基於 MRI 影像進行用於 3D 列印的乳腺腫瘤分割和建模

概述

3D 列印解剖模型開始對醫學產生重大影響，在本案例研究中，使用了乳房模型以及正在治療的腫瘤，以便患者可以更好地了解醫生提出的診斷和後續治療方案，這些模型對於醫生更好地可視化病理解剖結構也很有用。

“Synopsys Simpleware 透過使用者友好的複雜腫瘤分割實現了快速模型生成，隨後提供平滑功能，直觀地使可列印模型在視覺上具有吸引力。”卡洛斯·肯格拉，維克森林再生醫學研究所。

亮點

Simpleware ScanIP 提供高效、準確的 3D 可視化腫瘤模型
醫生對 3D 列印模型的品質感到滿意
3D 列印模型為理解程式提供了寶貴的工具
模型為醫生提供更多資源來研究複雜手術的病理學，減少手術時間和風險

介紹

癌症診斷始終是個難以面對的現實，對於大多數患者來說，醫療環境和術語都是陌生的，如果沒有「c-word」(一部經典的抗癌紀錄片) 會更加難以理解。此外，大多數病症的治療高度依賴於患者對規定方案的依從性，這需要病人和治療醫生之間建立信任的夥伴關係，進行有效的溝通和可靠的後續行動。病患教育是建立對所面臨的挑戰、治療計劃如何應對挑戰以及患者和醫生所扮演的獨特角色的準確認識的必要步驟。

物理 3D 列印模型已被證明是高效的教育工具，可以更好地可視化病理解剖結構。本案例研究應用 Simpleware 軟體中的分割工具輕鬆產生乳癌患者乳房和腫瘤的 3D 模型，以便透過展示 3D 列印模型來透過病患教育建立共同點。該病例還證明了增強醫生對腫瘤位置和形狀的空間概念化的額外好處。

圖：在 Simpleware ScanIP 中對 MRI 掃描的 DICOM 資料進行分割，產生兩個 3D 模型：病患左乳模型和內部腫瘤模型

MRI 資料集以 DICOM 格式接收並匯入 Simpleware ScanIP 中進行分割，調整視窗/等級設定以獲得最佳檢視效果後，使用閾值工具設定灰階值範圍，以遮蔽一般乳房組織和腫瘤，使用裁切工具將左乳房隔離為感興趣區域，遮罩洪水填充 (Mask Flood Fill)工具可以透過分別在腫瘤和乳房遮罩上使用來清晰地分割腫瘤和乳房組織。

此填充步驟可確保僅連接的體素保留在遮罩資料中，使用形態閉合和空腔填充工具進一步優化遮罩的正確覆蓋，以有效填充遮罩連續性中的間隙，繪畫工具允許使用者引導判斷，對遮罩進行最後的修飾，以確保體素根據需要被遮罩或未遮罩。

完成影像中乳房和腫瘤區域的遮罩後，重新採樣工具渲染各向同性體素。然後首先使用擴張，接著使用遞歸高斯平滑對遮罩進行平滑處理，從而產生乾淨、光滑的表面。最後將遮罩導出為 STL 模型，以便在列印之前進一步處理。

模型生成

分割結果導出為兩個 .stl 表面模型：乳房和腫瘤，然後將它們匯入 Autodesk Fusion 360 中，以便在列印前進一步修改，乳房模型是中空的，這樣印刷的部分就可以代表一般的外部形狀，但沒有內部填充，因此腫瘤模型可以放置在乳房內部，也可以在乳房內部可視化。還設計了一個柱子，用於在列印後連接腫瘤和乳房模型，該柱還確保列印後腫瘤將位於正確的位置，以實現準確的表示，乳房模型也分為兩半，以便更容易觀察。

圖：將乳房的 3D 模型處理為中空，並設計一個柱狀物在列印後將腫瘤模型錨定到乳房模型上

3D 列印

這些模型被導入 Stratasys GrabCAD 進行排列、處理並傳送到 3D 列印機，這些模型是在 Forsyth Technical Community College 在 Stratasys J750 上使用 Vero 材料列印的，可選擇從透明到黑色的多種顏色。

圖：用透明材料印製的乳房模型，腫瘤是用不透明材料印製的。此柱使腫瘤模型能夠快速且準確地定位到乳房模型。這些模型易於操作並作為視覺輔助工具呈現

模型的三個部分很容易組合在一起，乳房的兩半很容易對齊。如果需要，可以在未來的迭代中輕鬆添加設計功能，以將它們結合在一起。將帶有集成柱的腫瘤模型放置到乳房模型中設計的柱孔中，使得一個模型與另一個模型的配準變得簡單快捷。透過將柱放入孔中，腫瘤立即位於相對於乳房模型的適當位置。乳房模型內腫瘤的大小和位置是列印模型最有價值的含義，因此具有按比例縮放的腫瘤和乳房模型以及簡單的空間定向機制使得該設計立即有用。

醫生回饋

合作醫生對結果印象深刻，並看到了超出該專案範圍的一些好處，他們證實了它在幫助外科醫生規劃和溝通切除方法和其他治療方式方面的實用性，增加患者對病理學意義的理解的潛力也令醫生們興奮不已。透過視覺化提高患者的理解將有助於醫生和患者之間就各種治療方案的需求和影響進行對話。

例如，視覺化腫瘤的大小和位置可以協助選擇腫瘤切除術，或是切除整個乳房的乳房切除術。此外視覺輔助可以透過更了解治療方案的目標來幫助提高患者的配合度和信心。

結論

這種可視化人體解剖學的方法具有深遠的影響，在這裡我們討論對病人教育的影響，但在醫生指導方面還有更多工作可以做，由於可以用模仿其外觀和觸覺特性的材料來列印病理學和周圍組織的模型，因此也可以改善醫生教育。使用多模型、多材料列印來製作患者特定的手術模型將增強醫生治療複雜問題的能力，可能減少手術時間，減少對周圍組織的附帶損傷，並透過直接練習該患者的病理學模型來提高治療效果。

有效形成分段模型的另一個潛在用途是患者特異性生物列印。對健康組織和患病組織進行建模可以產生可用於生物列印替代組織的數據，這些替代組織可以隨後植入以替代或再生受影響的區域。生物列印過程不是將模型切片並用塑膠列印，而是使用可生物降解的塑膠和水凝膠以有組織的圖案列印多種細胞類型，旨在再生特定的功能組織。植入物可以是肝臟等組織，也可以是肌肉、肌腱和骨骼等複合組織。

3D 列印解剖模型開始對醫學產生重大影響。患者特定模型列印的第一步是患者影像資料集的分割。 Simpleware ScanIP 讓該過程變得簡單且高效，因為可以從成像資料的分段部分快速產生可列印模型。乳房模型以及正在治療的腫瘤使患者能夠更好地了解醫生提出的診斷和後續治療方案。這些模型對於醫生更好地可視化病理解剖結構也很有用。

參考資料