Questo metodo dimostra un flusso di lavoro di stampa 3D basato su voxel, che stampa direttamente da immagini mediche con esatta fedeltà spaziale e risoluzione spaziale / di contrasto. Ciò consente il controllo preciso e graduato delle distribuzioni dei materiali attraverso materiali morfologicamente complessi e graduati correlati alla radiodensità senza perdita o alterazione dei dati.
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Articolo metodologico
Anatomia della stampa Voxel: progettazione e fabbricazione di modelli di pianificazione realistici e prechirurgici tramite stampa bitmap
In questo articolo
Sommario
Abstract
La maggior parte delle applicazioni della stampa tridimensionale (3D) per la pianificazione prechirurgica sono state limitate a strutture ossee e semplici descrizioni morfologiche di organi complessi a causa delle limitazioni fondamentali in termini di accuratezza, qualità ed efficienza dell'attuale paradigma di modellazione. Ciò ha in gran parte ignorato i tessuti molli critici per la maggior parte delle specialità chirurgiche in cui l'interno di un oggetto è importante e i confini anatomici passano gradualmente. Pertanto, le esigenze dell'industria biomedica di replicare il tessuto umano, che mostra più scale di organizzazione e diverse distribuzioni dei materiali, richiedono nuove forme di rappresentazione.
Qui viene presentata una nuova tecnica per creare modelli 3D direttamente da immagini mediche, che sono superiori nella risoluzione spaziale e di contrasto agli attuali metodi di modellazione 3D e contengono fedeltà spaziale precedentemente irraggiungibile e differenziazione dei tessuti molli. Sono inoltre presentate misurazioni empiriche di nuovi compositi prodotti in modo additivo che coprono la gamma di rigidità del materiale osservate nei tessuti biologici molli da risonanza magnetica e TC. Questi esclusivi metodi di progettazione volumetrica e di stampa consentono una regolazione deterministica e continua della rigidità e del colore del materiale. Questa capacità consente un'applicazione completamente nuova della produzione additiva alla pianificazione prechirurgica: il realismo meccanico. Come complemento naturale ai modelli esistenti che forniscono la corrispondenza dell'aspetto, questi nuovi modelli consentono anche ai professionisti medici di "sentire" le proprietà del materiale spazialmente variabili di un simulante tissutale, un'aggiunta critica a un campo in cui la sensazione tattile gioca un ruolo chiave.
Introduzione
Attualmente, i chirurghi studiano numerose modalità di imaging 2-dimensionale (2D) discrete che visualizzano dati distinti per pianificare le operazioni su pazienti 3D. Inoltre, la visualizzazione di questi dati su uno schermo 2D non è pienamente in grado di comunicare l'intera portata dei dati raccolti. Con l'aumentare del numero di modalità di imaging, la capacità di sintetizzare più dati da modalità distinte, che presentano più scale di organizzazione, richiede nuove forme di rappresentazione digitale e fisica per condensare e curare le informazioni per una pianificazione chirurgica più efficace ed efficiente.
I modelli stampati in 3D e specifici per il paziente sono emersi come un nuovo strumento diagnostico per la pianificazione chirurgica che ha dimostrato di ridurre i tempi operativi e le complicanze chirurgiche1. Tuttavia, il processo richiede molto tempo a causa del metodo di stereolitografia standard (STL) della stampa 3D, che mostra una perdita visibile di dati e rende gli oggetti stampati come materiali solidi, omogenei e isotropi. Di conseguenza, la stampa 3D per la pianificazione chirurgica è stata limitata a strutture ossee e semplici descrizioni morfologiche di organi complessi2. Questa limitazione è il risultato di un paradigma di produzione obsoleto guidato dai prodotti e dalle esigenze della rivoluzione industriale, in cui gli oggetti fabbricati sono completamente descritti dai loro confini esterni3. Tuttavia, le esigenze dell'industria biomedica di replicare il tessuto umano, che mostra più scale di organizzazione e diverse distribuzioni dei materiali, richiedono nuove forme di rappresentazione che rappresentino le variazioni dell'intero volume, che cambiano punto per punto.
Per risolvere questo problema, è stata sviluppata una tecnica di visualizzazione e modellazione 3D (Figura 1) abbinata a un nuovo processo di produzione additiva che consente un maggiore controllo sulla miscelazione e la deposizione di resine in altissima risoluzione. Questo metodo, chiamato stampa bitmap, replica l'anatomia umana stampando in 3D direttamente da immagini mediche a un livello di fedeltà spaziale e risoluzione spaziale / di contrasto della tecnologia di imaging avanzata che si avvicina a 15 μm. Ciò consente il controllo preciso e graduale necessario per replicare le variazioni nei tessuti molli morfologicamente complessi senza perdita o alterazione dei dati provenienti dalle immagini di origine diagnostica.
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Protocollo
NOTA: il software 3D Slicer Medical Image Computing4 (vedere la tabella dei materiali) è stato utilizzato per il lavoro completato nelle sezioni da 1 a 3.
1. Inserimento dati
- Aprire il software di elaborazione di immagini mediche, fare clic sul pulsante File e DICOM dal menu a discesa e attendere l'apertura della finestra di DICOM Browser .
- Nella finestra DICOM Browser , selezionare Importa. Attendere la visualizzazione della finestra popup Importa file DICOM dalla directory .
- Passare allo stack di file DICOM e fare clic sul pulsante Importa .
- Assicurarsi che lo stack selezionato di file DICOM sia caricato nel browser DICOM. Assicurarsi che i dati siano stati popolati correttamente e corrispondano allo studio desiderato nelle seguenti categorie: Paziente, Studio, Serie e Istanza.
- Fare clic sulla casella di controllo Avanzate per attivare metadati aggiuntivi. Selezionare il numero di serie desiderato e fare clic sul pulsante Esamina . Assicurarsi che la sequenza desiderata non visualizzi avvisi. Fare clic sulla casella di controllo accanto al file di dati DICOM desiderato | Carica.
NOTA: selezionare le immagini a più alta risoluzione con l'acquisizione della fetta più sottile poiché questo metodo è in grado di stampare a 15 μm e 27 μm di spessore della fetta.
- Fare clic sulla casella di controllo Avanzate per attivare metadati aggiuntivi. Selezionare il numero di serie desiderato e fare clic sul pulsante Esamina . Assicurarsi che la sequenza desiderata non visualizzi avvisi. Fare clic sulla casella di controllo accanto al file di dati DICOM desiderato | Carica.
- Per il rendering del volume, una volta caricata la sequenza nel software di elaborazione delle immagini mediche, passare a Moduli e selezionare Modulo di rendering del volume dal menu a discesa.
- Nel modulo Rendering volume , selezionare il nome della sequenza dal menu a discesa Volume per attivare lo stack di immagini e tradurre i dati in un volume voxelizzato. Assicurarsi che il nome del modulo attivo corrisponda alla sequenza desiderata selezionata nel passaggio 1.1.3.1.
- Fare clic sull'icona Eye Ball accanto al menu a discesa Volume per visualizzare il volume selezionato in 3D. Assicurarsi che la finestra di visualizzazione 3D sia aperta e che sia visibile una rappresentazione 3D in scala di grigi.
- Quindi, fai clic sulla freccia accanto a Avanzate per aprire Strumenti avanzati. Selezionate la scheda Proprietà volume (Volume Property ) per aprire una serie di controlli per modificare il canale colore del modello voxel.
- Passare al menu Mappatura opacità scalare . Fare clic con il pulsante sinistro del mouse nel campo per creare punti in cui i valori di intensità saranno definiti dall'opacità. Posiziona i punti lungo questa scala per visualizzare l'anatomia di interesse.
NOTA: la posizione destra-sinistra del punto è correlata all'intervallo dei valori di intensità dell'immagine e la posizione su-giù si riferisce all'opacità. - Passare al menu Mappatura colori scalare . Fare clic con il pulsante sinistro del mouse nel campo per creare punti e specificare i colori correlati ai valori di intensità. Fare doppio clic nel campo per aprire una finestra Seleziona colore per modificare le informazioni sul colore.
2. Manipolazioni
NOTA: È necessaria una fase di mascheramento se l'anatomia è sufficientemente complessa, al punto in cui sono presenti tessuti circostanti e dati estranei dopo modifiche alle proprietà del volume.
- Passare a Moduli e selezionare l'Editor segmenti dal menu a discesa. Assicurarsi che vengano visualizzate le barre degli strumenti dell'Editor segmenti .
- Passare al menu a discesa Segmentazione e selezionare Crea nuova segmentazione come. Digitare un nome personalizzato per la segmentazione dalla finestra popup Rinomina segmentazione e fare clic su OK.
- Passare all'elenco a discesa Volume master e selezionare il volume attivo, che avrà lo stesso nome del rendering del volume. Quindi, fai clic sul pulsante Aggiungi direttamente sotto il menu a discesa. Assicurarsi che il contenitore del segmento sia stato creato nel campo sottostante.
- Accedete al pannello degli strumenti effetti qui sotto e selezionate lo strumento Forbici . Vai al menu Forbici e seleziona Riempi all'interno, Forma libera e Illimitato. Quindi, passa il mouse sopra la finestra 3D, fai clic con il pulsante destro del mouse e tieni premuto mentre disegni intorno all'area da cancellare. Assicurati che appaia una fascia colorata, che mostri ciò che è stato coperto. Ripetere questa procedura fino a coprire tutte le aree da eliminare.
NOTA: esistono estensioni, ad esempio Segment Editor Extra Effects, che possono essere scaricate nel software di elaborazione di immagini mediche, contenenti strumenti per la creazione di questa segmentazione. - Quindi, selezionare lo strumento Volume maschera dal menu Effetti . Seleziona Seleziona all'interno per eliminare tutti i dati dell'immagine coperti dal segmento. Quindi, modificate il valore di riempimento in modo che sia -1000, che è uguale ad aria o vuoto, nella scala unitaria di Hounsfield. Infine, premi Applica e fai clic su Eye Ball accanto al volume di uscita per mostrare il nuovo volume mascherato.
- Passare a Moduli e selezionare Rendering volume dal menu a discesa. Fare clic sul bulbo oculare accanto al volume attivo per disattivare la visualizzazione.
- Quindi, dal menu a discesa, selezionare il volume mascherato appena creato. Fare clic sul bulbo oculare per attivare il volume.
- Infine, vai al menu Input e apri il menu a discesa Proprietà . Selezionare la proprietà Volume creata nel passaggio 1.2.5. Assicurarsi che il volume nella vista 3D sia mascherato e codificato a colori.
3. Affettatura
NOTA: questo processo ignora il metodo di stampa 3D tradizionale inviando i file slice direttamente alla stampa 3D anziché a un file mesh STL. Nei passaggi seguenti, le sezioni verranno create dal rendering del volume. Il modulo Bitmap Generator è un'estensione personalizzata. Questo può essere scaricato da Extensions Manager.
- Passare a Moduli, selezionare Slicerfab dal menu a discesa. Assicurarsi che siano presenti i menu Parametri di stampa e Parametri di output .
- Nell'elenco a discesa Parametri stampante , assicurarsi che la risoluzione X sia impostata su 600 DPI e che la risoluzione Y sia impostata su 300 DPI. Assicurarsi che lo spessore dello strato sia impostato su 27 μm.
- Quindi, aprite il menu Parametri di output e modificate la scala del modello finale in base alle esigenze.
- Infine, selezionate un percorso di file per le sezioni da salvare e fate clic su Genera.
NOTA: il completamento di questo passaggio può richiedere alcuni minuti.
4. Dithering
NOTA: Adobe Photoshop (vedere la tabella dei materiali) è stato utilizzato per il lavoro completato nella sezione 4.
- Apri il software di modifica delle immagini e fai clic su File e seleziona Apri dal menu a discesa. Passare alla prima immagine dello stack di file PNG creato nel passaggio precedente e fare clic sul pulsante Apri .
- Passare a Finestra e selezionare Azioni dal menu a discesa. Nel menu Azioni , fare clic su Nuova azione, immettere un nome personalizzato e selezionare OK. Assicurarsi che l'azione venga registrata controllando che il pulsante Registra sia attivo e rosso.
- Una volta caricata l'immagine, passare a Immagine | Modalità | Colore indicizzato. Nella finestra Indice , selezionare dal menu a discesa Percettivo locale e specificare il numero di colori come 8.
- Nel menu Forzato , selezionare Personalizzato. Fare clic sui primi due quadrati, attendere la visualizzazione della finestra Colore personalizzato e selezionare una tavolozza di colori personalizzata. Selezionare 100% magenta e assicurarsi che C, Y e K siano impostati su 0.
- Ripeti questo processo e assicurati che ci siano due quadrati dedicati al 100% C, Y e K.
- Nel menu Opzioni , per Mascherino, selezionare Personalizzato dal menu a discesa. Per Dithering, selezionare Diffusione e per Quantità selezionare 100%. Infine, fare clic su OK.
- Passare al menu Azione e fare clic sul pulsante quadrato per interrompere la registrazione. Chiudere la finestra attiva e fare clic su No nella finestra popup salva modifiche .
- Passare a File | Automatizza | Lotto. Nella finestra popup Batch , passare al menu a discesa Azione e selezionare l'azione creata nel passaggio precedente. Quindi, nel menu Sorgente , fare clic sul pulsante Scegli e passare alla cartella delle immagini esportate nel passaggio 3.1.3. Nel menu Destinazione fare clic sul pulsante Scegli , selezionare un percorso della cartella di destinazione per i nuovi file e fare clic su OK.
5. Stampa Voxel
NOTA: Stratasys GrabCAD5 è stato utilizzato per il lavoro completato nella sezione 5.
- Aprire il software di stampa, fare clic su App e avviare Voxel Print Utility dal menu a discesa.
- Nella casella di testo Prefisso file slice immettere il prefisso dello stack di file PNG. Quindi, fare clic sul pulsante Seleziona e passare alla cartella in cui si trova lo stack di file PNG e fare clic su OK.
- In Intervallo sezioni verificare che La prima sezione e il numero di sezioni corrispondano al numero di file nella cartella creata.
- In Parametri di sezionamento verificare che lo spessore affettato (mm) corrisponda alle impostazioni specificate nel passaggio 3.1.1.1 e la larghezza della sezione (pixel) e l'altezza della sezione (pixel) corrispondano alla larghezza e all'altezza dei file PNG.
- In Colore di sfondo, assicurati che lo sfondo corrisponda al colore di sfondo, impostato per non stampare. Una volta completato, fai clic sul pulsante Avanti .
- Nella pagina Strumenti in Mappatura materiali, selezionare il materiale dal menu a discesa da mappare al colore associato, derivato dai file PNG. Ripeti questa procedura per ogni colore nel menu. Quindi, fai clic su Fine | OK nella finestra popup Info Gcvf creazione riuscita.
- Nel software di stampa del computer host, fare clic su File | Importa file dal menu a discesa. Passare al file Gcvf e fare clic su Carica. Nella schermata principale, selezionare Stampa.
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Risultati
Un risultato positivo, come mostrato nella Figura 2 e nella Figura 3, sarà una traduzione diretta del rendering del volume come definito nei passaggi 1.2.5 o 2.1.1.4. Il modello finale deve corrispondere visivamente al rendering del volume in termini di dimensioni, forma e colore. Lungo questo processo, ci sono numerosi passaggi in cui può verificarsi un errore, che influenzerà una o più delle proprietà sopra elencate.
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Discussione
L'attuale quadro rappresentativo che la maggior parte, se non tutti, gli strumenti di modellazione digitale impiegano oggi si traduce nel formato di file STL8. Tuttavia, la natura specifica di questo paradigma si è dimostrata inadeguata quando si cerca di esprimere la struttura granulare o gerarchica di materiali naturali più complessi. Con l'arrivo delle recenti tecniche di produzione additiva come la stampa 3D multimateriale, è possibile produrre oggetti altamente sintonizzati e altamente ottimi...
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Dichiarazioni
N.J. è autore di una domanda di brevetto depositata dall'Università del Colorado Regents che descrive metodi come quelli descritti in questo lavoro (domanda n. US16/375.132; numero di pubblicazione US20200316868A1; depositato il 04 aprile 2019; pubblicato l'8 ottobre 2020). Tutti gli altri autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
Ringraziamenti
Ringraziamo AB Nexus e lo Stato del Colorado per il loro generoso sostegno alla nostra ricerca scientifica sulla stampa voxel per la pianificazione prechirurgica. Ringraziamo L. Browne, N. Stence e S. Sheridan per aver fornito i set di dati utilizzati in questo studio. Questo studio è stato finanziato dall'AB Nexus Grant e dallo State of Colorado Advanced Industries Grant.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Piattaforma di elaborazione delle immagini 3D Slicer | Slicer.org | versione 4.10.2 4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet Stampante 3D | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
Riferimenti
- 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).
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