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  • 披露声明
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  • 材料
  • 参考文献
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摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

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研究方案

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

  1. 打开医学图像计算软件，单击下拉菜单中的" 文件 "按钮和 DICOM ，然后等待 "DICOM 浏览器" 窗口打开。
    1. 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。
    2. 导航到 DICOM 文件堆栈 ，然后单击" 导入 "按钮。
    3. 确保选定的 DICOM 文件堆栈已加载到 DICOM 浏览器中。确保数据已正确填充，并且与以下类别中的所需研究相匹配:患者、研究、系列和实例。
      1. 单击" 高级 "复选框以激活其他元数据。选择所需的 序列号， 然后单击" 检查 "按钮。确保所需的序列未显示警告。单击所需 DICOM 数据 文件旁边的复选框| 加载。
        注:选择具有最薄切片采集的最高分辨率图像，因为此方法能够以15μm和27μm切片厚度进行打印。
  2. 对于体积渲染，将序列加载到医学图像计算软件中后，导航到 模块 ，然后从下拉菜单中选择 体积渲染模块 。
    1. 在 "体积渲染 "模块中，从" 音量 "下拉菜单中选择序列的名称以激活图像堆栈并将数据转换为体素化卷。确保活动模块的名称与步骤 1.1.3.1 中选择的所需序列匹配。
    2. 单击"音量"下拉列表旁边的"眼球"图标以 3D 形式可视化所选体积。确保 3D 显示窗口处于打开状态，并且灰度 3D 制图表达可见。
    3. 接下来，单击" 高级 "旁边的箭头以打开 "高级工具"。选择" 体积属性 "选项卡以打开一组用于修改体素模型的颜色通道的控件。
    4. 导航到" 标量不透明度映射 "菜单。在字段中单击鼠标左键可创建强度值将由不透明度定义的点。沿此刻度放置点以可视化感兴趣的解剖结构。
      注: 点的左右位置与图像强度值的范围相关，上下位置表示不透明度。
    5. 导航到" 标量颜色映射 "菜单。在字段中单击鼠标左键可创建点并指定与强度值相关的颜色。在字段中双击以打开 "选择颜色" 窗口以修改颜色信息。

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。

  1. 导航到 模块 ，然后从下拉菜单中选择 区段编辑器 。确保显示 "区段编辑器 "工具栏。
    1. 导航到 "细分" 下拉列表，然后选择" 创建新细分为"。从重命名分段弹出窗口中键入分段的自定义名称 ， 然后单击 确定。
    2. 导航到" 主卷" 下拉列表，然后选择活动卷，该卷将与 "卷渲染"同名。接下来，单击下拉列表正下方的 添加 按钮。确保在下面的字段中创建了分段容器。
    3. 导航到下面的 效果工具 面板，然后选择 剪刀 工具。导航到 "剪刀 "菜单，然后选择" 内部填充"、" 自由格式"和" 无限制"。接下来，将鼠标悬停在 3D窗口上，右键单击并按住，同时在要擦除的区域周围绘制。确保出现彩色条带，显示已覆盖的内容。重复此过程，直到覆盖所有要删除的区域。
      注意:有 一些扩展程序（如 片段编辑器额外效果）可以下载到医学图像计算软件中，其中包含用于创建此细分的工具。
    4. 接下来，从"效果"菜单中选择"蒙版体积"工具。选中"选择内部"以删除区段涵盖的所有图像数据。接下来，将填充值修改为 -1000，这等于 Hounsfield 单位比例中的空气或空隙。最后，点击应用并单击"输出音量"旁边的眼球以显示新的蒙版音量。
      1. 导航到 "模块 "，然后从下拉菜单中选择" 体积渲染 "。单击活动音量旁边的 眼球 以关闭可视化效果。
      2. 接下来，从下拉菜单中选择新创建的 屏蔽卷。单击 眼球 以激活音量。
      3. 最后，导航到 "输入 法"菜单，然后打开 "属性" 下拉菜单。选择在步骤 1.2.5 中创建的 "卷属性" 。确保 3D 视图中 的体积已蒙版并进行了颜色编码。

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。

  1. 导航到 "模块"，从下拉列表中选择" Slicerfab "。确保" 打印参数" 和 "输出参数 "菜单存在。
    1. 在 "打印机参数" 下拉列表下，确保 X 分辨率 设置为 600 DPI ， Y 分辨率 设置为 300 DPI。确保 将层厚度 设置为 27 μm。
    2. 接下来，打开 "输出参数 "菜单，并根据需要修改最终模型的比例。
    3. 最后，选择要保存的切片的文件位置，然后单击 生成。
      注意:此步骤可能需要几分钟才能完成。

4. 抖动

注:Adobe Photoshop（参见 材质表）用于第 4 部分中完成的工作。

  1. 打开图像编辑软件，然后单击 文件 ，然后从下拉菜单中选择 打开 。导航到在上一步中创建的 PNG 文件堆栈的第一个图像，然后单击" 打开 "按钮。
  2. 导航到 "窗口" ，然后从下拉菜单中选择 "操作 "。在 "操作" 菜单中，单击" 新建操作"，输入自定义名称，然后选择" 确定"。通过检查"录制"按钮是否处于活动状态和红色来确保正在 录制 操作。
    1. 加载图像后，导航到 图像|模式|索引颜色。在" 索引 "窗口中，从下拉菜单" 本地感知 "中进行选择，并将颜色数指定为 8。
    2. 在" 强制 "菜单中，选择" 自定义"。单击前两个方块，等待 "自定义颜色" 窗口弹出，然后选择一个自定义调色板。选择 100% 洋红色 ，并确保 C、 Y 和 K 设置为 0。
      1. 重复此过程，并确保有两个正方形专用于 100% C、 Y 和 K。
    3. 在 "选项" 菜单中，对于 "遮罩"，请从下拉菜单中选择" 自定义 "。对于 抖动，选择 扩散，对于 量，选择 100%。最后，单击" 确定"。
    4. 导航到"操作"菜单，然后单击方形按钮以停止录制。关闭活动窗口，然后在保存更改弹出窗口中单击否。
  3. 导航到 "文件|自动化|批处理。在 "批处理 "弹出窗口中，导航到 "操作" 下拉列表，然后选择在上一步中创建的操作。接下来，在" 源 "菜单下，单击" 选择 "按钮，然后导航到在步骤 3.1.3 中导出的图像文件夹。在" 目标 "菜单下，单击" 选择 "按钮，为新文件选择目标文件夹位置，然后单击" 确定"。

5. 体素打印

注:Stratasys GrabCAD5 用于第5节中完成的工作。

  1. 打开打印软件，单击 应用程序 ，然后从下拉菜单中 启动体素打印实用程序 。
    1. 在 切片文件的前缀 文本框中，输入 PNG 文件堆栈的前缀。接下来，单击" 选择" 按钮并导航到 PNG 文件堆栈所在的文件夹，然后单击" 确定"。
    2. 在"切片范围"下，确保"第一个切片"和"切片数"与所创建文件夹中的文件数匹配。
    3. 在"切片参数"下，确保"切片厚度（mm）"与步骤 3.1.1.1 中指定的设置匹配，并且"切片宽度（像素）"和"切片高度"（像素）与 PNG 文件的宽度和高度匹配。
    4. 在" 背景颜色"下，确保背景与背景颜色匹配，设置为"不打印"。完成后，单击" 下一步 "按钮。
  2. 在 "工具" 页上的" 材质映射"下，从下拉菜单中选择要映射到从 PNG 文件派生的关联颜色的材质。对菜单中的每种颜色重复此过程。然后，单击" 完成|在 弹出窗口中确定 信息 Gcvf 创建成功。
  3. 在主机打印软件上，单击" 文件| 从下拉菜单中导入文件。导航到 Gcvf 文件 ，然后单击" 加载"。在主屏幕上，选择" 打印"。

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结果

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...

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讨论

目前大多数（如果不是全部）数字建模工具使用的当前表示框架采用 STL 文件格式8。然而，当试图表达更复杂的天然材料的粒度或层次结构时，这种范式的特殊性已被证明是不够的。随着最近的增材制造技术（如多材料3D打印）的到来，可以生产高度调整和高度优化的物体，这些物体在整个体积中显示逐渐的材料过渡。本文表明，基于体素或位图的过程更适合复杂的材料表示，?...

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披露声明

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。

致谢

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。

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材料

NameCompanyCatalog NumberComments
3D Slicer Image Computing PlatformSlicer.orgVersion 4.10.2–4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet 3D PrinterStratasys
PhotoshopAdobe2021

参考文献

  1. 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).
  2. 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).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. 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).
  10. 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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