Summary
שיטה זו מדגימה זרימת עבודה של הדפסה תלת-ממדית מבוססת voxel, המודפסת ישירות מתמונות רפואיות עם נאמנות מרחבית מדויקת ורזולוציה מרחבית/ניגודית. זה מאפשר שליטה מדויקת, מדורגת של הפצות חומר באמצעות חומרים מורכבים מורפולוגית, מדורגים בקורלציה רדיוטנציה ללא אובדן או שינוי של נתונים.
Abstract
רוב היישומים של הדפסה תלת-ממדית (תלת-ממדית) לתכנון פרה-כירורגי הוגבלו למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים בשל המגבלות הבסיסיות של דיוק, איכות ויעילות של פרדיגמת הדוגמנות הנוכחית. זה התעלם במידה רבה מהרקמה הרכה הקריטית לרוב ההתמחויות הכירורגיות שבהן הפנים של אובייקט חשוב וגבולות אנטומיים עוברים בהדרגה. לכן, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג.
מוצגת כאן טכניקה חדשנית ליצירת מודלים תלת-ממדיים ישירות מתמונות רפואיות, אשר עדיפים ברזולוציה מרחבית וניגודית לשיטות הדוגמנות התלת-ממדיות הנוכחיות ומכילים נאמנות מרחבית בלתי ניתנת להשגה בעבר ובידול רקמות רכות. כמו כן מוצגים מדידות אמפיריות של רומן, מרוכבים המיוצרים בתוסף המשתרעים על מכלול הנוקשות החומריות הנראות ברקמות ביולוגיות רכות מ- MRI ו- CT. שיטות עיצוב והדפסה נפחיות ייחודיות אלה מאפשרות התאמה דטרמיניסטית ומתמשכת של נוקשות וצבע החומר. יכולת זו מאפשרת יישום חדש לחלוטין של ייצור תוספים לתכנון טרום-כירורגי: ריאליזם מכני. כהשלמה טבעית למודלים קיימים המספקים התאמת מראה, מודלים חדשים אלה מאפשרים גם לאנשי מקצוע רפואיים "להרגיש" את התכונות החומריות השונות מבחינה מרחבית של סימולציה של רקמה - תוספת קריטית לתחום שבו תחושת המישוש משחקת תפקיד מפתח.
Introduction
נכון לעכשיו, מנתחים חוקרים מספר רב של שיטות הדמיה דו-ממדיות נפרדות (2D) המציגות נתונים ברורים לתכנון פעולות על חולים תלת-ממדיים. יתר על כן, צפייה בנתונים אלה במסך דו-ממדי אינה מסוגלת באופן מלא לתקשר את מלוא היקף הנתונים שנאספו. ככל שמספר שיטות ההדמיה גדל, היכולת לסנתז יותר נתונים משיטות שונות, המציגות סולמות ארגון מרובים, מחייבת צורות חדשות של ייצוג דיגיטלי ופיזי כדי לדחוס ולאצור מידע לתכנון כירורגי יעיל ויעיל יותר.
מודלים המודפסים בתלת-ממד, ספציפיים למטופל, התגלו ככלי אבחון חדש לתכנון כירורגי שהוכח כמפחית את זמן ההפעלה והסיבוכים הניתוחיים1. עם זאת, התהליך גוזל זמן רב בשל שיטת הסטרייאוליטוגרפיה הסטנדרטית (STL) של הדפסה בתלת-ממד, המציגה אובדן גלוי של נתונים ומעבדת אובייקטים מודפסים כחומרים מוצקים, הומוגניים ואיזוטרופיים. כתוצאה מכך, הדפסה בתלת-ממד לתכנון כירורגי הוגבלה למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים2. מגבלה זו היא תוצאה של פרדיגמת ייצור מיושנת המונחת על ידי המוצרים והצרכים של המהפכה התעשייתית, שבה חפצים מיוצרים מתוארים במלואם על ידי הגבולות החיצוניים שלהם3. עם זאת, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג המייצגות את הווריאציות על פני הנפח כולו, המשתנות נקודה אחר נקודה.
כדי לטפל בבעיה זו, פותחה טכניקת הדמיה ומודל תלת-ממדית (איור 1) בשילוב עם תהליך ייצור חדשני ותוסף המאפשר שליטה רבה יותר על הערבוב והתצהיר של שרפים ברזולוציה גבוהה במיוחד. שיטה זו, הנקראת הדפסת מפת סיביות, משכפלת את האנטומיה האנושית על ידי הדפסת תלת-ממד ישירות מתמונות רפואיות ברמה של נאמנות מרחבית ורזולוציה מרחבית/ניגודית של טכנולוגיית הדמיה מתקדמת המתקרבת ל-15 מיקרומטר. זה מאפשר את השליטה המדויקת והמדרגת הנדרשת כדי לשכפל וריאציות ברקמה רכה מורכבת מורפולוגית ללא אובדן או שינוי של נתונים מתמונות מקור אבחון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
הערה: 3D Slicer רפואי תמונה מחשוב תוכנה4 (ראה טבלת החומרים) שימש עבור העבודה הושלמה בסעיפים 1 עד 3.
1. קלט נתונים
- פתח את תוכנת מחשוב התמונה הרפואית, לחץ על לחצן קובץ ו- DICOM מהתפריט הנפתח והמתן לפתיחת החלון של דפדפן DICOM .
- בחלון דפדפן DICOM , בחר ייבוא. המתן להופעת החלון המוקפץ ייבוא קבצי DICOM ממדריך כתובות .
- נווט אל מחסנית הקבצים של DICOM ולחץ על לחצן יבא .
- ודא שהערימה שנבחרה של קבצי DICOM נטענת בדפדפן DICOM. ודא שהנתונים אוכלסו כראוי ויתאימו למחקר הרצוי בקטגוריות הבאות: מטופל, מחקר, סדרות ומופע.
- לחץ על תיבת הסימון מתקדם כדי להפעיל מטה-נתונים נוספים. בחר את מספר הסידרה הרצוי ולחץ על לחצן בדוק . ודא שהרצף הרצוי אינו מציג אזהרות. לחץ על תיבת הסימון לצד קובץ נתוני DICOM הרצוי | טען.
הערה: בחר את התמונות ברזולוציה הגבוהה ביותר עם רכישת הפרוסה הדקה ביותר מכיוון ששיטה זו מסוגלת להדפיס בעובי פרוסה של 15 מיקרומטר ו-27 מיקרומטר.
- לחץ על תיבת הסימון מתקדם כדי להפעיל מטה-נתונים נוספים. בחר את מספר הסידרה הרצוי ולחץ על לחצן בדוק . ודא שהרצף הרצוי אינו מציג אזהרות. לחץ על תיבת הסימון לצד קובץ נתוני DICOM הרצוי | טען.
- לעיבוד אמצעי אחסון, לאחר טעינת הרצף לתוכנת מחשוב התמונה הרפואית, נווט אל מודולים ובחר מודול עיבוד אמצעי אחסון מהתפריט הנפתח.
- במודול עיבוד אמצעי אחסון , בחר את שם הרצף מהתפריט הנפתח עוצמת קול כדי להפעיל את מחסנית התמונות ולתרגם את הנתונים לאמצעי אחסון שעבר voxelized. ודא ששם המודול הפעיל תואם לרצף הרצוי שנבחר בשלב 1.1.3.1.
- לחצו על הסמל 'כדור עיניים' לצד הרשימה הנפתחת 'עוצמת קול' כדי להציג באופן חזותי את עוצמת הקול שנבחרה בתלת-ממד. ודאו שחלון התצוגה התלת-ממדית פתוח וייצוג תלת-ממדי בגווני אפור יהיה גלוי.
- לאחר מכן, לחץ על החץ לצד מתקדם כדי לפתוח את הכלים המתקדמים. בחר בכרטיסיה מאפייני עוצמת קול כדי לפתוח קבוצת פקדים לשינוי ערוץ הצבע של דגם voxel.
- נווט אל תפריט מיפוי האטימות הסקלרית . לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני בשדה כדי ליצור נקודות שבהן ערכי עוצמה יוגדרו על-ידי אטימות. מקם נקודות לאורך סולם זה כדי לדמיין את האנטומיה של עניין.
הערה: המיקום הימני-שמאלי של הנקודה מתואם לטווח ערכי העוצמה של התמונה, והמיקום למעלה-למטה מתייחס לאטימות. - נווט אל תפריט מיפוי צבעים סקלרי . לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני בשדה כדי ליצור נקודות ולציין צבעים המותאמים לערכי עוצמה. לחץ פעמיים בשדה כדי לפתוח חלון בחירת צבע כדי לשנות מידע צבע.
2. מניפולציות
הערה: נדרש שלב מיסוך אם האנטומיה מורכבת מספיק, עד לנקודה שבה רקמות ונתונים זרים שמסביב נמצאים לאחר שינויים במאפייני אמצעי האחסון.
- נווט אל מודולים ובחר בעורך פלחי השוק מהתפריט הנפתח. ודא שסרגלי הכלים של עורך המקטעים מופיעים.
- נווט אל הרשימה הנפתחת פילוח ובחר צור פילוח חדש בשם. הקלד שם מותאם אישית עבור הפילוח מהחלון המוקפץ שנה שם פילוח ולחץ על אישור.
- נווט אל הרשימה הנפתחת של אמצעי האחסון הראשי ובחר באמצעי האחסון הפעיל, שיהיה בעל שם זהה לזה של עיבוד אמצעי האחסון. לאחר מכן, לחץ על לחצן הוסף ישירות מתחת לרשימה הנפתחת. ודא שהגורם המכיל של פלח השוק נוצר בשדה שלהלן.
- נווטו לחלונית כלי האפקטים למטה ובחרו בכלי מספריים . נווט לתפריט מספריים ובחר מלא בפנים, בצורה חופשית וללא הגבלה. לאחר מכן, רחף מעל חלון התלת-ממד, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני והחזק בעת ציור סביב האזור למחיקה. ודא שמופיעה רצועת צבע צבעונית, המציגה את מה שכוסה. חזור על תהליך זה עד שכל האזורים למחיקה יכוסו.
הערה: ישנן הרחבות, כגון אפקטים נוספים של עורך המקטעים, שניתן להוריד לתוכנת מחשוב התמונות הרפואית, המכילות כלים ליצירת פילוח זה. - לאחר מכן, בחרו בכלי אמצעי אחסון של מסיכה מתפריט 'אפקטים '. סמן /י את ״בחר בפנים״ כדי למחוק את כל נתוני התמונה המכוסים על-ידי פלח השוק. לאחר מכן, שנה את ערך המילוי כך שיהיה -1000, השווה לאוויר או לאריק, בסולם יחידות הונספילד. לבסוף, הקש החל ולחץ על כדור העיניים לצד עוצמת הקול של הפלט כדי להציג את עוצמת הקול החדשה עם מסיכה.
- נווט אל מודולים ובחר עיבוד אמצעי אחסון מהתפריט הנפתח. לחץ על כדור העיניים לצד אמצעי האחסון הפעיל כדי לבטל את הפריט החזותי.
- לאחר מכן, מהתפריט הנפתח, בחר באמצעי האחסון המסיכה החדש שנוצר. לחץ על כדור העיניים כדי להפעיל את עוצמת הקול.
- לבסוף, נווט לתפריט קלט ופתח את התפריט הנפתח מאפיינים . בחר במאפיין אמצעי האחסון שנוצר בשלב 1.2.5. ודאו שאמצעי האחסון בתצוגת התלת-ממד מוסווים ומקודדים בצבע.
3. חיתוך
הערה: תהליך זה עוקף את שיטת ההדפסה התלת-ממדית המסורתית על-ידי שליחת קובצי הפרוסה ישירות להדפסה בתלת-ממד במקום לקובץ רשת שינוי של STL. בשלבים הבאים, פרוסות ייווצרו מעיבוד אמצעי האחסון. מודול מחולל מפת הסיביות הוא הרחבה שנבנתה בהתאמה אישית. ניתן להוריד את זה ממנהל ההרחבות.
- נווט אל המודולים, בחר Slicerfab מהרשימה הנפתחת. ודא שהתפריטים פרמטרי הדפסה ופרמטרי פלט קיימים.
- תחת הרשימה הנפתחת פרמטרי מדפסת , ודא שרזולוציית X מוגדרת ל - 600 DPI ורזולוציית Y מוגדרת ל - 300 DPI. ודאו שעובי השכבה מוגדר ל-27 מיקרומטר.
- לאחר מכן, פתח את תפריט פרמטרי פלט ושנה את קנה המידה של המודל הסופי לפי הצורך.
- לבסוף, בחר מיקום קובץ לשמירת הפרוסות ולחץ על צור.
הערה: שלב זה עשוי להימשך מספר דקות.
4. מיזוג צבעים
הערה: Adobe Photoshop (ראו טבלת החומרים) שימשה לעבודה שהושלמה בסעיף 4.
- פתח את התוכנה לעריכת תמונות ולחץ על קובץ ובחר פתח מהתפריט הנפתח. נווט אל התמונה הראשונה של מחסנית קבצי PNG שנוצרה בשלב הקודם ולחץ על לחצן פתח .
- נווט אל החלון ובחר פעולות מהתפריט הנפתח. בתפריט פעולות , לחץ על פעולה חדשה, הזן שם מותאם אישית ובחר אישור. ודא שהפעולה מוקלטת על-ידי בדיקה שלחצן הקלטה פעיל ואדום.
- לאחר טעינת התמונה, נווט אל תמונה | | מצב צבע סדור באינדקס. בחלון אינדקס , בחר מהתפריט הנפתח תפיסה מקומית וציין את מספר הצבעים שיהיו 8.
- בתפריט נכפה , בחר מותאם אישית. לחץ על שני הריבועים הראשונים, המתן עד שחלון הצבע המותאם אישית יופיע ובחר משטח צבע מותאם אישית. בחר 100% מגנטה וודא ש- C, Y ו - K מוגדרים כ - 0.
- חזור על תהליך זה וודא שיש שני ריבועים המוקדשים ל - 100% C, Y ו - K.
- בתפריט אפשרויות , עבור Matte, בחר מותאם אישית מהתפריט הנפתח. עבור מיזוג צבעים, בחר דיפוזיה ועבור סכום, בחר 100%. לבסוף, לחץ על אישור.
- נווט לתפריט פעולה ולחץ על לחצן הריבוע כדי להפסיק את ההקלטה. סגור את החלון הפעיל ולחץ על לא בחלון המוקפץ 'שמור שינויים '.
- ניווט | קבצים הפיכת | לאוטומטי אצווה. בחלון המוקפץ Batch , נווט אל הרשימה הנפתחת פעולה ובחר את הפעולה שנוצרה בשלב הקודם. לאחר מכן, תחת תפריט מקור , לחץ על לחצן בחר ונווט אל תיקיית התמונות שיוצאו בשלב 3.1.3. תחת תפריט יעד , לחץ על לחצן בחר , בחר מיקום תיקיית יעד עבור הקבצים החדשים ולחץ על אישור.
5. הדפסת Voxel
הערה: Stratasys GrabCAD5 שימש לעבודה שהושלמה בסעיף 5.
- פתח את תוכנת ההדפסה, לחץ על יישומים והפעל את כלי ההדפסה Voxel מהתפריט הנפתח.
- בתיבת הטקסט 'קידומת של פרוסת קבצים' , הזינו את הקידומת של מחסנית הקבצים PNG. לאחר מכן, לחץ על לחצן בחר ונווט לתיקיה שבה ממוקמת מחסנית קבצי PNG ולחץ על אישור.
- תחת טווח פרוסות, ודא שהפריסה הראשונה ומספר הפרוסות תואמים למספר הקבצים בתיקיה שנוצרה.
- תחת פרמטרי חיתוך, ודא שהעובי הפרוס (מ"מ) תואם להגדרות שצוינו בשלב 3.1.1.1.1 וברוחב פרוסה (פיקסלים) וגובה פרוסה (פיקסלים) תואמים לרוחב ולגובה של קבצי PNG.
- תחת צבע רקע, ודא שהרקע תואם לצבע הרקע, מוגדר לא להדפסה. לאחר השלמת, לחץ על לחצן הבא .
- בדף כלים תחת מיפוי חומרים, בחר את החומר מהתפריט הנפתח שיש למפות לצבע המשויך, הנגזר מקבצי PNG. חזור על תהליך זה עבור כל צבע בתפריט. לאחר מכן, לחץ על סיום | אישור בחלון המוקפץ יצירת Info Gcvf הצליחה.
- בתוכנת הדפסת המחשב המארח, לחץ על קובץ | יבא קובץ מהתפריט הנפתח. נווט אל קובץ Gcvf ולחץ על טען. במסך הראשי, בחר הדפס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
תוצאה חיובית, כפי שמוצג באיור 2 ובאיור 3, תהיה תרגום ישיר של עיבוד אמצעי האחסון כפי שהוגדר בשלבים 1.2.5 או 2.1.1.4. המודל הסופי אמור להתאים באופן חזותי לעיבוד אמצעי האחסון בגודל, בצורה ובצבע. לאורך תהליך זה, ישנם שלבים רבים שבהם עלולה להתרחש שגיאה, אשר ישפיעו על אחד או יותר מהמאפיינים המפורטים לעיל.
בעיות הקשורות לשינוי קנה המידה האחיד, כפי שמוצג באיור 4, של הדגמים המודפסים יכולות להיות תוצאה של ההדמיה, חומרת המחשב ו/או הגדרות התוכנה המוגדרות כברירת מחדל. בתי חולים משתמשים במגוון טכניקות כדי לייצר ולעבד תמונות ממגוון סורקים אפשריים. מכיוון ששיטה זו פועלת ישירות מתמונות המקור, אשר יכולות לחשוף מטה-נתונים שאינם מנוצלים בדרך כלל, חשוב להכיר את הניואנסים של זרימת העבודה של ההדמיה. בעיות בקנה מידה יכולות להתעורר כאשר 'טרנספורמציה' נאפית לתוך המטה-נתונים, שיכולים להתאים באופן מלאכותי את גובה השכבה וסיבובה.
בעיות בקנה מידה יכולות להיות גם תוצאה של גודל צג המחשב. גירסאות מסוימות של Slicerfab הוגדרו לפרוס את עיבוד אמצעי האחסון ולשמור את ה- PNG שנוצר בגודל המסך הפעיל. בגירסאות אלה של Slicerfab, תמונות גדולות יותר מהצג ינותקו. לבסוף, עדכונים שונים ב- Photoshop גרמו לבעיות בקנה מידה כאשר העדכונים משנים את ברירות המחדל לרזולוציית ייבוא התמונה. כאשר ברירת המחדל מוגדרת לכל דבר שאינו 600 DPI, התמונות לא ישמרו על אותו קנה מידה של תמונות המיוצרות על-ידי תוכנת מחשוב התמונות הרפואית. הם יגרמו לעיוותים בממד X-Y בעוד שגובה z של המודל יישאר נכון.
בעיות הקשורות לצורות לא סדירות וגיאומטריות בלתי צפויות יכולות לגרום בעת עבודה עם אטימות בתוכנת מחשוב התמונה הרפואית. הכרטיסיה מאפייני אמצעי אחסון מכילה את היכולת לשנות הן את ערוצי הצבע והן את ערוצי האטימות. כאשר ערוץ האטימות מוגדר מתחת ל-50%, אלגוריתמי העיבוד מפיקים פריטים חזותיים שקשה למשתמש לתפוס, במיוחד סביב מבנים מורכבים. הדבר עלול לגרום לניתוח נתונים נוספים בתהליך ועלול להוביל להדפסה תלת-ממדית של נתונים לא רצויים.
בעיות הקשורות לצבע יכולות לנבוע מגרפיקת תוכנה ומשגיאות משתמש הן בתוכנת עריכת תמונות והן בתוכנת ההדפסה. לתוכנת מחשוב התמונה הרפואית יש אפשרויות רבות להתאמת עיבוד עוצמת הקול. למרות שלגירסה הנוכחית של Slicerfab יש הגדרות עיבוד מקודדות באופן קשיח, עדיין ניתן לבצע שינויים. הפעלת הגדרות אור וצליל, כמו גם הגדרות עיבוד GPU, יכולה להפיק תוצאות בלתי צפויות ובלתי ניתנות להפרכה. לבסוף, שלבי מיזוג הדם החל משלב 4.1.2.3 יכולים להשפיע על הצבע בהתבסס על האפשרויות לסינתזת צבעים, אשר נקבע על ידי המספר והריכוזים היחסיים של חומרי הבסיס הזמינים במדפסת.
אלגוריתם המיזוג 'התפיסתי המקומי' מנסה ליצור קירוב חזותי של צבע המקור מהצבעים הזמינים המוגדרים בדוגם הצבעים." שינוי המספר והצבע של חומרי הבסיס ישנה את הגוון ודיוק הצבעים המתקבלים של הדגם המודפס. יתר על כן, אם ברור משמש כחומר בסיס, כפי שמוצג באיור 5, בעיות סביב פני השטח ואור תת-קרקעי המתפזרות בדגם המודפס גורמות לעתים קרובות לתרגומי צבעים לא נאמנים מהעיבוד הדיגיטלי לדגם המודפס6.
איור 1: דיאגרמת זרימה. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: Voxel דיגיטלי למיזוג צבע פיזי. (A) חתך רוחב של מודל לב מוצג על ידי חלוקת טווחי הצפיפות של האנטומיה ל-2, 4 ו-10 צבעים. (ב) מתבצעת הגדלה של חלק מכל דגם, המציגה את הפיקסלים הבודדים, אשר יעובדו לטיפות של חומרים בתהליך ההדפסה התלת-ממדית. (ג) מוצגים כאן דגמים מודפסים תלת-ממדיים חתך באמצעות טכניקת voxel, המדגימים את התרגום מתמונה לדגם. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: תוצאות נציגות Voxel. שני מודלים המציגים תוצאות מייצגות של שיטה מוצלחת. (א) מודל כליות חתך של מבוגר עם קרצינומה של תאים ברורים. הגידול בצד ימין הוסר כדי להראות את הממשק בין הכליה לגידול. זה מאפשר למנתח הבנה טובה יותר של המורפולוגיה של הגידול ואת הקשר שלו אלמנטים קריטיים להימנע. (B) מודל לב מחולק המציג את השונות בצפיפות הרקמות. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: סוגיית קנה המידה של Voxel. שתי תמונות מאותו דגם המציגות את התוצאה של בעיית שינוי קנה מידה. (א) תמונה חוצה חתך של הכליה. רזולוציית X-Y מוצגת באופן פרופורציונלי אך היא 50% מתצוגת הפרופיל המיועדת של המוצר (B) של הכליה. רזולוציית ה- X נשארת מדויקת מנתוני המקור ומביאה למודל שנראה מתוח בכיוון X. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: בעיות פוטנציאליות. שתי תמונות של שני מודלים שונים ממחישות את הבעיות סביב בהירות העבודה עם חומרים שקופים למחצה. (א) דגם זה מציג את התוצאה של חללים סגורים בתוך הדגם שמולאו בחומר 'תמיכה' על-ידי המדפסת. במודל זה, החללים נוצרו בכוונה כדי ליצור וריאציה במאפיינים אופטיים. (ב) מודל זה מציג חללים פתוחים העוברים עמוק לתוך המודל. החללים הם מפותלים, מה שהופך טכניקות סטנדרטיות לאחר עיבוד, אשר ללטש את פני השטח, בלתי אפשרי. העיוות האופטי שנוצר הפך את המודל לבלתי שמיש עבור יישומים קליניים. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: זרימת עבודה של עיבוד Voxel והשוואת איכות תמונה. מנתוני DICOM של הקלט, (A) נוצרת מסיכה כדי לבודד את אזור העניין ולשחזר אותו לעיבוד אמצעי אחסון תלת-ממדי, (B) שממנו מנתחים היסטוגרמה כדי לנתח את טווחי ערכי העוצמה. ערוץ הצורה של עיבוד אמצעי האחסון מבוסס voxel מופעל כדי להמחיש את הצורה של DICOM המסיכה המתקבלת. ערוץ החומר של עיבוד אמצעי האחסון המבוסס על voxel משתנה, באמצעות טבלאות בדיקת מידע, הממפות צבע לטווחי העוצמה (C) שצוינו. עיבוד אמצעי האחסון פרוס כקבצי PNG בצבע מלא לאילוצים והרזולוציה הנדרשים של המדפסת (D). כל פרוסת PNG משולבת בתיאורי החומר הדרושים כדי לפברק את הנתונים הרפואיים. (ה) רכיבי ה- PNG המורכבים בצבע המתקבל נשלחים למדפסת. (F) תצוגה חזותית של ערכת נתונים ברזולוציה גבוהה בהשוואה לערכת נתונים ברזולוציה נמוכה (G) המשתמשת באותה טכניקה כדי להדגים את הצורך בנתוני המקור האיכותיים ביותר. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
המסגרת הייצוגית הנוכחית שרוב כלי הדוגמנות הדיגיטליים, אם לא כולם, משתמשים בה כיום, גורמת לתבנית הקובץ STL8. עם זאת, האופי הספציפי של פרדיגמה זו הוכח כבלתי מספק כאשר מנסים לבטא את המבנה הגרעיני או ההיררכי של חומרים טבעיים מורכבים יותר. עם הגעתן של טכניקות ייצור התוסף האחרונות כגון הדפסה תלת-ממדית רב-חומרית, ניתן לייצר עצמים מכוונים מאוד וממוטבים במיוחד, המציגים מעברי חומר הדרגתיים לאורך כל נפחם. מאמר זה מצביע על כך שתהליך מבוסס voxel או bitmap מתאים יותר לייצוגים חומריים מורכבים ומספק טכניקה לתרגום רדיודנסטיות ומורכבות מורפולוגית מתמונות רדיולוגיות. היתרונות של זרימת עבודה זו כוללים i) שליטה מדויקת, מדורגת על הפצת החומרים בקשקשים מרובים בתוך נפח מודפס בתלת-ממד ו- ii) את הכוח להגדיל את טכניקות עיבוד התמונה הדו-ממדיות הקיימות בשדות voxel תלת-ממדיים ולייצר אפיקים יצירתיים חדשים בתוך העיצוב וההנדסה של אובייקטים שאיכויותיהם האסתטיות וארגון החומרים שלהם מאופננים מאוד כדי להתאים לביצועים המבניים שלהם.
כל שלב בתהליך זה הוא קריטי להשגת הדפסה תלת-ממדית סופית מדויקת, ואין הרבה מקום לטעויות. לאורך הדרך, ישנן נקודות רבות שבהן נדרשת תשומת לב נוספת, ויש לבצע בדיקות כדי להבטיח דיוק. ראשית, לבחירת התמונות הנכונות לשיטה זו יש השפעה ישירה על הדגם המודפס התלת-ממדי הסופי, כפי שמוצג באיור 6F,G. שיטה זו מבקשת לשמור על טוהר תמונות המקור; כל שינוי שישפר את הרזולוציה או קווי מתאר חלקים עלול להציג או לבטל נתונים. המוצר הסופי בשיטה זו טוב רק כמו נתוני הקלט. שיטה זו מאפשרת רזולוציה טיפתית של 15 מיקרומטר ועובי שכבה של 27 מיקרומטר. לכן, חשוב לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם רדיולוג כדי להפיק את התמונות ברזולוציה הגבוהה ביותר עם ספירת הפרוסות הדקה ביותר.
שנית, שלבי עריכת המודל המתוארים בשלבי הפרוטוקול 1.1, 2 ואיור 6A מחייבים את קלט המשתמש להסוות ולשנות את טבלאות בדיקת המידע כדי לחלץ ולעבד את התוצאה הרצויה. בשל רמת הרזולוציה הגבוהה, ניתן לערוך סולמות מרובים של מבנה אנטומי. הבנה מעמיקה של מבני נתוני תמונה רפואית ויחסם לרקמות ביולוגיות היא קריטית לחילוץ הנתונים הרצויים. תשומת לב במהלך שלב זה יכולה לאפשר מודלים מכווננים מאוד המשכפלים קשקשים מרובים של ארגון ברקמה ביולוגית.
שלישית, שלב מיזוג הצבע המתואר בפרוטוקול שלב 4 קובע כיצד החומרים יפוגו מצבעי המקור. חשוב לוודא שצבעי המקור קשורים לצבעים במדפסת. אם הצבעים במדפסת אינם תואמים לצבעים בשלב מיזוג הצבעים, שינויים בלתי צפויים בצבע עשויים להתרחש בדגם הסופי. בנוסף, טכניקות מיזוג רבות יניבו מגוון רחב של תוצאות. חשוב שזה ייבדק מקרוב כדי להבטיח שלא יאבדו נתונים, והמידע המתאים יוצג בקוהרנטיות.
אנו מספקים מספר פתרונות לפתרון בעיות לבעיות המוגדרות בתוצאות הייצוגיות. ראשית, נושאים הקשורים לקנה מידה קשורים בדרך כלל לטרנספורמציה שנאפתה למטא-נתונים של התמונה הרפואית שהתקבלו ממחלקה רדיולוגית. ניתן לתקן בעיה זו בתוכנת מחשוב התמונה הרפואית על-ידי מחיקת כל 'המרות' שעברו בירושה. השלב הראשון הוא לפתוח את תפריט טרנספורמציה ולבחור מחק המרה פעילה מהתפריט הנפתח. חזור על תהליך זה עבור כל ההמרות שעברו בירושה; פעולה זו אמורה לתקן את הבעיה באופן מיידי.
שנית, נושאים הקשורים לגיאומטריה קשורים בדרך כלל להפעלת ערוץ האטימות בשלב הפרוטוקול 1.2.4. כאשר ערוץ האטימות מוגדר מתחת ל-50%, אלגוריתמי העיבוד מפיקים פריטים חזותיים, שקשה למשתמש לתפוס, במיוחד סביב מבנים מורכבים. הפתרון לבעיה זו הוא להגדיר את ערוץ האטימות ל- 100%, ובכך ליצור צבע מלא שניתן להגדיר כחומר 'ברור' בפרוטוקול שלב 5.
שלישית, בעיות הקשורות חיתוך בתוכנית Slicerfab הם לעתים קרובות תוצאה של 'כרכים' מרובים ואת האזור של כלי עניין (ROI) נטען בתוכנת מחשוב תמונה רפואית. אם נטענים 'אמצעי אחסון' מרובים, בחר באמצעי האחסון הזרים מהתפריט הנפתח עוצמת קול במודול עיבוד אמצעי אחסון כך שיהיה פעיל. לאחר מכן, מאותו תפריט נפתח, בחר מחק את אמצעי האחסון הנוכחי. חזור על שלב זה לקבלת החזר השקעה נוסף שייתכן שנוצר. כאשר קיים 'עוצמת קול' אחת ו'החזר השקעה' אחד, Slicerfab אמור לפעול ללא צורך בהפעלה מחדש.
בדרך כלל, כל המגבלות של פרוטוקול זה קשורות לחומרה ולזמינות חומרים קשורים. המדפסות התלת-ממדיות הנוכחיות המשמשות בשיטה זו מוגבלות לרזולוציית גובה X-Y של 15 מיקרומטר X-Y ו- 25 מיקרומטר Z. מגבלה זו רלוונטית בעת עבודה עם נתוני הדמיה ברזולוציה גבוהה במיוחד, כגון Micro CT, שבו רזולוציית התמונה יכולה להתקרב ל-5 מ"מ ותגרום לשיטה זו להציג את error7. מדפסת זו מוגבלת גם להדפסת 7 חומרי בסיס בכל פעם, דבר שיכול להגביל את טווח הצבעים הזמינים.
מיזוג ברמת הטיפה מתרחש, ומאפשר פוטנציאל של 25,000,000,000 שילובי צבעים אפשריים שניתן ליצור על ידי תצהיר משותף. עם זאת, המנגנון המדויק של מיזוג חומר ברמת טיפה לפני ריפוי UV אינו ידוע היטב. יתר על כן, החומר המודפס דורש עיבוד משמעותי לאחר עיבוד, מה שמוביל לחפצים חזותיים עם חללים פנימיים ותכונות קשות להשגה. לכן, חשוב להעריך את הגיאומטריה לפני הייצור כדי להבטיח את הבהירות החזותית הרצויה כאשר חללים פנימיים וגיאומטריה מורכבת לא יאפשרו לאחר העיבוד.
הדפסה תלת מימדית משמשת כיום לייצור מודלים לתכנון כירורגי, השתלה וניווט אופרטיבי, לשיפור הטיפול בחולים במהלך הליכים כירורגיים ובסביבת בית החולים9,10. עם זאת, האימוץ הנוכחי של מודלים מודפסים בתלת-ממד לתכנון קדם-כירורגי היה איטי, בין היתר בשל מגוון היישומים המוגבל הזמינים בשיטת STL הנוכחית להדפסה בתלת-ממד. שיטה זו מייצרת אובדן נתונים ואי דיוקים גלויים בהשוואה לערכת נתוני המקור, רמות מוגבלות מאוד של מורכבות ביחס למורפולוגיה אנטומית אמיתית, ושיפועי נפח של הנתונים המקוריים שלא ניתן לשחזר.
למרות שההדפסה בתלת-ממד של נתונים מורפולוגיים לבדה הוכחה כמוצלחת, מגוון היישומים בשיטה זו מוגבל ליישומים גרמיים וייצוגים גיאומטריים פשוטים של תכונות אנטומיות מורכבות. בתהליך זה, נתוני נפח יקרי ערך אובדים, דבר הפוגע בעקביות ובשלמות של נתוני המקור. להיפך, שיטה זו כדי לחלץ את ההרכב החומרי של המודל המודפס בתלת-ממד ללא סטייה מתמונות רפואיות מונעת בעיות אלה. שיטה זו יכולה לשחזר תמונות רפואיות עם דיוק רב יותר עם יתרונות ידועים עבור הליכים כירורגיים שבהם דיוק מורפולוגי הוא קריטי. הפרוטוקול במאמר זה מתאר את הדמיה מוחשית של נתונים רפואיים באמצעות רזולוציית תת-מד, הדפסת voxel רב-חומרית ותלת-ממדית. השילוב של שרפים רכים, עם durometers בטווח המקביל לרקמה אנושית, יכול לאפשר באופן צפוי בילוי של רקמה רכה סרוקה רדיולוגית לשמש עם שיטות תכנון מישוש במהלך הכנה כירורגית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
N.J. הוא מחבר על בקשת פטנט שהוגשה על ידי אוניברסיטת קולורדו חברי ההנהלה המתאר שיטות כמו אלה המתוארות בעבודה זו (בקשה לא. US16/375,132; פרסום לא. US20200316868A1; הוגש ב-4 באפריל 2019; פורסם ב-08 באוקטובר 2020). כל הסופרים האחרים מצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים.
Acknowledgments
אנו מודים ל-AB נקסוס ולמדינת קולורדו על תמיכתם הנדיבה במחקר המדעי שלנו בהדפסת ווקסל לתכנון טרום-כירורגי. אנו מודים לל. בראון, נ. סטנס וס. שרידן על מתן ערכות נתונים המשמשות במחקר זה. מחקר זה מומן על ידי מענק AB נקסוס ומענק התעשיות המתקדמות של מדינת קולורדו.
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).
