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震惊!3d打印高精度大脑模型只需要一个小时

日期: 2018-06-01
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哈佛大学和麻省理工学院的研究人员提出了一种简单的方法,在不到一个小时的时间内3D打印出高度精细的人类大脑模型——只需要一小部分低质量产品所需的成本和人力。

震惊!3d打印高精度大脑模型只需要一个小时

从理论上讲,像MRI和CT扫描这样的医学成像技术能够产生高分辨率的图像,并将其作为一系列“切片”,这恰好使其契合了3D打印机的工作原理——这些打印机也以切片打印。但是,麻省理工学院毕业生Steven Keating发现,当他想要在手术切除棒球大小的肿瘤后检查自己的大脑时,现有的方法过于麻烦且耗时巨大,且未能准确揭示重要特征。

Steven Keating与一个科学家小组合作,其中包括Wyss研究所的资深研究科学家James Weaver博士,以及麻省理工学院媒体实验室Mediated Matter小组的主任、媒体艺术与科学学院的副教授Neri Oxman博士。Neri Oxman博士致力于开发一种新技术,使MRI和CT扫描图像能够以前所未有的细节轻松快速转换为物理模型。

新方法提供了一种快速且高度精确的方法,可将复杂的图像转换为可轻松进行3D打印的格式。关键在于使用抖动位图进行打印,这是一种数字文件格式,其中灰度图像的每个像素都被转换为一系列黑白像素,而黑色像素的密度则是定义不同灰度阴影,而不是像素本身颜色变化。

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与黑白报纸中的图像使用不同大小的黑色墨点以传达阴影相似,在给定区域中存在的黑色像素越多则更黑。通过将来自各种灰度阴影的所有像素简化为黑色或白色像素的混合,抖动位图允许3D打印机使用两种不同的材料打印复杂的医学图像,从而以更高的精度和速度保留原始数据的所有细微变化。

研究人员使用基于位图的3D打印来创建Keating的大脑和肿瘤模型,该模型忠实地保存了原始MRI数据中存在的所有细节层次,直至与人眼可区分的分辨率相同——9-10英寸远的观察距离。使用这种相同的方法,他们还能够使用瓣膜组织的不同材料与瓣膜内已形成的矿物斑块打印出人体心脏瓣膜的可变刚度模型,从而产生了表现出机械性能梯度的模型并提供了新的深入了解斑块对瓣膜功能的实际影响。

震惊!3d打印高精度大脑模型只需要一个小时

Ahmed Hosny持有Steven Keating的肿瘤模型,Steven Keating持有自己的头骨模型,James Weaver持有Keating的MRI扫描模型

Weaver说:“我们的方法不仅可以保留高水平的细节并将其打印到医疗模型中,而且还可以节省大量时间和金钱。例如,手工分割一个健康人脚的CT扫描,例如,它的所有内部骨骼结构,骨髓,肌腱,肌肉,软组织和皮肤都需要超过30个小时,即使是由训练有素的专业人员,而我们能够在不到一个小时的时间内完成。”

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研究人员希望他们的方法能够帮助3D打印成为常规检查和诊断、医学教育以及理解人体更可行的工具。“现在,对于医院而言,聘请专家团队进行手动分割3D打印的图像数据集,除非是极其高风险或高风险的病例,这对医院来说太昂贵了,我们希望能够改变这种情况。”Wyss研究所研究员Ahmed Hosny说。

“我想,在未来五年内的某个时候,任何进入医生办公室进行常规或非常规CT或MRI扫描的患者都可以在几天内获得他们的特定患者的3D打印模型数据。”Weaver说。

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