La stampa 3D di preclinica X-tomografia computerizzata a raggi Data Set
22 marzo 2013
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.
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.
Panoramica
In questo articolo si discute la creazione di modelli anatomici a partire da dati preclinici di tomografia computerizzata a raggi X mediante l'uso della tecnologia di stampa 3D in plastica. Il metodo consente la visualizzazione di strutture complesse, potenziando le opportunità di ricerca e didattiche nella comunità di imaging preclinico.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neuroscienze
- Biologia
- Tecnologia di stampa 3D
Sfondo
- La tecnologia di stampa 3D consente la produzione di modelli anatomici complessi.
- La tomografia computerizzata a raggi X (TC) fornisce immagini dettagliate di strutture biologiche.
- Questo metodo può visualizzare dati relativi a tessuti ossei e molli.
- Metodi tradizionali come lo stampaggio a iniezione di plastica presentano limitazioni in termini di complessità.
Scopo dello studio
- Sviluppare una procedura per la creazione di modelli fisici a partire da dati di tomografia computerizzata a raggi X.
- Dimostrare i vantaggi della stampa 3D rispetto alle tecniche convenzionali di modellazione.
- Fornire una risorsa per la comunità di imaging preclinico.
Metodi Utilizzati
- Scansione dei soggetti mediante tecnologia TC a raggi X.
- Ricostruzione e formattazione dei dati per la stampa 3D.
- Utilizzo di software per la modifica della mesh e la preparazione del modello.
- Stampa mediante i servizi MakerBot e Shapeways.
Risultati principali
- Creazione con successo di modelli anatomici dettagliati a partire da dati TC.
- Dimostrazione del processo di stampa e degli strumenti software utilizzati.
- Esempi di modelli stampati che mostrano sia strutture scheletriche sia tessuti molli.
- Evidenziazione della facilità di manipolazione dei modelli e delle opzioni di stampa.
Conclusioni
- La stampa 3D fornisce un metodo praticabile per la rappresentazione fisica dei dati TC.
- Questa tecnica migliora l'accessibilità a modelli anatomici complessi.
- Applicazioni future potrebbero estendersi a diversi settori della ricerca biologica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La traduzione dei dati di imaging preclinico in modelli anatomici concreti migliora la validazione degli obiettivi e la comprensione meccanicistica nella fase iniziale della scoperta. Questo approccio sostiene la fiducia predittiva permettendo l'analisi fisica di strutture biologiche complesse derivate da studi in vivo. Esso collega la ricerca basata sull'imaging con team multifunzionali, migliorando la comunicazione e riducendo i rischi nei percorsi traslazionali.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente la verifica di ipotesi fornendo modelli fisici di strutture scheletriche e dei tessuti molli derivati da dati TC per l'analisi dell'interazione con il bersaglio.
- Valore operativo: Supporta la riduzione del rischio biologico mediante la visualizzazione tangibile di caratteristiche anatomiche che guidano la selezione del bersaglio e la chiarificazione dei percorsi biologici.
- Valore predittivo: Migliora la selezione del portafoglio consentendo ai ricercatori di valutare la rilevanza anatomica dei modelli di malattia prima di procedere all'identificazione del composto leader.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Prepara analoghi biologici validati per lo sviluppo di saggi, generando rappresentazioni fisiche accurate di sistemi organici a partire da dati di imaging.
- Valore operativo: Garantisce la riproducibilità nei flussi di screening attraverso la generazione standardizzata di modelli da dataset TC con risoluzione voxel costante.
- Utilità della piattaforma: Consente la produzione scalabile di sistemi pertinenti alle malattie per campagne di screening di composti e validazione di target.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta l'allineamento traslazionale dei biomarcatori creando modelli fisici che correlano i reperti di imaging con i fenotipi patologici.
- Valore operativo: Favorisce la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica fornendo modelli tangibili per la revisione interdisciplinare e la riduzione dei rischi meccanicistici.
- Decisioni basate sulla valutazione del rischio: Guida le scelte di avanzamento consentendo la valutazione della fedeltà anatomica nei modelli di malattia prima degli studi di tossicologia.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel percorso di scoperta, dalla validazione iniziale della proteina bersaglio fino al perfezionamento del modello preclinico, consentendo una progettazione iterativa basata sulla precisione anatomica derivata dall'imaging.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi convertendo i dati TC in modelli fisici per studi di validazione del bersaglio.
- Screening: Permette la prontezza del saggio attraverso la generazione riproducibile di modelli anatomici che riflettono i dati di imaging in vivo con una risoluzione isotropica di 0,125 mm.
- Analisi: Fornisce output strutturali quantitativi che consentono ai team di confrontare le variazioni anatomiche tra diverse condizioni sperimentali.
- Ricerca traslazionale: Collega i risultati dell'imaging alla continuità preclinica producendo modelli tangibili che riflettono modifiche anatomiche rilevanti per la malattia.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità riutilizzabile per generare analoghi anatomici standardizzati in diversi progetti e aree terapeutiche.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva riducendo l'ambiguità meccanicistica nella validazione degli obiettivi attraverso l'interazione con modelli fisici.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione e la riproducibilità nella generazione di modelli a partire da dati di imaging tra diversi siti e team.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione del progetto consentendo una valutazione concreta dei modelli anatomici, riducendo il rischio biologico in fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione basata sul rischio grazie a una migliore visualizzazione della fedeltà del modello della malattia.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nell'elaborazione dei dati di imaging, nella resa delle superfici e nella modifica di mesh 3D per una generazione accurata del modello.
- Presuppone l'accesso a scanner micro-TC e a piattaforme di stampa 3D compatibili con risoluzione sufficiente per i dettagli anatomici.
- Necessita di una standardizzazione tra i gruppi di lavoro nei formati dei dati, nei protocolli di segmentazione e nello scambio di file (ad esempio, STL) per ottenere risultati coerenti.
- Comporta considerazioni di adattamento quando si applica il metodo a diversi sistemi modello (ad esempio, ratto vs. coniglio) a causa delle variazioni nella densità dei tessuti e nel contrasto.
- Include limitazioni pratiche relative al tempo di stampa, alla rimozione del materiale di supporto e alla fedeltà delle caratteristiche in strutture particolarmente delicate.
