Summary
Este método demuestra un flujo de trabajo de impresión 3D basado en vóxel, que imprime directamente a partir de imágenes médicas con fidelidad espacial exacta y resolución espacial / de contraste. Esto permite el control preciso y graduado de las distribuciones de materiales a través de materiales morfológicamente complejos y graduados correlacionados con la radiodensidad sin pérdida o alteración de datos.
Abstract
La mayoría de las aplicaciones de la impresión tridimensional (3D) para la planificación prequirúrgica se han limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos debido a las limitaciones fundamentales en precisión, calidad y eficiencia del paradigma de modelado actual. Esto ha ignorado en gran medida el tejido blando crítico para la mayoría de las especialidades quirúrgicas donde el interior de un objeto importa y los límites anatómicos se transicionan gradualmente. Por lo tanto, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y diferentes distribuciones de materiales, requieren nuevas formas de representación.
Aquí se presenta una técnica novedosa para crear modelos 3D directamente a partir de imágenes médicas, que son superiores en resolución espacial y de contraste a los métodos actuales de modelado 3D y contienen una fidelidad espacial y una diferenciación de tejidos blandos previamente inalcanzables. También se presentan mediciones empíricas de compuestos novedosos fabricados aditivamente que abarcan la gama de rigideces de materiales observadas en tejidos biológicos blandos de resonancia magnética y tomografía computarizada. Estos métodos únicos de diseño e impresión volumétrica permiten un ajuste determinista y continuo de la rigidez y el color del material. Esta capacidad permite una aplicación completamente nueva de la fabricación aditiva a la planificación prequirúrgica: el realismo mecánico. Como complemento natural de los modelos existentes que proporcionan coincidencia de apariencia, estos nuevos modelos también permiten a los profesionales médicos "sentir" las propiedades materiales espacialmente variables de un simulante tisular, una adición crítica a un campo en el que la sensación táctil juega un papel clave.
Introduction
Actualmente, los cirujanos estudian numerosas modalidades discretas de imágenes en 2 dimensiones (2D) que muestran datos distintos para planificar las operaciones en pacientes 3D. Además, ver estos datos en una pantalla 2D no es completamente capaz de comunicar el alcance total de los datos recopilados. A medida que crece el número de modalidades de imágenes, la capacidad de sintetizar más datos de distintas modalidades, que exhiben múltiples escalas de organización, requiere nuevas formas de representación digital y física para condensar y curar la información para una planificación quirúrgica más efectiva y eficiente.
Los modelos impresos en 3D y específicos del paciente han surgido como una nueva herramienta de diagnóstico para la planificación quirúrgica que ha demostrado reducir el tiempo de operación y las complicaciones quirúrgicas1. Sin embargo, el proceso requiere mucho tiempo debido al método estándar de estereolitografía (STL) de impresión 3D, que muestra una pérdida visible de datos y renderiza los objetos impresos como materiales sólidos, homogéneos e isótropos. Como resultado, la impresión 3D para la planificación quirúrgica se ha limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos2. Esta limitación es el resultado de un paradigma de fabricación obsoleto guiado por los productos y necesidades de la revolución industrial, donde los objetos fabricados se describen completamente por sus límites exteriores3. Sin embargo, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y distribuciones de materiales variables, requieren nuevas formas de representación que representen las variaciones en todo el volumen, que cambian punto por punto.
Para abordar este problema, se desarrolló una técnica de visualización y modelado 3D (Figura 1) y se combinó con un novedoso proceso de fabricación aditiva que permite un mayor control sobre la mezcla y deposición de resinas en resolución ultra alta. Este método, llamado impresión de mapa de bits, replica la anatomía humana mediante la impresión 3D directamente a partir de imágenes médicas a un nivel de fidelidad espacial y resolución espacial / de contraste de la tecnología de imagen avanzada que se acerca a 15 μm. Esto permite el control preciso y graduado requerido para replicar las variaciones en los tejidos blandos morfológicamente complejos sin pérdida o alteración de los datos de las imágenes de origen diagnóstico.
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Protocol
NOTA: Se utilizó 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en las secciones 1 a 3.
1. Entrada de datos
- Abra el software de computación de imágenes médicas, haga clic en el botón Archivo y DICOM en el menú desplegable y espere a que se abra la ventana del navegador DICOM .
- En la ventana Navegador DICOM , seleccione Importar. Espere a que aparezca la ventana emergente Importar archivos DICOM desde el directorio .
- Navegue hasta la pila de archivos DICOM y haga clic en el botón Importar .
- Asegúrese de que la pila seleccionada de archivos DICOM se cargue en el navegador DICOM. Asegúrese de que los datos se hayan rellenado correctamente y coincidan con el estudio deseado en las siguientes categorías: Paciente, Estudio, Serie e Instancia.
- Haga clic en la casilla de verificación Avanzadas para activar metadatos adicionales. Seleccione el número de serie deseado y haga clic en el botón Examinar . Asegúrese de que la secuencia deseada no muestre advertencias. Haga clic en la casilla de verificación situada junto al archivo de datos DICOM deseado | Carga.
NOTA: Seleccione las imágenes de mayor resolución con la adquisición de rebanadas más delgadas, ya que este método es capaz de imprimir a un grosor de corte de 15 μm y 27 μm.
- Haga clic en la casilla de verificación Avanzadas para activar metadatos adicionales. Seleccione el número de serie deseado y haga clic en el botón Examinar . Asegúrese de que la secuencia deseada no muestre advertencias. Haga clic en la casilla de verificación situada junto al archivo de datos DICOM deseado | Carga.
- Para la representación por volumen, una vez que la secuencia se carga en el software de computación de imágenes médicas, vaya a Módulos y seleccione Módulo de representación de volumen en el menú desplegable.
- En el módulo Representación de volumen , seleccione el nombre de la secuencia en el menú desplegable Volumen para activar la pila de imágenes y traducir los datos en un volumen voxelizado. Asegúrese de que el nombre del módulo activo coincide con la secuencia deseada seleccionada en el paso 1.1.3.1.
- Haga clic en el icono Globo ocular junto al menú desplegable Volumen para visualizar el volumen seleccionado en 3D. Asegúrese de que la ventana de visualización 3D esté abierta y que se vea una representación 3D en escala de grises.
- A continuación, haga clic en la flecha situada junto a Avanzadas para abrir las Herramientas avanzadas. Seleccione la ficha Propiedad de volumen para abrir un conjunto de controles para modificar el canal de color del modelo de vóxel.
- Desplácese hasta el menú Asignación de opacidad escalar. Haga clic con el botón izquierdo en el campo para crear puntos donde los valores de intensidad se definirán por opacidad. Coloque puntos a lo largo de esta escala para visualizar la anatomía de interés.
NOTA: La ubicación derecha-izquierda del punto se correlaciona con el rango de los valores de intensidad de la imagen, y la ubicación arriba-abajo se refiere a la opacidad. - Desplácese hasta el menú Asignación de color escalar. Haga clic con el botón izquierdo en el campo para crear puntos y especificar colores correlacionados con los valores de intensidad. Haga doble clic en el campo para abrir una ventana Seleccionar color para modificar la información de color.
2. Manipulaciones
NOTA: Se requiere un paso de enmascaramiento si la anatomía es lo suficientemente compleja, hasta el punto en que los tejidos circundantes y los datos extraños están presentes después de las modificaciones en las Propiedades del volumen.
- Vaya a Módulos y seleccione el Editor de segmentos en el menú desplegable. Asegúrese de que aparecen las barras de herramientas del Editor de segmentos .
- Desplácese hasta el menú desplegable Segmentación y seleccione Crear nueva segmentación como. Escriba un nombre personalizado para la segmentación en la ventana emergente Cambiar nombre de segmentación y haga clic en Aceptar.
- Desplácese hasta el menú desplegable Volumen maestro y seleccione el volumen activo, que tendrá el mismo nombre que la Representación de volumen. A continuación, haga clic en el botón Agregar directamente debajo del menú desplegable. Asegúrese de que el contenedor de segmentos se crea en el campo siguiente.
- Desplácese hasta el panel de herramientas de efectos a continuación y seleccione la herramienta Tijeras . Navegue hasta el menú Tijeras y seleccione Rellenar dentro, Forma libre e Ilimitado. A continuación, coloque el cursor sobre la ventana 3D, haga clic con el botón derecho y manténgalo presionado mientras dibuja alrededor del área que se va a borrar. Asegúrese de que aparezca una franja de color que muestre lo que se ha cubierto. Repita este proceso hasta que se cubran todas las áreas que se van a eliminar.
NOTA: Hay extensiones, como Segment Editor Extra Effects, que se pueden descargar en el software de computación de imágenes médicas, que contienen herramientas para crear esta segmentación. - A continuación, seleccione la herramienta Volumen de máscara en el menú Efectos . Marque Seleccionar dentro para eliminar todos los datos de imagen cubiertos por el segmento. A continuación, modifique el valor de relleno para que sea -1000, que es igual a aire, o vacío, en la escala de unidades de Hounsfield. Finalmente, presione aplicar y haga clic en el Globo ocular junto al Volumen de salida para mostrar el nuevo volumen enmascarado.
- Vaya a Módulos y seleccione Representación de volumen en el menú desplegable. Haga clic en el globo ocular junto al volumen activo para desactivar la visualización.
- A continuación, en el menú desplegable, seleccione el volumen enmascarado recién creado. Haga clic en el globo ocular para activar el volumen.
- Finalmente, navegue hasta el menú Entradas y abra el menú desplegable Propiedades . Seleccione la propiedad Volume creada en el paso 1.2.5. Asegúrese de que el volumen de la vista 3D esté enmascarado y codificado en color.
3. Rebanado
Nota : este proceso omite el método de impresión 3D tradicional mediante el envío de los archivos de división directamente a la impresión 3D en lugar de un archivo de malla STL. En los pasos siguientes, se crearán sectores a partir de la representación del volumen. El módulo Generador de mapas de bits es una extensión personalizada. Esto se puede descargar desde Extensions Manager.
- Desplácese hasta Módulos, seleccione Slicerfab en el menú desplegable. Asegúrese de que los menús Parámetros de impresión y Parámetros de salida estén presentes.
- En el menú desplegable Parámetros de la impresora , asegúrese de que la resolución X esté establecida en 600 PPP y la resolución Y en 300 PPP. Asegúrese de que el espesor de la capa se ajuste a 27 μm.
- A continuación, abra el menú Parámetros de salida y modifique la escala del modelo final según sea necesario.
- Por último, seleccione una ubicación de archivo para los sectores que se van a guardar y haga clic en Generar.
NOTA: Este paso puede tardar varios minutos en completarse.
4. Tramado
NOTA: Se utilizó Adobe Photoshop (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en la sección 4.
- Abra el software de edición de imágenes y haga clic en Archivo y seleccione Abrir en el menú desplegable. Navegue hasta la primera imagen de la pila de archivos PNG creada en el paso anterior y haga clic en el botón Abrir .
- Vaya a Ventana y seleccione Acciones en el menú desplegable. En el menú Acciones , haga clic en Nueva acción, escriba un nombre personalizado y seleccione Aceptar. Asegúrese de que la acción se está grabando comprobando que el botón Grabar está activo y en rojo.
- Una vez que la imagen se haya cargado, vaya a imagen | Modo | Color indexado. En la ventana Índice , seleccione en el menú desplegable Perceptual local y especifique el número de colores que será 8.
- En el menú Forzado , seleccione Personalizado. Haga clic en los dos primeros cuadrados, espere a que aparezca la ventana Color personalizado y seleccione una paleta de colores personalizada. Seleccione 100% Magenta y asegúrese de que C, Y y K estén establecidos en 0.
- Repita este proceso y asegúrese de que haya dos cuadrados dedicados al 100% C, Y y K.
- En el menú Opciones , en Mate, seleccione Personalizado en el menú desplegable. En Dither, seleccione Difusión y, en Cantidad, seleccione 100%. Por último, haga clic en Aceptar.
- Navegue hasta el menú Acción y haga clic en el botón cuadrado para detener la grabación. Cierre la ventana activa y haga clic en No en la ventana emergente Guardar cambios .
- Vaya a archivo | Automatice | Lote. En la ventana emergente Lote , vaya al menú desplegable Acción y seleccione la acción creada en el paso anterior. A continuación, en el menú Origen , haga clic en el botón Elegir y navegue hasta la carpeta de imágenes exportadas en el paso 3.1.3. En el menú Destino , haga clic en el botón Elegir , seleccione una ubicación de carpeta de destino para los nuevos archivos y haga clic en Aceptar.
5. Impresión voxel
NOTA: Stratasys GrabCAD5 se utilizó para el trabajo completado en la sección 5.
- Abra el software de impresión, haga clic en Aplicaciones e inicie Voxel Print Utility en el menú desplegable.
- En el cuadro de texto Prefijo de archivos de división , escriba el prefijo de la pila de archivos PNG. A continuación, haga clic en el botón Seleccionar y navegue hasta la carpeta donde se encuentra la pila de archivos PNG y haga clic en Aceptar.
- En Intervalo de sectores, asegúrese de que el primer sector y el número de sectores coincidan con el número de archivos de la carpeta creada.
- En Parámetros de segmentación, asegúrese de que el grosor de la división (mm) coincida con la configuración especificada en el paso 3.1.1.1 y que el ancho de la división (píxeles) y la altura de la división (píxeles) coincidan con la anchura y la altura de los archivos PNG.
- En Color de fondo, asegúrese de que el fondo coincida con el color de fondo, establecido para no imprimir. Una vez completado, haga clic en el botón Siguiente .
- En la página Herramientas , en Asignación de materiales, seleccione el material del menú desplegable que se asignará al color asociado, derivado de los archivos PNG. Repita este proceso para cada color del menú. A continuación, haga clic en Finalizar | Ok en la ventana emergente Info La creación de Gcvf se realizó correctamente.
- En el software de impresión del equipo host, haga clic en archivo | Importar archivo desde el menú desplegable. Desplácese hasta el archivo Gcvf y haga clic en Cargar. En la pantalla principal, seleccione Imprimir.
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Representative Results
Un resultado positivo, como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, será una traducción directa de la representación del volumen tal como se define en los pasos 1.2.5 o 2.1.1.4. El modelo final debe coincidir visualmente con la representación del volumen en tamaño, forma y color. A lo largo de este proceso, hay numerosos pasos en los que puede ocurrir un error, que afectará a una o más de las propiedades enumeradas anteriormente.
Los problemas relacionados con el escalado uniforme, como se muestra en la Figura 4, de los modelos impresos pueden ser el resultado de la imagen, el hardware de la computadora y / o la configuración predeterminada del software. Los hospitales utilizan una variedad de técnicas para producir y renderizar imágenes de una variedad de escáneres posibles. Como este método funciona directamente desde las imágenes de origen, que pueden exponer metadatos que no se utilizan normalmente, es importante estar familiarizado con los matices del flujo de trabajo de imágenes. Los problemas de escala pueden surgir cuando la "transformación" se incorpora a los metadatos, que pueden ajustar artificialmente la altura y la rotación de la capa.
Los problemas de escala también pueden ser el resultado del tamaño del monitor de la computadora. Algunas versiones de Slicerfab se han configurado para cortar la representación del volumen y guardar el PNG resultante al tamaño de la pantalla activa. En estas versiones de Slicerfab, las imágenes que son más grandes que el monitor se cortarán. Finalmente, varias actualizaciones en Photoshop han dado lugar a problemas de escala cuando las actualizaciones modifican los valores predeterminados a la resolución de importación de imágenes. Cuando el valor predeterminado se establece en algo que no sea 600 DPI, las imágenes no mantendrán la misma escala de imágenes producidas por el software de computación de imágenes médicas. Darán lugar a distorsiones en la dimensión X-Y, mientras que la altura z del modelo seguirá siendo correcta.
Los problemas relacionados con formas irregulares y geometrías inesperadas pueden resultar cuando se trabaja con opacidad en el software de computación de imágenes médicas. La ficha de propiedades del volumen contiene la capacidad de modificar los canales de color y opacidad. Cuando el canal de opacidad se establece por debajo del 50%, los algoritmos de renderizado producen visualizaciones que son difíciles de percibir para el usuario, particularmente las estructuras complejas circundantes. Esto puede resultar en el análisis de datos adicionales en el proceso y puede llevar a que los datos no deseados se impriman en 3D.
Los problemas relacionados con el color pueden ser el resultado de gráficos de software y errores de usuario tanto en el software de edición de imágenes como en el software de impresión. El software de computación de imágenes médicas tiene numerosas opciones para ajustar la representación del volumen. Aunque la versión actual de Slicerfab tiene una configuración de representación codificada, aún se pueden realizar modificaciones. La activación de la configuración de luz y sombra, así como la configuración de representación de GPU, puede producir resultados inesperados e irreproducibles. Finalmente, los pasos de tramado que comienzan en el paso 4.1.2.3 pueden afectar el color en función de las opciones de síntesis de color, que está determinada por el número y las concentraciones relativas de los materiales base disponibles en la impresora.
El algoritmo de tramado "perceptivo local" intenta producir una aproximación visual del color de origen a partir de los colores disponibles definidos en el "selector de color". La modificación del número y el color de los materiales base modificará el tono resultante y la precisión del color del modelo impreso. Además, si se utiliza claro como material base, como se muestra en la Figura 5, los problemas que rodean la dispersión de la luz de la superficie y el subsuelo a través del modelo impreso a menudo resultan en traducciones de color infieles de la representación digital al modelo impreso6.
Figura 1: Diagrama de flujo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Voxel digital a tramado físico del color. (A) se muestra una sección transversal de un modelo cardíaco dividiendo los rangos de densidad de la anatomía en 2, 4 y 10 colores. (B) Se llama a una ampliación de una porción de cada modelo, mostrando los píxeles individuales, que se procesarán en gotas de materiales en el proceso de impresión 3D. (C) Aquí se muestran modelos impresos en 3D de sección transversal utilizando la técnica del vóxel, lo que demuestra la traducción de una imagen al modelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Resultados representativos de Voxel. Dos modelos que muestran resultados representativos de un método exitoso. (A) Un modelo renal transversal de un adulto con carcinoma de células claras. Se ha extirpado el tumor del lado derecho para mostrar la interfaz entre el riñón y el tumor. Esto permite a un cirujano una mejor comprensión de la morfología del tumor y su relación con los elementos críticos que deben evitarse. (B) Un modelo cardíaco seccionado que muestra la variación en la densidad del tejido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Problema de escala de vóxel. Dos imágenes del mismo modelo que muestran el resultado de un problema de escala. (A) Imagen transversal del riñón. La resolución X-Y se muestra proporcionalmente, pero es el 50% de la vista de perfil del producto previsto (B) del riñón. La resolución X sigue siendo precisa a partir de los datos de origen y da como resultado un modelo que aparece estirado en la dirección X. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Problemas potenciales. Dos imágenes de dos modelos diferentes demuestran los problemas en torno a la claridad de trabajar con materiales translúcidos. (A) Este modelo muestra el resultado de vacíos cerrados dentro del modelo que han sido llenados con un material de "soporte" por la impresora. En este modelo, los vacíos fueron creados intencionalmente para crear una variación en las propiedades ópticas. (B) Este modelo muestra vacíos abiertos que se adentran profundamente en el modelo. Los vacíos son tortuosos, lo que hace imposible las técnicas estándar de posprocesamiento, que pulen la superficie. La distorsión óptica resultante ha hecho que el modelo sea inutilizable para aplicaciones clínicas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Flujo de trabajo de procesamiento de Voxel y comparación de la calidad de imagen. A partir de los datos DICOM de entrada, (A) se crea una máscara para aislar el área de interés y reconstruirla en un 3D Volume Rendering, (B) a partir del cual se analiza un histograma para analizar los rangos de valores de intensidad. El canal de forma de la representación de volumen basada en vóxel se activa para visualizar la forma del DICOM enmascarado resultante. El canal de material de la representación de volumen basada en vóxel se modifica, a través de tablas de búsqueda, que asignan el color a los rangos de intensidad especificados (C). La representación del volumen se divide como archivos PNG a todo color a las restricciones y la resolución requeridas de la impresora (D). Cada rebanada PNG se divide en las descripciones de materiales necesarias para fabricar los datos médicos. (E) Los PNG compuestos en color resultantes se envían a la impresora. (F) Una visualización de un conjunto de datos de alta resolución en comparación con un conjunto de datos de baja resolución (G) utilizando la misma técnica para demostrar la necesidad de datos de origen de la más alta calidad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El marco de representación actual que la mayoría, si no todas, las herramientas de modelado digital emplean hoy en día da como resultado el formato de archivo STL8. Sin embargo, la naturaleza específica de este paradigma ha demostrado ser inadecuada cuando se trata de expresar la estructura granular o jerárquica de materiales naturales más complejos. Con la llegada de las recientes técnicas de fabricación aditiva, como la impresión 3D multimaterial, se pueden producir objetos altamente sintonizados y altamente optimizados, que muestran transiciones graduales de materiales a lo largo de su volumen. Este artículo sugiere que un proceso basado en vóxel o mapa de bits es más adecuado para representaciones de materiales complejos y proporciona una técnica para traducir la radiodensidad y la complejidad morfológica a partir de imágenes radiológicas. Las ventajas de este flujo de trabajo incluyen i) un control preciso y graduado sobre la distribución de materiales a múltiples escalas dentro de un volumen impreso en 3D y ii) el poder de aumentar las técnicas de procesamiento de imágenes 2D existentes en los campos de vóxel 3D y producir nuevas vías creativas dentro del diseño y la ingeniería de objetos cuyas cualidades estéticas y organización de materiales están altamente moduladas para adaptarse a su rendimiento estructural.
Cada paso en este proceso es fundamental para lograr una impresión 3D final precisa, y hay poco margen de error. En el camino, hay numerosos puntos donde se requiere atención adicional, y se deben realizar verificaciones para garantizar la precisión. En primer lugar, la selección de las imágenes correctas para este método tiene un impacto directo en el modelo final impreso en 3D, como se muestra en la Figura 6F, G. Este método busca mantener la pureza de las imágenes de origen; cualquier modificación para mejorar la resolución o suavizar los contornos podría introducir o eliminar datos. El producto final en este método es tan bueno como los datos de entrada. Este método permite una resolución de gotas de 15 μm y un espesor de capa de 27 μm. Por lo tanto, es fundamental trabajar en estrecha colaboración con un radiólogo para obtener las imágenes de mayor resolución con el recuento de rebanadas más delgado.
En segundo lugar, los pasos de edición del modelo descritos en los pasos de protocolo 1.1, 2 y figura 6A requieren la entrada del usuario para enmascarar y modificar las tablas de búsqueda para extraer y representar el resultado deseado. Debido al alto nivel de resolución, múltiples escalas de una estructura anatómica son editables. Una comprensión profunda de las estructuras de datos de imágenes médicas y su relación con los tejidos biológicos es fundamental para extraer los datos deseados. La atención durante este paso puede permitir modelos altamente sintonizados que replican múltiples escalas de organización en el tejido biológico.
En tercer lugar, el paso de tramado descrito en el paso 4 del protocolo determina cómo se graduarán los materiales de los colores de origen. Es fundamental asegurarse de que los colores de origen se relacionen con los colores de la impresora. Si los colores de la impresora no coinciden con los colores del paso de tramado, pueden producirse variaciones inesperadas de color en el modelo final. Además, numerosas técnicas de tramado producirán una variedad de resultados. Es fundamental que esto se examine detenidamente para garantizar que no se pierdan datos y que la información adecuada se muestre de manera coherente.
Proporcionamos algunas soluciones de solución de problemas a los problemas definidos en los resultados representativos. En primer lugar, los problemas relacionados con la escala generalmente están relacionados con una transformación incorporada en los metadatos de imágenes médicas recibidos de un departamento radiológico. Este problema se puede corregir en el software de computación de imágenes médicas eliminando todas estas 'Transformaciones' heredadas. El primer paso es abrir el menú Transformación y seleccionar Eliminar transformación activa en el menú desplegable. Repita este proceso para todas las transformaciones heredadas; esto debería corregir inmediatamente el problema.
En segundo lugar, los problemas relacionados con la geometría generalmente están relacionados con la activación del canal de opacidad en el paso de protocolo 1.2.4. Cuando el canal de opacidad se establece por debajo del 50%, los algoritmos de renderizado producen visualizaciones, que son difíciles de percibir para el usuario, particularmente las estructuras complejas circundantes. La solución a este problema es establecer el canal de opacidad al 100%, creando así un color sólido que se puede definir como un material "claro" en el paso 5 del protocolo.
En tercer lugar, los problemas relacionados con el corte en el programa Slicerfab a menudo son el resultado de múltiples 'volúmenes' y la herramienta de región de interés (ROI) que se cargan en el software de computación de imágenes médicas. Si se cargan varios 'Volúmenes', seleccione los volúmenes extraños en el menú desplegable Volumen en el módulo Representación de volumen para que esté activo. A continuación, en el mismo menú desplegable, seleccione Eliminar volumen actual. Repita este paso para obtener un ROI adicional que se haya creado. Cuando un 'Volumen' y un 'ROI' están presentes, Slicerfab debería funcionar sin la necesidad de reiniciar.
En general, todas las limitaciones de este protocolo están relacionadas con el hardware y la disponibilidad de material relacionado. Las impresoras 3D actuales utilizadas en este método están limitadas a 15 μm X-Y y 25 μm Z de resolución de altura. Esta limitación es relevante cuando se trabaja con datos de imagen de ultra alta resolución, como Micro CT, donde la resolución de la imagen puede acercarse a los 5 mm y provocaría que este método introdujera error7. Esta impresora también está limitada a imprimir 7 materiales base a la vez, lo que puede limitar la gama de colores disponibles.
La mezcla a nivel de gota ocurre, lo que permite el potencial de 25,000,000 de combinaciones de colores posibles que se pueden crear por codeposición. Sin embargo, el mecanismo exacto de la mezcla de materiales a nivel de gotas antes del curado UV no se conoce bien. Además, el material impreso requiere un postprocesamiento significativo, lo que lleva a artefactos visuales con vacíos interiores y características difíciles de alcanzar. Por lo tanto, es fundamental evaluar la geometría antes de la fabricación para garantizar la claridad visual deseada cuando los vacíos interiores y la geometría compleja no permitirán el posprocesamiento.
La impresión tridimensional se utiliza actualmente para fabricar modelos para la planificación quirúrgica, la implantación y la navegación operatoria, mejorando la atención al paciente durante los procedimientos quirúrgicos y en todo el entorno hospitalario9,10. Sin embargo, la adopción actual de modelos impresos en 3D para la planificación prequirúrgica ha sido lenta, en parte debido a la limitada gama de aplicaciones disponibles con el método STL actual para la impresión 3D. Este método produce una pérdida de datos e inexactitudes visibles en comparación con el conjunto de datos de origen, niveles de complejidad severamente limitados en relación con la verdadera morfología anatómica y gradientes volumétricos de los datos originales que no se pueden reproducir.
Aunque los datos morfológicos de impresión 3D por sí solos han demostrado ser exitosos, la gama de aplicaciones con este método se limita a aplicaciones óseas y representaciones geométricas simples de características anatómicas complejas. En este proceso, se pierden valiosos datos volumétricos, lo que compromete la consistencia e integridad de los datos de origen. Inversamente, este método para extraer la composición del material del modelo impreso en 3D sin desviación de las imágenes médicas evita estos problemas. Este método puede reproducir imágenes médicas con mayor precisión con ventajas conocidas para procedimientos quirúrgicos donde la precisión morfológica es crítica. El protocolo en este artículo describe la visualización táctil de datos médicos a través de resolución submilimétrica, multimaterial, impresión de vóxel 3D. La incorporación de resinas blandas, con durómetros en el rango análogo al tejido humano, podría permitir previsiblemente la recreación de tejidos blandos escaneados radiológicamente para ser utilizados con métodos de planificación táctil durante la preparación quirúrgica.
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Disclosures
N.J. es autor de una solicitud de patente presentada por los Regentes de la Universidad de Colorado que describe métodos como los descritos en este trabajo (solicitud no. US16/375.132; publicación no. US20200316868A1; presentado el 04 de abril de 2019; publicado el 08 de octubre de 2020). Todos los demás autores declaran que no tienen intereses contrapuestos.
Acknowledgments
Agradecemos a AB Nexus y al Estado de Colorado por su generoso apoyo a nuestra investigación científica sobre la impresión de vóxeles para la planificación prequirúrgica. Agradecemos a L. Browne, N. Stence y S. Sheridan por proporcionar conjuntos de datos utilizados en este estudio. Este estudio fue financiado por la AB Nexus Grant y la 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
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