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Article de méthode

Voxel Printing Anatomy: Conception et fabrication de modèles de planification réalistes et préchirurgicaux grâce à l’impression bitmap

2.8K vues

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DOI :

10.3791/63214

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9 février 2022

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

Dans cet article

Résumé

Cette méthode démontre un flux de travail d’impression 3D basé sur le voxel, qui imprime directement à partir d’images médicales avec une fidélité spatiale exacte et une résolution spatiale / contrastée. Cela permet le contrôle précis et gradué des distributions de matériaux à travers des matériaux morphologiquement complexes et gradués corrélés à la radiodensité sans perte ni altération des données.

Résumé

La plupart des applications de l’impression 3dimensionnelle (3D) pour la planification préchirurgicale ont été limitées aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes complexes en raison des limites fondamentales de précision, de qualité et d’efficacité du paradigme de modélisation actuel. Cela a largement ignoré les tissus mous critiques pour la plupart des spécialités chirurgicales où l’intérieur d’un objet compte et les limites anatomiques se déplacent progressivement. Par conséquent, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions matérielles variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation.

Voici une nouvelle technique pour créer des modèles 3D directement à partir d’images médicales, qui sont supérieures en résolution spatiale et de contraste aux méthodes de modélisation 3D actuelles et contiennent une fidélité spatiale et une différenciation des tissus mous auparavant irréalisables. Sont également présentées des mesures empiriques de nouveaux composites fabriqués de manière additive qui couvrent toute la gamme des rigidités des matériaux observées dans les tissus biologiques mous par IRM et tomodensitométrie. Ces méthodes uniques de conception volumétrique et d’impression permettent un ajustement déterministe et continu de la rigidité et de la couleur du matériau. Cette capacité permet une application entièrement nouvelle de la fabrication additive à la planification préchirurgicale : le réalisme mécanique. En complément naturel des modèles existants qui permettent de faire correspondre l’apparence, ces nouveaux modèles permettent également aux professionnels de la santé de « sentir » les propriétés matérielles spatialement variables d’un simulant tissulaire - un ajout essentiel à un domaine dans lequel la sensation tactile joue un rôle clé.

Introduction

Actuellement, les chirurgiens étudient de nombreuses modalités d’imagerie discrète en 2 dimensions (2D) affichant des données distinctes pour planifier les opérations sur les patients 3D. De plus, la visualisation de ces données sur un écran 2D n’est pas entièrement capable de communiquer toute l’étendue des données collectées. À mesure que le nombre de modalités d’imagerie augmente, la capacité de synthétiser davantage de données à partir de modalités distinctes, qui présentent de multiples échelles d’organisation, nécessite de nouvelles formes de représentation numérique et physique pour condenser et organiser l’information pour une planification chirurgicale plus efficace et efficiente.

Des modèles imprimés en 3D et spécifiques au patient sont apparus comme un nouvel outil de diagnostic pour la planification chirurgicale dont il a été démontré qu’il réduisait le temps d’opération et les complications chirurgicales1. Cependant, le processus prend beaucoup de temps en raison de la méthode de stéréolithographie standard (STL) d’impression 3D, qui montre une perte visible de données et rend les objets imprimés sous forme de matériaux solides, homogènes et isotropes. En conséquence, l’impression 3D pour la planification chirurgicale a été limitée aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes complexes2. Cette limitation est le résultat d’un paradigme de fabrication dépassé guidé par les produits et les besoins de la révolution industrielle, où les objets manufacturés sont entièrement décrits par leurs limites extérieures3. Cependant, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions de matériaux variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation qui représentent les variations sur l’ensemble du volume, qui changent point par point.

Pour résoudre ce problème, une technique de visualisation et de modélisation 3D (Figure 1) a été développée et associée à un nouveau procédé de fabrication additive qui permet un meilleur contrôle sur le mélange et le dépôt des résines en ultra haute résolution. Cette méthode, appelée impression bitmap, reproduit l’anatomie humaine par impression 3D directement à partir d’images médicales à un niveau de fidélité spatiale et de résolution spatiale /contraste d’une technologie d’imagerie avancée approchant 15 μm. Cela permet le contrôle précis et gradué requis pour reproduire les variations des tissus mous morphologiquement complexes sans perte ni altération des données des images sources diagnostiques.

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Protocole

REMARQUE : Le logiciel 3D Slicer Medical Image Computing4 (voir la Table des matériaux) a été utilisé pour les travaux effectués dans les sections 1 à 3.

1. Saisie des données

  1. Ouvrez le logiciel d’informatique d’images médicales, cliquez sur le bouton Fichier et DICOM dans le menu déroulant, puis attendez que la fenêtre du navigateur DICOM s’ouvre.
    1. Dans la fenêtre Du navigateur DICOM , sélectionnez Importer. Attendez que la fenêtre contextuelle Importer des fichiers DICOM à partir du répertoire apparaisse.
    2. Accédez à la pile de fichiers DICOM et cliquez sur le bouton Importer .
    3. Assurez-vous que la pile sélectionnée de fichiers DICOM est chargée dans le navigateur DICOM. Assurez-vous que les données ont été correctement renseignées et correspondent à l’étude souhaitée dans les catégories suivantes : Patient, Étude, Série et Instance.
      1. Cochez la case Avancé pour activer des métadonnées supplémentaires. Sélectionnez le numéro de série souhaité et cliquez sur le bouton Examiner . Assurez-vous que la séquence souhaitée n’affiche pas d’avertissements. Cochez la case en regard du fichier de données DICOM souhaité | Charger.
        REMARQUE: Sélectionnez les images de la plus haute résolution avec l’acquisition de tranche la plus fine car cette méthode est capable d’imprimer à 15 μm et 27 μm d’épaisseur de tranche.
  2. Pour le rendu de volume, une fois la séquence chargée dans le logiciel de calcul d’images médicales, accédez à Modules et sélectionnez Module de rendu de volume dans le menu déroulant.
    1. Dans le module Rendu des volumes , sélectionnez le nom de la séquence dans le menu déroulant Volume pour activer la pile d’images et traduire les données en un volume voxélisé. Assurez-vous que le nom du module actif correspond à la séquence souhaitée sélectionnée à l’étape 1.1.3.1.
    2. Cliquez sur l’icône Boule oculaire en regard de la liste déroulante Volume pour visualiser le volume sélectionné en 3D. Assurez-vous que la fenêtre d’affichage 3D est ouverte et qu’une représentation 3D en niveaux de gris est visible.
    3. Ensuite, cliquez sur la flèche en regard de Avancé pour ouvrir les Outils avancés. Sélectionnez l’onglet Propriété du volume pour ouvrir un ensemble de contrôles permettant de modifier la couche de couleur du modèle voxel.
    4. Accédez au menu Mappage de l’opacité scalaire . Cliquez avec le bouton gauche de la souris dans le champ pour créer des points où les valeurs d’intensité seront définies par opacité. Placez des points le long de cette échelle pour visualiser l’anatomie d’intérêt.
      REMARQUE: L’emplacement droite-gauche du point est corrélé à la plage des valeurs d’intensité de l’image, et l’emplacement haut-bas fait référence à l’opacité.
    5. Accédez au menu Mappage des couleurs scalaires . Cliquez avec le bouton gauche de la souris dans le champ pour créer des points et spécifier des couleurs corrélées aux valeurs d’intensité. Double-cliquez dans le champ pour ouvrir une fenêtre Sélectionner une couleur afin de modifier les informations de couleur.

2. Manipulations

REMARQUE: Une étape de masquage est nécessaire si l’anatomie est suffisamment complexe, au point où les tissus environnants et les données étrangères sont présents après des modifications des propriétés de volume.

  1. Accédez à Modules et sélectionnez l’éditeur de segment dans le menu déroulant. Assurez-vous que les barres d’outils de l’éditeur de segments s’affichent.
    1. Accédez à la liste déroulante Segmentation et sélectionnez Créer une nouvelle segmentation en tant que. Tapez un nom personnalisé pour la segmentation dans la fenêtre contextuelle Renommer la segmentation , puis cliquez sur OK.
    2. Accédez à la liste déroulante Volume principal et sélectionnez le volume actif, qui portera le même nom que le rendu du volume. Ensuite, cliquez sur le bouton Ajouter directement sous la liste déroulante. Assurez-vous que le conteneur de segment est créé dans le champ ci-dessous.
    3. Accédez au panneau d’outils Effets ci-dessous et sélectionnez l’outil Ciseaux . Accédez au menu Ciseaux et sélectionnez Remplir à l’intérieur, Forme libre et Illimité. Ensuite, passez le curseur de la souris sur la fenêtre 3D, cliquez avec le bouton droit de la souris et maintenez-le enfoncé tout en dessinant autour de la zone à effacer. Assurez-vous qu’une bande colorée apparaît, montrant ce qui a été couvert. Répétez ce processus jusqu’à ce que toutes les zones à supprimer soient couvertes.
      REMARQUE: Il existe des extensions, telles que Segment Editor Extra Effects, qui peuvent être téléchargées dans le logiciel de calcul d’images médicales, contenant des outils pour créer cette segmentation.
    4. Ensuite, sélectionnez l’outil Volume du masque dans le menu Effets . Cochez Sélectionner à l’intérieur pour supprimer toutes les données d’image couvertes par le segment. Ensuite, modifiez la valeur de remplissage pour qu’elle soit -1000, ce qui est égal à l’air, ou vide, dans l’échelle de l’unité de Hounsfield. Enfin, appuyez sur Appliquer et cliquez sur la boule oculaire à côté du volume de sortie pour afficher le nouveau volume masqué.
      1. Accédez à Modules et sélectionnez Rendu du volume dans le menu déroulant. Cliquez sur la boule oculaire à côté du volume actif pour désactiver la visualisation.
      2. Ensuite, dans le menu déroulant, sélectionnez le volume masqué nouvellement créé. Cliquez sur l’Eye Ball pour activer le volume.
      3. Enfin, accédez au menu Entrées et ouvrez le menu déroulant Propriétés . Sélectionnez la propriété Volume créée à l’étape 1.2.5. Assurez-vous que le volume dans la vue 3D est masqué et codé en couleur.

3. Découpage en tranches

REMARQUE: Ce processus contourne la méthode d’impression 3D traditionnelle en envoyant les fichiers de tranche directement à l’impression 3D au lieu d’un fichier de maillage STL. Dans les étapes suivantes, des tranches seront créées à partir du rendu du volume. Le module Bitmap Generator est une extension personnalisée. Cela peut être téléchargé à partir du Gestionnaire d’extensions.

  1. Accédez aux modules, sélectionnez Slicerfab dans la liste déroulante. Assurez-vous que les menus Paramètres d’impression et Paramètres de sortie sont présents.
    1. Dans la liste déroulante Paramètres de l’imprimante , assurez-vous que la résolution X est définie sur 600 DPI et la résolution Y sur 300 DPI. Assurez-vous que l’épaisseur de la couche est réglée sur 27 μm.
    2. Ensuite, ouvrez le menu Paramètres de sortie et modifiez l’échelle du modèle final si nécessaire.
    3. Enfin, sélectionnez un emplacement de fichier pour les tranches à enregistrer et cliquez sur Générer.
      REMARQUE : cette étape peut prendre plusieurs minutes.

4. Tergiversation

REMARQUE : Adobe Photoshop (voir la table des matériaux) a été utilisé pour le travail effectué à la section 4.

  1. Ouvrez le logiciel de retouche d’image, cliquez sur Fichier et sélectionnez Ouvrir dans le menu déroulant. Accédez à la première image de la pile de fichiers PNG créée à l’étape précédente et cliquez sur le bouton Ouvrir .
  2. Accédez à Fenêtre et sélectionnez Actions dans le menu déroulant. Dans le menu Actions , cliquez sur Nouvelle action, entrez un nom personnalisé, puis sélectionnez OK. Assurez-vous que l’action est enregistrée en vérifiant que le bouton Enregistrer est actif et rouge.
    1. Une fois l’image chargée, accédez à Image | Mode | Couleur indexée. Dans la fenêtre Index , sélectionnez dans le menu déroulant Perceptuel local et spécifiez le nombre de couleurs à 8.
    2. Dans le menu Forcé , sélectionnez Personnalisé. Cliquez sur les deux premiers carrés, attendez que la fenêtre Couleur personnalisée apparaisse et sélectionnez une palette de couleurs personnalisée. Sélectionnez 100% Magenta et assurez-vous que C, Y et K sont réglés sur 0.
      1. Répétez ce processus et assurez-vous qu’il y a deux carrés consacrés à 100% C, Y et K.
    3. Dans le menu Options , pour Matte, sélectionnez Personnalisé dans le menu déroulant. Pour Dither, sélectionnez Diffusion, et pour Amount, sélectionnez 100 %. Enfin, cliquez sur OK.
    4. Accédez au menu Action et cliquez sur le bouton carré pour arrêter l’enregistrement. Fermez la fenêtre active et cliquez sur Non dans la fenêtre contextuelle Enregistrer les modifications .
  3. Accédez à | de fichiers Automatiser | Lot. Dans la fenêtre contextuelle Batch , accédez à la liste déroulante Action et sélectionnez l’action créée à l’étape précédente. Ensuite, dans le menu Source , cliquez sur le bouton Choisir et accédez au dossier des images exportées à l’étape 3.1.3. Dans le menu Destination , cliquez sur le bouton Choisir , sélectionnez un emplacement de dossier de destination pour les nouveaux fichiers, puis cliquez sur OK.

5. Impression Voxel

REMARQUE : Stratasys GrabCAD5 a été utilisé pour les travaux effectués à la section 5.

  1. Ouvrez le logiciel d’impression, cliquez sur Applications et lancez Voxel Print Utility dans le menu déroulant.
    1. Dans la zone de texte Préfixe des fichiers de tranches, entrez le préfixe de la pile de fichiers PNG. Ensuite, cliquez sur le bouton Sélectionner et accédez au dossier où se trouve la pile de fichiers PNG, puis cliquez sur OK.
    2. Sous Plage de tranches, assurez-vous que la première tranche et le nombre de tranches correspondent au nombre de fichiers dans le dossier créé.
    3. Sous Paramètres de découpage, assurez-vous que l’épaisseur découpée (mm) correspond aux paramètres spécifiés à l’étape 3.1.1.1 et que la largeur de tranche (pixels) et la hauteur de tranche (pixels) correspondent à la largeur et à la hauteur des fichiers PNG.
    4. Sous Couleur d’arrière-plan, assurez-vous que l’arrière-plan correspond à la couleur d’arrière-plan, définie pour ne pas imprimer. Une fois terminé, cliquez sur le bouton Suivant .
  2. Dans la page Outils , sous Mappage des matériaux, sélectionnez le matériau dans le menu déroulant à mapper à la couleur associée, dérivée des fichiers PNG. Répétez ce processus pour chaque couleur du menu. Ensuite, cliquez sur Terminer | OK dans la fenêtre contextuelle Info Gcvf création réussie.
  3. Sur le logiciel d’impression de l’ordinateur hôte, cliquez sur Fichier | Importer un fichier à partir du menu déroulant. Accédez au fichier Gcvf et cliquez sur Charger. Sur l’écran principal, sélectionnez Imprimer.

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Résultats

Un résultat positif, comme le montrent les figures 2 et 3, sera une traduction directe du rendu du volume tel que défini aux étapes 1.2.5 ou 2.1.1.4. Le modèle final doit correspondre visuellement au rendu du volume en taille, forme et couleur. Tout au long de ce processus, il existe de nombreuses étapes où une erreur peut se produire, ce qui affectera une ou plusieurs des propriétés répertoriées ci-dessus.

Les problè...

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Discussion

Le cadre de représentation actuel que la majorité, sinon la totalité, des outils de modélisation numérique utilisent aujourd’hui aboutit au format de fichier STL8. Néanmoins, la nature spécifique de ce paradigme s’est avérée inadéquate pour tenter d’exprimer la structure granulaire ou hiérarchique de matériaux naturels plus complexes. Avec l’arrivée des techniques récentes de fabrication additive telles que l’impression 3D multimatériaux, des objets hautement réglés et hautement optimisés peuvent ...

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Déclarations de divulgation

N.J. est l’auteur d’une demande de brevet déposée par les régents de l’Université du Colorado qui décrit des méthodes comme celles décrites dans cet ouvrage (demande no. US16/375 132; n° de publication États-Unis20200316868A1; déposé le 04 avril 2019; publié le 8 octobre 2020). Tous les autres auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts concurrents.

Remerciements

Nous remercions AB Nexus et l’État du Colorado pour leur généreux soutien à nos recherches scientifiques sur l’impression voxel pour la planification préchirurgicale. Nous remercions L. Browne, N. Stence et S. Sheridan d’avoir fourni des ensembles de données utilisés dans cette étude. Cette étude a été financée par l’AB Nexus Grant et la State of Colorado Advanced Industries Grant.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Plate-forme de calcul d’images 3D SlicerSlicer.orgversion 4.10.2&ndash ; 4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Imprimante 3D PolyjetStratasys
PhotoshopAdobe2021

Références

  1. Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
  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).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  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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