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3D X-ray CT与3D打印技术的不解之缘

时间:2018-01-19 08:16 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:

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。

“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。

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打印与CT技术的结合过程

 

 

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。

3D打印与CT技术的结合在医疗上的应用

 

 

图1. 颅骨CT扫描图像

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。

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。

 

 

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

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”。

逆向工程应用

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。

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。

 

 

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。

(责任编辑:中国3D打印机网)