Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Voxel Printing Anatomy: Ontwerp en fabricage van realistische, prechirurgische planningsmodellen door bitmapafdrukken

2.8K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/63214

⸱

9 februari 2022

 ,  ,  ,  ,  , 
1Inworks Innovation Initiative, University of Colorado-Anschutz, 2Department of Mechanical Engineering, University of Colorado-Boulder

In dit artikel

Samenvatting

Deze methode demonstreert een voxel-gebaseerde 3D-printworkflow, die rechtstreeks vanuit medische beelden afdrukt met exacte ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie. Dit maakt de precieze, gegradueerde controle van materiaalverdelingen mogelijk door morfologisch complexe, gegradueerde materialen gecorreleerd aan radiodensiteit zonder verlies of wijziging van gegevens.

Samenvatting

De meeste toepassingen van 3-dimensionaal (3D) printen voor prechirurgische planning zijn beperkt tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen vanwege de fundamentele beperkingen in nauwkeurigheid, kwaliteit en efficiëntie van het huidige modelleringsparadigma. Dit heeft grotendeels het zachte weefsel genegeerd dat van cruciaal belang is voor de meeste chirurgische specialiteiten, waar het binnenste van een object ertoe doet en anatomische grenzen geleidelijk overgaan. Daarom vereisen de behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, nieuwe vormen van representatie.

Hier wordt een nieuwe techniek gepresenteerd om 3D-modellen rechtstreeks van medische beelden te maken, die superieur zijn in ruimtelijke en contrastresolutie aan de huidige 3D-modelleringsmethoden en voorheen onhaalbare ruimtelijke getrouwheid en differentiatie van zacht weefsel bevatten. Ook gepresenteerd zijn empirische metingen van nieuwe, additief vervaardigde composieten die het gamma van materiaalstijfheden overspannen die worden gezien in zachte biologische weefsels van MRI en CT. Deze unieke volumetrische ontwerp- en drukmethoden maken deterministische en continue aanpassing van materiaalstijfheid en kleur mogelijk. Deze mogelijkheid maakt een geheel nieuwe toepassing van additive manufacturing op prechirurgische planning mogelijk: mechanisch realisme. Als een natuurlijke aanvulling op bestaande modellen die uiterlijke matching bieden, stellen deze nieuwe modellen medische professionals ook in staat om de ruimtelijk variërende materiaaleigenschappen van een weefselsimulant te "voelen" - een kritische toevoeging aan een veld waarin tactiele sensatie een sleutelrol speelt.

Inleiding

Momenteel bestuderen chirurgen tal van discrete 2-dimensionale (2D) beeldvormingsmodaliteiten met verschillende gegevens om operaties bij 3D-patiënten te plannen. Bovendien is het bekijken van deze gegevens op een 2D-scherm niet volledig in staat om de volledige omvang van de verzamelde gegevens te communiceren. Naarmate het aantal beeldvormingsmodaliteiten groeit, vereist het vermogen om meer gegevens te synthetiseren uit verschillende modaliteiten, die meerdere organisatieschalen vertonen, nieuwe vormen van digitale en fysieke representatie om informatie te condenseren en te cureren voor een effectievere en efficiëntere chirurgische planning.

3D-geprinte, patiëntspecifieke modellen zijn naar voren gekomen als een nieuw diagnostisch hulpmiddel voor chirurgische planning waarvan is aangetoond dat het de operatietijd en chirurgische complicaties vermindert1. Het proces is echter tijdrovend vanwege de standaard stereolithografie (STL) -methode van 3D-printen, die een zichtbaar verlies van gegevens laat zien en geprinte objecten weergeeft als vaste, homogene en isotrope materialen. Als gevolg hiervan is 3D-printen voor chirurgische planning beperkt gebleven tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen2. Deze beperking is het gevolg van een verouderd productieparadigma dat wordt geleid door de producten en behoeften van de industriële revolutie, waarbij gefabriceerde objecten volledig worden beschreven door hun buitengrenzen3. De behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, vereisen echter nieuwe vormen van representatie die de variaties over het hele volume vertegenwoordigen, die punt voor punt veranderen.

Om dit probleem aan te pakken, werd een 3D-visualisatie- en modelleringstechniek (figuur 1) ontwikkeld en gekoppeld aan een nieuw, additief productieproces dat meer controle mogelijk maakt over het mengen en depositie van harsen in ultrahoge resolutie. Deze methode, bitmapprinten genaamd, repliceert de menselijke anatomie door 3D-printen rechtstreeks vanuit medische beelden op een niveau van ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie van geavanceerde beeldvormingstechnologie van bijna 15 μm. Dit maakt de precieze en gegradueerde controle mogelijk die nodig is om variaties in morfologisch complex zacht weefsel te repliceren zonder verlies of wijziging van gegevens uit diagnostische bronbeelden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

OPMERKING: 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (zie de tabel met materialen) werd gebruikt voor het werk dat in secties 1 tot en met 3 werd voltooid.

1. Gegevensinvoer

  1. Open de medische beeldcomputersoftware, klik op de knop Bestand en DICOM in het vervolgkeuzemenu en wacht tot het DICOM Browser-venster is geopend.
    1. Selecteer in het venster DICOM-browser de optie Importeren. Wacht tot het pop-upvenster DICOM-bestanden importeren uit map verschijnt.
    2. Navigeer naar de DICOM-bestandsstapel en klik op de knop Importeren .
    3. Zorg ervoor dat de geselecteerde stapel DICOM-bestanden in de DICOM-browser wordt geladen. Zorg ervoor dat de gegevens correct zijn ingevuld en overeenkomen met het gewenste onderzoek in de volgende categorieën: Patiënt, Studie, Serie en Instantie.
      1. Schakel het selectievakje Geavanceerd in om aanvullende metagegevens te activeren. Selecteer het gewenste serienummer en klik op de knop Onderzoeken . Zorg ervoor dat de gewenste volgorde geen waarschuwingen weergeeft. Klik op het selectievakje naast het gewenste DICOM-gegevensbestand | Laden.
        OPMERKING: Selecteer de afbeeldingen met de hoogste resolutie met de dunste plakacquisitie, omdat deze methode kan afdrukken met een plakdikte van 15 μm en 27 μm.
  2. Voor volumerendering navigeert u naar Modules zodra de reeks is geladen in de medische beeldcomputersoftware en selecteert u Volumerenderingsmodule in het vervolgkeuzemenu.
    1. Selecteer in de module Volumerendering de naam van de reeks in het vervolgkeuzemenu Volume om de afbeeldingsstapel te activeren en de gegevens te vertalen naar een voxelized volume. Zorg ervoor dat de naam van de actieve module overeenkomt met de gewenste volgorde die is geselecteerd in stap 1.1.3.1.
    2. Klik op het pictogram Oogbol naast de vervolgkeuzelijst Volume om het geselecteerde volume in 3D te visualiseren. Zorg ervoor dat het 3D-weergavevenster is geopend en dat er een 3D-weergave in grijswaarden zichtbaar is.
    3. Klik vervolgens op de pijl naast Geavanceerd om de geavanceerde hulpprogramma's te openen. Selecteer het tabblad Volume-eigenschap om een reeks besturingselementen te openen voor het wijzigen van het kleurkanaal van het voxelmodel.
    4. Navigeer naar het menu Scalar Opacity Mapping . Klik met de linkermuisknop in het veld om punten te maken waarop intensiteitswaarden worden gedefinieerd door dekking. Plaats punten langs deze schaal om de anatomie van interesse te visualiseren.
      OPMERKING: De locatie rechts-links van het punt is gecorreleerd aan het bereik van de intensiteitswaarden van de afbeelding en de locatie omhoog verwijst naar de dekking.
    5. Navigeer naar het menu Scalaire kleurtoewijzing . Klik met de linkermuisknop in het veld om punten te maken en kleuren op te geven die zijn gecorreleerd aan intensiteitswaarden. Dubbelklik in het veld om het venster Kleur selecteren te openen om kleurgegevens te wijzigen.

2. Manipulaties

OPMERKING: Een maskeringsstap is vereist als de anatomie voldoende complex is, tot het punt waarop omliggende weefsels en externe gegevens aanwezig zijn na wijzigingen in de volume-eigenschappen.

  1. Navigeer naar Modules en selecteer de segmenteditor in het vervolgkeuzemenu. Zorg ervoor dat de werkbalken van de segmenteditor worden weergegeven.
    1. Navigeer naar de vervolgkeuzelijst Segmentatie en selecteer Nieuwe segmentatie maken als. Typ een aangepaste naam voor de segmentatie in het pop-upvenster Segmentatie hernoemen en klik op OK.
    2. Navigeer naar de vervolgkeuzelijst Mastervolume en selecteer het actieve volume, dat dezelfde naam heeft als de volumerendering. Klik vervolgens op de knop Toevoegen direct onder de vervolgkeuzelijst. Zorg ervoor dat de segmentcontainer is gemaakt in het onderstaande veld.
    3. Navigeer naar het deelvenster met het gereedschap Effecten hieronder en selecteer het gereedschap Schaar . Navigeer naar het schaarmenu en selecteer Binnen invullen, Vrije vorm en Onbeperkt. Plaats vervolgens de muisaanwijzer op het 3D-venster, klik met de rechtermuisknop en houd vast terwijl u tekent rond het gebied dat moet worden gewist. Zorg ervoor dat er een gekleurde zwad verschijnt die laat zien wat er is bedekt. Herhaal dit proces totdat alle te verwijderen gebieden zijn gedekt.
      OPMERKING: Er zijn extensies, zoals Segment Editor Extra Effects, die kunnen worden gedownload naar de medische beeldcomputersoftware, met hulpmiddelen voor het maken van deze segmentatie.
    4. Selecteer vervolgens het gereedschap Maskervolume in het menu Effecten . Schakel Binnen selecteren in om alle afbeeldingsgegevens te verwijderen die onder het segment vallen. Wijzig vervolgens de vulwaarde in -1000, wat gelijk is aan lucht of ongeldig in de Hounsfield-eenheidsschaal. Druk ten slotte op toepassen en klik op de oogbol naast het uitvoervolume om het nieuwe gemaskeerde volume weer te geven.
      1. Navigeer naar Modules en selecteer Volume rendering in het vervolgkeuzemenu. Klik op de oogbol naast het actieve volume om de visualisatie uit te schakelen.
      2. Selecteer vervolgens in het vervolgkeuzemenu het nieuw gemaakte gemaskeerde volume. Klik op de oogbol om het volume te activeren.
      3. Navigeer ten slotte naar het menu Invoer en open het vervolgkeuzemenu Eigenschappen . Selecteer de eigenschap Volume die in stap 1.2.5 is gemaakt. Zorg ervoor dat het volume in de 3D-weergave is gemaskeerd en kleurgecodeerd.

3. Snijden

OPMERKING: Dit proces omzeilt de traditionele 3D-afdrukmethode door de segmentbestanden rechtstreeks naar de 3D-afdruk te verzenden in plaats van naar een STL-mesh-bestand. In de volgende stappen worden segmenten gemaakt op basis van de volumerendering. De bitmapgeneratormodule is een op maat gemaakte extensie. Dit kan worden gedownload van Extensions Manager.

  1. Navigeer naar de modules, selecteer Slicerfab in de vervolgkeuzelijst. Zorg ervoor dat de menu's Afdrukparameters en Uitvoerparameters aanwezig zijn.
    1. Controleer in de vervolgkeuzelijst Printerparameters of de X-resolutie is ingesteld op 600 DPI en de Y-resolutie is ingesteld op 300 DPI. Zorg ervoor dat de laagdikte is ingesteld op 27 μm.
    2. Open vervolgens het menu Uitvoerparameters en wijzig indien nodig de schaal van het uiteindelijke model.
    3. Selecteer ten slotte een bestandslocatie voor de segmenten die moeten worden opgeslagen en klik op Genereren.
      OPMERKING: Deze stap kan enkele minuten duren om te voltooien.

4. Dithering

OPMERKING: Adobe Photoshop (zie de tabel met materialen) is gebruikt voor het werk dat in sectie 4 is voltooid.

  1. Open de beeldbewerkingssoftware en klik op Bestand en selecteer Openen in het vervolgkeuzemenu. Navigeer naar de eerste afbeelding van de PNG-bestandsstapel die in de vorige stap is gemaakt en klik op de knop Openen .
  2. Navigeer naar Venster en selecteer Acties in het vervolgkeuzemenu. Klik in het menu Acties op Nieuwe actie, voer een aangepaste naam in en selecteer OK. Zorg ervoor dat de actie wordt opgenomen door te controleren of de opnameknop actief en rood is.
    1. Zodra de afbeelding is geladen, navigeert u naar Afbeelding | Modus | Geïndexeerde kleur. Selecteer in het venster Index in het vervolgkeuzemenu Local Perceptual en geef het aantal kleuren op dat 8 moet zijn.
    2. Selecteer in het menu Geforceerd de optie Aangepast. Klik op de eerste twee vierkanten, wacht tot het venster Aangepaste kleur verschijnt en selecteer een aangepast kleurenpalet. Selecteer 100% Magenta en zorg ervoor dat C, Y en K zijn ingesteld op 0.
      1. Herhaal dit proces en zorg ervoor dat er twee vierkanten zijn gewijd aan 100% C, Y en K.
    3. Selecteer in het menu Opties voor Matt de optie Aangepast in het vervolgkeuzemenu. Selecteer bij Dither de optie Diffusie en selecteer bij Hoeveelheid de optie 100%. Klik ten slotte op OK.
    4. Navigeer naar het menu Actie en klik op de vierkante knop om de opname te stoppen. Sluit het actieve venster en klik op Nee in het pop-upvenster Wijzigingen opslaan .
  3. Navigeer naar | | automatiseren Batch. Navigeer in het pop-upvenster Batch naar de vervolgkeuzelijst Actie en selecteer de actie die in de vorige stap is gemaakt. Klik vervolgens onder het menu Bron op de knop Kiezen en navigeer naar de map met afbeeldingen die in stap 3.1.3 zijn geëxporteerd. Klik in het menu Doel op de knop Kiezen , selecteer een doelmaplocatie voor de nieuwe bestanden en klik op OK.

5. Voxel printen

OPMERKING: Stratasys GrabCAD5 werd gebruikt voor het werk voltooid in sectie 5.

  1. Open de afdruksoftware, klik op Apps en start Voxel Print Utility in het vervolgkeuzemenu.
    1. Voer in het tekstvak Voorvoegsel van segmentbestanden het voorvoegsel van de PNG-bestandsstapel in. Klik vervolgens op de knop Selecteren , navigeer naar de map waarin de PNG-bestandenstapel zich bevindt en klik op OK.
    2. Zorg er onder Segmentbereik voor dat het eerste segment en het aantal segmenten overeenkomen met het aantal bestanden in de gemaakte map.
    3. Controleer onder Segmentparameters of de dikte van de segmenten (mm) overeenkomt met de instellingen die zijn opgegeven in stap 3.1.1.1 en de breedte en hoogte van de segmenten (pixels) overeenkomen met de breedte en hoogte van de PNG-bestanden.
    4. Controleer onder Achtergrondkleur of de achtergrond overeenkomt met de achtergrondkleur en stel in dat deze niet wordt afgedrukt. Als u klaar bent, klikt u op de knop Volgende .
  2. Selecteer op de pagina Gereedschappen onder Materiaaltoewijzing het materiaal in het vervolgkeuzemenu dat moet worden toegewezen aan de bijbehorende kleur, afgeleid van de PNG-bestanden. Herhaal dit proces voor elke kleur in het menu. Klik vervolgens op | Voltooien OK in het pop-upvenster Info Gcvf creatie geslaagd.
  3. Klik in de afdruksoftware van de hostcomputer op Bestand | Importeer bestand vanuit het vervolgkeuzemenu. Navigeer naar het Gcvf-bestand en klik op Laden. Selecteer afdrukken op het hoofdscherm.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Een positief resultaat, zoals weergegeven in figuur 2 en figuur 3, is een directe vertaling van de volumeweergave zoals gedefinieerd in stap 1.2.5 of 2.1.1.4. Het uiteindelijke model moet visueel overeenkomen met de volumeweergave in grootte, vorm en kleur. Tijdens dit proces zijn er tal van stappen waarbij een fout kan optreden, die van invloed is op een of meer van de hierboven genoemde eigenschappen.

Problemen met ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Het huidige representatiekader dat de meeste, zo niet alle, digitale modelleringstools tegenwoordig gebruiken, resulteert in het STL-bestandsformaat8. Niettemin is de specifieke aard van dit paradigma ontoereikend gebleken bij het proberen uit te drukken van de granulaire of hiërarchische structuur van complexere, natuurlijke materialen. Met de komst van recente additieve productietechnieken zoals multimateriaal 3D-printen kunnen sterk afgestemde en sterk geoptimaliseerde objecten worden geproduce...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

N.J. is een auteur van een octrooiaanvraag ingediend door de University of Colorado Regents die methoden beschrijft zoals die beschreven in dit werk (aanvraagnr. US16/375.132; publicatienr. US20200316868A1; ingediend 04 april 2019; gepubliceerd op 08 oktober 2020). Alle andere auteurs verklaren dat ze geen tegenstrijdige belangen hebben.

Dankbetuigingen

We danken AB Nexus en de staat Colorado voor hun genereuze steun aan ons wetenschappelijk onderzoek naar voxeldruk voor prechirurgische planning. We bedanken L. Browne, N. Stence en S. Sheridan voor het verstrekken van datasets die in deze studie worden gebruikt. Deze studie werd gefinancierd door de AB Nexus Grant en de State of Colorado Advanced Industries Grant.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
3D Slicer Image Computing PlatformSlicer.orgVersie 4.10.2–4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet 3D PrinterStratasys
PhotoshopAdobe2021

Referenties

  1. Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
  2. Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13(2020).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
  10. Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Meer artikelen verkennen

3D-printen van medische beeldenreplicatie van weke delenvolumereconstructieDICOM-segmentatiemateriaalkoppelingadditieve productievervaardiging van anatomische modellen
Voxel Printing Anatomy: Ontwerp en fabricage van realistische, prechirurgische planningsmodellen door bitmapafdrukken
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.