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Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Diese Methode demonstriert einen voxelbasierten 3D-Druck-Workflow, der direkt aus medizinischen Bildern mit exakter räumlicher Wiedergabetreue und räumlicher /kontrastreicher Auflösung druckt. Dies ermöglicht die präzise, abgestufte Kontrolle von Materialverteilungen durch morphologisch komplexe, abgestufte Materialien, die mit der Radiodichte korreliert sind, ohne Verlust oder Veränderung von Daten.
Die meisten Anwendungen des 3-dimensionalen (3D) Drucks für die voroperative Planung waren auf knöcherne Strukturen und einfache morphologische Beschreibungen komplexer Organe beschränkt, da die Genauigkeit, Qualität und Effizienz des aktuellen Modellierungsparadigmas grundlegend eingeschränkt sind. Dies hat das Weichgewebe weitgehend ignoriert, das für die meisten chirurgischen Fachgebiete entscheidend ist, wo das Innere eines Objekts wichtig ist und anatomische Grenzen allmählich übergehen. Daher erfordern die Bedürfnisse der biomedizinischen Industrie, menschliches Gewebe zu replizieren, das mehrere Organisationsskalen und unterschiedliche Materialverteilungen aufweist, neue Formen der Repräsentation.
Vorgestellt wird hier eine neuartige Technik zur Erstellung von 3D-Modellen direkt aus medizinischen Bildern, die in räumlicher und kontrastreicher Auflösung den aktuellen 3D-Modellierungsmethoden überlegen sind und bisher unerreichbare räumliche Genauigkeit und Weichteildifferenzierung enthalten. Ebenfalls vorgestellt werden empirische Messungen neuartiger, additiv hergestellter Verbundwerkstoffe, die die Bandbreite der Materialsteifigkeiten abdecken, die in weichen biologischen Geweben aus MRT und CT beobachtet werden. Diese einzigartigen volumetrischen Design- und Druckverfahren ermöglichen eine deterministische und kontinuierliche Anpassung der Materialsteifigkeit und Farbe. Diese Fähigkeit ermöglicht eine völlig neue Anwendung der additiven Fertigung auf die vorchirurgische Planung: den mechanischen Realismus. Als natürliche Ergänzung zu bestehenden Modellen, die ein Erscheinungsbild bieten, ermöglichen diese neuen Modelle auch Medizinern, die räumlich variierenden Materialeigenschaften eines Gewebesimulanzlösemittels zu "fühlen" - eine entscheidende Ergänzung zu einem Bereich, in dem die taktile Empfindung eine Schlüsselrolle spielt.
Derzeit untersuchen Chirurgen zahlreiche diskrete 2-dimensionale (2D) Bildgebungsmodalitäten, die unterschiedliche Daten anzeigen, um Operationen an 3D-Patienten zu planen. Darüber hinaus ist die Anzeige dieser Daten auf einem 2D-Bildschirm nicht in der Lage, den vollen Umfang der gesammelten Daten zu kommunizieren. Da die Anzahl der Bildgebungsmodalitäten zunimmt, erfordert die Fähigkeit, mehr Daten aus verschiedenen Modalitäten zu synthetisieren, die mehrere Organisationsskalen aufweisen, neue Formen der digitalen und physischen Repräsentation, um Informationen für eine effektivere und effizientere chirurgische Planung zu verdichten und zu kuratieren.
3D-gedruckte, patientenspezifische Modelle haben sich als neues Diagnosewerkzeug für die Operationsplanung herausgestellt, das nachweislich die Operationszeit und chirurgische Komplikationen reduziert1. Der Prozess ist jedoch aufgrund der Standard-Stereolithographie-Methode (STL) des 3D-Drucks zeitaufwendig, die einen sichtbaren Datenverlust zeigt und gedruckte Objekte als feste, homogene und isotrope Materialien darstellt. Infolgedessen beschränkte sich der 3D-Druck für die chirurgische Planung auf knöcherne Strukturen und einfache morphologische Beschreibungen komplexer Organe2. Diese Einschränkung ist das Ergebnis eines veralteten Fertigungsparadigmas, das sich an den Produkten und Bedürfnissen der industriellen Revolution orientiert, bei der hergestellte Objekte vollständig durch ihre äußeren Grenzen beschrieben werden3. Die Bedürfnisse der biomedizinischen Industrie, menschliches Gewebe zu replizieren, das mehrere Organisationsskalen und unterschiedliche Materialverteilungen aufweist, erfordern jedoch neue Darstellungsformen, die die Variationen über das gesamte Volumen darstellen, die sich Punkt für Punkt ändern.
Um dieses Problem anzugehen, wurde eine 3D-Visualisierungs- und Modellierungstechnik (Abbildung 1) entwickelt und mit einem neuartigen, additiven Fertigungsverfahren gekoppelt, das eine bessere Kontrolle über das Mischen und Abscheiden von Harzen in ultrahoher Auflösung ermöglicht. Diese Methode, Bitmap-Druck genannt, repliziert die menschliche Anatomie durch 3D-Druck direkt aus medizinischen Bildern auf einer Ebene der räumlichen Genauigkeit und räumlichen / Kontrastauflösung der fortschrittlichen Bildgebungstechnologie von fast 15 μm. Dies ermöglicht die präzise und abgestufte Kontrolle, die erforderlich ist, um Variationen in morphologisch komplexem Weichgewebe ohne Verlust oder Veränderung von Daten aus diagnostischen Quellbildern zu replizieren.
HINWEIS: Für die in den Abschnitten 1 bis 3 abgeschlossenen Arbeiten wurde die 3D-Slicer Medical Image Computing Software4 (siehe Materialtabelle) verwendet.
1. Dateneingabe
2. Manipulationen
HINWEIS: Ein Maskierungsschritt ist erforderlich, wenn die Anatomie ausreichend komplex ist, bis zu dem Punkt, an dem nach Änderungen der Volumeneigenschaften umgebendes Gewebe und Fremddaten vorhanden sind.
3. Schneiden
HINWEIS: Dieser Prozess umgeht die traditionelle 3D-Druckmethode, indem die Slice-Dateien direkt an den 3D-Druck anstelle einer STL-Netzdatei gesendet werden. In den folgenden Schritten werden Slices aus dem Volume-Rendering erstellt. Das Bitmap Generator-Modul ist eine benutzerdefinierte Erweiterung. Dies kann von Extensions Manager heruntergeladen werden.
4. Dithering
HINWEIS: Adobe Photoshop (siehe Tabelle der Materialien) wurde für die in Abschnitt 4 abgeschlossenen Arbeiten verwendet.
5. Voxeldruck
HINWEIS: Stratasys GrabCAD5 wurde für die in Abschnitt 5 abgeschlossenen Arbeiten verwendet.
Ein positives Ergebnis, wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt, ist eine direkte Übersetzung des Volume-Renderings gemäß den Schritten 1.2.5 oder 2.1.1.4. Das endgültige Modell sollte in Größe, Form und Farbe visuell mit dem Volume-Rendering übereinstimmen. Entlang dieses Prozesses gibt es zahlreiche Schritte, bei denen ein Fehler auftreten kann, der sich auf eine oder mehrere der oben aufgeführten Eigenschaften auswirkt.
Probleme im Zusammenhang mit der einheitlichen Skalierung der gedruckten Modelle, wie in Abbildung 4 dargestellt, können auf die Abbilderstellung, die Computerhardware und/oder die Standardsoftwareeinstellungen zurückzuführen sein. Krankenhäuser verwenden eine Vielzahl von Techniken, um Bilder von einer Reihe möglicher Scanner zu erzeugen und zu rendern. Da diese Methode direkt von den Quellbildern aus funktioniert, die Metadaten verfügbar machen können, die normalerweise nicht verwendet werden, ist es wichtig, mit den Nuancen des Imaging-Workflows vertraut zu sein. Probleme mit der Skalierung können auftreten, wenn die "Transformation" in die Metadaten integriert wird, wodurch die Ebenenhöhe und -drehung künstlich angepasst werden können.
Skalierungsprobleme können auch auf die Größe des Computermonitors zurückzuführen sein. Einige Versionen von Slicerfab wurden so eingestellt, dass das Volume-Rendering in Scheiben geschnitten und das resultierende PNG auf die Größe des aktiven Bildschirms gespeichert wird. In diesen Versionen von Slicerfab werden Bilder, die größer als der Monitor sind, abgeschnitten. Schließlich haben verschiedene Aktualisierungen in Photoshop zu Skalierungsproblemen geführt, wenn die Aktualisierungen die Standardeinstellungen für die Bildimportauflösung ändern. Wenn der Standardwert auf etwas anderes als 600 DPI festgelegt ist, behalten die Bilder nicht die gleiche Skala von Bildern bei, die von der medizinischen Bildverarbeitungssoftware erzeugt werden. Sie führen zu Verzerrungen der X-Y-Dimension, während die z-Höhe des Modells korrekt bleibt.
Probleme im Zusammenhang mit unregelmäßigen Formen und unerwarteten Geometrien können bei der Arbeit mit Opazität in der medizinischen Bildbearbeitungssoftware auftreten. Die Registerkarte Volume-Eigenschaften enthält die Möglichkeit, sowohl Farb- als auch Deckkraftkanäle zu ändern. Wenn der Deckkraftkanal unter 50% eingestellt ist, erzeugen die Rendering-Algorithmen Visualisierungen, die für den Benutzer schwer wahrnehmbar sind, insbesondere in der Umgebung komplexer Strukturen. Dies kann dazu führen, dass zusätzliche Daten im Prozess analysiert werden und unerwünschte Daten in 3D gedruckt werden.
Probleme im Zusammenhang mit Farben können auf Softwaregrafiken und Benutzerfehler sowohl in der Bildbearbeitungssoftware als auch in der Drucksoftware zurückzuführen sein. Die medizinische Bildbearbeitungssoftware bietet zahlreiche Möglichkeiten zum Anpassen des Lautstärke-Renderings. Obwohl die aktuelle Version von Slicerfab über hartcodierte Renderingeinstellungen verfügt, können dennoch Änderungen vorgenommen werden. Das Aktivieren von Licht- und Schattierungseinstellungen sowie GPU-Rendering-Einstellungen kann zu unerwarteten und nicht reproduzierbaren Ergebnissen führen. Schließlich können die Dithering-Schritte ab Schritt 4.1.2.3 die Farbe basierend auf den Optionen für die Farbsynthese beeinflussen, die durch die Anzahl und die relativen Konzentrationen der verfügbaren Basismaterialien im Drucker bestimmt wird.
Der "lokale Wahrnehmungsalgorithmus" versucht, eine visuelle Annäherung der Quellfarbe an die verfügbaren Farben zu erzeugen, die im "Farbwähler" definiert sind. Wenn Sie die Anzahl und Farbe der Basismaterialien ändern, ändert sich der resultierende Farbton und die Farbgenauigkeit des gedruckten Modells. Wenn Klar als Basismaterial verwendet wird, wie in Abbildung 5 dargestellt, führen Probleme mit der Streuung von Oberflächen- und Untergrundlicht durch das gedruckte Modell häufig zu untreuen Farbübersetzungen aus dem digitalen Rendering in das gedruckte Modell6.
Abbildung 1: Flussdiagramm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Voxel digital zu physischem Dithering der Farbe. (A) Ein Querschnitt eines Herzmodells wird gezeigt, indem die Dichtebereiche der Anatomie in 2, 4 und 10 Farben unterteilt werden. (B) Es wird eine Vergrößerung eines Teils jedes Modells angezeigt, die die einzelnen Pixel zeigt, die im 3D-Druckverfahren zu Materialtröpfchen verarbeitet werden. (C) Hier sind querschnittliche 3D-gedruckte Modelle mit der Voxel-Technik dargestellt, die die Übersetzung von einem Bild in das Modell demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Repräsentative Voxel-Ergebnisse. Zwei Modelle, die repräsentative Ergebnisse einer erfolgreichen Methode zeigen. (A) Ein Querschnittsnierenmodell eines Erwachsenen mit klarzelligem Karzinom. Der Tumor auf der rechten Seite wurde entfernt, um die Schnittstelle zwischen Niere und Tumor zu zeigen. Dies ermöglicht es einem Chirurgen, die Morphologie des Tumors und seine Beziehung zu kritischen Elementen besser zu verstehen. (B) Ein schnittiges Herzmodell, das die Variation der Gewebedichte zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Problem mit der Voxel-Skalierung. Zwei Bilder desselben Modells, die das Ergebnis eines Skalierungsproblems zeigen. (A) Querschnittsbild der Niere. Die X-Y-Auflösung wird proportional angezeigt, beträgt aber 50% des beabsichtigten Produkts (B) Profilansicht der Niere. Die X-Auflösung bleibt aus den Quelldaten genau und führt zu einem Modell, das in X-Richtung gestreckt erscheint. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Potenzielle Probleme. Zwei Bilder von zwei verschiedenen Modellen zeigen die Probleme rund um die Klarheit der Arbeit mit transluzenten Materialien. (A) Dieses Modell zeigt das Ergebnis von eingeschlossenen Hohlräumen innerhalb des Modells, die vom Drucker mit einem "Stützmaterial" gefüllt wurden. In diesem Modell wurden die Hohlräume absichtlich erzeugt, um eine Variation der optischen Eigenschaften zu erzeugen. (B) Dieses Modell zeigt offene Hohlräume, die tief in das Modell hineinlaufen. Die Hohlräume sind gewunden, was Standard-Nachbearbeitungstechniken, die die Oberfläche polieren, unmöglich macht. Die daraus resultierende optische Verzerrung hat das Modell für klinische Anwendungen unbrauchbar gemacht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Voxel-Verarbeitungsworkflow und Vergleich der Bildqualität. Aus den eingegebenen DICOM-Daten wird (A) eine Maske erstellt, um den Interessierendenbereich zu isolieren und in ein 3D-Volumen-Rendering zu rekonstruieren, (B), aus dem ein Histogramm analysiert wird, um die Intensitätswertebereiche zu analysieren. Der Formkanal des voxelbasierten Volume-Renderings wird aktiviert, um die Form des resultierenden maskierten DICOM zu visualisieren. Der Materialkanal des voxelbasierten Volumenrenderings wird durch Nachschlagetabellen modifiziert, die die Farbe den angegebenen Intensitätsbereichen (C) zuordnen. Das Volume-Rendering wird als Vollfarb-PNG-Dateien mit den erforderlichen Einschränkungen und der Auflösung des Druckers (D) aufgeteilt. Jede PNG-Scheibe ist in die Materialbeschreibungen unterteilt, die zur Herstellung der medizinischen Daten benötigt werden. (E) Die resultierenden Farbkomposit-PNGs werden an den Drucker gesendet. (F) Eine Visualisierung eines hochauflösenden Datensatzes im Vergleich zu einem Datensatz mit niedriger Auflösung (G) unter Verwendung derselben Technik, um die Notwendigkeit von Quelldaten höchster Qualität zu demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
N.J. ist Autor einer Von der University of Colorado Regents eingereichten Patentanmeldung, die Verfahren wie die in diesem Werk beschriebenen beschreibt (Anmeldung Nr. US16/375.132; Veröffentlichung Nr. US20200316868A1; eingereicht am 04. April 2019; veröffentlicht am 08. Oktober 2020). Alle anderen Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden Interessen haben.
Diese Methode demonstriert einen voxelbasierten 3D-Druck-Workflow, der direkt aus medizinischen Bildern mit exakter räumlicher Wiedergabetreue und räumlicher /kontrastreicher Auflösung druckt. Dies ermöglicht die präzise, abgestufte Kontrolle von Materialverteilungen durch morphologisch komplexe, abgestufte Materialien, die mit der Radiodichte korreliert sind, ohne Verlust oder Veränderung von Daten.
Wir danken AB Nexus und dem Bundesstaat Colorado für ihre großzügige Unterstützung unserer wissenschaftlichen Forschung zum Voxeldruck für die vorchirurgische Planung. Wir danken L. Browne, N. Stence und S. Sheridan für die Bereitstellung von Datensätzen, die in dieser Studie verwendet wurden. Diese Studie wurde durch den AB Nexus Grant und den State of Colorado Advanced Industries Grant finanziert.
| 3D Slicer Image Computing Plattform | Slicer.org | Version 4.10.2– 4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D-Drucker | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
