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该方法演示了基于体素的3D打印工作流程，该工作流程直接从具有精确空间保真度和空间/对比度分辨率的医学图像进行打印。这样就可以通过与辐射密度相关的形态复杂分级材料精确、分级地控制材料分布，而不会丢失或改变数据。
由于当前建模范式在准确性，质量和效率方面的根本限制，用于术前规划的3D打印的大多数应用仅限于骨骼结构和复杂器官的简单形态描述。这在很大程度上忽略了对大多数外科专业至关重要的软组织，在这些软组织中，物体的内部很重要，解剖学边界逐渐过渡。因此，生物医学行业复制人体组织的需求，显示出多种组织尺度和不同的材料分布，需要新的表示形式。
这里介绍的是一种直接从医学图像创建3D模型的新技术，该技术在空间和对比度分辨率方面优于当前的3D建模方法，并且包含以前无法实现的空间保真度和软组织分化。还介绍了对新型增材制造复合材料的经验测量，这些复合材料跨越了通过MRI和CT在软生物组织中看到的材料刚度范围。这些独特的体积设计和印刷方法允许对材料刚度和颜色进行确定性和连续调整。这种能力使增材制造在术前规划中的全新应用成为可能:机械现实主义。作为对提供外观匹配的现有模型的自然补充，这些新模型还允许医疗专业人员"感受"组织模拟剂的空间变化材料特性 - 这是触觉感觉起关键作用的领域的关键补充。
目前，外科医生研究许多离散的2D（2D）成像方式，显示不同的数据，以计划对3D患者的手术。此外，在2D屏幕上查看此数据并不能完全传达所收集数据的全部范围。随着成像模式数量的增加，从表现出多种组织规模的不同模式合成更多数据的能力，需要新形式的数字和物理表示来压缩和整理信息，以实现更有效和高效的手术计划。
3D 打印的患者专用模型已成为手术计划的新诊断工具，已被证明可以减少手术时间和手术并发症1。然而，由于3D打印的标准立体光刻（STL）方法，该过程非常耗时，该方法显示可见的数据丢失，并将打印对象呈现为固体，均匀和各向同性材料。因此，用于手术计划的3D打印仅限于骨结构和复杂器官的简单形态描述2。这种限制是工业革命的产品和需求所引导的过时的制造范式的结果，其中制造的物体由其外部边界完全描述3。然而，生物医学行业需要复制人体组织，其中显示了多种组织尺度和不同的材料分布，需要新的表示形式来表示整个体积的变化，这些变化逐点变化。
为了解决这个问题，开发了一种3D可视化和建模技术（图1），并结合了一种新颖的增材制造工艺，可以更好地控制超高分辨率树脂的混合和沉积。这种方法称为位图打印，通过直接从医学图像进行3D打印来复制人体解剖结构，其空间保真度和空间/对比度分辨率接近15μm的高级成像技术。这使得复制形态复杂软组织中的变异所需的精确和渐进的控制成为可能，而不会丢失或改变来自诊断源图像的数据。
注:3D切片机医疗图像计算软件4 （见 材料表）用于第1至3节中完成的工作。
1. 数据输入
2. 操作
注意:如果解剖结构足够复杂，以至于在修改 体积属性后存在周围组织和无关数据，则需要进行掩蔽步骤。
3. 切片
注意:此过程绕过传统的 3D 打印方法，将切片文件直接发送到 3D 打印而不是 STL 网格文件。在以下步骤中，将从卷渲染创建切片。 位图生成器 模块是一个自定义构建的扩展。这可以从 扩展管理器下载。
4. 抖动
注:Adobe Photoshop（参见 材质表）用于第 4 部分中完成的工作。
5. 体素打印
注:Stratasys GrabCAD5 用于第5节中完成的工作。
如图 2 和图 3 所示，一个积极的结果将是步骤 1.2.5 或 2.1.1.4 中定义的体积呈现的直接转换。最终模型应在大小、形状和颜色上与体积渲染在视觉上匹配。在此过程中，有许多步骤可能会发生错误，这些步骤将影响上面列出的一个或多个属性。
如图 4所示，与打印模型的均匀缩放相关的问题可能是成像，计算机硬件和/或默认软件设置的结果。医院使用各种技术从一系列可能的扫描仪生成和渲染图像。由于此方法直接从源图像工作，源图像可以公开通常未使用的元数据，因此熟悉映像工作流的细微差别非常重要。当"转换"烘焙到元数据中时，可能会出现比例问题，这可以人为地调整图层高度和旋转。
缩放问题也可能是计算机显示器大小的结果。Slicerfab 的某些版本已设置为对卷渲染进行切片，并将生成的 PNG 保存为活动屏幕的大小。在这些版本的 Slicerfab 中，大于监视器的图像将被截断。最后，当更新将默认值修改为图像导入分辨率时，Photoshop 中的各种更新都会导致缩放问题。当默认值设置为 600 DPI 以外的任何值时，图像将不会保持医学图像计算软件生成的相同比例的图像。它们将导致 X-Y 尺寸失真，而模型的 z 高度将保持正确。
在医疗图像计算软件中使用不透明度时，可能会导致与不规则形状和意外几何形状相关的问题。" 音量属性 "选项卡包含修改颜色和不透明度通道的功能。当不透明度通道设置为低于 50% 时，渲染算法会生成用户难以感知的可视化效果，尤其是周围的复杂结构。这可能导致在此过程中解析其他数据，并可能导致不需要的数据被3D打印。
与颜色相关的问题可能是由图像编辑软件和打印软件中的软件图形和用户错误引起的。医学图像计算软件有许多选择来调整体积渲染。尽管当前版本的 Slicerfab 具有硬编码的渲染设置，但仍然可以进行修改。激活光影设置以及 GPU 渲染设置可能会产生意外且不可重复的结果。最后，从步骤4.1.2.3开始的抖动步骤可能会影响颜色，这取决于颜色合成的选项，这取决于打印机中可用基材的数量和相对浓度。
"局部感知"抖动算法试图从"颜色选取器"中定义的可用颜色中产生源颜色的视觉近似值。修改基材的数量和颜色将修改打印模型的色相和颜色精度。此外，如果将透明用作基材，如图 5所示，则围绕表面和次表面光散射的问题通常会导致从数字渲染到打印模型的不忠实的色彩转换6。
图 1:流程图。请单击此处查看此图的大图。
图 2:体素数字到物理颜色抖动。 （A）通过将解剖结构的密度范围划分为2，4和10种颜色来显示心脏模型的横截面。（B）调用每个模型的一部分的放大，显示单个像素，这些像素将在3D打印过程中被加工成材料的液滴。（C）这里显示的是使用体素技术的横截面3D打印模型，演示了从图像到模型的转换。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 3:体素代表性结果。 两个模型显示成功方法的代表性结果。（A）患有透明细胞癌的成人的横断面肾脏模型。右侧的肿瘤已被切除，以显示肾脏和肿瘤之间的界面。这使得外科医生能够更好地了解肿瘤的形态及其与要避免的关键元素的关系。（B）显示组织密度变化的切片心脏模型。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 4:体素刻度问题。 同一模型的两个图像显示缩放问题的结果。（A）肾脏的横截面图像。X-Y分辨率按比例显示，但为肾脏预期产品（B）轮廓视图的50%。从源数据来看，X 分辨率保持准确，并生成一个在 X 方向上拉伸的模型。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 5:潜在问题。 两个不同模型的两张图像演示了使用半透明材料的清晰度问题。（A） 此模型显示模型内由打印机用"支撑"材料填充的封闭空隙的结果。在这个模型中，有意创造了空隙，以产生光学特性的变化。（B）此模型显示了深入模型的开放空隙。空隙是曲折的，使得抛光表面的标准后处理技术变得不可能。由此产生的光学失真使模型无法用于临床应用。 请点击此处查看此图的放大版本。
图 6:体素处理工作流程和图像质量比较。 根据输入的 DICOM 数据，（A） 创建一个掩模以隔离感兴趣区域并将其重建为 3D 体积渲染，（B） 从中分析直方图以解析强度值的范围。激活基于体素的体积渲染的形状通道，以可视化生成的屏蔽 DICOM 的形式。通过查找表修改基于体素的体积渲染的材质通道，该查找表将颜色映射到指定的强度范围 （C）。体积渲染被切片为全彩色 PNG 文件，以达到打印机所需的约束和分辨率 （D）。每个PNG切片都抖动到制造医疗数据所需的材料描述中。（E） 生成的彩色复合 PNG 将发送到打印机。（F） 高分辨率数据集与低分辨率数据集的比较的可视化（G），使用相同的技术来证明对最高质量的源数据的需求。 请点击此处查看此图的放大版本。
N.J.是科罗拉多大学摄政大学提交的专利申请的作者，该申请描述了与本工作中描述的方法（申请号:US16/375，132;出版物编号US20200316868A1;2019年4月4日提交;发布于2020年10月8日）。所有其他作者都声明他们没有竞争利益。
该方法演示了基于体素的3D打印工作流程，该工作流程直接从具有精确空间保真度和空间/对比度分辨率的医学图像进行打印。这样就可以通过与辐射密度相关的形态复杂分级材料精确、分级地控制材料分布，而不会丢失或改变数据。
我们感谢 AB Nexus 和科罗拉多州慷慨支持我们对体素打印的科学研究，以进行术前规划。我们感谢L. Browne，N. Stence和S. Sheridan提供本研究中使用的数据集。这项研究由AB Nexus Grant和科罗拉多州先进工业资助资助。
| 3D 切片器图像计算平台 | Slicer.org | 版本 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D 打印机 | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
