يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تشريح طباعة Voxel: تصميم وتصنيع نماذج التخطيط الواقعية قبل الجراحة من خلال الطباعة النقطية

2.8K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/63214

⸱

فبراير 9, 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Inworks Innovation Initiative, University of Colorado-Anschutz, 2Department of Mechanical Engineering, University of Colorado-Boulder

في هذه المقالة

ملخص

توضح هذه الطريقة سير عمل الطباعة ثلاثية الأبعاد القائم على voxel ، والذي يطبع مباشرة من الصور الطبية بدقة مكانية دقيقة ودقة مكانية / تباين. وهذا يتيح التحكم الدقيق والمتدرج في توزيعات المواد من خلال مواد معقدة مورفولوجيا ومتدرجة مرتبطة بالكثافة الراديوية دون فقدان البيانات أو تغييرها.

الملخص

اقتصرت معظم تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) للتخطيط قبل الجراحة على الهياكل العظمية والأوصاف المورفولوجية البسيطة للأعضاء المعقدة بسبب القيود الأساسية في دقة وجودة وكفاءة نموذج النمذجة الحالي. وقد تجاهل هذا إلى حد كبير الأنسجة الرخوة الحرجة لمعظم التخصصات الجراحية حيث يكون الجزء الداخلي من الكائن مهما وتنتقل الحدود التشريحية تدريجيا. لذلك ، فإن احتياجات صناعة الطب الحيوي لتكرار الأنسجة البشرية ، التي تعرض مقاييس متعددة من التنظيم وتوزيعات المواد المختلفة ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل.

تظهر هنا تقنية جديدة لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مباشرة من الصور الطبية ، والتي تتفوق في الدقة المكانية والتباين على طرق النمذجة ثلاثية الأبعاد الحالية وتحتوي على دقة مكانية لم تكن قابلة للتحقيق سابقا وتمايز الأنسجة الرخوة. كما يتم تقديم قياسات تجريبية لمركبات جديدة مصنعة بشكل إضافي تمتد عبر سلسلة من صلابة المواد التي شوهدت في الأنسجة البيولوجية الرخوة من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب. تسمح طرق التصميم والطباعة الحجمية الفريدة هذه بالتعديل الحتمي والمستمر لصلابة المواد واللون. تمكن هذه القدرة من تطبيق جديد تماما للتصنيع المضاف للتخطيط قبل الجراحة: الواقعية الميكانيكية. كمكمل طبيعي للنماذج الحالية التي توفر مطابقة المظهر ، تسمح هذه النماذج الجديدة أيضا للمهنيين الطبيين "بالشعور" بخصائص المواد المتغيرة مكانيا لمحاكي الأنسجة - وهي إضافة مهمة إلى مجال يلعب فيه الإحساس باللمس دورا رئيسيا.

المقدمة

حاليا ، يدرس الجراحون العديد من طرق التصوير المنفصلة ثنائية الأبعاد (2D) التي تعرض بيانات متميزة للتخطيط للعمليات على مرضى 3D. علاوة على ذلك ، فإن عرض هذه البيانات على شاشة 2D ليس قادرا تماما على توصيل المدى الكامل للبيانات التي تم جمعها. مع نمو عدد طرق التصوير ، فإن القدرة على تجميع المزيد من البيانات من الطرائق المتميزة ، والتي تظهر مقاييس متعددة للتنظيم ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل الرقمي والمادي لتكثيف المعلومات وتنظيمها من أجل تخطيط جراحي أكثر فعالية وكفاءة.

ظهرت نماذج مطبوعة بتقنية 3D والخاصة بالمريض كأداة تشخيصية جديدة للتخطيط الجراحي ثبت أنها تقلل من وقت التشغيل والمضاعفات الجراحية1. ومع ذلك ، فإن العملية تستغرق وقتا طويلا بسبب طريقة الطباعة الحجرية المجسمة القياسية (STL) للطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تظهر فقدانا مرئيا للبيانات وتجعل الكائنات المطبوعة كمواد صلبة ومتجانسة ومتساوي الخواص. ونتيجة لذلك ، اقتصرت الطباعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط الجراحي على الهياكل العظمية والأوصاف المورفولوجية البسيطة للأعضاء المعقدة 2. هذا القيد هو نتيجة لنموذج تصنيع عفا عليه الزمن يسترشد بمنتجات واحتياجات الثورة الصناعية ، حيث يتم وصف الأشياء المصنعة بالكامل من خلال حدودها الخارجية 3. ومع ذلك ، فإن احتياجات صناعة الطب الحيوي لتكرار الأنسجة البشرية ، والتي تعرض مقاييس متعددة من التنظيم وتوزيعات المواد المختلفة ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل تمثل الاختلافات عبر الحجم بأكمله ، والتي تتغير نقطة بنقطة.

لمعالجة هذه المشكلة ، تم تطوير تقنية التصور والنمذجة ثلاثية الأبعاد (الشكل 1) واقترنت بعملية تصنيع مضافة جديدة تتيح تحكما أكبر في خلط وترسب الراتنجات بدقة فائقة. هذه الطريقة ، التي تسمى الطباعة النقطية ، تكرر التشريح البشري عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة من الصور الطبية على مستوى من الدقة المكانية والدقة المكانية / التباين لتكنولوجيا التصوير المتقدمة التي تقترب من 15 ميكرومتر. وهذا يتيح التحكم الدقيق والمتدرج المطلوب لتكرار الاختلافات في الأنسجة الرخوة المعقدة مورفولوجيا دون فقدان أو تغيير البيانات من صور المصدر التشخيصي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

ملاحظة: تم استخدام برنامج حوسبة الصور الطبية ثلاثية الأبعاد Slicer4 (انظر جدول المواد) للعمل المنجز في الأقسام من 1 إلى 3.

1. إدخال البيانات

  1. افتح برنامج حوسبة الصور الطبية، وانقر فوق الزر ملف وDICOM من القائمة المنسدلة، وانتظر حتى يتم فتح نافذة متصفح DICOM.
    1. في نافذة مستعرض DICOM ، حدد استيراد. انتظر حتى تظهر النافذة المنبثقة استيراد ملفات DICOM من الدليل .
    2. انتقل إلى مكدس ملفات DICOM وانقر فوق الزر استيراد .
    3. تأكد من تحميل المكدس المحدد من ملفات DICOM في مستعرض DICOM. تأكد من أن البيانات قد تم ملؤها بشكل صحيح وتتطابق مع الدراسة المطلوبة في الفئات التالية: المريض والدراسة والسلسلة والمثيل.
      1. انقر فوق خانة الاختيار خيارات متقدمة لتنشيط بيانات تعريف إضافية. حدد رقم السلسلة المطلوب وانقر فوق الزر فحص . تأكد من أن التسلسل المطلوب لا يعرض تحذيرات. انقر فوق خانة الاختيار الموجودة بجوار ملف بيانات DICOM المطلوب | تحميل.
        ملاحظة: حدد الصور الأعلى دقة باستخدام أنحف اكتساب شريحة لأن هذه الطريقة قادرة على الطباعة بسماكة شريحة 15 ميكرومتر و27 ميكرومتر.
  2. لعرض وحدة التخزين، بمجرد تحميل التسلسل في برنامج حوسبة الصور الطبية، انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد وحدة عرض مستوى الصوت من القائمة المنسدلة.
    1. في الوحدة النمطية لعرض وحدة التخزين ، حدد اسم التسلسل من القائمة المنسدلة مستوى الصوت لتنشيط مكدس الصور وترجمة البيانات إلى وحدة تخزين صوتية. تأكد من أن اسم الوحدة النمطية النشطة يتطابق مع التسلسل المطلوب المحدد في الخطوة 1.1.3.1.
    2. انقر فوق أيقونة Eye Ball بجوار القائمة المنسدلة مستوى الصوت لتصور مستوى الصوت المحدد في 3D. تأكد من أن نافذة العرض ثلاثية الأبعاد مفتوحة وأن تمثيل 3D بتدرج رمادي مرئي.
    3. بعد ذلك، انقر فوق السهم الموجود بجوار خيارات متقدمة لفتح الأدوات المتقدمة. حدد علامة التبويب خاصية مستوى الصوت لفتح مجموعة من عناصر التحكم لتعديل قناة اللون لنموذج voxel.
    4. انتقل إلى قائمة تعيين العتامة العددية . انقر بزر الماوس الأيمن في الحقل لإنشاء نقاط حيث سيتم تعريف قيم الكثافة بواسطة العتامة. ضع نقاطا على طول هذا المقياس لتصور تشريح الاهتمام.
      ملاحظة: يرتبط الموقع الأيمن والأيسر للنقطة بنطاق قيم كثافة الصورة، ويشير الموقع من أعلى إلى أسفل إلى العتامة.
    5. انتقل إلى قائمة تعيين الألوان العددية . انقر بزر الماوس الأيسر في الحقل لإنشاء نقاط وتعيين الألوان المرتبطة بقيم الكثافة. انقر نقرا مزدوجا في الحقل لفتح نافذة تحديد لون لتعديل معلومات اللون.

2. التلاعب

ملاحظة: يلزم اتخاذ خطوة إخفاء إذا كان التشريح معقدا بما فيه الكفاية، إلى الحد الذي توجد فيه الأنسجة المحيطة والبيانات الدخيلة بعد إجراء تعديلات على خصائص الحجم.

  1. انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد محرر الشرائح من القائمة المنسدلة. تأكد من ظهور أشرطة أدوات محرر الشرائح .
    1. انتقل إلى القائمة المنسدلة تجزئة وحدد إنشاء تجزئة جديدة باسم. اكتب اسما مخصصا للتجزئة من النافذة المنبثقة إعادة تسمية التجزئة وانقر فوق موافق.
    2. انتقل إلى القائمة المنسدلة وحدة التخزين الرئيسية وحدد وحدة التخزين النشطة، والتي سيكون لها نفس اسم عرض وحدة التخزين. بعد ذلك ، انقر فوق الزر إضافة أسفل القائمة المنسدلة مباشرة. تأكد من إنشاء حاوية المقطع في الحقل أدناه.
    3. انتقل إلى لوحة أداة التأثيرات أدناه وحدد أداة المقص . انتقل إلى قائمة المقص وحدد تعبئة في الداخل ونموذج حر وغير محدود. بعد ذلك ، مرر مؤشر الماوس فوق نافذة 3D ، وانقر بزر الماوس الأيمن مع الاستمرار أثناء الرسم حول المنطقة المراد محوها. تأكد من ظهور رقعة ملونة توضح ما تمت تغطيته. كرر هذه العملية حتى تتم تغطية جميع المناطق المراد حذفها.
      ملاحظة: هناك ملحقات ، مثل تأثيرات محرر الشرائح الإضافية ، التي يمكن تنزيلها في برنامج حوسبة الصور الطبية ، والتي تحتوي على أدوات لإنشاء هذا التقسيم.
    4. بعد ذلك، حدد أداة وحدة تخزين القناع من قائمة التأثيرات . حدد تحديد داخل لحذف جميع بيانات الصورة التي تغطيها الشريحة. بعد ذلك ، قم بتعديل قيمة التعبئة لتكون -1000 ، والتي تساوي الهواء ، أو الفراغ ، في مقياس وحدة Hounsfield. أخيرا ، اضغط على تطبيق وانقر فوق Eye Ball بجوار حجم الإخراج لإظهار وحدة التخزين المقنعة الجديدة.
      1. انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد عرض مستوى الصوت من القائمة المنسدلة. انقر فوق Eye Ball بجوار مستوى الصوت النشط لإيقاف تشغيل المرئيات.
      2. بعد ذلك ، من القائمة المنسدلة ، حدد وحدة التخزين المقنعة التي تم إنشاؤها حديثا. انقر فوق Eye Ball لتنشيط مستوى الصوت.
      3. أخيرا ، انتقل إلى قائمة الإدخالات وافتح القائمة المنسدلة خصائص . حدد خاصية وحدة التخزين التي تم إنشاؤها في الخطوة 1.2.5. تأكد من أن وحدة التخزين في طريقة عرض 3D مقنعة ومشفرة بالألوان.

3. التقطيع

ملاحظة: تتجاوز هذه العملية طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية عن طريق إرسال ملفات الشرائح مباشرة إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد بدلا من ملف شبكة STL. في الخطوات التالية ، سيتم إنشاء شرائح من عرض وحدة التخزين. وحدة مولد الصور النقطية هي امتداد مصمم خصيصا. يمكن تنزيل هذا من مدير الإضافات.

  1. انتقل إلى الوحدات النمطية، وحدد Slicerfab من القائمة المنسدلة. تأكد من وجود قائمتي معلمات الطباعة ومعلمات الإخراج .
    1. ضمن القائمة المنسدلة معلمات الطابعة، تأكد من تعيين دقة X إلى 600 نقطة في البوصة وتعيين دقة Y إلى 300 نقطة لكل بوصة. تأكد من ضبط سمك الطبقة على 27 ميكرومتر.
    2. بعد ذلك ، افتح قائمة معلمات الإخراج وقم بتعديل مقياس النموذج النهائي حسب الحاجة.
    3. وأخيرا، حدد موقع ملف للشرائح المراد حفظها وانقر فوق إنشاء.
      ملاحظة: قد تستغرق هذه الخطوة عدة دقائق لإكمالها.

4. التردد

ملاحظة: تم استخدام Adobe Photoshop (انظر جدول المواد) للعمل المنجز في القسم 4.

  1. افتح برنامج تحرير الصور وانقر فوق ملف وحدد فتح من القائمة المنسدلة. انتقل إلى الصورة الأولى لمكدس ملفات PNG الذي تم إنشاؤه في الخطوة السابقة وانقر فوق الزر فتح .
  2. انتقل إلى النافذة وحدد الإجراءات من القائمة المنسدلة. في القائمة إجراءات ، انقر فوق إجراء جديد، وأدخل اسما مخصصا، وحدد موافق. تأكد من تسجيل الإجراء عن طريق التحقق من أن الزر " تسجيل" نشط وأحمر.
    1. بمجرد تحميل الصورة، انتقل إلى Image | | الوضع اللون المفهرس. في نافذة الفهرس ، حدد من القائمة المنسدلة Local Perceptual وحدد عدد الألوان التي يجب أن تكون 8.
    2. في القائمة إجباري ، حدد مخصص. انقر فوق أول مربعين، وانتظر حتى تنبثق نافذة اللون المخصص ، وحدد منصة ألوان مخصصة. حدد اللون الأرجواني 100٪ وتأكد من تعيين C وY وK على 0.
      1. كرر هذه العملية وتأكد من وجود مربعين مخصصين ل 100٪ C و Y و K.
    3. في القائمة خيارات ، بالنسبة إلى Matte، حدد مخصص من القائمة المنسدلة. بالنسبة إلى Dither، حدد الانتشار، وبالنسبة للمبلغ، حدد 100٪. وأخيرا، انقر فوق موافق.
    4. انتقل إلى قائمة الإجراء وانقر فوق الزر المربع لإيقاف التسجيل. أغلق النافذة النشطة وانقر فوق " لا " في النافذة المنبثقة "حفظ التغييرات ".
  3. انتقل إلى | الملفات أتمتة | دفعة. في النافذة المنبثقة الدفعة ، انتقل إلى القائمة المنسدلة الإجراء وحدد الإجراء الذي تم إنشاؤه في الخطوة السابقة. بعد ذلك، ضمن القائمة المصدر ، انقر فوق الزر اختيار وانتقل إلى مجلد الصور المصدرة في الخطوة 3.1.3. ضمن القائمة الوجهة ، انقر فوق الزر اختيار ، وحدد موقع مجلد وجهة للملفات الجديدة، ثم انقر فوق موافق.

5. طباعة فوكسل

ملاحظة: تم استخدام Stratasys GrabCAD5 للعمل المنجز في القسم 5.

  1. افتح برنامج الطباعة ، وانقر فوق التطبيقات وقم بتشغيل Voxel Print Utility من القائمة المنسدلة.
    1. في مربع النص بادئة ملفات الشريحة، أدخل بادئة مكدس ملفات PNG. بعد ذلك ، انقر فوق الزر تحديد وانتقل إلى المجلد حيث يوجد مكدس ملفات PNG ، وانقر فوق موافق.
    2. ضمن نطاق الشريحة، تأكد من تطابق الشريحة الأولى وعدد الشرائح مع عدد الملفات الموجودة في المجلد الذي تم إنشاؤه.
    3. ضمن معلمات التقطيع، تأكد من أن سمك الشرائح (مم) يطابق الإعدادات المحددة في الخطوة 3.1.1.1 وعرض الشريحة (بيكسلات) وارتفاع الشريحة (بيكسلات) يطابقان عرض ملفات PNG وارتفاعها.
    4. ضمن لون الخلفية، تأكد من تطابق الخلفية مع لون الخلفية، واضبط على عدم الطباعة. بمجرد الانتهاء ، انقر فوق الزر التالي .
  2. في صفحة الأدوات ضمن تعيين المواد، حدد المادة من القائمة المنسدلة المراد تعيينها إلى اللون المقترن، المشتق من ملفات PNG. كرر هذه العملية لكل لون في القائمة. ثم انقر فوق إنهاء | حسنا في النافذة المنبثقة ، نجح إنشاء معلومات Gcvf.
  3. على برنامج طباعة الكمبيوتر المضيف، انقر فوق ملف | استيراد ملف من القائمة المنسدلة. انتقل إلى ملف Gcvf وانقر فوق تحميل. على الشاشة الرئيسية، حدد طباعة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

وستكون النتيجة الإيجابية، كما هو مبين في الشكل 2 والشكل 3، ترجمة مباشرة لعرض المجلد على النحو المحدد في الخطوتين 1-2-5 أو 2-1-1-4. يجب أن يتطابق النموذج النهائي بصريا مع عرض مستوى الصوت في الحجم والشكل واللون. على طول هذه العملية ، هناك العديد من الخطوات التي يمكن أن يحدث فيها خطأ ، مما سيؤثر على واحد أو أكثر من الخصائص المذكورة أعلاه.

يمكن أن تكون المشكلات المتعلقة بالقياس الموحد ، كما هو موضح في

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

والإطار التمثيلي الحالي الذي تستخدمه اليوم غالبية أدوات النمذجة الرقمية، إن لم يكن كلها، يؤدي إلى شكل ملف المحكمة8. ومع ذلك ، فقد أثبتت الطبيعة المحددة لهذا النموذج أنها غير كافية عند محاولة التعبير عن البنية الحبيبية أو الهرمية للمواد الطبيعية الأكثر تعقيدا. مع وصول تقنيات التصنيع المضافة الحديثة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ، يمكن إنتاج كائنات مضبوطة للغاية ومحسنة للغاية ، والتي تعرض انتقالات تدريجية للمواد في جميع أنحاء حجمها. تشير هذه الورقة إلى أن العملية القائمة على الفوكسل أو ال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

N.J. هو مؤلف في طلب براءة اختراع مقدم من جامعة كولورادو ريجنتس يصف طرقا مثل تلك الموضحة في هذا العمل (الطلب رقم. US16/375,132; رقم المنشور US20200316868A1; قدم 04 أبريل 2019 ؛ نشرت في 08 أكتوبر 2020). يعلن جميع المؤلفين الآخرين أنه ليس لديهم مصالح متنافسة.

شكر وتقدير

نشكر AB Nexus وولاية كولورادو على دعمهما السخي لبحثنا العلمي في طباعة voxel للتخطيط قبل الجراحة. نشكر L. Browne و N. Stence و S. Sheridan على توفير مجموعات البيانات المستخدمة في هذه الدراسة. تم تمويل هذه الدراسة من قبل منحة AB Nexus ومنحة ولاية كولورادو للصناعات المتقدمة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
منصة حوسبة الصور ثلاثية الأبعاد القطاعةSlicer.orgالإصدار 4.10.2 &ndash ؛ 4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 طابعة Polyjet ثلاثية الأبعادستراتاسيس
فوتوشوبأدوبي2021

المراجع

  1. Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
  2. Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13(2020).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
  10. Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

الطباعة ثلاثية الأبعاد للصور الطبيةمحاكاة الأنسجة الرخوةصيرورة الحجمتقسيم صور DICOMتعيين الموادالتصنيع الإضافيتصنيع النماذج التشريحية
تشريح طباعة Voxel: تصميم وتصنيع نماذج التخطيط الواقعية قبل الجراحة من خلال الطباعة النقطية
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.