Tworzenie skalowanego modelu anatomicznego na podstawie danych z obrazowania tomografii biomedycznej i powiązanych etykiet do późniejszego podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) kryształów szklanych
April 25th, 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
Ten artykuł opisuje metodologię wizualizacji danych z obrazowania anatomicznego poprzez grawerowanie laserowe pod powierzchnią (SSLE) na kryształach szklanych. Powstałe modele służą jako efektywne narzędzia dydaktyczne, zapewniając etykietowane struktury bez ograniczenia widoku wysokiej rozdzielczości wyświetleń anatomicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Wizualizowanie biomedyczne
- Modelowanie 3D
- Narzędzia edukacyjne
Tło
- Grawerowanie laserowe pod powierzchnią umożliwia wizualizację danych z obrazowania tomograficznego.
- Modele ręczne pochodzące z zestawów danych obrazowych poprawiają doświadczenia edukacyjne.
- Metoda utrzymuje czytelność poprzez zawieszenie etykiet tekstowych wewnątrz szkła.
- Demonstracje wizualne są kluczowe ze względu na złożoność procesu.
Cel badania
- Stworzyć trwałe modele na podstawie danych z obrazowania klinicznego lub przedklinicznego.
- Ułatwić edukację populacji pacjentów i studentów.
- Przedstawić metodę dokładnego przedstawiania anatomicznego.
Zastosowane metody
- Konwertowanie obrazów TK z formatu DICOM do NIfTI.
- Generowanie map powierzchni za pomocą oprogramowania do obrazowania medycznego.
- Przygotowywanie i naprawa modeli 3D za pomocą oprogramowania do przygotowania danych.
- Grawerowanie modeli z etykietami anatomicznymi i skalami przy użyciu oprogramowania CAD.
Główne wyniki
- Pomyślne stworzenie oznaczonych modeli anatomicznych do celów edukacyjnych.
- Demonstracja zdolności modyfikacji wymiarów dla różnych struktur.
- Pokazano, jak skutecznie ustawić etykiety i skale.
- Zarys technik redukcji liczby powierzchni i poprawy jakości grawerowania.
Wnioski
- SSLE to potężna metoda wizualizacji danych z obrazowania biomedycznego.
- Etykiety tekstowe mogą zwiększyć wartość edukacyjną modeli.
- Różne struktury anatomiczne mogą być dokładnie reprezentowane za pomocą tej techniki.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables the creation of physical, labeled anatomical models from tomographic imaging data, supporting target validation and mechanistic de-risking in preclinical research. By providing tangible, high-resolution representations of biological structures, it enhances hypothesis testing and pathway clarification in early discovery. The approach offers a scalable, reproducible platform for visualizing complex anatomies, improving translational continuity and reducing ambiguity in target engagement studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Supports interrogation of therapeutic hypotheses through physical visualization of anatomical targets and associated structures.
- Operational Value: Enables functional target validation by clarifying spatial relationships between labeled structures and disease-relevant anatomy.
- Predictive Value: Enhances confidence in target selection by reducing mechanistic ambiguity via tangible, label-integrated models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces standardized, reproducible biological replicas that serve as reference systems for assay development and compound screening.
- Quantitative Output: Enables precise spatial measurements and scale bar integration, supporting accurate dose-response and localization analyses.
- Platform Reuse: Facilitates enterprise-wide sharing of validated anatomical models across discovery teams, improving workflow consistency.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Generates clinically and preclinically relevant anatomical replicas from CT datasets, aligning with translational biomarker strategies.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by providing consistent, labeled models for cross-functional review.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports go/no-go assessments by improving anatomical interpretability in mechanism-of-action and safety studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target hypothesis generation through lead identification and preclinical validation, enabling physical model-based assessment at key inflection points.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification by converting imaging data into tangible, label-enabled anatomical representations.
- Screening: Delivers reproducible, high-resolution models with scale bars that support standardized compound screening and target engagement assays.
- Analytics: Provides quantitative spatial outputs and labeled substructures that enable comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Ensures continuity from imaging to preclinical use by preserving anatomical fidelity and label alignment in glass crystal format.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, shareable capability for generating standardized anatomical models across sites and projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing anatomical ambiguity through physical, labeled model visualization.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via standardized file formats (DICOM, NIfTI, STL) and repeatable engraving workflows.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of targets through enhanced anatomical understanding.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing clear, tangible models for cross-functional target assessment.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomedical image processing, 3D modeling, and CAD software for label and scale bar generation.
- Depends on access to image processing tools (e.g., 3D Slicer), model repair software (e.g., Netfabb), and SSLE engraving equipment.
- Necessitates cross-team standardization of file formats and labeling conventions to ensure model consistency across users.
- Involves adaptation considerations when applying the method to varying anatomical scales and tissue types from diverse imaging modalities.
- Includes practical limitations related to model size constraints, engraving resolution thresholds, and the need for manual post-processing to remove non-relevant surfaces.
