Tworzenie skalowanego modelu anatomicznego na podstawie danych z obrazowania tomografii biomedycznej i powiązanych etykiet do późniejszego podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) kryształów szklanych

Summary

Metodologia jest opisana tutaj do reprezentowania danych obrazowania anatomicznego w kryształach. Tworzymy skalowane trójwymiarowe modele danych obrazowania biomedycznego do wykorzystania w podpowierzchniowym grawerowaniu laserowym (SSLE) szkła kryształowego. Narzędzie to stanowi użyteczne uzupełnienie wyświetlaczy obliczeniowych lub modeli drukowanych trójwymiarowo stosowanych w warunkach klinicznych lub edukacyjnych.

Abstract

Metody obrazowania biomedycznego, takie jak tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MR), stanowią doskonałe platformy do zbierania trójwymiarowych zestawów danych anatomii pacjenta lub próbki w warunkach klinicznych lub przedklinicznych. Jednak użycie wirtualnego wyświetlacza na ekranie ogranicza zdolność tych obrazów tomograficznych do pełnego przekazania zawartych w nich informacji anatomicznych. Jednym z rozwiązań jest połączenie zestawu danych obrazowania biomedycznego z technologią druku 3D w celu wygenerowania fizycznej repliki. W tym miejscu szczegółowo opisujemy uzupełniającą metodę wizualizacji danych obrazowania tomograficznego za pomocą modelu ręcznego: Sub Surface Laser Engraving (SSLE) szkła kryształowego. SSLE oferuje kilka unikalnych korzyści, w tym: łatwą możliwość dołączania etykiet anatomicznych, a także paska skali; usprawniony wieloczęściowy montaż złożonych konstrukcji w jednym medium; wysoka rozdzielczość w płaszczyznach X, Y i Z; oraz półprzezroczyste powłoki do wizualizacji wewnętrznych podbudów anatomicznych. W tym miejscu pokazujemy proces SSLE za pomocą zestawów danych CT pochodzących ze źródeł przedklinicznych i klinicznych. Protokół ten będzie służył jako potężne i niedrogie nowe narzędzie do wizualizacji złożonych struktur anatomicznych dla naukowców i studentów w wielu środowiskach edukacyjnych i badawczych.

Introduction

Metody obrazowania biomedycznego, takie jak tomografia komputerowa (CT) czy rezonans magnetyczny (MRI) są rutynowo używane przez społeczność medyczną, badawczą i akademicką do nieinwazyjnego badania wewnętrznych struktur ludzi lub osób biologicznych1^,2,3. We współczesnej medycynie technologia ta umożliwia bardziej świadome diagnozy, a co za tym idzie, lepsze leczenie pacjentów⁴. W szczególności tomografia komputerowa stanowi doskonałą okazję do rekonstrukcji 3D ze względu na wysoką rozdzielczość i izotropowe właściwości wokseli (identyczna długość każdej krawędzi sześcianu). ⁵ Ponadto dostępne są pakiety oprogramowania, które renderują dane obrazowania biomedycznego w trzech wymiarach (3D) dla funkcji wyższego rzędu, takich jak chirurgia wspomagana komputerowo i wirtualna endoskopia⁶. W ramach badań przedklinicznych obrazowanie nieniszczące stanowi platformę translacyjną, na której można badać modele chorób u myszy i szczurów⁷. Biblioteki cyfrowe, takie jak biologiczna baza danych Digital Morphology (http://digimorph.org), zostały wypełnione danymi CT pochodzącymi z różnych próbek lub klinicznych stanów chorobowych, aby zapewnić łatwy dostęp do nich szerszym społecznościom naukowym i medycznym⁸.

Obecnie dane obrazowania biomedycznego są wizualizowane w przestrzeni wirtualnej na ekranach komputerowych lub w przestrzeni fizycznej za pomocą modeli ręcznych. Podczas gdy oprogramowanie komputerowe pozwala użytkownikom analizować i manipulować danymi, fizyczne repliki są miłym uzupełnieniem o doskonałych korzyściach edukacyjnych^9,10. Tradycyjne modele zostały wygenerowane przy użyciu taniego procesu odlewania, w którym podstawowe formy są wypełniane żywicą, która twardnieje do pożądanej struktury¹¹. Modele odlewane są podatne na tanią masową produkcję, ale są ograniczone do podstawowych struktur, które nie pochodzą z zestawów danych pacjenta. W ciągu ostatnich pięciu lat drukowane w 3D repliki ludzkiej anatomii stały się coraz bardziej powszechne ze względu na wysoką złożoność, a często specyficzne dla pacjenta obiekty, które mogą być generowane i wyświetlane. Modele te są tworzone przez maszyny, które osadzają płynne lub stopione tworzywa sztuczne w warstwach dodatków i pomagają lekarzom w diagnozowaniu, skomplikowanych operacjach, leczeniu chorób, projektowaniu protez i komunikacji z pacjentem^12,13. Co więcej, powszechna dostępność drukarek 3D klasy konsumenckiej w szkołach podstawowych, średnich i uczelnianych służy zwiększeniu wpływu pedagogicznego współdzielonych plików modeli anatomicznych^14,15.

Ogólnie rzecz biorąc, druk 3D znacznie przyspieszył rozwój modeli anatomicznych w medycynie, jednak ma ograniczenia. Po pierwsze, tworzenie wieloczęściowych modeli anatomicznych może być trudne, ponieważ często wymagana jest dodatkowa praca, aby cyfrowo połączyć ze sobą oddzielne elementy, które w przeciwnym razie mogłyby się rozpaść¹⁶. Ponadto nieprzezroczystość wielu materiałów drukowanych w 3D, szczególnie w przypadku maszyn klasy konsumenckiej, uniemożliwia wizualizację wewnętrznych podstruktur, które zapewniają dodatkowy wgląd w kość i tkankę miękką próbki. Co więcej, wytłaczarki z płynnego lub stopionego tworzywa sztucznego ograniczają rozdzielczość wydruków 3D. Wytłaczarki profesjonalnych drukarek mają średnicę około 50 μm i pozwalają na grubość warstwy 14 μm, z rozdzielczością do 600 punktów na cal (DPI) w osiach X i Y oraz 1 600 DPI w osi Z^17,18. Dla porównania, drukarki 3D klasy konsumenckiej mają ekstrudery o średnicy około 400 μm i dają grubość warstwy 100 μm i rozdzielczość w przybliżeniu odpowiadającą 42 DPI^19,20. Cena również różni się znacznie w zależności od klasy konsumenckiej do profesjonalnej drukarki^20,21. Dodatkowo, wysokie koszty materiałów uniemożliwiają masowej produkcji przemysłowej osiągnięcie ekonomii skali²².

Sub Surface Laser Engraving (SSLE), czyli grawerowanie kryształów 3D, wykorzystuje wiązkę laserową do tworzenia małych "bąbelków" lub kropek z dużą precyzją o współrzędnych tysięcy X, Y, Z w sztywnej, sześciennej, szklanej matrycy²³. Każda kropka ma rozdzielczość 20-40 μm, co daje rozdzielczość między 800-1,200 DPI²⁴. Ponadto każda kropka jest półprzezroczysta, co umożliwia wizualizację wewnętrznych podstruktur. Wiele niepołączonych ze sobą części jest reprezentowanych w tym samym krysztale, a w przypadku dużych, skomplikowanych struktur nie jest wymagany dodatkowy materiał. Ponieważ matryca jest solidna, można dodać anatomiczne etykiety i paski skali rozmiarów, aby zwiększyć potencjał edukacyjny wyświetlanych w niej danych obrazowych. W tym miejscu przedstawiamy proces, w którym dane rentgenowskiej tomografii komputerowej (CT) są formatowane dla kryształowego SSLE. Po pierwsze, dane mogą być zbierane z komercyjnych przedklinicznych systemów mikrotomografii komputerowej, skanerów klinicznych z wydziałów radiologii / uniwersytetów lub pochodzących z repozytoriów internetowych, takich jak National Biomedical Imaging Archive (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf)²⁵ Tutaj demonstrujemy to podejście z rdzeniem z kości owczej, złamanym nadgarstkiem, oznakowaną stopą i oznakowanymi kryształami nóg, aby zilustrować zdolność do włączania zarówno danych przedklinicznych, jak i klinicznych, Dostosuj skalę struktur anatomicznych i skoordynuj geometrię struktury z rozmiarem kryształu. Biorąc pod uwagę łatwy charakter SSLE i już powszechne stosowanie plików STL w druku 3D, wytwarzanie oznakowanych kryształów anatomicznych zapewnia ekscytujące, ręczne narzędzie do wizualizacji do użytku w społecznościach akademickich i edukacyjnych.

Protocol

Wszystkie zestawy danych z ludzkiej tomografii komputerowej zostały zanonimizowane zgodnie z zatwierdzonym protokołem SJRMC.

1. Akwizycja danych CT próbek przedklinicznych i klinicznych

1. Przeprowadź mikrorentgenowską tomografię komputerową w celu wygenerowania zestawu danych przedklinicznych. W tym przypadku należy użyć mikrotomografii komputerowej do zobrazowania próbki rdzenia kostnego przy następujących ustawieniach: 45 kV, 0,4 mA i 1,000 projekcji. ⁵
2. Rekonstrukcja surowych danych w wysokiej rozdzielczości (woksel izotropowy 125 μm). Aby jeszcze bardziej zwiększyć rozdzielczość, zidentyfikuj i zrekonstruuj sześcian o średnicy 1 cm ze środkiem w punkcie początkowym objętości (woksel izotropowy 10 μm).
3. Wyeksportuj zrekonstruowany zestaw danych w formacie DICOM w celu dodatkowego przetwarzania.
4. Alternatywnie, uzyskaj zrekonstruowane zestawy danych CT, takie jak te złamanego nadgarstka i stopy użyte w tym badaniu, od współpracowników klinicznych (dane pokazane tutaj uzyskane z Regionalnego Centrum Medycznego Saint Joseph) lub archiwów DICOM o otwartym kodzie źródłowym (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
5. Zaimportuj pliki do oprogramowania do obrazowania DICOM i w razie potrzeby wyeksportuj je jako zdekompresowane pliki DICOM.

2. Przetwarzanie danych

1. Otwórz każdy zestaw danych DICOM (składający się ze wszystkich wycinków obrazu) za pomocą opcji "Załaduj DICOM" w ustawieniu "Widok" oprogramowania do przetwarzania obrazu.
2. Zapisz każdy zestaw danych jako analizę NIfTI, uznany format obrazowania do analizy naukowej. Zaimportuj pliki NIfTI do programu o ugruntowanym zastosowaniu w obrazowaniu medycznym, obliczeniowej i automatycznej segmentacji do generowania map powierzchni (np. 3DSlicer).
3. Wgraj dany plik NIfTI do programu do generowania map powierzchni za pomocą narzędzia 'Dodaj dane'.
4. Wybierz narzędzie "Kreator modeli w skali szarości" ze specyfikacją "Utwórz i zmień nazwę nowego modelu". Ustaw dolne wartości progowe na około 300 HU dla segmentacji kości.
5. Zapisywanie modeli w skali szarości jako plików STL w celu dalszego przetwarzania danych.
6. Zaimportuj każdą mapę powierzchni do oprogramowania do przygotowywania danych 3D (np. Netfabb Studio Basic) i wybierz tryb "Naprawa".
7. Użyj narzędzi 'Wybierz część' i 'Usuń', aby usunąć wszystkie powierzchnie, które nie reprezentują interesującej nas konstrukcji.
8. Użyj narzędzia "Dodaj trójkąt", aby częściowo zakryć w powierzchniach i skryptu "Automatyczna naprawa", aby całkowicie zamknąć pozostałe luki.
9. Wybierz skrypt "Napraw zdegenerowane powierzchnie" w menu akcji, aby rozwiązać krawędzie bez powierzchni i skrypt "Zastosuj naprawę", aby wyjść z trybu "Napraw" ze zmodyfikowaną częścią.
10. Użyj narzędzia "Wytnij", aby usunąć niechciane elementy lub zmniejszyć rozmiar modelu. Wyznacz położenie każdego cięcia w płaszczyźnie "X", "Y" lub "Z" w menu "Wytnij" obszaru kontekstowego.
11. Użyj narzędzia "Wykonaj cięcie" i wybierz "Cięcie triangulacyjne" w ustawieniach, aby automatycznie zamknąć wszystkie powstałe otwory.
12. Użyj jednocześnie narzędzi 'Wybierz element' i 'Usuń', aby usunąć wszystkie powierzchnie powstałe w wyniku cięcia, które nie reprezentują interesującej nas konstrukcji.
    UWAGA: Jeśli mapa powierzchni ma być połączona z paskiem skali, pomiń następujący krok. Cecha anatomiczna i pasek skali zostaną przeskalowane jednocześnie po połączeniu ich w jednym STL.
13. Wybierz opcję "Skala", aby zmodyfikować wymiary każdej mapy powierzchni. Modele mogą być poszerzone (rdzeń kostny) lub zmniejszone pod względem wymiarów (stopa) lub utrzymane w oryginalnym rozmiarze (nadgarstek), aby zmieściły się w prostokątnym pryzmacie o wymiarach 8 cm lub 5 cm x 5 cm x 8 cm. Należy pamiętać, że pliki na tym etapie mogą zostać wysłane do SSLE, jeśli nie są wymagane żadne etykiety ani podziałki liniowe.

3. Oznakowanie anatomiczne

1. Wybierz opcję "Nowy" w menu programu CAD (np. Autodesk Inventor Professional), aby utworzyć nowy skoroszyt przy użyciu szablonu metrycznego dla części "Standardowa (mm).ipt".
2. Wybierz opcję "Utwórz szkic 2D" i wybierz dowolną płaszczyznę. Użyj narzędzia "Tekst" w menu "Rysuj" na pasku narzędzi, aby utworzyć wpisane etykiety anatomiczne z żądaną czcionką i rozmiarem (Times New Roman i 2,0 mm).
3. Po zakończeniu wybierz opcję "Zakończ szkic" w menu "Wyjdź" na pasku narzędzi.
4. Wybierz narzędzie "Wyciągnięcie" z menu "Utwórz" na pasku narzędzi z opcją "Tekst 2D". Wyznacz głębokość wytłaczania (2,0 mm) za pomocą ustawienia symetrycznego.
5. Eksportuj etykiety tekstowe w formacie CAD z ustawieniem STL "Zapisz jako typ".
6. Otwórz nowy skoroszyt do produkcji cylindrycznej linii etykiet. Wybierz opcję "Plik", aby utworzyć nowy szablon metryki z częścią "Standardowy (mm).ipt".
7. Wybierz narzędzie "Utwórz szkic 2D" i wybierz dowolną płaszczyznę. Użyj narzędzia "Okrąg punktu środkowego" w menu "Rysuj" na pasku narzędzi, aby utworzyć okrąg ze środkiem w punkcie początkowym.
8. Użyj narzędzia "Wymiar" w menu "Ograniczenie", aby ustawić średnicę okręgu (1,0 mm).
9. Po zakończeniu wybierz opcję "Zakończ szkic" w menu "Wyjdź" na pasku narzędzi.
10. Wybierz narzędzie "Wyciągnięcie" wybrane z menu "Utwórz" na pasku narzędzi z opcją "Tekst 2D". Wybierz głębokość wytłaczania (10,00 mm) z ustawieniem symetrycznym.
11. Eksportuj etykiety tekstowe i cylindry w formacie CAD z ustawieniem .stl "Zapisz jako typ".

4. Dołączanie etykiet

1. Importuj modele, etykiety tekstowe i cylindryczne linie etykiet do oprogramowania do przygotowywania danych 3D.
2. Przetłumacz etykiety tekstowe na lewo lub na prawo od powiązanej anatomii za pomocą narzędzia "Przesuń część". Użyj narzędzia "Obróć część", aby ustawić etykiety tak, aby były skierowane w tym samym kierunku.
3. Przesuwaj i obracaj cylindryczne linie etykiet za pomocą narzędzi "Przesuń część" i "Obróć część", aby połączyć etykiety z powiązanymi strukturami w modelu.
4. W razie potrzeby przejdź do trybu "Napraw" i użyj opcji "Wybierz trójkąty" i "Usuń wybrane trójkąty", aby zmniejszyć rozmiar cylindrów do odpowiedniej długości.
5. Jeśli korzystasz z wersji podstawowej, wybierz wszystkie części i zapisz je jako projekt. Następnie ponownie otwórz ten projekt w wersji profesjonalnej.
6. W wersji profesjonalnej wybierz wszystkie części i wyeksportuj je jako pojedynczy plik STL.

5. Projekt skali

UWAGA: W programie CAD zaprojektowano dwa rodzaje podziałek liniowych. Pierwszy z nich znajduje się w Rysunek 1 i składa się z trzech oddzielnych pasków skali, ze znacznikami w różnych wymiarach, leżących na każdej płaszczyźnie. Druga, zawarta w Rysunek 2, Rysunek 3, & Rysunek 4, składa się z prostopadłych linii leżących na trzech osiach i zbiegających się w rogu. Wykonaj kroki 5.1-5.2, aby rozpocząć projektowanie każdej podziałki liniowej.

1. Utwórz nowy skoroszyt w programie CAD, wybierając część 'Nowy' i 'Standardowa (mm).ipt'.
2. Wybierz opcję "Utwórz szkic 2D" i wybierz dowolną z trzech płaszczyzn, na których chcesz rozpocząć pracę.
   UWAGA: Kontynuuj kroki 5.3-5.16, aby wyprodukować pierwszy typ podziałki. Podane wymiary zostały zaimplementowane do stworzenia skali o długości 1 cm ze znacznikami w odstępach co 25 mm.
3. Użyj narzędzi "Prostokąt" i "Wymiar", aby narysować prostokąt (10 mm x 0,25 mm) o szerokości odpowiadającej żądanej długości podziałki liniowej (10 mm) i długości o dowolnej rozsądnej wartości (0,25 mm). Umieść lewy dolny wierzchołek w punkcie początkowym, aby można było użyć współrzędnych x do rozmieszczenia znaczników osi.
4. Aby utworzyć znaczniki, użyj narzędzia "Prostokąt", aby narysować prostokąt bezpośrednio nad paskiem skali. Ogranicz rozmiar (0,025 mm x 0,432 mm) za pomocą narzędzia "Wymiar".
5. Korzystając ze współrzędnych x, przesuń nowo utworzony prostokąt tak, aby leżał w żądanej odległości od krawędzi. To jest górna część znacznika wyboru.
6. Aby utworzyć dolną część znacznika podziałki, narysuj kolejny prostokąt o takich samych wymiarach jak górna połowa, bezpośrednio pod paskiem skali. Użyj narzędzia "Wyrównaj", aby wyrównać dwie połówki znacznika wyboru.
7. Wybierz narzędzie "Przytnij" w menu "Modyfikuj" i wybierz obszar, w którym pasek skali i znaczniki nakładają się na siebie. Spowoduje to usunięcie nadmiarowych linii i umożliwi interpretację części jako pojedynczego elementu po wyciągnięciu.
8. Powtórz kroki 5.4–5.7 dla pozostałych znaczników wyboru.
9. Po zakończeniu wybierz opcję "Zakończ szkic" w menu "Wyjdź" na pasku narzędzi.
10. Wybierz "Wyciągnięcie" w menu "Utwórz" i wybierz pasek podziałki. Określ odległość i kierunek wytłaczania (0,25 mm i do ekranu).
11. Aby zaprojektować etykiety dla znaczników, wybierz opcję "Utwórz szkic 2D" i wybierz podziałkę liniową jako płaszczyznę roboczą.
12. W menu "Rysuj" wybierz narzędzie "Tekst", aby utworzyć tekst o określonej czcionce i rozmiarze (Times New Roman i 0,25 mm). Przetłumacz tekst w żądane miejsce obok podziałki liniowej.
13. Po zakończeniu wybierz opcję "Zakończ szkic" w menu "Wyjdź" na pasku narzędzi.
14. Wybierz narzędzie "Wyciągnięcie" z menu "Utwórz" na pasku narzędzi z opcją "Tekst 2D". Wyznacz głębokość wytłaczania (0,25 mm) i kierunek (do ekranu).
15. Powtórz kroki 5.12-5.14, aby utworzyć pozostałe etykiety.
16. Wyeksportuj wypełnioną podziałkę liniową w formacie CAD z ustawieniem .stl 'Zapisz jako typ'.
    UWAGA: Po wykonaniu kroków 5.1-5.16 przejdź do kroków 5.17-5.31, aby utworzyć drugi typ podziałki. Dostarczone pomiary zostały wykorzystane do stworzenia skali o długości 2 cm na każdej osi i grubości 2 mm.
17. Wybierz narzędzie "Prostokąt", aby utworzyć kwadrat i ogranicz długość i szerokość (2 mm x 2 mm) za pomocą narzędzia "Wymiar". Wymiary wybrane w tym kroku określą grubość części.
18. Wybierz opcję "Zakończ szkic", aby powrócić do ustawień modelu 3D.
19. W sekcji "Utwórz" wybierz "Wyciągnięcie" i wybierz kwadrat narysowany w trybie szkicu 2D. Wybierz żądaną głębokość i kierunek wytłaczania (20 mm i w głąb ekranu).
20. Wybierz opcję "Utwórz szkic 2D" i kontynuuj pracę na tej samej płaszczyźnie, co poprzedni szkic.
21. Użyj narzędzi "Prostokąt" i "Wymiar", aby narysować prostokąt (2 mm x 18 mm) bezpośrednio nad kwadratem. Dopasuj długość prostokąta do długości kwadratu (2 mm), a szerokość powinna być równa żądanemu rozmiarowi podziałki pomniejszonej o szerokość kwadratu (20 mm - 2 mm = 18 mm). Naciśnij "Zakończ szkic" po zakończeniu.
22. W sekcji "Utwórz" wybierz "Wyciągnięcie" i wybierz prostokąt. Wprowadź głębokość wyciągnięcia, która powinna być równa długości kwadratu (2 mm) i wybierz kierunek (na ekranie).
23. Obróć część tak, aby wyglądała jak litera "L". Utwórz nowy szkic dwuwymiarowy (2D) i wybierz przód litery "L" jako płaszczyznę roboczą.
24. Narysuj kwadrat w rogu dwóch prostokątów za pomocą narzędzia "Prostokąt". Ogranicz wymiary (2 mm x 2 mm) tak, aby dokładnie pasował do rogu. Wyjdź ze szkicu za pomocą narzędzia "Zakończ szkic".
25. W sekcji "Utwórz" wybierz "Wyciągnięcie" i wybierz nowo utworzony kwadrat. Wprowadź odległość wyciągnięcia, która powinna być równa żądanemu rozmiarowi podziałki pomniejszonej o szerokość kwadratu (20 mm - 2 mm = 18 mm). Wybierz kierunek (poza ekranem) i zastosuj wyciągnięcie.
26. Aby dodać tekst wskazujący wymiary podziałki liniowej, utwórz nowy szkic 2D na dowolnej płaszczyźnie.
27. Użyj narzędzia "Tekst" w menu "Rysuj" na pasku narzędzi, aby utworzyć etykietę z żądaną czcionką i rozmiarem (czcionka Times New Roman i 2,5 mm).
28. Przetłumacz tekst w żądane miejsce obok podziałki liniowej. Wyjdź z trybu szkicowania, wybierając opcję "Zakończ szkic".
29. Użyj narzędzia "Wyciągnięcie" i wprowadź odległość wyciągnięcia, która odpowiada grubości podziałki liniowej (2 mm) i kierunkowi, który wyrównuje etykietę z paskiem skali (na ekranie).
30. Powtórz kroki 5.26–5.30, używając pozostałych płaszczyzn, aby utworzyć etykiety dla wszystkich trzech osi.
31. Po zakończeniu wyeksportuj podziałkę liniową i towarzyszące jej etykiety w formacie CAD z ustawieniem .stl "Zapisz jako typ".

6. Dodawanie podziałek liniowych do modeli anatomicznych

1. Otwórz model anatomiczny w oprogramowaniu do przygotowywania danych 3D i zaimportuj podziałkę liniową.
2. Użyj narzędzi "Przesuń część" i "Obróć część", aby ustawić pasek skali obok modelu anatomicznego.
3. Jeśli został utworzony pierwszy typ podziałki liniowej, zaimportuj część jeszcze dwa razy. Przesuń i obróć poszczególne paski skali tak, aby jedna leżała na każdej osi.
4. Jeśli korzystasz z wersji podstawowej, wybierz wszystkie części i zapisz je jako projekt.
5. Otwórz plik w wersji profesjonalnej. Wybierz wszystkie części i wyeksportuj je jako pojedynczy plik STL.
   UWAGA: Wymiary są zachowywane po zaimportowaniu map powierzchni i podziałek liniowych do wersji podstawowej lub profesjonalnej. Przed grawerowaniem mapy powierzchni wraz z powiązanymi etykietami i paskami skali są skalowane tak, aby pasowały do wnętrza kryształów. Ponieważ podziałki liniowe są skalowane w tym samym tempie co modele, zmiany rozmiarów podziałek liniowych są reprezentatywne dla zmian wymiarów w strukturach anatomicznych.

7. Redukcja twarzy

1. Użyj narzędzia "Importuj siatkę", aby dodać plik . Plik STL w programie do przetwarzania siatek 3D. Korekty zostaną zastosowane do modelu powierzchni i wszystkich komponentów, w tym tekstu i podziałek liniowych, ponieważ oprogramowanie interpretuje siatkę jako jedną część.
2. W sekcjach 'Filtry' i 'Ponowne tworzenie siatki, uproszczenie i rekonstrukcja' wybierz narzędzie 'Zdziesiątkowanie załamania krawędzi kwadratowej', aby zmniejszyć liczbę ścian obecnych w siatce.
3. Wprowadź żądaną liczbę twarzy (100 000) w polu "Docelowa liczba twarzy" i wybierz "Zastosuj". Ta operacja ma na celu utworzenie łatwego do opanowania rozmiaru pliku dla oprogramowania SSLE i zapobieżenie nadmiernemu czasowi grawerowania.
4. Wyeksportuj gotowy produkt jako STL za pomocą ustawienia "Eksportuj siatkę jako...".

8. Grawerowanie modelu w kryształze

UWAGA: Ukończone pliki STL są przekazywane do współpracownika przemysłowego, gdzie kryształy szkła są grawerowane laserowo w celu wytworzenia fizycznych modeli danych anatomicznych. W przypadku pytań i dalszej pomocy prosimy o kontakt z branżowymi autorami tego manuskryptu.

1. Otwórz plik STL w oprogramowaniu do grawerowania laserowego i przekonwertuj go na plik SCAX.
2. Zaimportuj plik SCAX w pakiecie oprogramowania podłączonym do maszyny do grawerowania laserowego 3D.
3. Zdefiniuj rozmiar kryształu odpowiedni do połączenia z plikiem SCAX.
4. Ustaw moc lasera i wprowadź napięcie i gęstość. Podczas gdy 8,5 V i 0,2 są zwykle wybierane dla napięcia i gęstości, inne pomiary można określić, zmniejszając napięcie i zwiększając gęstość, upewniając się, że kryształ nie pęka ani nie pęka.
5. Wyślij plik do grawera laserowego 3D w celu produkcji kryształów.

Results

Podpowierzchniowe grawerowanie laserowe kryształów szkła to doskonały sposób na wizualizację wielu rodzajów danych z biomedycznego obrazowania tomograficznego. Rysunek 1 zawiera dane przedkliniczne z tomografii komputerowej, podczas gdy Rysunek 2, Rysunek 3, & Rysunek 4 pokazuje, jak można wykorzystać kliniczne skany CT. Ponieważ wymiary są modyfikowane przed grawerowaniem, konstrukcje o różnych rozmiarach mogą być odwzorowane za pomocą grawerowania laserowego. Podczas gdy Rysunek 2 ilustruje, jak można wydrukować anatomie w skali, większość struktur musi być przeskalowana w górę lub w dół. Do pomiaru zmian wymiarów można zastosować dwa typy podziałek liniowych: jeden, który obejmuje boki konstrukcji, a drugi, w którym trzy osie zbiegają się w narożniku. Pierwszy typ jest idealny do struktur rozszerzonych, takich jak rdzeń kostny, podczas gdy drugi typ najlepiej nadaje się do struktur o zmniejszonej skali lub zmniejszonych. Co więcej, wielkość kryształu jest połączona z kształtem struktury anatomicznej. W efekcie stopę umieszczono w sześcianie, natomiast nogę zawieszono w prostokątnym pryzmacie.

Kluczową cechą grawerowania podpowierzchniowego jest możliwość dołączania etykiet tekstowych do cech anatomicznych. Technika ta może być stosowana do różnych typów danych obrazowych, z optymalnym rozmieszczeniem etykiet w zależności od geometrii struktury. W Rysunek 2, tekst został umieszczony na dwóch płaszczyznach, aby rozmieścić etykiety i uniknąć zasłaniania widoku anatomii. Dla Rysunek 3 & Rysunek 4, kości można było wyraźnie oglądać z jednej strony, więc etykiety były umieszczone na jednej płaszczyźnie.

Rysunek 1. Przedkliniczne dane z tomografii komputerowej zestawu rdzeni z kości owcy, wyświetlanych wirtualnie i zawieszonych w grawerowanym krysztale 3D. Oprogramowanie do obrazowania wykorzystano do wygenerowania i dołączenia pasków skali do mapy powierzchni izotopowej kości owcy o średnicy 1 cm (po lewej). Struktura uległa pięciokrotnemu zwiększeniu wymiarów wzdłuż każdej osi, zgodnie z paskami skali, i została wygrawerowana laserowo w krysztale o średnicy 8 cm (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Dane kliniczne TK złamanego nadgarstka z anatomicznymi etykietami, wyświetlane wirtualnie i wygrawerowane w krysztale. Kliniczny zestaw danych CT ludzkiego nadgarstka z przerwanym promieniem został przekształcony w mapę powierzchni za pomocą oprogramowania komputerowego. Etykiety anatomiczne oraz podziałka o długości 2 cm zostały wygenerowane za pomocą projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) i dołączone do modelu (po lewej). Grawer laserowy 3D umieścił konstrukcję w 8-centymetrowym szkle sześciennym (po prawej). Pasek skali zachował swój rozmiar, co pokazuje, że nadgarstek został wyprodukowany w skali. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Anatomicznie oznakowana ludzka stopa z anatomicznymi etykietami, wyświetlana wirtualnie i wygrawerowana w krysztale. Zestaw danych tomografii komputerowej ludzkiej stopy został przekształcony w model w skali szarości za pomocą oprogramowania do obrazowania. Tekst i podziałka o długości 4 cm zostały utworzone za pomocą CAD i włączone do mapy powierzchni (po lewej). Model został zmniejszony do połowy i wygrawerowany laserowo w kryształowym sześcianie o średnicy 8 cm (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Kliniczny zestaw danych CT ludzkiej nogi anatomicznie oznaczonej za pomocą oprogramowania komputerowego i wygrawerowanej w krysztale. Pakiety oprogramowania wykorzystano do przygotowania mapy powierzchni z pełnego skanu tomografii komputerowej człowieka oraz do oddzielenia nogi od reszty ciała. Dołączono oznaczenia anatomiczne i 2,5 cm podziałkę zaprojektowaną za pomocą CAD (po lewej), a konstrukcja została wygrawerowana w krysztale o wymiarach 5 cm x 5 cm x 8 cm (po prawej). Pasek skali w krysztale ilustruje, że noga została przeskalowana w dół w stosunku 5:3. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

	Druk 3D	Podpowierzchniowe grawerowanie laserowe (SSLE) kryształów
Zalety	Wrażenia dotykowe	Tworzenie struktur w wolnej przestrzeni
	Modele w pełnym kolorze	Generowanie modeli wieloczęściowych
	Możliwa reprezentacja w skali przy większej różnorodności struktur	Mocowanie etykiet anatomicznych
	Solidny materiał z tworzywa sztucznego odporny na upadki	Podziałka liniowa zawieszona w modelu
	Dostępne niedrogie drukarki klasy konsumenckiej	Wysoka rozdzielczość i dokładność
	Wysoka rozdzielczość profesjonalnych drukarek	Krótki czas produkcji
		Łatwe łączenie ze sobą oddzielnych podjednostek anatomicznych w przestrzeni 3D
		Struktury wewnątrz kryształu niepodatne na uszkodzenia z zewnątrz
		Niskie koszty materiałów
		Grawerki laserowe w umiarkowanej cenie
Niedogodności	Trudne do powiązania odrębne podjednostki anatomiczne w przestrzeni 3D	Brak wrażeń dotykowych
	Koszt i czas produkcji różnią się w zależności od złożoności	Skala szarości
	Większa podatność na błędy produkcyjne	Rozmiar ograniczony kryształem
	Konieczne może być mycie poprodukcyjne	Reprezentacja w skali trudna
	Rozdzielczość ograniczona przez wytłaczarki do tworzyw sztucznych	Gęstość ograniczona przez laser
	Części mogą odpryskiwać od modelu	Kryształy mogą odpryskiwać lub pękać po upuszczeniu
	Kosztowne drukarki klasy profesjonalnej
	Ceny materiałów są bardzo zróżnicowane

Tabela 1. Zalety i wady druku 3D i SSLE do produkcji modeli anatomicznych. Druk 3D i SSLE to dwa sposoby wizualizacji danych tomografii biomedycznej, a każdy z nich ma wiele mocnych i słabych stron w odniesieniu do tworzenia fizycznych modeli danych.

Discussion

Zestawy danych przedklinicznych i klinicznych uzyskanych za pomocą metod obrazowania biomedycznego odegrały zasadniczą rolę w nowoczesnych badaniach i postępach medycznych. Wcześniejsze metody wizualizacji danych biomedycznych obejmowały wyświetlanie komputerowe i modele fizyczne generowane z tradycyjnego odlewania lub nowoczesnych metod druku 3D. Tutaj opisujemy metodę grawerowania kryształów 3D jako alternatywny sposób wizualizacji tomograficznych danych biomedycznych, ponieważ generuje dobrze zdefiniowane, oznaczone modele w prosty sposób. Te stosunkowo niedrogie modele mogą być szeroko stosowane jako narzędzia edukacyjne. Wykorzystanie grawerowania kryształów do dokładnego odwzorowania danych anatomicznych daje mu duży potencjał w warunkach klinicznych i edukacyjnych. Możliwość wizualizacji danych w fizycznym, trójwymiarowym formacie pokonuje ograniczenia tradycyjnych form edukacji z wykorzystaniem płaskich obrazów lub wirtualnych renderingów⁹. Wysoka rozdzielczość grawerowanych struktur oraz dołączanie etykiet do konkretnych widocznych cech ułatwiają wykorzystanie tych modeli do edukacji pacjentów lub studentów. Ponadto modalność ta oferuje możliwość identyfikacji i obserwacji przyczyn i aspektów stanów chorobowych w obrębie próbki. Na przykład klasyfikacja i lokalizacja złamania kości, takiego jak złamanie nadgarstka odnotowane na rycinie 2, zapewnia bardziej wszechstronne zrozumienie związku między stanami chorobowymi a innymi fizycznie widocznymi objawami i/lub objawami pacjenta.

Za pomocą grawerowania kryształów 3D, przedkliniczne i kliniczne zestawy danych CT zostały przedstawione jako struktury fizyczne wpisane w kryształy. Przedkliniczne dane TK uzyskano za pomocą mikrotomografu komputerowego, natomiast kliniczne obrazy TK zebrano z klinicznych źródeł radiologicznych. Przed dalszym przetwarzaniem dane obrazowania klinicznego są konwertowane do zdekompresowanych plików DICOM za pomocą oprogramowania do obrazowania. Kolejne programy przekształcają zrekonstruowane pliki DICOM w mapy powierzchni. Modyfikacja tych map powierzchni oraz generowanie etykiet anatomicznych i pasków skali odbywa się za pomocą oprogramowania do przygotowywania danych i projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Ukończone pliki STL są redukowane i konwertowane na pliki SCAX. Po ustawieniu rozmiaru kryształu i mocy lasera, pliki są odczytywane przez maszynę do grawerowania laserowego 3D, która tworzy swobodne struktury anatomiczne w krysztale.

Opisany powyżej proces można zastosować do różnych zestawów danych klinicznych i przedklinicznych. Chociaż w tym projekcie wdrożono zestawy danych CT, możliwe jest, że dane uzyskane z innych metod obrazowania mogą być wizualizowane w krystalice, w tym ultrasonografia 3D (US), obrazowanie rezonansu magnetycznego (MRI) i pozytonowa tomografia emisyjna (PET). Również inne ludzkie struktury anatomiczne i próbki biologiczne mogą być obrazowane i reprezentowane w tym medium. Jednak kryształy występują w określonych rozmiarach, a struktury będą musiały być odpowiednio cięte lub skalowane. Wskazane jest dopasowanie geometrii części anatomicznej do wielkości kryształu. Na przykład noga najlepiej pasuje do prostokątnej bryły o wymiarach 5 cm x 5 cm x 8 cm (Rysunek 4), podczas gdy stopa najlepiej pasuje do sześcianu o wymiarach 8 cm (Rysunek 3). Zmiany rozmiaru, czcionki i grubości tekstu można przeprowadzić w oprogramowaniu CAD. Dodatkowo najlepiej jest umieścić etykiety na jednej lub dwóch płaszczyznach, aby wyraźnie odczytać etykiety, nie zasłaniając widoku anatomii podczas obracania kryształu do innych ścian.

Podczas wykonywania SSLE danych anatomicznych należy wziąć pod uwagę dwa dodatkowe czynniki: liczbę twarzy na mapie powierzchni oraz rozmiar każdego punktu, który jest grawerowany laserowo w krysztale. Czynniki te wpływają na liczbę i wielkość punktów, które będą pochłaniać padające światło, a tym samym potencjalnie poprawiać lub umniejszać daną wizualizację SSLE. Po pierwsze, liczba twarzy, która jest wprost proporcjonalna do liczby punktów w przestrzeni 3D, będzie miała wpływ zarówno na ogólną rozdzielczość, jak i "jasność/kontrast" wyświetlanego modelu. W każdym z przedstawionych przykładów ukończony plik STL został zredukowany do 100 000 ścian bez widocznej degradacji wynikowego produktu krystalicznego, niezależnie od rozmiaru czy powiększenia. Ogólna jasność/kontrast były również akceptowalne przy użyciu tego podejścia. Wartość 100 000 to bezpieczny zakres dla używanego grawera, aby nie przeciążać oprogramowania i sprzętu. Jednak w niektórych przypadkach mogą być potrzebne dodatkowe powierzchnie do poprawnego wyświetlenia danego zestawu danych, a te pliki mogą być traktowane jako eksperymentalne do momentu pomyślnego ukończenia. Ponadto rozmiar każdego punktu, który jest "wypalony" w krysztale, można dostroić za pomocą wartości wejściowych napięcia i "gęstości" grawera, aby zwiększyć kontrast jasności wyjściowej. W przedmiotowych przypadkach wybrano domyślne wartości Napięcie: 8,5 i Gęstość: 0,2. Chociaż te wartości stanowią punkt wyjścia, można je zmienić metodą prób i błędów, aby w razie potrzeby poprawić wizualizację danych.

Istnieje wiele zalet wykorzystania grawerowania kryształów 3D do wyświetlania danych obrazowania przedklinicznego i klinicznego. Kryształy są zwykle wytwarzane w czasie krótszym niż 30 minut, podczas gdy struktury drukowane w 3D mogą wymagać kilku godzin, w zależności od ich wielkości i złożoności 16,20,22^. Grawerowanie laserowe może być stosowane do przedstawiania zawieszonych konstrukcji bez użycia podpory, ułatwiając tworzenie skomplikowanych lub zwisających elementów anatomii bez zmniejszania dokładności za pomocą dodatkowego materiału¹⁶. Dzięki rozdzielczości 800-1 200 DPI i dokładności poniżej 10 μm modele te bardzo przypominają dane medyczne²⁴. Podczas gdy profesjonalne drukarki 3D mają podobną rozdzielczość około 600 DPI w XY i 1,600 DPI w Z, są one na ogół mniej dokładne (20-200 μm)17,19,20 (Tabela 1).

Grawerowanie kryształów 3D ma duży potencjał, ale jest ograniczony w kilku obszarach. Ponieważ dane są grawerowane wewnątrz kryształu, użytkownicy nie mogą mieć dotykowego doświadczenia z częściami anatomicznymi. Reprezentacje w skali są trudne do wykonania, ponieważ dane są zwykle skalowane w górę lub w dół, aby zmieścić się w kryształach. Co więcej, laser może grawerować tylko w skali szarości z minimalnym kontrastem. Gęstość struktury jest również ograniczona przez zdolność lasera do przetwarzania danych. Ogólna stabilność kryształów jest zaletą do potencjalnego użytkowania przez kilka lat, ale lite szkło może nie wytrzymać upadków na twarde powierzchnie (tabela 1).

Pomimo tych ograniczeń, grawerowanie kryształów 3D ma znaczącą wartość jako medium do wizualizacji danych biomedycznych. Podczas gdy w przypadku drukarek 3D należy wziąć pod uwagę materiał wyjściowy i wsparcie, aspekty te nie muszą być brane pod uwagę w przypadku grawerowania laserowego. W rezultacie można przedstawić bardziej złożone części, takie jak ludzka stopa. Podczas gdy czas produkcji nieznacznie się wydłuża w przypadku bardziej skomplikowanych konstrukcji, nie jest wymagany żaden dodatkowy materiał, a koszt modelu pozostaje taki sam. Zdolność lasera do wypalania szkła w sposób punkt po punkcie tworzy wysoce zdefiniowane struktury, które wyświetlają drobne szczegóły danych biomedycznych, jak zaznaczono na przerwanym promieniu na rysunku 2. Dodatkowo umieszczenie tych struktur wewnątrz kryształów sprawia, że są one odporne na uszkodzenia zewnętrzne. W przeciwieństwie do litych tworzyw sztucznych stosowanych na wielu platformach druku 3D, półprzezroczyste szklane powierzchnie umożliwiają wizualizację wewnętrznych struktur w prosty sposób. Jednym z najpotężniejszych narzędzi do grawerowania kryształów 3D jest możliwość oznaczania poszczególnych części, a także dodawania paska skali w celu odniesienia rozmiaru. Technika ta dodaje kryształom znacznej wartości edukacyjnej, ponieważ studenci na wszystkich poziomach mogą uczyć się anatomii i wchodzić w interakcje z danymi klinicznymi, dwoma cennymi elementami edukacji biologicznej i medycznej w jednym modelu. W połączeniu z możliwością trzymania ich w dłoni i oglądania struktur pod różnymi kątami, etykietowanie znacznie zwiększa wartość edukacyjną tych modeli. W rezultacie grawerowane kryształy 3D mają szerokie zastosowanie na kursach anatomii, praktyce klinicznej i edukacji ogólnej.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Maszyna do grawerowania laserowego 3D	Wuhan Synpny Laser Co., Ltd.	STNP-801AB4	Grawer laserowy
3D Krajalnica 3D	Slicer	Wersja 4.3.1	Program generatora map powierzchni
Albira micro CT	Bruker Corporation		Alternatywnie można użyć skanera PET/SPECT/CT
Autodesk Inventor Professional 2013	Autodesk, Inc.	Edycja 64-bitowa, 2013 RTM, kompilacja 138	Program CAD
Kliniczne zestawy danych CT	Regionalne Centrum
MeshLab	Narodowej Rady ds. Badań Naukowych Włoch (ISTI-CNR)	Tom 1.3.4	BETA Program do przetwarzania siatek 3D
Netfabb Studio Basic	Netfabb GmbH	Wersja 4.9.0	Oprogramowanie do analizy danych 3D
Netfabb Studio Professional	netfabb GmbH	Wersja 5.2.1 64-bitowe	oprogramowanie do analizy danych 3D-Profesjonalne
oprogramowanie do obrazowania OsiriX Lite Oprogramowanie do obrazowania	Pixmeo	Wersja 7.0.3	Oprogramowanie do obrazowania DICOM
PMOD	PMOD Technologies LLC	Wersja 3.306	Oprogramowanie do przetwarzania obrazu