Name: Impression 3D préclinique X-ray tomodensitométrie Définit données (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-03-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Découvrez comment créer des modèles anatomiques à partir de données de tomodensitométrie X-ray préclinique en utilisant l'impression 3D. Cette méthode permet de visualiser des structures complexes pour la recherche en neurosciences.

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Nous remercions chaleureusement le NanoVic Institut d&#39;études européennes, la famille Glynn Honors Program, Notre-Dame intégré Imaging Facility (NDIIF) et de la Santé Carestream un soutien financier pour ce projet. Recherche sur le développement de lapin crânienne soutenu par la NSF BCS-1029149 à MJR.

1. Animaux <ol><li> Pour les résultats présentés ci-dessous, un mâle Lobund-rat Wistar de dix mois a été obtenue à partir de la Freimann Life Science Center de l&#39;Université de Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA). Un ex vivo Nouvelle-Zélande White Rabbit (Homme, âge = 8 semaines) échantillon crâne, conservé dans du formol 10%, a été obtenu par le laboratoire du professeur Matthew Ravosa, Université de Notre Dame. </li><li> Pour l&#39;imagerie in vivo, chez le rat a été anesthésié par isofluorane (débit 2,5%) avec un entretien via un système ogive. L&#39;animal a été en décubitus ventral dans le lit rat standard (M2M Imaging Inc, Cleveland, Ohio) fourni avec la station d&#39;image Albira. Membres ont été placés latérale du torse pour une acquisition uniforme CT. </li><li> Après l&#39;acquisition d&#39;images a été achevée, le rat a été retiré du cône de nez et est retourné à la cage de récupération jusqu&#39;à ambulatoire. </li><li> Pour les analyses du crâne de lapin, l&#39;échantillon a été placé dans le lit ratdans un sac en plastique scellé contenant du formol. </li></ol> 2. Acquisition d&#39;images et la reconstruction <ol><li> In vivo et ex vivo image acquisitions ont été réalisées en utilisant le système de Albira CT (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). Le système a été configuré pour analyser un lit de 180 mm de longueur en effectuant trois balayages circulaires (600 saillies par balayage), chacune avec un champ de vision de 65 mm, qui sont ensuite cousues ensemble au cours de reconstruction. La source de rayons X a été fixé à un courant de 400 pA et la tension de 45 kV, et a utilisé un filtre de 0,5 mm Al à durcir le faisceau. Approximatif équivalent de dose de rayonnement profond pour CT était de 660 mSv paramètres, et l&#39;équivalent de dose était peu profonde 1171 mSv. Ces doses sont plus de 10 fois inférieur à celui rapporté DL50. </li><li> Les images sont reconstruites en utilisant la FBP (rétroprojection filtrée) par l&#39;intermédiaire de l&#39;algorithme Reconstructor Albira Suite 5.0 à l&#39;aide des paramètres «standard». Ces acquisition combinée et les paramètres de reconstruction produire une final&#39;image l avec .125 mm voxels isotropes, jugée suffisante pour l&#39;analyse de l&#39;ensemble des animaux et de l&#39;impression en 3D des structures anatomiques. </li></ol> 3. Traitement de l&#39;information <ol><li> Les caractéristiques du squelette de la tomodensitométrie peut être imprimé à partir des données brutes sans segmentation. Toutefois, la segmentation des tissus mous est nécessaire avant le traitement des données pour l&#39;impression en 3D. Ici, nous montrons un exemple avec le tissu pulmonaire. <ol><li> Ouvrir microTEP originale (format de données pour toutes les modalités sur le système d&#39;imagerie Albira) fichier </li><li> Tirer un volume d&#39;intérêt (VOI) autour de la souris de façon à ce que tout l&#39;espace externe est supprimée. </li><li> Sous le titre «Masque de l&#39;extérieur choisi VOI&quot; la &quot;VOI Outils» sélectionnez l&#39;onglet et définissez la valeur de masquage à -1.000 unités Hounsfield (HU, échelle radiodensité pour CT), ce qui aura pour effet de définir l&#39;espace extérieur à la valeur de la densité de l&#39;air CT. </li><li> Avec tout l&#39;espace extérieur retiré, sous l&#39;onglet &quot;Outils&quot;, sélectionnez &quot;externe&quot;, puis cliquez sur déroulanteflèche et sélectionnez «Segmentation» </li><li> Paramétrez la plage dans -550 à -200 et cliquez sur &#39;Ok&#39;. </li><li> Si le fichier est très volumineux, sélectionnez l&#39;onglet &quot;Outils&quot;, sélectionnez &quot;Réduire&quot;, et lancez le programme </li><li> Enregistrer en tant que fichier Analyser </li></ol></li><li> Les données doivent d&#39;abord être convertis au format DICOM en utilisant PMOD (PMOD Technologies LTD, Zurich, Suisse) logiciel d&#39;analyse. <ol><li> Ouvrez le paquet de l&#39;image PMOD Logiciel de traitement. </li><li> Le long de la rangée du haut, sélectionnez l&#39;onglet Affichage. </li><li> Dans la barre d&#39;outils à la main en bas à droite, cliquez sur la flèche vers le bas la base de données étiquetées sous charge. </li><li> Sélectionnez microTEP pour les données CT premières, ou Analyser pour le poumon segmenté. </li><li> Sélectionnez le fichier approprié, puis cliquez sur Ajouter à la sélection. </li><li> Cliquez sur Ouvrir. </li><li> Dans la barre d&#39;outils à la main en bas à droite, cliquez sur le hautflèche sous Enregistrer. </li><li> A partir de ce menu, choisissez le type de fichier DICOM. </li><li> Nommez le fichier et cliquez sur Enregistrer. </li><li> Fermer PMod. </li></ol></li><li> DICOM de données contient des valeurs de densité volumétrique pour chaque voxel. Pour imprimer ces données, il doit être traité comme une surface contiguë au lieu d&#39;un volume. ImageJ v1.43u sera utilisé pour obtenir les enduits de surface pour un traitement ultérieur. <ol><li> Ouvrir ImageJ logiciel de traitement d&#39;image </li><li> Sélectionnez Importer&gt; Fichier. </li><li> Sélectionnez une séquence d&#39;images. </li><li> Naviguez vers le fichier contenant la nouvelle DICOM et sélectionnez-le. </li><li> Sélectionnez Plug-ins&gt; 3D&gt; 3D Viewer. </li><li> Deux fenêtres apparaissent, la visionneuse 3D apparaît et une fenêtre ADD. </li><li> Sous Affichage comme dans le tome changement de fenêtre ADDà la surface. </li><li> Modifiez la valeur par défaut du seuil à 210. </li><li> Cliquez sur OK. </li><li> Dans la barre de menu 3D Viewer, sélectionnez Fichier&gt; Exporter surfaces comme WaveFront&gt;. </li><li> Nommez le fichier et cliquez sur Enregistrer. </li></ol></li><li> Deux programmes, meshlab v1.3.1 et Netfabb Studio Basic 4.9, sera en même temps enlever tout excès de mailles, mailles réunir déconnectés, des trous de réparation, et lisser le maillage final. Les principales différences entre ces deux programmes sont des jeux d&#39;outils mis à la disposition de l&#39;utilisateur, et une partie de la commande d&#39;interface de navigation. Ils sont tous deux des programmes 3D mailles d&#39;édition de logiciels, ainsi que leur utilisation permet ainsi l&#39;approche la plus simple pour modifier le modèle. <img alt="Icône 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /> indique que ces actions doivent être exécutées dans meshlab v1.3.1 <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /> indique que ces actions doivent être exécutées dans Netfabb Studio Basic 4.9 <ol><li> Pour importer des maillages dans l&#39;édition de logiciels: <ol><li> Ouvrez meshlab v1.3.1 <img alt="Icône 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> De la barre de menu Fichier sélectionnez Options&gt; Nouveau projet vide. </li><li> Selct fichier Mesh&gt; Importer. </li><li> Sélectionnez le fichier et cliquez sur Ouvrir. </li><li> Une fois le fichier chargé, une boîte de dialogue s&#39;ouvre. Garder Unifier sommets dupliqués vérifié, appuyez sur OK. <ol><li> Ouvrez Netfabb Studio Basic 4.9. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Faites glisser le fichier de votre choix directement sur l&#39;écran Netfabb Studio Basic. </li></ol></li></ol></li><li> Pour supprimer maillage non désirée de la surface: <ol><li> Dans la barre de menu dans meshlab, sélectionnez Filtres&gt; Nettoyage et réparation&gt; Retirer les morceaux isolés (Diamètre WRT). <img alt="Icône 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Supprimer les composants connectés isolés dont le diamètre est plus petit que la constante spécifiée. Entrez un diamètre maximal de ces composants, puis cliquez sur Appliquer. </li><li> Petit à petit, augmenter le diamètre maximal de retirer des morceaux assez gros. Cliquez sur Appliquer après chaque modification de diamètre. </li></ol></li><li> Pour joindre des morceaux déconnectés, les trous doivent être découpés dans les mailles de courant aux endroits désirés d&#39;une nouvelle liaison, et un pont de maille must être construit entre les deux. <ol><li> Utilisez l&#39;outil de sélection, outil septième depuis la gauche dans la barre de menus, de sélectionner les morceaux de filet qui seront découpées. <img alt="Icône 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Supprimer des morceaux choisis de maille avec le bouton Supprimer visages, le troisième outil de la gauche dans la barre de menus. </li><li> Dans la barre de menu, sélectionnez Exporter le fichier Mesh&gt; Comme. </li><li> Nommez le fichier et changer le type de fichier STL. </li><li> Appuyez sur Enregistrer. </li><li> Une boîte de dialogue avec les options d&#39;enregistrement s&#39;affiche, appuyez sur OK. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Faites glisser ce nouveau fichier dans Netfabb. </li><li> Dans le menu supérieur, sélectionnez Réparer, Le quatrième outil de la gauche. </li><li> Sélectionnez l&#39;outil Ajouter des triangles, treizième de la gauche. </li><li> Cliquez sur un bord ouvert (ils seront jaune) sur un côté, puis de cliquer sur un bord ouvert sur l&#39;autre morceau. Créer des ponts 5-10 travers l&#39;espace. </li><li> Sélectionnez le bouton Réparation automatique en bas à droite </li><li> Mettez en surbrillance par défaut de réparation. </li><li> Cliquez sur Exécuter. </li><li> Appuyez sur Annuler après la réparation a été exécutée. </li></ol> En option: Certains triangles créés peuvent être le mauvais sens. Les étapes suivantes peuvent être utilisées pour réorienter ces triangles. <ol><li> Sélectionnez le Flip Bouton sélectionné Triangles. </li><li> Cliquez sur les triangles désorientés pour faire tourner tous les triangles dans le bon sens. </li></ol></li><li> Àcratères de réparation et des trous, des trous et des cratères entières doivent être enlevés et les ponts doivent être construits de chaque côté de la maille. <ol><li> Cliquez sur l&#39;outil Sélection. <img alt="Icône 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Sélectionnez le cratère ou le trou à combler. </li><li> Cliquez sur le bouton Supprimer visages. </li><li> Dans la barre de menu, sélectionnez Exporter le fichier Mesh&gt; Comme. </li><li> Nommez le fichier et changer le type de fichier STL. </li><li> Appuyez sur Enregistrer. </li><li> Une boîte de dialogue avec les options d&#39;enregistrement s&#39;affiche, appuyez sur OK. </li><li> Faites glisser ce nouveau fichier dans Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Dans le menu supérieur, sélectionnez Réparer </st<html> rong&gt;, l&#39;outil quatrième à partir de la gauche. </li><li> Sélectionnez l&#39;outil Ajouter des triangles, treizième de la gauche. </li><li> Cliquez sur un bord ouvert (ils seront jaune) sur un côté, puis de cliquer sur un bord ouvert sur l&#39;autre morceau. Créer des ponts 5-10 travers l&#39;espace. </li><li> Sélectionnez le bouton Réparation automatique en bas à droite </li><li> Mettez en surbrillance par défaut de réparation. </li><li> Cliquez sur Exécuter. </li><li> Appuyez sur Annuler après la réparation a été exécutée. </li></ol></li><li> Laplacien lissage, l&#39;algorithme de lissage dans meshlab, est utilisée pour lisser l&#39;objet tout en préservant l&#39;intégrité structurelle du modèle. <ol><li> Accédez Filtres&gt; Lissage&gt; Carénage et déformation&gt; Laplacien lisses.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg &quot;/&gt; </li><li> Sélectionnez un numéro de lissage itérations. Plus d&#39;itérations se traduira par une plus lisse modèle, mais chaque itération se dégrade lentement le volume du modèle, ce qui peut entraîner des morceaux déconnectés et des arêtes vives. 1-5 itérations sont recommandés. </li><li> Appuyez sur OK. </li><li> Dans la barre de menu, sélectionnez Exporter le fichier Mesh&gt; Comme. </li><li> Nommez le fichier et changer le type de fichier STL. </li><li> Appuyez sur Enregistrer. </li><li> Une boîte de dialogue avec les options d&#39;enregistrement s&#39;affiche, appuyez sur OK. </li><li> Faites glisser ce nouveau fichier dans Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Dans le menu supérieur, sélectionnez Réparer, l&#39;outil quatrième à partir de la gauche. </li><li> Sélectionnez l&#39;outil Ajouter des triangles, eirteenth partant de la gauche. </li><li> Cliquez sur un bord ouvert (ils seront jaune) sur un côté, puis de cliquer sur un bord ouvert sur l&#39;autre morceau. Créer des ponts 5-10 travers l&#39;espace. </li><li> Sélectionnez le bouton Réparation automatique en bas à droite </li><li> Mettez en surbrillance par défaut de réparation. </li><li> Cliquez sur Exécuter. </li><li> Appuyez sur Annuler après la réparation a été exécutée. </li><li> Dans la barre de menu, sélectionnez Exporter le fichier Mesh&gt; Comme. </li><li> Nommez le fichier final et changer le type de fichier STL. </li><li> Appuyez sur Enregistrer. </li><li> Une boîte de dialogue avec les options d&#39;enregistrement s&#39;affiche, appuyez sur OK. </li></ol></li></ol></li></ol> 4. Impression <ol><li> Impression à l&#39;aide de la MakerBot <ol><li> Ouvrez le fichier STL en ReplicatorG. RéplicateurG est un programme MakerBot Industries utilisé pour communiquer avec le MakerBot. </li><li> Cliquez sur Échelle de la partie inférieure du menu de droite coin et sélectionnez Remplir l&#39;espace Build! </li><li> Sélectionnez Rotation et cliquez sur Lay Flat. </li><li> Cliquez sur Centre. </li><li> Pour les modèles avec finesse des détails, sélectionnez remplir construire la plate-forme pour intensifier modèle. </li><li> Dans le même menu, cliquez sur Déplacer, puis sélectionnez Mettre sur la plate-forme. </li><li> Une fois que le bon sens a été réalisé, sélectionnez Générer GCODE dans la barre de menu du haut. * Une fenêtre avec les options d&#39;impression apparaît. </li><li> Sélectionnez l&#39;extrudeuse qui fournira le filament pour imprimer l&#39;objet (Gauche ou Droite). </li><li> Sélectionnez Utiliser Raft / support. </li><li> Depuis le menu déroulant intitulé-nousmatériau support électronique, sélectionnez Prise en charge complète. </li><li> Sélectionnez Générer GCODE. Une fenêtre pop-up indiquant la progression de la GCODE apparaît. </li><li> Une fois que le GCODE a été achevée, sélectionnez Générer fichier pour l&#39;utiliser avec une carte SD. </li><li> Cliquez sur Enregistrer. </li><li> Faites glisser le fichier sur une carte SD. </li><li> Placez la carte SD dans le MakerBot et en utilisant le clavier Imprimer MakerBot sélection de SD. </li><li> Sous Imprimer, SD, sélectionnez le nom de fichier désiré. Le MakerBot commencera automatiquement à l&#39;échauffement pour imprimer l&#39;objet. </li></ol></li><li> Impression Shapeways <ol><li> Après avoir créé un compte gratuit avec Shapeways, le fichier STL peuvent être directement téléchargées sur le site Shapeways: <a href="http://www.shapeways.com/upload/" target="_blank">http://www.shapeways.com/upload/</a> </li><li> Cliquez sur Télécharger et sélectionnez la STLfichier. </li><li> Sélectionnez un titre pour le fichier téléchargé. </li><li> Sélectionnez une unité de mesure dans le menu déroulant. </li><li> Cliquez sur Upload modèle. </li><li> Le fichier est maintenant prêt pour l&#39;impression via Shapeways. Une fois que le fichier est téléchargé Shapeways prendra quelques minutes pour traiter le fichier pour s&#39;assurer qu&#39;il peut effectivement être imprimé. Vous serez en mesure d&#39;imprimer le modèle de la &quot;mes modèles&quot;, page après une dizaine de minutes. </li><li> Le &quot;blanc solide flexible» de sélection a été utilisé pour imprimer des structures squelettiques, tandis que &quot;violet forte flexible» a été utilisé pour les tissus pulmonaires. </li></ol></li><li> ProJet HD 3000 Impression <ol><li> Le fichier STL peuvent également être imprimés à l&#39;aide d&#39;un spot publicitaire à haute résolution en trois dimensions comme imprimante 3000 ProJet HD (Springboard Engineering Solutions LLC, Parc de l&#39;innovation, Notre Dame, IN, USA). </li><li> Le fichier STL est chargé dans le logiciel de 3D Systems propriété de mise au travail sur le Platorm. Cela nécessite de changer l&#39;orientation du modèle autour de minimiser l&#39;utilisation de l&#39;appui de la cire et de l&#39;impression. Ce fichier est enregistré. </li><li> Le travail est alors envoyée électroniquement à l&#39;imprimante. </li><li> Une plate-forme de l&#39;aluminium est chargée dans l&#39;imprimante et le ProJet HD 3000 commence à imprimer de l&#39;objet. </li><li> Le modèle est ensuite retiré de la plate-forme et placé dans une étuve à environ 73 ° C pour faire fondre la cire à partir du modèle de support. </li><li> L&#39;objet est supprimé chaude et essuyé avec un Kimwipe pour enlever la cire surface restante. </li></ol></li></ol>

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<li>Sheridan, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+consent%3A+three-dimensional+objects+as+rhetorical+compositions%5BTitle%5D)+AND+%22Computers+and+Composition%22%5BJournal%5D)">Fabricating consent: three-dimensional objects as rhetorical compositions.</a> Computers and Composition. 27, 249-265 (2010).</li>
<li>Windisch, G., Salaberger, D., Rosmarin, W., Kastner, J., Exner, G. U., Haldi-Brandle, V., Anderhuber, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Model+for+Clubfood+Based+on+Micro-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Data.+J.+Anat%22%5BJournal%5D)">A Model for Clubfood Based on Micro-CT.</a> Data. J. Anat. 210, 761-766 (2007).</li>
</ol>

Matthew W. Leevy est consultant pour l&#39;imagerie moléculaire Carestream. Brian Stamile est un technicien du support technique pour les industries MakerBot.

X-ray CT ensembles de données d&#39;une vie Lobund-rat Wistar et une ex vivo Nouvelle-Zélande crâne Lapin Blanc ont été utilisés pour démontrer la faisabilité de la production d&#39;objets 3D à partir de données pré-cliniques biologiques. Les modèles ont été générés en utilisant trois sources différentes: 1) Le réplicateur populaire MakerBot, 2) La troisième fête d&#39;entreprise Shapeways Inc, et 3) La haute qualité commerciale ProJet HD 3000. Chaque imprimante est en mesure de générer des objets qui ont satisfait le but principal de la visualisation optimisée des données. Pendant le processus d&#39;impression pré-cliniques données CT, les avantages et les inconvénients de chaque méthode d&#39;impression ont été constatées et résumées pour l&#39;utilisateur final. Le réplicateur MakerBot est un peu coûteux (1750 $) solution paillasse qui est accessible à pratiquement n&#39;importe quel laboratoire dans le monde entier. Il est possible d&#39;imprimer en plusieurs couleurs avec des entrées bon marché (un CT rat avec des poumons utilisés environ 3,50 $ en plastique). Cependant, le MakerBot est limitée par la résolution,et donc certains modèles devront être agrandies pour l&#39;extrusion et la visualisation correcte de la structure destinée. Shapeways Inc fournit un nombre exceptionnel de sélections en ce qui concerne la couleur et la matière. Les modèles sont en haute résolution, et robuste. Bien que leurs prix sont environ 10 fois plus élevé que le MakerBot sur une base unitaire (un CT rat avec des poumons était 41,61 $), un utilisateur peut exécuter un nombre limité d&#39;emplois et d&#39;éviter le coût initial de l&#39;achat d&#39;une imprimante. Le délai de deux semaines à partir de Shapeways est un inconvénient mineur. Le ProJet HD 3000 fournit des modèles exceptionnels en termes de résolution et de force. Nous avons eu la chance de contracter l&#39;impression de nos objets sur le 3000 ProJet HD au Parc de l&#39;innovation à Notre-Dame (environ 30 $ pour un TC de rat avec des poumons de main-d&#39;œuvre et matériaux). Les utilisateurs peuvent avoir des difficultés à accéder à ce type d&#39;équipement car ils sont au prix de l&#39;ordre de 80.000 dollars, et il est lourd à imprimer avec des couleurs multiples ainsi. Étant donné que chaque instrument / fabricantoffre une mesure différente pour décrire la résolution pour l&#39;impression d&#39;objets (niveau de détail minimum Shapeways = 0,2 mm, l&#39;épaisseur minimale de la paroi = 0,7 mm, 5 épaisseur de coupe MakerBot = 0,2-0,3 mm avec une buse de 0,4 mm, 6 ProJet HD 3000 DPI = 656 x 656 x 800 avec une précision de 0.025 à 0.05 mm), une évaluation qualitative des résolutions relatives entre chaque système suggère que les deux Shapeways et le système ProJet HD permet d&#39;imprimer en détails élevés à l&#39;échelle, tandis que certains objets doivent être agrandi pour une bonne utilisation l&#39;MakerBot. Collectivement, les trois méthodes sont respectueuses de l&#39;environnement et de fournir un moyen pratique d&#39;atteindre une production facile des très détaillées modèles pré-cliniques CT X-ray. Conclusion Peu à peu, la technologie d&#39;impression 3D est devenu plus accessible que les coûts et la complexité ont été réduits au minimum. 8, 9 Maintenant, littéralement n&#39;importe qui peut imprimer à haute résolution, des objets tridimensionnels à partir de fouillefichiers ital. Ces détaillées objets tridimensionnels peuvent être des outils utiles pour les éducateurs et les chercheurs. En outre, ils fournissent un moyen de communication visuelle qui aide à réaliser une meilleure compréhension. 10 Par exemple, les chercheurs en médecine pouvez utiliser spécimen ou spécifiques au patient modèles pour améliorer la communication et la compréhension avec leurs collègues et les patients. 11 Bien que la représentation sur les écrans 2D a parcouru un long chemin, il n&#39;y a absolument pas de remplacement pour l&#39;expérience visuelle et sensorielle de tenir un objet réel qui est capable de se tenir, tourner, a examiné et déplacés. Un modèle couplé avec une représentation de données électronique est encore plus puissant car il permet aux chercheurs d&#39;examiner l&#39;objet physique pour les régions d&#39;intérêt, et de trouver ces régions sur un modèle informatique pour l&#39;analyse quantitative. Avec cueillette de données, le rendu de surface, et l&#39;édition de stéréolithographie, il est possible de produire rapidement détaillée, relativement modèles bon marché à partir des données CT X-ray. Ici, nous fournissons une analyse détaillée, méthode étape par étape pour la production d&#39;un modèle en trois dimensions à partir de données pré-cliniques pour petits animaux recueillis avec un X-ray micro-CT. Nous avons acquis notre in vivo et ex vivo CT ensembles de données à l&#39;aide d&#39;une station d&#39;images Albira, et effectué un traitement ultérieur avec PMOD, ImageJ, meshlab et progiciels Netfabb. Enfin, nous fournissons des instructions détaillées pour permettre l&#39;impression modèle en trois dimensions avec une gamme de solutions commerciales. Dans chaque cas, le résultat final est un modèle qui offre une occasion unique, main, manifestation physique des données tomographiques acquis qui devraient normalement être limités à un écran d&#39;ordinateur.

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> Programmes requis <ol><li> Acquéreur image Albira </li><li> PMOD </li><li> ImageJ </li><li> Meshlab </li><li> Netfabb </li><li> ReplicatorG </li></ol></td></tr></tbody></table>

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3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Impression en trois dimensions permet la production d&#39;objets très détaillés grâce à un processus connu sous le nom de fabrication additive. Traditionnels, moule à injection méthodes pour créer des modèles ou des pièces présentent plusieurs limites, dont le plus important qui est une difficulté dans la fabrication des produits hautement complexes, en temps opportun, de manière rentable. 1 Toutefois, l&#39;amélioration progressive de la technologie d&#39;impression en trois dimensions ont permis dans les deux instruments haut de gamme et de l&#39;économie qui sont maintenant disponibles pour la production facile des modèles personnalisés. 2 Ces imprimantes ont la capacité d&#39;objets extrusion à haute résolution avec suffisamment de détails pour représenter avec précision des images in vivo générés à partir d&#39;un scanner préclinique tomodensitométrie à rayons X . Avec cueillette de données, le rendu de surface, et l&#39;édition de stéréolithographie, il est désormais possible et peu coûteux à produire rapidement des structures détaillées du tissu squelettique et doux de données CT X-ray. Même dans les premiers stades de développementment, les modèles anatomiques produites par appel impression en trois dimensions à la fois aux enseignants et aux chercheurs qui peuvent utiliser la technologie pour améliorer la maîtrise de visualisation. 3, 4 Les avantages réels de ce résultat de la méthode de l&#39;expérience concrète d&#39;un chercheur peut avoir avec des données qui ne peuvent être adéquatement transporté à travers un écran d&#39;ordinateur. La traduction des données pré-cliniques 3D à un objet physique qui est une copie exacte de l&#39;objet de test est un outil puissant pour la visualisation et de la communication, en particulier pour la recherche en imagerie relatives aux étudiants, ou ceux dans d&#39;autres domaines. Ici, nous proposons une méthode détaillée pour l&#39;impression des modèles en plastique de l&#39;os et des structures d&#39;organes provenant de rayons X tomodensitogrammes utilisant un Albira système à rayons X CT en conjonction avec PMOD, ImageJ, meshlab, Netfabb et ReplicatorG logiciels.

<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig1.jpg" /> Figure 1. Modèles 3D imprimées des poumons et des caractéristiques du squelette d&#39;un ensemble de rat tomodensitométrie à rayons X des données. Objets ont été imprimés à l&#39;aide d&#39;un ProJet HD 3000 (à gauche), Shapeways Inc (Centre) ou un réplicateur de MakerBot (à droite). La barre d&#39;échelle représente 2 cm. Notez que la barre d&#39;échelle dans le panneau C est inférieure à celle de A et B, ce qui reflète le fait que, dans certains cas, le MakerBot devez imprimer un objet élargie afin de détailler suffisamment de puissance. La figure 1 illustre les produits finaux pour les trois méthodes d&#39;impression du même chez le rat in vivo CT ensemble de données. Les trois modèles sont constitués d&#39;une structure squelettique et recadrée poumons amovibles qui ont été imprimées de façon indépendante et reconstitué. Le modèle à gauche est le résultat de la ProJet HD 3000 haute résolution de l&#39;imprimante, créée à l&#39;aide de plastique acrylique translucide. L&#39;objet au centrea été réalisé en utilisant une société tierce, Shapeways Inc, dans laquelle la structure du squelette a été imprimé en utilisant le nylon 12 en plastique blanc, tandis que les structures respiratoires ont été fabriqués en violet. Ces deux premiers modèles ont été imprimés à l&#39;échelle réelle, mesure environ 11 cm de longueur. L&#39;objet à droite a été faite en utilisant le MakerBot. La structure du squelette a été imprimé à l&#39;aide de couleur naturelle ABS (acrylonitrile butadiène styrène) en plastique et les poumons avec de la chaux vert ABS. En raison des limites de résolution de l&#39;MakerBot, ce modèle n&#39;a pas pu être imprimée à l&#39;échelle sans dégradation de la structure fine comme de la cage thoracique. Au lieu de cela, le modèle a été réduit de près de 2X en utilisant le &quot;construire remplir l&#39;espace&quot; pour obtenir le détail visuel désiré, résultant en un objet de 21 cm de longueur. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig2.jpg" /> Figure 2. Modèles 3D imprimées d&#39;un un ex vivo sku lapinll données défini. Les objets exposés ont été imprimées à l&#39;aide d&#39;un ProJet HD 3000 (à gauche), Shapeways Inc (Centre) et un duplicateur de MakerBot (à droite). La barre d&#39;échelle représente 1 cm. La figure 2 montre les produits finaux de chaque méthode d&#39;impression pour le lapin in vivo crâne ex ensemble de données CT. Le modèle à gauche est le résultat de la HD 3000 ProJet haute résolution de l&#39;imprimante à l&#39;aide de plastique acrylique translucide. Le modèle au centre a été imprimé en blanc Nylon12 plastique par impression Shapeways. L&#39;objet à droite a été imprimé en plastique blanc en utilisant la MakerBot. Tous les trois objets ont été imprimés à l&#39;échelle et mesurent environ 8,5 cm de longueur. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig3.jpg" /> Figure 3. Modèles 3D imprimées d&#39;un rat ensemble complet X-ray CT données. Objets ont été imprimés à l&#39;aide d&#39;un ProJet HD 3000 (à gauche), et Shapeways Inc (à droite). La balance bAr représente 1 cm. La figure 3 illustre les produits finis destinés à deux méthodes d&#39;impression d&#39;un plein données CT in vivo fixés d&#39;un rat. Les deux modèles sont constitués d&#39;une structure complète du squelette (moins la queue) et les poumons amovibles. Le modèle à gauche est la résultante d&#39;une imprimante haute résolution, le HD ProJet 3000, imprimé à l&#39;aide de plastique acrylique translucide. Le modèle de droite a été imprimé en utilisant l&#39;impression Shapeways, avec la structure du squelette créé à l&#39;aide de plastique blanc Nylon12 et les poumons en violet. Ces deux modèles ont été imprimées à l&#39;échelle réelle, qui mesure environ 19 cm de longueur. En raison des détails complexes requis, le squelette complet n&#39;a pas pu être imprimé avec le réplicateur MakerBot. Au cours de l&#39;exploration des techniques d&#39;impression en trois dimensions, certains avantages et inconvénients ont été observés et sont présentées dans le tableau 1. <table border="1"><tbody><tr><td><strong&gt; Méthode d&#39;impression </td><td> Avantages </td><td> Inconvénients </td></tr><tr><td> MakerBot </td><td> Extrêmement rapide, la variété d&#39;options de couleurs, capable d&#39;imprimer en deux couleurs, très bon marché </td><td> Le plus bas niveau de détail. Enlèvement des matériaux de support est lente (de l&#39;ordre de quelques heures). </td></tr><tr><td> Shapeways </td><td> Variété de choix de couleurs, la variété des matériaux pour l&#39;impression, le niveau de détail élevé, relativement peu coûteux </td><td> Deux semaines de temps pour traiter et recevoir un ordre </td></tr><tr><td> ProJet HD 3000 </td><td> Redressement relativement rapide, le plus haut niveau de détail, à haut débit, facile à retirer les matériaux de support (cire). </td><td> Coût le plus cher à l&#39;avant, une seule option de couleur lors de l&#39;utilisation pratique. </td></tr></tbody></table> Tableau 1. Comparaisondes technologies d&#39;impression 3D disponibles pour imprimer CT ensembles de données.

Utilisation d&#39;extrusion de plastique moderne et les technologies d&#39;impression, il est désormais possible de produire rapidement et à moindre coût des modèles physiques de données CT à rayons X prises dans un laboratoire. L&#39;impression en trois dimensions des données tomographiques est un puissant de visualisation, de recherche et outil éducatif qui peut maintenant être consulté par la communauté de l&#39;imagerie préclinique.

Impression 3D préclinique X-ray tomodensitométrie Définit données

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

L'objectif général de cette procédure est de créer des modèles anatomiques à partir de jeux de données de tomodensitométrie préclinique par rayons X, en utilisant la technologie d'impression 3D en plastique. Cette opération s'effectue tout d'abord en plaçant un rat ou une souris dans une station d'imagerie et en effectuant une numérisation en mode tomodensitométrie aux rayons X. Ensuite, les données sont reconstruites et formatées afin d'être transférées vers un dispositif d'impression 3D commercial.Dans la dernière étape, l'imprimante extrude un modèle physique complexe de données osseuses ou de tissus mous en plastique. En définitive, la technologie d'impression 3D permet de sortir les données de l'écran d'ordinateur pour les placer au creux de la main. J'ai eu pour la première fois l'idée de cette méthode en travaillant avec des jeux de données de tomodensitométrie aux rayons X en laboratoire, et j'ai pris connaissance de la technologie d'impression 3D dans mes cours de génie ici à Notre Dame.L'avantage principal de cette technique par rapport à d'autres méthodes existantes, telles que le moulage par injection de plastique, est que l'impression 3D permet de créer des modèles extrêmement complexes qui ne pourraient autrement pas être produits. Bien que cette méthode puisse être utilisée pour imprimer des données 3D de structures squelettiques, elle peut également être appliquée à des systèmes de tissus mous, tels que les poumons, produisant ainsi un produit fini comme celui-ci. Toutes les imageries in vivo et ex vivo réalisées pour cette démonstration de protocole ont été obtenues à l'aide du système de tomographie computed par rayons X Albea ; les images ont été reconstruites à l'aide de l'algorithme de rétroprojection filtrée via Albea Suite 5.0. Pour les images in vivo présentées dans ce protocole, un rat mâle low bun avec star de 10 mois a été scanné en étant complètement anesthésié à l'aide d'ISO fluorine. Pour l'imagerie ex vivo,Un échantillon de crâne de lapin blanc de Nouvelle-Zélande préservé dans du formol à 10 % a été scanné. L'ensemble des paramètres d'acquisition et de reconstruction produit une image finale avec des voxels isotropes de 0,125 millimètre, ce qui est considéré comme suffisant pour l'analyse d'un animal entier et l'impression 3D de structures anatomiques. Notez que les caractéristiques squelettiques provenant des scanners CT peuvent être imprimées directement à partir des données brutes sans effectuer de segmentation.Cependant, une segmentation des tissus mous est nécessaire avant le traitement de ces données pour l'impression 3D. Voici un exemple avec un tissu pulmonaire. Ensuite, les données doivent être converties du format micro-PET au format DICOM. À l'aide du logiciel d'analyse PMOD, les données DICOM contiennent des valeurs de densité volumétrique pour chaque voxel.Ensuite, afin de préparer les données DICOM pour l’impression, celles-ci doivent être traitées sous forme de surface continue plutôt que d’image volumique ; le logiciel J version 1.43 U peut être utilisé pour obtenir des rendus en surface destinés à un traitement ultérieur. Enfin, deux programmes, MeshLab version 1.31 et Netfabb Studio Basic 4.9, peuvent être utilisés simultanément pour supprimer les maillages excédentaires, assembler les maillages déconnectés, réparer les trous, puis lisser le maillage final. Les principales différences entre ces deux programmes résident dans les ensembles d’outils mis à disposition de l’utilisateur ainsi que dans certains aspects du contrôle de la navigation dans l’interface.Il s'agit tous deux de logiciels de modélisation en maillage 3D, et leur utilisation combinée offre l'approche la plus simple pour modifier le modèle. Veillez à enregistrer le fichier au format STL lors de l'utilisation de MeshLab. Pour imprimer le modèle de CT, ouvrez tout d'abord le fichier STL généré lors des étapes précédentes dans le logiciel ReplicatorG.Replicator G est un programme de MakerBot Industries utilisé pour communiquer avec l'imprimante, situé dans le coin inférieur droit du menu logiciel. Cliquez sur l'option d'échelle, puis sélectionnez Remplir l'espace de construction. Ensuite, sélectionnez Rotation, puis cliquez sur Poser à plat.Ensuite, cliquez sur « centrer » pour les modèles comportant des détails fins. Sélectionnez également l'option « remplir la plateforme de construction » pour agrandir le modèle. Puis, dans le même menu, cliquez sur « déplacer », puis sélectionnez « placer sur la plateforme ».Une fois l'orientation appropriée obtenue, sélectionnez « générer le code G » dans la barre de menu supérieure. Une fenêtre contenant les options d'impression apparaîtra alors à l'écran. Sélectionnez ensuite l'extrudeur qui fournira le filament pour imprimer l'objet, soit celui de gauche, soit celui de droite.Cochez également. Utilisez le support de radeau dans le menu déroulant intitulé Utiliser le matériau de support. Assurez-vous de sélectionner l'option de support complet.Ensuite, sélectionnez « générer le G code ». Une boîte contextuelle affichant la progression de la génération du G code apparaîtra maintenant. Une fois la génération du G code terminée, sélectionnez « construire dans un fichier » pour une utilisation avec une carte SD, puis enregistrez le fichier généré à cette étape sur une carte mémoire SD. Pour le transfert, insérez cette carte SD dans le maker bot.Ensuite, utilisez le clavier du maker bot pour sélectionner l'impression depuis la carte SD et choisissez le nom de fichier souhaité. À ce stade, le maker bot commence automatiquement à se préchauffer pour imprimer l'objet. Ici, nous pouvons voir une vidéo accélérée montrant le maker bot en train d'imprimer le modèle 3D à partir d'un jeu de données CT afin d'effectuer l'impression.À l'aide du service en ligne Shapeways, commencez par créer un compte gratuit sur le site Web de Shapeways. Ensuite, le fichier STL précédemment généré peut être directement téléchargé. Sélectionnez un titre pour le fichier téléchargé.Ensuite, sélectionnez une unité de mesure dans le menu déroulant qui apparaît. Sélectionnez maintenant le modèle de téléchargement. Une fois le fichier téléchargé, le site web prendra quelques minutes pour traiter le fichier afin de s'assurer qu'il peut être imprimé.Le modèle sera disponible pour impression sur la page Mes modèles après environ 10 minutes. Dans l'exemple de scène présenté ici, la sélection blanche rigide et souple a été utilisée pour imprimer les structures squelettiques, et la sélection violette rigide et souple a été utilisée pour imprimer le tissu pulmonaire. Le fichier STL peut également être imprimé à l'aide d'une imprimante tridimensionnelle commerciale haute résolution, telle que la Projet HD 3000.Pour utiliser ce système, le fichier STL doit d'abord être chargé dans le format propriétaire du système 3D afin d'organiser le travail sur la plateforme. Cela nécessite de modifier l'orientation du modèle pour minimiser à la fois l'utilisation du support en cire et la durée d'impression. Enregistrez ce fichier, envoyez-le par voie électronique à l'imprimante, puis chargez une plateforme en aluminium dans l'imprimante.Le projet HD 3000 va ensuite commencer à imprimer l'objet en 3D, comme illustré ici. Une fois l'impression terminée, retirez le modèle de la plateforme et placez-le dans un four à environ 73 degrés Celsius. Cela fera fondre la cire de support du modèle.Enfin, retirez soigneusement l'objet du four pendant qu'il est encore chaud et essuyez-le avec un chiffon Kim. Cela éliminera toute cire résiduelle à la surface de l'objet. Ici, nous pouvons voir les produits finaux obtenus par trois méthodes d'impression du même jeu de données de CT de rat in vivo.Les trois modèles sont constitués d'une structure squelettique recadrée et de poumons amovibles, imprimés séparément puis assemblés. Le modèle présenté ici est le résultat de l'impression réalisée par l'imprimante haute résolution proje HD 3000, à l'aide de plastique acrylique translucide. Bien que cet objet ait été produit par une entreprise tierce, Shapeways Incorporated, dans laquelle la structure squelettique a été imprimée en plastique blanc nylon 12, tandis que les structures respiratoires ont été fabriquées en violet, ces modèles ont été imprimés à l'échelle, mesurant environ 11 centimètres de longueur.Cet objet a été fabriqué à l’aide de la MakerBot en raison des limites de résolution de cette imprimante. Le modèle a été agrandi, produisant un objet de 21 centimètres de longueur. Nous voyons ici les produits finaux de chaque méthode d’impression pour le jeu de données de CT de crâne de lapin ex vivo.Les trois objets ont été imprimés à l'échelle et mesurent environ 8,5 centimètres de longueur. Ici, nous voyons les produits finaux obtenus par deux méthodes d'impression. Un jeu complet de données de CT in vivo du rat. Les deux modèles comprennent une structure squelettique complète, à l'exception de la queue, ainsi que des poumons amovibles.Ces deux modèles ont été imprimés à l'échelle réelle. Notez que, en raison des détails complexes requis, le squelette complet n'a pas pu être imprimé avec le MakerBot Replicator. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d'utiliser la technologie d'impression 3D pour créer des modèles anatomiques complexes dérivés de jeux de données de tomodensitométrie à rayons X.

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Research

Recherche

JoVE Journal

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Biologie

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Non-invasive visualisation 3D avec résolution submicronique utilisant synchrotron à rayons X-tomographie

Visualisation de volume non destructifs peuvent être atteints que par des techniques tomographiques, dont le plus efficace est la tomographie aux rayons X micro ordinateur (TAO).

High Resolution Imaging 3D des Ex-Vivo Échantillons biologiques par Micro CT

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