3D Printing der präklinischen X-ray computertomographische Datensätze

Evan Doney; Lauren A. Krumdick; Justin M. Diener; Connor A. Wathen; Sarah E. Chapman; Brian Stamile; Jeremiah E. Scott; Matthew J. Ravosa; Tony Van Avermaete; W. Matthew Leevy

doi:10.3791/50250

Methodenartikel

3D Printing der präklinischen X-ray computertomographische Datensätze

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DOI:

10.3791/50250

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22. März 2013

Evan Doney¹ , Lauren A. Krumdick¹ , Justin M. Diener² , Connor A. Wathen³ , Sarah E. Chapman⁴ , Brian Stamile⁵ , Jeremiah E. Scott³ , Matthew J. Ravosa⁶ , Tony Van Avermaete⁴ , W. Matthew Leevy¹^,⁴^,⁷

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Mit modernen Kunststoff-Extrusions-und Drucktechnologien, ist es nun möglich, schnell und kostengünstig zu produzieren physikalische Modelle von X-ray CT-Daten in einem Labor entnommen. Das dreidimensionale Drucken von tomographischen Daten ist eine leistungsfähige Visualisierungs-, Forschungs-und Bildungs-Tool, das jetzt von der präklinischen Bildgebung Gemeinschaft zugegriffen werden kann.

Zusammenfassung

Three-Dimensional Printing ermöglicht die Herstellung von sehr detaillierten Objekten durch einen Prozess als additive Fertigung bekannt. Traditional, Schimmel-Injektionsverfahren, Modelle oder Teile erstellen haben mehrere Einschränkungen, ist die wichtigste von denen eine Schwierigkeit, hochkomplexe Produkte in einer zeitnahen, kostengünstigen Art und Weise. ¹ jedoch schrittweise Verbesserungen im dreidimensionalen Drucktechnik geführt haben in beiden High-End und Wirtschaft Instrumente, die jetzt verfügbar sind für die einfache Produktion von kundenspezifischen Modellen. ² Diese Drucker haben die Fähigkeit zu extrudieren hochauflösende Objekte detailliert genug, um genau in vivo Bilder von einer präklinischen Röntgen-CT-Scanner erzeugt stellen . Mit der richtigen Datenerfassung, Oberflächen-Rendering, und Stereolithografie Bearbeitung, ist es nun möglich und kostengünstig zu schnell produzieren detaillierte Skelett und Weichteilen Strukturen von X-ray CT-Daten. Selbst in den frühen Stadien der Entwicklungment, die anatomischen Modelle von dreidimensionalen Druckverfahren Appell an beide Pädagogen und Forscher, die die Technologie nutzen können, um Visualisierung Kenntnisse zu verbessern produziert. ^{3, 4} Die wirklichen Vorteile dieser Methode ergeben sich aus der konkreten Erfahrung der Forscher können mit Daten, die nicht können adäquat durch einen Computerbildschirm befördert. Die Übersetzung der prä-klinischen 3D-Daten zu einem physischen Objekt, das eine exakte Kopie der Versuchsperson ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Visualisierung und Kommunikation, insbesondere für im Zusammenhang Imaging Research für Studenten, oder solche in anderen Bereichen. Hier stellen wir eine detaillierte Verfahren zum Bedrucken von Kunststoff-Modelle von Knochen und Orgel Strukturen von X-ray CT abgeleitet scannt Verwendung eines Albira Röntgen-CT-System in Verbindung mit PMOD, ImageJ, meshlab, netfabb und ReplicatorG Software-Pakete.

Protokoll

Ein. Tiere

Für die Ergebnisse unten berichteten, wurde ein männlicher Lobund-Wistar-Ratte von zehn Monaten aus dem Freimann Life Science Center, University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA) erhalten. Eine ex vivo New Zealand White Rabbit (männlich, Alter = 8 Wochen) skull Probe in 10% Formalin konserviert, wurde aus dem Labor von Prof. Matthew Ravosa, University of Notre Dame erhalten.
Für die in vivo Bildgebung, war die Ratte betäubt durch Isofluoran (2,5% Durchfluss) mit der Wartung über eine Nasen-Konus-System. Das Tier wurde positioniert anfällig im Standard Ratten-Bett (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) mit dem Albira Bildstation zugeführt. Limbs positioniert wurden seitlichen vom Rumpf für eine einheitliche CT Akquisition.
Nach der Bildaufnahme abgeschlossen war, wurde die Ratte von der Bugspitze entfernt und in der Erholung Käfig, bis Chorumgang.
Für Scans des Kaninchens Schädel, wurde die Probe bei der Ratte Bett gelegtin einem verschlossenen Plastikbeutel mit Formalin.

2. Image Acquisition and Reconstruction

In vivo und ex vivo Bild Akquisitionen wurden mit dem Albira CT-System (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). Das System wurde auf ein Bett von 180 mm Länge, indem Sie drei kreisförmigen Scans (600 Vorsprünge pro Scan), die jeweils mit einem 65 mm FOV, die dann gemeinsam beim Wiederaufbau genäht scannen. Die Röntgenquelle wurde zu einem Strom von 400 uA und Spannung von 45 kVp eingestellt und verwendet einen 0,5 mm Al Filter zu härten des Strahls. Ungefähre Strahlung tiefe Äquivalentdosis für CT-Einstellungen betrug 660 mSv und flache Äquivalentdosis war 1171 mSv. Diese Dosen sind mehr als 10-fach niedriger als gemeldet LD50-Werte.
Bilder rekonstruiert werden mit der FBP (Filtered Back Projection)-Algorithmus über die Albira Suite 5.0 Reconstructor mit "Standard"-Parameter. Diese Kombination Akquisition und Rekonstruktion Einstellungen erzeugen einen final Bild mit 0,125 mm isotrope Voxel als ausreichend ganze Tier Analyse und 3D-Drucken von anatomischen Strukturen.

3. Data Processing

Skelettmerkmale von CT-Scans können aus den Rohdaten ohne Segmentierung gedruckt werden. Jedoch ist die Segmentierung der Weichteile vor der Verarbeitung der Daten für die 3D-Druck erforderlich. Hier zeigen wir ein Beispiel mit Lungengewebe.
1. Original öffnen microPET (Datenformat für alle Modalitäten der Albira Imaging System)-Datei
2. Zeichnen Sie ein Volumen von Interesse (VOI) um die Maus so, dass alle externen Raum entfernt wird.
3. Unter dem "VOI Tools 'Registerkarte wählen Sie" Mask Außerhalb gewählte VOI' und stellen Sie die Maskierung Wert -1.000 Hounsfield Units (HU, Röntgendichte Maßstab für CT), die effektiv gesetzt werden den Außenraum der CT Dichtewert der Luft.
4. Mit all den äußeren Raum entfernt, unter der Registerkarte "Tools" die Option "Externe", klicken Sie dann auf Drop-Down-Pfeil und wählen Sie "Segmentation"
5. Set Bereich auf -550 bis -200 und klicken Sie auf "OK".
6. Wenn die Datei sehr groß ist, wählen Sie Registerkarte "Tools" die Option "Reduzieren" und starten Sie das Programm
7. Speichern als Analysieren Datei
Die Daten müssen zuerst in DICOM-Format mit PMOD (PMOD Technologies LTD, Zürich, Schweiz) Analyse-Software konvertiert werden.
1. Öffnen Sie das PMOD Image Processing Software Package.
2. Entlang der oberen Zeile, wählen Sie die Registerkarte Ansicht.
3. In der rechten unteren Symbolleiste auf den nach unten weisenden Pfeil beschriftet Database unter Last.
4. Wählen microPET für die CT-Rohdaten oder Analysieren der segmentierten Lunge.
5. Wählen Sie die entsprechende Datei und klicken Sie auf Hinzufügen ausgewählt.
6. Klicken Sie auf Öffnen.
7. In der rechten unteren Symbolleiste auf den nach obenPfeil unter Speichern.
8. In diesem Menü wählen Sie den Dateityp DICOM.
9. Benennen Sie die Datei und wählen Sie Speichern.
10. Schließen PMOD.
DICOM-Daten enthält volumetrischen Dichtewerte für jeden Voxel. Um diese Daten zu drucken, muss es als eine zusammenhängende Oberfläche statt einer Volumen verarbeitet werden. ImageJ v1.43u wird verwendet, um Oberflächen-Renderings zur weiteren Verarbeitung zu erhalten.
1. Offene ImageJ Image Processing Software
2. Wählen Sie Datei> Importieren.
3. Wählen Sie Image Sequence.
4. Navigieren Sie zu der Datei mit dem neu erstellten DICOM und es auszuwählen.
5. Wählen Sie Plug-Ins> 3D> 3D-Viewer.
6. Zwei Fenster erscheinen, das 3D-Viewer angezeigt und ein ADD-Fenster.
7. Unter Anzeige wie in der ADD-Fenster Lautstärke ändernan die Oberfläche.
8. Ändern Sie den Standardwert von Threshold auf 210.
9. Klicken Sie auf OK.
10. In der 3D-Viewer-Menüleiste Datei> Exportieren Oberflächen> WaveFront.
11. Benennen Sie die Datei und klicken Sie auf Speichern.
Zwei Programme, meshlab v1.3.1 und netfabb Studio Basic 4.9, wird gleichzeitig zu entfernen überschüssiges Gewebe, verbinden sich getrennt Maschen, Reparatur Löcher, und glätten das endgültige Netz. Die Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Programmen sind die Werkzeugsätze zur Verfügung des Benutzers, und ein Teil der Grenzfläche Navigationssteuerelement. Sie sind beide 3D-Mesh-Editing-Software-Programme und ihre Verwendung zusammen bietet die einfachste Ansatz zur Bearbeitung des Modells.
zeigt an, dass diese Maßnahmen in meshlab v1.3.1 ausgeführt werden soll
zeigt an, dass diese Maßnahmen in netfabb Studio Basic 4,9 ausgeführt werden soll
1. Um greift in Programm importieren:
  1. Öffnen meshlab v1.3.1
  2. Von der Menüleiste wählen Sie File> New Leeres Projekt.
  3. SELCT Datei> Importieren Mesh.
  4. Wählen Sie die Datei und klicken Sie auf Öffnen.
  5. Sobald die Datei geladen wurde, wird ein Dialogfenster geöffnet. Keeping Unify Doppelte Vertices überprüft, drücken Sie OK.
    1. Öffnen netfabb Studio Basic 4.9.
    2. Ziehen Sie die gewünschte Datei direkt auf dem netfabb Studio Basisbildschirm.
2. Um unerwünschte Mesh von der Oberfläche zu entfernen:
  1. Aus der Menüleiste meshlab, wählen Sie Filter> Reinigung und Reparatur> entfernen Isolated Pieces (WRT Durchmesser).
  2. Entfernen getrennt verbundenen Komponenten, deren Durchmesser kleiner ist als der angegebene Konstante. Geben Sie einen maximalen Durchmesser für diese Komponenten und klicken Sie auf Übernehmen.
  3. Allmählich erhöhen den maximalen Durchmesser zu größeren Stücken entfernen. Klicken Sie auf Übernehmen nach jedem Durchmesser Modifikation.
3. Mit getrennten Stücke zu verbinden, müssen Löcher in den aktuellen Maschen an den gewünschten Stellen einer neuen Bindung geschnitten werden, und eine Brücke von Mesh-must zwischen gebaut werden.
  1. Verwenden Sie das Auswahl-Werkzeug, siebten Tool von links in der Menüleiste, um die Teile des Netzes, das durchgeführt werden sollen geschnitten auszuwählen.
  2. Löschen ausgewählte Stücke aus Mesh mit der Delete-Taste Faces, das dritte Werkzeug von links in der Menüleiste.
  3. Von der Menüleiste wählen Sie File> Export Mesh-As.
  4. Benennen Sie die Datei, und ändern Sie den Dateityp auf STL.
  5. Drücken Sie auf Speichern.
  6. Ein Dialogfenster mit Optionen zum Speichern erscheint, drücken Sie OK.
  7. Ziehen Sie diese neue Datei in netfabb.
  8. Auf dem oberen Menü die Option ReparierenDas vierte Werkzeug von links.
  9. Wählen Sie das Add Dreiecken Werkzeug, dreizehnte von links.
  10. Klicken Sie auf eine offene Kante (sie werden gelb) auf der einen Seite und dann auf einer offenen Kante auf der anderen Stück. Erstellen 5-10 Brücken über den Spalt.
  11. Wählen Sie die Automatische Reparatur-Taste in der unteren rechten
  12. Markieren Standard Repair.
  13. Klicken Sie auf Ausführen.
  14. Drücken Sie Abbrechen, nachdem die Reparatur ausgeführt wurde.
  Optional: Einige erstellt Dreiecken kann die falsche Orientierung. Die folgenden Schritte können verwendet werden, um diese Dreiecke orientieren werden.
  1. Wählen Sie den Flip Ausgewählte Dreiecke Button.
  2. Klicken auf beliebigen desorientiert Dreiecke um alle Dreiecke in der richtigen Richtung zu drehen.
4. AufReparatur Krater und Löcher, muss gesamte Löcher und Krater entfernt werden und Brücken müssen auf jeder Seite des Netzes aufgebaut werden.
  1. Klicken Sie auf das Auswahl-Werkzeug.
  2. Wählen Sie den Krater oder Löcher gefüllt werden.
  3. Klicken Sie auf die Delete Faces-Taste.
  4. Von der Menüleiste wählen Sie File> Export Mesh-As.
  5. Benennen Sie die Datei, und ändern Sie den Dateityp auf STL.
  6. Drücken Sie auf Speichern.
  7. Ein Dialogfenster mit Optionen zum Speichern erscheint, drücken Sie OK.
  8. Ziehen Sie diese neue Datei in netfabb.
  9. Auf dem oberen Menü die Option Reparieren rong>, das vierte Werkzeug von der linken Seite.
  10. Wählen Sie das Add Dreiecken Werkzeug, dreizehnte von links.
  11. Klicken Sie auf eine offene Kante (sie werden gelb) auf der einen Seite und dann auf einer offenen Kante auf der anderen Stück. Erstellen 5-10 Brücken über den Spalt.
  12. Wählen Sie die Automatische Reparatur-Taste in der unteren rechten
  13. Markieren Standard Repair.
  14. Klicken Sie auf Ausführen.
  15. Drücken Sie Abbrechen, nachdem die Reparatur ausgeführt wurde.
5. Laplace Glättung der Glättungsalgorithmus in meshlab, wird verwendet, um das Objekt zu glätten unter Wahrung der strukturellen Integrität des Modells.
  1. Navigieren Sie Filter> Glätten> Verkleidungs-und Deformation> Laplace Smooth.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg "/>
  2. Wählen Sie eine Nummer zu glätten Iterationen. Mehr Iterationen wird in einem glatteren Modell führen, sondern jede Iteration langsam verschlechtert das Volumen des Modells, das in getrennten Stücken und scharfe Kanten entstehen können. 1-5 Iterationen werden empfohlen.
  3. Drücken Sie OK.
  4. Von der Menüleiste wählen Sie File> Export Mesh-As.
  5. Benennen Sie die Datei, und ändern Sie den Dateityp auf STL.
  6. Drücken Sie auf Speichern.
  7. Ein Dialogfenster mit Optionen zum Speichern erscheint, drücken Sie OK.
  8. Ziehen Sie diese neue Datei in netfabb.
  9. Auf dem oberen Menü die Option Repair, das vierte Werkzeug von der linken Seite.
  10. Wählen Sie das Add Dreiecken Werkzeug, thirteenth von links.
  11. Klicken Sie auf eine offene Kante (sie werden gelb) auf der einen Seite und dann auf einer offenen Kante auf der anderen Stück. Erstellen 5-10 Brücken über den Spalt.
  12. Wählen Sie die Automatische Reparatur-Taste in der unteren rechten
  13. Markieren Standard Repair.
  14. Klicken Sie auf Ausführen.
  15. Drücken Sie Abbrechen, nachdem die Reparatur ausgeführt wurde.
  16. Von der Menüleiste wählen Sie File> Export Mesh-As.
  17. Nennen Sie die letzte Datei und ändern Sie den Dateityp auf STL.
  18. Drücken Sie auf Speichern.
  19. Ein Dialogfenster mit Optionen zum Speichern erscheint, drücken Sie OK.

4. Printing

Drucken mit der Makerbot
1. Öffnen Sie die STL-Datei in ReplicatorG. ReplicatorG ist ein Makerbot Industries-Programm verwendet werden, um mit dem Makerbot kommunizieren.
2. Klicken Maßstab aus der unteren rechten Ecke und wählen Füllen Sie den Build-Space!
3. Wählen Sie Drehen und klicken Lay Flat.
4. Klicken Center.
5. Für Modelle mit feinen Details, wählen Sie füllen Bauplattform zu skalieren Modell.
6. Aus dem gleichen Menü, klicken Sie auf und wählen Sie Setzen Sie auf Platform.
7. Sobald die richtige Ausrichtung erreicht worden ist, wählen Sie generieren GCODE aus der oberen Menüleiste.
  * Ein Fenster mit Druckoptionen erscheint.
8. Wählen Sie den Extruder, der das Filament bieten wird, um das Objekt (links oder rechts) zu drucken.
9. Wählen Sie Raft / Support.
10. Aus dem Dropdown-Menü mit dem Titel Use Trägermaterial, wählen Sie Full Support.
11. Wählen Sie Generate GCODE. Ein Pop-up-Fenster zeigt den Fortschritt der GCODE erscheint.
12. Sobald die GCODE abgeschlossen ist, wählen Sie Build für die Verwendung mit SD-Karte einreichen.
13. Klicken Sie auf Speichern.
14. Ziehen Sie die Datei auf einer SD-Karte.
15. Legen Sie die SD-Karte in den Makerbot und mit dem Makerbot Tastatur Wählen Sie Drucken aus SD.
16. Unter Druck von SD, wählen Sie den gewünschten Dateinamen ein. Der Makerbot automatisch auf warm-up beginnen, um das Objekt zu drucken.
Shapeways Printing
1. Nach dem Erstellen Sie ein kostenloses Konto mit Shapeways kann der STL-Datei direkt auf dem Shapeways Website hochgeladen werden: http://www.shapeways.com/upload/
2. Klicken Sie auf Hochladen und wählen Sie die STLDatei.
3. Wählen Sie einen Titel für die hochgeladene Datei.
4. Wählen Sie eine Maßeinheit aus dem Dropdown-Menü.
5. Klicken Sie auf Upload Model.
6. Die Datei ist nun bereit zum Drucken über Shapeways. Sobald die Datei hochgeladen Shapeways dauert ein paar Minuten, um die Datei zu verarbeiten, um sicherzustellen, dass es tatsächlich gedruckt werden können. Sie werden in der Lage sein, um das Modell aus dem "meine Modelle" Seite nach ca. 10 Minuten zu drucken.
7. Die "weiße starke und flexible" Auswahl wurde verwendet, um Skelettstrukturen drucken, während "purple starke und flexible" für Lungengewebe verwendet wurde.
ProJet HD 3000 Printing
1. Die STL-Datei kann auch ausgedruckt werden unter Verwendung eines kommerziellen hochauflösenden dreidimensionalen Drucker wie der ProJet HD 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Innovation Park, Notre Dame, IN, USA).
2. Die STL-Datei wird in das 3D Systems proprietäre Software geladen, um das Layout der Job auf dem Plattform. Dies erfordert Ändern der Orientierung des Modells im Bereich um die Verwendung von Wachs-Unterstützung und die Druckzeit zu minimieren. Diese Datei wird gespeichert.
3. Der Auftrag wird dann elektronisch an den Drucker gesendet.
4. Eine Plattform aus Aluminium in den Drucker geladen und das ProJet HD 3000 beginnt, um das Objekt zu drucken.
5. Das Modell wird dann von der Plattform entfernt und in einem Ofen bei etwa 73 ° C, um den Träger Wachs aus dem Modell zu schmelzen.
6. Das Objekt wird heiß und entfernt sich mit einem Kimwipe zur restlichen Oberfläche Wachs zu entfernen ausgelöscht.

Ergebnisse

figure-results-1
Abbildung 1. Gedruckte 3D-Modelle der Lunge und Skelett Merkmale einer Ratte Röntgen-CT-Datensatz. Objekte wurden mit einem ProJet HD 3000 (links), Shapeways Inc. (Center) oder eine MakerBot Replicator (rechts). Der Maßstab = 2 cm. Man beachte, dass die Balken in Feld C kleiner als der von A und B, so dass in einigen Fällen das MakerBot müssen ein erweitertes Objekt zu drucken, um so genau Ausgang reflektiert.

Abbildung 1 zeigt die Endprodukte für drei Methoden der Druck desselben in vivo Ratte CT-Datensatz. Alle drei Modelle bestehen aus einem abgeschnittenen Skelettstruktur und abnehmbare Lunge, die unabhängig wurden gedruckt und genäht zusammen. Das Modell auf der linken Seite ist das Ergebnis der ProJet HD 3000 hochauflösenden Drucker, erstellt mit durchscheinenden Acryl-Kunststoff. Das Objekt in der Mittewurde unter Verwendung einer Drittfirma, Shapeways Inc., in dem die Skelettstruktur gedruckt mit Nylon 12 weißem Kunststoff wurde, während die Strukturen in respiratorischen lila hergestellt wurden. Diese ersten beiden Modelle wurden tatsächlichen Skala gedruckt wird, die ungefähr 11 cm lang ist. Das Objekt in rechten wurde unter Verwendung des MakerBot. Das Grundgerüst wurde gedruckt mit naturfarbenen ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) Kunststoff und die Lungen mit lindgrünen ABS. Wegen der Auflösungsgrenzen der MakerBot könnte dieses Modell nicht druckenden ohne Abbau von feinen Struktur wie dem Brustkorb zu skalieren. Stattdessen wurde das Modell um fast 2X skaliert mit dem "füllen bauen space"-Option, um die gewünschte visuelle Detail zu erhalten, was in einem Objekt von 21 cm in der Länge.

figure-results-2
Abbildung 2. Gedruckte 3D-Modelle einer ex vivo Kaninchen skull Daten gesetzt. Die angezeigten Objekte gedruckt wurden mit einem ProJet HD 3000 (links), Shapeways Inc. (Center) und ein MakerBot Replicator (rechts). Der Maßstab bezeichnet 1 cm.

Abbildung 2 zeigt die Endprodukte der einzelnen Druckverfahren für die ex vivo Kaninchen Schädel-CT-Datensatz. Das Modell auf der linken Seite ist das Ergebnis aus der ProJet HD 3000 hochauflösende Drucker mit durchscheinenden Acryl-Kunststoff. Das Modell in der Mitte war weiß Nylon12 Kunststoff durch Shapeways gedruckt. Das Objekt rechts wurde aus weißem Kunststoff mit dem MakerBot gedruckt. Alle drei Objekte wurden gedruckt zu skalieren und zu messen etwa 8,5 cm in der Länge.

figure-results-3
Abbildung 3. Gedruckte 3D-Modelle einer vollständigen rat Röntgen-CT-Datensatz. Objekte wurden mit einem ProJet HD 3000 (links), und Shapeways Inc. (rechts). Die Skala bAr 1 cm.

Abbildung 3 zeigt die Endprodukte für zwei Methoden der Druck einer vollen in vivo CT-Daten einer Ratte eingestellt. Beide Modelle bestehen aus einem kompletten Skelett-Struktur (minus dem Schwanz) und abnehmbare Lunge. Das Modell auf der linken Seite ist die resultierende eines hochauflösenden Drucker, der ProJet HD 3000, gedruckt mit durchscheinenden Acryl-Kunststoff. Das Modell auf der rechten Seite wurde gedruckt Shapeways Druck, mit dem Grundgerüst erstellt mit weißen Nylon12 Kunststoff und die Lunge in lila. Diese beiden Modelle wurden tatsächlichen Skala gedruckt wird, die ungefähr 19 cm lang ist. Wegen der komplizierten Details benötigt, könnte die vollständige Skelett nicht mit dem MakerBot Replicator gedruckt werden.

Während der Exploration von dreidimensionalen Drucktechniken wurden bestimmte Vor-und Nachteile beobachtet und sind in Tabelle 1 dargestellt.

Method of Printing	Vorteile	Nachteile
MakerBot	Extrem schnell, Vielfalt an Farben erhältlich, können in zwei Farben drucken, äußerst kostengünstig	Unterste Ebene der Details. Entfernen der Trägermaterialien ist langsam (in der Größenordnung von einigen Stunden).
Shapeways	Varity von Farb-Optionen, verschiedene Materialien für den Druck, hohen Detaillierungsgrad, relativ preiswert	Zwei Wochen Zeit zu verarbeiten und erhalten einen Auftrag
ProJet HD 3000	Relativ kurze Bearbeitungszeiten, höchste Level of Detail, hoher Durchsatz, einfache Trägermaterialien (Wachs) zu entfernen.	Teuerste im Vorfeld Kosten, nur eine Farb-Option im praktischen Einsatz.

Tabelle 1. Vergleichvon 3D-Drucktechnologien zur Verfügung CT-Datensätze zu drucken.

Diskussion

X-ray CT-Datensätze eines lebenden Lobund-Wistar Ratte und eine Ex-vivo New Zealand White Rabbit Schädel wurden genutzt, um die Machbarkeit der 3D-Objekt Produktion von präklinischen biologischen Daten demonstrieren. Models generiert wurden mit drei unterschiedlichen Quellen: 1) Die beliebte MakerBot Replicator, 2) Die Drittfirma Shapeways Inc, und 3) die hochwertigen kommerziellen ProJet HD 3000. Jeder Drucker konnte Objekten, die das Prinzip Ziel einer verstärkten Datenvisualisierung zufrieden zu generieren.

Während der Prozess des Druckens präklinische CT-Daten wurden die Vor-und Nachteile der einzelnen Verfahren zum Drucken ermittelt und zusammengefasst für den Endanwender. Der MakerBot Replicator ist eine kostengünstige ($ 1.750) bench top Lösung, die für praktisch jedes Labor rund um den Globus. Es kann in mehreren Farben mit preiswerten Eingänge (a rat CT mit Lungen etwa $ 3,50 in Kunststoff) zu drucken. Allerdings ist die Makerbot durch Beschluss beschränkt,und damit einige Modelle müssen für die ordnungsgemäße Extrusion und Visualisierung der vorgesehene Aufbau vergrößert werden. Shapeways Inc. bietet eine hervorragende Reihe von Auswahlmöglichkeiten in Bezug auf Farbe und Material. Die Modelle sind hochauflösende und robust. Während die Preise etwa 10-fach höher als die MakerBot auf einer pro Einheit (a rat CT mit Lungen war $ 41,61) sind, kann ein Benutzer ausführen eine begrenzte Anzahl von Arbeitsplätzen und vermeiden Sie die Kosten im Voraus für den Kauf eines Druckers. Die Zwei-Wochen Vorlaufzeit von Shapeways ist ein kleiner Nachteil. Die ProJet HD 3000 vorgesehen herausragende Modelle in Bezug auf Auflösung und Kraft. Wir hatten das Glück, den Druck von unseren Objekten auf dem ProJet HD 3000 bei Innovation Park in Notre Dame (ca. $ 30 für eine Ratte CT mit Lungen für Arbeit und Material) zusammenziehen. Benutzer können Schwierigkeiten haben, Zugang zu dieser Art von Geräten, wie sie im Bereich von $ 80.000 sind preislich, und es ist mühsam, mit mehreren Farben sowie zu drucken. Da jedes Instrument / Herstellerbietet eine andere Metrik, um die Auflösung für Objekt-Druck (Shapeways Mindestmaß an detail = 0,2 mm, minimale Wandstärke = 0,7 mm, ⁵ MakerBot Schichtdicke = 0,2-0,3 mm mit einer 0,4 mm Düse, ⁶ ProJet HD 3000 DPI = 656 beschreiben x 656 x 800 mit einer Genauigkeit von 0,025-0,05 mm), deutet auf eine qualitative Beurteilung der relativen Auflösungen zwischen jedem System, dass beide Shapeways und die ProJet HD-System kann in hohen Details maßstabsgetreu drucken, während einige Objekte für den erfolgreichen Einsatz vergrößert werden muss Die MakerBot. Gemeinsam sind alle drei Methoden umweltfreundlich und bieten ein bequemes Mittel, um einfache Produktion von hoch detaillierte präklinischen Röntgen-CT-Modelle erreichen.

Abschluss

Allmählich hat sich die Technik des 3D-Drucks leichter zugänglich geworden, da beide die Kosten und Komplexität minimiert wurden. ^{8, 9} Nun, buchstäblich jeder kann hochauflösende, dreidimensionale Objekte aus dig druckenital-Dateien. Diese detaillierte dreidimensionale Objekte können nützliche Werkzeuge für beide Pädagogen und Forscher gleichermaßen. Darüber hinaus bieten sie ein Mittel der visuellen Kommunikation, die zur Erreichung eines besseren Verständnis hilft. ¹⁰ Zum Beispiel, Mediziner können Muster oder Patienten-spezifische Modelle zu verwenden, um sowohl die Kommunikation und das Verständnis mit ihren Kollegen und Patienten zu verbessern. ¹¹ Obwohl Darstellung auf 2D-Bildschirmen hat einen langen Weg zurückgelegt, es gibt absolut keinen Ersatz für die visuelle und sensorische Erfahrungen mit einem realen Objekt, das in der Lage gehalten, gedreht, untersucht und bewegt ist. Ein Modell mit einem elektronischen Darstellung der Daten gepaart ist noch leistungsfähiger, da es Forschern, die physikalischen Objekt für die Regionen von Interesse zu untersuchen, und die Bereiche auf einem Computer-Modell für weitere quantitative Analyse finden können. Mit der richtigen Datenerfassung, Oberflächen-Rendering, und Stereolithografie Bearbeitung, ist es möglich, schnell zu produzieren detaillierte, relatiVely preiswerte Modelle von X-ray CT-Daten. Hier stellen wir eine detaillierte, schrittweise Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Modells aus vorklinischen Kleintier Daten mit einer Röntgen-Mikro-CT gesammelt. Akquirierten unsere in vivo und ex vivo-CT-Daten unter Verwendung eines Albira Bildstation, und die nachfolgende Verarbeitung durchgeführt mit PMOD, ImageJ, meshlab und netfabb Softwarepakete. Schließlich bieten wir detaillierte Anweisungen zur dreidimensionalen Modells Bedrucken mit einer Reihe von kommerziellen Lösungen ermöglichen. In jedem Fall ist das Endergebnis ein Modell, das eine einzigartige, handgehaltenen, physische Manifestation der akquirierten tomographischen Daten, die normalerweise an einem Computer-Bildschirm beschränkt wäre bereitstellt.

Offenlegungen

W. Matthew Leevy ist ein Berater für Carestream Molecular Imaging. Brian Stamile ist ein Support-Techniker für MakerBot Industries.

Danksagungen

Wir bedanken uns herzlich die Nanovic Institute for European Studies, der Glynn Familie Honors Program, Notre Dame Integrated Imaging Facility (NDIIF) und Carestream Health für die finanzielle Unterstützung für dieses Projekt. Forschung auf Kaninchen kranialen Entwicklung von NSF BCS-1029149 zu MJR unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
			Benötigte Programme Albira Bild Acquirer PMOD ImageJ Meshlab Netfabb ReplicatorG

Referenzen

Kazmer, D. O., Speight, R. G. Polymer Injection Molding Technology for the Next Millennium. Journal of Injection Molding Technology. 1 (2), 81-90 (1997).
Bradshaw, S., Bowyer, A., Haufe, P. The intellectual property implications of low-cost 3D printing. ScriptEd. 7 (1), 5-31 (2010).
Partridge, R., Conlisk, N., Davies, J. A. In-lab three-dimensional printing: An inexpensive tool for experimentation and visualization for the field of organogenesis. Organogenesis. 8 (1), 1-6 (2012).
Guillot, A., Champely, S., Batier, C., Thiriet, P., Collet, C. Relationship between spatial abilities, mental rotation and functional anatomy learning. Adv. Health Sci. Educ. Theory Pract. 12, 491-507 (2007).
D Printing Materials on Shapeways [Internet]. , Shapeways. Available from: http://www.shapeways.com/materials/white_strong_flexible (2013).
MakerBot Replicator [Internet]. , Makerbot. Available from: http://store.makerbot.com/replicator.html (c2009-2013).
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).
Cignoni, P., Scopigno, R. Sampled 3D models for CH applications: a viable and enabling new medium or just a technological exercise. Association for Computing Machinery Journal on Computing and Cultural. 1 (1), 1(2008).
Symes, M. D. Integrated 3D-printed reactionware for chemical synthesis and analysis. Nature Chemistry. 4, 349-354 (2012).
Sheridan, D. M. Fabricating consent: three-dimensional objects as rhetorical compositions. Computers and Composition. 27, 249-265 (2010).
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).

Nachdrucke und Genehmigungen

Schlagwörter

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