Druk 3D przedklinicznych zestawów danych tomografii komputerowej rentgenowskiej

Podsumowanie

Korzystając z nowoczesnych technologii wytłaczania i drukowania tworzyw sztucznych, teraz można szybko i tanio produkować fizyczne modele danych z tomografii komputerowej wykonanej w laboratorium. Trójwymiarowe drukowanie danych tomograficznych jest potężnym narzędziem do wizualizacji, badań i edukacji, do którego może teraz uzyskać dostęp społeczność zajmująca się obrazowaniem przedklinicznym.

Streszczenie

Drukowanie trójwymiarowe pozwala na produkcję bardzo szczegółowych obiektów w procesie znanym jako produkcja addytywna. Tradycyjne, wtryskiwane metody tworzenia modeli lub części mają kilka ograniczeń, z których najważniejszym jest trudność w wytwarzaniu bardzo skomplikowanych produktów w sposób terminowy i opłacalny. ¹ Jednak stopniowe ulepszenia w technologii druku trójwymiarowego zaowocowały zarówno wysokiej klasy, jak i ekonomicznymi instrumentami, które są obecnie dostępne do łatwej produkcji niestandardowych modeli. ² Drukarki te mają możliwość wytłaczania obiektów o wysokiej rozdzielczości z wystarczającą ilością szczegółów, aby dokładnie odwzorować obrazy in vivo wygenerowane z przedklinicznego tomografu komputerowego rentgenowskiego. Dzięki odpowiedniemu gromadzeniu danych, renderowaniu powierzchni i edycji stereolitograficznej, możliwe i niedrogie jest teraz szybkie tworzenie szczegółowych struktur szkieletowych i tkanek miękkich na podstawie danych z tomografii rentgenowskiej. Nawet we wczesnych stadiach rozwoju modele anatomiczne wytworzone za pomocą druku trójwymiarowego przemawiają zarówno do nauczycieli, jak i badaczy, którzy mogą wykorzystać tę technologię do poprawy biegłości w wizualizacji. ^{3, 4} Realne korzyści płynące z tej metody wynikają z namacalnego doświadczenia, jakie badacz może mieć z danymi, których nie można odpowiednio przekazać przez ekran komputera. Translacja przedklinicznych danych 3D na obiekt fizyczny, który jest dokładną kopią badanego obiektu, jest potężnym narzędziem do wizualizacji i komunikacji, zwłaszcza do relacjonowania badań obrazowych studentom lub osobom z innych dziedzin. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową metodę drukowania plastikowych modeli struktur kostnych i narządowych pochodzących z tomografii rentgenowskiej z wykorzystaniem systemu Albira X-ray CT w połączeniu z pakietami oprogramowania PMOD, ImageJ, Meshlab, Netfabb i ReplicatorG.

Protokół

1. Zwierzęta

1. W celu uzyskania przedstawionych poniżej wyników, od Freimann Life Science Center na University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA) pozyskano jednego samca szczura linii Long-Evans-Wistar w wieku dziesięciu miesięcy. Próbkę czaszki królika nowozelandzkiego (samiec, wiek = 8 tygodni) ex vivo, utrwaloną w 10% formalinie, pobrano z laboratorium prof. Matthew Ravosy na University of Notre Dame.
2. Do obrazowania in vivo szczura zanieczulono izofluranem (przepływ 2,5%) z utrzymaniem znieczulenia za pomocą systemu maski nosowej. Zwierzę ułożono w pozycji brzusznej w standardowym legowisku dla szczurów (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) dostarczonym wraz ze stacją obrazowania Albira. Kończyny ułożono bocznie względem tułowia, aby zapewnić jednorodną akwizycję obrazów CT.
3. Po zakończeniu akwizycji obrazów szczura zdjęto z maski nosowej i przeniesiono do klatki wybudzeniowej do czasu odzyskania sprawności ruchowej.
4. W przypadku skanowania czaszki królika, preparat umieszczono w legowisku dla szczurów w szczelnej plastikowej torebce zawierającej formalinę.

2. Pozyskiwanie i rekonstrukcja obrazu

1. Pozyskiwanie obrazów In Vivo oraz Ex Vivo przeprowadzono przy użyciu systemu Albira CT (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). System ustawiono tak, aby przeskanować obszar o długości 180 mm, wykonując trzy skany kołowe (600 projekcji na skan), każdy z FOV wynoszącym 65 mm, które następnie zostają zszyte podczas rekonstrukcji. Źródło promieni rentgenowskich ustawiono na natężenie prądu 400 μA i napięcie 45 kVp, stosując filtr Al o grubości 0,5 mm w celu utwardzenia wiązki. Przybliżony głęboki równoważnik dawki promieniowania dla ustawień CT wynosił 660 mSv, a płytki równoważnik dawki 1171 mSv. Dawki te są ponad 10-krotnie niższe od raportowanych wartości LD50.
2. Obrazy są rekonstruowane przy użyciu algorytmu FBP (Filtered Back Projection) za pomocą programu Albira Suite 5.0 Reconstructor z zastosowaniem parametrów „Standard”. Połączone ustawienia akwizycji i rekonstrukcji dają obraz końcowy z izotropowymi wokselami o rozmiarze 0,125 mm, co uznano za wystarczające do analizy całego zwierzęcia oraz druku 3D struktur anatomicznych.

3. Przetwarzanie danych

1. Cechy szkieletowe z tomografii komputerowej (CT) można wydrukować z surowych danych bez segmentacji. Jednak przed przetworzeniem danych do druku 3D wymagana jest segmentacja tkanek miękkich. Poniżej przedstawiamy przykład z tkanką płucną.
   1. Otwórz oryginalny plik MicroPET (format danych dla wszystkich modalności w systemie obrazowania Albira).
   2. Obrysuj obszar zainteresowania (VOI) wokół myszy w taki sposób, aby usunąć całą przestrzeń zewnętrzną.
   3. W karcie „VOI Tools” wybierz opcję „Mask Outside Selected VOI” i ustaw wartość maskowania na -1 000 jednostek Hounsfielda (HU, skala gęstości radiologicznej dla CT), co skutecznie przypisze przestrzeni zewnętrznej wartość gęstości CT odpowiadającą powietrzu.
   4. Po usunięciu całej przestrzeni zewnętrznej, w karcie „Tools” wybierz opcję „External”, a następnie kliknij strzałkę rozwijaną i wybierz „Segmentation”.
   5. Ustaw zakres od -550 do -200 i kliknij „Ok”.
   6. Jeśli plik jest bardzo duży, wybierz kartę „Tools”, wybierz opcję „Reduce” i uruchom program.
   7. Zapisz plik w formacie Analyze.
2. Dane muszą zostać najpierw przekonwertowane na format DICOM przy użyciu oprogramowania analitycznego PMOD (PMOD Technologies LTD, Zurych, Szwajcaria).
   1. Uruchom pakiet oprogramowania do przetwarzania obrazów PMOD.
   2. W górnym rzędzie wybierz kartę View.
   3. Na pasku narzędzi w prawym dolnym rogu kliknij strzałkę skierowaną w dół z etykietą Database w sekcji Load.
   4. Wybierz MicroPET dla surowych danych CT lub Analyze dla segmentowanych płuc.
   5. Wybierz odpowiedni plik i kliknij Add to Selected.
   6. Kliknij Open.
   7. Na pasku narzędzi w prawym dolnym rogu kliknij strzałkę skierowaną w górę w sekcji Save.
   8. Z tego menu wybierz typ pliku DICOM.
   9. Nazwij plik i wybierz Save.
   10. Zamknij program PMOD.
3. Dane DICOM zawierają wolumetryczne wartości gęstości dla każdego woksela. Aby wydrukować te dane, muszą one zostać przetworzone jako ciągła powierzchnia zamiast objętości. Do uzyskania renderowania powierzchni do dalszego przetwarzania zostanie użyty program ImageJ v1.43u.
   1. Uruchom oprogramowanie do przetwarzania obrazów ImageJ.
   2. Wybierz File > Import.
   3. Wybierz Image Sequence.
   4. Przejdź do folderu zawierającego nowo utworzone pliki DICOM i wybierz je.
   5. Wybierz Plug-ins > 3D > 3D Viewer.
   6. Pojawią się dwa okna: przeglądarka 3D oraz okno ADD.
   7. W oknie ADD w sekcji Display as zmień opcję Volume na Surface.
   8. Zmień domyślną wartość Threshold na 210.
   9. Kliknij OK.
   10. W pasku menu przeglądarki 3D wybierz File > Export surfaces as > WaveFront.
   11. Nazwij plik i kliknij Save.
4. Dwa programy, Meshlab v1.3.1 oraz Netfabb Studio Basic 4.9, będą równolegle służyć do usuwania nadmiarowej siatki, łączenia rozłączonych elementów, naprawiania otworów i wygładzania końcowej siatki. Głównymi różnicami między tymi dwoma programami są zestawy narzędzi dostępnych dla użytkownika oraz niektóre elementy nawigacji w interfejsie. Oba są programami do edycji siatek 3D, a ich wspólne zastosowanie zapewnia najprostsze podejście do edycji modelu.
   oznacza, że czynności te należy wykonać w programie Meshlab v1.3.1
   oznacza, że czynności te należy wykonać w programie Netfabb Studio Basic 4.9
   1. Aby zaimportować siatki do oprogramowania edycyjnego:
      1. Otwórz program Meshlab v1.3.1
      2. Z paska menu wybierz File > New Empty Project.
      3. Wybierz File > Import Mesh.
      4. Wybierz plik i kliknij Open.
      5. Po załadowaniu pliku otworzy się okno dialogowe. Pozostawiając zaznaczoną opcję Unify Duplicated Vertices, kliknij OK.
         1. Otwórz program Netfabb Studio Basic 4.9.
         2. Przeciągnij wybrany plik bezpośrednio na ekran Netfabb Studio Basic.
   2. Aby usunąć niepożądaną siatkę z powierzchni:
      1. Z paska menu w programie Meshlab wybierz Filters > Cleaning and Repairing > Remove Isolated Pieces (WRT Diameter).
      2. Usuń izolowane komponenty połączone, których średnica jest mniejsza niż określona stała. Wprowadź maksymalną średnicę dla tych komponentów i kliknij Apply.
      3. Stopniowo zwiększaj maksymalną średnicę, aby usunąć większe fragmenty. Klikaj Apply po każdej modyfikacji średnicy.
   3. Aby połączyć rozłączone elementy, w obecnych siatkach należy wyciąć otwory w miejscach planowanego nowego połączenia i zbudować między nimi mostek z siatki.
      1. Użyj narzędzia Selection Tool (siódme narzędzie od lewej na pasku menu), aby zaznaczyć fragmenty siatki, które zostaną wycięte.
      2. Usuń zaznaczone fragmenty siatki za pomocą przycisku Delete Faces (trzecie narzędzie od lewej na pasku menu).
      3. Z paska menu wybierz File > Export Mesh As.
      4. Nazwij plik i zmień typ pliku na STL.
      5. Kliknij Save.
      6. Pojawi się okno dialogowe z opcjami zapisu, kliknij OK.
      7. Przeciągnij ten nowy plik do programu Netfabb.
      8. W górnym menu wybierz Repair (czwarte narzędzie od lewej).
      9. Wybierz narzędzie Add triangles (trzynaste od lewej).
      10. Kliknij otwartą krawędź (będą one żółte) po jednej stronie, a następnie kliknij otwartą krawędź na drugim elemencie. Utwórz od 5 do 10 mostków w przerwie.
      11. Wybierz przycisk Automatic Repair w prawym dolnym rogu.
      12. Zaznacz opcję Default Repair.
      13. Kliknij Execute.
      14. Po wykonaniu naprawy kliknij Cancel.
      Opcjonalnie: Niektóre utworzone trójkąty mogą mieć niewłaściwą orientację. Do ponownego zorientowania tych trójkątów można użyć poniższych kroków.
      1. Wybierz przycisk Flip Selected Triangles.
      2. Kliknij dowolne źle zorientowane trójkąty, aby obrócić wszystkie trójkąty w poprawnym kierunku.
   4. Aby naprawić kratery i otwory, należy usunąć całe otwory i kratery, a następnie zbudować mostki po każdej stronie siatki.
      1. Kliknij Selection Tool.
      2. Zaznacz krater lub otwór do wypełnienia.
      3. Kliknij przycisk Delete Faces.
      4. Z paska menu wybierz File > Export Mesh As.
      5. Nazwij plik i zmień typ pliku na STL.
      6. Kliknij Save.
      7. Pojawi się okno dialogowe z opcjami zapisu, kliknij OK.
      8. Przeciągnij ten nowy plik do programu Netfabb.
      9. W górnym menu wybierz Repair (czwarte narzędzie od lewej).
      10. Wybierz narzędzie Add triangles (trzynaste od lewej).
      11. Kliknij otwartą krawędź (będą one żółte) po jednej stronie, a następnie kliknij otwartą krawędź na drugim elemencie. Utwórz od 5 do 10 mostków w przerwie.
      12. Wybierz przycisk Automatic Repair w prawym dolnym rogu.
      13. Zaznacz opcję Default Repair.
      14. Kliknij Execute.
      15. Po wykonaniu naprawy kliknij Cancel.
   5. Wygładzanie Laplasa, algorytm wygładzania w programie Meshlab, jest używane do wygładzania obiektu przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej modelu.
      1. Przejdź do Filters > Smoothing > Fairing and Deformation > Laplacian Smooth.
      2. Wybierz liczbę iteracji wygładzania. Większa liczba iteracji spowoduje uzyskanie gładszego modelu, ale każda iteracja powoli zmniejsza objętość modelu, co może prowadzić do powstania rozłącznych elementów i ostrych krawędzi. Zaleca się 1-5 iteracji.
      3. Kliknij OK.
      4. Z paska menu wybierz File > Export Mesh As.
      5. Nazwij plik i zmień typ pliku na STL.
      6. Kliknij Save.
      7. Pojawi się okno dialogowe z opcjami zapisu, kliknij OK.
      8. Przeciągnij ten nowy plik do programu Netfabb.
      9. W górnym menu wybierz Repair (czwarte narzędzie od lewej).
      10. Wybierz narzędzie Add triangles (trzynaste od lewej).
      11. Kliknij otwartą krawędź (będą one żółte) po jednej stronie, a następnie kliknij otwartą krawędź na drugim elemencie. Utwórz od 5 do 10 mostków w przerwie.
      12. Wybierz przycisk Automatic Repair w prawym dolnym rogu.
      13. Zaznacz opcję Default Repair.
      14. Kliknij Execute.
      15. Po wykonaniu naprawy kliknij Cancel.
      16. Z paska menu wybierz File > Export Mesh As.
      17. Nazwij końcowy plik i zmień typ pliku na STL.
      18. Kliknij Save.
      19. Pojawi się okno dialogowe z opcjami zapisu, kliknij OK.

4. Drukowanie

1. Drukowanie za pomocą Makerbot
   1. Otwórz plik STL w programie ReplicatorG. ReplicatorG to oprogramowanie firmy Makerbot Industries służące do komunikacji z urządzeniem Makerbot.
   2. Kliknij Scale w menu w prawym dolnym rogu i wybierz opcję Fill the Build Space!
   3. Wybierz Rotate, a następnie kliknij Lay Flat.
   4. Kliknij Center.
   5. W przypadku modeli o wysokim stopniu szczegółowości wybierz fill build platform, aby powiększyć skalę modelu.
   6. W tym samym menu kliknij Move i wybierz Put on Platform.
   7. Po uzyskaniu właściwej orientacji wybierz Generate GCODE z górnego paska menu.
      *Pojawi się okno z opcjami drukowania.
   8. Wybierz ekstruder, który dostarczy filament do wydruku obiektu (Left lub Right).
   9. Zaznacz Use Raft/Support.
   10. Z menu rozwijanego zatytułowanego Use support material wybierz Full Support.
   11. Wybierz Generate GCODE. Pojawi się okno wyskakujące pokazujące postęp generowania GCODE.
   12. Po zakończeniu generowania GCODE wybierz Build to file for use with SD card.
   13. Kliknij Save.
   14. Przenieś plik na kartę SD.
   15. Włóż kartę SD do urządzenia Makerbot i za pomocą klawiatury Makerbot wybierz Print from SD.
   16. W sekcji Print from SD wybierz nazwę żądanego pliku. Makerbot automatycznie rozpocznie nagrzewanie w celu wydrukowania obiektu.
2. Drukowanie w Shapeways
   1. Po utworzeniu bezpłatnego konta w serwisie Shapeways plik STL można przesłać bezpośrednio na stronę Shapeways: http://www.shapeways.com/upload/
   2. Kliknij Upload i wybierz plik STL.
   3. Wpisz tytuł przesłanego pliku.
   4. Z menu rozwijanego wybierz jednostkę miary.
   5. Kliknij Upload Model.
   6. Plik jest teraz gotowy do wydruku przez Shapeways. Po przesłaniu pliku serwis Shapeways poświęci kilka minut na jego przetworzenie, aby upewnić się, że jest on możliwy do wydrukowania. Model będzie można wydrukować z poziomu strony „my models” po około dziesięciu minutach.
   7. Do drukowania struktur szkieletowych wybrano opcję „white strong flexible”, natomiast do tkanki płucnej „purple strong flexible”.
3. Drukowanie w ProJet HD 3000
   1. Plik STL można również wydrukować przy użyciu komercyjnej wysokorozdzielczej drukarki trójwymiarowej, takiej jak ProJet HD 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Innovation Park, Notre Dame, IN, USA).
   2. Plik STL jest wczytywany do autorskiego oprogramowania 3D Systems w celu rozmieszczenia zadania na platformie. Wymaga to zmiany orientacji modelu w celu zminimalizowania czasu druku oraz zużycia wosku wspierającego. Następnie plik zostaje zapisany.
   3. Następnie zadanie jest przesyłane elektronicznie do drukarki.
   4. Do drukarki wkładana jest platforma aluminiowa, a ProJet HD 3000 rozpoczyna drukowanie obiektu.
   5. Model zostaje następnie zdjęty z platformy i umieszczony w piekarniku w temperaturze około 73 °C, aby stopić wosk wspierający z modelu.
   6. Obiekt wyjmuje się na gorąco i przeciera chusteczką Kimwipe, aby usunąć pozostałości wosku z powierzchni.

Wyniki

Rycina 1. Modele wydrukowane w technologii 3D płuc i cech szkieletowych szczura na podstawie zestawu danych CT rentgenowskiego. Obiekty zostały wydrukowane przy użyciu ProJet HD 3000 (lewo), Shapeways Inc. (środek) lub Makerbot Replicator (prawo). Pasek skali oznacza 2 cm. Należy zauważyć, że pasek skali w panelu C jest mniejszy niż w panelach A i B, co odzwierciedla fakt, że w niektórych przypadkach Makerbot musi wydrukować powiększony obiekt, aby uzyskać wystarczający poziom szczegółowości.

Rycina 1 przedstawia produkty końcowe trzech metod drukowania tego samego zestawu danych CT szczura in vivo. Wszystkie trzy modele składają się z przyciętej struktury szkieletowej oraz wyjmowanych płuc, które zostały wydrukowane niezależnie, a następnie połączone. Model po lewej stronie jest wynikiem pracy drukarki wysokiej rozdzielczości ProJet HD 3000, wykonanym z półprzezroczystego tworzywa akrylowego. Obiekt w centrum został wykonany przez zewnętrzną firmę, Shapeways Inc., w której struktura szkieletowa została wydrukowana z białego plastiku nylon 12, natomiast struktury oddechowe wykonano w kolorze fioletowym. Te dwa pierwsze modele zostały wydrukowane w skali rzeczywistej, osiągając długość około 11 cm. Obiekt po prawej stronie został wykonany przy użyciu drukarki MakerBot. Struktura szkieletowa została wydrukowana z plastiku ABS (akrylonitryl-butadien-styren) w kolorze naturalnym, a płuca z ABS w kolorze limonkowym. Ze względu na ograniczenia rozdzielczości drukarki MakerBot, model ten nie mógł zostać wydrukowany w skali rzeczywistej bez degradacji drobnych struktur, takich jak klatka piersiowa. Zamiast tego, model został powiększony prawie 2-krotnie przy użyciu opcji „fill build space”, aby uzyskać pożądany poziom szczegółów wizualnych, co zaowocowało obiektem o długości 21 cm.

Rycina 2. Modele wydrukowane w technologii 3D na podstawie zbioru danych czaszki królika ex vivo. Przedstawione obiekty zostały wydrukowane przy użyciu ProJet HD 3000 (lewo), Shapeways Inc. (środek) oraz Makerbot Replicator (prawo). Pasek skali oznacza 1 cm.

Rycina 2 przedstawia końcowe produkty każdej z metod drukowania dla zestawu danych CT czaszki królika ex vivo. Model po lewej stronie jest wynikiem pracy drukarki wysokiej rozdzielczości ProJet HD 3000 z wykorzystaniem półprzezroczystego tworzywa akrylowego. Model w centrum został wydrukowany z białego nylonu 12 w firmie Shapeways Printing. Obiekt po prawej stronie został wydrukowany z białego tworzywa przy użyciu drukarki MakerBot. Wszystkie trzy obiekty zostały wydrukowane w skali i mają długość około 8,5 cm.

Rysunek 3. Modele wydrukowane w technologii 3D z pełnego zestawu danych CT rentgenowskiego szczura. Obiekty zostały wydrukowane za pomocą ProJet HD 3000 (lewo) oraz przez Shapeways Inc. (prawo). Pasek skali oznacza 1 cm.

Rysunek 3 przedstawia końcowe produkty dwóch metod drukowania pełnego zestawu danych CT szczura in vivo. Oba modele składają się z kompletnej struktury szkieletowej (bez ogona) oraz wyjmowanych płuc. Model po lewej stronie jest wynikiem pracy drukarki o wysokiej rozdzielczości, ProJet HD 3000, wydrukowanej z przezroczystego tworzywa akrylowego. Model po prawej stronie został wydrukowany w Shapeways Printing, przy czym struktura szkieletowa została wykonana z białego nylonu 12, a płuca w kolorze fioletowym. Oba te modele zostały wydrukowane w skali rzeczywistej, osiągając długość około 19 cm. Ze względu na wymaganą szczegółowość detali, pełny szkielet nie mógł zostać wydrukowany za pomocą MakerBot Replicator.

Podczas badania technik druku trójwymiarowego zaobserwowano określone zalety i wady, które przedstawiono w Tabeli 1.

Metoda drukowania	Zalety	Wady
MakerBot	Niezwykle szybki, szeroka gama opcji kolorystycznych, możliwość drukowania w dwóch kolorach, niezwykle tani	Najniższy poziom szczegółowości. Usuwanie materiałów podporowych przebiega powoli (w rzędu kilku godzin).
Shapeways	Szeroki wybór opcji kolorystycznych, różnorodność materiałów do druku, wysoki poziom szczegółowości, stosunkowo niska cena	Dwutygodniowy czas realizacji i dostawy zamówienia
ProJet HD 3000	Stosunkowo krótki czas realizacji, najwyższy poziom szczegółowości, wysoka wydajność, łatwe usuwanie materiałów podporowych (wosku).	Najwyższy koszt początkowy, tylko jedna opcja kolorystyczna podczas praktycznego zastosowania.

Tabela 1. Porównanie technologii druku 3D dostępnych do drukowania zbiorów danych CT.

Dyskusja

Zestawy danych rentgenowskich tomografii komputerowej żywego szczura Lobund-Wistar i czaszki białego królika z Nowej Zelandii ex vivo wykorzystano do wykazania wykonalności produkcji obiektów 3D na podstawie przedklinicznych danych biologicznych. Modele zostały wygenerowane przy użyciu trzech różnych źródeł: 1) popularnego Makerbot Replicator, 2) zewnętrznej firmy Shapeways Inc oraz 3) wysokiej jakości komercyjnego ProJet HD 3000. Każda drukarka była w stanie wygenerować obiekty, które spełniały główny cel, jakim była ulepszona wizualizacja danych.

Podczas procesu drukowania przedklinicznych danych TK ustalono i podsumowano zalety i wady każdej metody drukowania dla użytkownika końcowego. MakerBot Replicator to niedrogie (1,750 USD) rozwiązanie laboratoryjne, które jest dostępne dla praktycznie każdego laboratorium na całym świecie. Może drukować w wielu kolorach za pomocą niedrogich danych wejściowych (tomografia komputerowa szczura z płucami zużywała około 3,50 USD w plastiku). Makerbot jest jednak ograniczony rozdzielczością, a co za tym idzie, niektóre modele będą musiały zostać powiększone, aby uzyskać prawidłowe wytłoczenie i wizualizację zamierzonej struktury. Shapeways Inc. zapewnia wyjątkową liczbę wyborów w odniesieniu do koloru i materiału. Modele są wysokiej rozdzielczości i solidne. Chociaż ich ceny są około 10-krotnie wyższe niż MakerBot w przeliczeniu na jednostkę (tomografia komputerowa szczura z płucami kosztowała 41,61 USD), użytkownik może wykonać ograniczoną liczbę zadań i uniknąć początkowych kosztów zakupu drukarki. Dwutygodniowy czas realizacji ze strony Shapeways to niewielka wada. ProJet HD 3000 zapewniał wyjątkowe modele pod względem rozdzielczości i wytrzymałości. Mieliśmy to szczęście, że udało nam się zlecić druk naszych obiektów na drukarce ProJet HD 3000 w Innovation Park w Notre Dame (około 30 dolarów za tomografię komputerową szczura z płucami do pracy i materiałów). Użytkownicy mogą mieć trudności z dostępem do tego typu sprzętu, ponieważ są one wycenione w granicach 80 000 USD, a drukowanie w wielu kolorach jest również kłopotliwe. Ponieważ każdy przyrząd/producent podaje inną metrykę opisującą rozdzielczość drukowania obiektów (minimalny poziom szczegółowości Shapeways = 0,2 mm, minimalna grubość ścianki = 0,7 mm, ⁵ grubości warstwy MakerBot = 0,2-0,3 mm z dyszą 0,4 mm, ⁶ProJet HD 3000 DPI = 656 x 656 x 800 z dokładnością 0,025-0,05 mm ), jakościowa ocena względnych rozdzielczości między każdym systemem sugeruje, że zarówno Shapeways, jak i system ProJet HD mogą drukować w wysoka szczegółowość do skali, podczas gdy niektóre obiekty muszą zostać powiększone, aby pomyślnie korzystać z MakerBota. Łącznie wszystkie trzy metody są przyjazne dla środowiska i zapewniają wygodny sposób na łatwą produkcję bardzo szczegółowych przedklinicznych modeli tomografii komputerowej przed prześwietleniem.

Konkluzja

Stopniowo technologia druku 3D stała się bardziej dostępna, ponieważ zminimalizowano zarówno koszty, jak i złożoność. ^{8, 9} Teraz dosłownie każdy może drukować trójwymiarowe obiekty w wysokiej rozdzielczości z plików cyfrowych. Te szczegółowe trójwymiarowe obiekty mogą być użytecznymi narzędziami zarówno dla nauczycieli, jak i badaczy. Ponadto zapewniają środek komunikacji wizualnej, który pomaga w osiągnięciu lepszego zrozumienia. ¹⁰ Na przykład badacze medyczni mogą korzystać z próbek lub modeli specyficznych dla pacjenta, aby poprawić zarówno komunikację, jak i zrozumienie ze swoimi współpracownikami i pacjentami. ¹¹ Chociaż reprezentacja na ekranach 2D przeszła długą drogę, nic nie zastąpi wizualnego i zmysłowego doświadczenia trzymania w ręku prawdziwego przedmiotu, który można trzymać, obracać, badać i przesuwać. Model w połączeniu z elektroniczną reprezentacją danych jest jeszcze potężniejszy, ponieważ pozwala naukowcom badać obiekt fizyczny pod kątem obszarów zainteresowania i znajdować te obszary na modelu komputerowym w celu dalszej analizy ilościowej. Dzięki odpowiedniemu gromadzeniu danych, renderowaniu powierzchni i edycji stereolitograficznej możliwe jest szybkie tworzenie szczegółowych, stosunkowo niedrogich modeli na podstawie danych z rentgenowskiej tomografii komputerowej. W tym miejscu przedstawiamy szczegółową, krok po kroku metodę tworzenia trójwymiarowego modelu na podstawie przedklinicznych danych dotyczących małych zwierząt zebranych za pomocą mikrotomografii komputerowej rentgenowskiej. Pozyskaliśmy nasze zestawy danych z tomografii komputerowej in vivo i ex vivo za pomocą stacji obrazowania Albira, a następnie przeprowadziliśmy ich przetwarzanie za pomocą pakietów oprogramowania PMOD, ImageJ, Meshlab i Netfabb. Na koniec udostępniamy szczegółowe instrukcje, które umożliwią drukowanie modeli trójwymiarowych z szeregiem rozwiązań komercyjnych. W każdym przypadku efektem końcowym jest model, który zapewnia unikalną, trzymaną w ręku, fizyczną manifestację pozyskanych danych tomograficznych, które normalnie byłyby ograniczone do ekranu komputera.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Wymagane programy Albira Image Acquirer PMOD ImageJ Meshlab Netfabb ReplicatorG