3D Printing der präklinischen X-ray computertomographische Datensätze

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, anatomische Modelle von präklinischen Röntgen-CT-Datensätzen mithilfe der 3D-Kunststoffdrucktechnologie zu erstellen. Dies wird erreicht, indem zunächst eine Ratte oder Maus in eine Bildgebungsstation eingelegt und im Röntgen-Computertomographiemodus gescannt wird. Anschließend werden die Daten rekonstruiert und für die Eingabe in ein handelsübliches 3D-Druckgerät formatiert.

Im letzten Schritt druckt der Drucker ein komplexes physisches Modell von Skelett- oder Weichgewebedaten aus Kunststoff. Letztendlich dient die 3D-Drucktechnologie dazu, die Daten vom Computerbildschirm zu holen und in die Handfläche zu legen. Die Idee zu dieser Methode hatte ich erstmals, als ich im Labor mit Röntgen-CT-Datensätzen arbeitete und in meinen Ingenieurwissenschaftsveranstaltungen hier an der Notre Dame erstmals auf die 3D-Drucktechnologie aufmerksam wurde.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen bestehenden Methoden wie dem Spritzgießen von Kunststoffen liegt darin, dass der 3D-Druck die Erstellung äußerst komplexer Modelle ermöglicht, die andernfalls nicht herstellbar wären. Obwohl diese Methode verwendet werden kann, um 3D-Daten von Skelettstrukturen zu drucken, lässt sie sich auch auf Weichgewebesysteme wie die Lunge anwenden und ergibt ein Endprodukt wie dieses. Alle in vivo und ex vivo durchgeführten Bildgebungen zur Demonstration dieses Protokolls wurden mit dem Albea-Röntgen-Computertomographiesystem aufgenommen; die Bilder wurden mithilfe des gefilterten Rückprojektionsalgorithmus über Albea Suite 5.0 rekonstruiert. Für die in vivo-Bilder, die in diesem Protokoll gezeigt werden, wurde ein männlicher Low-Bun-Star-Ratte im Alter von 10 Monaten vollständig narkotisiert mit ISO-Fluoran gescannt; für die ex vivo-Bildgebung.

Ein Schädelprobe eines weißen Neuseeland-Kaninchens, die in 10 % Formalin konserviert wurde, wurde gescannt. Diese kombinierten Aufnahme- und Rekonstruktionseinstellungen erzeugen ein endgültiges Bild mit isometrischen Voxel von 0,125 Millimeter, was als ausreichend für die Analyse des gesamten Tieres und den 3D-Druck anatomischer Strukturen angesehen wird. Beachten Sie, dass die skelettalen Merkmale aus den CT-Scans direkt aus den Rohdaten gedruckt werden können, ohne dass eine Segmentierung durchgeführt werden muss.

Jedoch ist eine Segmentierung von Weichgeweben vor der Verarbeitung dieser Daten für den 3D-Druck erforderlich. Hier ist ein Beispiel mit Lungengewebe zu sehen. Anschließend müssen die Daten vom Mikro-PET- in das DICOM-Format umgewandelt werden. Mithilfe der PMOD-Analysesoftware enthalten die DICOM-Daten volumetrische Dichtewerte für jeden Voxel.

Dann muss, um die DICOM-Daten für den Druck vorzubereiten, die Daten als zusammenhängende Oberfläche statt als Volumenbild verarbeitet werden. Mit der Software J, Version 1.43 U, können Oberflächen-Darstellungen für die weitere Verarbeitung erstellt werden. Abschließend können zwei Programme – MeshLab, Version 1.31, und Netfabb Studio Basic, Version 4.9 – gleichzeitig verwendet werden, um überschüssige Mesh-Teile zu entfernen, getrennte Meshs zu verbinden, Löcher zu reparieren und das endgültige Mesh zu glätten. Die wesentlichen Unterschiede zwischen diesen beiden Programmen liegen in den zur Verfügung stehenden Werkzeugsätzen sowie in einigen Aspekten der Steuerung der Benutzeroberfläche.

Beide sind Softwareprogramme zur 3D-Netzbearbeitung, und ihre gemeinsame Nutzung bietet den einfachsten Ansatz zur Modellbearbeitung. Stellen Sie sicher, dass Sie das Dateiformat als STL speichern, wenn Sie MeshLab verwenden. Um das CT-Modell mit dem Maker Bot zu drucken, öffnen Sie zunächst die STL-Datei, die in vorherigen Schritten im Replicator-G-Software erzeugt wurde.

Replicator G ist ein Programm von MakerBot Industries, das verwendet wird, um mit dem Drucker in der unteren rechten Ecke des Softwaremenüs zu kommunizieren. Klicken Sie auf die Option „Skalieren“ und wählen Sie dann „Baurraum füllen“. Danach wählen Sie „Drehen“ und klicken anschließend auf „Flachlegen“.

Klicken Sie dann bei Modellen mit feinen Details auf „Zentrieren“. Wählen Sie außerdem die Option „Baugruppe auffüllen“, um das Modell zu vergrößern. Klicken Sie anschließend im selben Menü auf „Verschieben“ und wählen Sie „Auf Plattform setzen“ aus.

Nachdem die korrekte Ausrichtung erreicht wurde, wählen Sie in der oberen Menüleiste „G-Code generieren“. Ein Fenster mit Druckoptionen erscheint nun auf dem Bildschirm. Wählen Sie nun den Extruder aus, der das Filament für den Druck des Objekts bereitstellt, entweder links oder rechts.

Prüfen Sie auch dies. Wählen Sie im Dropdown-Menü „Use support material“ die Trägerschichtunterstützung aus. Stellen Sie sicher, dass Sie die Option „Vollständige Unterstützung“ auswählen.

Als Nächstes wählen Sie „G-Code generieren“. Ein Popup-Fenster, das den Fortschritt der G-Code-Erstellung anzeigt, erscheint nun. Sobald die Erstellung des G-Codes abgeschlossen ist, wählen Sie „Zum Speichern erstellen“, um die Datei für die Verwendung mit einer SD-Karte zu speichern, und speichern Sie die zu diesem Zeitpunkt generierte Drag-Datei auf einer SD-Speicherkarte. Zum Übertragen legen Sie diese SD-Karte in den Maker Bot ein.

Verwenden Sie dann das Keypad des Maker Bot, um „Drucken von SD“ auszuwählen, und wählen Sie den gewünschten Dateinamen aus. An diesem Punkt beginnt der Maker Bot automatisch mit dem Aufheizen, um das Objekt zu drucken. Hier sehen wir ein Zeitraffervideo, das den Druck des 3D-Modells aus einem CT-Datensatz durch den Maker Bot zeigt, um den Druckvorgang durchzuführen.

Erstellen Sie zunächst über den Online-Dienst Shapeways ein kostenloses Konto auf der Shapeways-Website. Anschließend kann die zuvor generierte STL-Datei direkt hochgeladen werden. Wählen Sie einen Titel für die hochgeladene Datei.

Wählen Sie dann eine Maßeinheit aus dem angezeigten Dropdown-Menü aus. Wählen Sie nun „Modell hochladen“. Sobald die Datei hochgeladen ist, benötigt die Website einige Minuten, um die Datei zu verarbeiten und sicherzustellen, dass sie gedruckt werden kann.

Das Modell steht nach etwa 10 Minuten auf der Seite „Meine Modelle“ zum Drucken zur Verfügung. In der hier gezeigten Beispiel-Szene wurde die weiße, starke, flexible Auswahl zum Drucken der Skelettstrukturen verwendet, und die violette, starke, flexible Auswahl wurde zum Drucken des Lungengewebes verwendet. Die STL-Datei kann auch mit einem kommerziellen hochauflösenden 3D-Drucker, wie beispielsweise dem Projet HD 3000, ausgedruckt werden.

Um dieses System zu nutzen, muss die STL-Datei zunächst in das proprietäre Format des 3D-Systems geladen werden, um den Druckauftrag auf der Plattform zu positionieren. Dazu ist es erforderlich, die Ausrichtung des Modells so zu verändern, dass sowohl der Verbrauch an Wachsstützstrukturen als auch die Druckdauer minimiert werden. Speichern Sie diese Datei, senden Sie sie elektronisch an den Drucker und laden Sie eine Aluminiumplattform in den Drucker ein.

Das Projekt HD 3000 beginnt dann mit dem Druck des 3D-Objekts, wie hier dargestellt. Sobald der Druck abgeschlossen ist, entfernen Sie das Modell von der Plattform und stellen es in einen Ofen bei etwa 73 Grad Celsius. Dadurch schmilzt das Stützwachs vom Modell ab.

Entfernen Sie das Objekt schließlich vorsichtig aus dem Ofen, solange es noch heiß ist, und wischen Sie es mit einem Kim-Tuch ab. Dadurch wird jegliches verbleibende Wachs von der Oberfläche des Objekts entfernt. Hier sehen wir die Endprodukte dreier Druckmethoden desselben in-vivo-Ratten-CT-Datensatzes.

Alle drei Modelle bestehen aus einem beschnittenen Skelettgerüst und abnehmbaren Lungen, die unabhängig voneinander gedruckt und anschließend zusammengefügt wurden. Das hier gezeigte Modell ist das Ergebnis eines Proje HD 3000-Hochauflösungsdruckers und wurde aus durchscheinendem Acrylplastik hergestellt. Während dieses Objekt mithilfe eines Drittanbieters, Shapeways Incorporated, produziert wurde, bei dem das Skelettgerüst aus weißem Nylon-12-Plastik gedruckt wurde, während die Atemstrukturen in Lila hergestellt wurden, wurden diese Modelle maßstabsgetreu gedruckt und messen etwa 11 Zentimeter in der Länge.

Dieses Objekt wurde aufgrund der Auflösungsgrenzen des MakerBot mit dem MakerBot hergestellt. Das Modell wurde vergrößert, was zu einem Objekt von 21 Zentimetern Länge führte. Hier sehen wir die Endprodukte jeder Druckmethode für den ex vivo CT-Datensatz des Kaninchen-Schädels.

Alle drei Objekte wurden maßstabsgetreu gedruckt und messen etwa 8,5 Zentimeter in der Länge. Hier sehen wir die Endprodukte zweier Druckmethoden. Ein vollständiger in-vivo-CT-Datensatz der Ratte. Beide Modelle bestehen aus einer kompletten Skelettstruktur ohne Schwanz sowie abnehmbaren Lungen.

Diese beiden Modelle wurden im Originalmaßstab gedruckt. Beachten Sie, dass aufgrund der erforderlichen komplexen Details das komplette Skelett nicht mit dem MakerBot Replicator gedruckt werden konnte. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein solides Verständnis dafür haben, wie Sie die 3D-Drucktechnologie nutzen können, um komplexe anatomische Modelle zu erstellen, die aus Röntgen-CT-Datensätzen abgeleitet sind.