哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院通過(guò)半色調(diào)方法大大縮短從掃描到3D打印的過(guò)程

  3D打印醫(yī)療模型能夠形象的將病人解剖結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給醫(yī)生，是醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)預(yù)規(guī)劃的輔助工具，骨科、心臟外科、神經(jīng)外科等越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)學(xué)科已經(jīng)利用3D打印醫(yī)療模型進(jìn)行手術(shù)預(yù)規(guī)劃，一定程度上幫助醫(yī)生提高復(fù)雜手術(shù)的成功率、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

  3D打印醫(yī)療模型是通過(guò)軟件對(duì)CT、核磁共振等設(shè)備產(chǎn)生的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行三維建模，并將建模文件傳輸給3D打印設(shè)備進(jìn)行打印而產(chǎn)生的。總體來(lái)說(shuō)，將位圖格式的圖像轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可以讀取的三維模型數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程不僅耗費(fèi)時(shí)間，還容易出現(xiàn)精度不高的問(wèn)題。如今哈佛大學(xué)Wyss實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院多媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過(guò)一種新的方法，實(shí)現(xiàn)了一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)打印出高精度的人類大腦模型。

  核磁共振和CT掃描等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)可以產(chǎn)生一系列高分辨率的平面化的位圖圖像，通過(guò)這些圖像可以獲得如何來(lái)建立三維建模的信息。但是，研究人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的建模方法仍存在耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣，分辨率低等問(wèn)題。

  與灰度圖片不同，灰度圖片需要幾種灰度來(lái)表達(dá)漸變（左圖），而半色調(diào)（新聞圖片中常見(jiàn)）可以僅使用單一顏色的墨跡（右圖）來(lái)保留灰度漸變。

  半色調(diào)又稱灰度級(jí)，它是反映圖像亮度層次、黑白對(duì)比變化的技術(shù)指標(biāo)。這種半色調(diào)的方法被哈佛大學(xué)Wyss研究所James Weaver采用，從而使得核磁共振和CT掃描的圖像更容易、更快速地被3D打印設(shè)備讀取。半色調(diào)的方式能夠支持3D打印機(jī)使用兩種不同的材料打印復(fù)雜的醫(yī)學(xué)圖像，形成一種易于3D打印的格式，以便于能夠更好地表達(dá)原始掃描數(shù)據(jù)所記錄的所有細(xì)節(jié)。

  研究人員使用基于半色調(diào)的3D打印方法來(lái)創(chuàng)建大腦和腫瘤模型，該模型忠實(shí)地保存了原始MRI數(shù)據(jù)中存在的所有細(xì)節(jié)層次，幾乎與人眼可區(qū)分的分辨率相同。使用這種相同的方法，還能夠使用瓣膜組織的不同材料與瓣膜內(nèi)形成的鈣沉積物相對(duì)應(yīng)地打印出人體心臟瓣膜的可變剛度模型，從而產(chǎn)生表現(xiàn)出機(jī)械性能梯度的模型，方便醫(yī)生深入了解鈣沉積對(duì)瓣膜功能的實(shí)際影響。

  這種方法不僅可以保留高水平的細(xì)節(jié)并將其打印到醫(yī)學(xué)模型中，而且還可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢，例如，原來(lái)的方式需要手工分割一個(gè)健康人腳的CT掃描，例如，它的所有內(nèi)部骨骼結(jié)構(gòu)，骨髓，肌腱，肌肉，軟組織和皮膚都需要超過(guò)30個(gè)小時(shí)，即使是經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專業(yè)人員也是如此，而這種方法能夠在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。

  通過(guò)這種方法，3D打印的鈣化心臟瓣膜的多材料模型可以顯示具有礦物質(zhì)密度的精細(xì)梯度的硬鈣沉積物（白色），這是原來(lái)的生物醫(yī)學(xué)3D打印方法不可能完全捕獲的。

  結(jié)果是令人滿意的，根據(jù)華盛頓大學(xué)放射學(xué)助理教授，西雅圖弗吉尼亞州臨床放射學(xué)家Beth Ripley博士，當(dāng)看到這項(xiàng)技術(shù)能夠做什么時(shí)，感到不可思議，這種方法可以快速創(chuàng)建精美細(xì)致的3D打印醫(yī)學(xué)模型，使得3D打印醫(yī)療模型更容易被醫(yī)療領(lǐng)域作為研究和診斷的工具。

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