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Methodenartikel

Voxel Printing Anatomy: Design und Herstellung realistischer, vorchirurgischer Planungsmodelle durch Bitmap-Druck

2.8K Aufrufe

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DOI:

10.3791/63214

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9. Februar 2022

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

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Protokoll

HINWEIS: Für die in den Abschnitten 1 bis 3 abgeschlossenen Arbeiten wurde die 3D-Slicer Medical Image Computing Software4 (siehe Materialtabelle) verwendet.

1. Dateneingabe

  1. Öffnen Sie die medizinische Bildbearbeitungssoftware, klicken Sie im Dropdown-Menü auf die Schaltfläche Datei und DICOM und warten Sie, bis sich das DICOM-Browserfenster öffnet.
    1. Wählen Sie im Fenster DICOM-Browser die Option Importieren aus. Warten Sie, bis das Popup-Fenster DICOM-Dateien aus Verzeichnis importieren angezeigt wird.
    2. Navigieren Sie zum DICOM-Dateistapel und klicken Sie auf die Schaltfläche Importieren .
    3. Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Stapel von DICOM-Dateien in den DICOM-Browser geladen wird. Stellen Sie sicher, dass die Daten korrekt ausgefüllt wurden und mit der gewünschten Studie in den folgenden Kategorien übereinstimmen: Patient, Studie, Serie und Instanz.
      1. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Erweitert , um zusätzliche Metadaten zu aktivieren. Wählen Sie die gewünschte Seriennummer aus und klicken Sie auf die Schaltfläche Untersuchen . Stellen Sie sicher, dass in der gewünschten Sequenz keine Warnungen angezeigt werden. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen neben der gewünschten DICOM-Datendatei | Laden.
        HINWEIS: Wählen Sie die Bilder mit der höchsten Auflösung mit der dünnsten Scheibenaufnahme, da diese Methode in der Lage ist, mit 15 μm und 27 μm Scheibendicke zu drucken.
  2. Navigieren Sie beim Volume-Rendering nach dem Laden der Sequenz in die medizinische Bildbearbeitungssoftware zu Module und wählen Sie Volume Rendering Module aus dem Dropdown-Menü aus.
    1. Wählen Sie im Volume-Rendering-Modul den Namen der Sequenz aus dem Dropdown-Menü Volume aus, um den Bildstapel zu aktivieren und die Daten in ein voxelisiertes Volume zu übersetzen. Stellen Sie sicher, dass der Name des aktiven Moduls mit der gewünschten Sequenz übereinstimmt, die in Schritt 1.1.3.1 ausgewählt wurde.
    2. Klicken Sie auf das Eye Ball-Symbol neben dem Dropdown-Menü Lautstärke , um das ausgewählte Volume in 3D zu visualisieren. Stellen Sie sicher, dass das 3D-Anzeigefenster geöffnet und eine Graustufen-3D-Darstellung sichtbar ist.
    3. Klicken Sie anschließend auf den Pfeil neben Erweitert , um die erweiterten Tools zu öffnen. Wählen Sie die Registerkarte Volumeneigenschaft , um eine Reihe von Steuerelementen zum Ändern des Farbkanals des Voxelmodells zu öffnen.
    4. Navigieren Sie zum Menü Skalare Deckkraftzuordnung . Klicken Sie mit der linken Maustaste in das Feld, um Punkte zu erstellen, an denen Intensitätswerte durch Deckkraft definiert werden. Platzieren Sie Punkte entlang dieser Skala, um die Anatomie von Interesse zu visualisieren.
      HINWEIS: Die Rechts-Links-Position des Punktes korreliert mit dem Bereich der Intensitätswerte des Bildes, und die Nach-unten-Position bezieht sich auf die Deckkraft.
    5. Navigieren Sie zum Menü Skalare Farbzuordnung . Klicken Sie mit der linken Maustaste in das Feld, um Punkte zu erstellen und Farben anzugeben, die mit Intensitätswerten korrelieren. Doppelklicken Sie in das Feld, um das Fenster Farbe auswählen zu öffnen, in dem Sie die Farbinformationen ändern können.

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.

  1. Navigieren Sie zu Module und wählen Sie den Segment-Editor aus dem Dropdown-Menü aus. Stellen Sie sicher, dass die Symbolleisten des Segment-Editors angezeigt werden.
    1. Navigieren Sie zur Dropdownliste Segmentierung , und wählen Sie Neue Segmentierung erstellen als aus. Geben Sie im Popup-Fenster Segmentierung umbenennen einen benutzerdefinierten Namen für die Segmentierung ein und klicken Sie auf OK.
    2. Navigieren Sie zum Dropdown-Menü Master-Volume und wählen Sie das aktive Volume aus, das denselben Namen wie das Volume-Rendering haben soll. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Hinzufügen direkt unter dem Dropdown-Menü. Stellen Sie sicher, dass der Segmentcontainer im Feld unten erstellt wurde.
    3. Navigieren Sie zum Effektwerkzeugfenster unten und wählen Sie das Scherenwerkzeug aus. Navigieren Sie zum Menü "Schere " und wählen Sie "Innen ausfüllen", "Freiform" und " Unbegrenzt". Bewegen Sie als Nächstes den Mauszeiger über das 3D-Fenster, klicken Sie mit der rechten Maustaste und halten Sie ihn gedrückt, während Sie um den zu löschenden Bereich zeichnen. Stellen Sie sicher, dass ein farbiger Streifen angezeigt wird, der zeigt, was abgedeckt wurde. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis alle zu löschenden Bereiche abgedeckt sind.
      HINWEIS: Es gibt Erweiterungen, wie z. B. Segment Editor Extra Effects, die in die medizinische Bildbearbeitungssoftware heruntergeladen werden können und Werkzeuge zum Erstellen dieser Segmentierung enthalten.
    4. Wählen Sie als Nächstes im Menü "Effekte" das Maskenlautstärke-Werkzeug aus. Aktivieren Sie Select Inside (Innen auswählen), um alle Bilddaten zu löschen, die vom Segment abgedeckt werden. Ändern Sie als Nächstes den Füllwert auf -1000, was in der Hounsfield-Einheitenskala luft oder void entspricht. Klicken Sie abschließend auf Anwenden und klicken Sie auf den Augapfel neben der Ausgabelautstärke, um die neue maskierte Lautstärke anzuzeigen.
      1. Navigieren Sie zu Module und wählen Sie Volume Rendering aus dem Dropdown-Menü. Klicken Sie auf den Augapfel neben der aktiven Lautstärke, um die Visualisierung auszuschalten.
      2. Wählen Sie als Nächstes im Dropdown-Menü das neu erstellte maskierte Volume aus. Klicken Sie auf den Augapfel , um die Lautstärke zu aktivieren.
      3. Navigieren Sie abschließend zum Menü Eingaben und öffnen Sie das Dropdown-Menü Eigenschaften . Wählen Sie die in Schritt 1.2.5 erstellte Volume-Eigenschaft aus . Stellen Sie sicher, dass das Volumen in der 3D-Ansicht maskiert und farbcodiert ist.

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.

  1. Navigieren Sie zu den Modulen und wählen Sie Slicerfab aus dem Dropdown-Menü aus. Stellen Sie sicher , dass die Menüs Druckparameter und Ausgabeparameter vorhanden sind.
    1. Stellen Sie in der Dropdown-Liste Druckerparameter sicher, dass die X-Auflösung auf 600 DPI und die Y-Auflösung auf 300 DPI festgelegt ist. Stellen Sie sicher, dass die Schichtdicke auf 27 μm eingestellt ist.
    2. Öffnen Sie als Nächstes das Menü Ausgabeparameter und ändern Sie den Maßstab des endgültigen Modells nach Bedarf.
    3. Wählen Sie abschließend einen Dateispeicherort für die zu speichernden Slices aus und klicken Sie auf Generieren.
      HINWEIS: Dieser Schritt kann einige Minuten dauern.

4. Dithering

HINWEIS: Adobe Photoshop (siehe Tabelle der Materialien) wurde für die in Abschnitt 4 abgeschlossenen Arbeiten verwendet.

  1. Öffnen Sie die Bildbearbeitungssoftware und klicken Sie auf Datei und wählen Sie Öffnen aus dem Dropdown-Menü. Navigieren Sie zum ersten Bild des im vorherigen Schritt erstellten PNG-Dateistapels und klicken Sie auf die Schaltfläche Öffnen .
  2. Navigieren Sie zu Fenster und wählen Sie Aktionen aus dem Dropdown-Menü. Klicken Sie im Menü Aktionen auf Neue Aktion, geben Sie einen benutzerdefinierten Namen ein, und wählen Sie OK aus. Stellen Sie sicher, dass die Aktion aufgezeichnet wird, indem Sie überprüfen, ob die Schaltfläche Aufnahme aktiv und rot ist.
    1. Sobald das Bild geladen wurde, navigieren Sie zu Bild | Modus-| Indizierte Farbe. Wählen Sie im Fenster Index aus dem Dropdown-Menü Local Perceptual aus und geben Sie die Anzahl der Farben mit 8 an.
    2. Wählen Sie im Menü Erzwungen die Option Benutzerdefiniert aus. Klicken Sie auf die ersten beiden Quadrate, warten Sie, bis das Fenster Benutzerdefinierte Farbe angezeigt wird, und wählen Sie eine benutzerdefinierte Farbpalette aus. Wählen Sie 100 % Magenta und stellen Sie sicher, dass C, Y und K auf 0 eingestellt sind.
      1. Wiederholen Sie diesen Vorgang und stellen Sie sicher, dass es zwei Quadrate gibt, die 100% C, Y und K gewidmet sind.
    3. Wählen Sie im Menü Optionen für Matte die Option Benutzerdefiniert aus dem Dropdown-Menü aus. Wählen Sie für Dither die Option Diffusion und für Amount die Option 100% aus. Klicken Sie abschließend auf OK.
    4. Navigieren Sie zum Menü Aktion und klicken Sie auf die quadratische Schaltfläche, um die Aufnahme zu beenden. Schließen Sie das aktive Fenster und klicken Sie im Popup-Fenster zum Speichern von Änderungen auf Nein.
  3. Navigieren Sie zu Datei | Automatisieren Sie | Stapel. Navigieren Sie im Popup-Fenster Stapel zu der Dropdown-Liste Aktion und wählen Sie die im vorherigen Schritt erstellte Aktion aus. Klicken Sie anschließend im Menü Quelle auf die Schaltfläche Auswählen , und navigieren Sie zu dem Ordner mit den in Schritt 3.1.3 exportierten Bildern. Klicken Sie im Menü Ziel auf die Schaltfläche Auswählen, wählen Sie einen Zielordnerspeicherort für die neuen Dateien aus, und klicken Sie auf OK.

5. Voxeldruck

HINWEIS: Stratasys GrabCAD5 wurde für die in Abschnitt 5 abgeschlossenen Arbeiten verwendet.

  1. Öffnen Sie die Drucksoftware, klicken Sie im Dropdown-Menü auf Apps und Voxel Print Utility starten .
    1. Geben Sie im Textfeld Präfix der Slice-Dateien das Präfix des PNG-Dateistapels ein. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Auswählen, navigieren Sie zu dem Ordner, in dem sich der PNG-Dateistapel befindet, und klicken Sie auf OK.
    2. Stellen Sie unter Segmentbereich sicher, dass das erste Slice und die Anzahl der Slices mit der Anzahl der Dateien im erstellten Ordner übereinstimmen.
    3. Stellen Sie unter Slicing-Parameter sicher, dass die Sliced-Dicke (mm) mit den in Schritt 3.1.1.1 angegebenen Einstellungen übereinstimmt und die Slice-Breite (Pixel) und die Slice-Höhe (Pixel) mit der Breite und Höhe der PNG-Dateien übereinstimmen.
    4. Stellen Sie unter Hintergrundfarbe sicher, dass der Hintergrund mit der Hintergrundfarbe übereinstimmt, die nicht gedruckt werden soll. Wenn Sie fertig sind, klicken Sie auf die Schaltfläche Weiter .
  2. Wählen Sie auf der Seite Extras unter Materialzuordnung das Material aus dem Dropdown-Menü aus, das der zugeordneten Farbe zugeordnet werden soll, die von den PNG-Dateien abgeleitet wurde. Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede Farbe im Menü. Klicken Sie dann auf Fertig stellen | OK im Popup-Fenster Info Gcvf Erstellung erfolgreich.
  3. Klicken Sie auf der Drucksoftware des Hostcomputers auf Datei | Datei aus dem Dropdown-Menü importieren. Navigieren Sie zur Gcvf-Datei und klicken Sie auf Laden. Wählen Sie auf dem Hauptbildschirm Drucken aus.

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Ergebnisse

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.

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Diskussion

Der aktuelle Repräsentationsrahmen, den die Mehrheit, wenn nicht alle, der digitalen Modellierungswerkzeuge heute verwenden, ergibt das STL-Dateiformat8. Dennoch hat sich die spezifische Natur dieses Paradigmas als unzureichend erwiesen, wenn versucht wird, die granulare oder hierarchische Struktur komplexerer, natürlicher Materialien auszudrücken. Mit dem Aufkommen neuerer additiver Fertigungstechniken wie dem Multimaterial-3D-Druck können hochgradig abgestimmte und hochoptimierte Objekte hergest...

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Offenlegungen

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.

Danksagungen

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.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
3D Slicer Image Computing PlattformSlicer.orgVersion 4.10.2– 4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet 3D-DruckerStratasys
PhotoshopAdobe2021

Referenzen

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  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).
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  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).

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