ガラスの結晶の次のサブ表面レーザー彫刻のための生物医学断層画像データと関連するラベルのスケーリングされた解剖モデルの作成（SSLE）
2017年4月25日
方法は、結晶内の解剖学的撮像データを表すために本明細書に記載されています。我々は、クリスタルガラスの表面下レーザー彫刻（SSLE）における使用のための生物医学的イメージングデータのスケーリングされた三次元モデルを作成します。このツールは、計算、表示または臨床や教育現場内で使用される3次元的に印刷されたモデルへの有益な補完を提供しています。
この方法論の全体的な目標は、ガラス結晶上の表面下レーザー彫刻(SSLE)を利用して、標識構造を持つ断層撮影イメージングデータを視覚化することです。その結果、ハンドヘルドモデルは強力な教育ツールとして機能します。この方法では、臨床または前臨床のX線CTデータセットから導き出された堅牢なハンドヘルドモデルが作成され、患者や学生の教育が容易になります。
この技術の主な利点は、テキストラベルがガラス媒体内に吊り下げられ、高解像度の解剖学的ディスプレイの視界を妨げることなく、関連する構造に取り付けられることです。テキストバーとスケールバーを含むサーフェスマップの生成は、構造物を正確に表示するために複数のステップと精度が必要なため、習得が難しいため、この方法を視覚的にデモンストレーションすることが重要です。まず、DICOMデータセットのCT画像スライスを適切なファイル形式に変換します。
画像処理ソフトで、表示設定のload DICOMコマンドを選択します。次に、データセットをNIfTIファイル形式で保存します。次に、NIfTIファイルを一般的な医用画像プログラムにインポートし、自動セグメンテーションを使用してサーフェスマップを生成します。
3D スライサーの場合は、データの追加ツールを使用します。次に、グレースケールモデルメーカーツールを選択し、仕様を切り替えて、新しいモデルを作成して名前を変更します。次に、しきい値を約 300 HU (骨のセグメンテーション) に下げ、結果のグレースケール モデルを STL ファイルとして保存して、さらにデータ処理を行います。
次に、サーフェスマップファイルを3Dデータ準備ソフトウェアにインポートします。Netfabb Studio Basic を使用して、修復モードを選択します。次に、部品選択ツールと削除ツールを使用して、対象の構造を表さないすべてのサーフェスを削除します。
次に、三角形の追加ツールを使用してサーフェスの穴を部分的に覆い、次に自動修復スクリプトを使用して残りのギャップを完全に閉じます。次に、アクション メニューから repair degenerate faces スクリプトを選択して、サーフェス領域が不足しているエッジを解決し、[修復を適用] を使用して修復モードを終了し、変更を保存します。次のステップは、カットツールを使用して不要なフィーチャーを削除するか、モデルのサイズを縮小することです。
コンテキスト領域のカットメニューから、x-y-またはz-平面内の各カットの位置を指定します。次に、切削実行ツールを使用して、切削三角測量設定を選択して、結果のすべての穴を自動的に閉じます。対象の構造を表さないカットから生じたすべてのサーフェスを削除するには、部品選択ツールと削除ツールを同時に使用します。
最後に、縮尺記号を使用しない場合は、縮尺オプションを使用して各サーフェス マップの寸法を変更します。したがって、モデルは 8 センチメートルの立方体、または 5 センチメートル x 5 センチメートル x 8 センチメートルの直角プリズムに収まるように変更できます。これで、データファイルを地下レイヤーの彫刻に使用して、ラベルやスケールバーのないモデルを作成できます。
まず、SSLE ファイルのラベル・データ・ファイルを作成します。CADソフトウェアとメートル法テンプレートを使用します。新しいファイルを開き、任意の平面で 2D スケッチを作成します。
テキストツールを使用して、2 mm の Times New Roman フォントでタイプされた解剖学的ラベルを作成します。終了したら、ツールバーの終了メニューでスケッチの終了オプションを選択します。デフォルト設定を使用してフォントを押し出すには、作成メニューから押し出しツールを選択し、2D テキストオプションを切り替えます。
次に、ラベルごとに 1 つのラベル行を作成します。新しいファイルから始めて、描画メニューの下にある中心点円ツールを選択します。次に、原点を中心とする円を作成し、制約メニューの寸法ツールを使用して円の直径を 1 ミリメートルに定義します。
カラムを10〜50ミリメートルの範囲の希望の長さに押し出します。スケールバーも同様の方法で作成されます。各テキスト ラベル、各ラベル ライン、および縮尺記号を作成したら、データを STL ファイルとして保存します。
テキストラベルごとに一意のラベル行が必要です。次に、SSLE モデルに、すべてのテキスト ラベル、円柱ラベル線、および縮尺バーをインポートします。アッサンブラージュを単一のSTLファイルとして保存できる3Dデータ準備ソフトウェアを使用します。
次に、パーツの移動ツールを使用して、関連する解剖学的構造の近くにテキストラベルを配置します。このプロセスでは、パーツの回転ツールを使用して、ラベルの向きを合わせ、ラベルがすべて同じ方向を向くようにします。次に、同じツールを使用してラベル線を配置し、ラベルをモデル内の関連付けられた構造に接続します。
必要に応じて、修復モードに移動し、[三角形の選択] と [選択した三角形の削除] を選択することで、ラベル ラインを小さくすることができます。次に、スケールバーを同様の方法で配置します。3本のバー(各軸に1本ずつ)が作成されている場合は、それに応じて配置します。
すべての配置が完了したら、すべてのパーツを選択し、データを 1 つの STL ファイルとしてエクスポートします。顔をさらに縮小する技術と彫刻プロセスは、テキストプロトコルに記載されています。ガラス結晶の表面下レーザー彫刻は、さまざまな種類の生物医学断層撮影イメージングデータを視覚化する高度な手段です。
彫刻前に寸法を変更するため、レーザー彫刻によってさまざまなサイズの構造を表現できます。スケールバーは、2つの方法で実装できます。それらは構造の側面にまたがることができ、骨のコアなどの拡張構造に最適です。
もう 1 つのオプションは、3 つのスケール バー軸がコーナーに収束することです。これは、構造物のスケーリングまたは縮小に最適です。表面下彫刻の主な特徴は、解剖学的特徴に必要に応じてテキストラベルを貼り付けることができることです。
ここでは、ラベルの間隔を空け、解剖学的構造をはっきりと見るために、テキストを2つの平面に配置しました。片側からはっきりと見えるボーンやその他の構造物は、ラベルを 1 つの平面だけに揃えることができます。この手順に従うと、事実上、任意の3次元データセットを、ハンドヘルドの超高純度ガラス結晶媒体での科学的表示用に適切にラベル付けできる形式に変換できます。
概要
本記事では、ガラスクリスタルへの内部レーザー彫刻（SSLE）を用いて解剖学的画像データを可視化する手法について解説します。作成されたモデルは、高解像度の解剖学的表示を妨げることなく構造にラベルを付与できるため、効果的な教育ツールとして活用できます。
研究の主要構成要素
科学分野
- バイオメディカルイメージング
- 3Dモデリング
- 教育ツール
背景
- サブサーフェスレーザー彫刻により、トモグラフィー画像データの可視化が可能になります。
- 画像データセットから作成されたハンドヘルドモデルは、教育体験を向上させます。
- この手法では、ガラス媒体内にテキストラベルを吊り下げることで、明瞭性を維持します。
- プロセスの複雑さから、視覚的なデモンストレーションが極めて重要となります。
研究目的
- 臨床または前臨床の画像データから堅牢なモデルを作成すること。
- 患者および学生への教育を促進すること。
- 正確な解剖学的表現のための手法を実証すること。
使用した手法
- CT画像をDICOM形式からNIfTI形式に変換します。
- 医療用画像解析ソフトを使用してサーフェスマップを作成します。
- データ準備ソフトを用いて3Dモデルを作成し、修正します。
- CADソフトを使用して、モデルに解剖学的ラベルとスケールバーを刻印します。
主な結果
- 教育用にラベル付きの解剖学的モデルを正常に作成した。
- さまざまな構造に合わせて寸法を変更できることを実証した。
- ラベルとスケールバーを効果的に配置する方法を示した。
- ポリゴン数を削減し、彫刻の品質を向上させる手法を概説した。
結論
- SSLEは、生物医学的な画像データを可視化するための強力な手法です。
- テキストラベルを付加することで、モデルの教育的価値を高めることができます。
- この手法を用いることで、さまざまな解剖学的構造を正確に表現することが可能です。
よくある質問
産業界における重要性
本手法では、断層撮影画像データから物理的なラベル付き解剖学的モデルを作成することができ、前臨床研究におけるターゲットの検証およびメカニズムのデリスキングを支援します。生物学的構造を具体的かつ高解像度で表現することで、初期探索段階における仮説検証や経路の解明を促進します。このアプローチは、複雑な解剖学的構造を可視化するための拡張性と再現性を備えたプラットフォームを提供し、トランスレーショナルな連続性を向上させ、ターゲットエンゲージメント研究における曖昧さを軽減します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：解剖学的標的および関連構造を物理的に可視化することにより、治療仮説の検証を支援する。
- 運用的価値：ラベル化された構造と疾患に関連する解剖学的構造との空間的関係を明確にすることで、機能的な標的バリデーションを可能にする。
- 予測的価値：ラベル統合モデルによる具体的提示を通じてメカニズムの曖昧さを排除し、標的選択における信頼性を高める。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- アッセイの準備状態： アッセイ開発および化合物スクリーニングのリファレンスシステムとして機能する、標準化され再現性のある生物学的レプリカを作製します。
- 定量的出力： 精密な空間測定とスケールバーの統合を可能にし、正確な用量反応および局在分析をサポートします。
- プラットフォームの再利用： 検証済みの解剖学的モデルを創薬チーム間で組織的に共有することを容易にし、ワークフローの一貫性を向上させます。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 疾患への関連性：CTデータセットから臨床的および前臨床的に関連のある解剖学的レプリカを生成し、トランスレーショナル・バイオマーカー戦略に適合させます。
- 前臨床の連続性：機能横断的なレビューのための、一貫性のあるラベル付きモデルを提供することで、創薬研究と前臨床検証を橋渡しします。
- リスク調整後の意思決定：作用機序および安全性試験における解剖学的解釈性を向上させ、go/no-go判断をサポートします。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、初期のターゲット仮説の生成からリード化合物の同定、そして前臨床検証に至る創薬の連続的なプロセスに組み込まれており、重要な転換点において物理モデルに基づいた評価を可能にします。
- 探索生物学：イメージングデータを具体的でラベル付け可能な解剖学的表現に変換することで、仮説検証とパスウェイの解明を促進します。
- スクリーニング：標準化された化合物スクリーニングやターゲット結合アッセイをサポートする、スケールバー付きの再現性の高い高解像度モデルを提供します。
- 分析：定量的な空間出力とラベル付きの部分構造を提供し、異なる実験条件間での比較分析を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ：ガラスクリスタル形式で解剖学的忠実度とラベルの整合性を維持することにより、イメージングから前臨床利用までの連続性を確保します。
- エンタープライズ再利用：拠点やプロジェクトを越えて標準化された解剖学的モデルを生成するための、再利用および共有可能な能力を確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：物理的にラベル付けされたモデルの可視化により、解剖学的な曖昧さを排除し、ターゲットバリデーションにおける予測の信頼性を向上させます。
- 運用的価値：標準化されたファイル形式（DICOM、NIfTI、STL）と再現可能なエングレービングワークフローを通じて、標準化と再現性を提供します。
- 戦略的価値：解剖学的理解を深めることで、ターゲットの早期リスク低減を可能にし、資本効率を改善します。
- ポートフォリオへの影響：部門横断的なターゲット評価のための明確で具体的なモデルを提供することで、リスク調整後の優先順位付けを支援します。
実施上の検討事項
- ラベルおよびスケールバー生成のための、バイオメディカル画像処理、3Dモデリング、およびCADソフトウェアに関する専門知識が必要です。
- 画像処理ツール（例：3D Slicer）、モデル修復ソフトウェア（例：Netfabb）、およびSSLE彫刻装置へのアクセスに依存します。
- ユーザー間でのモデルの一貫性を確保するため、ファイル形式およびラベル付けの慣習についてチーム間での標準化が必要です。
- 多様な撮像モダリティから得られる様々な解剖学的スケールや組織型に本手法を適用する場合、適合に関する検討が必要となります。
- モデルサイズの制限、彫刻分解能の閾値、および非関連面の除去のための手動後処理の必要性に関連する実用上の制限が含まれます。
