Ta metoda demonstruje przepływ pracy druku 3D oparty na wokselach, który drukuje bezpośrednio z obrazów medycznych z dokładną wiernością przestrzenną i rozdzielczością przestrzenną/kontrastową. Umożliwia to precyzyjną, stopniowaną kontrolę rozkładu materiałów za pomocą morfologicznie złożonych, stopniowanych materiałów skorelowanych z gęstością promieniotwórczą bez utraty lub zmiany danych.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Anatomia drukowania wokselowego: projektowanie i wytwarzanie realistycznych, przedchirurgicznych modeli planistycznych za pomocą drukowania bitmapowego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Większość zastosowań druku trójwymiarowego (3D) do planowania przedoperacyjnego została ograniczona do struktur kostnych i prostych opisów morfologicznych złożonych narządów ze względu na fundamentalne ograniczenia w dokładności, jakości i wydajności obecnego paradygmatu modelowania. W ten sposób w dużej mierze zignorowano tkanki miękkie, które mają kluczowe znaczenie dla większości specjalizacji chirurgicznych, w których wnętrze obiektu ma znaczenie, a granice anatomiczne zmieniają się stopniowo. W związku z tym potrzeby przemysłu biomedycznego w zakresie replikacji tkanki ludzkiej, która wykazuje wiele skal organizacji i różne rozmieszczenie materiałów, wymagają nowych form reprezentacji.
Prezentowana tutaj jest nowatorska technika tworzenia modeli 3D bezpośrednio z obrazów medycznych, które są lepsze pod względem rozdzielczości przestrzennej i kontrastowej od obecnych metod modelowania 3D i zawierają wcześniej nieosiągalną wierność przestrzenną i różnicowanie tkanek miękkich. Zaprezentowano również pomiary empiryczne nowatorskich, wytwarzanych addytywnie kompozytów, które obejmują gamę sztywności materiałów obserwowanych w miękkich tkankach biologicznych z rezonansu magnetycznego i tomografii komputerowej. Te unikalne wolumetryczne metody projektowania i drukowania pozwalają na deterministyczne i ciągłe dostosowywanie sztywności i koloru materiału. Ta zdolność umożliwia zupełnie nowe zastosowanie wytwarzania przyrostowego w planowaniu przedoperacyjnym: realizm mechaniczny. Jako naturalne uzupełnienie istniejących modeli, które zapewniają dopasowanie wyglądu, te nowe modele pozwalają również lekarzom "poczuć" przestrzennie zmieniające się właściwości materiału symulującego tkanki - krytyczny dodatek do dziedziny, w której wrażenia dotykowe odgrywają kluczową rolę.
Wprowadzenie
Obecnie, chirurdzy badają wiele dyskretnych metod obrazowania dwuwymiarowego (2D), wyświetlając różne dane do planowania operacji na pacjentach 3D. Co więcej, przeglądanie tych danych na ekranie 2D nie jest w stanie w pełni przekazać pełnego zakresu zebranych danych. Wraz ze wzrostem liczby metod obrazowania, zdolność do syntezy większej ilości danych z różnych modalności, które wykazują wiele skal organizacji, wymaga nowych form cyfrowej i fizycznej reprezentacji w celu skondensowania i selekcjonowania informacji w celu bardziej skutecznego i wydajnego planowania chirurgicznego.
Drukowane w 3D, modele specyficzne dla pacjenta pojawiły się jako nowe narzędzie diagnostyczne do planowania chirurgicznego, które, jak wykazano, skraca czas operacji i zmniejsza liczbę powikłań chirurgicznych1. Proces ten jest jednak czasochłonny ze względu na standardową metodę stereolitografii (STL) druku 3D, która pokazuje widoczną utratę danych i renderuje drukowane obiekty jako stałe, jednorodne i izotropowe materiały. W rezultacie, druk 3D do planowania chirurgicznego został ograniczony do struktur kostnych i prostych opisów morfologicznych złożonych narządów2. To ograniczenie wynika z przestarzałego paradygmatu produkcyjnego kierującego się produktami i potrzebami rewolucji przemysłowej, w którym wytwarzane obiekty są w pełni opisane przez ich granice zewnętrzne3. Jednak potrzeby przemysłu biomedycznego w zakresie replikacji tkanki ludzkiej, która wykazuje wiele skal organizacji i różne rozkłady materiałów, wymagają nowych form reprezentacji, które reprezentują różnice w całej objętości, które zmieniają się punkt po punkcie.
Aby rozwiązać ten problem, opracowano technikę wizualizacji i modelowania 3D (Rysunek 1) i połączono ją z nowatorskim, addytywnym procesem produkcji, który umożliwia większą kontrolę nad mieszaniem i osadzaniem żywic w ultrawysokiej rozdzielczości. Ta metoda, zwana drukiem bitmapowym, replikuje ludzką anatomię poprzez drukowanie 3D bezpośrednio z obrazów medycznych na poziomie wierności przestrzennej i rozdzielczości przestrzennej/kontrastowej zaawansowanej technologii obrazowania zbliżającej się do 15 μm. Umożliwia to precyzyjną i stopniową kontrolę wymaganą do replikacji zmian w morfologicznie złożonych tkankach miękkich bez utraty lub zmiany danych z diagnostycznych obrazów źródłowych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
UWAGA: 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (zobacz Tabelę Materiałów) został użyty do pracy wykonanej w sekcjach od 1 do 3.
1. Wprowadzanie danych
- Otwórz oprogramowanie do przetwarzania obrazów medycznych, kliknij przycisk Plik i DICOM z menu rozwijanego i poczekaj na otwarcie okna przeglądarki DICOM.
- W oknie Przeglądarka DICOM wybierz opcję Importuj. Poczekaj, aż pojawi się wyskakujące okienko Importuj pliki DICOM z katalogu.
- Przejdź do stosu plików DICOM i kliknij przycisk Importuj.
- Upewnij się, że wybrany stos plików DICOM został załadowany do przeglądarki DICOM. Upewnij się, że dane zostały poprawnie wypełnione i pasują do żądanego badania w następujących kategoriach: Pacjent, Badanie, Seria i Instancja.
- Kliknij pole wyboru Zaawansowane, aby uaktywnić dodatkowe metadane. Wybierz żądany numer serii i kliknij przycisk Zbadaj. Upewnij się, że żądana sekwencja nie wyświetla ostrzeżeń. Kliknij pole wyboru obok żądanego pliku danych DICOM | Załadunek.
UWAGA: Wybierz obrazy o najwyższej rozdzielczości z najcieńszą akwizycją warstwy, ponieważ ta metoda umożliwia drukowanie z grubością warstwy 15 μm i 27 μm.
- Kliknij pole wyboru Zaawansowane, aby uaktywnić dodatkowe metadane. Wybierz żądany numer serii i kliknij przycisk Zbadaj. Upewnij się, że żądana sekwencja nie wyświetla ostrzeżeń. Kliknij pole wyboru obok żądanego pliku danych DICOM | Załadunek.
- W przypadku renderowania objętościowego, po załadowaniu sekwencji do oprogramowania do przetwarzania obrazów medycznych, przejdź do Moduły i wybierz Moduł renderowania woluminu z menu rozwijanego.
- W module Volume Rendering wybierz nazwę sekwencji z menu rozwijanego Volume, aby aktywować stos obrazów i przetłumaczyć dane na wolumin wokselizowany. Upewnij się, że nazwa aktywnego modułu jest zgodna z żądaną sekwencją wybraną w kroku 1.1.3.1.
- Kliknij ikonę Eye Ball obok listy rozwijanej Volume, aby wyświetlić wybraną objętość w 3D. Upewnij się, że okno wyświetlania 3D jest otwarte i widoczna jest reprezentacja 3D w skali szarości.
- Następnie kliknij strzałkę obok opcji Zaawansowane, aby otworzyć Narzędzia zaawansowane. Wybierz kartę Właściwość woluminu, aby otworzyć zestaw kontrolek służących do modyfikowania kanału koloru modelu wokselowego.
- Przejdź do menu Skalarne mapowanie krycia. Kliknij lewym przyciskiem myszy w polu, aby utworzyć punkty, w których wartości intensywności będą definiowane przez nieprzezroczystość. Umieść punkty na tej skali, aby zobrazować interesującą anatomię.
UWAGA: Położenie punktu od prawej do lewej jest skorelowane z zakresem wartości intensywności obrazu, a położenie góra-dół odnosi się do krycia. - Przejdź do menu Skalarne mapowanie kolorów. Kliknij lewym przyciskiem myszy w polu, aby utworzyć punkty i określić kolory skorelowane z wartościami intensywności. Kliknij dwukrotnie pole, aby otworzyć okno Wybierz kolor w celu zmodyfikowania informacji o kolorze.
2. Manipulacje
UWAGA: Etap maskowania jest wymagany, jeśli anatomia jest wystarczająco złożona, do punktu, w którym po modyfikacjach właściwości objętości obecne są otaczające tkanki i obce dane.
- Przejdź do sekcji Moduły i wybierz Edytor segmentów z menu rozwijanego. Upewnij się, że pojawią się paski narzędzi Edytora segmentów.
- Przejdź do listy rozwijanej Segmentacja i wybierz opcję Utwórz nową segmentację jako. Wpisz niestandardową nazwę segmentacji w wyskakującym oknie Zmień nazwę segmentacji i kliknij przycisk OK.
- Przejdź do listy rozwijanej Wolumin główny i wybierz aktywny wolumin, który będzie miał taką samą nazwę jak Renderowanie woluminu. Następnie kliknij przycisk Dodaj bezpośrednio pod listą rozwijaną. Upewnij się, że kontener segmentów został utworzony w polu poniżej.
- Przejdź do poniższego panelu narzędzi efektów i wybierz narzędzie Nożyczki. Przejdź do menu Nożyczki i wybierz opcję Wypełnij wewnątrz, Dowolny kształt i Nieograniczony. Następnie najedź kursorem na Okno 3D, kliknij prawym przyciskiem myszy i przytrzymaj podczas rysowania wokół obszaru, który ma zostać usunięty. Upewnij się, że pojawia się kolorowy pas, pokazujący, co zostało pokryte. Powtarzaj ten proces, aż wszystkie obszary do usunięcia zostaną pokryte.
UWAGA: Istnieją rozszerzenia, takie jak Segment Editor Extra Effects, które można pobrać do oprogramowania do przetwarzania obrazów medycznych, zawierające narzędzia do tworzenia tej segmentacji. - Następnie wybierz narzędzie Objętość maski z menu Efekty. Zaznacz opcję Wybierz wewnątrz, aby usunąć wszystkie dane obrazu objęte segmentem. Następnie zmodyfikuj wartość wypełnienia na -1000, która jest równa powietrzu lub pustce w skali jednostek Hounsfielda. Na koniec naciśnij Zastosuj i kliknij gałkę oczną obok Głośność wyjściowa, aby wyświetlić nową zamaskowaną głośność.
- Przejdź do sekcji Moduły i wybierz opcję Renderowanie woluminów z menu rozwijanego. Kliknij ikonę Eye Ball obok aktywnego woluminu, aby wyłączyć wizualizację.
- Następnie z menu rozwijanego wybierz nowo utworzony wolumin maskowany. Kliknij gałkę oczną, aby aktywować głośność.
- Na koniec przejdź do menu Wejścia i otwórz menu rozwijane Właściwości. Wybierz właściwość woluminu utworzoną w kroku 1.2.5. Upewnij się, że głośność w widoku 3D jest zamaskowana i zakodowana kolorami.
3. Krojenie
UWAGA: Ten proces omija tradycyjną metodę druku 3D, wysyłając pliki plasterków bezpośrednio do druku 3D zamiast pliku siatki STL. W kolejnych krokach zostaną utworzone plasterki na podstawie renderowania woluminu. Moduł Generator map bitowych jest niestandardowym rozszerzeniem. Można go pobrać z Menedżera rozszerzeń.
- Przejdź do sekcji Moduły, wybierz pozycję Slicerfab z listy rozwijanej. Upewnij się, że menu Parametry drukowania i Parametry wyjściowe są obecne.
- Z listy rozwijanej Parametry drukarki upewnij się, że rozdzielczość X jest ustawiona na 600 DPI, a rozdzielczość Y jest ustawiona na 300 DPI. Upewnij się, że grubość warstwy jest ustawiona na 27 μm.
- Następnie otwórz menu Parametry wyjściowe i zmodyfikuj skalę końcowego modelu zgodnie z potrzebami.
- Na koniec wybierz lokalizację pliku, w którym mają zostać zapisane plasterki, a następnie kliknij przycisk Generate.
UWAGA: Ten krok może potrwać kilka minut.
4. Roztrząsanie
UWAGA: Adobe Photoshop (zobacz Tabelę materiałów) został użyty do pracy wykonanej w sekcji 4.
- Otwórz oprogramowanie do edycji obrazów i kliknij Plik i wybierz Otwórz z menu rozwijanego. Przejdź do pierwszego obrazu stosu plików PNG utworzonego w poprzednim kroku i kliknij przycisk Otwórz.
- Przejdź do Okna i wybierz Akcje z menu rozwijanego. W menu Akcje kliknij pozycję Nowa akcja, wprowadź nazwę niestandardową i wybierz przycisk OK. Upewnij się, że akcja jest rejestrowana, sprawdzając, czy przycisk nagrywania jest aktywny i czerwony.
- Po załadowaniu obrazu przejdź do Obraz | Tryb | Kolor indeksowany. W oknie Indeks wybierz z menu rozwijanego opcję Lokalna percepcja i określ liczbę kolorów na 8.
- W menu Wymuszone wybierz opcję Niestandardowe. Kliknij pierwsze dwa kwadraty, poczekaj, aż pojawi się okno Kolor niestandardowy i wybierz niestandardową paletę kolorów. Wybierz opcję 100% purpurowy i upewnij się, że wartości C, Y i K są ustawione na 0.
- Powtórz ten proces i upewnij się, że są dwa kwadraty poświęcone 100% C, Y i K.
- W menu Opcje, w polu Otoczka, wybierz opcję Niestandardowe z menu rozwijanego. W polu Dither (Roztrząsanie) wybierz opcję Diffusion (Dyfuzja), a w polu Amount (Kwota) wybierz opcję 100%. Na koniec kliknij przycisk OK.
- Przejdź do menu Akcja i kliknij kwadratowy przycisk, aby zatrzymać nagrywanie. Zamknij aktywne okno i kliknij Nie w wyskakującym oknie zapisywania zmian.
- Przejdź do punktu menu Plik | Automatyzacja | Partia. W wyskakującym oknie Przetwarzanie danych wsadowych przejdź do listy rozwijanej Akcja i wybierz akcję utworzoną w poprzednim kroku. Następnie w menu Źródło kliknij przycisk Wybierz i przejdź do folderu obrazów wyeksportowanych w kroku 3.1.3. W menu Miejsce docelowe kliknij przycisk Wybierz, wybierz lokalizację folderu docelowego dla nowych plików i kliknij przycisk OK.
5. Drukowanie wokseli
UWAGA: Stratasys GrabCAD5 został użyty do pracy wykonanej w sekcji 5.
- Otwórz oprogramowanie do drukowania, kliknij Aplikacje i uruchom narzędzie Voxel Print Utility z menu rozwijanego.
- W polu tekstowym Prefiks plików plasterków wprowadź prefiks stosu plików PNG. Następnie kliknij przycisk Wybierz i przejdź do folderu, w którym znajduje się stos plików PNG, a następnie kliknij OK.
- W obszarze Zakres wycinków upewnij się, że pierwszy plasterek i liczba wycinków są zgodne z liczbą plików w utworzonym folderze.
- W obszarze Parametry krojenia upewnij się, że grubość plasterka (mm) jest zgodna z ustawieniami określonymi w kroku 3.1.1.1, a szerokość plasterka (piksele) i wysokość plasterka (piksele) są zgodne z szerokością i wysokością plików PNG.
- W obszarze Kolor tła upewnij się, że tło jest zgodne z kolorem tła i ustaw opcję Nie drukuj. Po zakończeniu kliknij przycisk Dalej.
- Na stronie Narzędzia w obszarze Mapowanie materiału wybierz materiał z menu rozwijanego, który ma zostać odwzorowany na skojarzony kolor pochodzący z plików PNG. Powtórz ten proces dla każdego koloru w menu. Następnie kliknij przycisk Zakończ | OK w wyskakującym okienku Info Tworzenie Gcvf powiodło się.
- W oprogramowaniu do drukowania na komputerze hosta kliknij kolejno pozycje Plik | Importuj plik z menu rozwijanego. Przejdź do pliku Gcvf i kliknij Załaduj. Na ekranie głównym wybierz opcję Drukuj.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Wynik dodatni, przedstawiony w Rycina 2 i Rycina 3będzie bezpośrednim tłumaczeniem renderowania objętościowego zdefiniowanego w krokach 1.2.5 lub 2.1.1.4. Końcowy model powinien wizualnie odpowiadać renderowaniu objętościowemu pod względem rozmiaru, kształtu i koloru. W procesie tym istnieje wiele etapów, na których może wystąpić błąd, co wpłynie na jedną lub więcej z wymienionych powyżej właściwości.
Problemy związan...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Obecne ramy reprezentacji, które są obecnie stosowane, jeśli nie wszystkie, narzędzia do modelowania cyfrowego, skutkują formatem pliku STL8. Niemniej jednak specyficzny charakter tego paradygmatu okazał się niewystarczający, gdy próbowano wyrazić ziarnistą lub hierarchiczną strukturę bardziej złożonych, naturalnych materiałów. Wraz z pojawieniem się najnowszych technik wytwarzania przyrostowego, takich jak wielomateriałowy druk 3D, można wytwarzać wysoce dostrojone i wysoce zoptymalizowane obiekt...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
N.J. jest autorem wniosku patentowego złożonego przez University of Colorado Regents, który opisuje metody takie jak te opisane w tej pracy (wniosek nr 1). US16/375 132; Nr publikacji. US20200316868A1; złożony 04 kwietnia 2019 r.; opublikowano 08 października 2020 r.). Wszyscy pozostali autorzy deklarują, że nie mają sprzecznych interesów.
Podziękowania
Dziękujemy AB Nexus i Stanowi Kolorado za hojne wsparcie naszych badań naukowych nad drukowaniem wokseli w planowaniu przedoperacyjnym. Dziękujemy L. Browne'owi, N. Stence'owi i S. Sheridanowi za dostarczenie zestawów danych wykorzystanych w tym badaniu. Badanie to zostało sfinansowane przez AB Nexus Grant i State of Colorado Advanced Industries Grant.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Platforma przetwarzania obrazów 3D Slicer | Slicer.org | wersji 4.10.2– 4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Drukarka 3D Polyjet | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
Bibliografia
- 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).
- 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).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
- 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).
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
