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....
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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 DI....
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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.
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重印与许可
