《Frontiers in Neuroinformatics》：A 3D-printed phantom to validate subject orientation in 3D imaging and recordings
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本研究提出了一种由3D打印标记系统定义的模型体模，该系统表征一个解剖坐标系。该模型体模旨在用于磁共振（MRI）和X射线成像设备，以验证采集参数并防止图像采集和处理过程中的侧别错误。该体模允许在容积的所有正交切面上可视化坐标轴——左-右（LR）、后-前（PA）和
本研究提出了一种由3D打印标记系统定义的模型体模，该系统表征一个解剖坐标系。该模型体模旨在用于磁共振（MRI）和X射线成像设备，以验证采集参数并防止图像采集和处理过程中的侧别错误。该体模允许在容积的所有正交切面上可视化坐标轴——左-右（LR）、后-前（PA）和下-上（IS）。研究人员还提出了一种计算方法，该方法以模型体模为参考，能够自动检测和校正RAS坐标系统表示中的翻转（flip）和置换（permutation）。在我们平台上使用的四种模态上测试该体模，随后将记录转换为神经影像信息技术（NIfTI）格式，使得在5种配置中有4种能够进行检测、校正和调整。3D打印模型和定向检测/校正代码以开源和开放获取资源的形式与学术界共享，以实现快速、经济且便捷的生产。
在医学影像领域，确保磁共振成像（MRI）扫描仪或计算机断层扫描（CT）扫描仪采集的三维（3D）容积图像的正确定向，是一项复杂且具有挑战性的任务。制造商、临床医生、放射科医生、神经科医生以及生物学研究人员使用着多种不同的坐标系统，例如设备坐标系（XYZ）、用于数字成像和通信医学（DICOM）格式的标准解剖坐标系（LPS）以及神经影像信息技术（NIfTI）通用的右-前-上（RAS）坐标系。这种复杂性源于受试者在设备内的放置方式（如仰卧位或俯卧位、头部先进或足部先进）、不同物种的解剖结构差异，以及后处理软件的多样性。其中，左右侧别（left-right）的翻转是一种不幸但极为常见的错误，特别是在涉及小动物研究时，动物常以俯卧位进入扫描仪，其头部自然朝向与人类不同，极易引发定向混淆。目前，虽然存在算法解决方案或商业标记物，但似乎仍缺乏一种简单、可靠、经济且通用的系统，能够在采集或处理的所有视图中验证定向。本研究提出并验证了一种小型3D打印模型体模，它能够通过视觉检查在成像流水线的任何步骤中评估受试者的定向，并结合一种自动化的计算方法来检测和校正可能引入的翻转与置换，从而确保整个成像流程中定向的准确性和可交换性。
研究人员采用Blender三维计算机图形学软件进行模型体模的计算机辅助设计（CAD），设计了三个可独立打印并组装的部件，每个部件包含带有特定符号（如L、R、I、S、P、A）的基准柱，用于指示解剖平面（冠状面、矢状面、轴位面）的方向轴。部件使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料，在UltiMaker S3打印机上完成打印。组装后的系统被置于一个标准透明聚乙烯圆柱管中，并填充水（MRI）或保持干燥（CT）以进行成像。实验使用了四种不同的成像设备：一台用于小动物的4.7T临床前MRI扫描仪（Bruker BioSpec 47/40）、一台微型CT扫描仪（VivaCT40）、一台小型动物放射研究平台（SARRP）的电子门户成像设备以及一台3.0T全身MRI扫描仪（Philips Achieva）。获取的原始数据（如Bruker格式、DICOM格式）通过专用软件（如brkraw、dcm2niix以及实验室内部开发的MRI文件管理器）转换为NIfTI格式，并利用MRIcron或nibabel库进行可视化和定向分析。提出的自动化检测方法包括三个步骤：首先，基于模型体模的三维结构生成不同分辨率的模板；其次，通过模拟所有可能的翻转、置换和平移组合（共48种基本配置），并计算与待测体积的余弦相似度得分，以识别最佳匹配配置；最后，根据检测到的翻转和置换矩阵，推导并计算用于校正原始仿射变换矩阵（Affine Transform）的变换矩阵，从而将数据精确对齐至RAS坐标系。
研究结果表明，该3D打印模型体模在验证成像定向和校正数据转换方面具有显著效果。在针对小动物的4.7T MRI扫描仪采集实验中，模型体模帮助研究人员验证了使用brkraw软件将Bruker原始数据转换为NIfTI格式的过程，并发现了内部开发软件MRI文件管理器以及nibabel可视化函数中的程序错误，从而进行了修复。对于微型CT扫描仪的采集，数据转换为NIfTI格式后，其仿射变换初始设置不符合俯卧位小动物的定向需求，研究人员通过nibabel库手动修改仿射矩阵，成功校正了切面方向，实现了定向的有效性。在使用SARRP门户成像设备进行二维（2D）X射线图像采集时，模型体模的立方体展开图帮助研究人员直观理解了不同体位和机架旋转角度下产生的投影图像，并从中筛选出无需额外后处理即可获得冠状位、矢状位和轴位投影的最简配置方案。针对3.0T人体MRI扫描仪，当使用为人体仰卧位设置的参数来采集俯卧位小动物模型体模时，设备软件中的预览图像虽能正确显示，但导出的NIfTI文件定向错误，必须通过修改仿射变换矩阵进行后处理校正；而当模型体模以标准人体仰卧位放置并采集时，则能获得定向正确的NIfTI文件。此外，提出的自动翻转与置换检测算法对所有五种采集配置（包括使用不同转换软件的同一模态）进行了验证。在四种产生错误定向的配置中，该算法均能可靠地检测出问题，并计算出所需的校正参数；在唯一一种定向已正确的配置中，算法也给出了正确判断，验证了其在包括空间分辨率极限情况下的鲁棒性和有效性。
在讨论与结论部分，研究人员指出，该3D打印模型体模与自动化计算方法相结合，为验证三维容积定向提供了一种双重方法：既能在采集和处理的各个阶段通过视觉检查进行快速验证，也能通过计算进行优化校正。与依赖解剖模板进行侧别评估的方法相比，该模型体模提供了一种在应用于真实研究对象之前，就能在标准化模型上明确、无歧义地验证整个处理流水线的有效工具。通过对不同设备上的模型体模进行实验，研究人员成功调整了三个数据转换流水线，确保了NIfTI格式输出的定向正确性，并优化了一个采集协议，使其无需后处理即可获得正确图像。模型体模的设计具有高度的可适应性和可扩展性，能够根据不同的研究约定、定向、受试体位或嵌入需求进行定制。它不仅有助于建立清晰的数据共享流程，还深化了研究人员对所用设备、操作规范、数据标准及软件的理解，是验证新配置和进行教学的宝贵资源。
本研究提出了一种易于制造的3D打印模型体模，任何使用MRI或CT扫描仪的研究人员均可制作。该原型能够在数据采集和预处理阶段有效验证左右侧别定向。研究人员提出并评估了一种自动检测和校正翻转与置换的方法。考虑到成像参数的复杂性和三维成像设备的多样性，该模型体模简化了将数据重新定向为本研究使用的NIfTI格式的流水线开发过程，这对于确保研究社区内标准化数据集的共享至关重要。该框架具有高度适应性，可根据不同的惯例、特定的定向、受试体位或嵌入要求进行调整。
