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Research Article
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이 방법은 복셀 기반의 3D 프린팅 워크플로우를 보여 주며, 이는 정확한 공간 충실도 와 공간/대비 해상도로 의료 이미지에서 직접 인쇄됩니다. 이를 통해 데이터의 손실이나 변경 없이 방사선 밀도와 상관관계가 있는 형태학적으로 복잡하고 졸업된 재료를 통해 재료 분포를 정밀하고 졸업할 수 있습니다.
수술 전 계획을 위한 3차원(3D) 프린팅의 대부분의 응용 분야는 현재 모델링 패러다임의 정확성, 품질 및 효율성의 근본적인 한계로 인해 복잡한 장기의 뼈 구조와 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다. 이것은 주로 개체의 내부가 중요하고 해부학 경계가 점차적으로 전이 대부분의 외과 전문에 중요한 연조직을 무시했습니다. 따라서, 조직의 여러 척도와 다양한 재료 분포를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위해 생물 의학 산업의 요구는 새로운 형태의 표현을 필요로한다.
여기에 제시된 새로운 기술은 현재 의학적 이미지에서 직접 3D 모델을 생성하여 현재 의3D 모델링 방법에 대한 공간 및 대비 해상도가 우수하며 이전에는 달성할 수 없었던 공간 충실도 및 연조직 분화를 포함하는 새로운 기술입니다. 또한 MRI 및 CT의 연생물학적 조직에서 볼 수 있는 재료 강성의 영역을 가로지르는 새로운 첨가제 제조 복합재료의 경험적 측정도 제시된다. 이러한 독특한 볼륨 설계 및 인쇄 방법을 통해 재료 강성과 색상을 결정적이고 지속적으로 조정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 사전 수술 계획에 적기 제조를 완전히 새로운 적용 할 수 있습니다: 기계적 리얼리즘. 외관 매칭을 제공하는 기존 모델에 대한 자연스러운 보완으로, 이러한 새로운 모델은 또한 의료 전문가가 촉각 감각이 중요한 역할을하는 분야에 중요한 추가 조직 시뮬레이션의 공간적으로 다양한 재료 특성을 "느낄"수 있습니다.
현재 외과 의사는 3D 환자에 대한 수술을 계획하기 위해 뚜렷한 데이터를 표시하는 수많은 이산 2 차원 (2D) 이미징 양식에 대해 연구합니다. 또한 2D 화면에서 이 데이터를 보는 것은 수집된 데이터의 전체 범위를 완전히 전달할 수 없습니다. 이미징 양식의 수가 증가함에 따라 조직의 여러 척도를 나타내는 고유한 양식에서 더 많은 데이터를 합성하는 기능은 보다 효과적이고 효율적인 수술 계획을 위해 정보를 응축하고 큐레이트하기 위해 새로운 형태의 디지털 및 물리적 표현을 필요로 합니다.
3D 인쇄, 환자 특정 모델은 수술 시간과 수술 합병증을 줄이기 위해 보여 진 수술 계획을위한 새로운 진단 도구로 등장했다1. 그러나, 이 과정은 3D 프린팅의 표준 스테레오소그래피(STL) 방법으로 인해 시간이 많이 소요되며, 이는 데이터의 눈에 보이는 손실을 나타내고 인쇄된 물체를 고체, 균일성 및 이소트로픽 재료로 렌더링합니다. 그 결과, 외과 계획을 위한 3D 프린팅은 뼈 구조와 복잡한 장기의 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다2. 이러한 제한은 제조된 물체가 외부 경계에 의해 완전히 설명되는 산업 혁명의 제품과 요구에 의해 인도되는 오래된 제조 패러다임의 결과입니다3. 그러나, 조직및 다양한 물질 분포의 다중 규모를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위하여 생물 의학 산업의 필요는, 점별로 점을 바꾸는 전체 부피에 걸쳐 변이를 나타내는 표현의 새로운 양식을 필요로 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 3D 시각화 및 모델링 기술(그림 1)이 개발되어 초고해상도의 수지의 혼합 및 증착을 보다 잘 제어할 수 있는 새로운 적정 제조 공정과 결합되었습니다. 비트맵 인쇄라고 하는 이 방법은 15μm에 접근하는 첨단 이미징 기술의 공간 충실도 및 공간/대비 해상도 수준에서 의료 이미지에서 직접 3D 프린팅으로 인체 해부학을 복제합니다. 이를 통해 진단 소스 이미지에서 데이터를 손실하거나 변경하지 않고 형태학적으로 복잡한 연조직의 변이를 복제하는 데 필요한 정밀하고 졸업된 제어를 가능하게 합니다.
참고: 3D 슬라이서 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어4 ( 재료 표 참조)는 1부에서 3절에 완료된 작업에 사용되었다.
1. 데이터 입력
2. 조작
참고: 해부학이 충분히 복잡할 경우 볼륨 속성을 수정한 후 주변 조직 및 외부 데이터가 존재하는 지점까지 마스킹 단계가 필요합니다.
3. 슬라이스
참고: 이 프로세스는 STL 메시 파일 대신 슬라이스 파일을 3D 프린팅으로 직접 전송하여 기존의 3D 프린팅 방법을 무시합니다. 다음 단계에서는 볼륨 렌더링에서 조각이 생성됩니다. 비트맵 생성기 모듈은 사용자 지정 빌드된 확장입니다. 이 확장 관리자에서 다운로드할 수 있습니다.
4. 디더링
참고: 어도비 포토샵( 자료 표 참조)이 섹션 4에서 완료된 작업에 사용되었습니다.
5. 복셀 인쇄
참고: Stratasys GrabCAD5 는 섹션 5에서 완료된 작업에 사용되었습니다.
그림 2 및 그림 3에 도시된 것과 같이 긍정적인 결과는 1.2.5 또는 2.1.1.4 단계에 정의된 볼륨 렌더링을 직접 변환하는 것입니다. 최종 모델은 크기, 모양 및 색상의 볼륨 렌더링과 시각적으로 일치해야 합니다. 이 프로세스에는 오류가 발생할 수 있는 여러 단계가 있으며, 이는 위에 나열된 하나 이상의 속성에 영향을 미칩니다.
그림 4에 나와 같이 균일한 크기 조정과 관련된 문제는 이미징, 컴퓨터 하드웨어 및/또는 기본 소프트웨어 설정의 결과일 수 있습니다. 병원은 다양한 기술을 사용하여 다양한 스캐너에서 이미지를 생성하고 렌더링합니다. 이 메서드는 일반적으로 활용되지 않는 메타데이터를 노출할 수 있는 원본 이미지에서 직접 작동하므로 이미징 워크플로의 뉘앙스에 익숙해지는 것이 중요합니다. '변환'이 메타데이터로 구워지면 계층 높이와 회전을 인위적으로 조정할 수 있는 척도 문제가 발생할 수 있습니다.
확장 문제는 컴퓨터 모니터 크기의 결과일 수도 있습니다. 일부 버전의 Slicerfab은 볼륨 렌더링을 슬라이스하고 결과 PNG를 활성 화면 크기로 저장하도록 설정되었습니다. 이러한 버전의 슬라이서팹에서는 모니터보다 큰 이미지가 차단됩니다. 마지막으로 Photoshop의 다양한 업데이트로 인해 업데이트가 이미지 가져오기 해결 방법으로 기본값을 수정할 때 확장 문제가 발생했습니다. 기본값이 600 DPI 이외의 것으로 설정되면 이미지는 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에서 생성된 동일한 이미지 크기를 유지하지 않습니다. 모델의 z 높이가 올바른 상태로 유지되는 동안 X-Y 치수에 왜곡됩니다.
불규칙한 모양 및 예기치 않은 형상과 관련된 문제는 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에서 불투명하게 작업할 때 발생할 수 있습니다. 볼륨 속성 탭에는 색상 및 불투명도 채널을 모두 수정하는 기능이 포함되어 있습니다. 불투명도 채널이 50% 미만으로 설정되면 렌더링 알고리즘은 사용자가 인식하기 어려운 시각화, 특히 주변 복잡한 구조를 생성합니다. 이로 인해 프로세스에서 추가 데이터가 구문 분석될 수 있으며 원치 않는 데이터가 3D 인쇄될 수 있습니다.
색상과 관련된 문제는 이미지 편집 소프트웨어 및 인쇄 소프트웨어 모두에서 소프트웨어 그래픽 및 사용자 오류로 인해 발생할 수 있습니다. 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어는 볼륨 렌더링을 조정하기 위한 다양한 선택 사항이 있습니다. Slicerfab의 현재 버전에는 하드 코딩된 렌더링 설정이 있지만 수정은 계속 가능합니다. GPU 렌더링 설정뿐만 아니라 빛 및 음영 설정을 활성화하면 예기치 않은 결과를 얻을 수 있습니다. 마지막으로, 4.1.2.3 단계에서 시작하는 디더링 단계는 프린터에서 사용 가능한 베이스 재료의 수와 상대적 농도에 의해 결정되는 색상 합성 옵션에 따라 색상에 영향을 미칠 수 있다.
'로컬 지각' 디더링 알고리즘은 '색상 선택기'에 정의된 사용 가능한 색상에서 소스 색상의 시각적 근사치를 생성하려고 시도합니다. 기본 재질의 수와 색상을 수정하면 인쇄 된 모델의 결과 색조와 색상 정확도가 수정됩니다. 또한 , 도 5에 도시된 바와 같이 투명재가 기본재료로 사용되는 경우, 인쇄된 모델을 통해 서피스및 지하광을 둘러싼 문제가 디지털 렌더링에서 인쇄된 model6로 의한 불충실한 컬러 변환을 초래하는 경우가 많다.
그림 1: 흐름 다이어그램. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.
그림 2: 복셀 디지털컬러의 물리적 디더링. (A) 심장 모델의 단면은 해부학의 밀도 범위를 2, 4 및 10색으로 나누어 도시된다. (b) 각 모델의 일부를 확대하여 개별 픽셀을 보여 주며, 이는 3D 프린팅 공정에서 재료의 액적으로 처리됩니다. (C) 여기에 복셀 기술을 사용하여 단면 3D 인쇄 모델이 표시되어 이미지에서 모델로의 번역을 시연합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 복셀 대표 결과. 성공적인 방법의 대표적인 결과를 표시하는 두 모델. (A) 명확한 세포 암과 성인의 단면 신장 모델. 오른쪽에 있는 종양은 신장과 종양 사이의 계면을 보여주기 위해 제거되었다. 이것은 외과 의사가 종양의 형태와 중요한 요소에 의한 관계를 더 잘 이해할 수 있게 합니다. (B) 조직 밀도의 변이를 나타내는 단면 심장 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 복셀 스케일 문제. 크기 조정 문제의 결과를 보여주는 동일한 모델의 두 이미지입니다. (A) 신장의 단면 이미지. X-Y 해상도는 비례적으로 표시되지만 신장의 의도된 제품(B) 프로파일 뷰의 50%입니다. X 해상도는 원본 데이터에서 정확하며 X 방향으로 늘어난 모델이 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 잠재적인 문제. 두 가지 모델의 두 이미지는 반투명 재료로 작업하는 선명도에 관한 문제를 보여줍니다. (A) 이 모델은 프린터에서 '지지' 재질로 채워진 모델 내의 밀폐된 보이드의 결과를 보여줍니다. 이 모델에서는 광학 특성의 변형을 만들기 위해 보이드를 의도적으로 만들었습니다. (B) 이 모델은 모델 깊숙이 실행되는 열린 보이드를 보여 준다. 공극은 고난을 일으키고, 표면을 연마하는 표준 후처리 기술이 불가능합니다. 그 결과 광학 왜곡으로 인해 임상 응용 프로그램에 사용할 수 없는 모델을 렌더링했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 복셀 처리 워크플로우 및 이미지 품질 비교. 입력 DICOM 데이터에서(A) 마스크는 관심 영역을 격리하고 3D 볼륨 렌더링으로 재구성하기 위해 만들어지며, (B)는 히스토그램을 분석하여 강도 값의 범위를 구문 분석합니다. 복셀 기반 볼륨 렌더링의 셰이프 채널이 활성화되어 생성된 마스크 된 DICOM의 형태를 시각화합니다. voxel 기반 볼륨 렌더링의 재질 채널은 지정된 강도 범위(C)에 색상을 매핑하는 조회 테이블을 통해 수정됩니다. 볼륨 렌더링은 프린터(D)의 필요한 제약 조건 및 해상도에 대한 풀 컬러 PNG 파일로 슬라이스됩니다. 모든 PNG 조각은 의료 데이터를 조작하는 데 필요한 재료 설명으로 디더로 전환됩니다. (E) 생성된 색상 복합 PN이 프린터로 전송됩니다. (F) 동일한 기술을 사용하여 저해상도 데이터 집합(G)에 비해 고해상도 데이터 집합의 시각화를 사용하여 최고 품질의 소스 데이터의 필요성을 입증합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
N.J.는 콜로라도 리젠트 대학이 이 작품에 설명된 것과 같은 방법을 설명하는 특허 출원에 대한 저자입니다(출원 안 됩니다. US16/375,132; 게시 번호 US20200316868A1; 2019년 4월 04일 제출; 게시 08 10월 2020). 다른 모든 저자는 경쟁적인 이해관계가 없다고 선언합니다.
이 방법은 복셀 기반의 3D 프린팅 워크플로우를 보여 주며, 이는 정확한 공간 충실도 와 공간/대비 해상도로 의료 이미지에서 직접 인쇄됩니다. 이를 통해 데이터의 손실이나 변경 없이 방사선 밀도와 상관관계가 있는 형태학적으로 복잡하고 졸업된 재료를 통해 재료 분포를 정밀하고 졸업할 수 있습니다.
우리는 수술 전 계획에 대한 복셀 인쇄에 대한 우리의 과학적 연구의 관대 한 지원에 대한 AB 넥서스와 콜로라도 주 감사합니다. 이 연구에 사용된 데이터 세트를 제공한 L. 브라운, N. Stence 및 S. 셰리던에게 감사드립니다. 이 연구는 AB 넥서스 그랜트와 콜로라도 고급 산업 보조금의 상태에 의해 투자되었다.
| 3D 슬라이서 이미지 컴퓨팅 플랫폼 | Slicer.org | 버전 4.10.2– 4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D 프린터 | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
