Name: La stampa 3D di preclinica X-tomografia computerizzata a raggi Data Set (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-03-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Scopri come creare modelli anatomici da dati CT preclinici utilizzando la stampa 3D in plastica. Questo metodo consente di visualizzare strutture scheletriche e tessuti molli con dettagli complessi per la ricerca biomedica.

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Ringraziamo calorosamente la Nanovic Istituto di studi europei, la famiglia Glynn Honors Program, Notre Dame Integrated Facility Imaging (NDIIF) e Carestream Health per il sostegno finanziario per questo progetto. La ricerca sullo sviluppo coniglio cranica supportato da NSF BCS-1029149 a MJR.

1. Animali <ol><li> Per i risultati di seguito riportati, un maschio Lobund-ratto Wistar di dieci mesi di età è stato ottenuto dalla vita Freimann Science Center, University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA). Un ex vivo New Zealand White Rabbit (Uomo, età = 8 settimane) campione cranio, conservato in formalina al 10%, è stato ottenuto dal laboratorio del Prof. Matteo Ravosa, Università di Notre Dame. </li><li> Per imaging in vivo, il ratto è stato anestetizzato da isofluorano (portata 2,5%) con manutenzione tramite un naso-cone sistema. L&#39;animale è stato posizionato prono sul letto ratto standard (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) in dotazione con la stazione immagine Albira. Gli arti sono stati posizionati laterale dal tronco di una acquisizione uniforme CT. </li><li> Dopo l&#39;acquisizione dell&#39;immagine è stata completata, il ratto è stato rimosso dal cono e restituito alla gabbia recupero fino ambulatoriale. </li><li> Per le scansioni del cranio coniglio, il campione è stato collocato nel letto rattoin un sacchetto di plastica sigillato contenente formalina. </li></ol> 2. Acquisizione di immagini e la ricostruzione <ol><li> In vivo ed ex acquisizioni Immagine Vivo sono stati effettuati utilizzando il sistema Albira CT (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). Il sistema è stato impostato per eseguire la scansione di un letto di 180 mm di lunghezza, eseguendo tre scansioni circolari (600 proiezioni per scansione), ognuna con un 65 mm FOV, che vengono poi cuciti insieme durante la ricostruzione. La sorgente di raggi X è stata impostata una corrente di 400 μA e tensione di 45 kVp, e usato un 0,5 mm Al filtro per indurire il fascio. Approssimativo equivalente dose di radiazioni profondo per le impostazioni TC è risultata di 660 mSv, e la dose equivalente bassa era 1.171 mSv. Queste dosi sono più di 10 volte inferiore a quello riportato valori della DL50. </li><li> Le immagini vengono ricostruite utilizzando il (proiezione di fondo filtrata) FBP algoritmo tramite la Suite Albira 5,0 Reconstructor con &quot;Standard&quot; parametri. Queste impostazioni di acquisizione combinata e produrre una ricostruzione final immagine con 0,125 millimetri voxel isotropico, ritenuto sufficiente per l&#39;analisi animale e la stampa 3D delle strutture anatomiche. </li></ol> 3. Elaborazione dei dati <ol><li> Caratteristiche scheletriche da TC possono essere stampati dai dati grezzi senza segmentazione. Tuttavia, la segmentazione dei tessuti molli è necessario prima di elaborare i dati per la stampa 3D. Qui vi mostriamo un esempio con tessuto polmonare. <ol><li> Apri MicroPET originale (formato dei dati per tutte le modalità relative al sistema Albira Imaging) file </li><li> Disegnare un volume di interesse (VOI) attorno al mouse in modo che tutto lo spazio esterno viene rimosso. </li><li> Sotto &#39;Maschera esterni selezionati VOI&#39; la &#39;VOI Strumenti&#39; scheda selezionare e impostare il valore di mascheramento di -1.000 unità Hounsfield (HU, scala radiodensity per CT), che effettivamente impostare lo spazio esterno al valore di densità CT dell&#39;aria. </li><li> Con tutto lo spazio esterno rimosso, nella scheda &quot;Strumenti&quot;, selezionare &#39;estero,&#39; quindi fare clic su discesafreccia e selezionare &#39;segmentazione&#39; </li><li> Imposta intervallo per -550 a -200 e fare clic su &#39;Ok&#39;. </li><li> Se il file è molto grande, selezionare la scheda &quot;Strumenti&quot;, selezionare &#39;Reduce&#39; ed eseguire il programma </li><li> Salva come analizzare il file </li></ol></li><li> I dati devono essere prima convertiti in formato DICOM utilizzando PMOD (PMOD Technologies LTD, Zurigo, Svizzera), il software di analisi. <ol><li> Aprire il pacchetto di elaborazione PMOD Software per immagini. </li><li> Lungo la riga superiore, selezionare la scheda Visualizza. </li><li> Nella barra degli strumenti in basso a destra mano, fare clic sulla freccia verso il basso Database etichettati sotto carico. </li><li> Selezionare MicroPET per i dati grezzi CT, o Analizza per il polmone segmentato. </li><li> Selezionare il file appropriato e fare clic su Aggiungi alla selezione. </li><li> Fare clic su Apri. </li><li> Nella barra degli strumenti in basso a destra mano, fare clic verso l&#39;altofreccia sotto Salva. </li><li> Da questo menu, selezionare il tipo di file DICOM. </li><li> Assegnare un nome al file e selezionare Salva. </li><li> Chiudere PMOD. </li></ol></li><li> DICOM dati contiene valori di densità volumetriche per ogni voxel. Per stampare questi dati, deve essere trattato in superficie contigua al posto di un volume. ImageJ v1.43u saranno utilizzati per ottenere rappresentazioni superficiali per un&#39;ulteriore elaborazione. <ol><li> Apri ImageJ Immagine software di elaborazione </li><li> Selezionare&gt; Importa file. </li><li> Selezionare Sequenza immagini. </li><li> Individuare il file che contiene il DICOM appena creato e selezionarlo. </li><li> Selezionare Plug-in&gt; 3D&gt; 3D Viewer. </li><li> Due finestre appariranno, il visualizzatore 3D apparirà una finestra e ADD. </li><li> In Visualizzazione come nel volume ADD finestra cambianoalla superficie. </li><li> Modificare il valore predefinito di Soglia a 210. </li><li> Fare clic su OK. </li><li> Nella barra del menu 3D Viewer, selezionare File&gt; Esporta come superfici WaveFront&gt;. </li><li> Assegnare un nome al file e fare clic su Salva. </li></ol></li><li> Due programmi, MeshLab v1.3.1 e Netfabb Studio di base 4.9, sarà contemporaneamente rimuovere eventuali maglie in eccesso, si uniscono reti sconnesse, fori di riparazione, e lisciare la mesh finale. Le principali differenze tra questi due programmi sono lo strumento imposta reso disponibile per l&#39;utente, e parte del controllo dell&#39;interfaccia di navigazione. Sono entrambi in mesh 3D programmi software di editing, e il loro uso fornisce insieme l&#39;approccio più semplice per la modifica del modello. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /> indica che queste azioni dovrebbero essere eseguite in MeshLab v1.3.1 <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /> indica che queste azioni dovrebbero essere eseguite in Netfabb Studio di base 4,9 <ol><li> Per importare maglie in software di editing: <ol><li> Aprire MeshLab v1.3.1 <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Dalla barra dei menu selezionare File&gt; Nuovo progetto vuoto. </li><li> SELCT File&gt; Importa Mesh. </li><li> Selezionare il file e fare clic su Apri. </li><li> Una volta che il file è caricato, una finestra di dialogo si aprirà. Mantenere Unificare vertici duplicati controllati, premere OK. <ol><li> Aprire Netfabb Studio di base 4.9. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Trascinare il file desiderato direttamente sullo schermo Netfabb Studio di base. </li></ol></li></ol></li><li> Per rimuovere maglia indesiderati dalla superficie: <ol><li> Dalla barra dei menu in MeshLab, selezionare Filtri&gt; Pulizia e manutenzione&gt; Rimuovi pezzi isolati (diametro WRT). <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Rimuovere isolate componenti collegati il ​​cui diametro è più piccolo del costante indicata. Inserisci un diametro massimo per questi componenti e fare clic su Applica. </li><li> A poco a poco, aumentare il diametro massimo per rimuovere grandi pezzi. Fare clic su Applica dopo ogni modifica diametro. </li></ol></li><li> Per partecipare a pezzi scollegati, i fori devono essere tagliate nelle maglie attuali nelle posizioni desiderate di un nuovo legame, e un ponte di rete must essere costruito tra. <ol><li> Utilizzare lo strumento di selezione, strumento settimo da sinistra nella barra dei menu, per selezionare i pezzi di rete che saranno tagliati fuori. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Elimina pezzi selezionati di rete con il pulsante Elimina Faces, lo strumento di terzo da sinistra nella barra dei menu. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. </li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina, Il quarto strumento da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, tredicesimo da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li></ol> Opzionale: alcuni triangoli creati può essere l&#39;orientamento errato. La seguente procedura può essere utilizzata per riorientare questi triangoli. <ol><li> Selezionare il pulsante selezionato flip Triangoli. </li><li> Clicca su una qualsiasi triangoli disorientati per ruotare tutti i triangoli nella direzione corretta. </li></ol></li><li> Acrateri riparazione e fori, fori intere e crateri devono essere rimossi e ponti devono essere costruiti su ciascun lato della maglia. <ol><li> Fare clic sullo strumento di selezione. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Selezionare il cratere o un buco da riempire. </li><li> Fare clic sul pulsante Elimina Faces. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina </st<html> rong&gt;, lo strumento quarto da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, tredicesimo da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li></ol></li><li> Laplaciano smoothing, l&#39;algoritmo di livellamento in MeshLab, viene utilizzato per agevolare il oggetto preservando l&#39;integrità strutturale del modello. <ol><li> Naviga Filtri&gt; Smoothing&gt; Carena e deformazione&gt; laplaciano Smooth.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg &quot;/&gt; </li><li> Selezionare un numero di iterazioni lisciatura. Più iterazioni si tradurrà in un modello uniforme, ma ogni iterazione degrada lentamente il volume del modello, che può risultare in pezzi sconnessi e spigoli vivi. 1-5 iterazioni sono raccomandati. </li><li> Premere OK. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina, il quarto strumento da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, thirteenth da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file finale e cambiare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li></ol></li></ol></li></ol> 4. Stampa <ol><li> Stampa con la MakerBot <ol><li> Aprire il file STL in ReplicatorG. ReplicatorG è un programma MakerBot Industries utilizzato per comunicare con il MakerBot. </li><li> Fare clic su Scala nel menu in basso a destra e selezionare a mano riempire lo spazio di costruzione! </li><li> Selezionare Ruota e fare clic su Lay Flat. </li><li> Fare clic su Centro. </li><li> Per i modelli con dettagli, selezionare riempire costruire la piattaforma di scalare fino modello. </li><li> Dallo stesso menu, fare clic su Sposta e selezionare Mettere sulla piattaforma. </li><li> Una volta che il corretto orientamento è stato raggiunto, selezionare Genera gcode dalla barra dei menu in alto. * Una finestra con le opzioni di stampa apparirà. </li><li> Selezionare l&#39;estrusore che fornirà il filamento per stampare l&#39;oggetto (sinistra o destra). </li><li> Selezionare Usa Raft / Assistenza. </li><li> Dal menu a discesa Supporto dirittosostegno materiale e, selezionare Supporto completo. </li><li> Selezionare Genera gcode. Una finestra pop-up che mostra il progresso del gcode apparirà. </li><li> Una volta che il gcode è stata completata, selezionare Crea un file per l&#39;utilizzo con scheda SD. </li><li> Fare clic su Salva. </li><li> Trascinare il file su una scheda SD. </li><li> Inserire la scheda SD nel MakerBot e utilizzando il tastierino di selezione Stampa MakerBot da SD. </li><li> In Stampa da SD, selezionare il nome del file desiderato. Il MakerBot inizierà automaticamente a warm-up per stampare l&#39;oggetto. </li></ol></li><li> Shapeways stampa <ol><li> Dopo aver creato un account gratuito con Shapeways, il file STL possono essere caricati direttamente sul sito Shapeways: <a href="http://www.shapeways.com/upload/" target="_blank">http://www.shapeways.com/upload/</a> </li><li> Fare clic su Carica e selezionare il STLfile. </li><li> Selezionare un titolo per il file caricato. </li><li> Selezionare un&#39;unità di misura dal menu a discesa. </li><li> Fare clic su Carica modello. </li><li> Il file è ora pronto per la stampa attraverso Shapeways. Una volta che il file è stato caricato Shapeways richiederà qualche minuto per elaborare il file per essere sicuri che si può effettivamente essere stampato. Sarete in grado di stampare il modello dalla pagina &quot;I miei modelli&quot; dopo una decina di minuti. </li><li> Il &quot;bianco forte e flessibile&quot; selezione è stata utilizzata per stampare strutture scheletriche, mentre &quot;viola flessibile forte&quot; è stato usato per il tessuto polmonare. </li></ol></li><li> ProJet HD 3000 stampa <ol><li> Il file STL possono essere stampati anche utilizzando uno spot ad alta risoluzione tridimensionale della stampante, come la HD ProJet 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Innovation Park, Notre Dame, IN, USA). </li><li> Il file STL viene caricato nel software 3D sistemi proprietari a disposizione il lavoro sulla piattaform. Questo richiede la modifica dell&#39;orientamento del modello intorno a minimizzare l&#39;uso del supporto cera e tempo di stampa. Questo file viene salvato. </li><li> Il lavoro viene poi elettronicamente inviato alla stampante. </li><li> Una piattaforma di alluminio viene caricato nella stampante e il ProJet HD 3000 inizia a stampare l&#39;oggetto. </li><li> Il modello viene quindi rimosso dalla piattaforma e messo in un forno a circa 73 ° C per sciogliere la cera supporto dal modello. </li><li> L&#39;oggetto viene rimosso caldo e pulito con un Kimwipe per rimuovere la cera rimanente superficie. </li></ol></li></ol>

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<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 è consulente per Carestream Molecular Imaging. Brian Stamile è un tecnico di supporto per le industrie MakerBot.

X-ray CT set di dati di un topo vivo Lobund-Wistar e un ex vivo Nuova Zelanda cranio coniglio bianco sono state utilizzate per dimostrare la fattibilità della produzione di oggetti 3D da dati biologici pre-clinici. I modelli sono stati generati utilizzando tre fonti differenza: 1) Il popolare MakerBot Replicator, 2) La terza parte dell&#39;azienda Shapeways Inc, e 3) L&#39;alta qualità commerciale ProJet HD 3000. Ogni stampante è in grado di generare oggetti che soddisfatto l&#39;obiettivo principio di una maggiore visualizzazione dei dati. Durante il processo di stampa di dati pre-clinici CT, i vantaggi e gli svantaggi di ciascun metodo di stampa sono stati accertati e riassunti per l&#39;utente finale. Il MakerBot Replicator è un poco costoso ($ 1.750) soluzione di banco che è accessibile a qualsiasi laboratorio di tutto il mondo. E &#39;in grado di stampare in diversi colori con ingressi a basso costo (una TAC ratto con i polmoni utilizzati circa $ 3,50 in plastica). Tuttavia, il MakerBot è limitato dalla risoluzione,e quindi alcuni modelli dovranno essere ingrandite per estrusione corretta e visualizzazione di struttura intesa. Shapeways Inc. fornisce un numero eccezionale di selezioni in materia di colore e materiale. I modelli sono ad alta risoluzione, e robusto. Anche se i loro prezzi sono di circa 10 volte superiore alla MakerBot su base unitaria (TA ratto con polmoni era 41,61 dollari), un utente può eseguire un numero limitato di posti di lavoro ed evitare il costo iniziale per l&#39;acquisto di una stampante. Le due settimane di tempo di consegna da Shapeways è uno svantaggio minore. Il ProJet HD 3000 fornito modelli di punta in termini di risoluzione e la forza. Siamo stati fortunati a contrarre la stampa dei nostri oggetti in HD ProJet 3000 a Innovation Park a Notre Dame (circa $ 30 per un CT ratto con polmoni per manodopera e materiali). Gli utenti possono avere difficoltà con accesso a questo tipo di apparecchiature come espresso nella gamma di $ 80.000, ed è ingombrante per stampare con più colori pure. Dal momento che ogni strumento / produttorefornisce una metrica diversa per descrivere la risoluzione per la stampa di oggetti (livello minimo di dettaglio Shapeways = 0,2 mm, spessore minimo delle pareti = 0,7 mm, 5 spessore di strato MakerBot = 0,2-0,3 mm con un ugello di 0,4 mm, 6 ProJet HD 3000 DPI = 656 x 656 x 800 con una precisione di 0,025-0,05 mm), una valutazione qualitativa di risoluzioni relative tra ogni sistema suggerisce che entrambi Shapeways e il sistema ProJet HD in grado di stampare in alto dettaglio in scala, mentre alcuni oggetti devono essere ampliata per l&#39;utilizzo con successo la MakerBot. Collettivamente, tutti e tre i metodi sono ecologici e fornire un mezzo conveniente per raggiungere la produzione facile di estremamente dettagliate pre-clinici raggi X modelli CT. Conclusione A poco a poco, la tecnologia di stampa 3D è diventata più accessibile come i costi e la complessità sono stati ridotti al minimo. 8, 9 Ora, letteralmente chiunque può stampare ad alta risoluzione, oggetti tridimensionali a partire da scavofile ital. Queste modalità di oggetti tridimensionali possono essere strumenti utili sia per gli educatori e ricercatori. Inoltre, forniscono un mezzo di comunicazione visivo che consente di raggiungere una comprensione più chiara. 10 Per esempio, i ricercatori medici possono utilizzare campioni o paziente-specifici modelli per migliorare la comunicazione e la comprensione con i loro colleghi e pazienti 11. Anche se la rappresentazione sugli schermi 2D ha percorso una lunga strada, non c&#39;è assolutamente alcun sostituto per l&#39;esperienza visiva e sensoriale del possesso di un oggetto reale che è in grado si terrà, ruotato, esaminato e spostati. Un modello accoppiato con una rappresentazione di dati elettronico è ancora più potente in quanto permette ai ricercatori di esaminare l&#39;oggetto fisico per le regioni di interesse, e di trovare le aree su un modello al computer per ulteriori analisi quantitativa. Con un&#39;adeguata raccolta di dati, il rendering di superficie, e la modifica stereolitografica, è possibile produrre rapidamente dettagliata, relatiVely modelli economici da X-ray dati CT. Qui, forniamo una dettagliata, passo dopo passo metodo per la produzione di un modello tridimensionale di dati pre-clinici per piccoli animali raccolti con una radiografia micro-CT. Abbiamo acquisito la nostra in vivo e ex vivo CT set di dati utilizzando una stazione immagine Albira, ed eseguito successiva lavorazione con PMOD, ImageJ, MeshLab e pacchetti software Netfabb. Infine, si forniscono le istruzioni dettagliate per consentire la stampa tridimensionale modello con una vasta gamma di soluzioni commerciali. In ogni caso, il risultato finale è un modello che fornisce un unico, portatile, manifestazione fisica dei dati acquisiti tomografici che normalmente si limita ad un monitor.

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> Programmi obbligatori <ol><li> Albira Immagine Acquirer </li><li> PMOD </li><li> ImageJ </li><li> MeshLab </li><li> Netfabb </li><li> ReplicatorG </li></ol></td></tr></tbody></table>

la stampa 3d di preclinica x-tomografia computerizzata a raggi data set

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

Tridimensionale permette la stampa per la produzione di oggetti altamente dettagliati attraverso un processo noto come produzione di additivi. Tradizionali, stampo iniezione metodi per creare modelli o parti hanno diverse limitazioni, il più importante dei quali è una difficoltà nella realizzazione di prodotti altamente complessi in modo tempestivo, economicamente efficace. 1 Tuttavia, il graduale miglioramento tridimensionale tecnologia di stampa hanno portato in entrambi gli strumenti di fascia alta e l&#39;economia che sono ora disponibili per la produzione di modelli personalizzati facile. 2 Queste stampanti sono in grado di estrudere gli oggetti ad alta risoluzione con dettaglio sufficiente a rappresentare con precisione le immagini in vivo generate da un X-ray preclinica scanner CT . Con una corretta raccolta dei dati, il rendering di superficie, e la modifica stereolitografica, è ora possibile e poco costoso da produrre rapidamente dettagliate strutture di tessuto scheletrico e morbido da X-ray dati CT. Anche nelle prime fasi di sviluppozione, i modelli anatomici prodotti da tridimensionale appello di stampa sia per gli educatori e ricercatori che possono utilizzare la tecnologia per migliorare le competenze di visualizzazione. 3, 4 I vantaggi reali di questo risultato metodo dall&#39;esperienza tangibile un ricercatore può avere con i dati che non possono essere adeguatamente convogliato attraverso un monitor. La traduzione di dati 3D pre-clinici a un oggetto fisico che è la copia esatta del soggetto del test è uno strumento potente per la visualizzazione e la comunicazione, in particolare per la ricerca di immagini relative a studenti, o quelli in altri campi. Qui, mettiamo a disposizione un metodo dettagliato per la stampa di modelli in plastica di strutture ossee e organi derivati ​​da raggi X TAC utilizzano raggi X Albira sistema CT in collaborazione con PMOD, ImageJ, MeshLab, Netfabb e ReplicatorG pacchetti software.

<img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig1.jpg" /> Figura 1. Modelli 3D stampati dei polmoni e le caratteristiche dello scheletro di un X-ray insieme ratto dati CT. Oggetti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), Shapeways Inc. (Centro) o di un replicatore di MakerBot (a destra). La barra della scala indica 2 cm. Notare che la barra di scala nel pannello C è inferiore a quella di A e B, che riflette che in alcuni casi il MakerBot deve stampare un oggetto allargata per dettaglio uscita sufficiente. La Figura 1 illustra i prodotti finali per tre metodi di stampa dello stesso in vivo CT ratto set di dati. Tutti e tre i modelli sono costituiti da una struttura scheletrica e ritagliata polmoni rimovibili che sono stati stampati indipendentemente e ricostruito. Il modello a sinistra è il risultato della HD 3000 ProJet stampante ad alta risoluzione, creata usando plastica traslucida acrilico. L&#39;oggetto al centroè stato prodotto utilizzando una società di terze parti, Shapeways Inc., in cui è stata stampata la struttura scheletrica con nylon 12 di plastica bianco, mentre le strutture respiratorie sono state fabbricate in viola. I primi due modelli sono stati stampati in scala reale, che misura circa 11 cm di lunghezza. L&#39;oggetto a destra è stata effettuata utilizzando il MakerBot. La struttura scheletrica è stato stampato con colore naturale ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), plastica ed i polmoni con verde lime ABS. A causa dei limiti di risoluzione della MakerBot, questo modello non può essere stampato in scala senza alterazioni della struttura fine, come la gabbia toracica. Al contrario, il modello è stato scalato da quasi 2X usando il &quot;riempire costruire spazio&quot; opzione per ottenere il dettaglio desiderato visiva, con conseguente in un oggetto di 21 cm di lunghezza. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig2.jpg" /> Figura 2. 3D modelli stampati di un un ex vivo coniglio skull set di dati. Gli oggetti esposti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), Shapeways Inc. (Centro) e di un replicatore di MakerBot (a destra). La barra della scala indica 1 cm. La figura 2 mostra i prodotti finali di ogni metodo di stampa per l&#39;ex vivo coniglio set cranio CT dati. Il modello a sinistra è il risultato della HD 3000 ProJet stampante ad alta risoluzione utilizzando plastica traslucida acrilico. Il modello al centro è stato stampato in plastica bianca con stampa nylon12 Shapeways. L&#39;oggetto a destra è stata stampata in plastica bianca con il MakerBot. Tutti e tre gli oggetti sono stati stampati in scala e misurare circa 8,5 cm di lunghezza. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig3.jpg" /> Figura 3. 3D modelli stampati di un pieno di ratto a raggi X set di dati CT. Oggetti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), e Shapeways Inc. (a destra). La scala bAr indica 1 cm. La figura 3 mostra i prodotti finali per due metodi di stampa di una completa in vivo set di dati CT di un topo. Entrambi i modelli sono costituiti da una struttura completa scheletrica (meno la coda) e polmoni rimovibili. Il modello a sinistra è la risultante di una stampante ad alta risoluzione, l&#39;HD ProJet 3000, stampato usando plastica traslucida acrilico. Il modello a destra è stata stampata con stampa Shapeways, con la struttura scheletrica creato con plastica bianca e nylon12 i polmoni in viola. Questi due modelli sono stati stampati in scala reale, che misura circa 19 cm di lunghezza. A causa del dettaglio intricato richiesto, lo scheletro completo non può essere stampato con il Replicator MakerBot. Durante l&#39;esplorazione del tridimensionali tecniche di stampa, vantaggi e svantaggi sono stati osservati e sono illustrate nella Tabella 1. <table border="1"><tbody><tr><td><strong&gt; Metodo di stampa </td><td> Vantaggi </td><td> Svantaggi </td></tr><tr><td> MakerBot </td><td> Estremamente veloce, la varietà di opzioni di colore, in grado di stampare in due colori, estremamente poco costoso </td><td> Più basso livello di dettaglio. Rimozione del materiale di supporto è lento (dell&#39;ordine di un paio d&#39;ore). </td></tr><tr><td> Shapeways </td><td> Varity di opzioni di colore, varietà di materiali per la stampa, ad alto livello di dettaglio, relativamente poco costoso </td><td> Due settimane di tempo per elaborare e ricevere un ordine </td></tr><tr><td> ProJet HD 3000 </td><td> Inversione di tendenza relativamente veloce, il più alto livello di dettaglio, l&#39;alto rendimento, facile da rimuovere materiali di supporto (cera). </td><td> I più cari costo in anticipo, solo una possibilità di colore durante l&#39;uso. </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Confrontodi tecnologie di stampa 3D disponibili per stampare CT set di dati.

Utilizzo di estrusione di plastica e moderne tecnologie di stampa, è ora possibile produrre velocemente ea basso costo i modelli fisici di dati a raggi X CT prese in un laboratorio. Il tridimensionale stampa di tomografica dei dati è una visualizzazione potente, di ricerca e strumento didattico, che possono ora essere accessibili da parte della comunità di imaging preclinico.

La stampa 3D di preclinica X-tomografia computerizzata a raggi Data Set

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

L'obiettivo generale di questa procedura è creare modelli anatomici di set di dati preclinici di tomografia computerizzata a raggi X utilizzando la tecnologia di stampa 3D in plastica. Questo viene realizzato posizionando innanzitutto un ratto o un topo in una stazione di imaging ed eseguendo una scansione in modalità tomografia computerizzata a raggi X. Successivamente, i dati vengono ricostruiti e formattati per l'ingresso in un dispositivo commerciale di stampa 3D.Nell'ultima fase, la stampante estrude un modello fisico complesso di dati ossei o dei tessuti molli in plastica. In definitiva, la tecnologia di stampa 3D viene utilizzata per portare i dati fuori dallo schermo del computer e metterli direttamente tra le mani. Ebbi per la prima volta l'idea di questo metodo mentre stavo lavorando con set di dati di tomografia a raggi X in laboratorio, e venni a conoscenza della tecnologia di stampa 3D durante i miei corsi di ingegneria qui alla Notre Dame.Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ad altri metodi esistenti, come lo stampaggio a iniezione di plastica, è che la stampa 3D permette la creazione di modelli estremamente complessi che altrimenti non sarebbero realizzabili. Sebbene questo metodo possa essere utilizzato per stampare dati tridimensionali di strutture scheletriche, può essere applicato anche a sistemi di tessuti molli come i polmoni, ottenendo un prodotto finale come questo. Tutte le immagini in vivo e ex vivo acquisite per la dimostrazione di questo protocollo sono state ottenute mediante il sistema di tomografia computerizzata a raggi X Albea; le immagini sono state ricostruite utilizzando l'algoritmo di retroproiezione filtrata tramite Albea Suite 5.0. Per le immagini in vivo mostrate in questo protocollo, un ratto maschio low bun con stella di 10 mesi di età è stato scansionato mentre era completamente anestetizzato con ISO fluorina; per l'imaging ex vivo.È stato eseguita una scansione di un campione di cranio di coniglio bianco della Nuova Zelanda conservato in formalina al 10%. Queste impostazioni combinate di acquisizione e ricostruzione producono un'immagine finale con voxel isotropi di 0,125 millimetri, ritenuti sufficienti per l'analisi dell'intero animale e la stampa 3D di strutture anatomiche. Si noti che le caratteristiche scheletriche ottenute dalle scansioni TC possono essere stampate direttamente dai dati grezzi senza eseguire la segmentazione.Tuttavia, la segmentazione dei tessuti molli è necessaria prima di elaborare questi dati per la stampa 3D. Qui di seguito è riportato un esempio con tessuto polmonare. Successivamente, i dati devono essere convertiti da micro PET in formato DICOM. Utilizzando il software di analisi PMOD, i dati DICOM contengono valori di densità volumetrica per ogni voxel.Quindi, per preparare i dati DICOM per la stampa, i dati devono essere elaborati come una superficie continua anziché come un'immagine volumetrica; il software J versione 1.43 U può essere utilizzato per ottenere le rappresentazioni superficiali da sottoporre a ulteriore elaborazione. Infine, due programmi, MeshLab versione 1.31 e Netfabb Studio Basic 4.9, possono essere utilizzati contemporaneamente per rimuovere eventuali mesh in eccesso, unire mesh disconnesse, riparare fori e quindi levigare la mesh finale. Le principali differenze tra questi due programmi riguardano i set di strumenti messi a disposizione dell'utente e alcuni aspetti del controllo della navigazione dell'interfaccia.Sono entrambi programmi software per la modellazione 3D, e il loro utilizzo combinato offre l'approccio più semplice per modificare il modello. Assicurarsi di salvare il file in formato STL quando si utilizza MeshLab. Per stampare il modello TC con il MakerBot, aprire innanzitutto il file STL generato nei passaggi precedenti nel software Replicator G.Replicator G è un programma di MakerBot Industries utilizzato per comunicare con la stampante, situata nell'angolo in basso a destra del menu software. Fare clic sull'opzione scala, quindi selezionare Riempi lo spazio di costruzione. Successivamente, selezionare ruota, quindi fare clic su posiziona piatto.Quindi fare clic su "centra" per i modelli con dettagli fini. Selezionare anche l'opzione "riempi piattaforma di stampa" per ridimensionare il modello. Successivamente, dallo stesso menu, fare clic su "sposta" e quindi selezionare "posiziona sulla piattaforma".Una volta raggiunta l'orientazione corretta, selezionare genera G code dalla barra del menu in alto. A questo punto apparirà sullo schermo una finestra con le opzioni di stampa. Selezionare quindi l'estrusore che fornirà il filamento per stampare l'oggetto, scegliendo tra sinistro o destro.Selezionare anche questa opzione. Utilizzare il supporto a zattera dal menu a discesa denominato Usa materiale di supporto. Assicurarsi di selezionare l'opzione di supporto completo.Successivamente, selezionare genera codice G; verrà visualizzata una finestra popup che mostra lo stato di avanzamento del codice G. Una volta completato il codice G, selezionare costruisci su file per l'uso con una scheda SD e salvare il file trascinato generato in questa fase su una scheda di memoria SD. Per il trasferimento, inserire questa scheda SD nel maker bot.Quindi utilizzare il tastierino del maker bot per selezionare la stampa dalla scheda SD e scegliere il nome del file desiderato. A questo punto, il maker bot inizierà automaticamente a riscaldarsi per stampare l'oggetto. Qui possiamo vedere un video in time-lapse del maker bot mentre stampa il modello 3D a partire da un dataset TC per eseguire la stampa.Utilizzando il servizio online Shapeways, inizia creando un account gratuito sul sito web di Shapeways. Successivamente, il file STL precedentemente generato può essere caricato direttamente. Seleziona un titolo per il file caricato.Quindi selezionare un'unità di misura dal menu a discesa che appare. A questo punto selezionare il caricamento del modello. Una volta caricato il file, il sito web impiegherà alcuni minuti per elaborare il file e verificare che possa essere stampato.Il modello sarà disponibile per la stampa nella pagina I miei modelli dopo circa 10 minuti. Nella scena di esempio mostrata, la selezione bianca rigida e flessibile è stata utilizzata per stampare le strutture scheletriche e la selezione viola rigida e flessibile è stata utilizzata per stampare il tessuto polmonare. Il file STL può anche essere stampato utilizzando una stampante tridimensionale commerciale ad alta risoluzione, come la Projet HD 3000.Per utilizzare questo sistema, il file STL deve essere prima caricato nel formato proprietario del sistema 3D per disporre il lavoro sulla piattaforma. Ciò richiede la modifica dell'orientamento del modello al fine di ridurre al minimo sia l'utilizzo del supporto in cera sia il tempo di stampa. Salvare questo file e inviarlo elettronicamente alla stampante, quindi caricare una piattaforma in alluminio nella stampante.Il progetto HD 3000 inizierà quindi a stampare l'oggetto tridimensionale come mostrato qui. Una volta stampato, rimuovere il modello dalla piattaforma e collocarlo in un forno a circa 73 gradi Celsius. Questo farà sciogliere la cera di supporto dal modello.Infine, rimuovere con attenzione l'oggetto dal forno mentre è ancora caldo e pulirlo con un fazzoletto Kim. Questo rimuoverà qualsiasi cera residua dalla superficie dell'oggetto. Qui possiamo vedere i prodotti finali di tre metodi di stampa dello stesso dataset di tomografia computerizzata in vivo di ratto.Tutti e tre i modelli sono composti da una struttura scheletrica ritagliata e da polmoni rimovibili, stampati separatamente e assemblati successivamente. Il modello mostrato qui è il risultato della stampante ad alta risoluzione proje HD 3000, realizzato in plastica acrilica traslucida. Mentre questo oggetto è stato prodotto attraverso una società esterna, la Shapeways Incorporated, nella quale la struttura scheletrica è stata stampata in plastica bianca in nylon 12 e le strutture respiratorie sono state realizzate in viola, questi modelli sono stati stampati in scala, con una lunghezza di circa 11 centimetri.Questo oggetto è stato realizzato utilizzando il MakerBot a causa dei limiti di risoluzione del dispositivo. Il modello è stato ingrandito, ottenendo un oggetto lungo 21 centimetri. Qui vediamo i prodotti finali di ciascun metodo di stampa per il dataset TC del cranio di coniglio ex vivo.Tutti e tre gli oggetti sono stati stampati in scala e misurano circa 8,5 centimetri di lunghezza; qui vediamo i prodotti finali ottenuti con due metodi di stampa. Un dataset completo di tomografia computerizzata in vivo del ratto. Entrambi i modelli comprendono una struttura scheletrica completa, esclusa la coda, e polmoni rimovibili.Questi due modelli sono stati stampati in scala reale. Si noti che, a causa dei dettagli intricati richiesti, lo scheletro completo non è potuto essere stampato con il Maker Bot Replicator. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una solida comprensione di come utilizzare la tecnologia di stampa 3D per creare modelli anatomici complessi derivati da set di dati di tomografia computerizzata a raggi X.

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Research

Ricerca

JoVE Journal

Biology

Biologia

Abbiamo usato sincrotrone tomografia a raggi X alla European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) a non invasivo produrre set di dati 3D tomografiche con un pixel-risoluzione di 0.7μm. Utilizzando il software di rendering del volume, questo permette la ricostruzione di strutture interne allo stato naturale, senza gli artefatti prodotti dal sezionamento istologico.

Non invasive di visualizzazione 3D con sub-micron Risoluzione Utilizzando sincrotrone a raggi-X, la tomografia

Non distruttivo di visualizzazione volume può essere raggiunto solo con tecniche tomografiche, di cui il più efficiente è la tomografia a raggi X micro computerizzata (TAC).

Ad alta risoluzione di immagini 3D Ex-Vivo I campioni biologici da Micro CT

Una metodologia è descritta nella presente per rappresentare dati di imaging anatomiche all'interno cristalli. Creiamo scalato modelli tridimensionali di dati di imaging biomedico per l'uso in Sub-Surface Laser incisione (SSLE) di cristallo. Questo strumento offre un utile complemento alla visualizzazione computazionale o tridimensionalmente modelli stampati utilizzati all'interno di contesti clinici o educativi.

Scaled Modello anatomico Creazione di Biomedical Imaging tomografica dei dati e associate etichette per la successiva sotto la superficie incisione laser (SSLE) di cristalli di vetro

Qui, presentiamo un protocollo per utilizzare modelli stampati tridimensionali per la pianificazione preoperatoria e intraoperatoria riorganizzazione dei percorsi vascolari complicati quando si maneggia un'anomalia aortica congenita.

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Sviluppo e valutazione di fantasmi cardiovascolari stampati in 3D per la pianificazione e la formazione interventistica

Descriviamo una procedura per elaborare le scansioni di tomografia computerizzata (TC) in formatori di attività procedurali ad alta fedeltà, recuperabili e a basso costo. I processi di identificazione della scansione CT, l'esportazione, la segmentazione, la modellazione e la stampa 3D sono tutti descritti, insieme ai problemi e alle lezioni apprese nel processo.

Creazione di un trainer di posizionamento della linea intraossea ad alta fedeltà, a basso costo tramite stampa 3D

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La stampa 3D di preclinica X-tomografia computerizzata a raggi Data Set

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