Summary
Deze methode demonstreert een voxel-gebaseerde 3D-printworkflow, die rechtstreeks vanuit medische beelden afdrukt met exacte ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie. Dit maakt de precieze, gegradueerde controle van materiaalverdelingen mogelijk door morfologisch complexe, gegradueerde materialen gecorreleerd aan radiodensiteit zonder verlies of wijziging van gegevens.
Abstract
De meeste toepassingen van 3-dimensionaal (3D) printen voor prechirurgische planning zijn beperkt tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen vanwege de fundamentele beperkingen in nauwkeurigheid, kwaliteit en efficiëntie van het huidige modelleringsparadigma. Dit heeft grotendeels het zachte weefsel genegeerd dat van cruciaal belang is voor de meeste chirurgische specialiteiten, waar het binnenste van een object ertoe doet en anatomische grenzen geleidelijk overgaan. Daarom vereisen de behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, nieuwe vormen van representatie.
Hier wordt een nieuwe techniek gepresenteerd om 3D-modellen rechtstreeks van medische beelden te maken, die superieur zijn in ruimtelijke en contrastresolutie aan de huidige 3D-modelleringsmethoden en voorheen onhaalbare ruimtelijke getrouwheid en differentiatie van zacht weefsel bevatten. Ook gepresenteerd zijn empirische metingen van nieuwe, additief vervaardigde composieten die het gamma van materiaalstijfheden overspannen die worden gezien in zachte biologische weefsels van MRI en CT. Deze unieke volumetrische ontwerp- en drukmethoden maken deterministische en continue aanpassing van materiaalstijfheid en kleur mogelijk. Deze mogelijkheid maakt een geheel nieuwe toepassing van additive manufacturing op prechirurgische planning mogelijk: mechanisch realisme. Als een natuurlijke aanvulling op bestaande modellen die uiterlijke matching bieden, stellen deze nieuwe modellen medische professionals ook in staat om de ruimtelijk variërende materiaaleigenschappen van een weefselsimulant te "voelen" - een kritische toevoeging aan een veld waarin tactiele sensatie een sleutelrol speelt.
Introduction
Momenteel bestuderen chirurgen tal van discrete 2-dimensionale (2D) beeldvormingsmodaliteiten met verschillende gegevens om operaties bij 3D-patiënten te plannen. Bovendien is het bekijken van deze gegevens op een 2D-scherm niet volledig in staat om de volledige omvang van de verzamelde gegevens te communiceren. Naarmate het aantal beeldvormingsmodaliteiten groeit, vereist het vermogen om meer gegevens te synthetiseren uit verschillende modaliteiten, die meerdere organisatieschalen vertonen, nieuwe vormen van digitale en fysieke representatie om informatie te condenseren en te cureren voor een effectievere en efficiëntere chirurgische planning.
3D-geprinte, patiëntspecifieke modellen zijn naar voren gekomen als een nieuw diagnostisch hulpmiddel voor chirurgische planning waarvan is aangetoond dat het de operatietijd en chirurgische complicaties vermindert1. Het proces is echter tijdrovend vanwege de standaard stereolithografie (STL) -methode van 3D-printen, die een zichtbaar verlies van gegevens laat zien en geprinte objecten weergeeft als vaste, homogene en isotrope materialen. Als gevolg hiervan is 3D-printen voor chirurgische planning beperkt gebleven tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen2. Deze beperking is het gevolg van een verouderd productieparadigma dat wordt geleid door de producten en behoeften van de industriële revolutie, waarbij gefabriceerde objecten volledig worden beschreven door hun buitengrenzen3. De behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, vereisen echter nieuwe vormen van representatie die de variaties over het hele volume vertegenwoordigen, die punt voor punt veranderen.
Om dit probleem aan te pakken, werd een 3D-visualisatie- en modelleringstechniek (figuur 1) ontwikkeld en gekoppeld aan een nieuw, additief productieproces dat meer controle mogelijk maakt over het mengen en depositie van harsen in ultrahoge resolutie. Deze methode, bitmapprinten genaamd, repliceert de menselijke anatomie door 3D-printen rechtstreeks vanuit medische beelden op een niveau van ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie van geavanceerde beeldvormingstechnologie van bijna 15 μm. Dit maakt de precieze en gegradueerde controle mogelijk die nodig is om variaties in morfologisch complex zacht weefsel te repliceren zonder verlies of wijziging van gegevens uit diagnostische bronbeelden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OPMERKING: 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (zie de tabel met materialen) werd gebruikt voor het werk dat in secties 1 tot en met 3 werd voltooid.
1. Gegevensinvoer
- Open de medische beeldcomputersoftware, klik op de knop Bestand en DICOM in het vervolgkeuzemenu en wacht tot het DICOM Browser-venster is geopend.
- Selecteer in het venster DICOM-browser de optie Importeren. Wacht tot het pop-upvenster DICOM-bestanden importeren uit map verschijnt.
- Navigeer naar de DICOM-bestandsstapel en klik op de knop Importeren .
- Zorg ervoor dat de geselecteerde stapel DICOM-bestanden in de DICOM-browser wordt geladen. Zorg ervoor dat de gegevens correct zijn ingevuld en overeenkomen met het gewenste onderzoek in de volgende categorieën: Patiënt, Studie, Serie en Instantie.
- Schakel het selectievakje Geavanceerd in om aanvullende metagegevens te activeren. Selecteer het gewenste serienummer en klik op de knop Onderzoeken . Zorg ervoor dat de gewenste volgorde geen waarschuwingen weergeeft. Klik op het selectievakje naast het gewenste DICOM-gegevensbestand | Laden.
OPMERKING: Selecteer de afbeeldingen met de hoogste resolutie met de dunste plakacquisitie, omdat deze methode kan afdrukken met een plakdikte van 15 μm en 27 μm.
- Schakel het selectievakje Geavanceerd in om aanvullende metagegevens te activeren. Selecteer het gewenste serienummer en klik op de knop Onderzoeken . Zorg ervoor dat de gewenste volgorde geen waarschuwingen weergeeft. Klik op het selectievakje naast het gewenste DICOM-gegevensbestand | Laden.
- Voor volumerendering navigeert u naar Modules zodra de reeks is geladen in de medische beeldcomputersoftware en selecteert u Volumerenderingsmodule in het vervolgkeuzemenu.
- Selecteer in de module Volumerendering de naam van de reeks in het vervolgkeuzemenu Volume om de afbeeldingsstapel te activeren en de gegevens te vertalen naar een voxelized volume. Zorg ervoor dat de naam van de actieve module overeenkomt met de gewenste volgorde die is geselecteerd in stap 1.1.3.1.
- Klik op het pictogram Oogbol naast de vervolgkeuzelijst Volume om het geselecteerde volume in 3D te visualiseren. Zorg ervoor dat het 3D-weergavevenster is geopend en dat er een 3D-weergave in grijswaarden zichtbaar is.
- Klik vervolgens op de pijl naast Geavanceerd om de geavanceerde hulpprogramma's te openen. Selecteer het tabblad Volume-eigenschap om een reeks besturingselementen te openen voor het wijzigen van het kleurkanaal van het voxelmodel.
- Navigeer naar het menu Scalar Opacity Mapping . Klik met de linkermuisknop in het veld om punten te maken waarop intensiteitswaarden worden gedefinieerd door dekking. Plaats punten langs deze schaal om de anatomie van interesse te visualiseren.
OPMERKING: De locatie rechts-links van het punt is gecorreleerd aan het bereik van de intensiteitswaarden van de afbeelding en de locatie omhoog verwijst naar de dekking. - Navigeer naar het menu Scalaire kleurtoewijzing . Klik met de linkermuisknop in het veld om punten te maken en kleuren op te geven die zijn gecorreleerd aan intensiteitswaarden. Dubbelklik in het veld om het venster Kleur selecteren te openen om kleurgegevens te wijzigen.
2. Manipulaties
OPMERKING: Een maskeringsstap is vereist als de anatomie voldoende complex is, tot het punt waarop omliggende weefsels en externe gegevens aanwezig zijn na wijzigingen in de volume-eigenschappen.
- Navigeer naar Modules en selecteer de segmenteditor in het vervolgkeuzemenu. Zorg ervoor dat de werkbalken van de segmenteditor worden weergegeven.
- Navigeer naar de vervolgkeuzelijst Segmentatie en selecteer Nieuwe segmentatie maken als. Typ een aangepaste naam voor de segmentatie in het pop-upvenster Segmentatie hernoemen en klik op OK.
- Navigeer naar de vervolgkeuzelijst Mastervolume en selecteer het actieve volume, dat dezelfde naam heeft als de volumerendering. Klik vervolgens op de knop Toevoegen direct onder de vervolgkeuzelijst. Zorg ervoor dat de segmentcontainer is gemaakt in het onderstaande veld.
- Navigeer naar het deelvenster met het gereedschap Effecten hieronder en selecteer het gereedschap Schaar . Navigeer naar het schaarmenu en selecteer Binnen invullen, Vrije vorm en Onbeperkt. Plaats vervolgens de muisaanwijzer op het 3D-venster, klik met de rechtermuisknop en houd vast terwijl u tekent rond het gebied dat moet worden gewist. Zorg ervoor dat er een gekleurde zwad verschijnt die laat zien wat er is bedekt. Herhaal dit proces totdat alle te verwijderen gebieden zijn gedekt.
OPMERKING: Er zijn extensies, zoals Segment Editor Extra Effects, die kunnen worden gedownload naar de medische beeldcomputersoftware, met hulpmiddelen voor het maken van deze segmentatie. - Selecteer vervolgens het gereedschap Maskervolume in het menu Effecten . Schakel Binnen selecteren in om alle afbeeldingsgegevens te verwijderen die onder het segment vallen. Wijzig vervolgens de vulwaarde in -1000, wat gelijk is aan lucht of ongeldig in de Hounsfield-eenheidsschaal. Druk ten slotte op toepassen en klik op de oogbol naast het uitvoervolume om het nieuwe gemaskeerde volume weer te geven.
- Navigeer naar Modules en selecteer Volume rendering in het vervolgkeuzemenu. Klik op de oogbol naast het actieve volume om de visualisatie uit te schakelen.
- Selecteer vervolgens in het vervolgkeuzemenu het nieuw gemaakte gemaskeerde volume. Klik op de oogbol om het volume te activeren.
- Navigeer ten slotte naar het menu Invoer en open het vervolgkeuzemenu Eigenschappen . Selecteer de eigenschap Volume die in stap 1.2.5 is gemaakt. Zorg ervoor dat het volume in de 3D-weergave is gemaskeerd en kleurgecodeerd.
3. Snijden
OPMERKING: Dit proces omzeilt de traditionele 3D-afdrukmethode door de segmentbestanden rechtstreeks naar de 3D-afdruk te verzenden in plaats van naar een STL-mesh-bestand. In de volgende stappen worden segmenten gemaakt op basis van de volumerendering. De bitmapgeneratormodule is een op maat gemaakte extensie. Dit kan worden gedownload van Extensions Manager.
- Navigeer naar de modules, selecteer Slicerfab in de vervolgkeuzelijst. Zorg ervoor dat de menu's Afdrukparameters en Uitvoerparameters aanwezig zijn.
- Controleer in de vervolgkeuzelijst Printerparameters of de X-resolutie is ingesteld op 600 DPI en de Y-resolutie is ingesteld op 300 DPI. Zorg ervoor dat de laagdikte is ingesteld op 27 μm.
- Open vervolgens het menu Uitvoerparameters en wijzig indien nodig de schaal van het uiteindelijke model.
- Selecteer ten slotte een bestandslocatie voor de segmenten die moeten worden opgeslagen en klik op Genereren.
OPMERKING: Deze stap kan enkele minuten duren om te voltooien.
4. Dithering
OPMERKING: Adobe Photoshop (zie de tabel met materialen) is gebruikt voor het werk dat in sectie 4 is voltooid.
- Open de beeldbewerkingssoftware en klik op Bestand en selecteer Openen in het vervolgkeuzemenu. Navigeer naar de eerste afbeelding van de PNG-bestandsstapel die in de vorige stap is gemaakt en klik op de knop Openen .
- Navigeer naar Venster en selecteer Acties in het vervolgkeuzemenu. Klik in het menu Acties op Nieuwe actie, voer een aangepaste naam in en selecteer OK. Zorg ervoor dat de actie wordt opgenomen door te controleren of de opnameknop actief en rood is.
- Zodra de afbeelding is geladen, navigeert u naar Afbeelding | Modus | Geïndexeerde kleur. Selecteer in het venster Index in het vervolgkeuzemenu Local Perceptual en geef het aantal kleuren op dat 8 moet zijn.
- Selecteer in het menu Geforceerd de optie Aangepast. Klik op de eerste twee vierkanten, wacht tot het venster Aangepaste kleur verschijnt en selecteer een aangepast kleurenpalet. Selecteer 100% Magenta en zorg ervoor dat C, Y en K zijn ingesteld op 0.
- Herhaal dit proces en zorg ervoor dat er twee vierkanten zijn gewijd aan 100% C, Y en K.
- Selecteer in het menu Opties voor Matt de optie Aangepast in het vervolgkeuzemenu. Selecteer bij Dither de optie Diffusie en selecteer bij Hoeveelheid de optie 100%. Klik ten slotte op OK.
- Navigeer naar het menu Actie en klik op de vierkante knop om de opname te stoppen. Sluit het actieve venster en klik op Nee in het pop-upvenster Wijzigingen opslaan .
- Navigeer naar | | automatiseren Batch. Navigeer in het pop-upvenster Batch naar de vervolgkeuzelijst Actie en selecteer de actie die in de vorige stap is gemaakt. Klik vervolgens onder het menu Bron op de knop Kiezen en navigeer naar de map met afbeeldingen die in stap 3.1.3 zijn geëxporteerd. Klik in het menu Doel op de knop Kiezen , selecteer een doelmaplocatie voor de nieuwe bestanden en klik op OK.
5. Voxel printen
OPMERKING: Stratasys GrabCAD5 werd gebruikt voor het werk voltooid in sectie 5.
- Open de afdruksoftware, klik op Apps en start Voxel Print Utility in het vervolgkeuzemenu.
- Voer in het tekstvak Voorvoegsel van segmentbestanden het voorvoegsel van de PNG-bestandsstapel in. Klik vervolgens op de knop Selecteren , navigeer naar de map waarin de PNG-bestandenstapel zich bevindt en klik op OK.
- Zorg er onder Segmentbereik voor dat het eerste segment en het aantal segmenten overeenkomen met het aantal bestanden in de gemaakte map.
- Controleer onder Segmentparameters of de dikte van de segmenten (mm) overeenkomt met de instellingen die zijn opgegeven in stap 3.1.1.1 en de breedte en hoogte van de segmenten (pixels) overeenkomen met de breedte en hoogte van de PNG-bestanden.
- Controleer onder Achtergrondkleur of de achtergrond overeenkomt met de achtergrondkleur en stel in dat deze niet wordt afgedrukt. Als u klaar bent, klikt u op de knop Volgende .
- Selecteer op de pagina Gereedschappen onder Materiaaltoewijzing het materiaal in het vervolgkeuzemenu dat moet worden toegewezen aan de bijbehorende kleur, afgeleid van de PNG-bestanden. Herhaal dit proces voor elke kleur in het menu. Klik vervolgens op | Voltooien OK in het pop-upvenster Info Gcvf creatie geslaagd.
- Klik in de afdruksoftware van de hostcomputer op Bestand | Importeer bestand vanuit het vervolgkeuzemenu. Navigeer naar het Gcvf-bestand en klik op Laden. Selecteer afdrukken op het hoofdscherm.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een positief resultaat, zoals weergegeven in figuur 2 en figuur 3, is een directe vertaling van de volumeweergave zoals gedefinieerd in stap 1.2.5 of 2.1.1.4. Het uiteindelijke model moet visueel overeenkomen met de volumeweergave in grootte, vorm en kleur. Tijdens dit proces zijn er tal van stappen waarbij een fout kan optreden, die van invloed is op een of meer van de hierboven genoemde eigenschappen.
Problemen met betrekking tot de uniforme schaling, zoals weergegeven in figuur 4, van de afgedrukte modellen kunnen het gevolg zijn van de beeldvorming, de computerhardware en/of standaardsoftware-instellingen. Ziekenhuizen gebruiken verschillende technieken om beelden van een reeks mogelijke scanners te produceren en weer te geven. Aangezien deze methode rechtstreeks werkt vanuit de bronafbeeldingen, die metagegevens kunnen weergeven die doorgaans niet worden gebruikt, is het belangrijk om bekend te zijn met de nuances van de beeldbewerkingsworkflow. Schaalproblemen kunnen zich voordoen wanneer 'transformatie' in de metadata wordt ingebakken, die de laaghoogte en rotatie kunstmatig kan aanpassen.
Schaalproblemen kunnen ook het gevolg zijn van de grootte van het computerscherm. Sommige versies van Slicerfab zijn ingesteld om de volumerendering te segmenteren en de resulterende PNG op te slaan tot de grootte van het actieve scherm. In deze versies van Slicerfab worden afbeeldingen die groter zijn dan de monitor afgesneden. Ten slotte hebben verschillende updates in Photoshop geleid tot schaalproblemen wanneer de updates de standaardwaarden voor de resolutie voor het importeren van afbeeldingen wijzigen. Wanneer de standaardinstelling is ingesteld op iets anders dan 600 DPI, behouden de afbeeldingen niet dezelfde schaal als afbeeldingen die worden geproduceerd door de medische beeldcomputersoftware. Ze zullen resulteren in vervormingen van de X-Y-dimensie, terwijl de z-hoogte van het model correct blijft.
Problemen met onregelmatige vormen en onverwachte geometrieën kunnen het gevolg zijn bij het werken met ondoorzichtigheid in de medische beeldcomputersoftware. Het tabblad volume-eigenschappen bevat de mogelijkheid om zowel kleur- als dekkingskanalen te wijzigen. Wanneer het dekkingskanaal lager is ingesteld dan 50%, produceren de renderingalgoritmen visualisaties die voor de gebruiker moeilijk waarneembaar zijn, met name omringende complexe structuren. Dit kan ertoe leiden dat tijdens het proces extra gegevens worden ontleed en kan ertoe leiden dat ongewenste gegevens 3D-geprint worden.
Problemen met betrekking tot kleur kunnen het gevolg zijn van softwareafbeeldingen en gebruikersfouten in zowel beeldbewerkingssoftware als afdruksoftware. De medische beeldcomputersoftware heeft tal van keuzes voor het aanpassen van de volumeweergave. Hoewel de huidige versie van Slicerfab hardgecodeerde renderinginstellingen heeft, kunnen er nog steeds wijzigingen worden aangebracht. Het activeren van licht- en schaduwinstellingen, evenals GPU-renderinginstellingen, kan onverwachte en onherleidbare resultaten opleveren. Ten slotte kunnen de ditheringstappen vanaf stap 4.1.2.3 van invloed zijn op de kleur op basis van de opties voor kleursynthese, die wordt bepaald door het aantal en de relatieve concentraties van de beschikbare basismaterialen in de printer.
Het 'lokale perceptuele' ditheringalgoritme probeert een visuele benadering van de bronkleur te produceren uit de beschikbare kleuren die zijn gedefinieerd in de 'kleurkiezer'. Als u het aantal en de kleur van de basismaterialen wijzigt, worden de resulterende tint en kleurnauwkeurigheid van het afgedrukte model gewijzigd. Bovendien, als helder als basismateriaal wordt gebruikt, zoals weergegeven in figuur 5, resulteren problemen rond oppervlakte- en ondergronds lichtverstrooiing door het gedrukte model vaak in ontrouwe kleurvertalingen van de digitale weergave naar het gedrukte model6.
Figuur 1: Stroomdiagram. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Voxel digitaal naar fysieke dithering van kleur. (A) een doorsnede van een hartmodel wordt getoond door de dichtheidsbereiken van de anatomie te verdelen in 2, 4 en 10 kleuren. (B) Een vergroting van een deel van elk model wordt opgeroepen, waarbij de afzonderlijke pixels worden weergegeven, die in het 3D-printproces tot druppels materialen worden verwerkt. (C) Hier worden dwarsdoorsnede 3D-geprinte modellen getoond met behulp van de voxel-techniek, die de vertaling van een afbeelding naar het model demonstreren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Representatieve resultaten van Voxel. Twee modellen met representatieve resultaten van een succesvolle methode. (A) Een dwarsdoorsnede niermodel van een volwassene met heldercellig carcinoom. De tumor aan de rechterkant is verwijderd om het grensvlak tussen de nier en de tumor aan te tonen. Hierdoor kan een chirurg een beter begrip krijgen van de morfologie van de tumor en de relatie met kritieke elementen die moeten worden vermeden. (B) Een gesegmenteerd hartmodel dat de variatie in weefseldichtheid laat zien. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Voxel schaal probleem. Twee afbeeldingen van hetzelfde model met het resultaat van een schaalprobleem. (A) Dwarsdoorsnedebeeld van de nier. De X-Y-resolutie wordt proportioneel weergegeven, maar is 50% van de beoogde product(B)-profielweergave van de nier. De X-resolutie blijft nauwkeurig van de brongegevens en resulteert in een model dat uitgerekt in de X-richting lijkt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Mogelijke problemen. Twee afbeeldingen van twee verschillende modellen tonen de problemen rond de helderheid van het werken met doorschijnende materialen. (A) Dit model toont het resultaat van ingesloten holtes in het model die door de drukker zijn opgevuld met een 'ondersteunend' materiaal. In dit model zijn de holtes opzettelijk gemaakt om een variatie in optische eigenschappen te creëren. (B) Dit model toont open holtes die diep in het model lopen. De holtes zijn kronkelig, waardoor standaard nabewerkingstechnieken, die het oppervlak polijsten, onmogelijk zijn. De resulterende optische vervorming heeft het model onbruikbaar gemaakt voor klinische toepassingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Voxel-verwerkingsworkflow en vergelijking van beeldkwaliteit. Op basis van de dicom-invoergegevens wordt (A) een masker gemaakt om het interessegebied te isoleren en te reconstrueren tot een 3D-volumerendering, (B) waaruit een histogram wordt geanalyseerd om de intensiteitsbereiken te parseren. Het vormkanaal van de voxel-gebaseerde volumerendering wordt geactiveerd om de vorm van de resulterende gemaskeerde DICOM te visualiseren. Het materiaalkanaal van de op voxel gebaseerde volumeweergave wordt gewijzigd door middel van opzoektabellen, die kleur toewijzen aan de opgegeven intensiteitsbereiken (C). De volumerendering wordt gesegmenteerd als PNG-bestanden in kleur met de vereiste beperkingen en resolutie van de printer (D). Elk PNG-plakje wordt opgenomen in de materiaalbeschrijvingen die nodig zijn om de medische gegevens te fabriceren. (E) De resulterende kleurencomposiet PNG's worden naar de printer verzonden. (F) Een visualisatie van een dataset met hoge resolutie in vergelijking met een dataset met lage resolutie (G) met behulp van dezelfde techniek om de behoefte aan brongegevens van de hoogste kwaliteit aan te tonen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het huidige representatiekader dat de meeste, zo niet alle, digitale modelleringstools tegenwoordig gebruiken, resulteert in het STL-bestandsformaat8. Niettemin is de specifieke aard van dit paradigma ontoereikend gebleken bij het proberen uit te drukken van de granulaire of hiërarchische structuur van complexere, natuurlijke materialen. Met de komst van recente additieve productietechnieken zoals multimateriaal 3D-printen kunnen sterk afgestemde en sterk geoptimaliseerde objecten worden geproduceerd, die geleidelijke materiaalovergangen in hun volume weergeven. Dit artikel suggereert dat een voxel- of bitmapgebaseerd proces meer geschikt is voor complexe materiaalrepresentaties en een techniek biedt voor het vertalen van radiodensiteit en morfologische complexiteit van radiologische afbeeldingen. De voordelen van deze workflow omvatten i) een nauwkeurige, gegradueerde controle over de materiaalverdeling op meerdere schalen binnen een 3D-geprint volume en ii) de kracht om bestaande 2D-beeldverwerkingstechnieken op 3D-voxelvelden te vergroten en nieuwe creatieve wegen te creëren binnen het ontwerp en de engineering van objecten waarvan de esthetische kwaliteiten en materiaalorganisatie sterk zijn gemoduleerd om aan hun structurele prestaties te voldoen.
Elke stap in dit proces is van cruciaal belang voor het bereiken van een nauwkeurige uiteindelijke 3D-afdruk en er is weinig ruimte voor fouten. Onderweg zijn er tal van punten waar extra aandacht nodig is en controles moeten worden uitgevoerd om de nauwkeurigheid te garanderen. Ten eerste heeft het selecteren van de juiste afbeeldingen voor deze methode een directe impact op het uiteindelijke 3D-geprinte model, zoals weergegeven in figuur 6F, G. Deze methode probeert de zuiverheid van de bronafbeeldingen te behouden; eventuele wijzigingen om de resolutie of vloeiende contouren te verbeteren, kunnen gegevens introduceren of elimineren. Het eindproduct in deze methode is slechts zo goed als de invoergegevens. Deze methode zorgt voor een druppelresolutie van 15 μm en een laagdikte van 27 μm. Daarom is het van cruciaal belang om nauw samen te werken met een radioloog om beelden met de hoogste resolutie te vinden met het dunste aantal plakjes.
Ten tweede vereisen de modelbewerkingsstappen die worden beschreven in de protocolstappen 1.1, 2 en Afbeelding 6A gebruikersinvoer om de opzoektabellen te maskeren en te wijzigen om het gewenste resultaat te extraheren en weer te geven. Vanwege het hoge resolutieniveau zijn meerdere schalen van een anatomische structuur bewerkbaar. Een grondig begrip van medische beeldgegevensstructuren en hun relatie tot biologische weefsels is van cruciaal belang voor het extraheren van de gewenste gegevens. Aandacht tijdens deze stap kan zorgen voor sterk afgestemde modellen die meerdere organisatieschalen in biologisch weefsel repliceren.
Ten derde bepaalt de ditheringstap die in protocolstap 4 wordt beschreven, hoe materialen worden gegradueerd uit de bronkleuren. Het is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de bronkleuren betrekking hebben op de kleuren in de printer. Als de kleuren in de printer niet overeenkomen met de kleuren in de ditheringstap, kunnen er onverwachte kleurvariaties optreden in het uiteindelijke model. Bovendien zullen tal van ditheringtechnieken verschillende resultaten opleveren. Het is van cruciaal belang dat dit nauwkeurig wordt onderzocht om ervoor te zorgen dat er geen gegevens verloren gaan en dat de juiste informatie coherent wordt weergegeven.
We bieden enkele oplossingen voor het oplossen van problemen die zijn gedefinieerd in de representatieve resultaten. Ten eerste zijn problemen met betrekking tot schaal over het algemeen gerelateerd aan een transformatie die is ingebakken in de metagegevens van medische beelden die van een radiologische afdeling zijn ontvangen. Dit probleem kan worden gecorrigeerd in de medische beeldcomputersoftware door al deze overgeërfde 'Transformaties' te verwijderen. De eerste stap is om het menu Transformatie te openen en Active Transform verwijderen te selecteren in het vervolgkeuzemenu. Herhaal dit proces voor alle overgeërfde transformaties; dit zou het probleem onmiddellijk moeten verhelpen.
Ten tweede zijn problemen met betrekking tot geometrie over het algemeen gerelateerd aan het activeren van het dekkingskanaal in protocolstap 1.2.4. Wanneer het dekkingskanaal lager is dan 50%, produceren de renderingalgoritmen visualisaties, die moeilijk waar te nemen zijn voor de gebruiker, met name omringende complexe structuren. De oplossing voor dit probleem is om het dekkingskanaal in te stellen op 100%, waardoor een effen kleur ontstaat die kan worden gedefinieerd als een 'helder' materiaal in protocolstap 5.
Ten derde zijn problemen met betrekking tot slicing in het Slicerfab-programma vaak het gevolg van meerdere 'Volumes' en de region of interest tool (ROI) die in de medische beeldcomputersoftware worden geladen. Als er meerdere 'Volumes' zijn geladen, selecteert u de externe volumes in het vervolgkeuzemenu Volume in de module Volumerendering zodat deze actief is. Selecteer vervolgens in hetzelfde vervolgkeuzemenu Huidig volume verwijderen. Herhaal deze stap voor een extra ROI die mogelijk is gemaakt. Wanneer één 'Volume' en één 'ROI' aanwezig zijn, zou Slicerfab moeten werken zonder dat een herstart nodig is.
Over het algemeen zijn alle beperkingen van dit protocol gerelateerd aan de beschikbaarheid van hardware en gerelateerd materiaal. De huidige 3D-printers die in deze methode worden gebruikt, zijn beperkt tot een resolutie van 15 μm X-Y en 25 μm Z-hoogte. Deze beperking is relevant bij het werken met beeldvormingsgegevens met ultrahoge resolutie, zoals Micro CT, waarbij de beeldresolutie 5 mm kan benaderen en ervoor zou zorgen dat deze methode fout7 introduceert. Deze printer is ook beperkt tot het afdrukken van 7 basismaterialen tegelijk, wat het bereik van beschikbare kleuren kan beperken.
Blending op druppelniveau vindt wel plaats, waardoor het potentieel van 25.000.000 mogelijke kleurencombinaties mogelijk is die door co-depositie kunnen worden gecreëerd. Het exacte mechanisme van materiaalmenging op druppelniveau voorafgaand aan UV-uitharding is echter niet goed bekend. Bovendien vereist het gedrukte materiaal een aanzienlijke nabewerking, wat leidt tot visuele artefacten met binnenholtes en moeilijk bereikbare functies. Daarom is het van cruciaal belang om de geometrie voorafgaand aan de fabricage te evalueren om de gewenste visuele helderheid te garanderen wanneer binnenholtes en complexe geometrie geen nabewerking mogelijk maken.
Driedimensionaal printen wordt momenteel gebruikt om modellen te fabriceren voor chirurgische planning, implantatie en operatieve navigatie, waardoor de patiëntenzorg tijdens chirurgische procedures en in de ziekenhuisomgeving wordt verbeterd9,10. De huidige adoptie van 3D-geprinte modellen voor prechirurgische planning is echter traag verlopen, deels vanwege het beperkte scala aan toepassingen dat beschikbaar is met de huidige STL-methode voor 3D-printen. Deze methode veroorzaakt een verlies aan gegevens en zichtbare onnauwkeurigheden in vergelijking met de brongegevensset, ernstig beperkte niveaus van complexiteit in relatie tot echte anatomische morfologie en volumetrische gradiënten van de oorspronkelijke gegevens die niet kunnen worden gereproduceerd.
Hoewel alleen al 3D-printen van morfologische gegevens succesvol is gebleken, is het toepassingsgebied met deze methode beperkt tot benige toepassingen en eenvoudige geometrische representaties van complexe anatomische kenmerken. In dit proces gaan waardevolle volumetrische gegevens verloren, wat de consistentie en integriteit van brongegevens in gevaar brengt. Omgekeerd voorkomt deze methode om de materiaalsamenstelling van het 3D-geprinte model te extraheren zonder afwijking van medische beelden deze problemen. Deze methode kan medische beelden met grotere nauwkeurigheid reproduceren met bekende voordelen voor chirurgische procedures waarbij morfologische nauwkeurigheid van cruciaal belang is. Het protocol in dit artikel beschrijft de tactiele visualisatie van medische gegevens door middel van submillimeterresolutie, multimateriaal, 3D-voxelprinten. De integratie van zachte harsen, met durometers in het bereik analoog aan menselijk weefsel, zou het naar verwachting mogelijk kunnen maken om radiologisch gescand zacht weefsel te recreëren met tactiele planningsmethoden tijdens de chirurgische voorbereiding.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
N.J. is een auteur van een octrooiaanvraag ingediend door de University of Colorado Regents die methoden beschrijft zoals die beschreven in dit werk (aanvraagnr. US16/375.132; publicatienr. US20200316868A1; ingediend 04 april 2019; gepubliceerd op 08 oktober 2020). Alle andere auteurs verklaren dat ze geen tegenstrijdige belangen hebben.
Acknowledgments
We danken AB Nexus en de staat Colorado voor hun genereuze steun aan ons wetenschappelijk onderzoek naar voxeldruk voor prechirurgische planning. We bedanken L. Browne, N. Stence en S. Sheridan voor het verstrekken van datasets die in deze studie worden gebruikt. Deze studie werd gefinancierd door de AB Nexus Grant en de State of Colorado Advanced Industries Grant.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Slicer Image Computing Platform | Slicer.org | Version 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D Printer | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
References
- 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).
- 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).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108 (2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
- 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).
- 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).
