Summary
यह विधि एक voxel-आधारित 3 D प्रिंटिंग वर्कफ़्लो को प्रदर्शित करती है, जो सटीक स्थानिक निष्ठा और स्थानिक / कंट्रास्ट रिज़ॉल्यूशन के साथ चिकित्सा छवियों से सीधे प्रिंट करती है। यह रूपात्मक रूप से जटिल, स्नातक सामग्री के माध्यम से सामग्री वितरण के सटीक, स्नातक नियंत्रण को सक्षम बनाता है जो डेटा के नुकसान या परिवर्तन के बिना रेडियोघनत्व से संबंधित है।
Abstract
प्रीसर्जिकल योजना के लिए 3-आयामी (3 डी) प्रिंटिंग के अधिकांश अनुप्रयोगों को वर्तमान मॉडलिंग प्रतिमान की सटीकता, गुणवत्ता और दक्षता में मौलिक सीमाओं के कारण बोनी संरचनाओं और जटिल अंगों के सरल रूपात्मक विवरणों तक सीमित कर दिया गया है। इसने काफी हद तक नरम ऊतक को अनदेखा कर दिया है जो अधिकांश सर्जिकल विशेषताओं के लिए महत्वपूर्ण है जहां एक वस्तु का इंटीरियर मायने रखता है और शारीरिक सीमाएं धीरे-धीरे संक्रमण करती हैं। इसलिए, मानव ऊतक को दोहराने के लिए जैव चिकित्सा उद्योग की आवश्यकताएं, जो संगठन के कई पैमाने और अलग-अलग सामग्री वितरण प्रदर्शित करती हैं, को प्रतिनिधित्व के नए रूपों की आवश्यकता होती है।
यहां प्रस्तुत एक उपन्यास तकनीक है जो सीधे चिकित्सा छवियों से 3 डी मॉडल बनाने के लिए है, जो वर्तमान 3 डी मॉडलिंग विधियों के लिए स्थानिक और विपरीत संकल्प में बेहतर हैं और इसमें पहले से अप्राप्य स्थानिक निष्ठा और नरम ऊतक भेदभाव शामिल हैं। इसके अलावा प्रस्तुत उपन्यास के अनुभवजन्य माप, additively निर्मित composites कि एमआरआई और सीटी से नरम जैविक ऊतकों में देखा सामग्री कठोरता के सरगम विस्तार कर रहे हैं. ये अद्वितीय वॉल्यूमेट्रिक डिजाइन और मुद्रण विधियां सामग्री कठोरता और रंग के नियतात्मक और निरंतर समायोजन के लिए अनुमति देती हैं। यह क्षमता presurgical योजना के लिए additive विनिर्माण की एक पूरी तरह से नई आवेदन सक्षम बनाता है: यांत्रिक यथार्थवाद. उपस्थिति मिलान प्रदान करने वाले मौजूदा मॉडलों के लिए एक प्राकृतिक पूरक के रूप में, ये नए मॉडल चिकित्सा पेशेवरों को एक ऊतक सिमुलेंट के स्थानिक रूप से अलग-अलग भौतिक गुणों को "महसूस" करने की अनुमति देते हैं- एक ऐसे क्षेत्र के लिए एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त जिसमें स्पर्श सनसनी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
Introduction
वर्तमान में, सर्जन 3 डी रोगियों पर ऑपरेशन के लिए योजना बनाने के लिए अलग-अलग डेटा प्रदर्शित करने वाले कई असतत 2-आयामी (2 डी) इमेजिंग तरीकों का अध्ययन करते हैं। इसके अलावा, 2 डी स्क्रीन पर इस डेटा को देखना एकत्र किए गए डेटा की पूरी सीमा को संप्रेषित करने में पूरी तरह से सक्षम नहीं है। जैसे-जैसे इमेजिंग तौर-तरीकों की संख्या बढ़ती है, अलग-अलग तौर-तरीकों से अधिक डेटा को संश्लेषित करने की क्षमता, जो संगठन के कई पैमानों को प्रदर्शित करती है, अधिक प्रभावी और कुशल सर्जिकल योजना के लिए जानकारी को संघनित और क्यूरेट करने के लिए डिजिटल और भौतिक प्रतिनिधित्व के नए रूपों की आवश्यकता होती है।
3 डी-मुद्रित, रोगी-विशिष्ट मॉडल सर्जिकल योजना के लिए एक नए नैदानिक उपकरण के रूप में उभरे हैं जो ऑपरेटिंग समय और सर्जिकल जटिलताओं को कम करने के लिए दिखाया गया है। हालांकि, यह प्रक्रिया 3 डी प्रिंटिंग की मानक स्टीरियोलिथोग्राफी (एसटीएल) विधि के कारण समय लेने वाली है, जो डेटा के दृश्यमान नुकसान को दर्शाती है और मुद्रित वस्तुओं को ठोस, सजातीय और आइसोट्रोपिक सामग्री के रूप में प्रस्तुत करती है। नतीजतन, सर्जिकल योजना के लिए 3 डी प्रिंटिंग बोनी संरचनाओं और जटिल अंगों के सरल रूपात्मक विवरण तक सीमित है2। यह सीमा औद्योगिक क्रांति के उत्पादों और जरूरतों द्वारा निर्देशित एक पुराने विनिर्माण प्रतिमान का परिणाम है, जहां निर्मित वस्तुओं को पूरी तरह से उनकी बाहरी सीमाओं द्वारा वर्णित किया गया है3। हालांकि, मानव ऊतक को दोहराने के लिए बायोमेडिकल उद्योग की आवश्यकताएं, जो संगठन के कई पैमाने और अलग-अलग सामग्री वितरण प्रदर्शित करती हैं, प्रतिनिधित्व के नए रूपों की आवश्यकता होती है जो पूरे वॉल्यूम में भिन्नताओं का प्रतिनिधित्व करते हैं, जो बिंदु-दर-बिंदु बदलते हैं।
इस मुद्दे को हल करने के लिए, एक 3 डी विज़ुअलाइज़ेशन और मॉडलिंग तकनीक (चित्रा 1) विकसित की गई थी और एक उपन्यास, योज्य विनिर्माण प्रक्रिया के साथ युग्मित की गई थी जो अल्ट्राहाई रिज़ॉल्यूशन में रेजिन के मिश्रण और जमाव पर अधिक नियंत्रण को सक्षम बनाती है। यह विधि, जिसे बिटमैप प्रिंटिंग कहा जाता है, 15 μm तक पहुंचने वाली उन्नत इमेजिंग तकनीक के स्थानिक निष्ठा और स्थानिक / कंट्रास्ट रिज़ॉल्यूशन के स्तर पर चिकित्सा छवियों से सीधे 3 डी प्रिंटिंग द्वारा मानव शरीर रचना विज्ञान को दोहराता है। यह नैदानिक स्रोत छवियों से डेटा के नुकसान या परिवर्तन के साथ रूपात्मक रूप से जटिल नरम ऊतक में भिन्नताओं को दोहराने के लिए आवश्यक सटीक और स्नातक नियंत्रण को सक्षम बनाता है।
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Protocol
नोट: 3 डी स्लाइसर मेडिकल इमेज कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर 4 ( सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग अनुभाग 1 से 3 में पूरा किए गए कार्य के लिए किया गया था।
1. डेटा इनपुट
- मेडिकल इमेज कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर खोलें, ड्रॉपडाउन मेनू से फ़ाइल बटन और DICOM पर क्लिक करें, और DICOM ब्राउज़र विंडो को खोलने के लिए प्रतीक्षा करें।
- DICOM ब्राउज़र विंडो में, आयात करेंका चयन करें। प्रकट करने के लिए निर्देशिका पॉपअप विंडो से DICOM फ़ाइलें आयात करें के लिए प्रतीक्षा करें।
- DICOM फ़ाइल स्टैक पर नेविगेट करें और आयात करें बटन क्लिक करें.
- सुनिश्चित करें कि चयनित स्टैक DICOM फ़ाइलों के DICOM ब्राउज़र में लोड किए गए हैं। सुनिश्चित करें कि डेटा सही ढंग से पॉपुलेटेड किया गया है और निम्नलिखित श्रेणियों में वांछित अध्ययन से मेल खाता है: रोगी, अध्ययन, श्रृंखला और उदाहरण।
- अतिरिक्त मेटाडेटा को सक्रिय करने के लिए उन्नत चेक बॉक्स क्लिक करें. वांछित श्रृंखला संख्या का चयन करें और परीक्षण करें बटन पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि वांछित अनुक्रम चेतावनियाँ प्रदर्शित नहीं कर रहा है. इच्छित DICOM डेटा फ़ाइल | के आगे चेक बॉक्स क्लिक करें लोड करें।
नोट:: इस विधि के रूप में इस विधि 15 μm और 27 μm टुकड़ा मोटाई पर मुद्रण करने में सक्षम है के रूप में thinnest स्लाइस अधिग्रहण के साथ उच्चतम रिज़ॉल्यूशन छवियों का चयन करें।
- अतिरिक्त मेटाडेटा को सक्रिय करने के लिए उन्नत चेक बॉक्स क्लिक करें. वांछित श्रृंखला संख्या का चयन करें और परीक्षण करें बटन पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि वांछित अनुक्रम चेतावनियाँ प्रदर्शित नहीं कर रहा है. इच्छित DICOM डेटा फ़ाइल | के आगे चेक बॉक्स क्लिक करें लोड करें।
- वॉल्यूम रेंडरिंग के लिए, एक बार अनुक्रम को मेडिकल इमेज कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में लोड किया जाता है, मॉड्यूल पर नेविगेट करें और ड्रॉपडाउन मेनू से वॉल्यूम रेंडरिंग मॉड्यूल का चयन करें।
- वॉल्यूम रेंडरिंग मॉड्यूल में, छवि स्टैक को सक्रिय करने और डेटा को voxelized वॉल्यूम में अनुवाद करने के लिए वॉल्यूम ड्रॉपडाउन मेनू से अनुक्रम के नाम का चयन करें। सुनिश्चित करें कि सक्रिय मॉड्यूल का नाम चरण 1.1.3.1 में चयनित इच्छित अनुक्रम से मेल खाता है।
- 3D में चयनित वॉल्यूम को विज़ुअलाइज़ करने के लिए वॉल्यूम ड्रॉपडाउन के आगे Eye Ball आइकन पर क्लिक करें. सुनिश्चित करें कि 3D प्रदर्शन विंडो खुली है और एक ग्रेस्केल 3D प्रतिनिधित्व दिखाई दे रहा है।
- अगला, उन्नत उपकरण खोलने के लिए उन्नत के आगे तीर क्लिक करें। voxel मॉडल के रंग चैनल को संशोधित करने के लिए नियंत्रणों का एक सेट खोलने के लिए वॉल्यूम गुण टैब का चयन करें।
- स्केलर अपारदर्शिता मैपिंग मेनू पर नेविगेट करें. उन बिंदुओं को बनाने के लिए फ़ील्ड में बाएँ-क्लिक करें जहाँ तीव्रता मान अस्पष्टता द्वारा परिभाषित किए जाएँगे. ब्याज की शारीरिक रचना की कल्पना करने के लिए इस पैमाने पर बिंदुओं को रखें।
नोट:: बिंदु के दाएँ-बाएँ स्थान छवि की तीव्रता मानों की श्रेणी के लिए सहसंबद्ध है, और ऊपर-नीचे स्थान अस्पष्टता को संदर्भित करता है। - स्केलर रंग मैपिंग मेनू पर नेविगेट करें. बिंदु बनाने और तीव्रता मानों से संबंधित रंग निर्दिष्ट करने के लिए फ़ील्ड में बाएँ-क्लिक करें. रंग जानकारी को संशोधित करने के लिए रंग का चयन करें विंडो खोलने के लिए फ़ील्ड में डबल-क्लिक करें.
2. जोड़तोड़
नोट:: एक मास्किंग चरण की आवश्यकता है यदि शरीर रचना विज्ञान पर्याप्त रूप से जटिल है, तो उस बिंदु पर जहां आसपास के ऊतक और बाहरी डेटा वॉल्यूम गुणों में संशोधनों के बाद मौजूद हैं।
- मॉड्यूल पर नेविगेट करें और ड्रॉपडाउन मेनू से सेगमेंट संपादक का चयन करें। सुनिश्चित करें कि सेगमेंट संपादक उपकरण पट्टियाँ दिखाई देती हैं.
- सेगमेंटेशन ड्रॉपडाउन पर नेविगेट करें और इस रूप में नया सेगमेंटेशन बनाएँ का चयन करें। विभाजन का नाम बदलें पॉपअप विंडो से विभाजन के लिए कोई कस्टम नाम लिखें और ठीक क्लिक करें.
- मास्टर वॉल्यूम ड्रॉपडाउन पर नेविगेट करें और सक्रिय वॉल्यूम का चयन करें, जिसका नाम वॉल्यूम रेंडरिंग के समान होगा। इसके बाद, ड्रॉपडाउन के ठीक नीचे जोड़ें बटन पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि सेगमेंट कंटेनर नीचे दिए गए फ़ील्ड में बनाया गया है।
- नीचे दिए गए प्रभाव उपकरण पैनल पर नेविगेट करें और कैंची उपकरण का चयन करें। कैंची मेनू पर नेविगेट करें और अंदर भरें, नि: शुल्क-फ़ॉर्म और असीमित का चयन करें। अगला, 3 डी विंडो पर होवर करें, मिटाए जाने वाले क्षेत्र के चारों ओर ड्राइंग करते समय राइट-क्लिक करें और होल्ड करें। सुनिश्चित करें कि एक रंगीन स्वाथ दिखाई देता है, यह दिखाते हुए कि क्या कवर किया गया है। इस प्रक्रिया को तब तक दोहराएं जब तक कि हटाए जाने वाले सभी क्षेत्रों को कवर नहीं किया जाता है।
नोट:: एक्सटेंशन हैं, जैसे सेगमेंट संपादक अतिरिक्त प्रभाव, जिन्हें चिकित्सा छवि कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में डाउनलोड किया जा सकता है, जिसमें इस विभाजन को बनाने के लिए उपकरण शामिल हैं। - अगला, प्रभाव मेनू से मास्क वॉल्यूम उपकरण का चयन करें। सेगमेंट द्वारा कवर किए गए सभी छवि डेटा को हटाने के लिए अंदर का चयन करें की जाँच करें. अगला, भरण मान को -1000 होने के लिए संशोधित करें, जो Hounsfield इकाई पैमाने में हवा, या शून्य के बराबर है। अंत में, हिट लागू करें और नई नकाबपोश मात्रा दिखाने के लिए आउटपुट वॉल्यूम के बगल में आई बॉल पर क्लिक करें।
- मॉड्यूल पर नेविगेट करें और ड्रॉपडाउन मेनू से वॉल्यूम रेंडरिंग का चयन करें। विज़ुअलाइज़ेशन को बंद करने के लिए सक्रिय वॉल्यूम के बगल में स्थित आई बॉल पर क्लिक करें.
- अगला, ड्रॉपडाउन मेनू से, नए बनाए गए नकाबपोश वॉल्यूम का चयन करें। वॉल्यूम को सक्रिय करने के लिए नेत्र बॉल पर क्लिक करें.
- अंत में, इनपुट मेनू पर नेविगेट करें और गुण ड्रॉपडाउन मेनू खोलें। चरण 1.2.5 में बनाए गए वॉल्यूम गुण का चयन करें। सुनिश्चित करें कि 3D दृश्य में वॉल्यूम नकाबपोश और रंग-एन्कोडेड है।
3. स्लाइसिंग
नोट:: यह प्रक्रिया पारंपरिक 3D मुद्रण विधि स्लाइस फ़ाइलों को सीधे 3D मुद्रण करने के लिए एक STL जाल फ़ाइल के बजाय भेजने के द्वारा बाईपास करता है। निम्न चरणों में, स्लाइस वॉल्यूम रेंडरिंग से बनाया जाएगा। Bitmap जेनरेटर मॉड्यूल एक कस्टम निर्मित एक्सटेंशन है। यह एक्सटेंशन प्रबंधक से डाउनलोड किया जा सकता है।
- मॉड्यूल पर नेविगेट करें, ड्रॉपडाउन से स्लाइसरफैब का चयन करें। सुनिश्चित करें कि मुद्रण पैरामीटर और आउटपुट पैरामीटर मेनू मौजूद हैं।
- प्रिंटर पैरामीटर्स ड्रॉपडाउन के अंतर्गत, सुनिश्चित करें कि X रिज़ॉल्यूशन 600 DPI पर सेट है और Y रिज़ॉल्यूशन 300 DPI पर सेट है. सुनिश्चित करें कि परत की मोटाई 27 μm पर सेट है।
- अगला, आउटपुट पैरामीटर मेनू खोलें और आवश्यकतानुसार अंतिम मॉडल के पैमाने को संशोधित करें।
- अंत में, सहेजे जाने वाले स्लाइस के लिए किसी फ़ाइल स्थान का चयन करें और जनरेट करें क्लिक करें.
नोट:: इस चरण को पूरा करने के लिए कई मिनट लग सकते हैं।
4. Dithering
नोट:: Adobe फ़ोटोशॉप ( सामग्री की तालिका देखें) अनुभाग 4 में पूरा कार्य के लिए उपयोग किया गया था।
- छवि संपादन सॉफ़्टवेयर खोलें और फ़ाइल पर क्लिक करें और ड्रॉपडाउन मेनू से खोलें का चयन करें। पिछले चरण में बनाई गई PNG फ़ाइल स्टैक की पहली छवि पर नेविगेट करें और खोलें बटन पर क्लिक करें।
- विंडो पर नेविगेट करें और ड्रॉपडाउन मेनू से क्रियाओं का चयन करें। क्रियाएँ मेनू में, नई क्रिया क्लिक करें, कोई कस्टम नाम दर्ज करें, और ठीक का चयन करें. सुनिश्चित करें कि रिकॉर्ड बटन सक्रिय और लाल है कि जाँच करके क्रिया रिकॉर्ड की जा रही है।
- एक बार छवि लोड हो जाने के बाद, छवि | पर नेविगेट करें मोड | अनुक्रमित रंग. अनुक्रमणिका विंडो में, ड्रॉपडाउन मेनू से स्थानीय अवधारणात्मक का चयन करें और 8 होने के लिए रंगों की संख्या निर्दिष्ट करें.
- मजबूर मेनू में, कस्टम का चयन करें। पहले दो वर्गों पर क्लिक करें, पॉप अप करने के लिए कस्टम रंग विंडो की प्रतीक्षा करें, और एक कस्टम रंग पैलेट का चयन करें। 100% Magenta का चयन करें और सुनिश्चित करें कि C, Y और K को 0 पर सेट किया गया है।
- इस प्रक्रिया को दोहराएं और सुनिश्चित करें कि 100% सी, वाई और के के लिए समर्पित दो वर्ग हैं।
- विकल्प मेनू में, मैट के लिए, ड्रॉपडाउन मेनू से कस्टम का चयन करें। Dither के लिए, प्रसार का चयन करें, और राशि के लिए, 100% का चयन करें। अंत में, ठीकक्लिक करें।
- क्रिया मेनू पर नेविगेट करें और रिकॉर्डिंग को रोकने के लिए वर्ग बटन पर क्लिक करें. सक्रिय विंडो बंद करें और परिवर्तन सहेजें पॉपअप विंडो में नहीं क्लिक करें.
- फ़ाइल | पर नेविगेट करें स्वचालित | बैच। बैच पॉपअप विंडो में, क्रिया ड्रॉपडाउन पर नेविगेट करें और पिछले चरण में बनाई गई क्रिया का चयन करें. अगला, स्रोत मेनू के अंतर्गत, चुनें बटन क्लिक करें और चरण 3.1.3 में निर्यात की गई छवियों के फ़ोल्डर पर नेविगेट करें. गंतव्य मेनू के अंतर्गत, चुनें बटन क्लिक करें, नई फ़ाइलों के लिए गंतव्य फ़ोल्डर स्थान का चयन करें, और ठीक क्लिक करें.
5. Voxel मुद्रण
नोट:: Stratasys GrabCAD5 अनुभाग 5 में पूरा कार्य के लिए उपयोग किया गया था।
- प्रिंट सॉफ़्टवेयर खोलें, Apps क्लिक करें और ड्रॉपडाउन मेनू से Voxel Print Utility लॉन्च करें.
- स्लाइस फ़ाइलें 'उपसर्ग पाठ बॉक्स में, PNG फ़ाइल स्टैक का उपसर्ग दर्ज करें। अगला, चयन करें बटन क्लिक करें और उस फ़ोल्डर पर नेविगेट करें जहाँ PNG फ़ाइलें स्टैक स्थित है, और ठीक क्लिक करें.
- स्लाइस श्रेणी के अंतर्गत, सुनिश्चित करें कि पहला स्लाइस और स्लाइस की संख्या बनाए गए फ़ोल्डर में फ़ाइलों की संख्या से मेल खाती है.
- स्लाइसिंग पैरामीटर्स के अंतर्गत, सुनिश्चित करें कि कटा हुआ मोटाई (मिमी) चरण 3.1.1.1 में निर्दिष्ट सेटिंग्स से मेल खाता है और स्लाइस चौड़ाई (पिक्सेल) और स्लाइस चौड़ाई (पिक्सेल) पीएनजी फ़ाइलों की चौड़ाई और ऊंचाई से मेल खाती है।
- पृष्ठभूमि रंग के अंतर्गत, सुनिश्चित करें कि पृष्ठभूमि पृष्ठभूमि रंग से मेल खाती है, मुद्रित करने के लिए सेट नहीं है. एक बार पूरा होने के बाद, अगला बटन क्लिक करें।
- सामग्री मैपिंग के अंतर्गत उपकरण पृष्ठ पर, PNG फ़ाइलों से व्युत्पन्न संबद्ध रंग में मैप किए जाने वाले ड्रॉपडाउन मेनू से सामग्री का चयन करें. मेनू में प्रत्येक रंग के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएं। उसके बाद, क्लिक करें,समाप्त | पॉपअप विंडो पर ठीक जानकारी Gcvf निर्माण सफल रहा।
- होस्ट कंप्यूटर मुद्रण सॉफ़्टवेयर पर, फ़ाइल | क्लिक करें ड्रॉपडाउन मेनू से फ़ाइल आयात करें. Gcvf फ़ाइल पर नेविगेट करें और लोड करें क्लिक करें. मुख्य स्क्रीन पर, मुद्रण का चयन करें.
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Representative Results
एक सकारात्मक परिणाम, जैसा कि चित्र 2 और चित्र 3 में दिखाया गया है, चरण 1.2.5 या 2.1.1.4 में परिभाषित वॉल्यूम रेंडरिंग का प्रत्यक्ष अनुवाद होगा। अंतिम मॉडल नेत्रहीन आकार, आकार, और रंग में वॉल्यूम रेंडरिंग से मेल खाना चाहिए। इस प्रक्रिया के साथ, ऐसे कई चरण हैं जहां एक त्रुटि हो सकती है, जो ऊपर सूचीबद्ध एक या अधिक गुणों को प्रभावित करेगी।
समान स्केलिंग से संबंधित समस्याएँ, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, मुद्रित मॉडल की इमेजिंग, कंप्यूटर हार्डवेयर और/या डिफ़ॉल्ट सॉफ़्टवेयर सेटिंग्स का परिणाम हो सकती हैं. अस्पताल संभावित स्कैनर की एक श्रृंखला से छवियों का उत्पादन और प्रस्तुत करने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग करते हैं। चूंकि यह विधि सीधे स्रोत छवियों से काम करती है, जो आमतौर पर उपयोग नहीं किए जाने वाले मेटाडेटा को उजागर कर सकती है, इसलिए इमेजिंग वर्कफ़्लो की बारीकियों से परिचित होना महत्वपूर्ण है। पैमाने के मुद्दे तब उत्पन्न हो सकते हैं जब 'परिवर्तन' मेटाडेटा में बेक किया जाता है, जो कृत्रिम रूप से परत की ऊंचाई और रोटेशन को समायोजित कर सकता है।
स्केल समस्याएँ भी कंप्यूटर मॉनिटर आकार का एक परिणाम हो सकता है। Slicerfab के कुछ संस्करणों को वॉल्यूम रेंडरिंग स्लाइस करने और परिणामी PNG को सक्रिय स्क्रीन के आकार में सहेजने के लिए सेट किया गया है। Slicerfab के इन संस्करणों में, मॉनिटर से बड़ी छवियों को काट दिया जाएगा। अंत में, फ़ोटोशॉप में विभिन्न अद्यतनों के परिणामस्वरूप स्केल समस्याएँ हुई हैं जब अद्यतन डिफ़ॉल्ट को छवि आयात रिज़ॉल्यूशन में संशोधित करते हैं. जब डिफ़ॉल्ट 600 डीपीआई के अलावा किसी अन्य चीज़ पर सेट किया जाता है, तो छवियां चिकित्सा छवि कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर द्वारा उत्पादित छवियों के समान पैमाने को बनाए नहीं रखेंगी। वे एक्स-वाई आयाम के लिए विकृतियों में परिणाम होगा, जबकि मॉडल की जेड ऊंचाई सही रहेगी।
अनियमित आकृतियों और अप्रत्याशित ज्यामिति से संबंधित मुद्दों के परिणामस्वरूप चिकित्सा छवि कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में अस्पष्टता के साथ काम किया जा सकता है। वॉल्यूम गुण टैब में रंग और अस्पष्टता चैनल दोनों को संशोधित करने की क्षमता होती है। जब अस्पष्टता चैनल 50% से नीचे सेट किया जाता है, तो रेंडरिंग एल्गोरिदम विज़ुअलाइज़ेशन का उत्पादन करते हैं जो उपयोगकर्ता के लिए अनुभव करना मुश्किल होता है, विशेष रूप से आसपास की जटिल संरचनाएं। इसके परिणामस्वरूप प्रक्रिया में अतिरिक्त डेटा पार्स किया जा सकता है और अवांछित डेटा को 3 डी मुद्रित किया जा सकता है।
रंग से संबंधित समस्याएं सॉफ़्टवेयर ग्राफ़िक्स और छवि संपादन सॉफ़्टवेयर और प्रिंट सॉफ़्टवेयर दोनों में उपयोगकर्ता त्रुटियों के परिणामस्वरूप हो सकती हैं. मेडिकल इमेज कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में वॉल्यूम रेंडरिंग को समायोजित करने के लिए कई विकल्प हैं। हालांकि Slicerfab के वर्तमान संस्करण में हार्ड-कोडेड रेंडरिंग सेटिंग्स हैं, फिर भी संशोधन किए जा सकते हैं। प्रकाश और छाया सेटिंग्स को सक्रिय करना, साथ ही साथ GPU रेंडरिंग सेटिंग्स, अप्रत्याशित और अपरिवर्तनीय परिणाम उत्पन्न कर सकते हैं। अंत में, चरण 4.1.2.3 पर शुरू होने वाले डायथरिंग चरण रंग संश्लेषण के विकल्पों के आधार पर रंग को प्रभावित कर सकते हैं, जो प्रिंटर में उपलब्ध आधार सामग्री की संख्या और सापेक्ष सांद्रता द्वारा निर्धारित किया जाता है।
'स्थानीय अवधारणात्मक' डिथरिंग एल्गोरिथ्म 'रंग पिकर' में परिभाषित उपलब्ध रंगों से स्रोत रंग का एक दृश्य सन्निकटन उत्पन्न करने का प्रयास करता है। आधार सामग्री की संख्या और रंग को संशोधित करने से मुद्रित मॉडल के परिणामी रंग और रंग सटीकता को संशोधित किया जाएगा। इसके अलावा, यदि स्पष्ट का उपयोग आधार सामग्री के रूप में किया जाता है, जैसा कि चित्रा 5 में दिखाया गया है, तो मुद्रित मॉडल के माध्यम से सतह और उपसतह प्रकाश प्रकीर्णन के आसपास के मुद्दों के परिणामस्वरूप अक्सर डिजिटल रेंडरिंग से मुद्रित मॉडल 6 तक बेवफा रंग अनुवाद होते हैं।
चित्र 1: प्रवाह आरेख. कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 2: Voxel रंग के भौतिक dithering करने के लिए डिजिटल. (ए) एक कार्डियक मॉडल का एक क्रॉस-सेक्शन शरीर रचना विज्ञान की घनत्व श्रेणियों को 2, 4 और 10 रंगों में विभाजित करके दिखाया गया है। (बी) प्रत्येक मॉडल के एक हिस्से के विस्तार को बुलाया जाता है, जो व्यक्तिगत पिक्सेल दिखाता है, जिसे 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया में सामग्री की बूंदों पर संसाधित किया जाएगा। (सी) यहां दिखाया गया है कि वोक्सेल तकनीक का उपयोग करके क्रॉस-सेक्शनल 3 डी प्रिंटेड मॉडल हैं, जो मॉडल में एक छवि से अनुवाद का प्रदर्शन करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 3: Voxel प्रतिनिधि परिणाम. एक सफल विधि के प्रतिनिधि परिणाम प्रदर्शित करने वाले दो मॉडल। (ए) स्पष्ट सेल कार्सिनोमा के साथ एक वयस्क का एक क्रॉस-सेक्शनल किडनी मॉडल। गुर्दे और ट्यूमर के बीच इंटरफ़ेस दिखाने के लिए दाईं ओर के ट्यूमर को हटा दिया गया है। यह एक सर्जन को ट्यूमर की आकृति विज्ञान की बेहतर समझ और महत्वपूर्ण तत्वों के साथ इसके संबंध से बचने की अनुमति देता है। (बी) ऊतक घनत्व में भिन्नता को दर्शाने वाला एक खंडित कार्डियक मॉडल। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: Voxel पैमाने पर मुद्दा. एक ही मॉडल की दो छवियां एक स्केलिंग मुद्दे का परिणाम दिखा रही हैं। (ए) गुर्दे की क्रॉस-अनुभागीय छवि। एक्स-वाई रिज़ॉल्यूशन आनुपातिक रूप से दिखाया गया है, लेकिन गुर्दे के इच्छित उत्पाद (बी) प्रोफ़ाइल दृश्य का 50% है। X-रिज़ॉल्यूशन स्रोत डेटा से सटीक रहता है और एक मॉडल में परिणाम होता है जो X-दिशा में फैला हुआ दिखाई देता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 5: संभावित समस्याएं। दो अलग-अलग मॉडलों की दो छवियां पारभासी सामग्री के साथ काम करने की स्पष्टता के आसपास के मुद्दों को प्रदर्शित करती हैं। (ए) यह मॉडल मॉडल के भीतर संलग्न voids के परिणाम को दिखाता है जो प्रिंटर द्वारा 'समर्थन' सामग्री से भरा गया है। इस मॉडल में, voids जानबूझकर ऑप्टिकल गुणों में एक भिन्नता बनाने के लिए बनाया गया था। (बी) यह मॉडल खुले voids कि मॉडल में गहरी चलाने से पता चलता है. voids टॉर्चर हैं, मानक postprocessing तकनीक, जो सतह पॉलिश, असंभव बना रही है. परिणामी ऑप्टिकल विरूपण ने नैदानिक अनुप्रयोगों के लिए मॉडल को अनुपयोगी बना दिया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 6: Voxel प्रसंस्करण वर्कफ़्लो और छवि गुणवत्ता तुलना. इनपुट DICOM डेटा से, (A) एक मुखौटा ब्याज के क्षेत्र को अलग करने और इसे 3D वॉल्यूम रेंडरिंग में पुनर्निर्माण करने के लिए बनाया जाता है, (B) जिसमें से तीव्रता मानों की श्रेणियों को पार्स करने के लिए हिस्टोग्राम का विश्लेषण किया जाता है। voxel-आधारित वॉल्यूम रेंडरिंग का आकार चैनल परिणामी नकाबपोश DICOM के रूप को विज़ुअलाइज़ करने के लिए सक्रिय है। वोक्सेल-आधारित वॉल्यूम रेंडरिंग के सामग्री चैनल को लुकअप तालिकाओं के माध्यम से संशोधित किया जाता है, जो निर्दिष्ट तीव्रता श्रेणियों (सी) के लिए रंग मैप करता है। वॉल्यूम रेंडरिंग प्रिंटर (D) के आवश्यक बाधाओं और रिज़ॉल्यूशन के लिए पूर्ण-रंग PNG फ़ाइलों के रूप में कटा हुआ है। प्रत्येक पीएनजी स्लाइस को चिकित्सा डेटा बनाने के लिए आवश्यक सामग्री विवरणों में विभाजित किया जाता है। (ई) परिणामी रंग-समग्र पीएनजी प्रिंटर को भेजे जाते हैं। (एफ) उच्चतम गुणवत्ता वाले स्रोत डेटा की आवश्यकता को प्रदर्शित करने के लिए एक ही तकनीक का उपयोग करके कम-रिज़ॉल्यूशन डेटा सेट (जी) की तुलना में एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन डेटा सेट का एक विज़ुअलाइज़ेशन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
वर्तमान प्रतिनिधित्वात्मक रूपरेखा जो बहुमत, यदि सभी नहीं, तो डिजिटल मॉडलिंग टूल के आज एसटीएल फ़ाइल प्रारूप 8 में परिणामों को नियोजित करती है। फिर भी, इस प्रतिमान की विशिष्ट प्रकृति अपर्याप्त साबित हुई है जब अधिक जटिल, प्राकृतिक सामग्रियों की दानेदार या पदानुक्रमित संरचना को व्यक्त करने की कोशिश की जाती है। मल्टीमटेरियल 3 डी प्रिंटिंग जैसी हाल की additive विनिर्माण तकनीकों के आगमन के साथ, अत्यधिक ट्यून और अत्यधिक अनुकूलित वस्तुओं का उत्पादन किया जा सकता है, जो अपनी मात्रा में क्रमिक सामग्री संक्रमण प्रदर्शित करते हैं। इस पेपर से पता चलता है कि एक वोक्सेल या बिटमैप-आधारित प्रक्रिया जटिल सामग्री प्रतिनिधित्व के लिए अधिक अनुकूल है और रेडियोलॉजिकल छवियों से रेडियोडेंसिटी और आकृति विज्ञान की जटिलता का अनुवाद करने के लिए एक तकनीक प्रदान करती है। इस वर्कफ़्लो के फायदों में शामिल हैं i) 3 डी मुद्रित मात्रा के भीतर कई पैमानों पर सामग्री वितरण पर एक सटीक, स्नातक नियंत्रण और ii) 3 डी वोक्सेल क्षेत्रों पर मौजूदा 2 डी छवि प्रसंस्करण तकनीकों को बढ़ाने और उन वस्तुओं के डिजाइन और इंजीनियरिंग के भीतर नए रचनात्मक मार्गों का उत्पादन करने की शक्ति जिनके सौंदर्य गुणों और सामग्री संगठन को उनके संरचनात्मक प्रदर्शन के अनुरूप अत्यधिक संशोधित किया जाता है।
इस प्रक्रिया में हर कदम एक सटीक अंतिम 3 डी प्रिंट प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, और त्रुटि के लिए बहुत कम जगह है। रास्ते में, ऐसे कई बिंदु हैं जहां अतिरिक्त ध्यान देने की आवश्यकता होती है, और सटीकता सुनिश्चित करने के लिए जांच की जानी चाहिए। सबसे पहले, इस विधि के लिए सही छवियों का चयन करने का अंतिम 3 डी मुद्रित मॉडल पर सीधा प्रभाव पड़ता है, जैसा कि चित्र 6 एफ, जी में दिखाया गया है। यह विधि स्रोत छवियों की शुद्धता को बनाए रखने का प्रयास करती है; रिज़ॉल्यूशन या चिकनी रूपरेखा में सुधार करने के लिए कोई भी संशोधन डेटा को पेश या समाप्त कर सकता है। इस विधि में अंतिम उत्पाद केवल इनपुट डेटा के रूप में अच्छा है। यह विधि 15 μm और 27 μm परत मोटाई के ड्रॉपलेट रिज़ॉल्यूशन के लिए अनुमति देती है। इसलिए, सबसे पतली स्लाइस गिनती के साथ उच्चतम रिज़ॉल्यूशन छवियों को स्रोत करने के लिए एक रेडियोलॉजिस्ट के साथ मिलकर काम करना महत्वपूर्ण है।
दूसरा, प्रोटोकॉल चरणों 1.1, 2, और चित्रा 6A में वर्णित मॉडल संपादन चरणों को उपयोगकर्ता इनपुट को वांछित परिणाम निकालने और रेंडर करने के लिए लुकअप तालिकाओं को मास्क और संशोधित करने की आवश्यकता होती है। रिज़ॉल्यूशन के उच्च स्तर के कारण, एक शारीरिक संरचना के कई तराजू संपादन योग्य हैं। चिकित्सा छवि डेटा संरचनाओं की पूरी तरह से समझ और जैविक ऊतकों के साथ उनके संबंध वांछित डेटा निकालने के लिए महत्वपूर्ण है। इस चरण के दौरान ध्यान अत्यधिक ट्यून किए गए मॉडल के लिए अनुमति दे सकता है जो जैविक ऊतक में संगठन के कई तराजू को दोहराते हैं।
तीसरा, प्रोटोकॉल चरण 4 में वर्णित डिथरिंग चरण यह निर्धारित करता है कि सामग्री को स्रोत रंगों से कैसे स्नातक किया जाएगा। यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि स्रोत रंग प्रिंटर में रंगों से संबंधित हैं। प्रिंटर में रंग dithering चरण में रंगों से मेल नहीं खाते हैं, तो अंतिम मॉडल में रंग में अनपेक्षित भिन्नताएँ हो सकती हैं। इसके अतिरिक्त, कई dithering तकनीकों परिणाम की एक किस्म का उत्पादन होगा. यह महत्वपूर्ण है कि यह सुनिश्चित करने के लिए बारीकी से जांच की जाए कि कोई डेटा खो नहीं गया है, और उचित जानकारी सुसंगत रूप से प्रदर्शित की जा रही है।
हम प्रतिनिधि परिणामों में परिभाषित समस्याओं के लिए कुछ समस्या निवारण समाधान प्रदान करते हैं। सबसे पहले, पैमाने से संबंधित मुद्दे आम तौर पर एक रेडियोलॉजिकल विभाग से प्राप्त चिकित्सा छवि मेटाडेटा में बेक किए गए परिवर्तन से संबंधित होते हैं। इस समस्या को इन सभी विरासत में मिले 'ट्रांसफॉर्मेशन्स' को हटाकर मेडिकल इमेज कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में ठीक किया जा सकता है। पहला कदम ट्रांस्फ़ॉर्मेशन मेनू खोलना है और ड्रॉपडाउन मेनू से सक्रिय ट्रांस्फ़ॉर्म हटाएँ का चयन करना है। सभी विरासत में मिले परिवर्तनों के लिए इस प्रक्रिया को दोहराएँ; यह तुरंत इस मुद्दे को ठीक करना चाहिए।
दूसरा, ज्यामिति से संबंधित मुद्दे आमतौर पर प्रोटोकॉल चरण 1.2.4 में अस्पष्टता चैनल को सक्रिय करने से संबंधित होते हैं। जब अस्पष्टता चैनल को 50% से नीचे सेट किया जाता है, तो रेंडरिंग एल्गोरिदम विज़ुअलाइज़ेशन का उत्पादन करते हैं, जो उपयोगकर्ता के लिए विशेष रूप से जटिल संरचनाओं के आसपास के अनुभव करने के लिए मुश्किल होते हैं। इस समस्या का समाधान अपारदर्शिता चैनल को 100% पर सेट करना है, इस प्रकार एक ठोस रंग बनाना है जिसे प्रोटोकॉल चरण 5 में 'स्पष्ट' सामग्री के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।
तीसरा, Slicerfab कार्यक्रम में स्लाइसिंग से संबंधित मुद्दे अक्सर कई 'वॉल्यूम' और ब्याज उपकरण (आरओआई) के क्षेत्र का एक परिणाम होते हैं जो चिकित्सा छवि कंप्यूटिंग सॉफ़्टवेयर में लोड किए जाते हैं। यदि एकाधिक 'वॉल्यूम' लोड किए गए हैं, तो वॉल्यूम रेंडरिंग मॉड्यूल में वॉल्यूम ड्रॉपडाउन मेनू से बाहरी वॉल्यूम का चयन करें ताकि यह सक्रिय हो। अगला, उसी ड्रॉपडाउन मेनू से, वर्तमान वॉल्यूम हटाएँ का चयन करें. बनाया गया हो सकता है जो किसी अतिरिक्त ROI के लिए इस चरण को दोहराएँ। जब एक 'वॉल्यूम' और एक 'आरओआई' मौजूद होते हैं, तो स्लाइसरफैब को पुनरारंभ की आवश्यकता के बिना काम करना चाहिए।
आम तौर पर, इस प्रोटोकॉल की सभी सीमाएं हार्डवेयर और संबंधित सामग्री की उपलब्धता से संबंधित हैं। इस विधि में उपयोग किए जाने वाले वर्तमान 3 डी प्रिंटर 15 μm X-Y और 25 μm Z ऊंचाई रिज़ॉल्यूशन तक सीमित हैं। अल्ट्राहाई-रिज़ॉल्यूशन इमेजिंग डेटा के साथ काम करते समय यह सीमा प्रासंगिक है, जैसे कि माइक्रो सीटी, जहां छवि रिज़ॉल्यूशन 5 मिमी तक पहुंच सकता है और इस विधि को त्रुटि 7 पेश करने का कारण बन सकता है। यह प्रिंटर किसी भी एक समय में 7 बेस सामग्री को मुद्रित करने तक सीमित है, जो उपलब्ध रंगों की सीमा को सीमित कर सकता है।
ड्रॉपलेट स्तर पर सम्मिश्रण होता है, जिससे 25,000,000 संभावित रंग संयोजनों की क्षमता होती है जिसे सह-जमाव द्वारा बनाया जा सकता है। हालांकि, यूवी इलाज से पहले बूंद स्तर पर सामग्री सम्मिश्रण का सटीक तंत्र अच्छी तरह से ज्ञात नहीं है। इसके अलावा, मुद्रित सामग्री को महत्वपूर्ण पोस्टप्रोसेसिंग की आवश्यकता होती है, जिससे आंतरिक voids और हार्ड-टू-रीच सुविधाओं के साथ दृश्य कलाकृतियां होती हैं। इसलिए, वांछित दृश्य स्पष्टता सुनिश्चित करने के लिए निर्माण से पहले ज्यामिति का मूल्यांकन करना महत्वपूर्ण है जब आंतरिक voids और जटिल ज्यामिति पोस्टप्रोसेसिंग के लिए अनुमति नहीं देंगे।
तीन आयामी मुद्रण वर्तमान में सर्जिकल योजना, आरोपण, और ऑपरेटिव नेविगेशन के लिए मॉडल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है, सर्जिकल प्रक्रियाओं के दौरान और अस्पताल के वातावरण में रोगी की देखभाल में सुधार 9,10। हालांकि, प्रीसर्जिकल योजना के लिए 3 डी मुद्रित मॉडल का वर्तमान गोद लेना धीमा रहा है, आंशिक रूप से 3 डी प्रिंटिंग के लिए वर्तमान एसटीएल विधि के साथ उपलब्ध अनुप्रयोगों की सीमित सीमा के कारण। यह विधि स्रोत डेटा सेट की तुलना में डेटा और दृश्यमान अशुद्धियों में नुकसान पैदा करती है, सच्चे शारीरिक आकृति विज्ञान के संबंध में जटिलता के गंभीर रूप से सीमित स्तर, और मूल डेटा के वॉल्यूमेट्रिक ग्रेडिएंट जिन्हें पुन: पेश नहीं किया जा सकता है।
यद्यपि अकेले 3 डी प्रिंटिंग आकृति विज्ञान डेटा सफल साबित हुआ है, इस विधि के साथ अनुप्रयोगों की सीमा बोनी अनुप्रयोगों और जटिल शारीरिक विशेषताओं के सरल ज्यामितीय प्रतिनिधित्व तक सीमित है। इस प्रक्रिया में, मूल्यवान वॉल्यूमेट्रिक डेटा खो जाता है, जो स्रोत डेटा की स्थिरता और अखंडता से समझौता करता है। इसके विपरीत, चिकित्सा छवियों से विचलन के बिना 3 डी-मुद्रित मॉडल की सामग्री संरचना को निकालने के लिए यह विधि इन मुद्दों से बचती है। यह विधि सर्जिकल प्रक्रियाओं के लिए ज्ञात लाभों के साथ अधिक सटीकता के साथ चिकित्सा छवियों को पुन: पेश कर सकती है जहां रूपात्मक सटीकता महत्वपूर्ण है। इस पेपर में प्रोटोकॉल सबमिलीमीटर रिज़ॉल्यूशन, मल्टीमैटेरियल, 3 डी वोक्सेल प्रिंटिंग के माध्यम से चिकित्सा डेटा के स्पर्श विज़ुअलाइज़ेशन का वर्णन करता है। नरम रेजिन का समावेश, मानव ऊतक के अनुरूप सीमा में ड्यूरोमीटर के साथ, शल्य चिकित्सा तैयारी के दौरान स्पर्श योजना विधियों के साथ उपयोग किए जाने वाले रेडियोलॉजिकल रूप से स्कैन किए गए नरम ऊतक के मनोरंजन के लिए अनुमति दे सकता है।
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Disclosures
एनजे कोलोराडो रीजेंट्स विश्वविद्यालय द्वारा दायर पेटेंट आवेदन पर एक लेखक है जो इस काम में वर्णित लोगों की तरह तरीकों का वर्णन करता है (आवेदन सं। US16/375,132; प्रकाशन सं. US20200316868A1; 04 अप्रैल 2019 को दायर किया गया; 08 अक्टूबर 2020 को प्रकाशित)। अन्य सभी लेखकों ने घोषणा की है कि उनके पास कोई प्रतिस्पर्धी हित नहीं है।
Acknowledgments
हम एबी नेक्सस और कोलोराडो राज्य को प्रीसर्जिकल योजना के लिए वोक्सेल प्रिंटिंग में हमारे वैज्ञानिक अनुसंधान के उदार समर्थन के लिए धन्यवाद देते हैं। हम इस अध्ययन में उपयोग किए जाने वाले डेटा सेट प्रदान करने के लिए एल ब्राउन, एन स्टेन्स और एस शेरिडन को धन्यवाद देते हैं। इस अध्ययन को एबी नेक्सस ग्रांट और कोलोराडो एडवांस्ड इंडस्ट्रीज ग्रांट के राज्य द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
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
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