomography and then preparing a 2D image as a result of the primary reconstruction, then performing digital processing through digital filtering and further segmentation of the structure, and then as a result of surface rendering obtaining a three-dimensional image of the anatomical structure model, which is then sent to a 3D printer, after which the material and process parameters are selected and further a three-dimensional model of the anatomical structure is produced, whereby during digital filtering of the 2D image noise is removed. Then the spatial resolution of the image is increased by conducting interpolation and obtaining an interpolated image, which is subjected to digital filtering sharpening the boundaries between the bone structure and the soft tissue, obtaining a processed image on which local thresholding is performed. Then, the area segmentation is subjected to isolating the bone structures, which are digitally connected, and then a three-dimensional model of the anatomical structure is imaged, which is subjected to facet surface editing and a three-dimensional image of the anatomical structure model with increased accuracy is generated. Once this image of the 3D model of the anatomical structure is sent to a 3D printer, the inclusions created during segmentation are removed.

W opisie patentowym PL242932B1 został natomiast ujawniony sposób wytwarzania modelu do zastosowań medycznych, w którym w pierwszym etapie projektowana jest geometria modułów, przy czym w tym celu prowadzi się tomografię komputerową obiektu, którego model jest wykonywany, a następnie prowadzi się rekonstrukcję pierwotną i sporządza się jego obraz 2D, po czym prowadzi się rendering powierzchniowy i uzyskuje się obszar trójwymiarowy modelu. W drugim etapie, za pomocą druku 3D lub metodami ubytkowymi wykonuje się moduły modelu odpowiadające tkankom twardym, nowotworowym lub implantom, przy czym na co najmniej jednym boku modułu modelu wykonuje się co najmniej jedną wypustkę lub co najmniej jedno gniazdo na wypustkę. W trzecim etapie moduły modelu łączy się ze sobą pasowaniem ciasnym oraz na co najmniej jednym module modelu wykonuje się powłokę odpowiadającą tkankom miękkim. Celem odtworzenia tkanek miękkich modelowanego modelu, co najmniej jeden moduł zalewa się silikonem i pozostawia się go do zakończenia sieciowania silikonu.In the patent description PL242932B1 a method of manufacturing a model for medical applications was disclosed, in which in the first stage the geometry of modules is designed, wherein for this purpose a computer tomography of the object of which the model is made is carried out, then a primary reconstruction is carried out and its 2D image is prepared, after which surface rendering is carried out and a three-dimensional area of the model is obtained. In the second stage, using 3D printing or subtractive methods, model modules corresponding to hard tissues, tumor tissues or implants are made, wherein at least one protrusion or at least one socket for the protrusion is made on at least one side of the model module. In the third stage, the model modules are connected to each other by a tight fit and a coating corresponding to soft tissues is made on at least one model module. In order to reconstruct the soft tissues of the modeled model, at least one module is filled with silicone and left until the silicone cross-linking is completed.

Obecnie poszukiwane są nowe sposoby wykonywania modeli medycznych oczodołu, które z jednej strony pozwolą na usprawnienie procedury modelowania oraz podwyższenie dokładności rekonstrukcji geometrii dna oczodołu, a jednocześnie pozwolą na oszacowanie wielkości obszaru uszkodzenia oraz uformowanie kształtu geometrii implantu.Currently, new methods of making medical models of the orbit are being sought, which, on the one hand, will allow for the improvement of the modeling procedure and increase the accuracy of the reconstruction of the geometry of the orbital floor, and at the same time will allow for the estimation of the size of the damage area and the formation of the shape of the implant geometry.

Celem wynalazku jest opracowanie nowego sposobu wykonywania modelu medycznego oczodołu, który będzie wykorzystywał techniki przyrostowe, a jednocześnie pozwoli na skrócenie czasu oraz zmniejszenie kosztów całej procedury implantacji.The aim of the invention is to develop a new method of making a medical model of the eye socket, which will use additive techniques and at the same time will allow for shortening the time and reducing the costs of the entire implantation procedure.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu w którym prowadzona jest tomografia komputerowa części twarzoczaszki z oczodołem, a następnie sporządzany jest obraz 2D, po czym prowadzona jest segmentacja struktury i kolejno uzyskiwany jest obraz trójwymiarowym, który następnie przesyłany jest do drukarki 3D, po czym wytwarzany jest trójwymiarowy model medyczny oczodołu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że warstwa obrazowania tomograficznego jest o grubości co najwyżej 1 mm, zaś podczas sporządzania obrazu 2D prowadzi się ponowne próbkowanie danych DICOM, przy czym w tym celu wykorzystuje się sąsiedztwo czterech pikseli i ocenia się odcień ich szarości, a następnie na bazie tej oceny odcieni szarości tworzy się dodatkowe piksele w ich obrębie, a następnie podczas prowadzenia segmentacji struktury w pierwszej kolejności na przeformatowanych danych DICOM zaznacza się, poprzez wybór pikseli o zadanym stopniu szarości, pierwszy obszar definiujący strukturę kostną oczodołu oraz drugi obszar definiujący obszar otaczający tę strukturę kostną oczodołu, po czym przestrzeń obu obszarów dzieli się na serię sześcianów, z których każdy obejmuje co najmniej jeden woksel, po czym sprawdza się węzły poszczególnych sześcianów pod względem zdefiniowanej izowartości, którą ustala się jako średnią arytmetyczną odcieni szarości pikseli definiujących geometrię struktury kostnej oczodołu, a następnie na podstawie izowartości przechodzącej pomiędzy węzłami poszczególnych sześcianów w miejsce tych sześcianów wstawia się wielokąty odpowiadające danej izowartości, przy czym uzyskuje się pierwszy model środkowej części twarzoczaszki wraz z trójwymiarowym modelem oczodołu, po czym zapisuje się go, a następnie tworzy się drugi model odbicia lustrzanego części zdrowej oczodołu na jego część uszkodzoną, przy czym w tym celu podaje się wartość liczbową określającą dokładność dopasowania obu modeli i iteracyjnie generuje się nowe współrzędne położenia oraz orientacji drugiego modelu, przy czym jeśli wartość określająca dokładność dopasowania modelu jest większa niż zadana, czynność generowania położenia oraz orientacji drugiego modelu powtarza się - zaś jeśli jest ona mniejsza czynność generowania położenia oraz orientacji drugiego modelu zakańcza się, po czym pierwszy model i drugi model są dopasowane do siebie, a następnie wzdłuż krawędzi uszkodzenia prowadzi się główną krzywą typu splajn, po czym od tej głównej krzywej tworzy się dwie dodatkowe krzywe, a następnie z trzech punktów na powierzchni oczodołu tworzy się płaszczyznę, na którą rzutuje się główną krzywą i dodatkowe krzywe, po czym obszar na płaszczyźnie utworzony przez te trzy krzywe przybliża się parametryczną powierzchnią i na jej podstawie wykonuje się wyciągnięcie o wielkości co najwyżej 2 mm w kierunku w którym wyciągnięcie przecina się z obszarem geometrii dna oczodołu drugiego modelu odbicia lustrzanego, po czym na drugim modelu wykonuje się nacięcie obrazujące zakres uszkodzenia, a następnie powstały ostateczny model medyczny zapisuje się i za pomocą techniki przyrostowej wykonuje się jego wydruk.A method of producing a medical model of the eye socket in which a computed tomography scan of the facial skeleton with the eye socket is conducted, and then a 2D image is prepared, after which the structure is segmented and a three-dimensional image is subsequently obtained, which is then sent to a 3D printer, after which a three-dimensional medical model of the eye socket is produced, according to the invention is characterized in that the tomographic imaging layer is at most 1 mm thick, and during the preparation of the 2D image, the DICOM data is resampled, whereby for this purpose the vicinity of four pixels is used and their grey tone is assessed, and then on the basis of this assessment of the grey tone, additional pixels are created within them, and then during the segmentation of the structure, first of all, the reformatted DICOM data are marked, by selecting pixels with a given grey tone, with a first area defining the bony structure of the eye socket and a second area defining the area surrounding this bony structure of the eye socket, after which the space of both areas is divided into a series of cubes, each of which includes at least one cube, and then the space of both areas is divided into a series of cubes, each of which includes at least one cube, and then the space of the two ... voxel, after which the nodes of the individual cubes are checked in terms of the defined isovalue, which is determined as the arithmetic mean of the grayscale shades of the pixels defining the geometry of the bone structure of the orbit, and then, on the basis of the isovalue passing between the nodes of the individual cubes, polygons corresponding to the given isovalue are inserted in place of these cubes, whereby the first model of the central part of the facial skeleton is obtained together with a three-dimensional model of the orbit, after which it is saved, and then a second model of the mirror image of the healthy part of the orbit onto its damaged part is created, whereby for this purpose a numerical value is given defining the accuracy of the fit of both models and new coordinates of the position and orientation of the second model are iteratively generated, whereby if the value defining the accuracy of the fit of the model is greater than the specified one, the activity of generating the position and orientation of the second model is repeated - and if it is smaller, the activity of generating the position and orientation of the second model is terminated, after which the first model and the second model are fitted to each other, and then a main curve of the type is drawn along the edge of the damage spline, then two additional curves are created from this main curve, then a plane is created from three points on the orbital surface onto which the main curve and the additional curves are projected, then the area on the plane formed by these three curves is approximated by a parametric surface and on its basis an extrusion of at most 2 mm is made in the direction in which the extrusion intersects with the area of the orbital floor geometry of the second mirror image model, then an incision is made on the second model to illustrate the extent of the damage, and then the resulting final medical model is saved and printed using an additive technique.

Korzystnie warstwa obrazowania tomograficznego jest od 0,6 do 0,8 mm, zaś w przypadku występowania w obrębie obszaru oczodołu artefaktów metalicznych, przed segmentacją, struktury dane DICOM obrabia się tak, że zmienia się progi widoczności pikseli na obrazie 2D, a ponadto w miejsce sześcianów jako wielokąty odpowiadające danej izowartości wstawia się wielokąty o ilości kątów od trzech do sześciu.Preferably, the tomographic imaging layer is from 0.6 to 0.8 mm, and in the case of the occurrence of metallic artifacts within the eye socket area, before segmentation of the structure, the DICOM data are processed in such a way that the visibility thresholds of pixels in the 2D image are changed, and moreover, instead of cubes as polygons corresponding to a given isovalue, polygons with the number of angles from three to six are inserted.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeżeli wartość liczbową określającą dokładność dopasowania obu modeli stosuje się o wielkości od 0,01 do 0,001 mm, zaś dodatkowe krzywe od głównej krzywej odsuwa się symetrycznie w obu kierunkach o odległość co najmniej 0,5 mm.Further benefits are obtained if the numerical value defining the accuracy of fit of both models is used to be between 0.01 and 0.001 mm and the additional curves are offset symmetrically from the main curve in both directions by a distance of at least 0.5 mm.

Nowy sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, umożliwia wytwarzanie modeli medycznych oczodołów, które mogą być wykorzystane jako pojedyncze szablony chirurgiczne co skraca czas wykonywania zabiegów, obniża ich koszty i pozwala na dokładne dopasowanie implantu do uszkodzenia. Wykonanie modelu pozwala również na oszacowanie wielkości obszaru uszkodzenia.The new method of producing a medical model of the eye socket, according to the invention, enables the production of medical models of eye sockets that can be used as single surgical templates, which shortens the time of performing the procedures, reduces their costs and allows for precise adjustment of the implant to the damage. The production of the model also allows for estimating the size of the damage area.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy model środkowej części twarzoczaszki wraz z trójwymiarowym modelem oczodołu w widoku z przodu, fig. 2 - drugi model odbicia lustrzanego części zdrowej oczodołu na jego część uszkodzoną w widoku z przodu, natomiast fig. 3 - ostateczny model medyczny obrazujący obszar uszkodzenia oraz umożliwiający uformowanie geometrii implantu w widoku z przodu.The subject of the invention, in the embodiment examples, is presented in the drawing, in which Fig. 1 shows the first model of the middle part of the facial skeleton together with a three-dimensional model of the eye socket in a front view, Fig. 2 - the second model of the mirror reflection of the healthy part of the eye socket on its damaged part in a front view, and Fig. 3 - the final medical model illustrating the damaged area and enabling the formation of the implant geometry in a front view.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, w pierwszym przykładzie realizacji prowadzi się tak, że wykonuje się tomografię komputerową części twarzoczaszki wraz z oczodołem, przy czym warstwa obrazowania tomograficznego ma grubość 0,6 mm. Następnie sporządza się obraz 2D, przy czym podczas sporządzania tego obrazu prowadzi się ponowne próbkowanie danych DICOM, które ma na celu podwyższenie rozdzielczości przestrzennej w obrębie środkowego obszaru twarzoczaszki. W tym celu wykorzystuje się sąsiedztwo czterech pikseli i ocenia się odcień ich szarości, po czym na bazie tej oceny tworzy się dodatkowe piksele w ich obrębie, co częściowo pozwala na odtworzenie informacji utraconych na etapie digitalizacji oraz bardzo dobrze równoważy rozmycie obrazu z efektem postrzępionych krawędzi. Ponadto taki algorytm pozwala na zminimalizowanie wpływu artefaktu schodkowego na obrazach 2D, a tym samym po przeprowadzonym procesie obróbki cyfrowej danych DICOM uzyskuje się ciągłość geometryczną krawędzi C0 lub C1. Następnie prowadzi się segmentację struktury podczas której, w pierwszej kolejności, na przeformatowanych danych DICOM zaznacza się, poprzez wybór pikseli o zadanym stopniu szarości, pierwszy obszar definiujący strukturę kostną oczodołu oraz drugi obszar definiujący obszar otaczający tę strukturą kostną oczodołu. W tym celu zaznacza się dwa oddzielne obszary poprzez wybór pikseli o zadanym stopniu szarości. Zaznaczone obszary stanowią dane wejściowe dla algorytmu, który swoje działania opiera na prostym drzewie decyzyjnym, po czym poprzez działanie algorytmu klasyfikuje się za pomocą grupy drzew decyzyjnych, a końcowe decyzje podejmowane są w wyniku głosowania większościowego nad klasami wskazanymi przez poszczególne drzewa decyzyjne. Efektem finalnym jest binaryzacja całego obrazu 2D na dwa obszary - pierwszy obszar definiujący strukturę kostną oczodołu oraz drugi obszar definiujący obszar otaczający tę strukturą kostną oczodołu. Przestrzeń obu obszarów dzieli się następnie na sześciany, z których każdy obejmuje co najmniej jeden woksel, po czym sprawdza się węzły poszczególnych sześcianów pod względem zdefiniowanej izowartości. Na podstawie izowartości przechodzącej pomiędzy węzłami poszczególnych sześcianów, w miejsce tych sześcianów wstawia się wielokąty odpowiadające danej izowartości. Izowartość ustala się jako średnią arytmetyczna odcieni szarości pikseli definiujących geometrię struktury kostnej oczodołu. Istnieje 15 głównych przypadków kombinacji orientacji wielokątów w przestrzeni trójwymiarowej, które składają się od trzech kątów, w przypadku trójkąta do sześciu kątów, w przypadku sześciokąta. W ten sposób uzyskuje się pierwszy model środkowej części twarzoczaszki wraz z trójwymiarowym modelem oczodołu, który następnie zapisuje się w formacie .stl. Kolejno tworzy się drugi model odbicia lustrzanego części zdrowej oczodołu na jego część uszkodzoną. Ponieważ ciało człowieka nie jest symetryczne, odbicie lustrzane nie pozwala na dokładne dopasowanie się obu modeli do siebie, dlatego stosuje się algorytm, który jest procesem iteracyjnym wykorzystującym warunek minimalizowania kwadratu odległości między dwoma dopasowującymi się modelami. W tym celu podaje się wartość liczbową wynoszącą 0,001 mm, określającą dokładność dopasowania obu modeli do siebie i iteracyjnie generuje się nowe współrzędne położenia oraz orientacji drugiego modelu. Jeśli wartość określająca dokładność dopasowania modelu jest większa niż zadana, czynność generowania drugiego modelu powtarza się, jeśli natomiast jest ona mniejsza, czynność generowania położenia oraz orientacji drugiego modelu zakańcza się i zapisuje się go w formacie .stl. Pierwszy model i drugi model są do siebie dopasowane. Następnie wzdłuż krawędzi miejsca obrazującego uszkodzenie oczodołu prowadzi się główną krzywą typu splajn, od której prowadzi się, symetrycznie w obu kierunkach, w odległości 0,5 mm, dwie dodatkowe krzywe, przy czym z trzech punktów na powierzchni oczodołu tworzy się płaszczyznę, na którą rzutuje się główną krzywą i dodatkowe krzywe. Powstały na płaszczyźnie obszar, który utworzony jest przez te trzy krzywe, przybliża się parametryczną powierzchnią i na jej podstawie wykonuje się wyciągnięcie o wielkości 2 mm, w kierunku, w którym przecina się ono z obszarem geometrii dna oczodołu drugiego modelu. Kolejno na drugim modelu wykonuje się nacięcie obrazujące zakres uszkodzenia, po czym powstały ostateczny model zapisuje się i przesyła się go do drukarki 3D i wykonuje się wydruk modelu trójwymiarowego oczodołu z uszkodzeniem. Powstały model medyczny obrazuje zakres uszkodzenia oraz geometrię do której formuje się kształt siatki tytanowej lub kompozytowej. Obwiednia nacięcia modelu, pokazanego na fig. 3, obrazująca obszar uszkodzenia w trzech miejscach nie jest przecięta na całej grubości ścianki modelu medycznego oczodołu, dzięki czemu podczas wydruku powierzchnia wewnątrz zarysu nie zapada się. Model medyczny tworzy jedną całość i odwzorowuje geometrię dna oczodołu z zakresem uszkodzenia. Parametry wydruku, przy wykorzystaniu procesu przyrostowego Materiał Extrusion MEX, określane są w sposób indywidualny w zależności od użytego materiału modelowego - polimeru termoplastycznego. Do głównych parametrów wydruku należą: temperatura przetłaczania materiału termoplastycznego temperatura ekstruzji, wysokość warstwy nakładanej - z uwagi na zmniejszenie efektu schodkowania, prędkości wydruku poszczególnych obszarów przekroju poprzecznego, gęstości oraz rodzaj wypełnienia, ilość obrysów - szczelnych, pełnych warstw rozpoczynających i kończących, temperatura platformy roboczej lub komory roboczej, określenie struktury podporowej - tak, aby model pozostał we wskazanym miejscu, jak również żeby nie uległ deformacji podczas procesu w miejscach nawisów. Parametry określane są przez operatora urządzenia przyrostowego, zwłaszcza na podstawie zaleceń producenta urządzenia oraz materiału termoplastycznego.The method of producing a medical model of the eye socket, according to the invention, in the first embodiment example is carried out in such a way that a computer tomography of a part of the facial skeleton together with the eye socket is performed, wherein the tomographic imaging layer has a thickness of 0.6 mm. Then a 2D image is prepared, wherein during the preparation of this image the DICOM data is resampled, which is aimed at increasing the spatial resolution within the central area of the facial skeleton. For this purpose, the vicinity of four pixels is used and their gray shade is assessed, after which additional pixels are created within them on the basis of this assessment, which partially allows for the reconstruction of information lost at the digitization stage and very well balances the blurring of the image with the effect of jagged edges. Moreover, such an algorithm allows for minimizing the influence of the step artifact on 2D images, and thus after the digital processing of DICOM data, geometric continuity of the C0 or C1 edge is obtained. Then, the structure is segmented during which, first, on the reformatted DICOM data, the first area defining the bony structure of the orbit and the second area defining the area surrounding this bony structure of the orbit are marked by selecting pixels with a given gray level. For this purpose, two separate areas are marked by selecting pixels with a given gray level. The marked areas constitute input data for the algorithm, which bases its operations on a simple decision tree, then through the operation of the algorithm, they are classified using a group of decision trees, and the final decisions are made as a result of majority voting on the classes indicated by the individual decision trees. The final effect is the binarization of the entire 2D image into two areas - the first area defining the bony structure of the orbit and the second area defining the area surrounding this bony structure of the orbit. The space of both areas is then divided into cubes, each of which includes at least one voxel, after which the nodes of the individual cubes are checked in terms of the defined isovalue. Based on the isovalue passing between the nodes of individual cubes, polygons corresponding to a given isovalue are inserted in place of these cubes. The isovalue is determined as the arithmetic mean of the grayscale of the pixels defining the geometry of the bony structure of the orbit. There are 15 main cases of combinations of polygon orientations in three-dimensional space, which consist of three angles, in the case of a triangle, to six angles, in the case of a hexagon. In this way, the first model of the middle part of the facial skeleton is obtained together with a three-dimensional model of the orbit, which is then saved in the .stl format. Next, a second model is created, a mirror image of the healthy part of the orbit on its damaged part. Since the human body is not symmetrical, the mirror image does not allow for an exact adjustment of both models to each other, therefore an algorithm is used, which is an iterative process using the condition of minimizing the square of the distance between two matching models. For this purpose, a numerical value of 0.001 mm is given, defining the accuracy of matching both models to each other, and new coordinates of the position and orientation of the second model are iteratively generated. If the value defining the accuracy of matching the model is greater than the specified one, the operation of generating the second model is repeated, if it is smaller, the operation of generating the position and orientation of the second model is terminated and it is saved in the .stl format. The first model and the second model are matched to each other. Then, along the edge of the place depicting the damage to the orbit, a main spline curve is drawn, from which two additional curves are drawn, symmetrically in both directions, at a distance of 0.5 mm, whereby a plane is created from three points on the surface of the orbit, onto which the main curve and additional curves are projected. The area created on the plane, which is formed by these three curves, is approximated by a parametric surface, and on its basis, an extrusion of 2 mm is made, in the direction in which it intersects with the area of the geometry of the orbital floor of the second model. Then, a cut is made on the second model, showing the extent of the damage, after which the final model is saved and sent to a 3D printer, and a three-dimensional model of the damaged orbit is printed. The resulting medical model shows the extent of the damage and the geometry to which the shape of the titanium or composite mesh is formed. The envelope of the model cut, shown in Fig. 3, showing the area of damage in three places, is not cut through the entire thickness of the wall of the medical model of the orbit, so that the surface inside the outline does not collapse during printing. The medical model forms one whole and reproduces the geometry of the bottom of the orbit with the extent of the damage. The printing parameters, using the additive process Material Extrusion MEX, are determined individually depending on the model material used - a thermoplastic polymer. The main printing parameters include: thermoplastic material extrusion temperature, applied layer height - due to the reduction of the stepping effect, printing speed of individual cross-section areas, density and type of filling, number of outlines - tight, full starting and ending layers, temperature of the build platform or build chamber, determination of the support structure - so that the model remains in the indicated place, as well as so that it does not deform during the process in the places of overhangs. The parameters are determined by the operator of the additive device, especially based on the recommendations of the device manufacturer and the thermoplastic material.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, w drugim przykładzie realizacji taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że w obrębie oczodołu jest artefakt metaliczny, przez co przed segmentacją struktury dane DICOM obrabia się tak, że zmienia się progi widoczności pikseli na obrazie 2D, co pozwala na lepsze uwidocznienie struktur znajdujących się w obrębie obszaru wystąpienia implantu, a warstwa obrazowania tomograficznego ma grubość 0,7 mm, zaś wyciągnięcie na podstawie parametrycznej powierzchni wykonuje się o wielkości 1,5 mm.A method of manufacturing a medical model of an eye socket, according to the invention, in the second embodiment as in the first example, except that there is a metallic artifact in the eye socket, whereby before segmenting the structure, the DICOM data is processed in such a way that the visibility thresholds of pixels in the 2D image are changed, which allows for better visibility of structures located within the area where the implant occurs, and the tomographic imaging layer is 0.7 mm thick, and the extrusion based on the parametric surface is made to be 1.5 mm in size.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, w trzecim przykładzie realizacji, taki jak w przykładzie drugim z tym, że wyciągnięcie na podstawie sprecyzowanej powierzchni wykonuje się o wielkości 2 mm.A method for manufacturing a medical model of an eye socket according to the invention, in a third embodiment, the same as in the second example, except that the extrusion based on the specified surface is made to a size of 2 mm.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, w czwartym przykładzie realizacji taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że warstwa obrazowania tomograficznego ma grubość 0,8 mm, zaś wyciągnięcie na podstawie parametrycznej powierzchni wykonuje się o wielkości 1 mm, a ponadto wartość liczbową określającą dokładność dopasowania obu modeli do siebie stosuje się o wielkości 0,001 mm.A method of manufacturing a medical model of an eye socket, according to the invention, in the fourth embodiment example as in the first example, except that the tomographic imaging layer has a thickness of 0.8 mm, and the extrusion based on the parametric surface is made to a size of 1 mm, and furthermore the numerical value defining the accuracy of matching both models to each other is used to a size of 0.001 mm.

Sposób wytwarzania modelu medycznego oczodołu, według wynalazku, w piątym przykładzie realizacji taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że warstwa obrazowania tomograficznego ma grubość 1 mm, zaś dodatkowe krzywe od głównej krzywej prowadzi się w odległości 0,6 mm, a ponadto wartość liczbową określającą dokładność dopasowania obu modeli do siebie stosuje się o wielkości 0,0015 mm.A method of manufacturing a medical model of an eye socket, according to the invention, in the fifth embodiment as in the first example, except that the tomographic imaging layer has a thickness of 1 mm, and additional curves are drawn at a distance of 0.6 mm from the main curve, and furthermore, the numerical value defining the accuracy of matching both models to each other is used of 0.0015 mm.

Claims

1. A method of producing a medical model of the eye socket in which a computed tomography scan of the facial skeleton with the eye socket is conducted, and then a 2D image is prepared, after which the structure is segmented and a three-dimensional image is subsequently obtained, which is then sent to a 3D printer, after which a three-dimensional medical model of the eye socket is produced, characterized in that the tomographic imaging layer is at most 1 mm thick, and during the preparation of the 2D image, DICOM data is resampled, wherein for this purpose the vicinity of four pixels is used and their grey tone is assessed, and then, on the basis of this assessment of the grey tone, additional pixels are created within them, and then, during the segmentation of the structure, first, the first area defining the bony structure of the eye socket and the second area defining the area surrounding this bony structure of the eye socket are marked on the reformatted DICOM data by selecting pixels with a given grey tone, and then the space of both areas is divided into a series of cubes, each of which includes at least one voxel, after which the nodes of the individual cubes are checked in terms of the defined isovalue, which is determined as the arithmetic mean of the grayscale shades of the pixels defining the geometry of the bone structure of the orbit, and then, on the basis of the isovalue passing between the nodes of the individual cubes, polygons corresponding to the given isovalue are inserted in place of these cubes, whereby the first model of the central part of the facial skeleton is obtained together with a three-dimensional model of the orbit, after which it is saved, and then a second model of the mirror image of the healthy part of the orbit onto its damaged part is created, whereby for this purpose a numerical value is given defining the accuracy of the fit of both models and new coordinates of the position and orientation of the second model are iteratively generated, whereby if the value defining the accuracy of the fit of the model is greater than the specified one, the activity of generating the position and orientation of the second model is repeated, and if it is smaller, the activity of generating the position and orientation of the second model is terminated, after which the first model and the second model are fitted to each other, and then a main curve of the type is drawn along the edge of the damage spline, then two additional curves are created from this main curve, then a plane is created from three points on the orbital surface onto which the main curve and the additional curves are projected, then the area on the plane formed by these three curves is approximated by a parametric surface and on its basis an extrusion of at most 2 mm is made in the direction in which the extrusion intersects with the area of the orbital floor geometry of the second mirror image model, then an incision is made on the second model to illustrate the extent of the damage, and then the resulting final medical model is saved and printed using an additive technique.

2. The method of claim 1, wherein the tomographic imaging layer is from 0.6 to 0.8 mm.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the case of the occurrence of metal artifacts within the eye socket region, before segmentation of the structure, the DICOM data are processed in such a way that the visibility thresholds of pixels in the 2D image are changed.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that instead of cubes, polygons having a number of angles from three to six are inserted as polygons corresponding to the given isovalue.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the numerical value defining the accuracy of fit of both models is from 0.01 to 0.001 mm.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the additional curves are offset symmetrically in both directions from the main curve by a distance of at least 0.5 mm.