体素打印剖析：通过位图打印设计和制作逼真的、外科手术前规划模型
Summary
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。
Abstract
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。
Introduction
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。
Protocol
Representative Results
Discussion
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，?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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。
Materials
| 3D Slicer Image Computing Platform | Slicer.org | Version 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D Printer | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
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