新系统将MRI扫描转换为3D打印的心脏模型进行手术计划

2018-05-16

em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已开发出一种新系统,可将患者心脏的MRI扫描转换为3D打印模型。 / em

这些模型可以为外科医生提供一种更直观的方式来评估和准备个别患者的解剖特征。 “我们的合作者相信这会有所作为,”领导该项目的麻省理工学院电气工程和计算机科学教授Polina Golland说。 “我听到的这句话是'外科医生用手看到',这种感觉在触摸。”

今年秋天,波士顿儿童医院的七名心脏外科医生将参加旨在评估模型有效性的研究。

Golland和她的同事将在10月份的国际医学图像计算和计算机辅助干预会议上介绍他们的新系统。麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生Danielle Pace是本文的第一作者,他带头开发了分析MRI扫描的软件。波士顿儿童医院的物理学家Medhi Moghari开发了新的程序,将MRI扫描的精确度提高了10倍,医院的心脏病专家Andrew Powell领导该项目的临床工作。

这项工作由波士顿儿童医院和哈佛催化剂公司共同资助,该联盟旨在将科学创新迅速推向临床。

MRI数据由一系列三维物体的横截面组成。像黑白照片一样,每个横截面都有深色和浅色区域,这些区域之间的边界可能表示解剖结构的边缘。然后,他们可能不会。

确定图像中不同物体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”。但通用图像分割算法不够可靠,无法生成手术计划所需的非常精确的模型。

人为因素

通常,使图像分割算法更加精确的方法是使用要分割的对象的通用模型对其进行增强。例如,人类的心脏具有通常彼此相对的大致相同位置的腔室和血管。解剖一致性可以给出一种分割算法来清除关于对象边界的不可能结论。

这种方法的问题在于波士顿儿童医院的许多心脏病患者因为他们心脏的解剖结构不规则而需要手术。通用模型的推论可能会掩盖对外科医生最重要的特征。

过去,研究人员通过在MRI扫描中手动指示边界来制作心脏的可打印模型。但是在Moghari的高精度扫描中有200个横截面,这个过程可能需要8到10个小时。

“他们想让孩子们进行扫描,花费一两天的时间来计划他们将如何运作,”Golland说。 “如果再花一天时间来处理图像,它就会变得笨重。”

Pace和Golland的解决方案是让一位人类专家在一些横截面上确定边界,并允许算法从那里接管。当他们要求专家仅对每个横截面的总面积的一小部分进行分割时,他们最强大的结果就出现了。

在这种情况下,只分割14个补丁,并让算法推断剩下的部分,与200个横截面的整个集合的专家分割一致,产生90%的一致性。只有三个补丁的人类细分产生了80%的协议。

“我认为,如果有人告诉我,我可以从200块中的8块中分割出整颗心,我不会相信它们,”戈兰德说。 “这对我们来说是一个惊喜。”

总之,样本斑块的人体分割和数字三维心脏模型的算法生成需要大约一个小时。 3D打印过程需要几个小时。

预测

目前,该算法检查未分割横截面的补丁,并在最近的分割横截面中查找相似的特征。但Golland认为,如果它也检查横跨几个横截面的斜面,它的性能可能会提高。算法的这个和其他变化是正在进行的研究的主题。

秋季的临床研究将涉及10位已经在波士顿儿童医院接受治疗的患者的MRI。 7名外科医生中的每一名都将获得所有10名患者的数据 - 有些可能不止一次。该数据将包括原始的MRI扫描,并且在随机的基础上,包括物理模型或计算机化的3-D模型,基于随机的人类分段或算法分割。

利用这些数据,外科医生将制定手术计划,并与每位患者进行干预措施的文件进行比较。希望这项研究能够揭示3-D印刷的物理模型是否实际上可以改善手术结果。

波士顿儿童医院的心脏外科医生Sitaram Emani表示:“绝对的,3D模型确实会有所帮助。”Sitaram Emani并不是这篇新论文的合着者。 “我们在少数病人身上使用了这种类型的模型,实际上在心脏上进行了”虚拟手术“以模拟真实情况。在减少检查心脏和进行修复所需的时间方面,这样做确实有助于真正的手术。“

“我认为,通过允许我们模拟和规划要使用的贴片的尺寸和形状,这也将减少残留病变的发生率 - 修复不完善 - ”Emani补充道。 “最终,基于该模型的3D打印补丁将允许我们为患者量身定制假肢。”

“最后,这极大地简化了与发现解剖混乱的家庭的讨论,”Emani说。 “这给他们提供了一个更好的视觉效果,许多患者和家属都评论了如何让他们更好地理解他们的状况。”

资料来源:麻省理工学院新闻节目Larry Hardesty