A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
この方法は、正確な空間忠実度と空間/コントラスト解像度で医用画像から直接印刷するボクセルベースの3D印刷ワークフローを示しています。これにより、形態学的に複雑で目盛りのある材料を介して、データの損失や変更なしに放射密度に相関する材料分布の正確で段階的な制御が可能になります。
手術前計画のための3次元(3D)印刷のほとんどのアプリケーションは、現在のモデリングパラダイムの精度、品質、効率の基本的な制限のために、骨構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されてきました。これは、物体の内部が重要であり、解剖学的境界が徐々に変化するほとんどの外科的専門分野にとって重要な軟部組織をほとんど無視してきた。したがって、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を複製する生物医学産業のニーズは、新しい形態の表現を必要とする。
ここでは、現在の3Dモデリング手法よりも空間分解能とコントラスト分解能に優れ、これまで達成できなかった空間忠実度と軟部組織の分化を含む、医用画像から直接3Dモデルを作成する新しい技術を紹介します。また、MRIおよびCTから軟部生体組織に見られる材料剛性の範囲にまたがる新規の付加的に製造された複合材料の経験的測定も提示される。これらのユニークな体積設計と印刷方法は、材料の剛性と色の決定論的かつ継続的な調整を可能にします。この機能により、手術前計画への積層造形のまったく新しいアプリケーション、すなわち機械的リアリズムが可能になります。外観マッチングを提供する既存のモデルを自然に補完するものとして、これらの新しいモデルは、医療専門家が組織模擬体の空間的に変化する材料特性を「感じる」ことを可能にする - 触覚が重要な役割を果たす分野への重要な追加。
現在、外科医は、3D患者の手術を計画するために異なるデータを表示する多数の離散2次元(2D)イメージングモダリティを研究しています。さらに、このデータを 2D 画面で表示しても、収集されたデータの全範囲を完全には通信できません。イメージングモダリティの数が増えるにつれて、複数の規模の組織を示す異なるモダリティからより多くのデータを合成する能力は、より効果的で効率的な外科的計画のために情報を凝縮およびキュレーションするための新しい形態のデジタルおよび物理的表現を必要とする。
3Dプリントされた患者固有のモデルは、手術計画のための新しい診断ツールとして登場し、手術時間と外科的合併症を軽減することが示されています1。しかし、標準的な光造形(STL)方式の3Dプリンティングでは、目に見えるデータ損失を示し、印刷されたオブジェクトを固体、均質、等方性材料としてレンダリングするため、このプロセスには時間がかかります。その結果、手術計画のための3Dプリンティングは、骨の構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されていました2。この制限は、産業革命の製品とニーズに導かれた時代遅れの製造パラダイムの結果であり、製造されたオブジェクトは外部の境界によって完全に記述されます3。しかし、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を再現する生物医学産業のニーズは、ポイントごとに変化するボリューム全体の変化を表す新しい表現形式を必要とします。
この問題に対処するために、3Dビジュアライゼーションおよびモデリング技術(図1)が開発され、超高解像度での樹脂の混合と堆積をより詳細に制御できる斬新な積層造形プロセスと組み合わされました。ビットマップ印刷と呼ばれるこの方法は、15μmに近づく高度なイメージング技術の空間忠実度と空間/コントラスト分解能のレベルで、医用画像から直接3D印刷によって人間の解剖学を複製します。これにより、診断ソース画像からのデータの損失や変更なしに、形態学的に複雑な軟部組織の変動を再現するために必要な正確で段階的な制御が可能になります。
注:3Dスライサー医用画像コンピューティングソフトウェア4 ( 材料表を参照)は、セクション1から3で完了した作業に使用されました。
1. データ入力
2. 操作
注:解剖学が十分に複雑で、 ボリュームプロパティの変更後に周囲の組織や無関係なデータが存在する点まで、マスキングステップが必要です。
3. スライス
メモ: このプロセスは、スライスファイルを STL メッシュファイルではなく 3D 印刷に直接送信することで、従来の 3D 印刷方法をバイパスします。次の手順では、ボリュームレンダリングからスライスが作成されます。 ビットマップジェネレータ モジュールは、カスタムビルドの拡張機能です。これは拡張機能 マネージャーからダウンロードできます。
4. ディザリング
注: Adobe Photoshop ( 資料表を参照) は、セクション 4 で完了した作業に使用されました。
5. ボクセル印刷
注:Stratasys GrabCAD5は、セクション5で完了した作業に使用されました。
図 2 と図 3 に示すように、肯定的な結果は、手順 1.2.5 または 2.1.1.4 で定義されているボリューム レンダリングの直接変換になります。最終的なモデルは、サイズ、形状、および色においてボリューム レンダリングと視覚的に一致している必要があります。このプロセスに沿って、エラーが発生し、上記の 1 つ以上のプロパティに影響を与える可能性のある多数の手順があります。
図 4 に示すように、印刷モデルの均一なスケーリングに関連する問題は、イメージング、コンピューター ハードウェア、および/または既定のソフトウェア設定の結果である可能性があります。病院では、さまざまな手法を使用して、さまざまなスキャナーから画像を生成およびレンダリングします。このメソッドはソース イメージから直接機能し、通常は使用されていないメタデータを公開する可能性があるため、イメージング ワークフローのニュアンスをよく理解することが重要です。スケールの問題は、「変換」がメタデータにベイクされ、レイヤーの高さと回転を人工的に調整できるときに発生する可能性があります。
スケールの問題は、コンピューターのモニター サイズが原因である場合もあります。Slicerfab の一部のバージョンでは、ボリューム レンダリングをスライスし、結果の PNG をアクティブな画面のサイズに保存するように設定されています。これらのバージョンの Slicerfab では、モニターより大きい画像は切り取られます。最後に、Photoshop のさまざまなアップデートにより、アップデートによってデフォルトがイメージの読み込み解像度に変更されるときにスケールの問題が発生しています。デフォルトが 600 DPI 以外に設定されている場合、画像は医用画像コンピューティング ソフトウェアによって生成される画像と同じスケールを維持しません。X-Y 寸法に歪みが生じますが、モデルの Z 高さは正しいままです。
不規則な形状や予期しない形状に関連する問題は、医用画像コンピューティングソフトウェアで不透明度を操作するときに発生する可能性があります。 ボリュームのプロパティ タブには、カラーチャンネルと不透明度チャンネルの両方を変更する機能があります。不透明度チャネルを 50% 未満に設定すると、レンダリング アルゴリズムによって、特に複雑な構造を囲む、ユーザーが知覚しにくいビジュアライゼーションが生成されます。これにより、プロセス内で追加のデータが解析され、不要なデータが3D印刷される可能性があります。
色に関連する問題は、画像編集ソフトウェアと印刷ソフトウェアの両方で、ソフトウェアグラフィックスとユーザーエラーが原因である可能性があります。医用画像コンピューティングソフトウェアには、ボリュームレンダリングを調整するための多数の選択肢があります。現在のバージョンの Slicerfab にはレンダリング設定がハードコーディングされていますが、変更は可能です。ライトとシェードの設定、および GPU レンダリング設定を有効にすると、予期しない再現不能な結果が生じる可能性があります。最後に、ステップ4.1.2.3から始まるディザリングステップは、プリンタで利用可能な基材の数と相対濃度によって決定されるカラー合成のオプションに基づいて、色に影響を与える可能性があります。
「ローカル知覚」ディザリングアルゴリズムは、「カラーピッカー」で定義された利用可能な色からソースカラーの視覚的な近似を生成しようとします。基材の数と色を変更すると、印刷されたモデルの色相と色の精度が変更されます。さらに、 図5に示すように、基材としてクリアを使用すると、印刷モデルを透過する表面および表面下の光散乱の問題により、デジタルレンダリングから印刷モデルへの不誠実な色変換がしばしば生じる6。
図 1: フロー図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ボクセルのデジタルから物理的な色のディザリング。 (a)心臓モデルの断面は、解剖学の密度範囲を2、4、および10色に分割することによって示される。(B)各モデルの一部を拡大して、3D印刷プロセスでマテリアルの液滴に処理される個々のピクセルを表示します。(C)ここに示されているのは、ボクセル技術を使用した断面3Dプリントモデルで、画像からモデルへの変換を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ボクセル代表的な結果 成功したメソッドの代表的な結果を表示する 2 つのモデル。(A)明細胞癌を有する成人の断面腎臓モデル。右側の腫瘍は、腎臓と腫瘍との界面を示すために除去されている。これにより、外科医は腫瘍の形態および腫瘍と重要な要素との関係をよりよく理解することができます。(b)組織密度の変動を示す切片化された心臓モデル。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ボクセルスケールの問題 スケーリングの問題の結果を示す同じモデルの 2 つの画像。(a)腎臓の断面画像。X-Y分解能は比例して示されているが、腎臓の意図された製品(B)プロファイルビューの50%である。X 解像度はソース データから正確なままで、モデルは X 方向に引き伸ばされたように見えます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:潜在的な問題 2つの異なるモデルの2つの画像は、半透明の素材を扱うことの明瞭さに関する問題を示しています。(A) このモデルは、プリンターによって「サポート」材料で満たされたモデル内の囲まれた空隙の結果を示しています。このモデルでは、光学特性にばらつきを生じさせるためにボイドが意図的に作成されました。(B) このモデルは、モデルの奥深くまで流れ込む開いた空隙を示しています。空隙は曲がりくねっており、表面を研磨する標準的な後処理技術を不可能にします。結果として生じる光学的歪みにより、モデルは臨床用途に使用できなくなりました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:ボクセル処理ワークフローと画質比較 入力DICOMデータから、(A)マスクが作成され、関心領域を分離して3Dボリュームレンダリングに再構築し、(B)そこからヒストグラムを分析して強度値の範囲を解析します。ボクセルベースのボリュームレンダリングのシェイプチャンネルがアクティブになり、マスクされたDICOMのフォームが視覚化されます。ボクセルベースのボリュームレンダリングのマテリアルチャンネルは、指定された強度範囲(C)に色をマップするルックアップテーブルによって変更されます。ボリュームレンダリングは、フルカラーPNGファイルとして、プリンタ(D)の必要な制約と解像度に合わせてスライスされます。すべてのPNGスライスは、医療データの作成に必要な材料の説明にディザリングされます。(E) 生成されたカラーコンポジットPNGがプリンタに送信されます。(F) 低解像度データセットと比較した高解像度データセットの視覚化 (G) 同じ手法を使用して、最高品質のソースデータの必要性を実証する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
N.J.はコロラド大学リージェンツ校が提出した特許出願の著者であり、この作品に記載されているような方法を記述しています(出願番号。US16/375,132;発行番号US20200316868A1;2019年4月4日提出。公開08 10月2020)。他のすべての著者は、競合する利害関係はないと宣言しています。
この方法は、正確な空間忠実度と空間/コントラスト解像度で医用画像から直接印刷するボクセルベースの3D印刷ワークフローを示しています。これにより、形態学的に複雑で目盛りのある材料を介して、データの損失や変更なしに放射密度に相関する材料分布の正確で段階的な制御が可能になります。
AB Nexusとコロラド州が、手術前計画のためのボクセル印刷に関する科学的研究を寛大に支援してくれたことに感謝します。我々は、この研究で使用されたデータセットを提供してくれたL. Browne、N. Stence、およびS. Sheridanに感謝する。この研究は、AB Nexus GrantとState of Colorado Advanced Industries Grantから資金提供を受けた。
| 3Dスライサー画像計算プラットフォーム | Slicer.org | バージョン4.10.24.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3Dプリンター | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
