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3D打印临床前X射线计算机断层扫描数据集

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DOI：

10.3791/50250

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2013年3月22日

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1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Notre Dame , 2Freimann Life Science Center, University of Notre Dame, 3Department of Biological Sciences, University of Notre Dame , 4Notre Dame Integrated Imaging Facility, University of Notre Dame , 5MakerBot Industries LLC, 6Departments of Biological Sciences, Aerospace and Mechanical Engineering, and Anthropology, University of Notre Dame , 7Harper Cancer Research Institute, University of Notre Dame

本文内容

摘要

利用现代塑料挤出和打印技术，现在可以快速且低成本地制作实验室获取的X射线CT数据的物理模型。体层扫描数据的三维打印已成为一种强大的可视化、研究和教育工具，目前前临床影像学领域已可便捷获取该技术。

摘要

三维打印技术通过一种称为增材制造的工艺，能够制造出高度精细的物体。传统的模压注塑方法在制作模型或部件时存在多个局限性，其中最重要的是难以及时且经济高效地制造出高度复杂的制品1。然而，随着三维打印技术的逐步改进，目前市场上已有高端和经济型设备，可便捷地用于定制化模型的生产2。这些打印机能够挤出具有高分辨率的物体，其细节程度足以精确呈现由临床前X射线CT扫描仪生成的in vivo图像。通过适当的数据采集、表面渲染和立体光刻编辑，如今已能快速、低成本地从X射线CT数据中生成精细的骨骼和软组织结构。即使在发展的早期阶段，三维打印所生成的解剖模型也已受到教育工作者和研究人员的青睐，他们可利用该技术提升可视化能力3,4。该方法的真正优势在于，研究人员能够通过实物获得一种触手可及的体验，而这种体验无法通过计算机屏幕充分传达。将临床前三维数据转化为与受试对象完全一致的物理模型，是一种强大的可视化与交流工具，尤其适用于向学生或其他领域人员展示影像学研究成果。本文中，我们提供了一种详细的打印方法，用于基于X射线CT扫描数据制作骨组织和器官结构的塑料模型，该方法结合使用Albira X射线CT系统以及PMOD、ImageJ、Meshlab、Netfabb和ReplicatorG软件包。

方案

1. 动物

  1. 以下报告的结果中，十个月大的雄性Lobund-Wistar大鼠来自圣母大学弗赖曼生命科学中心（印第安纳州南本德，美国）。来自圣母大学Matthew Ravosa教授实验室的ex vivo新西兰白兔（雄性，年龄=8周）颅骨样本，经10%福尔马林固定后获得。
  2. 进行in vivo成像时，使用异氟烷（2.5%流速）通过鼻罩系统对大鼠进行麻醉，并通过鼻罩系统维持麻醉状态。将动物俯卧于Albira成像系统配套的标准大鼠床（M2M Imaging Inc.，俄亥俄州克利夫兰）中。四肢置于躯干两侧，以确保CT扫描均匀采集。
  3. 图像采集完成后，将大鼠从鼻罩中取出，并放回恢复笼中，直至其恢复自主活动。
  4. 对兔颅骨进行扫描时，将样本置于盛有福尔马林的密封塑料袋中，再放入大鼠床内。

2. 图像采集与重建

  1. 体内 和 离体 图像采集使用 Albira CT 系统（Carestream Molecular Imaging，Woodbridge，CT）完成。系统设置为通过三次圆形扫描（每次扫描采集 600 个投影）对长度为 180 mm 的扫描床进行成像，每次扫描的视野（FOV）为 65 mm，重建过程中将三个视野拼接成完整图像。X 射线源的电流设置为 400 μA 管电压为45 kVp，并使用0.5 mm铝滤过板以硬化射线束。CT扫描参数下的近似深部辐射剂量当量为660 mSv，浅表剂量当量为1171 mSv。这些剂量低于报道的LD50值10倍以上。
  2. 使用 Albira Suite 5.0 重建软件中的 FBP（滤波反投影）算法，并采用“Standard”参数进行图像重建。上述采集与重建参数组合可生成最终各向同性体素为 0.125 mm 的图像，该分辨率足以满足整体动物分析及解剖结构的三维打印需求。

3. 数据处理

  1. 来自CT扫描的骨骼特征可直接从原始数据打印，无需分割。然而，软组织在进行3D打印数据处理前必须先进行分割。此处以肺组织为例进行说明。
    1. 打开原始MicroPET文件（Albira成像系统所有模态的数据格式）
    2. 在小鼠周围绘制感兴趣体积（VOI），以去除所有外部空间。
    3. 在“VOI Tools”选项卡下选择“Mask Outside Selected VOI”，并将掩膜值设为-1,000 Hounsfield单位（HU，CT的放射密度标度），这将使外部空间的有效密度值等于空气的CT密度。
    4. 在所有外部空间被去除后，在“Tools”选项卡下选择“External”，然后点击下拉箭头并选择“Segmentation”。
    5. 将范围设为-550至-200，然后点击“Ok”。
    6. 如果文件非常大，选择“Tools”选项卡，选择“Reduce”，然后运行程序。
    7. 另存为Analyze文件
  2. 数据必须首先使用PMOD（PMOD Technologies LTD，瑞士苏黎世）分析软件转换为DICOM格式。
    1. 打开PMOD图像处理软件包。
    2. 在顶部行中选择View选项卡。
    3. 在右下角工具栏中，点击Load下方标有Database的向下箭头。
    4. 对于原始CT数据选择MicroPET，对于已分割的肺组织选择Analyze。
    5. 选择相应文件并点击Add to Selected。
    6. 点击Open。
    7. 在右下角工具栏中，点击Save下方的向上箭头。
    8. 在此菜单中选择文件类型DICOM。
    9. 命名文件并选择Save。
    10. 关闭PMOD。
  3. DICOM数据包含每个体素的体积密度值。为了打印这些数据，必须将其处理为连续表面而非体积。ImageJ v1.43u将用于获取进一步处理所需的表面渲染。
    1. 打开ImageJ图像处理软件
    2. 选择File > Import。
    3. 选择Image Sequence。
    4. 导航至包含新创建DICOM文件的目录并选择该文件。
    5. 选择Plug-ins > 3D > 3D Viewer。
    6. 将出现两个窗口：3D查看器窗口和一个ADD窗口。
    7. 在ADD窗口的Display as中，将Volume更改为Surface。
    8. 将Threshold的默认值更改为210。
    9. 点击OK。
    10. 在3D Viewer菜单栏中，选择File > Export surfaces as > WaveFront。
    11. 命名文件并点击Save。
  4. 将同时使用Meshlab v1.3.1和Netfabb Studio Basic 4.9两个程序来去除多余的网格、连接断开的网格、修复孔洞并平滑最终网格。这两个程序的主要区别在于提供给用户的工具集以及部分界面导航控制功能。它们均为3D网格编辑软件，联合使用可提供最简便的模型编辑方法。
    基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。 表示这些操作应在Meshlab v1.3.1中执行
    静态平衡，ΣFx=0示意图；用于力分析研究的杠杆平衡装置。 表示这些操作应在Netfabb Studio Basic 4.9中执行
    1. 导入网格至编辑软件：
      1. 打开Meshlab v1.3.1 基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。
      2. 从菜单栏选择File > New Empty Project。
      3. 选择File > Import Mesh。
      4. 选择文件并点击Open。
      5. 文件加载后，将弹出一个对话框。保持勾选Unify Duplicated Vertices，然后点击OK。
        1. 打开Netfabb Studio Basic 4.9。 静态平衡，ΣFx=0示意图；用于力分析研究的杠杆平衡装置。
        2. 将目标文件直接拖拽到Netfabb Studio Basic界面上。
    2. 去除表面不需要的网格：
      1. 在Meshlab菜单栏中选择Filters > Cleaning and Repairing > Remove Isolated Pieces (WRT Diameter)。 基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。
      2. 移除直径小于指定常数的孤立连接组件。输入这些组件的最大直径并点击Apply。
      3. 逐步增加最大直径以移除更大的部分。每次修改直径后点击Apply。
    3. 连接断开的部分时，需在当前网格的期望连接位置切割开口，并在两者之间构建网格桥接：
      1. 使用菜单栏中从左数第七个工具Selection Tool，选择将被切除的网格部分。 基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。
      2. 使用菜单栏中从左数第三个工具Delete Faces按钮删除所选网格部分。
      3. 从菜单栏选择File > Export Mesh As。
      4. 命名文件并将文件类型更改为STL。
      5. 点击Save。
      6. 将弹出一个包含保存选项的对话框，点击OK。 静态平衡，ΣFx=0示意图；用于力分析研究的杠杆平衡装置。
      7. 将此新文件拖入Netfabb中。
      8. 在顶部菜单中选择从左数第四个工具Repair。
      9. 选择从左数第十三个工具Add triangles。
      10. 点击一侧的开放边缘（将显示为黄色），然后点击另一部分的开放边缘。在间隙之间创建5-10个桥接。
      11. 点击右下角的Automatic Repair按钮
      12. 高亮选择Default Repair。
      13. 点击Execute。
      14. 修复完成后点击Cancel。
      可选：某些生成的三角形可能方向错误。可按以下步骤重新调整这些三角形的方向。
      1. 选择Flip Selected Triangles按钮。
      2. 点击任何方向错误的三角形，将其全部旋转至正确方向。
    4. 修复凹坑和孔洞时，必须完全移除整个孔洞或凹坑，并在网格两侧构建桥接。
      1. 点击Selection Tool。 基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。
      2. 选择需要填充的凹坑或孔洞。
      3. 点击Delete Faces按钮。
      4. 从菜单栏选择File > Export Mesh As。
      5. 命名文件并将文件类型更改为STL。
      6. 点击Save。
      7. 将弹出一个包含保存选项的对话框，点击OK。
      8. 将此新文件拖入Netfabb中。 静态平衡，ΣFx=0示意图；用于力分析研究的杠杆平衡装置。
      9. 在顶部菜单中选择从左数第四个工具Repair。
      10. 选择从左数第十三个工具Add triangles。
      11. 点击一侧的开放边缘（将显示为黄色），然后点击另一部分的开放边缘。在间隙之间创建5-10个桥接。
      12. 点击右下角的Automatic Repair按钮
      13. 高亮选择Default Repair。
      14. 点击Execute。
      15. 修复完成后点击Cancel。
    5. Meshlab中的拉普拉斯平滑（Laplacian smoothing）算法用于在保持模型结构完整性的前提下对物体进行平滑处理。
      1. 导航至Filters > Smoothing > Fairing and Deformation > Laplacian Smooth 。 基因编辑，CRISPR-Cas9方法，示意图，实验设置，DNA修饰，基因组研究。
      2. 选择平滑迭代次数。迭代次数越多，模型越平滑，但每次迭代都会缓慢降低模型体积，可能导致部件断开或边缘锐化。建议使用1-5次迭代。
      3. 点击OK。
      4. 从菜单栏选择File > Export Mesh As。
      5. 命名文件并将文件类型更改为STL。
      6. 点击Save。
      7. 将弹出一个包含保存选项的对话框，点击OK。
      8. 将此新文件拖入Netfabb中。 静态平衡，ΣFx=0示意图；用于力分析研究的杠杆平衡装置。
      9. 在顶部菜单中选择从左数第四个工具Repair。
      10. 选择从左数第十三个工具Add triangles。
      11. 点击一侧的开放边缘（将显示为黄色），然后点击另一部分的开放边缘。在间隙之间创建5-10个桥接。
      12. 点击右下角的Automatic Repair按钮
      13. 高亮选择Default Repair。
      14. 点击Execute。
      15. 修复完成后点击Cancel 。
      16. 从菜单栏选择File > Export Mesh As。
      17. 命名最终文件并将文件类型更改为STL。
      18. 点击Save。
      19. 将弹出一个包含保存选项的对话框，点击OK。

4. 打印

  1. 使用 Makerbot 进行打印
    1. 在 ReplicatorG 中打开 STL 文件。ReplicatorG 是 Makerbot Industries 开发的用于与 Makerbot 通信的程序。
    2. 单击右下角菜单中的 缩放，然后选择 填充构建空间！
    3. 选择 旋转，然后单击 平放。
    4. 单击 居中。
    5. 对于细节精细的模型，选择 填充构建平台 以放大模型。
    6. 在同一菜单中，单击 移动，然后选择 放置到平台。
    7. 完成合适的朝向调整后，从顶部菜单栏选择 生成 GCODE。
      *将弹出一个包含打印选项的窗口。
    8. 选择将提供耗材以打印物体的挤出机（左侧 或 右侧）。
    9. 选择 使用底板/支撑。
    10. 在名为 使用支撑材料 的下拉菜单中，选择 完全支撑。
    11. 选择 生成 GCODE。将弹出一个显示 GCODE 生成进度的对话框。
    12. GCODE 生成完成后，选择 构建为文件以用于 SD 卡。
    13. 单击 保存。
    14. 将文件拖动到 SD 卡中。
    15. 将 SD 卡插入 Makerbot，并使用 Makerbot 键盘选择 从 SD 卡打印。
    16. 在 从 SD 卡打印 选项下，选择所需的文件名。Makerbot 将自动开始预热以准备打印物体。
  2. Shapeways 打印
    1. 在 Shapeways 创建免费账户后，可直接将 STL 文件上传至 Shapeways 网站：http://www.shapeways.com/upload/
    2. 单击 上传，然后选择 STL 文件。
    3. 为上传的文件选择一个标题。
    4. 从下拉菜单中选择一个测量单位。
    5. 单击 上传模型。
    6. 文件现已准备就绪，可通过 Shapeways 进行打印。文件上传后，Shapeways 将花费几分钟时间处理文件，以确保其可成功打印。大约十分钟后，您即可在“我的模型”页面打印该模型。
    7. “白色坚固柔性”材料用于打印骨骼结构，而“紫色坚固柔性”材料用于打印肺组织。
  3. ProJet HD 3000 打印
    1. STL 文件也可使用商用高分辨率三维打印机（如 ProJet HD 3000，Springboard Engineering Solutions LLC，Innovation Park，Notre Dame，IN，USA）进行打印。
    2. 将 STL 文件载入 3D Systems 的专有软件中，以在平台上布置打印任务。此过程需调整模型方向，以尽量减少蜡质支撑材料的使用量和打印时间。该文件随后被保存。
    3. 然后通过电子方式将任务发送至打印机。
    4. 将铝制平台装入打印机，ProJet HD 3000 开始打印物体。
    5. 打印完成后将模型从平台上取下，并放入约 73 °C 的烘箱中，以熔化模型中的支撑蜡。
    6. 趁热取出物体，并用 Kimwipe 擦拭以去除残留的表面蜡质。

结果

动物骨骼颜色变异示意图；比较结构分析；骨密度研究。
图1. 基于大鼠X射线CT数据集生成的肺部与骨骼特征的3D打印模型。 模型分别使用ProJet HD 3000（左）、Shapeways公司（中）或Makerbot Replicator（右）进行打印。比例尺为2 cm。注意，C图中的比例尺小于A图和B图，这表明在某些情况下，Makerbot必须打印放大的物体才能输出足够的细节。

图1展示了基于同一套大鼠体内CT数据集采用三种不同打印方法所得的最终产品。三种模型均包含一个经过裁剪的骨骼结构以及可拆卸的肺部，肺部独立打印后组装到主体上。左侧模型由ProJet HD 3000高分辨率打印机打印而成，使用半透明丙烯酸塑料材料。中间模型由第三方公司Shapeways Inc.制作，其中骨骼结构采用尼龙12白色塑料打印，呼吸系统结构则为紫色。前两种模型均按实际尺寸打印，长度约为11 cm。右侧模型使用MakerBot打印机制作，骨骼结构采用天然色ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）塑料打印，肺部则使用青绿色ABS塑料。由于MakerBot的分辨率限制，若按实际比例打印，精细结构（如肋骨）将出现明显劣化。因此，该模型通过“填充构建空间”选项放大近2倍，以获得理想的视觉细节，最终成品长度为21 cm。

Animal skulls comparison, three-side view; morphology analysis, anatomy study, specimen examination.
图2. 一个的3D打印模型 离体 兔颅骨数据集 图中所示物体分别使用 ProJet HD 3000（左）、Shapeways 公司（中）和 Makerbot Replicator（右）打印而成。比例尺为 1 cm。

图2 显示每种打印方法的最终产物 离体 兔颅骨CT数据集。左侧模型使用ProJet HD 3000高分辨率打印机打印，材料为半透明丙烯酸塑料。中间模型通过Shapeways打印服务使用白色尼龙12塑料打印而成。右侧物体使用MakerBot打印机以白色塑料打印。三个物体均按实际比例打印，长度约为8.5 cm。

啮齿类动物骨骼比较示意图；脊柱和肋骨结构的差异以紫色标出。
图3. 大鼠完整X射线CT数据集的3D打印模型。 模型分别使用ProJet HD 3000（左）和Shapeways公司（右）进行打印。比例尺表示1 cm。

图3展示了使用两种不同方法打印大鼠完整体内CT数据集的最终成品。两种模型均包含完整的骨骼结构（尾部除外）以及可拆卸的肺部。左侧模型由高分辨率打印机ProJet HD 3000使用半透明丙烯酸塑料打印而成；右侧模型通过Shapeways打印服务制作，其中骨骼结构采用白色尼龙12塑料制成，肺部则为紫色。这两个模型均按实际比例打印，长度约为19 cm。由于所需细节极为精细，MakerBot Replicator无法完成完整骨骼的打印。

在探索三维打印技术的过程中，观察到了一些优点和缺点，如表1所示。

打印方法优点缺点
MakerBot速度极快，颜色选择多样，支持双色打印，成本极低细节精度最低。去除支撑材料耗时较长（约数小时）
Shapeways颜色选择多样，可选用多种打印材料，细节精度高，相对便宜订单处理及收货需时约两周
ProJet HD 3000交付周期相对较短，细节精度最高，通量高，支撑材料（蜡质）易于去除前期成本最高，实际使用中仅支持单一颜色

表1. 可用于打印CT数据集的3D打印技术比较。

讨论

活体Lobund-Wistar大鼠和一个X射线CT数据集 离体 新西兰白兔头骨被用于验证从临床前生物数据生成三维物体的可行性。模型通过三种不同来源制作：1）流行的 Makerbot Replicator，2）第三方公司 Shapeways Inc，3）高端商用 ProJet HD 3000。每种打印机均能生成满足增强数据可视化这一主要目标的物体。

在打印临床前CT数据的过程中，已确定并总结了每种打印方法的优缺点，以供最终用户参考。MakerBot Replicator是一种价格低廉（1750美元）的台式解决方案，全球几乎任何实验室均可获得。它能够使用廉价的耗材进行多色打印（一只包含肺部的大鼠CT模型耗材成本约为3.50美元的塑料）。然而，MakerBot在分辨率方面存在局限，因此某些模型需要放大，以便正确挤出并清晰显示目标结构。Shapeways公司提供了丰富的颜色和材料选择，其模型具有高分辨率和良好的坚固性。尽管其单价成本约为MakerBot的10倍（一只包含肺部的大鼠CT模型价格为41.61美元），但用户可选择少量打印任务，从而避免前期购买打印机的高昂投入。Shapeways约两周的交付周期是其轻微的不足之处。ProJet HD 3000在分辨率和强度方面提供了极为出色的模型。我们有幸在圣母大学创新园区（Notre Dame）使用ProJet HD 3000完成模型打印（一只包含肺部的大鼠CT模型的人工与材料成本约为30美元）。然而，由于该类设备价格约为8万美元，用户可能难以获得使用权限，且实现多色打印也较为复杂。由于各仪器/制造商采用不同的指标来描述打印分辨率（Shapeways的最小细节尺寸为0.2 mm，最小壁厚为0.7 mm5；MakerBot的切片厚度为0.2–0.3 mm，喷嘴直径为0.4 mm6；ProJet HD 3000的分辨率为656 × 656 × 800 DPI，精度为0.025–0.05 mm），通过定性评估各系统之间的相对分辨率可知，Shapeways和ProJet HD 3000系统均能按比例高精度打印，而部分模型则需放大后才可在MakerBot上成功打印。总体而言，这三种方法均环保，并为便捷、高效地生产高度精细的临床前X射线CT模型提供了可行途径。

结论

随着成本和复杂性的降低，3D打印技术正逐渐变得更加普及。8, 9 如今，几乎任何人都可以从数字文件中打印出高分辨率的三维物体。这些精细的三维模型对于教育工作者和研究人员而言都具有重要的实用价值。此外，它们还提供了一种视觉交流手段，有助于实现更清晰的理解。10 例如，医学研究人员可以利用标本或患者特异性模型，改善与同事及患者之间的沟通和理解。11 尽管二维屏幕上的呈现技术已取得长足进步，但手持真实物体所带来的视觉与感官体验——包括旋转、观察和移动——是无可替代的。当物理模型与电子数据表示相结合时，其作用更为强大，因为它允许研究人员在实体对象上识别感兴趣的区域，并在计算机模型上定位这些区域以进行进一步的定量分析。通过适当的数据采集、表面渲染和立体光刻编辑，可以从X射线CT数据快速生成细节丰富且相对低成本的模型。本文提供了一种基于X射线显微CT采集的临床前小型动物数据生成三维模型的详细分步方法。我们使用Albira成像系统获取了体内（in vivo）和体外（ex vivo）CT数据集，并利用PMOD、ImageJ、Meshlab和Netfabb软件进行后续处理。最后，我们提供了详细的指导，以支持使用多种商用解决方案进行三维模型打印。在每种情况下，最终结果均为一个独特的、可手持的物理模型，将原本仅限于计算机屏幕显示的断层扫描数据具象化呈现。

披露

W. Matthew Leevy 是 Carestream 分子成像公司的顾问。Brian Stamile 是 MakerBot Industries 公司的支持工程师。

致谢

我们衷心感谢欧洲研究纳米维奇研究所、格伦家庭荣誉项目、圣母大学综合成像中心（NDIIF）以及锐珂医疗为本项目提供的经费支持。关于兔类颅骨发育的研究得到了美国国家科学基金会（NSF BCS-1029149）对MJR的资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
所需程序
  1. Albira Image Acquirer
  2. PMOD
  3. ImageJ
  4. Meshlab
  5. Netfabb
  6. ReplicatorG

参考文献

  1. Kazmer, D. O., Speight, R. G. Polymer Injection Molding Technology for the Next Millennium. Journal of Injection Molding Technology. 1 (2), 81-90 (1997).
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  5. D Printing Materials on Shapeways [Internet]. , Shapeways. Available from: http://www.shapeways.com/materials/white_strong_flexible (2013).
  6. MakerBot Replicator [Internet]. , Makerbot. Available from: http://store.makerbot.com/replicator.html (c2009-2013).
  7. Information from the ProJet HD 3000 Technical Brochure [Internet]. , 3d Systems. Available from: http://www.3dsystems.com/products/datafiles/projet/ProJet_HD_3000_Brochure_USEN.pdf (2009).
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  10. Sheridan, D. M. Fabricating consent: three-dimensional objects as rhetorical compositions. Computers and Composition. 27, 249-265 (2010).
  11. Windisch, G., Salaberger, D., Rosmarin, W., Kastner, J., Exner, G. U., Haldi-Brandle, V., Anderhuber, F. A Model for Clubfood Based on Micro-CT. Data. J. Anat. 210, 761-766 (2007).

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