Summary
Этот метод демонстрирует рабочий процесс 3D-печати на основе вокселя, который печатает непосредственно из медицинских изображений с точной пространственной точностью и пространственным / контрастным разрешением. Это позволяет осуществлять точный, градуированный контроль распределения материалов с помощью морфологически сложных, градуированных материалов, коррелирующих с радиоплотностью, без потери или изменения данных.
Abstract
Большинство применений 3-мерной (3D) печати для предхирургического планирования были ограничены костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных органов из-за фундаментальных ограничений в точности, качестве и эффективности текущей парадигмы моделирования. Это в значительной степени игнорирует мягкие ткани, критически важные для большинства хирургических специальностей, где внутренняя часть объекта имеет значение, а анатомические границы постепенно переходят. Поэтому потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует множественные масштабы организации и различные материальные распределения, требуют новых форм представления.
Здесь представлена новая методика создания 3D-моделей непосредственно из медицинских изображений, которые превосходят по пространственному и контрастному разрешению современные методы 3D-моделирования и содержат ранее недостижимую пространственную точность и дифференцировку мягких тканей. Также представлены эмпирические измерения новых, аддитивно изготовленных композитов, которые охватывают гамму жесткости материала, наблюдаемой в мягких биологических тканях с помощью МРТ и КТ. Эти уникальные объемные конструкции и методы печати позволяют детерминированно и непрерывно регулировать жесткость и цвет материала. Эта возможность позволяет совершенно новое применение аддитивного производства к предхирургическому планированию: механический реализм. В качестве естественного дополнения к существующим моделям, которые обеспечивают соответствие внешнего вида, эти новые модели также позволяют медицинским работникам «чувствовать» пространственно изменяющиеся материальные свойства тканевого имитатора — критическое дополнение к области, в которой тактильные ощущения играют ключевую роль.
Introduction
В настоящее время хирурги изучают многочисленные дискретные 2-мерные (2D) методы визуализации, отображающие различные данные для планирования операций на 3D-пациентах. Кроме того, просмотр этих данных на 2D-экране не полностью способен передавать весь объем собранных данных. По мере роста числа методов визуализации способность синтезировать больше данных из различных модальностей, которые демонстрируют несколько масштабов организации, требует новых форм цифрового и физического представления для конденсации и курирования информации для более эффективного и действенного хирургического планирования.
3D-печатные модели, специфичные для пациента, стали новым диагностическим инструментом для хирургического планирования, который, как было показано, сокращает время операции и хирургические осложнения1. Однако процесс занимает много времени из-за стандартного метода стереолитографии (STL) 3D-печати, который показывает видимую потерю данных и отображает напечатанные объекты как твердые, однородные и изотропные материалы. В результате 3D-печать для хирургического планирования была ограничена костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных органов2. Это ограничение является результатом устаревшей производственной парадигмы, руководствующейся продуктами и потребностями промышленной революции, где производимые объекты полностью описываются их внешними границами3. Однако потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует несколько масштабов организации и различных материальных распределений, требуют новых форм представления, которые представляют собой вариации по всему объему, которые меняются пункт за пунктом.
Для решения этой проблемы был разработан метод 3D-визуализации и моделирования (рисунок 1) в сочетании с новым процессом аддитивного производства, который позволяет лучше контролировать смешивание и осаждение смол в сверхвысоком разрешении. Этот метод, называемый растровой печатью, воспроизводит анатомию человека путем 3D-печати непосредственно из медицинских изображений на уровне пространственной точности и пространственного / контрастного разрешения передовой технологии визуализации, приближающейся к 15 мкм. Это обеспечивает точный и градуированный контроль, необходимый для репликации изменений в морфологически сложных мягких тканях без потери или изменения данных из диагностических исходных изображений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для вычисления медицинских изображений 3D Slicer4 (см. Таблицу материалов) использовалось для работы, выполненной в разделах с 1 по 3.
1. Ввод данных
- Откройте программное обеспечение для вычисления медицинских изображений, нажмите кнопку Файл и DICOM в раскрывающемся меню и дождитесь открытия окна браузера DICOM .
- В окне браузера DICOM выберите Импорт. Дождитесь появления всплывающего окна Импорт файлов DICOM из каталога .
- Перейдите к стеку файлов DICOM и нажмите кнопку Импорт .
- Убедитесь, что выбранный стек файлов DICOM загружен в браузер DICOM. Убедитесь, что данные заполнены правильно и соответствуют требуемому исследованию в следующих категориях: Пациент, Исследование, Серия и Экземпляр.
- Установите флажок Дополнительно , чтобы активировать дополнительные метаданные. Выберите нужный номер серии и нажмите кнопку Изучить . Убедитесь, что нужная последовательность не отображает предупреждений. Установите флажок рядом с нужным файлом данных DICOM | Загрузка.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите изображения с самым высоким разрешением с самым тонким захватом срезов, так как этот метод способен печатать при толщине среза 15 мкм и 27 мкм.
- Установите флажок Дополнительно , чтобы активировать дополнительные метаданные. Выберите нужный номер серии и нажмите кнопку Изучить . Убедитесь, что нужная последовательность не отображает предупреждений. Установите флажок рядом с нужным файлом данных DICOM | Загрузка.
- Для объемного рендеринга после загрузки последовательности в программное обеспечение для вычисления медицинских изображений перейдите в раздел Модули и выберите Модуль рендеринга томов в раскрывающемся меню.
- В модуле Отрисовка томов выберите имя последовательности в раскрывающемся меню Том , чтобы активировать стек изображений и перевести данные в вокселизированный том. Убедитесь, что имя активного модуля соответствует требуемой последовательности, выбранной на шаге 1.1.3.1.
- Щелкните значок Глазное яблоко рядом с раскрывающимся списком Громкость , чтобы визуализировать выбранный объем в 3D. Убедитесь, что окно 3D-дисплея открыто и отображается 3D-представление в градациях серого.
- Затем щелкните стрелку рядом с кнопкой Дополнительно , чтобы открыть расширенные инструменты. Выберите вкладку Свойство громкости , чтобы открыть набор элементов управления для изменения цветового канала модели voxel.
- Перейдите в меню Скалярное отображение непрозрачности . Щелкните поле левой кнопкой мыши, чтобы создать точки, где значения интенсивности будут определяться непрозрачностью. Поместите точки по этой шкале, чтобы визуализировать анатомию, представляющую интерес.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение точки вправо-влево коррелирует с диапазоном значений интенсивности изображения, а расположение вверх-вниз относится к непрозрачности. - Перейдите в меню Скалярное цветовое сопоставление . Щелкните поле левой кнопкой мыши, чтобы создать точки и указать цвета, соответствующие значениям интенсивности. Дважды щелкните поле, чтобы открыть окно Выбор цвета , чтобы изменить информацию о цвете.
2. Манипуляции
ПРИМЕЧАНИЕ: Этап маскировки требуется, если анатомия достаточно сложна, до такой степени, что окружающие ткани и посторонние данные присутствуют после модификации объемных свойств.
- Перейдите в раздел Модули и выберите Редактор сегментов в раскрывающемся меню. Убедитесь, что отображаются панели инструментов редактора сегментов .
- Перейдите к раскрывающемуся списку Сегментация и выберите Создать новую сегментацию как. Введите пользовательское имя сегментации во всплывающем окне «Переименовать сегментацию» и нажмите кнопку «ОК».
- Перейдите к раскрывающемуся списку Главный том и выберите активный том, имя которого будет совпадать с именем отрисовки тома. Затем нажмите кнопку Добавить непосредственно под раскрывающимся списком. Убедитесь, что контейнер сегмента создан в поле ниже.
- Перейдите на панель инструментов «Эффекты » ниже и выберите инструмент «Ножницы ». Перейдите в меню «Ножницы» и выберите «Заполнить внутри», «Свободная форма» и «Неограниченно». Затем наведите курсор на 3D-окно, щелкните правой кнопкой мыши и удерживайте во время рисования область, которую нужно стереть. Убедитесь, что отображается цветная полоса, показывающая, что было покрыто. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будут покрыты все области, подлежащие удалению.
ПРИМЕЧАНИЕ: Существуют расширения, такие как Segment Editor Extra Effects, которые можно загрузить в программное обеспечение для вычисления медицинских изображений, содержащее инструменты для создания этой сегментации. - Затем выберите инструмент « Громкость маски » в меню «Эффекты ». Установите флажок Выбрать внутри , чтобы удалить все данные изображения, охватываемые сегментом. Затем измените значение fill на -1000, что равно air или void в масштабе единиц Хаунсфилда. Наконец, нажмите «Применить» и щелкните Глазной шар рядом с выходным томом , чтобы отобразить новый замаскированный том.
- Перейдите в раздел Модули и выберите Отрисовка томов в раскрывающемся меню. Щелкните Глазное яблоко рядом с активной громкостью, чтобы отключить визуализацию.
- Далее в раскрывающемся меню выберите только что созданный замаскированный том. Щелкните Глазное яблоко , чтобы активировать громкость.
- Наконец, перейдите в меню «Ввод» и откройте раскрывающееся меню «Свойства ». Выберите свойство тома, созданное на шаге 1.2.5. Убедитесь, что громкость в 3D-представлении замаскирована и закодирована цветом.
3. Нарезка
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс обходит традиционный метод 3D-печати, отправляя файлы фрагментов непосредственно на 3D-печать вместо файла сетки STL. На следующих шагах фрагменты будут созданы из отрисовки тома. Модуль Генератор растровых изображений является специально созданным расширением. Его можно загрузить из диспетчера расширений.
- Перейдите к модулям, выберите Slicerfab из раскрывающегося списка. Убедитесь, что меню Параметры печати и Выходные параметры присутствуют.
- В раскрывающемся списке Параметры принтера убедитесь, что для разрешения X установлено значение 600 DPI , а для разрешения Y — 300 DPI. Убедитесь, что толщина слоя установлена на 27 мкм.
- Затем откройте меню Выходные параметры и при необходимости измените масштаб конечной модели.
- Наконец, выберите расположение файла для сохраняемых фрагментов и нажмите кнопку Создать.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполнение этого шага может занять несколько минут.
4. Дизеринг
ПРИМЕЧАНИЕ: Adobe Photoshop (см. Таблицу материалов) использовался для работы, выполненной в разделе 4.
- Откройте программное обеспечение для редактирования изображений, нажмите Файл и выберите Открыть в раскрывающемся меню. Перейдите к первому изображению стека PNG-файлов, созданному на предыдущем шаге, и нажмите кнопку Открыть .
- Перейдите в окно и выберите Действия в раскрывающемся меню. В меню Действия выберите команду Новое действие, введите пользовательское имя и нажмите кнопку ОК. Убедитесь, что действие записывается, проверив, что кнопка Запись активна и красна.
- После загрузки изображения перейдите в раздел Image | Режим | Индексированный цвет. В окне Индекс выберите из раскрывающегося меню Локальный восприятий и укажите количество цветов, которое должно быть 8.
- В меню Принудительный выберите Пользовательский. Щелкните первые два квадрата, дождитесь появления окна Пользовательский цвет и выберите пользовательскую цветовую палитру. Выберите 100% пурпурный и убедитесь, что C, Y и K установлены равны 0.
- Повторите этот процесс и убедитесь, что есть два квадрата, посвященных 100% C, Y и K.
- В меню Параметры для параметра Matte выберите Пользовательский в раскрывающемся меню. В поле Дизеринг выберите Диффузия, а в поле Количество выберите 100%. Наконец, нажмите кнопку ОК.
- Перейдите в меню Действие и нажмите квадратную кнопку, чтобы остановить запись. Закройте активное окно и нажмите Нет во всплывающем окне сохранения изменений .
- Перейдите к | файлов Автоматизация | Пакет. Во всплывающем окне Пакетная обработка перейдите к раскрывающемуся списку Действие и выберите действие, созданное на предыдущем шаге. Затем в меню Источник нажмите кнопку Выбрать и перейдите к папке изображений, экспортированных на шаге 3.1.3. В меню Назначение нажмите кнопку Выбрать , выберите расположение папки назначения для новых файлов и нажмите кнопку ОК.
5. Воксельная печать
ПРИМЕЧАНИЕ: Stratasys GrabCAD5 использовался для работы, выполненной в разделе 5.
- Откройте программное обеспечение для печати, щелкните Приложения и Запустите утилиту Voxel Print Utility из раскрывающегося меню.
- В текстовом поле Префикс файлов фрагментов введите префикс стека PNG-файлов. Затем нажмите кнопку Выбрать , перейдите в папку, в которой находится стек PNG-файлов, и нажмите кнопку ОК.
- В разделе Диапазон фрагментов убедитесь, что первый фрагмент и количество фрагментов соответствуют количеству файлов в созданной папке.
- В разделе Параметры нарезки убедитесь, что толщина фрагмента (мм) соответствует параметрам , указанным на шаге 3.1.1.1, а ширина фрагмента (пиксели) и высота фрагмента (пиксели) соответствуют ширине и высоте PNG-файлов.
- В разделе Цвет фона убедитесь, что фон соответствует цвету фона, а не печать. После завершения нажмите кнопку Далее .
- На странице Инструменты в разделе Сопоставление материалов выберите материал из раскрывающегося меню, который будет сопоставлен с соответствующим цветом, полученным из PNG-файлов. Повторите эту процедуру для каждого цвета в меню. Затем нажмите кнопку Готово | OK во всплывающем окне Создание Info Gcvf выполнено успешно.
- В программном обеспечении печати главного компьютера щелкните Файл | Импорт файла из раскрывающегося меню. Перейдите к файлу Gcvf и нажмите кнопку Загрузить. На главном экране выберите Печать.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Положительным результатом, как показано на рисунках 2 и 3, будет прямая трансляция объемного рендеринга, как это определено на этапах 1.2.5 или 2.1.1.4. Окончательная модель должна визуально соответствовать объемному рендерингу по размеру, форме и цвету. В ходе этого процесса существует множество шагов, на которых может возникнуть ошибка, которая повлияет на одно или несколько свойств, перечисленных выше.
Проблемы, связанные с единообразным масштабированием, как показано на рисунке 4, печатных моделей, могут быть результатом настроек образа, компьютерного оборудования и/или программного обеспечения по умолчанию. Больницы используют различные методы для создания и рендеринга изображений с различных возможных сканеров. Поскольку этот метод работает непосредственно из исходных изображений, которые могут предоставлять метаданные, которые обычно не используются, важно быть знакомым с нюансами рабочего процесса обработки изображений. Проблемы масштаба могут возникнуть, когда «трансформация» запекается в метаданные, которые могут искусственно регулировать высоту слоя и вращение.
Проблемы с масштабированием также могут быть результатом размера монитора компьютера. Некоторые версии Slicerfab настроены на фрагментирование объемного рендеринга и сохранение полученного PNG до размера активного экрана. В этих версиях Slicerfab изображения, которые больше монитора, будут обрезаны. Наконец, различные обновления в Photoshop привели к проблемам масштабирования, когда обновления изменяют значение по умолчанию для разрешения импорта изображений. Если по умолчанию установлено значение, отличное от 600 точек на дюйм, изображения не будут поддерживать тот же масштаб изображений, полученных программным обеспечением для вычисления медицинских изображений. Они приведут к искажениям измерения X-Y, в то время как высота z модели останется правильной.
Проблемы, связанные с неправильными формами и неожиданными геометриями, могут возникнуть при работе с непрозрачностью в программном обеспечении для вычисления медицинских изображений. Вкладка свойств тома содержит возможность изменять как цветовые, так и непрозрачные каналы. Когда канал непрозрачности установлен ниже 50%, алгоритмы рендеринга создают визуализации, которые трудно воспринимать пользователю, особенно окружающие сложные структуры. Это может привести к анализу дополнительных данных в процессе и может привести к 3D-печати нежелательных данных.
Проблемы, связанные с цветом, могут быть результатом программной графики и пользовательских ошибок как в программном обеспечении для редактирования изображений, так и в программном обеспечении для печати. Программное обеспечение для вычисления медицинских изображений имеет множество вариантов для настройки объемного рендеринга. Хотя текущая версия Slicerfab имеет жестко запрограммированные настройки рендеринга, изменения все еще могут быть сделаны. Активация настроек света и тени, а также настроек рендеринга графического процессора может привести к неожиданным и невоспроизводимым результатам. Наконец, этапы дизеринга, начинающиеся на этапе 4.1.2.3, могут влиять на цвет на основе вариантов синтеза цвета, который определяется количеством и относительными концентрациями доступных базовых материалов в принтере.
Алгоритм «локального восприятия» пытается создать визуальное приближение исходного цвета из доступных цветов, определенных в «палитре цветов». Изменение количества и цвета базовых материалов изменит результирующий оттенок и точность цветопередачи печатной модели. Кроме того, если прозрачный используется в качестве базового материала, как показано на рисунке 5, проблемы, окружающие поверхностное и подповерхностное рассеяние света через печатную модель, часто приводят к неверным цветовым переводам с цифрового рендеринга на печатную модель6.
Рисунок 1: Блок-схема. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Voxel цифровой к физическому дизерингу цвета. (А) поперечное сечение сердечной модели показано путем деления диапазонов плотности анатомии на 2, 4 и 10 цветов. (B) Вызывается увеличение части каждой модели, показывая отдельные пиксели, которые будут обработаны в капли материалов в процессе 3D-печати. (C) Здесь показаны поперечные 3D-печатные модели с использованием метода вокселя, демонстрирующие перевод с изображения на модель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Репрезентативные результаты Voxel. Две модели, отображающие репрезентативные результаты успешного метода. (A) Модель поперечного сечения почек взрослого человека с прозрачно-клеточной карциномой. Опухоль с правой стороны была удалена, чтобы показать границу между почкой и опухолью. Это позволяет хирургу лучше понять морфологию опухоли и ее связь с критическими элементами, которых следует избегать. (B) Секционная сердечная модель, показывающая изменение плотности тканей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Проблема с масштабом Voxel. Два изображения одной модели, показывающие результат проблемы масштабирования. (А) Изображение поперечного сечения почки. Разрешение X-Y показано пропорционально, но составляет 50% от предполагаемого продукта (B) Профиль вида почки. X-разрешение остается точным по исходным данным и приводит к модели, которая выглядит растянутой в направлении X. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Потенциальные проблемы. Два изображения двух разных моделей демонстрируют проблемы, связанные с четкостью работы с полупрозрачными материалами. (A) Эта модель показывает результат закрытых пустот внутри модели, которые были заполнены "вспомогательным" материалом принтером. В этой модели пустоты были намеренно созданы для создания вариации оптических свойств. (B) Эта модель показывает открытые пустоты, которые глубоко проникают в модель. Пустоты извилисты, что делает невозможными стандартные методы постобработки, которые полируют поверхность. Полученное оптическое искажение сделало модель непригодной для клинического применения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Рабочий процесс обработки Voxel и сравнение качества изображения. Из входных данных DICOM создается (A) маска для изоляции интересующей области и реконструкции ее в 3D Volume Rendering, (B), из которой анализируется гистограмма для анализа диапазонов значений интенсивности. Канал формы объемной визуализации на основе вокселя активируется для визуализации формы результирующего маскированного DICOM. Материальный канал объемной визуализации на основе вокселя изменяется с помощью таблиц подстановки, которые сопоставляют цвет с заданными диапазонами интенсивности (C). Отрисовка тома нарезается в виде полноцветных PNG-файлов в соответствии с требуемыми ограничениями и разрешением принтера (D). Каждый фрагмент PNG встраивается в описания материалов, необходимых для изготовления медицинских данных. (E) Полученные цветные композитные PNG отправляются на принтер. F) визуализация набора данных с высоким разрешением по сравнению с набором данных с низким разрешением (G) с использованием того же метода для демонстрации потребности в исходных данных самого высокого качества. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Нынешняя репрезентативная структура, которую сегодня использует большинство, если не все, инструменты цифрового моделирования, приводит к формату файла STL8. Тем не менее, специфика этой парадигмы оказалась неадекватной при попытке выразить детальную или иерархическую структуру более сложных, природных материалов. С появлением последних технологий аддитивного производства, таких как многоматериальная 3D-печать, могут быть созданы высоко настроенные и высоко оптимизированные объекты, которые отображают постепенные переходы материала по всему их объему. В этой статье предполагается, что процесс на основе вокселя или растровых изображений больше подходит для сложных представлений материалов и обеспечивает технику перевода радиоплотности и морфологической сложности с радиологических изображений. Преимущества этого рабочего процесса включают в себя: i) точный, градуированный контроль над распределением материала в нескольких масштабах в пределах 3D-печатного тома и ii) способность увеличивать существующие методы обработки 2D-изображений на полях 3D-вокселя и создавать новые творческие направления в проектировании и проектировании объектов, чьи эстетические качества и организация материала сильно модулированы в соответствии с их структурными характеристиками.
Каждый шаг в этом процессе имеет решающее значение для достижения точной окончательной 3D-печати, и мало места для ошибок. По пути есть множество точек, где требуется дополнительное внимание, и проверки должны быть выполнены для обеспечения точности. Во-первых, выбор правильных изображений для этого метода оказывает непосредственное влияние на конечную 3D-печатную модель, как показано на рисунке 6F, G. Этот метод направлен на поддержание чистоты исходных изображений; любые изменения для улучшения разрешения или сглаживания контуров могут вводить или устранять данные. Конечный продукт в этом методе хорош настолько, насколько хороши входные данные. Этот метод позволяет получить разрешение капель 15 мкм и толщину слоя 27 мкм. Поэтому очень важно тесно сотрудничать с радиологом, чтобы получить изображения с самым высоким разрешением с самым тонким количеством срезов.
Во-вторых, этапы редактирования модели, описанные в шагах протокола 1.1, 2 и на рисунке 6A , требуют ввода данных пользователем для маскировки и изменения таблиц подстановки для извлечения и отображения желаемого результата. Благодаря высокому уровню разрешения несколько шкал анатомической структуры являются редактируемыми. Глубокое понимание структур данных медицинских изображений и их связи с биологическими тканями имеет решающее значение для извлечения желаемых данных. Внимание на этом этапе может позволить создать высоко настроенные модели, которые воспроизводят несколько масштабов организации в биологической ткани.
В-третьих, стадия дизеринга, описанная на этапе 4 протокола, определяет, как материалы будут градуированы от исходных цветов. Очень важно убедиться, что исходные цвета связаны с цветами в принтере. Если цвета в принтере не совпадают с цветами на этапе дизеринга, в окончательной модели могут возникнуть неожиданные изменения цвета. Кроме того, многочисленные методы дизеринга дадут различные результаты. Крайне важно внимательно изучить этот вопрос для обеспечения того, чтобы данные не терялись, а соответствующая информация отображалась согласованно.
Мы предоставляем некоторые решения по устранению неполадок для проблем, определенных в репрезентативных результатах. Во-первых, вопросы, связанные с масштабом, как правило, связаны с преобразованием, встроенным в метаданные медицинского изображения, полученные из радиологического отделения. Эту проблему можно исправить в программном обеспечении для вычисления медицинских изображений, удалив все эти унаследованные «преобразования». Первым шагом является открытие меню «Трансформация» и выберите «Удалить активное преобразование» в раскрывающемся меню. Повторите этот процесс для всех унаследованных преобразований; это должно немедленно устранить проблему.
Во-вторых, вопросы, связанные с геометрией, как правило, связаны с активацией канала непрозрачности на этапе протокола 1.2.4. Когда канал непрозрачности установлен ниже 50%, алгоритмы рендеринга создают визуализации, которые пользователю трудно воспринимать, особенно окружающие сложные структуры. Решение этой проблемы заключается в том, чтобы установить канал непрозрачности на 100%, тем самым создавая сплошной цвет, который может быть определен как «прозрачный» материал на этапе протокола 5.
В-третьих, проблемы, связанные с нарезкой в программе Slicerfab, часто являются результатом загрузки нескольких «томов» и инструмента области интереса (ROI) в программное обеспечение для вычисления медицинских изображений. Если загружено несколько «Томов», выберите посторонние тома в раскрывающемся меню «Громкость » в модуле «Рендеринг томов », чтобы он был активным. Затем в том же раскрывающемся меню выберите Удалить текущий том. Повторите этот шаг для дополнительной окупаемости инвестиций, которая могла быть создана. При наличии одного «Тома» и одного «ROI» Slicerfab должен работать без необходимости перезапуска.
Как правило, все ограничения этого протокола связаны с аппаратным обеспечением и доступностью соответствующих материалов. Современные 3D-принтеры, используемые в этом методе, ограничены разрешением 15 мкм X-Y и высотой 25 мкм Z. Это ограничение актуально при работе с данными изображений со сверхвысоким разрешением, такими как Micro CT, где разрешение изображения может приближаться к 5 мм и приводит к тому, что этот метод вводит ошибку7. Этот принтер также ограничен печатью 7 базовых материалов в любой момент времени, что может ограничить диапазон доступных цветов.
Смешивание на уровне капель действительно происходит, что позволяет использовать потенциал 25 000 000 возможных цветовых комбинаций, которые могут быть созданы путем совместного осаждения. Однако точный механизм смешивания материала на уровне капель до УФ-отверждения не очень хорошо известен. Кроме того, печатный материал требует значительной постобработки, что приводит к визуальным артефактам с внутренними пустотами и труднодоступными особенностями. Поэтому крайне важно оценить геометрию до изготовления, чтобы обеспечить желаемую визуальную ясность, когда внутренние пустоты и сложная геометрия не позволят провести постобработку.
Трехмерная печать в настоящее время используется для изготовления моделей для хирургического планирования, имплантации и оперативной навигации, улучшая уход за пациентами во время хирургических процедур и в больничной среде9,10. Тем не менее, текущее внедрение 3D-печатных моделей для предхирургического планирования было медленным, отчасти из-за ограниченного спектра приложений, доступных с текущим методом STL для 3D-печати. Этот метод приводит к потере данных и видимым неточностям по сравнению с исходным набором данных, сильно ограниченным уровням сложности по отношению к истинной анатомической морфологии и объемным градиентам исходных данных, которые не могут быть воспроизведены.
Хотя только морфологические данные 3D-печати оказались успешными, диапазон применений с помощью этого метода ограничен костными приложениями и простыми геометрическими представлениями сложных анатомических особенностей. В этом процессе теряются ценные объемные данные, что ставит под угрозу согласованность и целостность исходных данных. И наоборот, этот метод извлечения материального состава 3D-печатной модели без отклонения от медицинских изображений позволяет избежать этих проблем. Этот метод может воспроизводить медицинские изображения с большей точностью с известными преимуществами для хирургических процедур, где морфологическая точность имеет решающее значение. Протокол в данной работе описывает тактильную визуализацию медицинских данных с помощью субмиллиметрового разрешения, мультиматериала, 3D-воксельной печати. Включение мягких смол с дурометрами в диапазоне, аналогичном тканям человека, может предсказуемо позволить воссоздать радиологически сканированные мягкие ткани, которые будут использоваться с тактильными методами планирования во время хирургической подготовки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нью-Джерси является автором патентной заявки, поданной регентами Университета Колорадо, в которой описываются методы, подобные описанным в этой работе (заявка No. US16/375 132; номер публикации US20200316868A1; подано 04 апреля 2019; опубликовано 08 октября 2020 года). Все остальные авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.
Acknowledgments
Мы благодарим AB Nexus и штат Колорадо за их щедрую поддержку наших научных исследований в области воксельной печати для предоперационного планирования. Мы благодарим Л. Брауна, Н. Стенса и С. Шеридана за предоставление наборов данных, используемых в этом исследовании. Это исследование финансировалось ab Nexus Grant и State of Colorado Advanced Industries Grant.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Slicer Image Computing Platform | Slicer.org | Version 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D Printer | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
References
- Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24 (2020).
- Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13 (2020).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108 (2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
- Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
- Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).
