该方法展示了一种基于体素的3D打印工作流程，可直接从医学影像进行打印，具有精确的空间保真度以及空间和对比度分辨率。这使得能够对形态复杂、梯度变化的材料实现精确且渐进的材料分布控制，且材料分布与放射密度相关，同时不丢失或改变原始数据。
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本文内容
摘要
摘要
由于当前建模范式在精度、质量和效率方面存在根本性局限，三维（3D）打印在术前规划中的大多数应用仅限于骨骼结构以及复杂器官的简单形态描述。这在很大程度上忽略了大多数外科专业中至关重要的软组织，而在这些领域中，物体内部结构具有重要意义，且解剖边界呈渐变过渡。因此，生物医学行业迫切需要复制具有多层次组织结构和不同材料分布特征的人体组织，这就要求采用新的表征形式。
本文介绍了一种直接从医学图像创建三维模型的新技术，该技术在空间分辨率和对比度分辨率方面优于现有的三维建模方法，并具有以往无法实现的空间保真度和软组织区分能力。同时，本文还提供了针对新型增材制造复合材料的实证测量数据，这些复合材料的力学刚度范围覆盖了从磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）中观察到的软生物组织的全部力学特性。这些独特的体素化设计与打印方法，可实现对材料刚度和颜色的确定性、连续性调节。这一能力为增材制造在术前规划中的应用开辟了全新方向：力学真实感。作为对现有仅提供外观匹配模型的自然补充，这些新模型还允许医疗专业人员“触感”到组织模拟物中空间变化的材料特性——这对于触觉感知起关键作用的领域而言是一项至关重要的进步。
引言
目前，外科医生需要研究大量离散的二维（2D）成像方式，这些成像方式呈现不同的数据，用于为三维（3D）患者制定手术规划。此外，在二维屏幕上查看这些数据无法充分传达所收集信息的全部范围。随着成像方式数量的增加，整合来自不同成像方式的更多数据（这些数据表现出多尺度的组织结构）的能力，迫切需要新的数字和物理呈现形式，以压缩和整理信息，从而实现更有效、更高效的手术规划。
3D打印的患者特异性模型作为一种新的诊断工具已应用于手术规划，并被证明可缩短手术时间并减少手术并发症1。然而，由于标准的立体光刻（STL）3D打印方法耗时较长，且存在明显的数据丢失，导致打印出的物体呈现为实心、均质和各向同性的材料，限制了其在手术规划中的应用。因此，3D打印在手术规划中的应用目前仅局限于骨骼结构以及复杂器官的简单形态描述2。这一局限性源于一种过时的制造范式，该范式由工业革命时期的产品和需求所主导，即制造物体仅由其外部边界完全定义3。然而，生物医学行业需要复制具有多尺度结构和不同材料分布特征的人体组织，这就要求采用新的表征形式，以反映整个体积内逐点变化的特性。
为解决这一问题，开发了一种三维可视化与建模技术（图1），并将其与一种新型增材制造工艺相结合，从而实现对树脂混合与沉积过程在超高清分辨率下的更精确控制。该方法称为位图打印，可通过直接从医学影像进行三维打印，以接近15 µm的空间保真度及空间/对比度分辨率——相当于先进成像技术的水平——来复制人体解剖结构。该技术能够在无数据丢失或诊断源图像信息改变的前提下，精确且梯度可控地复制形态复杂的软组织中的细微差异。
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方案
注意：第1至第3节中完成的工作使用了3D Slicer医学图像计算软件4（参见材料表）。
1. 数据输入
- 打开医学图像计算软件，点击 文件 按钮，从下拉菜单中选择 DICOM，并等待 DICOM 浏览器 窗口打开。
- 在 DICOM 浏览器 窗口中，选择 导入。等待 从目录导入 DICOM 文件 弹出窗口出现。
- 导航至 DICOM 文件序列，然后点击 导入 按钮。
- 确认所选的 DICOM 文件序列已加载到 DICOM 浏览器 中。确保数据已在以下类别中正确填充，并与目标检查匹配：患者、检查、序列和实例。
- 点击 高级 复选框以激活附加的元数据。选择所需的 序列编号，然后点击 检查 按钮。确保目标序列未显示任何警告信息。勾选所需 DICOM 数据 文件旁边的复选框，并点击 加载。
注：请选择分辨率最高、层厚最薄的图像，因为该方法可支持 15 µm 和 27 µm 的切片厚度打印。
- 点击 高级 复选框以激活附加的元数据。选择所需的 序列编号，然后点击 检查 按钮。确保目标序列未显示任何警告信息。勾选所需 DICOM 数据 文件旁边的复选框，并点击 加载。
- 进行体绘制时，当序列已加载至医学图像计算软件后，导航至 模块，并从下拉菜单中选择 体绘制模块。
- 在 体绘制 模块中，从 体数据 下拉菜单中选择序列名称，以激活图像序列并将数据转换为体素化体积。确保当前激活模块的名称与步骤 1.1.3.1 中选择的目标序列一致。
- 点击 体数据 下拉菜单旁的 眼睛图标，以在三维视图中显示所选体积。确保三维显示窗口已打开，并可见灰度三维图像。
- 接着，点击 高级 旁边的箭头以展开 高级工具。选择 体数据属性 选项卡，以打开用于调整体素模型颜色通道的一组控制选项。
- 进入 标量不透明度映射 菜单。在区域内左键单击以创建控制点，通过不透明度定义强度值。沿该标尺放置控制点，以可视化目标解剖结构。
注：控制点的左右位置对应图像强度值的范围，上下位置则对应不透明度。 - 进入 标量颜色映射 菜单。在区域内左键单击以创建控制点，并指定与强度值相关联的颜色。双击区域可打开 选择颜色 窗口，以修改颜色信息。
2. 操作步骤
注意：如果解剖结构足够复杂，以至于在对体数据属性进行调整后仍存在周围组织和无关数据，则必须进行掩膜处理步骤。
- 导航至 模块 并选择 分割编辑器 从下拉菜单中。确保 分割编辑器 工具栏出现。
- 导航至 分割 下拉并选择 创建新的分割作为. 为该分割输入一个自定义名称 重命名分割 弹出窗口并点击 好的.
- 导航至 主音量 下拉并选择活动卷，其名称将与 体积渲染接下来，单击 添加 下拉菜单正下方的按钮。确保在下方字段中创建片段容器。
- 导航至 效应工具 面板下方并选择 剪刀 工具。导航至 剪刀 菜单并选择 填充内部, 自由形式，以及 无限. 接着，将光标悬停在 3D窗口，右键单击并按住鼠标，在需要擦除的区域周围进行绘制。确保出现彩色条带，以显示已覆盖的范围。重复此操作，直至所有需要删除的区域均被覆盖。
注意：有 扩展应用，例如 分割编辑器附加效果，可下载至医学图像计算软件中，该软件包含用于创建此分割的工具。 - 接下来，选择 掩膜体积 工具从 效应 菜单。检查 选择内部 删除选中区域所覆盖的所有图像数据。接下来，将填充值修改为 -1000，该数值在亨氏单位（Hounsfield unit）尺度下等于空气或空腔。最后，点击应用并单击 眼球 旁边的 输出体积 以显示新的掩膜体积。
- 导航至 模块 并选择 体积渲染 从下拉菜单中。点击 眼球 紧邻活动区域以关闭可视化显示。
- 接下来，从下拉菜单中选择新创建的 掩蔽体积. 单击 眼球 以激活体积。
- 最后，导航至 输入 菜单并打开 性质 下拉菜单。选择 体积属性 在步骤1.2.5中创建。确保管中的体积 3D 视图 被遮蔽并进行颜色编码。
3. 切片
注意：此过程通过将切片文件直接发送至3D打印机，而非使用STL网格文件，从而绕过了传统的3D打印方法。在接下来的步骤中，将从体渲染生成切片。位图生成器模块是一个自定义构建的扩展程序，可通过扩展管理器下载。
- 进入模块，从下拉菜单中选择Slicerfab。确保页面中显示打印参数和输出参数菜单。
- 在打印机参数下拉菜单中，确保将X 分辨率设置为600 DPI，Y 分辨率设置为300 DPI。确保将层厚设置为27 µm。
- 接着，打开输出参数菜单，并根据需要调整最终模型的缩放比例。
- 最后，选择切片文件的保存位置，然后点击生成。
注意：此步骤可能需要数分钟才能完成。
4. 抖动
注意：第 4 节中完成的工作使用了 Adobe Photoshop（参见材料表）。
- 打开图像编辑软件，点击文件，然后从下拉菜单中选择打开。浏览到上一步生成的 PNG 文件序列中的第一个图像，然后点击打开按钮。
- 导航至窗口，从下拉菜单中选择动作。在动作面板中，点击新建动作，输入自定义名称，然后选择确定。确保记录按钮处于激活且为红色状态，以确认动作正在被记录。
- 图像加载完成后，依次选择图像 | 模式 | 索引颜色。在索引窗口的下拉菜单中选择局部感知，并将颜色数量设置为8。
- 在强制菜单中选择自定义。点击前两个色块，等待自定义颜色窗口弹出，然后选择自定义调色板。选择100% 品红，并确保C、Y和K均设置为0。
- 重复此过程，确保有两个色块分别设置为100% C、Y和K。
- 在选项菜单中，对于消除边缘杂色，从下拉菜单中选择自定义；对于抖动，选择扩散；对于数量，选择100%。最后点击确定。
- 返回到动作面板，点击方形按钮以停止记录。关闭当前窗口，并在弹出的保存更改对话框中点击否。
- 导航至文件 | 自动化 | 批处理。在弹出的批处理窗口中，进入动作下拉菜单，选择上一步创建的动作。接着，在源菜单下点击选择按钮，浏览至第 3.1.3 步导出的图像文件夹。在目标菜单下点击选择按钮，为新生成的文件指定目标文件夹位置，然后点击确定。
5. 体素打印
注意：第 5 节完成的工作使用了 Stratasys GrabCAD5。
- 打开打印软件，点击 Apps，然后从下拉菜单中选择 Launch Voxel Print Utility。
- 在 Slice Files' Prefix 文本框中输入 PNG 文件堆栈的前缀。接着点击 Select 按钮，浏览到存放 PNG 文件堆栈的文件夹，然后点击 OK。
- 在 Slice Range 下，确认 First Slice 和 Number of Slices 与所创建文件夹中的文件数量一致。
- 在 Slicing Parameters 下，确认 Sliced thickness (mm) 与步骤 3.1.1.1 中指定的设置一致，且 Slice width (pixels) 和 Slice height (pixels) 与 PNG 文件的宽度和高度一致。
- 在 Background Color 下，确保背景颜色与设定为不打印的背景颜色匹配。完成后，点击 Next 按钮。
- 在主机计算机的打印软件中，进入 Tools 页面下的 Material Mapping，从下拉菜单中选择要映射到对应颜色的材料，该颜色来源于 PNG 文件。对菜单中的每种颜色重复此操作。然后，在弹出窗口 Info Gcvf creation succeeded 中点击 Finish | OK。
- 在主机计算机的打印软件中，从下拉菜单点击 File | Import File，浏览至 Gcvf 文件 并点击 Load。在主界面中选择 Print。
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结果
如图2和 图3所示，阳性结果将是步骤1.2.5或2.1.1.4中定义的体绘制图像的直接转化。最终模型在大小、形状和颜色上应与体绘制图像在视觉上一致。在此过程中，存在多个可能出错的步骤，这些错误将影响上述列出的一个或多个特性。
如图4所示，打印模型在均匀缩放方面可能出现的问题，可能源于成像过程、计算机硬件和/或默认软件设置。医院采用多种技术，从不同类型的扫描仪中生成和渲染图像。由于本方法直接使用原始图像，可能暴露通常未被利用的元数据，因此熟悉成像工作流程中的细微差异至关重要。当“变换”参数被直接写入元数据时，可能导致层厚和旋转角度被人为调整，从而引发比例尺问题。
图像比例问题也可能由计算机显示器的尺寸引起。某些版本的 Slicerfab 被设置为对体渲染图像进行切片，并将生成的 PNG 图像保存为当前屏幕的大小。在这些...
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讨论
目前绝大多数（如果不是全部）数字建模工具所采用的表示框架最终生成的是STL文件格式8。然而，这种范式在试图表达更复杂、具有自然特性的材料的细粒度或层次化结构时，已被证明存在不足。随着多材料3D打印等新型增材制造技术的出现，现已能够制造出高度调控且高度优化的物体，其内部材料在整体体积中呈现出渐变过渡的特性。本文提出，基于体素（voxel）或位图的方法更适合于复杂材料的表达，并提供了一种从放射影像中转换放射密度和形态复杂性的技术。该工作流程的优势包括：i）在3D打印物体的多个尺度上，对材料分布实现精确且连续的控制；ii）能够将现有的2D图像处理技术扩展应用于3D体素场，从而在设计与工程领域开辟新的创造性途径，使物体的美学特征和材料组织能够被高度调制，以适应其结构性能需求。
该流程中的每一步都对获得精确的最终3D打印结果至关重要，容错空间极小。在整个过程中，有多处需要格外注意，并应进行检查以确保准确性。首先，为本方法选择合适的图像会直接影响最终3D打印模型的质量，如图6F
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披露
N.J. 是科罗拉多大学董事会提交的一项专利申请的发明人，该专利申请描述了与本研究中所述类似的方法（申请号：US16/375,132；公开号：US20200316868A1；申请日期：2019年4月4日；公开日期：2020年10月8日）。其余所有作者声明不存在任何竞争利益。
致谢
感谢AB Nexus和科罗拉多州对我们开展用于术前规划的体素打印科学研究提供的慷慨支持。感谢L. Browne、N. Stence和S. Sheridan为本研究提供所用的数据集。本研究由AB Nexus资助项目和科罗拉多州先进产业资助项目提供资金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D Slicer 图像计算平台 | Slicer.org | 版本 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D 打印机 | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
参考文献
- Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
- Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13(2020).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
- Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
- Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).
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重印与许可
