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CN111801050A - 使用增添方法的准直器的三维打印的系统和方法 - Google Patents

使用增添方法的准直器的三维打印的系统和方法 Download PDF

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CN111801050A
CN111801050A CN201880090921.8A CN201880090921A CN111801050A CN 111801050 A CN111801050 A CN 111801050A CN 201880090921 A CN201880090921 A CN 201880090921A CN 111801050 A CN111801050 A CN 111801050A
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Abstract

一种用于在三维打印机（510）上制造准直器（134）的方法，包括：获得准直器的设计规范（536），设计规范包括通道周界图案和整体准直器厚度；基于通道周界图案来确定第一数量的沉积物层排列类型；针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来确定相应第二数量的排列层元素（310、320、330）；针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来生成相应的序列集合，集合的数目等于针对对应沉积物层排列的相应第二数量；将相应的序列集合组装成三维打印文件（538）；将所述三维文件提供给三维打印机；以及基于所述三维文件的内容通过沉积材料的增添层来制造准直器。还公开了一种用于实现所述方法的系统以及一种非暂时性计算机可读介质。

Description

使用增添方法的准直器的三维打印的系统和方法
背景技术
单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像系统包括在研究下的对象（object-under-stuay）以及检测器（例如，光电倍增管等等）发射的放射性同位素的路径上的准直器。准直器设计的选择可能对SPECT系统的灵敏度和分辨率具有影响。
准直器充当伽玛（gamma）相机的前端，并且对所捕获图像的信噪比具有大的影响。准直器起作用以便在空间上控制到达检测器的伽玛射线的传播方向（即，视场）——类似于在可见光子波长中使用的透镜。SPECT准直器通常由吸收辐射的材料形成，其中未被吸收的光子可以到达检测器。
图1是常规SPECT扫描仪成像系统100的示图。SPECT扫描仪系统100包括台架（gantry）120，两个或更多个伽马相机130a、130b附接到该台架，尽管可以使用其他数目的伽马相机。伽马射线相机中的检测器132检测由躺在床150上的患者145的身体内的放射性同位素发射的伽马光子140。准直器134定位在所发射的光子与检测器之间。床150可沿运动轴线A滑动。在相应床的位置（即，成像位置）处，患者145身体的一部分定位在伽马相机130a、130b之间，并且该身体部分的图像被捕获。
控制处理器110可以执行指令以控制SPECT扫描系统的操作。运动控制/自动化模块112可以控制电动机、伺服机构（servo）和编码器，以使伽马相机130a、130b沿台架120旋转，并且使床150沿运动轴线（箭头A）移动。数据获取/图像处理模块114可以在伽马相机130a、130b的旋转和/或床150的移位期间获取所定义的成像位置点处的投影数据。所获取的数据可以存储在存储器118中。成像处理算法可以操纵所存储的投影数据来重建3D图像。所重建的3D图像可以显示在由操作员界面/显示模块116控制的交互式显示器上。
使用商业可获得的现有三维（“3D”）打印机来产生SPECT中常用的准直器图案的常规尝试尚未获得令人满意的结果。对准直器的常规3D打印无法满足医学成像所需的质量（例如，公差、均匀性、可制造性等）。
在利用商业可获得的增添（additive）过程以在3D打印机上产生医学模态准直器方面，存在巨大的挑战。一个原因在于由于被挤出的细丝打印材料的高粘度，因此使用3D打印机的增添过程无法保证所需的公差，而当嵌入有高密度和高原子序数（“Z”）材料（增加电离辐射的衰减所需的材料）时，会使该粘度甚至更高。相对于被挤出的材料流来控制进行挤出的打印头的位置和速度的限制也促成了该挑战。由于这些因素，直接从3D CAD文件产生立体光刻文件（例如，STL格式）的常规方法不是可行的解决方案。此外，通过3D打印来制造准直器的常规方法无法使用现有组件来产生满足医学成像的质量要求（公差、均匀性、可制造性等）的设备。
近年来，3D打印的准直器的供应商已经提出了绿色制造过程（例如，无铅且符合RoHS的制造过程），这些过程需要特殊的打印过程，这需要大量的投资并且增加了最终产品的成本。这些过程中没有一个已经成功地大规模生产以代替当前可用的铅准直器。这些常规3D打印的准直器的成本高于现有的铅准直器。
本领域中存在如下需要：即通过使用立体光刻文件中包含的信息来应用分层3D打印技术从而快速且准确地创建医学模态准直器。
附图说明
图1描绘了常规SPECT扫描仪成像系统；
图2A描绘了常规3D打印机轨迹路径；
图2B描绘了针对图2A的轨迹路径的所预测的所得累积沉积物（deposit）；
图2C描绘了针对图2A的轨迹路径的合成累积结果；
图3A描绘了根据实施例的3D打印机轨迹路径的多个层及其预测的累积沉积物；
图3B描绘了根据实施例的针对图3A中所描绘的个体层的合成结果以及针对图3A中所描绘的多个层的合成累积结果；
图4描绘了根据一些实施例的用以创建3D打印文件的过程；以及
图5描绘了根据实施例的用于产生准直器的3D打印机系统。
具体实施方式
体现的系统和方法实现了一种或多种分层排列（permutation）序列算法，该算法指定了被用来指示3D打印机使用增添分层过程来产生准直器的立体光刻（“STL”）文件的内容。使用3D打印机细丝逐层地挤出所打印的准直器，以形成适合于其预期医学模态的厚度的准直器。系统和方法以预定次序指定STL文件内的每个层表示，以实现能够在所需性能规范内操作的准直器。
通过这些技术制造的准直器可以适用于各种医学模态（例如，SPECT、CT以及其他）。出于本公开的目的，将讨论SPECT系统准直器。然而，本发明不限于此，应当容易理解的是，其他医学模态准直器也在本公开的范围内。
根据实施例，可以使用来自通过体现的算法创建的STL文件的现有组件来产生具有所需公差和整体质量并且具有大视场的3D打印的准直器。体现的系统和方法可以具有在快速原型制作（fast-prototyping）可操作的准直器中的直接应用，以用于测试/证明新的设计。体现的方法通过能够快速打印和测试新的准直器设计（针对性能兼容性/在经改进的图像重建算法下的影响）而相比于常规技术有所不同。
与现有技术的这种区别对于改进当前和未来的SPECT系统和应用具有很大的价值。体现的系统和方法使得使用商业可获得的3D打印现有组件来制造中等能量SPECT准直器成为可能。
图2A描绘了常规3D打印机轨迹路径200，该轨迹路径200图示了被打印头覆盖的区段。打印头在位置0处开始正向轨迹，并且在位置115处结束其行进；在从位置115到位置0的反向轨迹中使其自己按原路返回（re-trace）；以及重复正向和反向轨迹，直到分层材料处于指定高度为止。
图2B描绘了所预测的3D打印图案。从用于创建常规STL文件的CAD绘图的内容来看，该预测的图案可以是理想化的版本。图2C描绘了实际3D打印图案的图示，该图案是对准直器进行3D打印的常规方法的结果。
如图2A-2C的示例所图示的那样，在常规技术下，在使用利用现有组件的传统3D打印方法（正向轨迹、反向轨迹和重复循环）的同时使用CAD文件到STL文件的常规直接转换的情况下，难以维持准直器的所需大小和公差（很可能是不可能的）。
常规方法中的缺陷由如下原因引起：例如，在常规STL文件中详细描述的增添过程期间，3D打印头被要求沿着相同路径使其自己按原路返回；和/或在其轨迹期间通过急转弯（sharp turn）（例如，大约60°或更大）进行操纵。当由3D打印机根据常规STL文件提供的信息挤出常规材料来创建这些特征时，这些特征不能被正确地实现。
图3A描绘了根据实施例的3D打印机轨迹路径的多个层310、320、330以及所预测的累积沉积物340。多个层310、320、330中的每一个表示打印头的相应轨迹路径，其中每个层描述相应的路径，打印头不会沿着该相应的路径使其自己按原路返回以产生该相应个体层。对于该示例，该多个层在重叠时形成三角形格栅。
层310描绘了具有两组所连接的大约平行的线的打印头路径，其中一组线与另一组线正交。打印头沿着轨迹路径移动。层320描绘了打印头路径，其中一组线从其在层310中的位置对角地顺时针旋转（约60°）。类似地，层320描绘了打印头路径，其中该同一组线从其在层310中的位置对角地逆时针旋转（约-60°）。
通过将这三个不同的层310、320、330的连续分组按一个分组在另一个分组之后地进行堆叠，形成了三角形孔式的预测累积沉积物340。这些层相对于彼此关于沉积物的水平面而定位，使得3D打印层的重叠部分在大约其中心处截断（intercept）。根据实施例，这些分组可以遵循非重复排列序列；或随机序列。
多个层中的每一个层的轨迹路径由体现的算法（如下所描述）来确定。该算法接收针对医学模态准直器的设计规范参数。该设计规范可以采用CAD文件的形式，该文件描述了要在3D打印机上打印的准直器的设计。在其他实现方式中，该设计规范可以被存储为一个或多个数据库记录（例如，对象、表格数据等）或其他格式。
图3B描绘了根据实施例的针对图3A中所描绘的个体层310、320、330的合成结果360、370、380以及针对图3A中所描绘的多个层的合成累积结果390。
图2C中所图示的常规的合成累积结果（通过沿着相同打印头路径按原路返回的多个循环而产生）不会导致准直器具有相等长度的笔直间隔物（septa）以形成图2B中所描绘的六边形通道。然而，根据实施例所产生的合成累积结果380导致了大约相等长度的笔直间隔物，以形成具有大约相等的边的三角形周界，从而导致准直器具有大约三角形的通道矩阵。
根据实施例，可以通过对打印机路径层310、打印机路径层320和打印机路径层330的分组进行堆叠以创建三角形图案来产生由合成累积结果390表示的物理准直器。被挤出的材料在准直器视场内的沉积是沿直线进行的，其中所有转弯都在视场之外做出。所堆叠的分组层的多个复制（rendition）被沉积以将间隔物壁构造成期望的高度。根据实现方式，可以产生具有六边形、正方形、三角形或其他周界通道的准直器。
根据实施例，每个所堆叠的分组内的多个路径的排序可以在组之间变化。在一些实现方式中，堆叠分组内的排序可以是顺序的（例如，ABC、ABC、ABC、……）、阶梯式的（例如，ABC、BCA、CAB、……）、随机的（ABC、BAC、CBA、……）、或非重复排列——其中“A”、“B”和“C”表示不同类型的3D打印头轨迹路径图案（例如，层310、320、330）。堆叠分组中的变化可以减少3D打印的准直器中的制造成像伪影，因此改进了其整体性能。层和/或连续层的厚度也可以减少制造成像伪像，并且因此改进了准直器性能。
对于医学模态准直器的给定设计规范，可以确定以下参数：
p！：在没有重复的情况下的p个类型的层的排列数目；
n：3D打印层的数目；
p：层的类型的数目；
d：3D打印层的厚度；以及
t：整体准直器厚度。
例如，对于三角形孔式准直器，p=3（层）并且p！=6（层排列类型的数量）。根据一种实现方式，排列的序列可以是：
层分组排列＃1：[A，B，C]；
层分组排列＃2：[B，A，C]；
层分组排列＃3：[C，A，B]；
层分组排列＃4：[A，C，B]；
层分组排列＃5：[B，C，A]；
层分组排列＃6：[C，A，B]。
基于准直器设计规范，体现的系统和方法可以确定层排列的数目以及每层内的分组图案。例如，可以如下确定非重复排列序列：
可以预先生成非重复排列序列的数量（l），以用于存储在存储器中：
Figure 255050DEST_PATH_IMAGE001
其中k l 表示第l个排列序列中的元素的数量。例如，对于p = 3，
k 0 =18：
Figure 117964DEST_PATH_IMAGE002
k 1 =108：
Figure 342272DEST_PATH_IMAGE003
以及，k 2 =648：
Figure 403769DEST_PATH_IMAGE004
Figure 688120DEST_PATH_IMAGE005
。
这些序列是使用先前所排列的序列的排列来生成的。以下内容是体现的逐步描述：
1）以不同类型的层A、B、C（例如，层310、层320、层330）开始，定义了序列A'、B'和C'的初始集合（例如，A'= A、B' = B并且C'= C）：A'= [A]，B'= [B]，C'= [C]；
2）基于从步骤1获得的“A'B'C'”的先前值来生成“ABC”的非重复序列，其中基本排列序列（A'B'C'）不改变：[A'，B'，C']；[B'，A'，C']；[C'，A'，B']；[A'，C'，B']；[B'，C'，A']；[C'，A'，B']；
3）基于先前的步骤，通过将先前的序列细分到三个连续区域中来针对A'、B'和C'定义新的值：A'= [A，B，C，B，A，C]，B'= [C，A，B，A，C，B]，C'= [B，C，A，C，A，B]（参见上面的k0=18）；
4）基于从先前步骤获得的“A'B'C'”的值来生成“ABC”的非重复序列，其中基本排列序列“A'B'C'”不改变：[A'，B'，C']；[B'，A'，C']；[C'，A'，B']；[A'，C'，B']；[B'，C'，A']；[C'，A'，B']（参见上面的k1=108）；
5）基于先前的步骤，通过将先前的序列细分在三个连续区域中，用新的值来定义A'、B'和C'：
Figure 100646DEST_PATH_IMAGE006
6）基于从先前步骤获得的A'B'C'的值来生成ABC的非重复序列，其中基本排列序列A'B'C'不改变：[A'，B'，C']；[B'，A'，C']；[C'，A'，B']；[A'，C'，B']；[B'，C'，A']；[C'，A'，B']（参见上面的k2 = 648）；
7）重复上述步骤，直到生成了满足基于层厚度d和整体准直器厚度t（即，
Figure 800749DEST_PATH_IMAGE007
）的准直器设计规范的序列为止。
在知晓预先生成的排列序列（步骤1-7）的情况下，可以基于整体准直器厚度与层厚度的比率（t/d）以及每个排列的成员数目（k i ）来组装针对STL文件的3D打印序列：
如果
Figure 982332DEST_PATH_IMAGE008
，则从k 0 中抓取数量m个序列元素。例如，如果m=12，则层的序列可以是序列k 0 中的前十二个元素——[A，B，C，B，A，C，C，A，B，A，C，B]。
如果
Figure 172005DEST_PATH_IMAGE009
，则从k 1 中抓取数量m个序列元素。例如，如果m=30，则层的序列由序列k 1 中的前30个元素组成——[A，B，C，B，A，C，C，A，B，A，C，B，B，C，A，C，A，B，C，A，B，A，C，B， A，B，C，B，A，C]。
如果
Figure 71827DEST_PATH_IMAGE010
，则从k 2 中抓取数量m个序列元素。例如，如果m =640，则层的序列由序列k 2 中的前640个元素组成。
图4是根据实施例的用以创建用于制造打印准直器的STL文件的过程400的流程图。根据实施例，STL文件包括用以控制3D打印机产生分层打印头路径的分组的指令。
在步骤410，接收针对医学模态准直器的设计规范参数。可以从CAD文件、（一个或多个）数据库记录或其他存储器和/或文件中获得参数。参数可以包括准直器通道图案（例如，正方形、三角形、六边形等）、间隔物壁宽度、整体准直器厚度。
在步骤420，确定沉积物层排列序列的数目。层的数目与形成通道的壁的数目有关（例如，三角形通道具有3个排列序列）。在步骤430，计算针对每个层要沉积的排列层元素的数目（k l ）。排列层的数目与沉积物层厚度和整体准直器设计规范厚度有关。针对每个排列层，在步骤440，生成由基本排列序列形成的一定数量的序列。序列的数量取决于层的厚度。
一旦生成了针对每个排列层的序列，就可以在步骤450组装这些排列层以形成3D打印机文件，例如STL格式文件和/或对象。可以在步骤460将组装的3D打印文件提供给3D打印机。通过遵循在3D打印文件中指定的排列序列和层，在步骤470，3D打印机可以基于所组装的排列层集合来制造医学准直器。
图5描绘了根据实施例的用于产生医学模态准直器的3D打印机系统500。系统500包括3D打印机510，该3D打印机510跨电子网络（未示出）与控制处理器520进行通信。控制处理器520可以访问数据存储装置530中的可执行指令532，这使控制处理器对系统500的组件进行控制。专用硬件、软件模块和/或固件可以实现本文中公开的体现的服务。
分层序列算法534可以由控制处理器来执行，以实行上面概述的步骤，从而创建3D打印文件538，该3D打印文件538向3D打印机510指定了具有每个层内的排列的增添层的定序以创建医学模态准直器。可以将针对医学模态准直器的规范存储在准直器设计规范536中，或者跨电子通信网络将其提供给控制处理器。预先生成的排列序列539还可以由处理器来存储和访问，以用于生成序列集合。
根据一些实施例，存储在非易失性存储器或计算机可读介质（例如，寄存器存储器、处理器高速缓存、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪速存储器、CD ROM、磁性介质等）中的计算机程序应用可以包括代码或可执行指令，该代码或可执行指令在被执行时可以指示和/或使控制器或处理器实行本文中公开的方法，诸如用以产生立体光刻文件以指示3D打印机制造3D打印准直器的方法，如上所描述的那样。
计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质，其包括所有形式和类型的存储器以及除了暂时性传播信号之外的所有计算机可读介质。在一个实现方式中，非易失性存储器或计算机可读介质可以是外部存储器。
尽管在本文中已经描述了特定的硬件和方法，但是要注意的是，根据本发明的实施例，可以提供任何数目的其他配置。因此，虽然已经示出、描述和指出了本发明的基本新颖特征，但是应当理解的是，本领域技术人员可以在所说明的实施例的形式和细节及其操作方面做出各种省略、替换和改变，而不脱离本发明的精神和范围。从一个实施例到另一个实施例的元素的替换也是完全意图且预期的。仅关于所附权利要求以及其中的陈述的等同物来限定本发明。

Claims (15)

1.一种用于在三维打印机（510）上制造准直器（134）的方法，所述方法包括：
获得准直器的设计规范（536），设计规范包括通道周界图案和整体准直器厚度；
基于通道周界图案来确定第一数量的沉积物层排列类型；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来确定相应第二数量的排列层元素（310、320、330）；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来生成相应的序列集合，集合的数目等于针对对应沉积物层排列的相应第二数量；
将相应的序列集合组装成三维打印文件（538）；
将所述三维文件提供给三维打印机；以及
基于所述三维文件的内容通过沉积材料的增添层来制造准直器。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：通过访问数据存储记录和接收文件中的一个来获得设计规范。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：将所述第一数量确定为通道周界图案的阶乘函数。
4.根据权利要求1所述的方法，每个相应的序列集合包括：要由三维打印机打印的个体增添层的一系列图案。
5.根据权利要求1所述的方法，包括：
基于一个或多个通道周界图案配置来预先生成排列序列；
将预先生成的排列序列存储在数据记录中；以及
生成序列集合包括访问预先生成的排列序列（539）。
6.根据权利要求1所述的方法，生成序列集合包括：
基于所述第一数量来定义初始基本排列序列；
生成排列的第一序列，每个排列包含多个非重复元素，其中所述非重复元素包括多个基本排列序列；
将第一序列细分成一定数量的连续区域，所述连续区域的数量等于所述第一数量；
生成排列的第二和更多序列；
将第二和更多序列中的每一个附加到第一序列；
如果第一序列不包括满足基于三维打印机的增添层厚度和整个准直器厚度的准直器设计要求的一定数量的排列，则重复所述生成和细分步骤。
7.一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有指令，所述指令在由处理器执行时使处理器实行用于在三维打印机（510）上制造准直器（134）的方法，所述方法包括：
获得准直器的设计规范（536），设计规范包括通道周界图案和整体准直器厚度；
基于通道周界图案来确定第一数量的沉积物层排列类型；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来确定相应第二数量的排列层元素（310、320、330）；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来生成相应的序列集合，集合的数目等于针对对应沉积物层排列的相应第二数量；
将相应的序列集合组装成三维打印文件（538）；
将所述三维文件提供给三维打印机；以及
基于所述三维文件的内容通过沉积材料的增添层来制造准直器。
8.根据权利要求7所述的介质，包括使处理器实行如下步骤的指令：通过访问数据存储记录和接收文件中的一个来获得设计规范。
9.根据权利要求7所述的介质，包括使处理器实行如下步骤的指令：将所述第一数量确定为通道周界图案的阶乘函数。
10.根据权利要求7所述的介质，包括使处理器实行如下步骤的指令：在每个相应的序列集合中，包括要由三维打印机打印的个体增添层的一系列图案。
11.根据权利要求7所述的介质，包括使处理器实行如下步骤的指令：
基于一个或多个通道周界图案配置来预先生成排列序列；
将预先生成的排列序列存储在数据记录中；以及
生成序列集合包括访问预先生成的排列序列（539）。
12.根据权利要求7所述的介质，包括使处理器实行生成序列集合的步骤的指令，生成序列集合通过包括如下内容来进行：
基于所述第一数量来定义初始基本排列序列；
生成排列的第一序列，每个排列包含多个非重复元素，其中所述非重复元素包括多个基本排列序列；
将第一序列细分成一定数量的连续区域，所述连续区域的数量等于所述第一数量；
生成排列的第二和更多序列；
将第二和更多序列中的每一个附加到第一序列；以及
如果第一序列不包括满足基于三维打印机的增添层厚度和整个准直器厚度的准直器设计要求的一定数量的排列，则重复所述生成和细分步骤。
13.一种用于在三维打印机（510）上制造准直器（134）的系统，所述系统包括：
与控制处理器（520）通信的三维打印机；
与数据存储装置（530）通信的控制处理器，所述数据存储装置包括使控制处理器实行方法的可执行指令（532），所述方法包括：
获得准直器的设计规范（536），设计规范包括通道周界图案和整体准直器厚度；
基于通道周界图案来确定第一数量的沉积物层排列类型；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来确定相应第二数量的排列层元素（310、320、330）；
针对沉积物层排列中的每个相应的沉积物层排列来生成相应的序列集合，集合的数目等于针对对应沉积物层排列的相应第二数量；
将相应的序列集合组装成三维打印文件（538）；
将所述三维文件提供给三维打印机；以及
基于所述三维文件的内容通过沉积材料的增添层来制造准直器。
14.根据权利要求13所述的系统，所述可执行指令使控制处理器实行所述方法，所述方法通过包括如下内容来进行：
基于一个或多个通道周界图案配置来预先生成排列序列；
将预先生成的排列序列存储在数据记录中；以及
生成序列集合包括访问预先生成的排列序列（539）。
15.根据权利要求13所述的系统，所述可执行指令使控制处理器实行所述方法，所述方法通过在生成序列集合的步骤中包括如下内容来进行：
基于所述第一数量来定义初始基本排列序列；
生成排列的第一序列，每个排列包含多个非重复元素，其中所述非重复元素包括多个基本排列序列；
将第一序列细分成一定数量的连续区域，所述连续区域的数量等于所述第一数量；
生成排列的第二和更多序列；
将第二和更多序列中的每一个附加到第一序列；以及
如果第一序列不包括满足基于三维打印机的增添层厚度和整个准直器厚度的准直器设计要求的一定数量的排列，则重复所述生成和细分步骤。
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