新的3D打印技术可实现更便宜的患者特异性医学研究

利用新的3-D技术，可以去除外来组织以露出所需的底层结构（右）而不牺牲本机成像数据（左和中心）中存在的分辨率或强度梯度。

新的3-D印刷技术可实现更快，更好，更便宜，更便宜的患者特异性医疗数据进行研究和诊断。

如果您可以持有自己大脑的物理模型，准确到它的每一个独特折叠？这只是史蒂文克莱宁的态度的正常部分，他在26岁时从他的大脑中删除了棒球大小的肿瘤，而他是麻省理工学院媒体实验室的介导的物质集团的研究生。

好奇，看看他的大脑在肿瘤被移除之前看起来像什么，并且为了更好地了解他的诊断和治疗方案，Keating收集了他的医疗数据并开始印刷他的MRI和CT扫描。他发现现有的模型过度耗时和繁琐，并表示他们未能准确揭示感兴趣的重要特征。因此，Keating达成了他的一些集团的合作者，包括哈佛大学的Wyss Institute成员，他正在探索3-D印刷生物样品的新方法。

“我们从未想过，我们将这种方法用于人类解剖，直到史蒂夫来到我们并说，'伙计们，这是我的数据，我们能做什么？”“艾哈迈德·霍尼斯（Ahmed Hosny）是一个与Wyss学院的研究员时间，现在是Dana-Farber癌症研究所的机器学习工程师。

即将结合的合作的结果是一种新技术，允许从MRI，CT和其他医疗扫描的图像轻松地转换为具有前所未有的细节的物理模型。

合作者包括Wyss Institute的高级研究科学家詹姆斯·韦弗; Neri Oxman，MIT Media Lab的介导的物质集团和媒体艺术与科学副教授的主任;以及美国和德国其他几个学术和医疗中心的研究人员和医生团队。该研究报告在3D印刷和添加剂制造期刊中。

一个3-D印刷的脚型号（左）及其横截面（右）清楚地揭示了不同骨类型的复杂内部架构，以及周围的软组织。

“当我看到这项技术能够做的事情时，我几乎跳出了我的椅子，”华盛顿大学助理学教授Beth Ripley说，在华盛顿州和西雅图VA的临床放射科医生和纸质的共同作者，担任临床放射科学。“它创造了精致的3-D印刷的医疗模型，目前需要一小部分手动劳动力，使3-D印刷更容易获得医疗领域作为研究和诊断的工具。”

MRI和CT扫描等成像技术会产生高分辨率图像，作为一系列“切片”，揭示人体内部结构细节，使它们非常适合评估和诊断医疗条件。大多数3-D打印机在逐层过程中建立物理模型，因此将它们的医学图像层喂养以创建稳定的结构是两种技术之间的明显协同作用。

但是，有一个问题：MRI和CT扫描产生具有如此多的图像，即感兴趣的物体需要从周围组织中孤立并转换成表面网格以进行印刷。这是通过一种称为“分割”的非常时间密集的过程来实现的，其中放射科医生手动地追踪每个单个图像切片上的所需对象（有时是单个样本的数百个图像），或者自动“阈值”过程计算机程序快速将包含灰度像素的区域转换为固体黑色或纯白色像素，基于被选中的灰色作为颜色之间的阈值。然而，医学成像数据集通常包含不规则形状的物体，缺乏明确，定义的边界;结果，自动阈值（甚至是手动分段）通常夸大或低估感兴趣的特征的大小，并清楚地清楚的细节。

钙化心脏瓣膜的3-D印刷多材料模型显示了具有矿物质密度的精细梯度的硬质钙沉积（白色），这是不可能使用常规生物医学的3-D印刷方法充分捕获。

本文中描述的新方法为医疗专业人员提供了两种世界的最佳：一种快速且高度准确的方法，可以将复杂图像转换为可以轻松打印的格式。关键在于使用抖动位图的打印，其中灰度图像的每个像素被转换为一系列黑白像素，并且黑色像素的密度是定义灰色的阴影，而不是像素本身在颜色中变化。

类似于黑白新闻纸中的图像的方式使用的黑色墨点的不同尺寸传达着色，所以在给定区域中存在的黑色像素越多，出现的较暗。通过将各种像素从各种灰色的灰色简化为黑色或白色像素的混合物，抖动位图允许3-D打印机使用两种不同的材料打印复杂的医学图像，这些材料以更大的准确性保留原始数据的所有微妙变化速度。

与灰度照片不同，需要几个灰色的灰色传达梯度（左），半色调（新闻纸图像中的常见）可以仅使用单个颜色的墨水（右）保持灰度强度梯度。使用类似的方法用于处理纸张中描述的3-D印刷模型的图像堆叠。

研究人员团队使用基于位图的3-D印刷来创建基于群体的大脑和肿瘤的模型，忠实地保留了原始MRI数据中存在的详细信息的所有渐变，这是与人眼可以与人眼可以区分的分辨率大约9-10英寸远。使用相同的方法，它们还能够使用不同的材料打印一种用于阀组组织的不同材料的人心瓣膜和在其中形成的矿物斑块，导致展示机械性能梯度的模型，并提供新的见解进入斑块对阀门功能的实际影响。

“我们的方法不仅允许保存和印刷的高水平细节并印刷到医疗模型中，但它也可以节省大量的时间和金钱，”韦弗说，谁是本文的相应作者。“手动分割健康人脚的CT扫描，所有内部骨骼结构，骨髓，肌腱，肌肉，软组织和皮肤，例如，即使是由训练有素的专业人士也可以花费超过30小时 - 我们是能够在不到一小时内完成。“

研究人员希望他们的方法有助于3-D打印更加可行的工具，用于常规考试和诊断，患者教育，并理解人体。“现在，对于医院来说，雇用专家团队进入和手部段图像数据集的速度是太昂贵的，除了极高的风险或高调的情况。我们希望改变这一点，“Hosny说。

Keating致力于使患者能够获得自己的医疗数据的热情倡导者，仍然是3-D打印他的MRI扫描，看看他的头骨如何愈合并检查他的大脑，以确保他的肿瘤不会回来。“了解你内心发生的事情的能力，实际上把它握在手中，看看治疗的影响，是令人难以置信的赋权，”他说。

纸：hosny ahmed等，“从改进的诊断到预设规划：高分辨率功能渐进的多国3D打印生物医学断层扫描数据集，“3D打印和添加剂制造，2018; DOI：10.1089 / 3DP.2017.0140