Summary
이 방법은 복셀 기반의 3D 프린팅 워크플로우를 보여 주며, 이는 정확한 공간 충실도 와 공간/대비 해상도로 의료 이미지에서 직접 인쇄됩니다. 이를 통해 데이터의 손실이나 변경 없이 방사선 밀도와 상관관계가 있는 형태학적으로 복잡하고 졸업된 재료를 통해 재료 분포를 정밀하고 졸업할 수 있습니다.
Abstract
수술 전 계획을 위한 3차원(3D) 프린팅의 대부분의 응용 분야는 현재 모델링 패러다임의 정확성, 품질 및 효율성의 근본적인 한계로 인해 복잡한 장기의 뼈 구조와 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다. 이것은 주로 개체의 내부가 중요하고 해부학 경계가 점차적으로 전이 대부분의 외과 전문에 중요한 연조직을 무시했습니다. 따라서, 조직의 여러 척도와 다양한 재료 분포를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위해 생물 의학 산업의 요구는 새로운 형태의 표현을 필요로한다.
여기에 제시된 새로운 기술은 현재 의학적 이미지에서 직접 3D 모델을 생성하여 현재 의3D 모델링 방법에 대한 공간 및 대비 해상도가 우수하며 이전에는 달성할 수 없었던 공간 충실도 및 연조직 분화를 포함하는 새로운 기술입니다. 또한 MRI 및 CT의 연생물학적 조직에서 볼 수 있는 재료 강성의 영역을 가로지르는 새로운 첨가제 제조 복합재료의 경험적 측정도 제시된다. 이러한 독특한 볼륨 설계 및 인쇄 방법을 통해 재료 강성과 색상을 결정적이고 지속적으로 조정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 사전 수술 계획에 적기 제조를 완전히 새로운 적용 할 수 있습니다: 기계적 리얼리즘. 외관 매칭을 제공하는 기존 모델에 대한 자연스러운 보완으로, 이러한 새로운 모델은 또한 의료 전문가가 촉각 감각이 중요한 역할을하는 분야에 중요한 추가 조직 시뮬레이션의 공간적으로 다양한 재료 특성을 "느낄"수 있습니다.
Introduction
현재 외과 의사는 3D 환자에 대한 수술을 계획하기 위해 뚜렷한 데이터를 표시하는 수많은 이산 2 차원 (2D) 이미징 양식에 대해 연구합니다. 또한 2D 화면에서 이 데이터를 보는 것은 수집된 데이터의 전체 범위를 완전히 전달할 수 없습니다. 이미징 양식의 수가 증가함에 따라 조직의 여러 척도를 나타내는 고유한 양식에서 더 많은 데이터를 합성하는 기능은 보다 효과적이고 효율적인 수술 계획을 위해 정보를 응축하고 큐레이트하기 위해 새로운 형태의 디지털 및 물리적 표현을 필요로 합니다.
3D 인쇄, 환자 특정 모델은 수술 시간과 수술 합병증을 줄이기 위해 보여 진 수술 계획을위한 새로운 진단 도구로 등장했다1. 그러나, 이 과정은 3D 프린팅의 표준 스테레오소그래피(STL) 방법으로 인해 시간이 많이 소요되며, 이는 데이터의 눈에 보이는 손실을 나타내고 인쇄된 물체를 고체, 균일성 및 이소트로픽 재료로 렌더링합니다. 그 결과, 외과 계획을 위한 3D 프린팅은 뼈 구조와 복잡한 장기의 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다2. 이러한 제한은 제조된 물체가 외부 경계에 의해 완전히 설명되는 산업 혁명의 제품과 요구에 의해 인도되는 오래된 제조 패러다임의 결과입니다3. 그러나, 조직및 다양한 물질 분포의 다중 규모를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위하여 생물 의학 산업의 필요는, 점별로 점을 바꾸는 전체 부피에 걸쳐 변이를 나타내는 표현의 새로운 양식을 필요로 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 3D 시각화 및 모델링 기술(그림 1)이 개발되어 초고해상도의 수지의 혼합 및 증착을 보다 잘 제어할 수 있는 새로운 적정 제조 공정과 결합되었습니다. 비트맵 인쇄라고 하는 이 방법은 15μm에 접근하는 첨단 이미징 기술의 공간 충실도 및 공간/대비 해상도 수준에서 의료 이미지에서 직접 3D 프린팅으로 인체 해부학을 복제합니다. 이를 통해 진단 소스 이미지에서 데이터를 손실하거나 변경하지 않고 형태학적으로 복잡한 연조직의 변이를 복제하는 데 필요한 정밀하고 졸업된 제어를 가능하게 합니다.
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Protocol
참고: 3D 슬라이서 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어4 ( 재료 표 참조)는 1부에서 3절에 완료된 작업에 사용되었다.
1. 데이터 입력
- 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어를 열고 드롭다운 메뉴에서 파일 버튼과 DICOM 을 클릭하고 DICOM 브라우저 창이 열릴 때까지 기다립니다.
- DICOM 브라우저 창에서 가져오기를 선택합니다. 디렉터리 팝업 창에서 DICOM 가져오기 파일이 나타날 때까지 기다립니다.
- DICOM 파일 스택으로 이동하여 가져오기 단추를 클릭합니다.
- 선택한 DICOM 파일 스택이 DICOM 브라우저에 로드되어 있는지 확인합니다. 데이터가 올바르게 채워지고 환자, 연구, 시리즈 및 인스턴스와 같은 다음 범주에서 원하는 연구와 일치하는지 확인합니다.
- 고급 확인란을 클릭하여 추가 메타데이터를 활성화합니다. 원하는 시리즈 번호를 선택하고 검사 단추를 클릭합니다. 원하는 시퀀스가 경고를 표시하지 않았는지 확인합니다. 원하는 DICOM 데이터 파일 | 옆의 확인란을 클릭합니다. 로드합니다.
참고: 이 방법은 15 μm 및 27 μm 슬라이스 두께로 인쇄할 수 있기 때문에 가장 얇은 슬라이스 획득으로 가장 높은 해상도의 이미지를 선택합니다.
- 고급 확인란을 클릭하여 추가 메타데이터를 활성화합니다. 원하는 시리즈 번호를 선택하고 검사 단추를 클릭합니다. 원하는 시퀀스가 경고를 표시하지 않았는지 확인합니다. 원하는 DICOM 데이터 파일 | 옆의 확인란을 클릭합니다. 로드합니다.
- 볼륨 렌더링의 경우 시퀀스가 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에 로드되면 모듈 로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 볼륨 렌더링 모듈 을 선택합니다.
- 볼륨 렌더링 모듈에서 볼륨 드롭다운 메뉴에서 시퀀스 이름을 선택하여 이미지 스택을 활성화하고 데이터를 복셀화된 볼륨으로 변환합니다. 활성 모듈의 이름이 1.1.3.1 단계에서 선택한 원하는 순서와 일치하는지 확인합니다.
- 볼륨 드롭다운 옆의 아이볼 아이콘을 클릭하여 선택한 볼륨을 3D로 시각화합니다. 3D 디스플레이 창이 열려 있고 회색 배율 3D 표현이 표시되는지 확인합니다.
- 다음으로 고급 단계 옆의 화살표를 클릭하여 고급 도구를 엽니다. 복셀 모델의 색상 채널을 수정하기 위한 컨트롤 집합을 열도록 볼륨 속성 탭을 선택합니다.
- 스칼라 불투명도 매핑 메뉴로 이동합니다. 필드를 왼쪽 단추로 클릭하여 강도 값이 불투명도에 의해 정의되는 지점을 만듭니다. 관심있는 해부학을 시각화하려면이 축척을 따라 포인트를 배치합니다.
참고: 점의 오른쪽 왼쪽 위치는 이미지의 강도 값의 범위와 상관관계가 있으며 업다운 위치는 불투명도를 나타냅니다. - 스칼라 색상 매핑 메뉴로 이동합니다. 필드를 왼쪽 단추로 클릭하여 점을 만들고 강도 값과 관련된 색상을 지정합니다. 필드를 두 번 클릭하여 색상 정보 선택 창을 엽니다.
2. 조작
참고: 해부학이 충분히 복잡할 경우 볼륨 속성을 수정한 후 주변 조직 및 외부 데이터가 존재하는 지점까지 마스킹 단계가 필요합니다.
- 모듈로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 세그먼트 편집기를 선택합니다. 세그먼트 편집기 도구 모음이 표시되도록 합니다.
- 세분화 드롭다운으로 이동하여 새 세분화 만들기를 선택합니다. 이름 바꾸기 팝업 창에서 분할에 대한 사용자 지정 이름을 입력하고 확인을 클릭합니다.
- 마스터 볼륨 드롭다운으로 이동하여 볼륨 렌더링과 이름이 같은 활성 볼륨을 선택합니다. 다음으로 드롭다운 바로 아래에 추가 단추를 클릭합니다. 세그먼트 컨테이너가 아래 필드에 생성되었는지 확인합니다.
- 아래 의 효과 도구 패널로 이동하여 가위 도구를 선택합니다. 가위 메뉴로 이동하여 채우기 내부, 자유 형식 및 무제한을 선택합니다. 다음으로 , 3D 창 위로 마우스를 가져가서 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 지울 영역 을 그리는 동안 길게 누를 수 있습니다. 덮인 내용을 보여 주어 컬러 스와트가 나타나는지 확인합니다. 삭제할 모든 영역이 다커버될 때까지 이 프로세스를 반복합니다.
참고: 세그먼트 편집기 추가 효과와 같은 확장에는 이 세분화를 만들기 위한 도구가 포함된 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에 다운로드할 수 있습니다. - 다음으로 효과 메뉴에서 마스크 볼륨 도구를 선택합니다. 내부 선택 선택을 선택하여 세그먼트에서 다루는 모든 이미지 데이터를 삭제합니다. 다음으로, Hounsfield 단위 척도에서 공기 또는 보이드와 동일한 채우기 값을 -1000으로 수정합니다. 마지막으로 출력 볼륨 옆에 있는 아이볼을 적용하고 클릭하여 새 마스크 볼륨을 표시합니다.
- 모듈로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 볼륨 렌더링을 선택합니다. 활성 볼륨 옆의 아이 볼을 클릭하여 시각화를 끕니다.
- 다음으로 드롭다운 메뉴에서 새로 만든 마스크 볼륨을 선택합니다. 눈공을 클릭하여 볼륨을 활성화합니다.
- 마지막으로 입력 메뉴로 이동하여 속성 드롭다운 메뉴를 엽니다. 1.2.5 단계에서 만든 볼륨 속성을 선택합니다. 3D 뷰 의 볼륨이 마스크되고 색상인인 코딩되었는지 확인합니다.
3. 슬라이스
참고: 이 프로세스는 STL 메시 파일 대신 슬라이스 파일을 3D 프린팅으로 직접 전송하여 기존의 3D 프린팅 방법을 무시합니다. 다음 단계에서는 볼륨 렌더링에서 조각이 생성됩니다. 비트맵 생성기 모듈은 사용자 지정 빌드된 확장입니다. 이 확장 관리자에서 다운로드할 수 있습니다.
- 모듈로 이동하여 드롭다운에서 슬라이서팹을 선택합니다. 인쇄 매개 변수 및 출력 매개 변수 메뉴가 있는지 확인합니다.
- 프린터 매개 변수 드롭다운에서 X 해상도가 600 DPI로 설정되어 있고 Y 해상도가 300 DPI로 설정되어 있는지 확인합니다. 레이어 두께가 27 μm으로 설정되어 있는지 확인합니다.
- 다음으로 출력 매개 변수 메뉴를 열고 필요에 따라 최종 모델의 배율을 수정합니다.
- 마지막으로 슬라이스를 저장할 파일 위치를 선택하고 생성을 클릭 합니다.
참고: 이 단계를 완료하는 데 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.
4. 디더링
참고: 어도비 포토샵( 자료 표 참조)이 섹션 4에서 완료된 작업에 사용되었습니다.
- 이미지 편집 소프트웨어를 열고 파일을 클릭하고 드롭다운 메뉴에서 열기 를 선택합니다. 이전 단계에서 만든 PNG 파일 스택의 첫 번째 이미지로 이동하여 열기 단추를 클릭합니다.
- 창으로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 작업을 선택합니다. 작업 메뉴에서 새 작업을 클릭하고 사용자 지정 이름을 입력하고 확인을 선택합니다. 레코드 버튼이 활성 상태이고 빨간색인지 확인하여 작업이 기록되고 있는지 확인합니다.
- 이미지가 로드되면 이미지 | 모드 | 색인. 인덱스 창에서 드롭다운 메뉴 로컬 지각 에서 선택하고 8인 색상 수를 지정합니다.
- 강제 메뉴에서 사용자 지정을 선택합니다. 처음 두 사각형을 클릭하고 사용자 지정 색상 창이 팝업될 때까지 기다렸다가 사용자 지정 색상 팔레트를 선택합니다. 100% 마젠타를 선택하고 C, Y 및 K가 0으로 설정되어 있는지 확인합니다.
- 이 과정을 반복하고 100% C, Y 및 K에 전념하는 두 개의 사각형이 있는지 확인합니다.
- 옵션 메뉴에서 Matte의 경우 드롭다운 메뉴에서 사용자 지정을 선택합니다. 디더의 경우 확산을 선택하고 양에 대해 100%를 선택합니다. 마지막으로 확인을 클릭합니다.
- 작업 메뉴로 이동하여 정사각형 버튼을 클릭하여 녹화를 중지합니다. 활성 창을 닫고 저장 변경 팝업 창에서 아니오를 클릭합니다.
- 파일 | 로 이동 | 자동화 일괄 처리. 일괄 처리 팝업 창에서 작업 드롭다운으로 이동하여 이전 단계에서 만든 작업을 선택합니다. 다음으로 소스 메뉴 에서 선택 버튼을 클릭하고 3.1.3 단계에서 내보낸 이미지 폴더로 이동합니다. 대상 메뉴에서 선택 단추를 클릭하고 새 파일에 대한 대상 폴더 위치를 선택하고 확인을 클릭합니다.
5. 복셀 인쇄
참고: Stratasys GrabCAD5 는 섹션 5에서 완료된 작업에 사용되었습니다.
- 인쇄 소프트웨어를 열고 드롭다운 메뉴에서 앱을 클릭하고 복셀 인쇄 유틸리티를 시작합니다 .
- 슬라이스 파일의 접두사 텍스트 상자에 PNG 파일 스택의 접두사를 입력합니다. 다음으로 선택 단추를 클릭하고 PNG 파일 스택이 있는 폴더로 이동하여 확인을 클릭합니다.
- 슬라이스 범위 아래에서 첫 번째 슬라이스와 슬라이스 수가 생성된 폴더의 파일 수와 일치하는지 확인합니다.
- 슬라이싱 매개변수에서 슬라이스 두께(mm)가 3.1.1.1 단계에서 지정된 설정과 일치하는지 확인하고 슬라이스 너비(픽셀) 및 슬라이스 높이(픽셀)가 PNG 파일 너비와 높이와 일치합니다.
- 배경 색상 아래에서 배경이 인쇄되지 않도록 설정된 배경 색상과 일치하는지 확인합니다. 완료되면 다음 단추를 클릭합니다.
- 재질 매핑 아래 도구 페이지에서 드롭다운 메뉴에서 PNG 파일에서 파생된 관련 색상으로 매핑할 재질을 선택합니다. 메뉴의 각 색상에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 그런 다음 완료 | 클릭합니다. 팝업 창에 확인 정보 Gcvf 생성 성공.
- 호스트 컴퓨터 인쇄 소프트웨어에서 파일 | 클릭합니다. 드롭다운 메뉴에서 파일을 가져옵니다. Gcvf 파일 로 이동하여 로드를 클릭합니다. 메인 화면에서 인쇄를 선택합니다.
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Representative Results
그림 2 및 그림 3에 도시된 것과 같이 긍정적인 결과는 1.2.5 또는 2.1.1.4 단계에 정의된 볼륨 렌더링을 직접 변환하는 것입니다. 최종 모델은 크기, 모양 및 색상의 볼륨 렌더링과 시각적으로 일치해야 합니다. 이 프로세스에는 오류가 발생할 수 있는 여러 단계가 있으며, 이는 위에 나열된 하나 이상의 속성에 영향을 미칩니다.
그림 4에 나와 같이 균일한 크기 조정과 관련된 문제는 이미징, 컴퓨터 하드웨어 및/또는 기본 소프트웨어 설정의 결과일 수 있습니다. 병원은 다양한 기술을 사용하여 다양한 스캐너에서 이미지를 생성하고 렌더링합니다. 이 메서드는 일반적으로 활용되지 않는 메타데이터를 노출할 수 있는 원본 이미지에서 직접 작동하므로 이미징 워크플로의 뉘앙스에 익숙해지는 것이 중요합니다. '변환'이 메타데이터로 구워지면 계층 높이와 회전을 인위적으로 조정할 수 있는 척도 문제가 발생할 수 있습니다.
확장 문제는 컴퓨터 모니터 크기의 결과일 수도 있습니다. 일부 버전의 Slicerfab은 볼륨 렌더링을 슬라이스하고 결과 PNG를 활성 화면 크기로 저장하도록 설정되었습니다. 이러한 버전의 슬라이서팹에서는 모니터보다 큰 이미지가 차단됩니다. 마지막으로 Photoshop의 다양한 업데이트로 인해 업데이트가 이미지 가져오기 해결 방법으로 기본값을 수정할 때 확장 문제가 발생했습니다. 기본값이 600 DPI 이외의 것으로 설정되면 이미지는 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에서 생성된 동일한 이미지 크기를 유지하지 않습니다. 모델의 z 높이가 올바른 상태로 유지되는 동안 X-Y 치수에 왜곡됩니다.
불규칙한 모양 및 예기치 않은 형상과 관련된 문제는 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에서 불투명하게 작업할 때 발생할 수 있습니다. 볼륨 속성 탭에는 색상 및 불투명도 채널을 모두 수정하는 기능이 포함되어 있습니다. 불투명도 채널이 50% 미만으로 설정되면 렌더링 알고리즘은 사용자가 인식하기 어려운 시각화, 특히 주변 복잡한 구조를 생성합니다. 이로 인해 프로세스에서 추가 데이터가 구문 분석될 수 있으며 원치 않는 데이터가 3D 인쇄될 수 있습니다.
색상과 관련된 문제는 이미지 편집 소프트웨어 및 인쇄 소프트웨어 모두에서 소프트웨어 그래픽 및 사용자 오류로 인해 발생할 수 있습니다. 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어는 볼륨 렌더링을 조정하기 위한 다양한 선택 사항이 있습니다. Slicerfab의 현재 버전에는 하드 코딩된 렌더링 설정이 있지만 수정은 계속 가능합니다. GPU 렌더링 설정뿐만 아니라 빛 및 음영 설정을 활성화하면 예기치 않은 결과를 얻을 수 있습니다. 마지막으로, 4.1.2.3 단계에서 시작하는 디더링 단계는 프린터에서 사용 가능한 베이스 재료의 수와 상대적 농도에 의해 결정되는 색상 합성 옵션에 따라 색상에 영향을 미칠 수 있다.
'로컬 지각' 디더링 알고리즘은 '색상 선택기'에 정의된 사용 가능한 색상에서 소스 색상의 시각적 근사치를 생성하려고 시도합니다. 기본 재질의 수와 색상을 수정하면 인쇄 된 모델의 결과 색조와 색상 정확도가 수정됩니다. 또한 , 도 5에 도시된 바와 같이 투명재가 기본재료로 사용되는 경우, 인쇄된 모델을 통해 서피스및 지하광을 둘러싼 문제가 디지털 렌더링에서 인쇄된 model6로 의한 불충실한 컬러 변환을 초래하는 경우가 많다.
그림 1: 흐름 다이어그램. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.
그림 2: 복셀 디지털컬러의 물리적 디더링. (A) 심장 모델의 단면은 해부학의 밀도 범위를 2, 4 및 10색으로 나누어 도시된다. (b) 각 모델의 일부를 확대하여 개별 픽셀을 보여 주며, 이는 3D 프린팅 공정에서 재료의 액적으로 처리됩니다. (C) 여기에 복셀 기술을 사용하여 단면 3D 인쇄 모델이 표시되어 이미지에서 모델로의 번역을 시연합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 복셀 대표 결과. 성공적인 방법의 대표적인 결과를 표시하는 두 모델. (A) 명확한 세포 암과 성인의 단면 신장 모델. 오른쪽에 있는 종양은 신장과 종양 사이의 계면을 보여주기 위해 제거되었다. 이것은 외과 의사가 종양의 형태와 중요한 요소에 의한 관계를 더 잘 이해할 수 있게 합니다. (B) 조직 밀도의 변이를 나타내는 단면 심장 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 복셀 스케일 문제. 크기 조정 문제의 결과를 보여주는 동일한 모델의 두 이미지입니다. (A) 신장의 단면 이미지. X-Y 해상도는 비례적으로 표시되지만 신장의 의도된 제품(B) 프로파일 뷰의 50%입니다. X 해상도는 원본 데이터에서 정확하며 X 방향으로 늘어난 모델이 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 잠재적인 문제. 두 가지 모델의 두 이미지는 반투명 재료로 작업하는 선명도에 관한 문제를 보여줍니다. (A) 이 모델은 프린터에서 '지지' 재질로 채워진 모델 내의 밀폐된 보이드의 결과를 보여줍니다. 이 모델에서는 광학 특성의 변형을 만들기 위해 보이드를 의도적으로 만들었습니다. (B) 이 모델은 모델 깊숙이 실행되는 열린 보이드를 보여 준다. 공극은 고난을 일으키고, 표면을 연마하는 표준 후처리 기술이 불가능합니다. 그 결과 광학 왜곡으로 인해 임상 응용 프로그램에 사용할 수 없는 모델을 렌더링했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 복셀 처리 워크플로우 및 이미지 품질 비교. 입력 DICOM 데이터에서(A) 마스크는 관심 영역을 격리하고 3D 볼륨 렌더링으로 재구성하기 위해 만들어지며, (B)는 히스토그램을 분석하여 강도 값의 범위를 구문 분석합니다. 복셀 기반 볼륨 렌더링의 셰이프 채널이 활성화되어 생성된 마스크 된 DICOM의 형태를 시각화합니다. voxel 기반 볼륨 렌더링의 재질 채널은 지정된 강도 범위(C)에 색상을 매핑하는 조회 테이블을 통해 수정됩니다. 볼륨 렌더링은 프린터(D)의 필요한 제약 조건 및 해상도에 대한 풀 컬러 PNG 파일로 슬라이스됩니다. 모든 PNG 조각은 의료 데이터를 조작하는 데 필요한 재료 설명으로 디더로 전환됩니다. (E) 생성된 색상 복합 PN이 프린터로 전송됩니다. (F) 동일한 기술을 사용하여 저해상도 데이터 집합(G)에 비해 고해상도 데이터 집합의 시각화를 사용하여 최고 품질의 소스 데이터의 필요성을 입증합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
디지털 모델링 도구의 대부분이 오늘날 사용하는 현재의 표현 프레임워크는 STL 파일 format8을 초래합니다. 그럼에도 불구하고, 이 패러다임의 특정 특성은 더 복잡하고 천연 소재의 세분화또는 계층구조를 표현하려고 할 때 부적절하다는 것이 입증되었습니다. 다중 재료 3D 프린팅과 같은 최근 적층 제조 기술이 등장함에 따라 고도로 조정되고 최적화된 물체를 생산할 수 있어 부피 전체에 점진적인 재료 전환을 표시할 수 있습니다. 이 논문은 복셀 또는 비트맵 기반 프로세스가 복잡한 재료 표현에 더 적합하며 방사선 학적 이미지에서 방사선 밀도 및 형태 학적 복잡성을 변환하는 기술을 제공한다는 것을 시사합니다. 이 워크플로우의 장점은 i) 3D 인쇄 된 볼륨 내에서 여러 스케일의 재료 분포에 대한 정밀하고 졸업 된 제어 를 포함하고 ii) 3D 복셀 필드에 기존의 2D 이미지 처리 기술을 증가하고 미적 자질과 재료 조직이 구조적 성능에 맞게 고도로 변조되는 객체의 설계 및 엔지니어링 내에서 새로운 창조적 인 길을 생성할 수 있습니다.
이 프로세스의 모든 단계는 정확한 최종 3D 인쇄를 달성하는 데 중요하며 오류의 여지가 거의 없습니다. 그 과정에서 추가 주의가 필요한 지점이 많이 있으며 정확성을 보장하기 위해 검사를 수행해야 합니다. 먼저 이 메서드에 적합한 이미지를 선택하면 그림 6F, G와 같이 최종 3D 인쇄 모델에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 메서드는 소스 이미지의 순도를 유지 하려고 합니다. 해상도 를 개선하거나 원활한 윤곽을 개선하기 위한 수정은 데이터를 도입하거나 제거할 수 있습니다. 이 방법의 최종 제품은 입력 데이터만큼만 양호합니다. 이 방법을 사용하면 15 μm 및 27 μm 층 두께의 액적 분해능을 허용합니다. 따라서 방사선 전문의와 긴밀히 협력하여 가장 얇은 슬라이스 수로 가장 높은 해상도의 이미지를 공급하는 것이 중요합니다.
둘째, 프로토콜 단계 1.1, 2 및 그림 6A 에 설명된 모델 편집 단계는 원하는 결과를 추출하고 렌더링하기 위해 조회 테이블을 마스크하고 수정하기 위해 사용자 입력이 필요합니다. 높은 수준의 해상도로 인해 해부학 구조의 여러 스케일을 편집할 수 있습니다. 의료 이미지 데이터 구조와 생물학적 조직과의 관계에 대한 철저한 이해는 원하는 데이터를 추출하는 데 중요합니다. 이 단계 도중 주의는 생물학 조직에 있는 조직의 다중 규모를 복제하는 높게 조정된 모형을 허용할 수 있습니다.
셋째, 프로토콜 단계 4에 설명된 디더링 단계는 소스 색상에서 재료가 어떻게 졸업되는지 결정합니다. 소스 색상이 프린터의 색상과 관련이 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 프린터의 색상이 디더링 단계의 색상과 일치하지 않으면 최종 모델에서 예기치 않은 색상 변화가 발생할 수 있습니다. 또한, 수많은 디더링 기술은 다양한 결과를 생성합니다. 데이터가 손실되지 않고 적절한 정보가 일관되게 표시되도록 면밀히 검토하는 것이 중요합니다.
대표 결과에 정의된 문제에 대한 몇 가지 문제 해결 방법을 제공합니다. 첫째, 스케일과 관련된 문제는 일반적으로 방사선 부서에서 받은 의료 이미지 메타데이터로 구운 변환과 관련이 있습니다. 이 문제는 상속된 모든 '변환'을 삭제하여 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에서 수정할 수 있습니다. 첫 번째 단계는 변환 메뉴를 열고 드롭다운 메뉴에서 활성 변환 삭제 를 선택하는 것입니다. 상속된 모든 변환에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 이렇게 하면 즉시 문제를 수정해야 합니다.
둘째, 형상과 관련된 문제는 일반적으로 프로토콜 단계 1.2.4에서 불투명도 채널을 활성화하는 데 관련이 있습니다. 불투명도 채널이 50% 미만으로 설정되면 렌더링 알고리즘은 시각화를 생성하며, 이는 사용자가 인식하기 어려운, 특히 복잡한 구조를 둘러싼 것입니다. 이 문제의 해결책은 불투명도 채널을 100%로 설정하여 프로토콜 5단계에서 '지우기' 재질로 정의할 수 있는 단색을 만드는 것입니다.
셋째, 슬라이서팹 프로그램의 슬라이스와 관련된 문제는 종종 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에 로드되는 여러 '볼륨'과 관심 도구(ROI) 영역의 결과입니다. 여러 '볼륨'이 로드되는 경우 볼륨 렌더링 모듈의 볼륨 드롭다운 메뉴에서 불필요한 볼륨을 선택하여 활성 상태가 되도록 합니다. 다음으로 동일한 드롭다운 메뉴에서 현재 볼륨 삭제를 선택합니다. 생성된 추가 ROI에 대해 이 단계를 반복합니다. 하나의 '볼륨'과 하나의 'ROI'가 있을 때, 슬라이스팹은 다시 시작할 필요 없이 작동해야 합니다.
일반적으로 이 프로토콜의 모든 제한 사항은 하드웨어 및 관련 재료 가용성과 관련이 있습니다. 이 방법에 사용되는 현재 3D 프린터는 15 μm X-Y 및 25 μm Z 높이 해상도로 제한됩니다. 이러한 제한은 이미지 해상도가 5mm에 접근할 수 있고 이 방법이 오류를 유발할 수 있는 Micro CT와 같은 초고해상도 이미징 데이터로 작업할 때 관련이 있습니다. 이 프린터는 또한 사용 가능한 색상의 범위를 제한할 수 있는 한 번에 7개의 기본 재료를 인쇄하는 것으로 제한됩니다.
액적 수준에서 혼합하면 공동 증착으로 만들 수 있는 25,000,000개의 가능한 색상 조합의 잠재력을 허용합니다. 그러나, UV 경화 전에 액적 수준에서 혼합하는 재료의 정확한 메커니즘은 잘 알려져 있지 않다. 또한 인쇄된 재료는 상당한 후처리가 필요하며 내부 보이드와 접근하기 어려운 기능을 갖춘 시각적 아티팩트로 이어집니다. 따라서 내부 보이드 및 복잡한 형상이 후처리를 허용하지 않을 때 원하는 시각적 선명도를 보장하기 위해 제조 전에 형상을 평가하는 것이 중요합니다.
3차원 인쇄는 현재 외과 적 계획, 이식 및 수술 네비게이션을위한 모델을 제작하여 외과 수술 중 및 병원 환경 전반에 걸쳐 환자 치료를 개선하는 데 사용됩니다9,10. 그러나, 사전 수술 계획에 대한 3D 인쇄 모델의 현재 채택은 느린, 부분적으로 3D 프린팅에 대한 현재STL 방법으로 사용할 수있는 응용 프로그램의 제한된 범위로 인해. 이 방법은 원본 데이터 집합에 비해 데이터 및 눈에 보이는 부정확성, 진정한 해부학 적 형태와 관련하여 심각하게 제한된 수준의 복잡성 및 재현 할 수없는 원본 데이터의 체적 그라데이션을 생성합니다.
3D 프린팅 형태 데이터만으로는 성공적이지만, 이 방법을 사용하는 응용 분야는 뼈 응용 분야와 복잡한 해부학 적 특징의 간단한 기하학적 표현으로 제한됩니다. 이 과정에서 귀중한 볼륨 데이터가 손실되어 소스 데이터의 일관성과 무결성이 손상됩니다. 반대로, 의료 이미지와의 편차 없이 3D 프린팅 모델의 재료 조성을 추출하는 방법은 이러한 문제를 피한다. 이 방법은 형태학적 정확성이 중요한 수술 절차에 대한 알려진 장점으로 의료 이미지를 더 정확하게 재현할 수 있습니다. 이 백서의 프로토콜은 서브밀리미터 해상도, 다중 재료, 3D 복셀 인쇄를 통해 의료 데이터의 촉각 시각화를 설명합니다. 인간 조직과 유사한 범위에 듀로계가 있는 연약한 수지의 통합은 수술 준비 중에 촉각 계획 방법과 함께 방사선학적으로 스캔된 연조직의 레크리에이션을 예측 가능하게 허용할 수 있었다.
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Disclosures
N.J.는 콜로라도 리젠트 대학이 이 작품에 설명된 것과 같은 방법을 설명하는 특허 출원에 대한 저자입니다(출원 안 됩니다. US16/375,132; 게시 번호 US20200316868A1; 2019년 4월 04일 제출; 게시 08 10월 2020). 다른 모든 저자는 경쟁적인 이해관계가 없다고 선언합니다.
Acknowledgments
우리는 수술 전 계획에 대한 복셀 인쇄에 대한 우리의 과학적 연구의 관대 한 지원에 대한 AB 넥서스와 콜로라도 주 감사합니다. 이 연구에 사용된 데이터 세트를 제공한 L. 브라운, N. Stence 및 S. 셰리던에게 감사드립니다. 이 연구는 AB 넥서스 그랜트와 콜로라도 고급 산업 보조금의 상태에 의해 투자되었다.
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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