新系统将MRI扫描转换为手术规划的3D印刷心脏模型

3D印刷心脏模型。

麻省理工学院和波士顿儿童医院的工程师和计算机科学家开发了一种新的系统，可以将患者心脏的MRI扫描转换为3D印刷模型。

该模型可以为外科医生提供更直观的方式，以评估和准备杀人患者的解剖学特质。“我们的合作者相信这将有所作为，”MIT电气工程教授Polina Golland说，该项目领导了该项目。“我听说的这句话是”外科医生用手看到“，感知是触摸。”

本次秋季，波士顿儿童医院的七个心脏外科医生将参加一项旨在评估模型的实用性的研究。

Golland和她的同事将在10月份在国际医学图像计算和计算机辅助干预次会议上描述其新系统。电气工程和计算机科学的麻省理工学院研究生达内尔·佩斯（Danielle Pace）是纸上的第一个作者，并刺激了分析MRI扫描的软件的开发。Medhi Moghari是波士顿儿童医院的物理学家，开发了新的程序，提高了MRI扫描的精度，在医院的心脏病专家，Andrew Powell，导致该项目的临床工作。

该工作由波士顿儿童医院和哈佛催化剂的资助，该联盟旨在迅速将科学创新迅速进入诊所。

MRI数据包括一系列三维物体的横截面。与黑白照片一样，每个横截面具有暗和光的区域，并且这些区域之间的边界可以指示解剖结构的边缘。然后，他们可能不会。

确定图像中的不同对象之间的边界是计算机视觉中的核心问题之一，称为“图像分割”。但通用的图像分割算法不足以生产出手术计划所需的非常精确的模型。

人为因素

通常，使图像分割算法更精确的方式是使用要分段的对象的通用模型来增加它。例如，人体心灵具有通常相对于彼此的大致相同的地方的腔室和血管。解剖一致性可以给出分割算法对对象边界的杂草结论的一种方式。

这种方法的问题是波士顿儿童医院的许多心脏病患者都需要精确地进行手术，因为他们的心脏解剖不规则。来自通用模型的推论可能会掩盖对外科医生最重要的功能。

在过去，研究人员通过手动指示MRI扫描的边界来生产心脏的可打印模型。但是在Moghari的高精度扫描之一中有200左右的横截面，该过程可能需要八到10个小时。

“他们想让孩子们扫描，并且可能每天花费一天或两次计划他们究竟如何运作，”Golland说。“如果需要另一天只是为了处理图像，它会变得笨拙。”

PACE和GOLLAND的解决方案是要求人类专家识别少数横截面中的边界，并允许算法从那里接管。当他们要求专家只有一个小型补丁 - 总面积的小补丁 - 每条横截面时，他们的最强烈出现了它们的最强烈的结果。

在这种情况下，分段只有14个补丁，让算法推断其剩余时间与200个横截面的整个集合的专家分割产生了90％的协议。只有三种斑块的人类细分产生了80％的协议。

“如果有人告诉我，我可以将整个心脏分成200分，我不会相信他们，”Golland说。“这对我们来说是一个惊喜。”

一起，样品贴片的人分割和数字，3-D心模的算法生成需要大约一个小时。三维印刷过程需要几个小时。

预后

目前，该算法检查了未分段横截面的斑块，并在最近的分段横截面中查找类似的特征。但Golland认为，如果在几个横截面上检查倾斜的贴片，则可能会改善其性能。算法的这种和其他变化是持续研究的主题。

秋季的临床研究将涉及来自10名已在波士顿儿童医院治疗的10名患者的MRIS。七个外科医生中的每一个都将给予所有10名患者的数据 - 其中一些，可能不止一次。该数据将包括原始MRI扫描，并且在随机基础上，在人为分段或算法分段上基于随机的物理模型或计算机化的3-D模型。

使用该数据，外科医生将吸引外科计划，将与对每个患者进行的干预措施进行比较。希望在于该研究将阐明3-D印刷的物理模型是否实际上可以改善手术结果。

“绝对来，一个三维型号确实有所帮助，”波士顿儿童医院的心外科医生Sitaram Emani说，这是新论文的共同作者。“我们在一些患者中使用了这种类型的模型，实际上在心脏上进行了”虚拟手术“以模拟真实条件。做这一点真的有助于减少检查心脏和执行修理的时间量的真实手术。“

“我认为拥有这还会降低残留病变的发病率 - 修理中的缺陷 - 通过允许我们模拟和规划要使用的贴片的尺寸和形状，”emani增加。“最终，基于模型的3D印刷补丁将使我们允许患者定制假肢。”

“最后，让这种情况非常简化了与那些找到解剖混乱的家庭的讨论，”埃米莉说。“这给了他们一个更好的视觉，许多患者和家庭都对这对其使他们更好地了解他们的条件。”