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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

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.

Representative Results

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.

Probleme im Zusammenhang mit der einheitlichen Skalierung der gedruckten Modelle, wie in Abbildung 4 dargestellt, können auf die Abbilderstellung, die Computerhardware und/oder die Standardsoftwareeinstellungen zurückzuführen sein. Krankenhäuser verwenden eine Vielzahl von Techniken, um Bilder von einer Reihe möglicher Scanner zu erzeugen und zu rendern. Da diese Methode direkt von den Quellbildern aus funktioniert, die Metadaten verfügbar machen können, die normalerweise nicht verwendet werden, ist es wichtig, mit den Nuancen des Imaging-Workflows vertraut zu sein. Probleme mit der Skalierung können auftreten, wenn die "Transformation" in die Metadaten integriert wird, wodurch die Ebenenhöhe und -drehung künstlich angepasst werden können.

Skalierungsprobleme können auch auf die Größe des Computermonitors zurückzuführen sein. Einige Versionen von Slicerfab wurden so eingestellt, dass das Volume-Rendering in Scheiben geschnitten und das resultierende PNG auf die Größe des aktiven Bildschirms gespeichert wird. In diesen Versionen von Slicerfab werden Bilder, die größer als der Monitor sind, abgeschnitten. Schließlich haben verschiedene Aktualisierungen in Photoshop zu Skalierungsproblemen geführt, wenn die Aktualisierungen die Standardeinstellungen für die Bildimportauflösung ändern. Wenn der Standardwert auf etwas anderes als 600 DPI festgelegt ist, behalten die Bilder nicht die gleiche Skala von Bildern bei, die von der medizinischen Bildverarbeitungssoftware erzeugt werden. Sie führen zu Verzerrungen der X-Y-Dimension, während die z-Höhe des Modells korrekt bleibt.

Probleme im Zusammenhang mit unregelmäßigen Formen und unerwarteten Geometrien können bei der Arbeit mit Opazität in der medizinischen Bildbearbeitungssoftware auftreten. Die Registerkarte Volume-Eigenschaften enthält die Möglichkeit, sowohl Farb- als auch Deckkraftkanäle zu ändern. Wenn der Deckkraftkanal unter 50% eingestellt ist, erzeugen die Rendering-Algorithmen Visualisierungen, die für den Benutzer schwer wahrnehmbar sind, insbesondere in der Umgebung komplexer Strukturen. Dies kann dazu führen, dass zusätzliche Daten im Prozess analysiert werden und unerwünschte Daten in 3D gedruckt werden.

Probleme im Zusammenhang mit Farben können auf Softwaregrafiken und Benutzerfehler sowohl in der Bildbearbeitungssoftware als auch in der Drucksoftware zurückzuführen sein. Die medizinische Bildbearbeitungssoftware bietet zahlreiche Möglichkeiten zum Anpassen des Lautstärke-Renderings. Obwohl die aktuelle Version von Slicerfab über hartcodierte Renderingeinstellungen verfügt, können dennoch Änderungen vorgenommen werden. Das Aktivieren von Licht- und Schattierungseinstellungen sowie GPU-Rendering-Einstellungen kann zu unerwarteten und nicht reproduzierbaren Ergebnissen führen. Schließlich können die Dithering-Schritte ab Schritt 4.1.2.3 die Farbe basierend auf den Optionen für die Farbsynthese beeinflussen, die durch die Anzahl und die relativen Konzentrationen der verfügbaren Basismaterialien im Drucker bestimmt wird.

Der "lokale Wahrnehmungsalgorithmus" versucht, eine visuelle Annäherung der Quellfarbe an die verfügbaren Farben zu erzeugen, die im "Farbwähler" definiert sind. Wenn Sie die Anzahl und Farbe der Basismaterialien ändern, ändert sich der resultierende Farbton und die Farbgenauigkeit des gedruckten Modells. Wenn Klar als Basismaterial verwendet wird, wie in Abbildung 5 dargestellt, führen Probleme mit der Streuung von Oberflächen- und Untergrundlicht durch das gedruckte Modell häufig zu untreuen Farbübersetzungen aus dem digitalen Rendering in das gedruckte ^Modell6.

Abbildung 1: Flussdiagramm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Voxel digital zu physischem Dithering der Farbe. (A) Ein Querschnitt eines Herzmodells wird gezeigt, indem die Dichtebereiche der Anatomie in 2, 4 und 10 Farben unterteilt werden. (B) Es wird eine Vergrößerung eines Teils jedes Modells angezeigt, die die einzelnen Pixel zeigt, die im 3D-Druckverfahren zu Materialtröpfchen verarbeitet werden. (C) Hier sind querschnittliche 3D-gedruckte Modelle mit der Voxel-Technik dargestellt, die die Übersetzung von einem Bild in das Modell demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Repräsentative Voxel-Ergebnisse. Zwei Modelle, die repräsentative Ergebnisse einer erfolgreichen Methode zeigen. (A) Ein Querschnittsnierenmodell eines Erwachsenen mit klarzelligem Karzinom. Der Tumor auf der rechten Seite wurde entfernt, um die Schnittstelle zwischen Niere und Tumor zu zeigen. Dies ermöglicht es einem Chirurgen, die Morphologie des Tumors und seine Beziehung zu kritischen Elementen besser zu verstehen. (B) Ein schnittiges Herzmodell, das die Variation der Gewebedichte zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Problem mit der Voxel-Skalierung. Zwei Bilder desselben Modells, die das Ergebnis eines Skalierungsproblems zeigen. (A) Querschnittsbild der Niere. Die X-Y-Auflösung wird proportional angezeigt, beträgt aber 50% des beabsichtigten Produkts (B) Profilansicht der Niere. Die X-Auflösung bleibt aus den Quelldaten genau und führt zu einem Modell, das in X-Richtung gestreckt erscheint. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Potenzielle Probleme. Zwei Bilder von zwei verschiedenen Modellen zeigen die Probleme rund um die Klarheit der Arbeit mit transluzenten Materialien. (A) Dieses Modell zeigt das Ergebnis von eingeschlossenen Hohlräumen innerhalb des Modells, die vom Drucker mit einem "Stützmaterial" gefüllt wurden. In diesem Modell wurden die Hohlräume absichtlich erzeugt, um eine Variation der optischen Eigenschaften zu erzeugen. (B) Dieses Modell zeigt offene Hohlräume, die tief in das Modell hineinlaufen. Die Hohlräume sind gewunden, was Standard-Nachbearbeitungstechniken, die die Oberfläche polieren, unmöglich macht. Die daraus resultierende optische Verzerrung hat das Modell für klinische Anwendungen unbrauchbar gemacht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: Voxel-Verarbeitungsworkflow und Vergleich der Bildqualität. Aus den eingegebenen DICOM-Daten wird (A) eine Maske erstellt, um den Interessierendenbereich zu isolieren und in ein 3D-Volumen-Rendering zu rekonstruieren, (B), aus dem ein Histogramm analysiert wird, um die Intensitätswertebereiche zu analysieren. Der Formkanal des voxelbasierten Volume-Renderings wird aktiviert, um die Form des resultierenden maskierten DICOM zu visualisieren. Der Materialkanal des voxelbasierten Volumenrenderings wird durch Nachschlagetabellen modifiziert, die die Farbe den angegebenen Intensitätsbereichen (C) zuordnen. Das Volume-Rendering wird als Vollfarb-PNG-Dateien mit den erforderlichen Einschränkungen und der Auflösung des Druckers (D) aufgeteilt. Jede PNG-Scheibe ist in die Materialbeschreibungen unterteilt, die zur Herstellung der medizinischen Daten benötigt werden. (E) Die resultierenden Farbkomposit-PNGs werden an den Drucker gesendet. (F) Eine Visualisierung eines hochauflösenden Datensatzes im Vergleich zu einem Datensatz mit niedriger Auflösung (G) unter Verwendung derselben Technik, um die Notwendigkeit von Quelldaten höchster Qualität zu demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

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 hergestellt werden, die während ihres gesamten Volumens allmähliche Materialübergänge aufweisen. Dieses Papier legt nahe, dass ein Voxel- oder Bitmap-basierter Prozess eher für komplexe Materialdarstellungen geeignet ist und eine Technik zur Übersetzung von Radiodichte und morphologischer Komplexität aus radiologischen Bildern bietet. Zu den Vorteilen dieses Workflows gehören i) eine präzise, abgestufte Kontrolle über die Materialverteilung auf mehreren Skalen innerhalb eines 3D-gedruckten Volumens und ii) die Fähigkeit, bestehende 2D-Bildverarbeitungstechniken auf 3D-Voxelfeldern zu erhöhen und neue kreative Wege innerhalb des Designs und der Konstruktion von Objekten zu schaffen, deren ästhetische Qualitäten und Materialorganisation stark moduliert sind, um ihrer strukturellen Leistung gerecht zu werden.

Jeder Schritt in diesem Prozess ist entscheidend, um einen genauen endgültigen 3D-Druck zu erreichen, und es gibt wenig Raum für Fehler. Auf dem Weg dorthin gibt es zahlreiche Punkte, an denen besondere Aufmerksamkeit erforderlich ist, und es sollten Überprüfungen durchgeführt werden, um die Genauigkeit sicherzustellen. Erstens hat die Auswahl der richtigen Bilder für diese Methode einen direkten Einfluss auf das endgültige 3D-gedruckte Modell, wie in Abbildung 6F, G gezeigt. Diese Methode versucht, die Reinheit der Quellbilder zu erhalten; Änderungen zur Verbesserung der Auflösung oder zur Glättung von Konturen könnten Daten einführen oder eliminieren. Das Endprodukt bei dieser Methode ist nur so gut wie die Eingabedaten. Diese Methode ermöglicht eine Tröpfchenauflösung von 15 μm und 27 μm Schichtdicke. Daher ist es wichtig, eng mit einem Radiologen zusammenzuarbeiten, um die Bilder mit der höchsten Auflösung mit der dünnsten Schnittzahl zu erhalten.

Zweitens erfordern die in den Protokollschritten 1.1, 2 und Abbildung 6A beschriebenen Modellbearbeitungsschritte Benutzereingaben, um die Nachschlagetabellen zu maskieren und zu ändern, um das gewünschte Ergebnis zu extrahieren und zu rendern. Aufgrund der hohen Auflösung sind mehrere Skalen einer anatomischen Struktur editierbar. Ein gründliches Verständnis der medizinischen Bilddatenstrukturen und ihrer Beziehung zu biologischen Geweben ist entscheidend für die Extraktion der gewünschten Daten. Die Aufmerksamkeit während dieses Schritts kann hochgradig abgestimmte Modelle ermöglichen, die mehrere Organisationsskalen in biologischem Gewebe replizieren.

Drittens bestimmt der in Protokollschritt 4 beschriebene Dithering-Schritt, wie Materialien von den Quellfarben abgestuft werden. Es ist wichtig sicherzustellen, dass sich die Quellfarben auf die Farben im Drucker beziehen. Wenn die Farben im Drucker nicht mit den Farben im Dithering-Schritt übereinstimmen, können unerwartete Farbabweichungen im endgültigen Modell auftreten. Darüber hinaus werden zahlreiche Dithering-Techniken zu einer Vielzahl von Ergebnissen führen. Es ist wichtig, dass dies genau untersucht wird, um sicherzustellen, dass keine Daten verloren gehen und die entsprechenden Informationen kohärent angezeigt werden.

Wir bieten einige Lösungen zur Fehlerbehebung für die in den repräsentativen Ergebnissen definierten Probleme. Erstens beziehen sich Probleme im Zusammenhang mit dem Maßstab im Allgemeinen auf eine Transformation, die in die medizinischen Bildmetadaten eingebrannt ist, die von einer radiologischen Abteilung erhalten wurden. Dieses Problem kann in der medizinischen Bildbearbeitungssoftware behoben werden, indem alle diese geerbten "Transformationen" gelöscht werden. Der erste Schritt besteht darin, das Transformationsmenü zu öffnen und im Dropdown-Menü die Option Aktive Transformation löschen auszuwählen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle geerbten Transformationen. Dadurch sollte das Problem sofort behoben werden.

Zweitens beziehen sich Probleme im Zusammenhang mit der Geometrie im Allgemeinen auf die Aktivierung des Deckkraftkanals in Protokollschritt 1.2.4. Wenn der Deckkraftkanal unter 50% eingestellt ist, erzeugen die Rendering-Algorithmen Visualisierungen, die für den Benutzer schwer wahrzunehmen sind, insbesondere in bezug auf komplexe Strukturen. Die Lösung für dieses Problem besteht darin, den Deckkraftkanal auf 100% einzustellen und so eine Volltonfarbe zu erzeugen, die in Protokollschritt 5 als "klares" Material definiert werden kann.

Drittens sind Probleme im Zusammenhang mit dem Slicing im Slicerfab-Programm oft auf mehrere "Volumes" und das Region of Interest Tool (ROI) zurückzuführen, das in die medizinische Bildberechnungssoftware geladen wird. Wenn mehrere "Volumes" geladen werden, wählen Sie die fremden Volumes aus dem Dropdown-Menü Volume im Volume Rendering-Modul aus, damit sie aktiv sind. Wählen Sie als Nächstes im selben Dropdown-Menü die Option Aktuelles Volume löschen aus. Wiederholen Sie diesen Schritt für einen zusätzlichen ROI, der möglicherweise erstellt wurde. Wenn ein "Volume" und ein "ROI" vorhanden sind, sollte Slicerfab ohne Neustart funktionieren.

Im Allgemeinen beziehen sich alle Einschränkungen dieses Protokolls auf die Hardware und die damit verbundene Materialverfügbarkeit. Die aktuellen 3D-Drucker, die bei dieser Methode verwendet werden, sind auf 15 μm X-Y und 25 μm Z Höhenauflösung beschränkt. Diese Einschränkung ist relevant für die Arbeit mit ultrahochauflösenden Bilddaten wie Micro CT, bei denen sich die Bildauflösung 5 mm nähern kann und diese Methode zu Fehlern führen ^würde7. Dieser Drucker ist auch darauf beschränkt, 7 Basismaterialien gleichzeitig zu drucken, was den Bereich der verfügbaren Farben einschränken kann.

Es kommt zu einer Überblendung auf Tröpfchenebene, die das Potenzial von 25.000.000 möglichen Farbkombinationen ermöglicht, die durch Co-Deposition erzeugt werden können. Der genaue Mechanismus der Materialmischung auf Tröpfchenebene vor der UV-Härtung ist jedoch nicht gut bekannt. Darüber hinaus erfordert das gedruckte Material eine erhebliche Nachbearbeitung, was zu visuellen Artefakten mit inneren Hohlräumen und schwer zugänglichen Merkmalen führt. Daher ist es wichtig, die Geometrie vor der Fertigung zu bewerten, um die gewünschte visuelle Klarheit zu gewährleisten, wenn innere Hohlräume und komplexe Geometrie keine Nachbearbeitung zulassen.

Der dreidimensionale Druck wird derzeit verwendet, um Modelle für die chirurgische Planung, Implantation und operative Navigation herzustellen und die Patientenversorgung während chirurgischer Eingriffe und in der gesamten Krankenhausumgebung zu ^{verbessern9,10}. Die derzeitige Einführung von 3D-gedruckten Modellen für die präoperative Planung war jedoch langsam, was zum Teil auf die begrenzte Bandbreite der Anwendungen zurückzuführen ist, die mit der aktuellen STL-Methode für den 3D-Druck verfügbar sind. Diese Methode führt zu einem Datenverlust und sichtbaren Ungenauigkeiten im Vergleich zum Quelldatensatz, zu einer stark begrenzten Komplexität in Bezug auf die echte anatomische Morphologie und zu volumetrischen Gradienten der Originaldaten, die nicht reproduziert werden können.

Obwohl sich allein morphologische Daten des 3D-Drucks als erfolgreich erwiesen haben, beschränkt sich das Anwendungsspektrum mit diesem Verfahren auf knöcherne Anwendungen und einfache geometrische Darstellungen komplexer anatomischer Merkmale. Dabei gehen wertvolle volumetrische Daten verloren, was die Konsistenz und Integrität der Quelldaten gefährdet. Umgekehrt vermeidet diese Methode, die Materialzusammensetzung des 3D-gedruckten Modells ohne Abweichung von medizinischen Bildern zu extrahieren, diese Probleme. Diese Methode kann medizinische Bilder mit größerer Genauigkeit reproduzieren, mit bekannten Vorteilen für chirurgische Eingriffe, bei denen die morphologische Genauigkeit entscheidend ist. Das Protokoll in diesem Artikel beschreibt die taktile Visualisierung medizinischer Daten durch Submillimeterauflösung, Multimaterial, 3D-Voxeldruck. Der Einbau von Weichharzen mit Durometern im Bereich analog zu menschlichem Gewebe könnte absehbar die Rekonstruktion von radiologisch gescanntem Weichgewebe ermöglichen, das mit taktilen Planungsmethoden während der chirurgischen Vorbereitung verwendet werden kann.

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