9778818威尼斯官网:打印正在手术台上进化,CT与

用核磁共振图就能3D打印出心脏模型

美国麻省理工学院和波士顿儿童医院的科研人员近日开发出一种新的计算机算法系统,可以在几小时内将患者心脏的核磁共振图像快速标示,并经3D打印造出心脏模型,让心脏外科医生能够更直观地为患者规划出有针对性的手术方案。

当怀上宝宝时,他/她的一举一动都牵动着大人的心。即便隔着肚皮,准妈妈们一样感受他们的变化,好奇他们的样子。通常,在孕期,医生可以通过超声判断胎儿的发育、活动、位置等状况,但是对于胎儿内部器官组织的成像却难以清晰可见,例如心脏,常规的二维成像无法提供更详细的血管成像情况。

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科技日报北京9月25日电 美国麻省理工学院和波士顿儿童医院的科研人员近日开发出一种新的计算机算法系统,可以在几小时内将患者心脏的核磁共振图像快速标示,并经3D打印造出心脏模型,让心脏外科医生能够更直观地为患者规划出有针对性的手术方案。

MRI能将三维物体的横截面进行断层成像。但每个断层有其明暗区域,而区域的边界可能是某个解剖构造的边缘。计算机“图像分割”技术可判定哪些是特定物体的边界,但现有算法在外科手术领域不够可靠。

现在,《柳叶刀》上一篇文章给出一个“窗口”,能够以前所未知的成像角度展现胎儿的心脏。来自伦敦国王学院的科学家们通过核磁共振和计算机能够构建胎儿微小心脏的3D成像图。

北京阜外医院吴永健教授完成了一起使用3D打印技术引导的经导管主动脉瓣膜置换手术,这是心脏微创手术领域较高难度的手术之一,而3D打印技术的存在被证明有效降低了手术风险。

3D 打印模型正在广泛应用于不同的领域。6 月 14 日,一篇发表在 Cardiology in the Young 上的文章介绍了 3D 打印在冠心病中的应用。

MRI能将三维物体的横截面进行断层成像。但每个断层有其明暗区域,而区域的边界可能是某个解剖构造的边缘。计算机“图像分割”技术可判定哪些是特定物体的边界,但现有算法在外科手术领域不够可靠。

为了把心脏MRI扫描图的边界画得精度够高,需要人工绘制二百张左右的高清扫描图,这会耗费8到10个小时,再加上后期处理影像的时间,整个心脏手术的准备期要花上两三天的功夫。

这对于辅助诊断患有先天性心脏缺陷的婴儿而言,是一个巨大的进步。

“根据传统办法测量这位81岁的病人,得到的结果是该患者动脉根部血管直径大于常人的26mm,需要置换的瓣环尺寸特别大,达到了32mm,而通过3D打印的心脏模型实地测量验证后发现尺寸没那么大,最后我们选用了29mm的瓣环。”主刀医生吴永健透漏。如果置换的瓣环尺寸过大,造成血管破裂会导致患者直接死亡。

由于心脏形态有多种以及患者之间的个体差异,冠心病的治疗很具有挑战性。利用 3D 模型,可以直接观察患者的心脏解剖结构并进行操作,从而预测并发症和其它可能的结果。这开辟了个性化治疗的新领域,为术前规划及提前在患者体外演练整个手术过程提供了可能性。

为了把心脏MRI扫描图的边界画得精度够高,需要人工绘制二百张左右的高清扫描图,这会耗费8到10个小时,再加上后期处理影像的时间,整个心脏手术的准备期要花上两三天的功夫。

新方法却非常高效,相关专家只把横断面成像的一小块边界标识出来,其他边界交给计算机算法去标识。采用这种人工与计算机混合的方法标定边界,大大缩短了生成三维数码心脏模型的时间,大约只需要一小时。再花几个小时进行3D打印,外科医生就可以在心脏模型上做一个虚拟手术了。该项研究的领导者、麻省理工学院电子工程与计算机科学教授波利娜·格兰德表示,新系统将彻底改变传统外科医生“用手触摸对象”的方式。

如何实现胎儿心脏的3D成像?

当然,这只是3D打印应用的一个经典案例,但却能推而广之。因为随着现代制造业的快速发展,最大的诱惑莫过于效率、品质的提升和弥补行业供给端不足。3D打印技术的问世和发展为快速、精确的个性化制造提供的高效的解决方案,成为工业4.0的中坚力量。计算机透视成像(CT)技术,是依据外部投影数据重建物体内部三维结构图像的无损检测技术。作为由三维实体获得数字模型的CT技术和根据数字模型制造三维实体的3D打印技术,两者的结合已经成功应用于逆向工程、装备检测与维修及临床医学等领域。

3D 打印的心脏模型

新方法却非常高效,相关专家只把横断面成像的一小块边界标识出来,其他边界交给计算机算法去标识。采用这种人工与计算机混合的方法标定边界,大大缩短了生成三维数码心脏模型的时间,大约只需要一小时。再花几个小时进行3D打印,外科医生就可以在心脏模型上做一个虚拟手术了。该项研究的领导者、麻省理工学院电子工程与计算机科学教授波利娜:格兰德表示,新系统将彻底改变传统外科医生“用手触摸对象”的方式。

根据麻省理工学院官网报道,格兰德的团队正在致力于计算机算法的改善提高,使它不仅能够将未经人工标识的相邻横断面边界辨识出来,还能斜跨多个横断面去标识边界。7位波士顿儿童医院的心脏外科医生还将评估3D打印心脏模型的临床实用性。

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3D打印与CT技术的结合过程

没有任何两个人的身体是完全相同的。外科医生操纵手术刀和缝合线,在复杂的“人体地形”中精确、快速地进行切割和缝合,但由于每个人的生理情况不同,解剖细节也需要作出相应调整,这让他们的工作变得更加困难。

根据麻省理工学院官网报道,格兰德的团队正在致力于计算机算法的改善提高,使它不仅能够将未经人工标识的相邻横断面边界辨识出来,还能斜跨多个横断面去标识边界。7位波士顿儿童医院的心脏外科医生还将评估3D打印心脏模型的临床实用性。

BBC记者James Gallagher展示了婴儿心脏的3D打印模型

CT技术涵盖了投影数据采集、数据校正和三维图像重建等过程,最终得到被扫描物的三维重建图像,而3D打印的输入正是基于由CT技术所重建的三维体数据以三角网格表示的物体STL模型。如上图所示,实体通过CT扫描,得到多角度投影数据体,三维重建后得到断层立体数据,格式转换后进行形貌分析及STL数据的导出;利用STL数据,结合3D打印,打印出样件,并实现原始样件与3D打印样件的结构信息对比。

医生们通常使用计算机断层扫描或磁共振成像的二维图像来制定手术计划,现在他们越来越倾向于使用私人定制的真实 3D 模型。

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科学家们可以利用MRI技术从不同角度拍摄心脏的一系列2D图像。

3D打印与CT技术的结合在医疗上的应用

为了完成 3D 打印,研究人员先将许多连续的 CT 或 MRI 扫描的数字二维“切片”组合成一幅立体的“地形图”,这就能够看到器官不同层次的复杂结构。然后,3D 打印机一层一层进行打印,这些小滴树脂可以通过紫外线照射或挤压硬化等方式固定在特定的位置,形成立体结构。

但是,胎儿的心脏很微小、跳动很快,而且胎儿在子宫内是可以活动的,所以心脏图像看起来很模糊。

如上图所示,X射线三维显微CT(天津三英精密仪器股份有限公司)扫描人体颅骨后三维重建图像。

3D 打印技术研发于 20 世纪 80 年代,当时这种打印机价格昂贵、好坏无常、制作材料有限。但在过去的几年里,这项技术发展到甚至普通家庭用户都足以负担。在软件和打印方法上的改进,使得打印高精度颜色和纹理的复杂物体成为现实,我们可以构建更加精确和真实的器官模型,用于外科手术中。

但是,科学家们很聪明,他们采用了先进的计算机软件,将这些图像拼接在一起,配合胎儿心脏跳动的节奏,最终构建出前所未有的3D版心脏图像。

颅骨损伤修复一直是医学领域研究的热点。如何将人工制造的颅骨支架材料对损伤区域进行更好地填补是该学科一直要解决的关键问题。其中的一个方法就是改善颅骨支架中的显微结构(让其孔隙结构与人体颅骨的血管结构相似),使之具有更好的生物相容性。

从 2D 到 3D

视频一:妊娠38周,健康胎儿的心脏三维MRI图(视频来源:柳叶刀,下同)

基于CT扫描重建后的颅骨三维体数据,利用骨骼化算法提取颅骨内血管,并通过形态学区分主血管与毛细血管的关系,统计分析颅骨中血管的详细数据,可为后续3D打印颅骨支架提供良好的理论依据

2012 年,美国克利夫兰诊所的肝脏病学主任和肝脏移植医学主任尼扎尔·泽恩首次萌发了打印器官模型的想法,他想知道这种方法是否能使活体肝移植更加安全。

视频二:妊娠32周,怀疑主动脉狭窄的胎儿心脏三维MRI图(分娩后确诊主动脉狭窄)

医药生物行业是目前3D打印技术扩张最为迅猛的行业。3D打印技术能够为医疗生物行业提供更完整的个性化解决方案,将促进再生医学领域在人造活体组织与器官的研究。比较典型的应用有3D手术规划模型、手术导板、3D打印植入物以及假肢、助听器等康复医疗器械。2016年底中国科学家已成功将3D打印血管植入恒河猴体内,这标志着在打印血管及其他器官用于人类移植方面迈出了重要的一步。3D打印机打印出约2厘米长的血管样本,然后将这些血管植入30只恒河猴的胸腔中。植入一个月后,人工血管中的干细胞生长成天然血管所需的多种细胞,随着时间推移,这些细胞与恒河猴的原生血管已变得“不可区分”。

尼扎尔·泽恩

这一技术的升级可以让医生清楚地了解胎儿心脏的异常情况。

逆向工程应用

泽恩博士表示,对肝移植的需求日益增长,同时来自尸体的肝脏供应不足,增加了对活体肝移植的需求。

3D成像可以拯救生命

三维重建图像的质量往往直接决定数据处理过程的难度并影响最终STL模型的优劣。但是,不管是目前医学上常用的医学CT还是工业中使用的工业CT,由于CT系统自身分辨率不足的影响,在实际应用中难以得到满意的图像。而X射线三维显微CT的出现,高达500纳米的真实空间分辨率,有效伪影去除技术和先进的重建算法,完美解决了这一难题。

他说:“当我们在肝脏上做手术时,最大的风险之一就是不知道主要血管或胆管的确切位置,而无意中切断了其中的一条。”

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CT三维成像技术能够快速的、无损的获得被扫描物体内部的三维数据,经过处理后建立起实体内部任意结构的STL模型,对某些那一直接进行测量的硬件具有极高的应用价值。而3D打印技术提供了实体的快速制造能力,相比于传统加工方法,能够显著缩短实体制造周期,同时降低成本。因此,3D打印与CT技术结合应用于逆向工程,能够实现对实体内部结构无损、快速地逆向还原,也可为基于STL模型的再设计提供技术支持。

每个肝脏都有一个独特而复杂的动脉、静脉和胆管网络,如果切错了位置,可能会导致供体或受体的并发症,甚至死亡。因此,泽恩召集了一个由临床医生、影像专家、工程师和软件设计师组成的团队,企图用树脂“打印”出一种针对特定病人的肝脏来指导手术过程。

Kirbi-Lea和现已11个月大的Violet-Vienna Pettitt(图片来源:JAMES GALLAGHER)

3D打印与CT技术的结合已经在众多领域取得了成功的应用。由天津三英精密仪器股份有限公司自主研制生产的不同规格的X射线三维透视成像检测系统,精度可达500纳米,结合3D打印技术,可实现各种微结构的检测和重现,必将为探索物质内部结构提供更为有力的手段,极大的扩展3D打印的应用范围。

泽恩回忆说,第一个模型非常粗糙,就像一个玩培乐多彩泥的孩子随手捏出来的那样。它的大小不到活体肝脏的四分之三,并非完全透明,并且缺乏代表不同组织的颜色编码。某个案例中,一名肝脏捐赠者在手术台上遭遇了危险的并发症,泽恩记得其中一位外科医生说,如果事先有这样的模型来练习就可能挽救捐赠者的生命。

当Kirbi-Lea怀孕20周时,尚在肚子的Violet-Vienna Pettitt在接受常规超声波检查后被发现其心脏周围的血管出现了危及生命的异常情况。

泽恩对模型进行了改进,并在 2013 年开始研究如何利用活体肝脏大小的三维模型来制定外科医生的手术计划。一项初步的小型研究表明,他们的模型在解剖学和形状上都与活体器官相匹配。

Kirbi-Lea参加了这项新研究。通过3D成像,科学家们发现,胎儿心脏的主动脉变窄,将会在出生后发生血管堵塞的风险。而且,她的心脏内有两个洞。

目前,泽恩团队构建出的模型已经应用在 20 多个手术中了。泽恩说,在很多情况下,观察研究这个模型使外科医生改变了他们切割器官的方式,甚至在某一个案例中,外科医生得出结论,某个供体并不适合移植,这挽救了一桩可能发生的医疗事故。

Kirbi-Lea告诉BBC,对此她感到“非常害怕”。

他的团队继续打印复杂肝脏肿瘤的三维模型,以了解它们是如何在肝脏上生长的。泽恩说:“我们对病人肿瘤组织的解剖结构了解得越多,手术的效果就会越好。”

但是,得益于3D成像,医生们可以提前计划如何拯救Violet-Vienna的生命。在她出生后,医生们不得不立刻带她去接受药物治疗,以维持主动脉的打开。

图丨3D 打印的身体器官——肝叶,和“有血有肉”的肝叶。这样的对比观察可以帮助医生计划和实行复杂的移植手术。

一周后,这名小婴儿接受了心脏手术。虽然生命之初充满坎坷,但是现在已11个月大的Violet-Vienna很健康。“她被很多人疼爱着,正健康成长着。我们很感谢这项科学技术以及提供诊疗的医生们。” Kirbi-Lea感叹道。

更逼真的模型

它会被广泛临床应用吗?

美国罗切斯特大学泌尿科医生艾哈迈德·加齐 受到泽恩的启发,建立了更逼真的肾脏模型,为模拟手术提供了一种“具有沉浸感”的方法。

在这项最新研究中,共有85名孕妇接受了3D成像。现在,已有超200名患者进行了相关测试。

他说:“我只是想要一个看起来像肾一样,会流血的东西。”肾脏外科医生经常面临着从布满血管的器官中取出肿瘤的问题,他们可能只有 30 分钟的时间来完成工作,不然肾脏组织会停止血液循环,导致死亡。

伦敦国王学院临床研究员David Lloyd博士说:“们希望这种方法将成为英国Evelina儿童医院胎儿心脏病学团队的标准做法,该团队每年会对400名婴儿进行产前诊断。同时,这一技术也将改善患病婴儿的医疗护理。”

在经过改良后,这种打印器官具有空间感、解剖准确性和触觉反馈,还可以用来仿真模拟,以培训新的外科医生。

David Lloyd表示,这项技术的实现并不复杂,只需一台核磁共振成像仪加一台显卡不错的电脑。

人造器官模型(右图)可以流血,就像真正的器官在手术过程中会流血一样(左图)。图示手术是在切除一个肾肿瘤。

先天性心脏病是先天畸形中的最常见类型,其发病率占出生活婴的0.4%~1%,可能由感染或者一些药物引发,且有家庭遗传倾向。

为了建立肾脏模型,加齐团队在一个类似腹腔的地方模拟了脂肪、肠道和其他组织,就像它们在真正的病人体内一样。加齐与 5 位专家、 10 位新外科医生一起,对这个模拟系统进行测试发现,这个模型非常逼真,而新手医生一致认为在手术前使用这些模型会有很大帮助。

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9778818威尼斯官网,纽约爱因斯坦医学院的生物医学影像专家妮可·韦克也研究了肾脏模型对于手术计划的正面影响。在 2017 年的一项研究中,她和同事请 3 位经验丰富的外科医生回顾了 10 种不同复杂程度的肾脏手术,包括回忆患者的二维扫描图像并描述他们的手术计划。之后,他们用 3D 模型重复了这个手术过程。在所有的病例中,至少有一名外科医生改变了他的初始想法,他认为当时应该有更好进入体腔或夹住器官的方式。他们说,这种模拟可以使他们自己更好地确认计划,提高手术信心。

Reza Razavi教授

材料的提升

如果婴儿是在出生后被确诊患有先天性心脏病,那么他们接受诊断的时间可能会导致其失去重要的救命时间。文章作者、儿科心脏病专家顾问Reza Razavi教授希望,该技术能够在子宫内就提前预知缺陷问题,从而改善对出生缺陷的诊疗水平。

9778818威尼斯官网:打印正在手术台上进化,CT与3D打印技术完成心脏手术案例。泽恩说,在构建 3D 器官模型时,材料的选择取决于它的用途。硬塑料更便宜,也更适合进行简单的三维可视化,有助于临床医生将注意力集中在肿瘤的形状或血管的弯曲路径等视觉特征上。

Reza Razavi教授的女儿就是先天性心脏病患者。他用“漂亮”一词形容这一3D成像。“借助于胎儿心脏的3D图像,医生们可以提前确定病情状况,并计划治疗方案。”他表示,“婴儿在合适的时间得到正确的手术等治疗,才能最终取得最佳的疗效。”

但更有弹性的海绵状材料,包括硅酮、软塑料和水凝胶,则更为逼真。它们的弹性可以模仿活体组织的机械性能,为外科医生提供了一个可用于练习的器官,可以切开,以测量必要切口的宽度和深度,便于清除肿瘤并指导修复。更柔软的模型还可以结合其他功能,比如压力传感器,让外科医生在术前准备得更加充分。

End

加齐和同事已经构建了一系列组织纹理模型。他们不是直接打印,而是使用 3D 打印机建立一系列模具,然后注入特殊的水凝胶,这些水凝胶由水和其他液体组成,但可以像真实的肌肉、脂肪或血管一样对操作产生反应。甚至切割血管或其他导管时,器官也会像在实际手术中一样流血或渗液。

参考资料:

美国明尼苏达大学的机械工程师迈克尔·麦卡尔平模仿组织的机械特性,制作了前列腺的器官模型。他的团队使用从癌症患者身上取出的前列腺样品来测试前列腺的硬度和柔韧性,并通过调整有机硅打印材料的化学成分,来改变聚合物之间的连接,使模型变得更软或更硬。

1)Detailed images of baby heart inside the womb

他们甚至为前列腺模型配备了 3D 打印的压敏传感器。传感器由水凝胶和橡胶硅胶制成,可以测量内窥镜或手术剪刀施加的力,在医生进入手术室之前为他们提供有用的信息。

2)Three-dimensional visualisation of the fetal heart using prenatal MRI with motion-corrected slice-volume registration: a prospective, single-centre cohort study

配备了压力传感器的 3D 打印前列腺,可以让外科医生进行更逼真的练习。

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从现实到虚拟

拥有 3D 打印设备和专业知识的医疗中心现在可以自己打印出器官模型,而一个硬塑料模型的打印成本不超过几百美元。像 Lazarus 3D 和 Materialise 这样的公司现在也提供利用成像数据制作器官模型的服务。但是保险公司不见得会为病人的模型支付打印费用。

这可能会成为通向虚拟计算机模型的敲门砖。起初,加齐想以这种方式开展他的工作,但是他很快就转向了物理模型——现在还不可能用“虚拟的感觉”来切割,也不可能知道一个器官如果被切到某个地方会流多少血,其中有太多的不确定因素。目前,他正在与 VR 公司合作,这些公司可以使用物理模型开发虚拟手术工具。

麦卡尔平认为,随着时间的推移,使用 3D 成像实施手术可能会成为常态,而不是个例。

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