Druk 3D przedklinicznych zestawów danych tomografii komputerowej rentgenowskiej
March 22nd, 2013
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.
Ogólnym celem tej procedury jest stworzenie modeli anatomicznych przedklinicznych zestawów danych rentgenowskiej tomografii komputerowej przy użyciu technologii druku 3D z tworzywa sztucznego. Osiąga się to poprzez umieszczenie szczura lub myszy w stacji obrazowej i zeskanowanie trybu rentgenowskiej tomografii komputerowej. Następnie dane są rekonstruowane i formatowane w celu wprowadzenia do komercyjnego urządzenia do drukowania 3D.
W ostatnim kroku drukarka wytłacza złożony model fizyczny danych szkieletowych lub tkanek miękkich w plastiku. Ostatecznie technologia druku 3D służy do zdejmowania danych z ekranu komputera i umieszczania ich w dłoni. Po raz pierwszy wpadłem na pomysł tej metody, kiedy pracowałem z zestawami danych rentgenowskich CT w laboratorium, a technologię druku 3D zdałem sobie sprawę z technologii druku 3D na moich zajęciach inżynierskich w Notre Dame.
Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi istniejącymi metodami, takimi jak formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych, jest to, że druk 3D umożliwia tworzenie niezwykle złożonych modeli, które w przeciwnym razie nie byłyby możliwe do wyprodukowania. Chociaż metoda ta może być używana do drukowania danych 3D struktur szkieletowych, można ją również zastosować do systemów tkanek miękkich, takich jak płuca, dając taki produkt końcowy. Wszystkie obrazowania in vivo i ex vivo wykonane w ramach demonstracji tego protokołu zostały uzyskane przy użyciu systemu rentgenowskiej tomografii komputerowej Albea, obrazy zostały zrekonstruowane przy użyciu algorytmu projekcji wstecznej z filtrem za pomocą rekonstrukcji Albea Suite 5.0 w przypadku obrazów in vivo widzianych w tym protokole, jeden samiec low bun ze szczurem gwiazdą w wieku 10 miesięcy został zeskanowany w pełnym znieczuleniu przy użyciu fluoru ISO do obrazowania ex vivo.
Zeskanowano próbkę czaszki białego królika z Nowej Zelandii zakonserwowaną w 10% formalinie. Te połączone ustawienia akwizycji i rekonstrukcji dają ostateczny obraz z izotropowymi wokselami o średnicy 0,125 milimetra, który jest uważany za wystarczający do analizy całego zwierzęcia i drukowania 3D struktur anatomicznych. Należy pamiętać, że cechy szkieletu ze skanów CT można wydrukować z surowych danych bez przeprowadzania segmentacji.
Jednak segmentacja tkanek miękkich jest wymagana przed przetworzeniem tych danych do druku 3D. Tutaj można zobaczyć przykład z tkanką płucną Następnie dane muszą zostać przekonwertowane z mikro PET na format DICOM. Korzystając z oprogramowania do analizy PMOD, dane DICOM zawierają wartości gęstości objętościowej dla każdego woksela.
Następnie, aby przygotować dane DICOM do druku, dane muszą być przetwarzane jako ciągła powierzchnia zamiast obrazu objętościowego, można użyć oprogramowania J w wersji 1.43 U do uzyskania renderingów powierzchni do dalszej obróbki. Wreszcie, dwa programy, mesh lab w wersji 1.31 i net fab studio basic 4.9, mogą być używane jednocześnie do usuwania nadmiaru siatki, łączenia ze sobą, rozłączanych siatek, naprawy otworów, a następnie wygładzania końcowej siatki. Podstawowe różnice między tymi dwoma programami to zestawy narzędzi udostępniane użytkownikowi i niektóre aspekty kontrolki nawigacji interfejsu.
Oba są programami do edycji siatek 3D, a używanie ich razem zapewnia najłatwiejsze podejście do edycji modelu. Pamiętaj, aby zapisać typ pliku jako STL podczas korzystania z laboratorium siatki. Aby wydrukować model CT za pomocą bota makera, zacznij od otwarcia pliku STL, który został wygenerowany w poprzednich krokach w oprogramowaniu replikatora G.
Replicator G to program maker bot industries służący do komunikacji z drukarką w prawym dolnym rogu menu oprogramowania. Kliknij opcję skalowania, a następnie wybierz pozycję Wypełnij przestrzeń kompilacji. Następnie wybierz opcję Obróć, a następnie kliknij przycisk Ułóż płasko.
Następnie kliknij środek, aby wyświetlić modele z drobnymi szczegółami. Wybierz również opcję wypełnienia platformy kompilacji, aby przeskalować model w górę. Następnie z tego samego menu kliknij Przenieś, a następnie wybierz opcję Umieść na platformie.
Po osiągnięciu właściwej orientacji wybierz opcję generuj kod G z górnego paska menu. Na ekranie pojawi się teraz okno z opcjami drukowania. Teraz wybierz ekstruder, który dostarczy filament do wydrukowania obiektu po lewej lub prawej stronie.
Zaznacz również. Użyj podpory tratwy z menu rozwijanego zatytułowanego Użyj materiału pomocniczego. Pamiętaj, aby wybrać opcję pełnego wsparcia.
Następnie wybierz generuj kod G, pojawi się teraz wyskakujące okienko pokazujące postęp kodu G. Po zakończeniu kodu G wybierz opcję build to file do użytku z kartą SD i zapisz wygenerowany na tym etapie plik drag na karcie pamięci SD. Aby przenieść, umieść tę kartę SD w bocie twórcy.
Następnie użyj klawiatury bota maker, aby wybrać opcję drukuj z SD i wybierz żądaną nazwę pliku. W tym momencie bot twórcy automatycznie zacznie się rozgrzewać, aby wydrukować obiekt. Tutaj możemy zobaczyć film poklatkowy przedstawiający bota twórcy drukującego model 3D z zestawu danych CT Aby wykonać drukowanie.
Korzystanie z usługi online shapeways zacznij od założenia bezpłatnego konta na stronie internetowej Shapeways. Następnie wcześniej wygenerowany plik STL może zostać bezpośrednio wgrany. Wybierz tytuł przesłanego pliku.
Następnie wybierz jednostkę miary z wyświetlonego menu rozwijanego. Teraz wybierz prześlij model. Po przesłaniu pliku witryna internetowa zajmie kilka minut na przetworzenie pliku, aby upewnić się, że można go wydrukować.
Model będzie dostępny do wydruku na stronie Moje modele po około 10 minutach. W poniższej przykładowej scenie białe silne elastyczne zaznaczenie zostało użyte do wydrukowania struktur szkieletowych, a fioletowe silne elastyczne zaznaczenie zostało użyte do wydrukowania tkanki płucnej. Plik STL można również wydrukować za pomocą komercyjnej drukarki trójwymiarowej o wysokiej rozdzielczości, takiej jak Projet HD 3000.
Aby korzystać z tego systemu, plik STL musi najpierw zostać załadowany do zastrzeżonego formatu systemu 3D, aby ułożyć zadanie na platformie. Wymaga to zmiany orientacji modelu dookoła, aby zminimalizować zarówno użycie podpory woskowej, jak i czas drukowania. Zapisz ten plik i wyślij go elektronicznie do drukarki, a następnie załaduj do drukarki platformę z aluminium.
Projet HD 3000 rozpocznie następnie drukowanie obiektu 3D, jak pokazano tutaj. Po wydrukowaniu zdejmij model z platformy i wstaw go do piekarnika o temperaturze około 73 stopni Celsjusza. Spowoduje to stopienie wosku podporowego z modelu.
Na koniec ostrożnie wyjmij przedmiot z piekarnika, gdy jest jeszcze gorący i wytrzyj go chusteczką Kim. Spowoduje to usunięcie pozostałego wosku z powierzchni przedmiotu. Tutaj możemy zobaczyć produkty końcowe dla trzech metod drukowania tego samego zestawu danych CT in vivo szczurów.
Wszystkie trzy modele składają się z przyciętej struktury szkieletowej i wyjmowanych płuc, które zostały wydrukowane niezależnie i złożone razem. Widoczny tutaj model jest wynikiem działania drukarki proje HD 3000 o wysokiej rozdzielczości stworzonej przy użyciu półprzezroczystego tworzywa akrylowego. Podczas gdy ten obiekt został wyprodukowany przez zewnętrzną firmę, Shapeways Incorporated, w której struktura szkieletu została wydrukowana przy użyciu białego plastiku nylonowego 12, podczas gdy struktury oddechowe zostały wykonane w kolorze fioletowym, modele te zostały wydrukowane w skali mierzącej około 11 centymetrów długości.
Ten obiekt został utworzony przy użyciu MakerBota ze względu na limity rozdzielczości MakerBota. Model ten został przeskalowany w górę, w wyniku czego powstał obiekt o długości 21 centymetrów. Tutaj widzimy produkty końcowe każdej metody drukowania dla zestawu danych CT czaszki królika ex vivo.
Wszystkie trzy obiekty zostały wydrukowane w skali i mierzą około 8,5 centymetra długości, a tutaj widzimy produkty końcowe dla dwóch metod drukowania. Pełny zestaw danych CT in vivo szczura. Oba modele składają się z kompletnej konstrukcji szkieletowej bez ogona i wyjmowanych płuc.
Te dwa modele zostały wydrukowane w rzeczywistej skali. Należy pamiętać, że ze względu na wymagane skomplikowane szczegóły, pełnego szkieletu nie można było wydrukować za pomocą replikatora robota maker. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć solidną wiedzę na temat tego, jak używać technologii druku 3D do tworzenia złożonych modeli anatomicznych pochodzących z zestawów danych rentgenowskiej tomografii komputerowej.
Przegląd
W tym artykule omawia się tworzenie modeli anatomicznych z danych tomografii komputerowej (TK) w badaniach przedklinicznych przy użyciu technologii druku 3D z tworzywa sztucznego. Metoda ta umożliwia wizualizację skomplikowanych struktur, co zwiększa możliwości badawcze i edukacyjne w środowisku zajmującym się obrazowaniem przedklinicznym.
Kluczowe Elementy Badania
Dziedzina Nauki
- Neurobiologia
- Biologia
- Technologia Druku 3D
Tło
- Technologia druku 3D umożliwia produkcję skomplikowanych modeli anatomicznych.
- Tomografia komputerowa (TK) zapewnia szczegółowe obrazowanie struktur biologicznych.
- Metoda ta może wizualizować zarówno dane dotyczące szkieletu, jak i tkanek miękkich.
- Tradycyjne metody, takie jak formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych, mają ograniczone możliwości pod względem skomplikowania.
Cel Badania
- Opracowanie procedury tworzenia fizycznych modeli z danych TK.
- Wyjaśnienie zalet druku 3D w porównaniu z konwencjonalnymi technikami modelowania.
- Zapewnienie zasobu dla społeczności zajmującej się obrazowaniem przedklinicznym.
Wykorzystane Metody
- Skanowanie obiektów przy użyciu technologii TK.
- Rekonstrukcja i formatowanie danych do druku 3D.
- Wykorzystanie oprogramowania do edycji siatek i przygotowania modelu.
- Druk przy użyciu serwisów MakerBot i Shapeways.
Główne Wyniki
- Pomyślne stworzenie szczegółowych modeli anatomicznych z danych TK.
- Demonstracja procesu drukowania i używanych narzędzi programowych.
- Przykłady wydrukowanych modeli prezentujące zarówno szkielet, jak i tkanki miękkie.
- Podkreślenie łatwości manipulacji modelami i opcji drukowania.
Wnioski
- Druk 3D zapewnia wykonalną metodę fizycznej reprezentacji danych TK.
- Ta technika zwiększa dostępność skomplikowanych modeli anatomicznych.
- Przyszłe zastosowania mogą rozszerzyć się na różne dziedziny badań biologicznych.
Często Zadawane Pytania
Executive Industry Relevance
Translating preclinical imaging data into tangible anatomical models enhances target validation and mechanistic understanding in early discovery. This approach supports predictive confidence by enabling physical interrogation of complex biological structures derived from in vivo studies. It bridges imaging research with cross-functional teams, improving communication and de-risking translational pathways.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables hypothesis testing by providing physical models of skeletal and soft tissue structures from CT data for target engagement analysis.
- Operational Value: Supports biological de-risking through tangible visualization of anatomical features that inform target selection and pathway clarification.
- Predictive Value: Enhances portfolio triage by allowing researchers to assess anatomical relevance of disease models before committing to lead identification.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological analogs for assay development by generating accurate physical representations of organ systems from imaging data.
- Operational Value: Ensures reproducibility in screening workflows through standardized model generation from CT datasets with consistent voxel resolution.
- Platform Utility: Enables scalable production of disease-relevant systems for compound screening and target validation campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational biomarker alignment by creating physical models that correlate imaging findings with pathological phenotypes.
- Operational Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical validation by providing tangible models for cross-team review and mechanistic de-risking.
- Risk-Adjusted Decisions: Informs advancement choices by allowing assessment of anatomical fidelity in disease models prior to toxicology studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target validation through preclinical model refinement, enabling iterative design based on imaging-derived anatomical accuracy.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by converting CT data into physical models for target validation studies.
- Screening: Enables assay readiness through reproducible generation of anatomical models that reflect in vivo imaging data with 0.125 mm isotropic resolution.
- Analytics: Provides quantitative structural outputs that allow teams to compare anatomical variations across experimental conditions.
- Translational Research: Connects imaging findings to preclinical continuity by producing tangible models that reflect disease-relevant anatomical changes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for generating standardized anatomical analogs across multiple projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in target validation through physical model interaction.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility in model generation from imaging data across sites and teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by enabling tangible assessment of anatomical models, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization through improved visualization of disease model fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in imaging data processing, surface rendering, and 3D mesh editing for accurate model generation.
- Depends on access to micro-CT scanners and compatible 3D printing platforms with sufficient resolution for anatomical detail.
- Necessitates cross-team standardization in data formatting, segmentation protocols, and file exchange (e.g., STL) for consistent output.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different model systems (e.g., rat vs. rabbit) due to variations in tissue density and contrast.
- Includes practical limitations related to print time, support material removal, and feature fidelity in highly delicate structures.
