通过3D光度扫描对福尔马林保存的心脏标本进行数字化管理：关于最新存档技术和优化的报告

《Cardiology Clinics》：Digital Curation of Formalin-Preserved Heart Specimens via 3D Photometric Scanning: A Report on Recent Archiving Techniques and Optimizations

数字存档技术为保存和利用湿性心脏标本提供了新方法。本研究采用手持式3D扫描仪和定制悬置装置，通过光摄影测量法对90例心脏标本进行数字化重建，结果显示扫描生成的3D模型能准确还原解剖细节，包括复杂内腔结构，颜色还原度达92.3%。该技术克服了微CT对湿标本成像不佳的局限，保存了1950年代至今的历史标本数据，特别对未手术先天性心脏缺陷标本的保存具有显著价值。云平台已实现模型共享。

　　

克里斯塔尔·卡特·卡雷昂（Chrystalle Katte Carreon）|斯蒂芬·P·桑德斯（Stephen P Sanders）|凯尔·M·麦克拉里（Kyle M McClary）|丹妮尔·麦克拉里（Danielle McClary）

无

摘要

背景

存档的心脏标本对于理解先天性心脏病（CHDs）和后天性心脏病具有无可估量的价值。然而，标本的物理退化以及尸检率的下降限制了新标本的采集和使用。虽然微CT扫描已被用于数字化存档浸蜡保存的标本，但我们收集的大多数心脏标本都是用福尔马林浸泡保存的湿标本，对于这类标本来说，微CT扫描的效果并不理想。

目的

本研究评估了摄影测量技术作为一种实用且高保真的数字存档方法，适用于湿心脏标本。

方法

使用手持式Artec Space Spider 3D扫描仪对90个代表多种先天性心脏病及其他心脏疾病的湿心脏标本进行了数字化处理。为了优化表面覆盖效果，这些标本通过定制装置进行悬挂。扫描数据通过Artec Studio进行处理，并在Blender中进一步精加工，生成了解剖结构准确、带有纹理的3D模型。两位经验丰富的心脏形态学家将数字重建结果与实物标本进行了比对验证。

结果

摄影测量技术生成了高分辨率、色彩准确的3D模型，精确再现了包括复杂内部结构在内的解剖细节。定制的悬挂装置显著提升了可视化效果，尤其是对内部腔室的观察。面临的挑战包括扫描较小、颜色较深的标本以及精细的瓣膜结构，这些情况需要手动后期处理。这些数字模型可通过云平台供研究和教育用途使用。

结论

摄影测量是一种实用且有效的方法，可用于湿心脏标本的数字存档，从而保护宝贵的解剖数据，并减少因标本退化造成的损失。该技术提高了标本的可用性，增强了在先天性心脏病及其他心脏疾病研究中的教育和临床应用。

引言

我们存档的心脏标本是一个宝贵的资源，我们经常利用它来研究和教授先天性心脏病的解剖结构。这一资源惠及了多个学科领域，包括心脏外科、心脏病学、病理学、医学教育以及基础科学研究。

目前，我们的收藏中包含超过4000颗可追溯至20世纪50年代的心脏标本。其中许多标本未经修复，保留了其原始解剖结构；另一些则经过手术修复，对于了解各自时代先天性心脏病的治疗方式具有历史意义。然而，由于频繁的搬运和使用，许多标本已经开始出现物理退化。近年来，全球范围内尸检数量显著减少[1,2]，这限制了新先天性心脏病标本的补充。此外，我们通过尸检或心脏移植获得的大多数心脏都经历了手术干预，通常涉及复杂的修复过程。尽管这些术后心脏对于研究先天性心脏病的治疗演变仍然具有价值，但它们无法提供未经修复标本所具有的独特解剖信息。这一趋势进一步凸显了保护我们历史收藏的紧迫性，促使我们探索创新的数字保存方法以防止进一步损失[3,4]。2022年，我们团队发表了使用微CT扫描技术对浸蜡保存的心脏标本进行数字化存档的经验，由此创建了一个全球免费开放的数字图书馆（网址：https://www.sketchfab.com/heartmodels/collections）。

尽管我们在浸蜡保存的心脏标本方面取得了成功，但我们的收藏中仍有超过95%的标本是湿标本，而微CT扫描对于这类标本的效果并不理想。摄影测量技术（也称为3D光度测量或结构光扫描）是一种实用的科学方法，它利用空间配准的照片来创建物体的3D模型。该技术结合了摄影、视频和数字建模的优点，同时减少了它们的许多局限性。具体步骤包括从多个角度拍摄物体的2D图像，然后使用专用软件对这些图像进行对齐，构建出定义物体三维结构的“点云”。通过连接这些点生成线框模型，再创建表面网格，最后将原始照片映射到网格上，以实现真实的色彩和纹理效果，从而得到既保留物体几何形态又呈现表面外观的3D模型[[5], [6], [7]]。摄影测量技术已被应用于地理空间测量、地形绘制、数字高程模型和正射影像的制作等领域，并越来越多地用于数字化博物馆标本（包括保存在罐中的湿标本[9]，以及最近的人类解剖标本[5,8,10]）。在本研究中，我们探讨了摄影测量技术在湿心脏标本数字存档中的实用性，并介绍了我们的方法及在此过程中获得的实践经验。

部分内容摘要

标本选择

为了指导标本选择，我们编制了一份涵盖常见先天性心脏病及其变异类型的详细目录。从波士顿儿童医院的Stella和Richard Van Praagh心脏登记库中选取了90颗心脏标本，这些标本的解剖特征清晰完整，能够有效展示多种常见的先天性心脏病。

扫描前的标本定位优化

扫描前，对标本进行了详细的解剖评估和关键结构的识别

结果

共成功扫描了90颗心脏标本，包括正常心脏（包括心脏位置反位的情况）、16种先天性心脏病的解剖变异类型以及4种其他疾病类别的标本（见表1）。

讨论

现代先天性心脏病诊断和管理的进步得益于对畸形心脏解剖结构的深入理解。这种理解为现代化检测工具和改进外科矫正技术奠定了基础[11]。这一进展得益于拥有活跃的心脏病学、心脏外科和心脏病理学部门的学术中心之间的多学科合作，使得系统化的研究成为可能

作者贡献声明

克里斯塔尔·卡特·卡雷昂（Chrystalle Katte Carreon）：撰写初稿、可视化处理、结果验证、项目监督、资源协调、方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。斯蒂芬·P·桑德斯（Stephen P Sanders）：撰写与编辑、项目监督、方法设计、实验设计、数据分析、概念构思。凯尔·M·麦克拉里（Kyle M McClary）：撰写与编辑、软件应用、资源协调、项目监督、方法设计、实验设计、资金支持