英国研究人员受天体物理学的启发改进3D打印模型的成像

发布者:匿名 2019-02-17 浏览量:1791


与癌症心脏病及其周围的许多病症(以及人体中的其他相关系统)一样,常常会导致致命的并发症,导致世界各地的研究人员不断寻找更好的诊断治疗和外科手术方法英国研究人员I. Brewis和J.A.McLaughlin比亚大学(Northumbria University)探索了心血管健康护理方面3D成像技术,他们的研究成果发表在《利用三维打印技术和受天体物理方法启发的图像处理技术改进了患者特定心脏结构的可视化》一文中

Brewis和McLaughlin正在天体物理学领域开发新的图像处理技术,用于查看人类心脏,将数据传输到.stl文件,然后3D打印医学模型这些新技术允许从扫描中更好地建模,尤其是改善较小特征的清晰度。

传统上,CT和MRI扫描为3D打印模型提供了数据正如该研究的作者指出的那样,这些“相对准确”但仍会产生误差。不仅如此,图像处理可以是一个高维护的冒险,消耗时间和金钱。目前有一系列技术在使用,包括:

•渐晕

箱车平滑功能

•边缘检测

•用于航天器上电荷耦合装置的像素板刻度开发

Brewis和McLaughlin研究了使用天体物理学中常用的技术是否可以减少误差范围,以及更快的渲染周转时间。到达3D模型的基本步骤必须包括获取数据分割转换文件修复和设计以及3D打印。为了本研究的目的,科学家们使用了一位匿名患者的数据,获得了856张CT图像。在细分中,他们能够识别出3D打印的“感兴趣区域”:心脏组织。

右心区域(左)第一阈值后的分割心脏数据和右心区域(右)第二阈值后的分割心脏数据。右心室(左下角)在第二个阈值后显示内部心室分割的清晰度提高

研究团队使用切片器从多个角度观察胸腔并切割所有外来数据以获得更好的视野。

研究人员在他们的论文中指出,“初始阈值突出显示了所有心脏组织,右心房和右心室均含有脱氧血液通过在右心腔施加第二个阈值(范围为-600,70),我们发现脱氧血区域被清除了。”

第二次阈值转换导致将数据从2D段转换为3D渲染。

“这种方法虽然模拟了心脏的大部分内部结构,却省略了诸如瓣膜之类的小规模特征。为了从现有DICOM数据中提取这些小规模特征,引入了另一种替代方法”研究人员指出,使用渐晕消除背景中的额外干扰。

Netfabb图像处理阶段从左到右初始和分割模型

进一步突出和增强使研究团队能够更清楚地看到主动脉瓣尖瓣闭塞区域和坏像素区域。

研究人员表示,“对于完整的心脏和主动脉瓣,图像分割所需的总时间大约为几十分钟,其中分割过程的某些部分自然比其他部分更耗时。对于这里介绍的方法,主要的耗时步骤是利用切片器 4.8.1的内置橡皮擦和绘图工具。”

一旦研究人员准备好心脏和主动脉瓣模型的文件,他们就会使用Netfabb准备使用SLA 3D打印机进行生产。

研究人员表示“SLA打印机生产出更坚固的3D模型,但无法生产出不需要额外支撑的模型,以便在打印过程中保持内部心腔(即独立模型)的理想结构然而,对于一个简单而相对扁平的结构,例如主动脉瓣,其独立性问题并不是一个令人担忧的问题,而且更坚固的树脂模型被证明是生产薄而精致结构(如三尖瓣)的理想选择。

最终,该团队制作了一个3D打印心脏模型,其中有四个明确定义的心腔,以及主动脉上腔静脉肺静脉和动脉。以研究人员使用的数据为例的患者的主动脉瘤在模型中得到了准确描绘,被视为主动脉侧壁凹陷区域。钙化也可以清楚地观察到,这种类型的准确性意味着外科医生可以更精确和有效地操作,节省手术室的时间。

“使用患者数据的三维渲染技术改进了传统的成像技术,在这些技术中,外科医生需要通过再现精确,真实的三维心血管解剖结构,根据一系列2D扫描来显示心脏缺陷的三维图像”研究人员说“使用3D建模还可以提高医生对个体患者解剖结构的理解,例如瓣膜置换术16或先天性心脏病治疗的程序规划。”

3D打印心脏模型。(左)完整心脏模型,(右)主动脉瓣模型。英国一磅硬币的规模。

热门文章