Tworzenie skalowanego modelu anatomicznego na podstawie danych z obrazowania tomografii biomedycznej i powiązanych etykiet do późniejszego podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) kryształów szklanych
25 kwietnia 2017
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.
Ogólnym celem tej metodologii jest wykorzystanie podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) na kryształach szklanych w celu wizualizacji danych obrazowania tomograficznego z oznaczonymi strukturami. Powstałe modele przenośne mogą służyć jako potężne narzędzie dydaktyczne. Metoda ta tworzy solidne, ręczne modele pochodzące z klinicznych lub przedklinicznych zestawów danych rentgenowskiej tomografii komputerowej, które ułatwiają edukację populacji pacjentów lub studentów.
Główną zaletą tej techniki jest to, że etykiety tekstowe są zawieszone w szklanym nośniku i przymocowane do powiązanej struktury, nie zasłaniając widoku wyświetlacza anatomicznego o wysokiej rozdzielczości. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ generowanie map powierzchni z tekstem i podziałkami liniowymi jest trudne do nauczenia się ze względu na wiele kroków i precyzję wymaganą do dokładnego wyświetlania konstrukcji. Aby rozpocząć, przekonwertuj wycinek obrazu CT w zestawie danych DICOM na odpowiedni format pliku.
W oprogramowaniu do przetwarzania obrazu wybierz polecenie load DICOM w ustawieniach widoku. Następnie zapisz zestaw danych w formacie pliku NIfTI. Teraz zaimportuj pliki NIfTI do popularnego programu do obrazowania medycznego, który generuje mapy powierzchni przy użyciu automatycznej segmentacji.
W przypadku fragmentatora 3D użyj narzędzia Dodaj dane. Następnie wybierz narzędzie do tworzenia modeli w skali szarości i przełącz specyfikację, utwórz i zmień nazwę nowego modelu. Następnie obniż wartości progowe do około 300 HU, czyli segmentacji kości, i zapisz wynikowe modele w skali szarości jako pliki STL do dalszego przetwarzania danych.
Następnie zaimportuj pliki map powierzchni do oprogramowania do przygotowywania danych 3D. Korzystając z Netfabb Studio Basic, wybierz tryb naprawy. Następnie użyj narzędzi wyboru części i usuwania, aby usunąć wszystkie powierzchnie, które nie reprezentują interesującej nas struktury.
Następnie użyj narzędzia Dodaj trójkąt, aby częściowo zakryć otwory w powierzchniach, a następnie użyj skryptu automatycznej naprawy, aby całkowicie zamknąć wszelkie pozostałe szczeliny. Teraz z menu akcji wybierz skrypt naprawy zdegenerowanych powierzchni, aby rozwiązać krawędzie pozbawione powierzchni, a następnie użyj opcji Zastosuj naprawę, aby wyjść z trybu naprawy i zapisać modyfikacje. Następnym krokiem jest użycie narzędzia do wycinania w celu usunięcia niechcianych elementów lub zmniejszenia rozmiaru modelu.
Z menu cięcia obszaru kontekstowego wyznacz położenie każdego cięcia w płaszczyźnie x-y lub z. Następnie użyj narzędzia do wykonywania cięcia i wybierz ustawienie cięcia triangulacyjnego, aby automatycznie zamknąć wszystkie powstałe otwory. Aby usunąć wszystkie powierzchnie powstałe w wyniku cięć, które nie reprezentują interesującej nas konstrukcji, należy jednocześnie użyć narzędzi wyboru elementu i usuwania.
Na koniec, jeśli podziałka liniowa nie będzie używana, zmodyfikuj wymiary każdej mapy powierzchni za pomocą opcji skalowania. W ten sposób model można zmodyfikować tak, aby mieścił się w sześcianie o wymiarach ośmiu centymetrów lub o wymiarach pięć centymetrów na pięć centymetrów na osiem centymetrów. Teraz plik danych można wykorzystać do grawerowania warstwy podpowierzchniowej, aby wykonać model bez etykiet lub paska skali.
Najpierw utwórz pliki danych etykiet dla pliku SSLE. Korzystaj z oprogramowania CAD z szablonem metrycznym. Otwórz nowy plik i wykonaj szkic 2D w dowolnej płaszczyźnie.
Użyj narzędzia tekstowego, aby utworzyć wpisane etykiety anatomiczne czcionką Times New Roman o grubości dwóch milimetrów. Po zakończeniu wybierz opcję Zakończ szkic w menu wyjścia paska narzędzi. Aby wyciągnąć czcionkę przy użyciu ustawień domyślnych, wybierz narzędzie do wyciągnięcia z menu tworzenia i przełącz opcję tekstu 2D.
Następnie utwórz jedną linię etykiety dla każdej etykiety. Zacznij od nowego pliku i wybierz narzędzie Okrąg punktu środkowego z menu rysowania. Następnie utwórz okrąg ze środkiem w początku układu współrzędnych i zdefiniuj średnicę okręgu jako jeden milimetr za pomocą narzędzia wymiarowania w menu wiązań.
Wyciągnij kolumnę na żądaną długość, w zakresie od 10 do 50 milimetrów. Podziałki liniowe są wykonane w podobny sposób. Po utworzeniu każdej etykiety tekstowej, każdego wiersza etykiety i podziałki liniowej zapisz dane jako plik STL.
Dla każdej etykiety tekstowej wymagany jest unikatowy wiersz etykiety. Następnie do modelu SSLE zaimportuj wszystkie etykiety tekstowe, cylindryczne linie etykiet i podziałkę liniową. Użyj oprogramowania do przygotowywania danych 3D, które może zapisać asamblaż jako pojedynczy plik STL.
Następnie użyj narzędzia Przesuń część, aby umieścić etykiety tekstowe w pobliżu powiązanej anatomii. W tym procesie użyj narzędzia Obróć część, aby ustawić etykiety tak, aby były skierowane w tym samym kierunku. Następnie użyj tych samych narzędzi, aby ustawić linie etykiet tak, aby łączyły etykiety ze skojarzoną strukturą w modelu.
W razie potrzeby linie etykiet można zmniejszyć, przechodząc do trybu naprawy i wybierając wybierz trójkąty i usuń wybrane trójkąty. Teraz ustaw pasek skali w podobny sposób. Jeśli zostały wykonane trzy pręty, po jednym dla każdej osi, ustaw je odpowiednio.
Po ustawieniu wszystkiego wybierz wszystkie części i wyeksportuj dane jako pojedynczy plik STL. Techniki dodatkowego zmniejszania twarzy i procesu grawerowania są opisane w protokole tekstowym. Podpowierzchniowe grawerowanie laserowe kryształów szklanych jest doskonałym sposobem na wizualizację wielu rodzajów danych z tomografii biomedycznej.
Ponieważ wymiary są modyfikowane przed grawerowaniem, konstrukcje o różnych rozmiarach mogą być odwzorowane za pomocą grawerowania laserowego. Podziałki liniowe można zaimplementować na dwa sposoby. Mogą rozciągać się na boki struktury, co jest idealne dla rozszerzonych struktur, takich jak rdzeń kostny.
Inną opcją jest zbieganie się trzech osi podziałki liniowej w jednym rogu. Najlepiej nadaje się to do skalowania lub zmniejszania konstrukcji. Kluczową cechą grawerowania podpowierzchniowego jest możliwość dołączania etykiet tekstowych w zależności od potrzeb do cech anatomicznych.
W tym przypadku tekst został umieszczony na dwóch płaszczyznach, aby rozmieścić etykiety i zachować wyraźny widok anatomii. Kości i inne struktury, które można wyraźnie oglądać z jednej strony, mogą mieć etykiety wyrównane tylko wzdłuż jednej płaszczyzny. Zgodnie z tą procedurą, praktycznie każdy trójwymiarowy zestaw danych może zostać przekształcony do formatu, który może być odpowiednio oznaczony do naukowego wyświetlania w ręcznym, ultraczystym podłożu szklanokrystalicznym.
Przegląd
W niniejszym artykule opisano metodologię wizualizacji danych obrazowania anatomicznego za pomocą podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) w kryształach szklanych. Powstałe modele stanowią skuteczne narzędzia edukacyjne, zapewniając opis struktur bez zasłaniania widoku wysokorozdzielczych obrazów anatomicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Obrazowanie biomedyczne
- Modelowanie 3D
- Narzędzia edukacyjne
Wstęp
- Podpowierzchniowy grawer laserowy umożliwia wizualizację danych z obrazowania tomograficznego.
- Modele ręczne opracowane na podstawie zbiorów danych obrazowych wzbogacają doświadczenia edukacyjne.
- Metoda ta zapewnia przejrzystość dzięki zawieszeniu etykiet tekstowych wewnątrz szklanego medium.
- Demonstracje wizualne są kluczowe ze względu na złożoność procesu.
Cel badania
- Tworzenie trwałych modeli na podstawie danych obrazowania klinicznego lub przedklinicznego.
- Ułatwienie edukacji pacjentów oraz studentów.
- Zaprezentowanie metody dokładnego odwzorowania anatomicznego.
Zastosowane metody
- Konwersja obrazów CT z formatu DICOM na format NIfTI.
- Generowanie map powierzchni przy użyciu oprogramowania do obrazowania medycznego.
- Przygotowanie i naprawa modeli 3D przy użyciu oprogramowania do przygotowania danych.
- Grawerowanie modeli z etykietami anatomicznymi i paskami skali przy użyciu oprogramowania CAD.
Główne wyniki
- Pomyślnie stworzono opisane modele anatomiczne do celów edukacyjnych.
- Wykazano umiejętność modyfikowania wymiarów dla różnych struktur.
- Zaprezentowano sposób efektywnego rozmieszczania etykiet i pasków skali.
- Omówiono techniki redukcji liczby ścian oraz poprawy jakości grawerowania.
Wnioski
- SSLE jest potężną metodą wizualizacji danych obrazowania biomedycznego.
- Etykiety tekstowe mogą zwiększyć wartość edukacyjną modeli.
- Dzięki tej technice można precyzyjnie przedstawić różnorodne struktury anatomiczne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejsza metoda umożliwia tworzenie fizycznych, oznakowanych modeli anatomicznych na podstawie danych obrazowania tomograficznego, co wspiera walidację celów oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego w badaniach przedklinicznych. Dzięki zapewnieniu namacalnych, wysokorozdzielczych reprezentacji struktur biologicznych, usprawnia ona testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków w fazie wczesnego odkrywania. Podejście to oferuje skalowalną i powtarzalną platformę do wizualizacji złożonej anatomii, poprawiając ciągłość translacyjną i zmniejszając niejednoznaczność w badaniach nad angażowaniem celów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Wspiera weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez fizyczną wizualizację celów anatomicznych i struktur powiązanych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia funkcjonalną walidację celu poprzez wyjaśnienie relacji przestrzennych między strukturami oznakowanymi a anatomią istotną dla choroby.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność w wyborze celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej dzięki namacalnym modelom zintegrowanym z markerami.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Pozwala na wytwarzanie zstandaryzowanych, powtarzalnych replik biologicznych, które służą jako systemy referencyjne do opracowywania testów i przesiewania związków.
- Wyniki ilościowe: Umożliwia precyzyjne pomiary przestrzenne i integrację pasków skali, co wspiera dokładne analizy zależności dawka-odpowiedź oraz analizy lokalizacji.
- Ponowne wykorzystanie platformy: Ułatwia udostępnianie zwalidowanych modeli anatomicznych zespołom badawczym w obrębie całego przedsiębiorstwa, co poprawia spójność procesu pracy.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla chorób: Umożliwia tworzenie anatomicznych replik istotnych klinicznie i przedklinicznie na podstawie zbiorów danych CT, co jest zgodne ze strategiami translacyjnymi w zakresie biomarkerów.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną, zapewniając spójne i oznakowane modele do przeglądów międzyfunkcyjnych.
- Decyzje dostosowane do ryzyka: Wspiera oceny typu go/no-go poprzez poprawę interpretowalności anatomicznej w badaniach nad mechanizmem działania i bezpieczeństwem.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć, począwszy od wczesnego generowania hipotez dotyczących celu, poprzez identyfikację wiodących związków, aż po walidację przedkliniczną, umożliwiając ocenę w oparciu o modele fizyczne w kluczowych punktach zwrotnych.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez przekształcanie danych obrazowych w namacalne, opisane reprezentacje anatomiczne.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne modele o wysokiej rozdzielczości z paskami skali, które wspierają standaryzowane przesiewanie związków oraz testy zaangażowania celu.
- Analityka: Zapewnia ilościowe wyniki przestrzenne i opisane podstruktury, które umożliwiają analizę porównawczą w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość od obrazowania do zastosowań przedklinicznych poprzez zachowanie wierności anatomicznej i dopasowania etykiet w formacie szklanego kryształu.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy możliwość wielokrotnego i współdzielonego generowania standaryzowanych modeli anatomicznych w różnych ośrodkach i projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności anatomicznej dzięki wizualizacji fizycznego, oznakowanego modelu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki ustandaryzowanym formatom plików (DICOM, NIfTI, STL) oraz powtarzalnym procesom grawerowania.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową, umożliwiając wczesną redukcję ryzyka celów dzięki lepszemu zrozumieniu anatomii.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, dostarczając przejrzyste, namacalne modele do międzyfunkcyjnej oceny celów.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy w zakresie przetwarzania obrazów biomedycznych, modelowania 3D oraz obsługi oprogramowania CAD do generowania etykiet i pasków skali.
- Zależność od dostępu do narzędzi do przetwarzania obrazów (np. 3D Slicer), oprogramowania do naprawy modeli (np. Netfabb) oraz sprzętu do grawerowania SSLE.
- Konieczność standaryzacji formatów plików i konwencji etykietowania pomiędzy zespołami w celu zapewnienia spójności modeli u różnych użytkowników.
- Uwzględnienie kwestii adaptacyjnych przy stosowaniu tej metody dla różnych skal anatomicznych i typów tkanek pochodzących z różnorodnych modalności obrazowania.
- Obejmuje praktyczne ograniczenia związane z wymiarami modelu, progami rozdzielczości grawerowania oraz koniecznością ręcznego postprocesowania w celu usunięcia nieistotnych powierzchni.
