הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

אנטומיה של הדפסת Voxel: עיצוב וייצור של מודלים מציאותיים של תכנון פרה-כירורגי באמצעות הדפסת מפת סיביות

2.8K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/63214

⸱

9 בפברואר 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Inworks Innovation Initiative, University of Colorado-Anschutz, 2Department of Mechanical Engineering, University of Colorado-Boulder

במאמר זה

סיכום

שיטה זו מדגימה זרימת עבודה של הדפסה תלת-ממדית מבוססת voxel, המודפסת ישירות מתמונות רפואיות עם נאמנות מרחבית מדויקת ורזולוציה מרחבית/ניגודית. זה מאפשר שליטה מדויקת, מדורגת של הפצות חומר באמצעות חומרים מורכבים מורפולוגית, מדורגים בקורלציה רדיוטנציה ללא אובדן או שינוי של נתונים.

תקציר

רוב היישומים של הדפסה תלת-ממדית (תלת-ממדית) לתכנון פרה-כירורגי הוגבלו למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים בשל המגבלות הבסיסיות של דיוק, איכות ויעילות של פרדיגמת הדוגמנות הנוכחית. זה התעלם במידה רבה מהרקמה הרכה הקריטית לרוב ההתמחויות הכירורגיות שבהן הפנים של אובייקט חשוב וגבולות אנטומיים עוברים בהדרגה. לכן, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג.

מוצגת כאן טכניקה חדשנית ליצירת מודלים תלת-ממדיים ישירות מתמונות רפואיות, אשר עדיפים ברזולוציה מרחבית וניגודית לשיטות הדוגמנות התלת-ממדיות הנוכחיות ומכילים נאמנות מרחבית בלתי ניתנת להשגה בעבר ובידול רקמות רכות. כמו כן מוצגים מדידות אמפיריות של רומן, מרוכבים המיוצרים בתוסף המשתרעים על מכלול הנוקשות החומריות הנראות ברקמות ביולוגיות רכות מ- MRI ו- CT. שיטות עיצוב והדפסה נפחיות ייחודיות אלה מאפשרות התאמה דטרמיניסטית ומתמשכת של נוקשות וצבע החומר. יכולת זו מאפשרת יישום חדש לחלוטין של ייצור תוספים לתכנון טרום-כירורגי: ריאליזם מכני. כהשלמה טבעית למודלים קיימים המספקים התאמת מראה, מודלים חדשים אלה מאפשרים גם לאנשי מקצוע רפואיים "להרגיש" את התכונות החומריות השונות מבחינה מרחבית של סימולציה של רקמה - תוספת קריטית לתחום שבו תחושת המישוש משחקת תפקיד מפתח.

מבוא

נכון לעכשיו, מנתחים חוקרים מספר רב של שיטות הדמיה דו-ממדיות נפרדות (2D) המציגות נתונים ברורים לתכנון פעולות על חולים תלת-ממדיים. יתר על כן, צפייה בנתונים אלה במסך דו-ממדי אינה מסוגלת באופן מלא לתקשר את מלוא היקף הנתונים שנאספו. ככל שמספר שיטות ההדמיה גדל, היכולת לסנתז יותר נתונים משיטות שונות, המציגות סולמות ארגון מרובים, מחייבת צורות חדשות של ייצוג דיגיטלי ופיזי כדי לדחוס ולאצור מידע לתכנון כירורגי יעיל ויעיל יותר.

מודלים המודפסים בתלת-ממד, ספציפיים למטופל, התגלו ככלי אבחון חדש לתכנון כירורגי שהוכח כמפחית את זמן ההפעלה והסיבוכים הניתוחיים1. עם זאת, התהליך גוזל זמן רב בשל שיטת הסטרייאוליטוגרפיה הסטנדרטית (STL) של הדפסה בתלת-ממד, המציגה אובדן גלוי של נתונים ומעבדת אובייקטים מודפסים כחומרים מוצקים, הומוגניים ואיזוטרופיים. כתוצאה מכך, הדפסה בתלת-ממד לתכנון כירורגי הוגבלה למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים2. מגבלה זו היא תוצאה של פרדיגמת ייצור מיושנת המונחת על ידי המוצרים והצרכים של המהפכה התעשייתית, שבה חפצים מיוצרים מתוארים במלואם על ידי הגבולות החיצוניים שלהם3. עם זאת, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג המייצגות את הווריאציות על פני הנפח כולו, המשתנות נקודה אחר נקודה.

כדי לטפל בבעיה זו, פותחה טכניקת הדמיה ומודל תלת-ממדית (איור 1) בשילוב עם תהליך ייצור חדשני ותוסף המאפשר שליטה רבה יותר על הערבוב והתצהיר של שרפים ברזולוציה גבוהה במיוחד. שיטה זו, הנקראת הדפסת מפת סיביות, משכפלת את האנטומיה האנושית על ידי הדפסת תלת-ממד ישירות מתמונות רפואיות ברמה של נאמנות מרחבית ורזולוציה מרחבית/ניגודית של טכנולוגיית הדמיה מתקדמת המתקרבת ל-15 מיקרומטר. זה מאפשר את השליטה המדויקת והמדרגת הנדרשת כדי לשכפל וריאציות ברקמה רכה מורכבת מורפולוגית ללא אובדן או שינוי של נתונים מתמונות מקור אבחון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: 3D Slicer רפואי תמונה מחשוב תוכנה4 (ראה טבלת החומרים) שימש עבור העבודה הושלמה בסעיפים 1 עד 3.

1. קלט נתונים

  1. פתח את תוכנת מחשוב התמונה הרפואית, לחץ על לחצן קובץ ו- DICOM מהתפריט הנפתח והמתן לפתיחת החלון של דפדפן DICOM .
    1. בחלון דפדפן DICOM , בחר ייבוא. המתן להופעת החלון המוקפץ ייבוא קבצי DICOM ממדריך כתובות .
    2. נווט אל מחסנית הקבצים של DICOM ולחץ על לחצן יבא .
    3. ודא שהערימה שנבחרה של קבצי DICOM נטענת בדפדפן DICOM. ודא שהנתונים אוכלסו כראוי ויתאימו למחקר הרצוי בקטגוריות הבאות: מטופל, מחקר, סדרות ומופע.
      1. לחץ על תיבת הסימון מתקדם כדי להפעיל מטה-נתונים נוספים. בחר את מספר הסידרה הרצוי ולחץ על לחצן בדוק . ודא שהרצף הרצוי אינו מציג אזהרות. לחץ על תיבת הסימון לצד קובץ נתוני DICOM הרצוי | טען.
        הערה: בחר את התמונות ברזולוציה הגבוהה ביותר עם רכישת הפרוסה הדקה ביותר מכיוון ששיטה זו מסוגלת להדפיס בעובי פרוסה של 15 מיקרומטר ו-27 מיקרומטר.
  2. לעיבוד אמצעי אחסון, לאחר טעינת הרצף לתוכנת מחשוב התמונה הרפואית, נווט אל מודולים ובחר מודול עיבוד אמצעי אחסון מהתפריט הנפתח.
    1. במודול עיבוד אמצעי אחסון , בחר את שם הרצף מהתפריט הנפתח עוצמת קול כדי להפעיל את מחסנית התמונות ולתרגם את הנתונים לאמצעי אחסון שעבר voxelized. ודא ששם המודול הפעיל תואם לרצף הרצוי שנבחר בשלב 1.1.3.1.
    2. לחצו על הסמל 'כדור עיניים' לצד הרשימה הנפתחת 'עוצמת קול' כדי להציג באופן חזותי את עוצמת הקול שנבחרה בתלת-ממד. ודאו שחלון התצוגה התלת-ממדית פתוח וייצוג תלת-ממדי בגווני אפור יהיה גלוי.
    3. לאחר מכן, לחץ על החץ לצד מתקדם כדי לפתוח את הכלים המתקדמים. בחר בכרטיסיה מאפייני עוצמת קול כדי לפתוח קבוצת פקדים לשינוי ערוץ הצבע של דגם voxel.
    4. נווט אל תפריט מיפוי האטימות הסקלרית . לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני בשדה כדי ליצור נקודות שבהן ערכי עוצמה יוגדרו על-ידי אטימות. מקם נקודות לאורך סולם זה כדי לדמיין את האנטומיה של עניין.
      הערה: המיקום הימני-שמאלי של הנקודה מתואם לטווח ערכי העוצמה של התמונה, והמיקום למעלה-למטה מתייחס לאטימות.
    5. נווט אל תפריט מיפוי צבעים סקלרי . לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני בשדה כדי ליצור נקודות ולציין צבעים המותאמים לערכי עוצמה. לחץ פעמיים בשדה כדי לפתוח חלון בחירת צבע כדי לשנות מידע צבע.

2. מניפולציות

הערה: נדרש שלב מיסוך אם האנטומיה מורכבת מספיק, עד לנקודה שבה רקמות ונתונים זרים שמסביב נמצאים לאחר שינויים במאפייני אמצעי האחסון.

  1. נווט אל מודולים ובחר בעורך פלחי השוק מהתפריט הנפתח. ודא שסרגלי הכלים של עורך המקטעים מופיעים.
    1. נווט אל הרשימה הנפתחת פילוח ובחר צור פילוח חדש בשם. הקלד שם מותאם אישית עבור הפילוח מהחלון המוקפץ שנה שם פילוח ולחץ על אישור.
    2. נווט אל הרשימה הנפתחת של אמצעי האחסון הראשי ובחר באמצעי האחסון הפעיל, שיהיה בעל שם זהה לזה של עיבוד אמצעי האחסון. לאחר מכן, לחץ על לחצן הוסף ישירות מתחת לרשימה הנפתחת. ודא שהגורם המכיל של פלח השוק נוצר בשדה שלהלן.
    3. נווטו לחלונית כלי האפקטים למטה ובחרו בכלי מספריים . נווט לתפריט מספריים ובחר מלא בפנים, בצורה חופשית וללא הגבלה. לאחר מכן, רחף מעל חלון התלת-ממד, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני והחזק בעת ציור סביב האזור למחיקה. ודא שמופיעה רצועת צבע צבעונית, המציגה את מה שכוסה. חזור על תהליך זה עד שכל האזורים למחיקה יכוסו.
      הערה: ישנן הרחבות, כגון אפקטים נוספים של עורך המקטעים, שניתן להוריד לתוכנת מחשוב התמונות הרפואית, המכילות כלים ליצירת פילוח זה.
    4. לאחר מכן, בחרו בכלי אמצעי אחסון של מסיכה מתפריט 'אפקטים '. סמן /י את ״בחר בפנים״ כדי למחוק את כל נתוני התמונה המכוסים על-ידי פלח השוק. לאחר מכן, שנה את ערך המילוי כך שיהיה -1000, השווה לאוויר או לאריק, בסולם יחידות הונספילד. לבסוף, הקש החל ולחץ על כדור העיניים לצד עוצמת הקול של הפלט כדי להציג את עוצמת הקול החדשה עם מסיכה.
      1. נווט אל מודולים ובחר עיבוד אמצעי אחסון מהתפריט הנפתח. לחץ על כדור העיניים לצד אמצעי האחסון הפעיל כדי לבטל את הפריט החזותי.
      2. לאחר מכן, מהתפריט הנפתח, בחר באמצעי האחסון המסיכה החדש שנוצר. לחץ על כדור העיניים כדי להפעיל את עוצמת הקול.
      3. לבסוף, נווט לתפריט קלט ופתח את התפריט הנפתח מאפיינים . בחר במאפיין אמצעי האחסון שנוצר בשלב 1.2.5. ודאו שאמצעי האחסון בתצוגת התלת-ממד מוסווים ומקודדים בצבע.

3. חיתוך

הערה: תהליך זה עוקף את שיטת ההדפסה התלת-ממדית המסורתית על-ידי שליחת קובצי הפרוסה ישירות להדפסה בתלת-ממד במקום לקובץ רשת שינוי של STL. בשלבים הבאים, פרוסות ייווצרו מעיבוד אמצעי האחסון. מודול מחולל מפת הסיביות הוא הרחבה שנבנתה בהתאמה אישית. ניתן להוריד את זה ממנהל ההרחבות.

  1. נווט אל המודולים, בחר Slicerfab מהרשימה הנפתחת. ודא שהתפריטים פרמטרי הדפסה ופרמטרי פלט קיימים.
    1. תחת הרשימה הנפתחת פרמטרי מדפסת , ודא שרזולוציית X מוגדרת ל - 600 DPI ורזולוציית Y מוגדרת ל - 300 DPI. ודאו שעובי השכבה מוגדר ל-27 מיקרומטר.
    2. לאחר מכן, פתח את תפריט פרמטרי פלט ושנה את קנה המידה של המודל הסופי לפי הצורך.
    3. לבסוף, בחר מיקום קובץ לשמירת הפרוסות ולחץ על צור.
      הערה: שלב זה עשוי להימשך מספר דקות.

4. מיזוג צבעים

הערה: Adobe Photoshop (ראו טבלת החומרים) שימשה לעבודה שהושלמה בסעיף 4.

  1. פתח את התוכנה לעריכת תמונות ולחץ על קובץ ובחר פתח מהתפריט הנפתח. נווט אל התמונה הראשונה של מחסנית קבצי PNG שנוצרה בשלב הקודם ולחץ על לחצן פתח .
  2. נווט אל החלון ובחר פעולות מהתפריט הנפתח. בתפריט פעולות , לחץ על פעולה חדשה, הזן שם מותאם אישית ובחר אישור. ודא שהפעולה מוקלטת על-ידי בדיקה שלחצן הקלטה פעיל ואדום.
    1. לאחר טעינת התמונה, נווט אל תמונה | | מצב צבע סדור באינדקס. בחלון אינדקס , בחר מהתפריט הנפתח תפיסה מקומית וציין את מספר הצבעים שיהיו 8.
    2. בתפריט נכפה , בחר מותאם אישית. לחץ על שני הריבועים הראשונים, המתן עד שחלון הצבע המותאם אישית יופיע ובחר משטח צבע מותאם אישית. בחר 100% מגנטה וודא ש- C, Y ו - K מוגדרים כ - 0.
      1. חזור על תהליך זה וודא שיש שני ריבועים המוקדשים ל - 100% C, Y ו - K.
    3. בתפריט אפשרויות , עבור Matte, בחר מותאם אישית מהתפריט הנפתח. עבור מיזוג צבעים, בחר דיפוזיה ועבור סכום, בחר 100%. לבסוף, לחץ על אישור.
    4. נווט לתפריט פעולה ולחץ על לחצן הריבוע כדי להפסיק את ההקלטה. סגור את החלון הפעיל ולחץ על לא בחלון המוקפץ 'שמור שינויים '.
  3. ניווט | קבצים הפיכת | לאוטומטי אצווה. בחלון המוקפץ Batch , נווט אל הרשימה הנפתחת פעולה ובחר את הפעולה שנוצרה בשלב הקודם. לאחר מכן, תחת תפריט מקור , לחץ על לחצן בחר ונווט אל תיקיית התמונות שיוצאו בשלב 3.1.3. תחת תפריט יעד , לחץ על לחצן בחר , בחר מיקום תיקיית יעד עבור הקבצים החדשים ולחץ על אישור.

5. הדפסת Voxel

הערה: Stratasys GrabCAD5 שימש לעבודה שהושלמה בסעיף 5.

  1. פתח את תוכנת ההדפסה, לחץ על יישומים והפעל את כלי ההדפסה Voxel מהתפריט הנפתח.
    1. בתיבת הטקסט 'קידומת של פרוסת קבצים' , הזינו את הקידומת של מחסנית הקבצים PNG. לאחר מכן, לחץ על לחצן בחר ונווט לתיקיה שבה ממוקמת מחסנית קבצי PNG ולחץ על אישור.
    2. תחת טווח פרוסות, ודא שהפריסה הראשונה ומספר הפרוסות תואמים למספר הקבצים בתיקיה שנוצרה.
    3. תחת פרמטרי חיתוך, ודא שהעובי הפרוס (מ"מ) תואם להגדרות שצוינו בשלב 3.1.1.1.1 וברוחב פרוסה (פיקסלים) וגובה פרוסה (פיקסלים) תואמים לרוחב ולגובה של קבצי PNG.
    4. תחת צבע רקע, ודא שהרקע תואם לצבע הרקע, מוגדר לא להדפסה. לאחר השלמת, לחץ על לחצן הבא .
  2. בדף כלים תחת מיפוי חומרים, בחר את החומר מהתפריט הנפתח שיש למפות לצבע המשויך, הנגזר מקבצי PNG. חזור על תהליך זה עבור כל צבע בתפריט. לאחר מכן, לחץ על סיום | אישור בחלון המוקפץ יצירת Info Gcvf הצליחה.
  3. בתוכנת הדפסת המחשב המארח, לחץ על קובץ | יבא קובץ מהתפריט הנפתח. נווט אל קובץ Gcvf ולחץ על טען. במסך הראשי, בחר הדפס.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תוצאה חיובית, כפי שמוצג באיור 2 ובאיור 3, תהיה תרגום ישיר של עיבוד אמצעי האחסון כפי שהוגדר בשלבים 1.2.5 או 2.1.1.4. המודל הסופי אמור להתאים באופן חזותי לעיבוד אמצעי האחסון בגודל, בצורה ובצבע. לאורך תהליך זה, ישנם שלבים רבים שבהם עלולה להתרחש שגיאה, אשר ישפיעו על אחד או יותר מהמאפיינים המפורטים לעיל.

בעיות הקשורות לשינוי קנה המידה האחיד, כפי שמוצג באיור 4, של הדגמים המודפסים יכולות להיות ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

המסגרת הייצוגית הנוכחית שרוב כלי הדוגמנות הדיגיטליים, אם לא כולם, משתמשים בה כיום, גורמת לתבנית הקובץ STL8. עם זאת, האופי הספציפי של פרדיגמה זו הוכח כבלתי מספק כאשר מנסים לבטא את המבנה הגרעיני או ההיררכי של חומרים טבעיים מורכבים יותר. עם הגעתן של טכניקות ייצור התוסף האחרונות כגון הדפסה תלת-ממדית רב-חומרית, ניתן לייצר עצמים מכוונים מאוד וממוטבים במיוחד, המציגים מעברי חומר הדרגתיים לאורך כל נפחם. מאמר זה מצביע על כך שתהליך מבוסס voxel או bitmap מתאים יותר לייצוגים חומריים מורכבים ומספק טכניקה לתרגום...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

N.J. הוא מחבר על בקשת פטנט שהוגשה על ידי אוניברסיטת קולורדו חברי ההנהלה המתאר שיטות כמו אלה המתוארות בעבודה זו (בקשה לא. US16/375,132; פרסום לא. US20200316868A1; הוגש ב-4 באפריל 2019; פורסם ב-08 באוקטובר 2020). כל הסופרים האחרים מצהירים שאין להם אינטרסים מתחרים.

תודות

אנו מודים ל-AB נקסוס ולמדינת קולורדו על תמיכתם הנדיבה במחקר המדעי שלנו בהדפסת ווקסל לתכנון טרום-כירורגי. אנו מודים לל. בראון, נ. סטנס וס. שרידן על מתן ערכות נתונים המשמשות במחקר זה. מחקר זה מומן על ידי מענק AB נקסוס ומענק התעשיות המתקדמות של מדינת קולורדו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
פלטפורמת מחשוב תמונה פורס תלת מימדSlicer.orgגרסה 4.10.2– 4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet מדפסת תלת מימדStratasys
PhotoshopAdobe2021

מקורות

  1. 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).
  2. 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).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. 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).
  10. 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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

הדפסת תלת-ממד של דימויים רפואייםשחזור רקמות רכותרינדור נפחיסגמנטציה של DICOMמיפוי חומריםייצור תוספתיייצור מודלים אנטומיים
אנטומיה של הדפסת Voxel: עיצוב וייצור של מודלים מציאותיים של תכנון פרה-כירורגי באמצעות הדפסת מפת סיביות
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.