Scaled Anatomisches Modell Creation of Biomedical Imaging tomographische Daten und assoziierten Labels für spätere Teilfläche Laser-Gravur (ssle) von Glaskristall
25. April 2017
Eine Methodik wird hier zur Darstellung anatomischer Bildgebungsdaten innerhalb von Kristallen. Wir schaffen skalierten dreidimensionale Modelle der biomedizinischen Bilddaten zur Verwendung in Sub-Oberflächen Lasergravieren (ssle) aus Kristallglas. Dieses Tool bietet eine sinnvolle Ergänzung zu Rechen Anzeige oder dreidimensional gedruckten Modelle innerhalb der klinischen oder pädagogischen Einstellungen verwendet.
Das übergeordnete Ziel dieser Methodik ist es, die Lasergravur (SSLE) unter der Oberfläche auf Glaskristallen zu nutzen, um tomographische Bilddaten mit markierten Strukturen zu visualisieren. Die daraus resultierenden Handheld-Modelle können als leistungsstarkes Lehrmittel dienen. Mit dieser Methode werden robuste, tragbare Modelle erstellt, die aus klinischen oder präklinischen Röntgen-CT-Datensätzen abgeleitet wurden und die Ausbildung von Patienten oder Studenten erleichtern.
Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Textbeschriftungen innerhalb des Glasmediums aufgehängt und an der zugehörigen Struktur befestigt werden, ohne den Blick auf das hochauflösende anatomische Display zu behindern. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Generierung von Oberflächenkarten mit Text und Maßstabsleisten aufgrund der mehreren Schritte und der Präzision, die für eine genaue Darstellung der Strukturen erforderlich sind, schwer zu erlernen ist. Konvertieren Sie zunächst die CT-Bildscheibe in einem DICOM-Datensatz in das richtige Dateiformat.
Wählen Sie in der Bildbearbeitungssoftware unter der Ansichtseinstellung den Befehl DICOM laden. Speichern Sie dann das Dataset im NIfTI-Dateiformat. Importieren Sie nun die NIfTI-Dateien in ein gängiges medizinisches Bildgebungsprogramm, das Oberflächenkarten mithilfe automatisierter Segmentierung generiert.
Verwenden Sie für den 3D-Datenschnitt das Werkzeug Daten hinzufügen. Wählen Sie dann das Tool zur Erstellung von Graustufenmodellen aus, schalten Sie die Spezifikation um und erstellen Sie ein neues Modell, und benennen Sie es um. Senken Sie als Nächstes die Schwellenwerte auf ca. 300 HU bzw. die Segmentierung des Knochens und speichern Sie die resultierenden Graustufenmodelle als STL-Dateien für die weitere Datenverarbeitung.
Importieren Sie als Nächstes die Oberflächenkartendateien in eine 3D-Datenaufbereitungssoftware. Wählen Sie in Netfabb Studio Basic den Reparaturmodus aus. Verwenden Sie dann die Werkzeuge Bauteil auswählen und löschen, um alle Flächen zu entfernen, die nicht die gewünschte Struktur darstellen.
Verwenden Sie als Nächstes das Werkzeug Dreieck hinzufügen, um die Löcher in den Flächen teilweise abzudecken, und verwenden Sie dann das Skript für die automatische Reparatur, um die verbleibenden Lücken vollständig zu schließen. Wählen Sie nun im Aktionsmenü das Skript "Entartete Flächen reparieren" aus, um die Kanten mit fehlender Oberfläche zu beheben, und verwenden Sie dann "Reparatur anwenden", um den Reparaturmodus zu beenden und die Änderungen zu speichern. Der nächste Schritt besteht darin, das Schnittwerkzeug zu verwenden, um unerwünschte Merkmale zu entfernen oder die Größe des Modells zu reduzieren.
Legen Sie im Menü "Schnitt" des Kontextbereichs die Position jedes Schnitts innerhalb der X-, Y- oder Z-Ebene fest. Verwenden Sie dann das Werkzeug "Schnitt ausführen" und wählen Sie die Einstellung "Triangulierter Schnitt", um alle resultierenden Löcher automatisch zu schließen. Um alle Flächen zu löschen, die aus den Schnitten resultieren, die nicht die gewünschte Struktur darstellen, verwenden Sie gleichzeitig die Werkzeuge Teil auswählen und löschen.
Wenn keine Maßstabsleiste verwendet werden soll, ändern Sie die Abmessungen der einzelnen Oberflächenkarten mit der Option Maßstab. Das Modell kann so modifiziert werden, dass es in ein acht Zentimeter großes Würfel oder ein fünf mal fünf Zentimeter mal acht Zentimeter großes rechteckiges Prisma passt. Nun kann die Datendatei für die Gravur der Untergrundschicht verwendet werden, um ein Modell ohne Beschriftungen oder Maßstabsleiste zu erstellen.
Erstellen Sie zunächst Etikettendatendateien für die SSLE-Datei. Verwenden Sie CAD-Software mit einer Metrikvorlage. Öffnen Sie eine neue Datei, und erstellen Sie eine 2D-Skizze in einer beliebigen Ebene.
Verwenden Sie das Textwerkzeug, um maschinengeschriebene anatomische Beschriftungen in einer zwei Millimeter großen Schriftart Times New Roman zu erstellen. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie die Option Skizze fertig im Exit-Menü der Symbolleiste. Um die Schriftart mit den Standardeinstellungen zu extrudieren, wählen Sie das Extrudierungswerkzeug aus dem Menü "Erstellen" und schalten Sie die Option "2D-Text" um.
Erstellen Sie als Nächstes eine Etikettenzeile für jedes Etikett. Beginnen Sie mit einer neuen Datei und wählen Sie im Menü "Zeichnen" das Werkzeug "Mittelpunkt Kreis" aus. Erstellen Sie dann einen Kreis mit einem Mittelpunkt am Ursprung und definieren Sie den Durchmesser des Kreises mit dem Bemaßungswerkzeug im Abhängigkeitsmenü auf einen Millimeter.
Extrudieren Sie die Säule auf eine gewünschte Länge von 10 bis 50 Millimetern. Maßstabsleisten werden auf ähnliche Weise hergestellt. Nachdem Sie jede Textbeschriftung, jede Beschriftungszeile und die Maßstabsleiste erstellt haben, speichern Sie die Daten als STL-Datei.
Für jede Textbeschriftung wird eine eindeutige Beschriftungszeile benötigt. Importieren Sie dann alle Textbeschriftungen, zylindrischen Beschriftungslinien und die Maßstabsleiste in das SSLE-Modell. Verwenden Sie eine 3D-Datenaufbereitungssoftware, mit der die Assemblage als einzelne STL-Datei gespeichert werden kann.
Verwenden Sie als Nächstes das Werkzeug "Teil verschieben", um die Textbeschriftungen in der Nähe der zugehörigen Anatomie zu positionieren. Verwenden Sie dabei das Werkzeug Teil drehen, um die Beschriftungen so auszurichten, dass sie alle in die gleiche Richtung zeigen. Verwenden Sie dann die gleichen Werkzeuge, um die Beschriftungslinien so zu positionieren, dass sie die Beschriftungen mit der zugehörigen Struktur im Modell verbinden.
Bei Bedarf können die Beschriftungslinien verkleinert werden, indem Sie in den Reparaturmodus wechseln und Dreiecke auswählen und ausgewählte Dreiecke entfernen auswählen. Positionieren Sie nun die Maßstabsleiste auf ähnliche Weise. Wenn drei Stäbe hergestellt wurden, einen für jede Achse, positionieren Sie sie entsprechend.
Nachdem alles positioniert wurde, wählen Sie alle Teile aus und exportieren Sie die Daten als eine einzige STL-Datei. Die Techniken zur zusätzlichen Verkleinerung der Flächen und des Gravurprozesses sind im Textprotokoll beschrieben. Die Lasergravur von Glaskristallen unter der Oberfläche ist ein tiefgreifendes Mittel zur Visualisierung zahlreicher Arten von biomedizinischen tomographischen Bildgebungsdaten.
Da die Abmessungen vor der Gravur verändert werden, können Strukturen unterschiedlicher Größe durch die Lasergravur dargestellt werden. Die Maßstabsleisten können auf zwei Arten implementiert werden. Sie können die Seiten der Struktur überspannen, was ideal für erweiterte Strukturen wie den Knochenkern ist.
Die andere Option besteht darin, dass drei Achsen der Maßstabsleiste an einer Ecke zusammenlaufen. Dies eignet sich am besten für zu skalierende oder verkleinerte Strukturen. Das Hauptmerkmal der Untergrundgravur ist die Möglichkeit, Textbeschriftungen nach Bedarf an anatomischen Merkmalen anzubringen.
Hier wurde der Text auf zwei Ebenen platziert, um die Beschriftungen zu verteilen und eine klare Sicht auf die Anatomie zu erhalten. Bei Bones und anderen Strukturen, die von einer Seite aus deutlich sichtbar sind, können die Beschriftungen nur auf einer Ebene ausgerichtet werden. Nach diesem Verfahren kann praktisch jeder dreidimensionale Datensatz in ein Format konvertiert werden, das für die wissenschaftliche Darstellung in einem tragbaren, hochreinen Glaskristallmedium geeignet beschriftet werden kann.
Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methodik zur Visualisierung anatomischer Bilddaten mittels Unterflächen-Lasergravur (SSLE) auf Glas-Kristallen beschrieben. Die resultierenden Modelle eignen sich als effektive Lehrhilfen, da sie beschriftete Strukturen bereitstellen, ohne die Sicht auf hochauflösende anatomische Darstellungen zu behindern.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Biomedizinische Bildgebung
- 3D-Modellierung
- Bildungswerkzeuge
Hintergrund
- Die unterhalb der Oberfläche liegende Lasergravur ermöglicht die Visualisierung von tomographischen Bilddaten.
- Tragbare Modelle, die aus Bilddatensätzen abgeleitet sind, verbessern das Lernerlebnis.
- Das Verfahren bewahrt die Klarheit, indem Textbeschriftungen im Glasmedium eingebettet bleiben.
- Visuelle Demonstrationen sind aufgrund der Komplexität des Verfahrens unerlässlich.
Zweck der Studie
- Erstellung robuster Modelle aus klinischen oder präklinischen Bilddaten.
- Unterstützung der Ausbildung von Patienten und Studierenden.
- Demonstration einer Methode zur genauen anatomischen Darstellung.
Verwendete Methoden
- Konvertieren Sie CT-Bilder vom DICOM- in das NIfTI-Format.
- Erstellen Sie Oberflächenkarten mithilfe von medizinischer Bildgebungssoftware.
- Bereiten Sie 3D-Modelle mit Datenpräparationssoftware vor und reparieren Sie diese.
- Gravieren Sie Modelle mit anatomischen Beschriftungen und Maßstabsbalken mithilfe von CAD-Software.
Hauptergebnisse
- Erfolgreich beschriftete anatomische Modelle für den Bildungseinsatz erstellt.
- Nachweis der Fähigkeit, Dimensionen für verschiedene Strukturen anzupassen.
- Aufgezeigt, wie Beschriftungen und Maßstabsleisten effektiv positioniert werden.
- Beschreibung von Techniken zur Reduzierung von Flächen und zur Verbesserung der Gravurqualität.
Schlussfolgerungen
- SSLE ist eine leistungsstarke Methode zur Visualisierung biomedizinischer Bilddaten.
- Textbeschriftungen können den pädagogischen Wert der Modelle verbessern.
- Verschiedene anatomische Strukturen können mithilfe dieser Technik präzise dargestellt werden.
Häufig gestellte Fragen
Ausführliche Bedeutung für die Industrie
Diese Methode ermöglicht die Erstellung physischer, beschrifteter anatomischer Modelle aus tomographischen Bilddaten und unterstützt die Zielvalidierung sowie die mechanistische Risikominderung in der präklinischen Forschung. Durch die Bereitstellung greifbarer, hochauflösender Darstellungen biologischer Strukturen verbessert sie die Hypothesenprüfung und die Klärung von Wirkwegen in der frühen Entdeckung. Der Ansatz bietet eine skalierbare, reproduzierbare Plattform zur Visualisierung komplexer Anatomien, verbessert die translationale Kontinuität und verringert Unklarheiten in Studien zur Zielinteraktion.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch die physikalische Visualisierung anatomischer Zielstrukturen und assoziierter Strukturen.
- Operationaler Wert: Ermöglicht die funktionelle Validierung von Zielstrukturen, indem räumliche Beziehungen zwischen markierten Strukturen und krankheitsrelevanten anatomischen Gegebenheiten geklärt werden.
- Prädiktiver Wert: Steigert das Vertrauen in die Auswahl von Zielstrukturen, indem mechanistische Unklarheiten durch greifbare, integrierte Markierungsmodelle verringert werden.
Screening und Assay-Entwicklung
- Assay-Bereitschaft: Erzeugt standardisierte, reproduzierbare biologische Replikate, die als Referenzsysteme für die Assay-Entwicklung und Wirkstoff-Screening dienen.
- Quantitative Ausgabe: Ermöglicht präzise räumliche Messungen und die Integration von Maßstabsbalken, was genaue Dosis-Wirkungs- und Lokalisierungsanalysen unterstützt.
- Plattform-Wiederverwendung: Erleichtert den unternehmensweiten Austausch validierter anatomischer Modelle zwischen Entdeckungsteams und verbessert die Konsistenz der Arbeitsabläufe.
Translationale und präklinische Forschung
- Klinische Relevanz: Erzeugt aus CT-Datensätzen klinisch und präklinisch relevante anatomische Replikate, die mit translationalen Biomarker-Strategien übereinstimmen.
- Präklinische Kontinuität: Verbindet Entdeckung und präklinische Validierung, indem konsistente, beschriftete Modelle für die fachübergreifende Bewertung bereitgestellt werden.
- Risikoadjustierte Entscheidungen: Unterstützt Go/No-Go-Bewertungen, indem die anatomische Interpretierbarkeit in Wirkmechanismus- und Sicherheitsstudien verbessert wird.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der frühen Zielhypothese über die Leitsubstanzidentifizierung bis hin zur präklinischen Validierung und ermöglicht eine physikalisch basierte Bewertung an entscheidenden Wendepunkten.
- Entdeckungsbiologie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung und Klärung von Wegen, indem bildgebende Daten in greifbare, beschriftbare anatomische Darstellungen umgewandelt werden.
- Screening: Liefert reproduzierbare, hochauflösende Modelle mit Maßstabsbalken, die standardisierte Substanzscreenings und Target-Bindungsassays unterstützen.
- Analytik: Bietet quantitative, räumliche Ausgaben und beschriftete Teilstrukturen, die einen vergleichenden Abgleich unter verschiedenen experimentellen Bedingungen ermöglichen.
- Translationale Forschung: Gewährleistet einen nahtlosen Übergang von der Bildgebung bis zur präklinischen Anwendung, indem anatomische Genauigkeit und Beschriftungsausrichtung im Glas-Kristall-Format erhalten bleiben.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine wiederverwendbare und teilbare Fähigkeit zur Erstellung standardisierter anatomischer Modelle über verschiedene Standorte und Projekte hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Zielvalidierung, indem anatomische Unschärfen durch physische, beschriftete Modellvisualisierung reduziert werden.
- Operativer Wert: Schafft Standardisierung und Reproduzierbarkeit durch standardisierte Dateiformate (DICOM, NIfTI, STL) und wiederholbare Gravurabläufe.
- Strategischer Wert: Verbessert die Kapitalnutzungseffizienz, indem eine frühzeitige Risikominimierung von Zielstrukturen durch ein verbessertes anatomisches Verständnis ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung, indem klare, greifbare Modelle für die zielgerichtete, fachübergreifende Bewertung bereitgestellt werden.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der biomedizinischen Bildverarbeitung, 3D-Modellierung und CAD-Software zur Erstellung von Beschriftungen und Maßstabsbalken.
- Hängt von der Verfügbarkeit entsprechender Bildverarbeitungswerkzeuge (z. B. 3D Slicer), Software zur Modellreparatur (z. B. Netfabb) und SSLE-Gravurgeräten ab.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise im Team hinsichtlich Dateiformate und Beschriftungskonventionen, um die Konsistenz der Modelle zwischen verschiedenen Nutzern sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen, wenn die Methode auf unterschiedliche anatomische Maßstäbe und Gewebetypen aus diversen bildgebenden Verfahren angewendet wird.
- Umfasst praktische Einschränkungen bezüglich der Modellgrößen, der minimalen Gravurlösung sowie des Bedarfs an manueller Nachbearbeitung zur Entfernung nicht relevanter Oberflächen.
