Name: Impressão 3D de pré-clínica de raios-X tomografia computadorizada de Conjuntos de Dados (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-03-22T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 6 s
Description: Aprenda a criar modelos anatômicos em 3D a partir de dados de tomografia computadorizada de raios-X pré-clínica. Este método utiliza impressão em plástico para visualizar estruturas ósseas e de tecidos moles em pesquisa biológica.

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Nós acolhemos agradecer ao Instituto de Estudos Europeus Nanovic, a família Glynn Honors Program, Notre Dame Integrado Facility Imaging (NDIIF) e Carestream Health para o apoio financeiro para este projeto. Pesquisa sobre o desenvolvimento de coelho craniana apoiada pela NSF BCS-1029149 para MJR.

1. Animais <ol><li> Para os resultados apresentados abaixo, um rato Lobund-ratos machos de 10 meses de idade, foi obtido a partir da Vida Freimann Science Center, da Universidade de Notre Dame (Notre Dame, Indiana, EUA). Um ex vivo Nova Zelândia White Rabbit (idade Masculino, = 8 semanas) amostra crânio, preservados em formol a 10%, foi obtido a partir do laboratório do Prof Mateus Ravosa, da Universidade de Notre Dame. </li><li> Para imagem in vivo, o rato foi anestesiado com Isofluorano (taxa de fluxo de 2,5%) com um sistema de manutenção, através do nariz-cone. O animal foi posicionado inclinado no leito de rato padrão (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) fornecido com a estação de imagem Albira. Os membros foram posicionados lateral do tronco de uma aquisição CT uniforme. </li><li> Após a aquisição das imagens foi completada, o rato foi retirado do cone de nariz e voltou para a gaiola de recuperação até ambulatório. </li><li> Para verificações do crânio de coelho, a amostra foi colocada no leito do ratoem um saco de plástico selado contendo formalina. </li></ol> 2. Aquisição de Imagem e Reconstrução <ol><li> In Vivo e Ex aquisições Imagem da Vivo foram realizadas utilizando o sistema Albira CT (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). O sistema foi configurado para verificar uma cama de 180 mm de comprimento, realizando três exames circulares (600 projeções por digitalização), cada um com 65 milímetros FOV, que depois são costuradas durante a reconstrução. A fonte de raios-X foi ajustado para uma corrente de 400 mA e tensão de 45 kVp, e usado um filtro de 0,5 mm Al para endurecer a trave. Aproximado de radiação equivalente de dose profunda para CT configurações foi 660 mSv, e dose equivalente rasa foi 1,171 mSv. Estas doses são mais de 10 vezes menor do que o relatado valores de LD50. </li><li> Imagens são reconstruídas usando o algoritmo FBP (Projeção filtradas) através da Suite Albira 5,0 Reconstructor usando &quot;padrão&quot; parâmetros. Estes aquisição combinados e configurações de reconstrução produzir uma finaimagem l com 0,125 milímetro voxels isotrópicos, considerada suficiente para análise animal inteiro e impressão 3D de estruturas anatômicas. </li></ol> 3. Informática <ol><li> Características do esqueleto de tomografia computadorizada podem ser impressos a partir dos dados brutos, sem segmentação. No entanto, a segmentação de tecidos moles é necessária antes de processar os dados de impressão em 3D. Aqui vamos mostrar um exemplo com o tecido pulmonar. <ol><li> MicroPET original aberto (formato de dados para todas as modalidades do Sistema de Imagem Albira) arquivo </li><li> Desenhe um volume de interesse (VOI) ao redor do mouse para que todo o espaço externo é removido. </li><li> Em &#39;Máscara Fora Selecionado VOI&#39; guia &#39;VOI Ferramentas &quot;, selecione e defina o valor de máscara para -1.000 unidades Hounsfield (HU, escala radiodensidade para CT), o que efetivamente definir o espaço externo para o valor de densidade CT do ar. </li><li> Com todo o espaço externo removido, sob a aba &quot;Ferramentas&quot;, selecione &quot;externo&quot;, clique em suspensoseta e selecione &#39;Segmentação » </li><li> Definir a faixa de -550 a -200 e clique em &#39;OK&#39;. </li><li> Se o arquivo é muito grande, selecione a guia &quot;Ferramentas&quot;, selecione &quot;reduzir&quot;, e executar o programa </li><li> Salvar como um arquivo de Analise </li></ol></li><li> Os dados devem primeiro ser convertidos em formato DICOM usando PMOD (PMOD Technologies LTD, Zurique, Suíça) software de análise. <ol><li> Abra o PMOD Imagem software de processamento. </li><li> Ao longo da linha de cima, selecione a guia Exibir. </li><li> Na barra de ferramentas lado inferior direito, clique na seta para baixo banco de dados rotulado sob carga. </li><li> Seleccione MicroPET para os dados brutos de CT, ou Analise para o pulmão segmentado. </li><li> Selecione o arquivo apropriado e clique em Adicionar para Selected. </li><li> Clique em Abrir. </li><li> Na barra de ferramentas lado inferior direito, clique em cima doseta em Salvar. </li><li> A partir deste menu, escolher o tipo de arquivo DICOM. </li><li> Nomeie o arquivo e selecione Salvar. </li><li> Fechar pmod. </li></ol></li><li> DICOM de dados contém os valores de densidade volumétrica para cada voxel. Para imprimir estes dados, ele deve ser processado como uma superfície contígua, em vez de um volume. ImageJ v1.43u será usado para obter renderings superfície para processamento adicional. <ol><li> Abrir ImageJ Software Processamento de Imagem </li><li> Selecione&gt; Importar Arquivo. </li><li> Selecione a seqüência da imagem. </li><li> Navegue até o arquivo que contém a DICOM recém-criado e selecione-o. </li><li> Selecione Plug-ins&gt; 3D&gt; visualizador 3D. </li><li> Duas janelas irá aparecer, o visualizador 3D aparecerá uma janela e ADD. </li><li> Em Exibição como no Volume ADD janela mudançapara a superfície. </li><li> Alterar o valor padrão de Limiar para 210. </li><li> Clique em OK. </li><li> Na barra 3D Viewer menu, selecione Arquivo&gt; Exportar superfícies como WaveFront&gt;. </li><li> Nomeie o arquivo e clique em Salvar. </li></ol></li><li> Dois programas, MeshLab v1.3.1 e Netfabb Estúdio Básica 4,9, será simultaneamente remover qualquer malha excesso, unir malhas desconectados, buracos, reparação e suavizar a malha final. As principais diferenças entre os dois programas é a ferramenta define disponibilizado para o utilizador, e algum do controlo da interface de navegação. Ambos são programas de software 3D de malha de edição, e seu uso em conjunto fornece a abordagem mais fácil de editar o modelo. <img alt="Ícone 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /> indica que essas ações devem ser executadas em MeshLab v1.3.1 <img alt="Ícone 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /> indica que essas ações devem ser executadas em Netfabb Estúdio Básica 4,9 <ol><li> Para importar malhas em software de edição: <ol><li> Abra MeshLab v1.3.1 <img alt="Ícone 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> No menu Arquivo do bar select&gt; Empty Project Novo. </li><li> Selec Arquivo&gt; Importar malha. </li><li> Selecione o arquivo e clique em Abrir. </li><li> Uma vez que o arquivo foi carregado, uma caixa de diálogo será aberta. Mantendo Unificar vértices duplicados verificados, pressione OK. <ol><li> Abra Netfabb Estúdio Básico 4.9. <img alt="Ícone 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Arraste o arquivo desejado diretamente na tela Netfabb Básico Studio. </li></ol></li></ol></li><li> Para remover malha indesejada da superfície: <ol><li> Na barra de menu em MeshLab, selecione Filtros&gt; limpeza e reparação&gt; remover peças isoladas (Diâmetro WRT). <img alt="Ícone 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Remover os componentes ligados isolados cujo diâmetro é menor do que a constante especificada. Digite um diâmetro máximo para esses componentes e clique em Aplicar. </li><li> Gradualmente, aumentar o diâmetro máximo para remover pedaços maiores. Clique em Aplicar após cada modificação diâmetro. </li></ol></li><li> Para se juntar pedaços desconectados, os buracos devem ser cortadas nas malhas atuais nos locais desejados de um novo vínculo, e uma ponte de malha de must ser construída entre. <ol><li> Use a ferramenta de seleção, ferramenta sétimo a partir da esquerda na barra de menu, para selecionar as peças de malha que serão cortadas. <img alt="Ícone 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Excluir peças selecionadas de malha com o botão Excluir Faces, a ferramenta de terceiro a partir da esquerda na barra de menu. </li><li> Na barra de menu, selecione Arquivo de malha&gt; Exportar como. </li><li> Nomeie o arquivo e alterar o tipo de arquivo para STL. </li><li> Pressione Salvar. </li><li> Uma caixa de diálogo com opções de poupança vai aparecer, pressione OK. <img alt="Ícone 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Arraste esse novo arquivo para Netfabb. </li><li> No menu superior, selecione Reparar, A quarta ferramenta a partir da esquerda. </li><li> Selecione a ferramenta Adicionar triângulos, décimo terceiro a partir da esquerda. </li><li> Clique sobre uma borda livre (que será amarela) de um lado e clique sobre uma borda aberta sobre a outra peça. Criar pontes de 5-10 através da abertura. </li><li> Selecione o botão de reparo automático na parte inferior direita </li><li> Destaque Reparação Padrão. </li><li> Clique em Executar. </li><li> Pressione Cancelar após o reparo foi executado. </li></ol> Opcional: Alguns triângulos podem ser criados a orientação errada. Os passos que se seguem podem ser usados ​​para reorientar estes triângulos. <ol><li> Selecione a Flip Botão Triângulos selecionados. </li><li> Clique em qualquer triângulos desorientados para rodar todos os triângulos na direção correta. </li></ol></li><li> Paracrateras e buracos de reparação, os orifícios completos e crateras devem ser removidos e as pontes devem ser construídos em ambos os lados da malha. <ol><li> Clique na ferramenta Seleção. <img alt="Ícone 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Selecione a cratera ou buraco a ser preenchido. </li><li> Clique no botão Excluir Faces. </li><li> Na barra de menu, selecione Arquivo de malha&gt; Exportar como. </li><li> Nomeie o arquivo e alterar o tipo de arquivo para STL. </li><li> Pressione Salvar. </li><li> Uma caixa de diálogo com opções de poupança vai aparecer, pressione OK. </li><li> Arraste esse novo arquivo para Netfabb. <img alt="Ícone 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> No menu superior, selecione Reparar </st<html> rong&gt;, a quarta ferramenta a partir da esquerda. </li><li> Selecione a ferramenta Adicionar triângulos, décimo terceiro a partir da esquerda. </li><li> Clique sobre uma borda livre (que será amarela) de um lado e clique sobre uma borda aberta sobre a outra peça. Criar pontes de 5-10 através da abertura. </li><li> Selecione o botão de reparo automático na parte inferior direita </li><li> Destaque Reparação Padrão. </li><li> Clique em Executar. </li><li> Pressione Cancelar após o reparo foi executado. </li></ol></li><li> Laplaciano suavização, o algoritmo de suavização no MeshLab, é usada para alisar o objecto ao mesmo tempo preservando a integridade estrutural do modelo. <ol><li> Navegue Filtros&gt; Alisamento&gt; Carenagem e Deformação&gt; Laplaciano suave.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg &quot;/&gt; </li><li> Selecione um número de iterações de alisamento. Mais iterações irá resultar numa mais suave modelo, mas cada iteração degrada lentamente o volume do modelo, o que pode resultar em pedaços desconectados e com arestas vivas. 1-5 iterações são recomendados. </li><li> Pressione OK. </li><li> Na barra de menu, selecione Arquivo de malha&gt; Exportar como. </li><li> Nomeie o arquivo e alterar o tipo de arquivo para STL. </li><li> Pressione Salvar. </li><li> Uma caixa de diálogo com opções de poupança vai aparecer, pressione OK. </li><li> Arraste esse novo arquivo para Netfabb. <img alt="Ícone 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> No menu superior, selecione Repair, a ferramenta quarto da esquerda. </li><li> Selecione a ferramenta Adicionar triângulos º,irteenth a partir da esquerda. </li><li> Clique sobre uma borda livre (que será amarela) de um lado e clique sobre uma borda aberta sobre a outra peça. Criar pontes de 5-10 através da abertura. </li><li> Selecione o botão de reparo automático na parte inferior direita </li><li> Destaque Reparação Padrão. </li><li> Clique em Executar. </li><li> Pressione Cancelar após o reparo foi executado. </li><li> Na barra de menu, selecione Arquivo de malha&gt; Exportar como. </li><li> Nome do arquivo final e mudar o tipo de arquivo STL. </li><li> Pressione Salvar. </li><li> Uma caixa de diálogo com opções de poupança vai aparecer, pressione OK. </li></ol></li></ol></li></ol> 4. Impressão <ol><li> Impressão usando o MakerBot <ol><li> Abra o arquivo STL em ReplicatorG. ReplicatorG é um programa MakerBot Industries usado para comunicar com o MakerBot. </li><li> Clique Escala no menu no canto inferior do lado direito e selecione preencher o espaço construir! </li><li> Selecione Girar e clique Lay Flat. </li><li> Clique Center. </li><li> Para os modelos com detalhes finos, selecione preencher construir a plataforma para expandir modelo. </li><li> No mesmo menu, clique em Mover e selecione Colocar na plataforma. </li><li> Uma vez que a orientação adequada tem sido alcançado, selecione Gerar Gcode na barra de menu superior. * Uma janela com opções de impressão será exibida. </li><li> Selecione a extrusora que irá fornecer o filamento para imprimir o objeto (esquerda ou direita). </li><li> Selecione Usar Jangada / Suporte. </li><li> A partir do menu drop-down têm direitomaterial de apoio e, selecione todo o apoio. </li><li> Selecione Gerar Gcode. Uma caixa de pop-up que mostra o progresso da Gcode aparecerá. </li><li> Uma vez que o Gcode foi concluída, selecione Criar para arquivar para uso com cartão SD. </li><li> Clique em Salvar. </li><li> Arraste o arquivo para um cartão SD. </li><li> Coloque o cartão SD no MakerBot e usando o teclado de impressão MakerBot seleto de SD. </li><li> Em Imprimir a partir de SD, selecione o nome do arquivo desejado. A MakerBot automaticamente começará a warm-up para imprimir o objeto. </li></ol></li><li> Impressão Shapeways <ol><li> Depois de criar uma conta gratuita com Shapeways, o arquivo STL podem ser diretamente enviados para o site Shapeways: <a href="http://www.shapeways.com/upload/" target="_blank">http://www.shapeways.com/upload/</a> </li><li> Clique em Upload e selecione a STLarquivo. </li><li> Selecione um título para o arquivo enviado. </li><li> Selecione uma unidade de medida a partir do menu suspenso. </li><li> Clique em Upload modelo. </li><li> O arquivo já está pronto para a impressão através Shapeways. Uma vez que o arquivo é carregado Shapeways vai demorar alguns minutos para processar o arquivo para ter certeza de que realmente pode ser impresso. Você será capaz de imprimir o modelo do &quot;meus modelos&quot; página após cerca de dez minutos. </li><li> O &quot;branco forte flexível&quot; selecção foi usada para imprimir estruturas esqueléticas, enquanto que &quot;púrpura forte flexível&quot; foi usado para o tecido do pulmão. </li></ol></li><li> Projet HD impressão 3000 <ol><li> O arquivo STL também podem ser impressos com um comercial de alta resolução de impressão tridimensional como o HD Projet 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Inovação Parque, Notre Dame, IN, EUA). </li><li> O arquivo STL é carregado no software 3D Systems proprietária para o layout do trabalho no platfORM. Isto requer a alteração da orientação do modelo em torno de minimizar o uso do suporte de cera e os tempos de impressão. Este arquivo é salvo. </li><li> O trabalho é, então, enviada eletronicamente para a impressora. </li><li> Uma plataforma de alumínio é colocado na impressora ea Projet HD 3000 começa a imprimir o objeto. </li><li> O modelo é então removido da plataforma e colocado numa estufa a cerca de 73 ° C para fundir a cera de apoio a partir do modelo. </li><li> O objeto é removido quente e limpo com um Kimwipe para remover a cera restante superfície. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Kazmer, D. O., Speight, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymer+Injection+Molding+Technology+for+the+Next+Millennium%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Injection+Molding+Technology%22%5BJournal%5D)">Polymer Injection Molding Technology for the Next Millennium.</a> Journal of Injection Molding Technology. 1 (2), 81-90 (1997).</li>
<li>Bradshaw, S., Bowyer, A., Haufe, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+intellectual+property+implications+of+low-cost+3D+printing%5BTitle%5D)+AND+%22ScriptEd%22%5BJournal%5D)">The intellectual property implications of low-cost 3D printing.</a> ScriptEd. 7 (1), 5-31 (2010).</li>
<li>Partridge, R., Conlisk, N., Davies, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-lab+three-dimensional+printing%3A+An+inexpensive+tool+for+experimentation+and+visualization+for+the+field+of+organogenesis%5BTitle%5D)+AND+%22Organogenesis%22%5BJournal%5D)">In-lab three-dimensional printing: An inexpensive tool for experimentation and visualization for the field of organogenesis.</a> Organogenesis. 8 (1), 1-6 (2012).</li>
<li>Guillot, A., Champely, S., Batier, C., Thiriet, P., Collet, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Relationship+between+spatial+abilities%2C+mental+rotation+and+functional+anatomy+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Health+Sci.+Educ.+Theory+Pract%22%5BJournal%5D)">Relationship between spatial abilities, mental rotation and functional anatomy learning.</a> Adv. Health Sci. Educ. Theory Pract. 12, 491-507 (2007).</li>
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 <a target="_blank" href="http://store.makerbot.com/replicator.html">http://store.makerbot.com/replicator.html</a> (c2009-2013).</li>
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 <a target="_blank" href="http://www.3dsystems.com/products/datafiles/projet/ProJet_HD_3000_Brochure_USEN.pdf">http://www.3dsystems.com/products/datafiles/projet/ProJet_HD_3000_Brochure_USEN.pdf</a> (2009).</li>
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<li>Sheridan, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+consent%3A+three-dimensional+objects+as+rhetorical+compositions%5BTitle%5D)+AND+%22Computers+and+Composition%22%5BJournal%5D)">Fabricating consent: three-dimensional objects as rhetorical compositions.</a> Computers and Composition. 27, 249-265 (2010).</li>
<li>Windisch, G., Salaberger, D., Rosmarin, W., Kastner, J., Exner, G. U., Haldi-Brandle, V., Anderhuber, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Model+for+Clubfood+Based+on+Micro-CT%5BTitle%5D)+AND+%22Data.+J.+Anat%22%5BJournal%5D)">A Model for Clubfood Based on Micro-CT.</a> Data. J. Anat. 210, 761-766 (2007).</li>
</ol>

Matthew W. Leevy é consultor de imagem molecular da Carestream. Brian Stamile é um engenheiro de suporte para MakerBot Industries.

Raios-X CT conjuntos de dados de um rato que vive Lobund-Wistar e um ex vivo Nova Zelândia crânio Coelho Branco foram utilizados para demonstrar a viabilidade da produção de objetos 3D a partir de dados pré-clínicos biológicos. Os modelos foram gerados por meio de três fontes diferentes: 1) A MakerBot Replicator popular, 2) A terceira empresa Shapeways Inc, e 3) A alta qualidade comercial Projet HD 3000. Cada impressora foi capaz de gerar objetos que satisfizeram a meta princípio da visualização de dados melhorada. Durante o processo de impressão de dados pré-clínicos de CT, as vantagens e desvantagens de cada um dos métodos de impressão foram determinados e sintetizadas para o utilizador final. A MakerBot Replicator é um barato (US $ 1.750) solução de bancada que é acessível a praticamente qualquer laboratório em todo o mundo. É possível imprimir em várias cores com entradas baratas (um CT de ratos com pulmões usados ​​cerca de US $ 3,50 em plástico). No entanto, o MakerBot é limitado pela resolução,e, assim, alguns modelos terá de ser aumentada para extrusão adequada e visualização da estrutura pretendida. Shapeways Inc. fornece um número notável de seleções com relação à cor e material. Os modelos são de alta resolução, e robusto. Enquanto os preços são cerca de 10 vezes maior do que a MakerBot em uma base por unidade (um CT de ratos com pulmões foi 41,61 dólares), um usuário pode executar um número limitado de postos de trabalho e evitar o custo inicial da compra de uma impressora. O tempo de espera de duas semanas de Shapeways é uma desvantagem menor. O Projet HD 3000, desde modelos em circulação em termos de resolução e força. Tivemos a sorte de contratar a impressão de nossos objetos no HD Projet 3000 em Inovação Parque em Notre Dame (cerca de US $ 30 para um CT de ratos com pulmões de mão de obra e materiais). Os usuários podem ter dificuldade com o acesso a este tipo de equipamento, como eles estão com preços na faixa de US $ 80.000, e é complicado para imprimir com várias cores também. Uma vez que cada instrumento / fabricantefornece uma métrica diferente para descrever a resolução para a impressão de objecto (nível mínimo de detalhe Shapeways = 0,2 mm, a espessura mínima da parede = 0,7 mm, a espessura do corte MakerBot 5 = 0,2-0,3 mm, com um bocal de 0,4 mm, 6 Projet HD 3000 = 656 DPI x 656 x 800 com uma precisão de 0,025-0,05 mm), uma avaliação qualitativa de resoluções relativas entre cada sistema sugere que ambos Shapeways e Projet sistema HD pode imprimir em alto detalhe de escala, enquanto alguns objetos deve ser ampliado para o uso bem sucedido de a MakerBot. Colectivamente, todos os três métodos são amigos do ambiente e fornecem um meio conveniente para atingir a produção fácil de altamente detalhados modelos pré-clínicos de raios-X de TC. Conclusão Aos poucos, a tecnologia de impressão 3D tornou-se mais acessível, os custos e complexidade foram minimizadas. 8, 9 Agora, literalmente qualquer um pode imprimir em alta resolução, objetos tridimensionais a partir de escavaçãoarquivos Ital. Estes detalhados objetos tridimensionais podem ser ferramentas úteis para educadores e pesquisadores. Além disso, eles fornecem um meio de comunicação visual que auxilia na obtenção de uma compreensão mais clara. 10 Por exemplo, os pesquisadores médicos podem usar amostra ou paciente modelos específicos para melhorar a comunicação e compreensão com os seus colegas e pacientes. 11 Embora a representação em telas 2D tem percorreu um longo caminho, não há absolutamente nenhum substituto para a experiência visual e sensorial de segurar um objeto real que é capaz de ser realizada, rodadas, examinado e movimentados. Um modelo emparelhado com uma representação de dados eletrônico é ainda mais poderoso, uma vez que permite aos pesquisadores examinar o objeto físico para regiões de interesse, e para encontrar essas áreas em um modelo de computador para análise quantitativa mais. Com a recolha de dados adequada, pronta para a superfície, e edição stereolithographic, é possível produzir rapidamente detalhada, relatiVely modelos de baixo custo a partir de dados de raios-X CT. Aqui, nós fornecemos um passo, pelo método detalhado passo para a produção de um modelo tridimensional de dados pré-clínicos em animais de pequeno porte recolhidos com um raio-X micro-CT. Nós adquirimos o nosso in vivo e ex vivo CT conjuntos de dados usando uma estação de imagem Albira, e realizado tratamento posterior com PMOD, ImageJ, MeshLab e pacotes de software Netfabb. Por fim, fornecem instruções detalhadas para permitir a impressão tridimensional modelo com uma gama de soluções comerciais. Em cada caso, o resultado final é um modelo que proporciona um único, de mão, manifestação física dos dados adquiridos tomográficos que seria normalmente restrito a um ecrã de computador.

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> Programas obrigatórios <ol><li> Albira Acquirer Imagem </li><li> PMOD </li><li> ImageJ </li><li> MeshLab </li><li> Netfabb </li><li> ReplicatorG </li></ol></td></tr></tbody></table>

impressão 3d de pré-clínica de raios-x tomografia computadorizada de conjuntos de dados

3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Three-dimensional permite a impressão para a produção de objectos altamente detalhados através de um processo conhecido como aditivo de fabrico. Tradicionais, molde de injeção de métodos para criar modelos ou partes têm várias limitações, o mais importante dos quais é a dificuldade em fazer produtos altamente complexos em tempo hábil, a maneira custo-efetiva. 1 No entanto, melhorias graduais na tecnologia tridimensional de impressão resultaram em ambos os instrumentos high-end e economia que estão agora disponíveis para a produção fácil de modelos personalizados. 2 Estas impressoras têm a capacidade de extrusão de objetos de alta resolução com detalhes suficientes para representar com precisão em imagens geradas a partir de um vivo de raios-X pré-clínico tomógrafo . Com a recolha de dados adequada, pronta para a superfície, e edição stereolithographic, é agora possível e barata de produzir rapidamente detalhados estruturas de tecidos moles e do esqueleto a partir de dados de raios-X de TC. Mesmo em fases iniciais de desenvolvimentomento, os modelos anatômicos produzidos pela tridimensional apelo de impressão para ambos os educadores e pesquisadores que possam utilizar a tecnologia para melhorar a proficiência visualização. 3, 4 Os benefícios reais deste resultado do método a partir da experiência concreta de um pesquisador pode ter com dados que não podem ser adequadamente transmitida através de uma tela de computador. A tradução dos dados pré-clínicos em 3D para um objeto físico que é uma cópia exata do assunto de teste é uma ferramenta poderosa para visualização e comunicação, especialmente para a pesquisa de imagens relativas aos alunos, ou aqueles em outros campos. Aqui, nós fornecemos um método detalhado para imprimir modelos de plástico de estruturas ósseas e órgãos derivados de raios-X TC utilizando uma Albira de raios-X do sistema CT em conjunto com PMOD, ImageJ, MeshLab, Netfabb, e ReplicatorG pacotes de software.

<img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig1.jpg" /> Figura 1. Modelos 3D impressos dos pulmões e as características do esqueleto de um raio-X de ratos CT conjunto de dados. Objetos foram impressas usando um Projet HD 3000 (à esquerda), Shapeways Inc. (Centro) ou um replicador de MakerBot (direita). A barra de escala representa 2 cm. Note-se que a barra de escala no painel C é menor do que a de A e B, o que reflecte que, em alguns casos, a MakerBot deve imprimir um objeto alargada, a fim de detalhe de saída suficiente. A Figura 1 mostra os produtos finais para os três métodos de impressão da mesma no conjunto de dados de rato in vivo TC. Todos os três modelos consistem de uma estrutura esquelética cortada e pulmões removíveis que foram impressas de forma independente e colocados juntos. O modelo da esquerda é o resultado da HD 3000 Projet impressora de alta resolução, criado utilizando plástico acrílico translúcido. O objeto no centrofoi produzida a partir de uma outra companhia, Shapeways Inc., no qual a estrutura do esqueleto foi impresso usando nylon plástico 12 brancos, enquanto as estruturas respiratórias foram fabricados em roxo. Estes dois primeiros modelos foram impressas à escala real, medindo aproximadamente 11 cm de comprimento. O objeto à direita foi feita usando o MakerBot. A estrutura do esqueleto foi impresso usando colorido natural plástico ABS (acrilonitrila-butadieno-estireno) e os pulmões com verde limão ABS. Devido aos limites de resolução da MakerBot, este modelo não pode ser impresso em escala sem degradação da estrutura fina semelhante a caixa torácica. Em vez disso, o modelo foi escalonado para cima em cerca de 2X usando o &quot;preenchimento construir espaço&quot; opção para obter o detalhe desejado visual, resultando em um objecto de 21 cm de comprimento. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig2.jpg" /> Figura 2. Modelos 3D impressos de um ex vivo coelho skudados ll definido. os objetos exibidos foram impressas usando um Projet HD 3000 (à esquerda), Shapeways Inc. (Centro) e um replicador de MakerBot (direita). A barra de escala representa 1 cm. A Figura 2 mostra os produtos finais de cada um dos métodos de impressão para o coelho ex vivo crânio CT conjunto de dados. O modelo à esquerda é o resultado da HD 3000 Projet impressora de alta resolução usando plástico acrílico translúcido. O modelo, no centro foi impresso em plástico branco nylon12 através de impressão Shapeways. O objeto à direita foi impresso em plástico branco usando o MakerBot. Todos os três objetos foram impressos para dimensionar e medir cerca de 8,5 cm de comprimento. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig3.jpg" /> Figura 3. Modelos 3D impressos de um total de raios-X de ratos CT conjunto de dados. Objetos foram impressas usando um Projet HD 3000 (à esquerda), e Shapeways Inc. (direita). A escala bdenota ar de 1 cm. A figura 3 descreve os produtos finais para os dois métodos de impressão de um completo de dados in vivo TC estabelecidos de um rato. Ambos os modelos consistem de uma estrutura completa esquelético (menos a cauda) e os pulmões removíveis. O modelo à esquerda é a resultante de uma impressora de alta resolução, o HD Projet 3000, impresso usando plástico acrílico translúcido. O modelo da direita foi impresso usando a Impressão Shapeways, com a estrutura esquelética criado usando plástico branco nylon12 e os pulmões em roxo. Estes dois modelos foram impressas à escala real, medindo aproximadamente 19 cm de comprimento. Por causa da riqueza de detalhes exigida, o esqueleto completo não pode ser impresso com o Replicator MakerBot. Durante a exploração das técnicas de impressão tridimensional, certas vantagens e desvantagens foram observadas e são apresentadas na Tabela 1. <table border="1"><tbody><tr><td><strong&gt; Método de impressão </td><td> Vantagens </td><td> Desvantagens </td></tr><tr><td> MakerBot </td><td> Extremamente rápido, variedade de opções de cores, capaz de imprimir em duas cores, extremamente barato </td><td> Menor nível de detalhe. A remoção do material de suporte é lenta (da ordem de algumas horas). </td></tr><tr><td> Shapeways </td><td> Varity de opções de cores, variedade de materiais de impressão, alto nível de detalhe, relativamente barato </td><td> Duas semanas de tempo para processar e receber uma ordem </td></tr><tr><td> Projet HD 3000 </td><td> Recuperação relativamente rápida, o mais alto nível de detalhe, de alto rendimento, fácil de remover os materiais de apoio (cera). </td><td> Mais caro custo na frente, apenas uma opção de cor durante a utilização prática. </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Comparaçãode tecnologias de impressão 3D disponíveis para imprimir conjuntos de dados de CT.

Usando extrusão de plástico moderno e tecnologias de impressão, agora é possível de forma rápida e barata de produzir modelos físicos de dados de raios-X CT tomadas em um laboratório. A impressão tridimensional de tomografia de dados é uma visualização poderosa, pesquisa e ferramenta educacional que pode agora ser acessado pela comunidade de imagem pré-clínica.

Impressão 3D de pré-clínica de raios-X tomografia computadorizada de Conjuntos de Dados

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

O objetivo geral deste procedimento é criar modelos anatômicos de conjuntos de dados de tomografia computadorizada de raios X pré-clínicos utilizando tecnologia de impressão plástica 3D. Isso é realizado primeiramente colocando-se uma ratazana ou um camundongo em uma estação de imagem e realizando uma varredura em modo de tomografia computadorizada de raios X. Em seguida, os dados são reconstruídos e formatados para entrada em um dispositivo comercial de impressão 3D.No passo final, a impressora extrai um modelo físico complexo de dados de tecidos esqueléticos ou moles em plástico. Em última análise, a tecnologia de impressão 3D é usada para tirar os dados da tela do computador e colocá-los na palma da mão. Tive pela primeira vez a ideia para este método quando estava trabalhando com conjuntos de dados de tomografia computadorizada por raios X no laboratório, e tomei conhecimento da tecnologia de impressão 3D nas minhas aulas de engenharia aqui na Notre Dame.A principal vantagem desta técnica em relação a outros métodos existentes, como a moldagem por injeção de plástico, é que a impressão 3D permite a criação de modelos extremamente complexos que de outra forma não seriam possíveis de produzir. Embora este método possa ser usado para imprimir dados tridimensionais de estruturas esqueléticas, ele também pode ser aplicado a sistemas de tecidos moles, como os pulmões, resultando em um produto final como este. Todas as imagens in vivo e ex vivo obtidas para esta demonstração do protocolo foram adquiridas utilizando o sistema de tomografia computadorizada por raios X Albea; as imagens foram reconstruídas utilizando o algoritmo de retroprojeção filtrada por meio do Albea Suite 5.0. Para as imagens in vivo apresentadas neste protocolo, um rato macho da linhagem low bun com estrela, com 10 meses de idade, foi escaneado enquanto completamente anestesiado usando isoflurano; para a imagem ex vivo.Uma amostra de crânio de coelho branco da Nova Zelândia preservada em formalina a 10% foi escaneada. Essas configurações combinadas de aquisição e reconstrução produzem uma imagem final com voxels isotrópicos de 0,125 milímetro, o que é considerado suficiente para análise de todo o animal e impressão 3D de estruturas anatômicas. Observe que as características esqueléticas provenientes dos exames de TC podem ser impressas diretamente dos dados brutos sem a necessidade de segmentação.No entanto, é necessária a segmentação dos tecidos moles antes de processar esses dados para impressão 3D. Aqui pode-se observar um exemplo com tecido pulmonar. Em seguida, os dados devem ser convertidos de micro PET para o formato DICOM. Utilizando o software de análise PMOD, os dados DICOM contêm valores de densidade volumétrica para cada voxel.Em seguida, para preparar os dados DICOM para impressão, os dados devem ser processados como uma superfície contínua em vez de uma imagem volumétrica; o software J versão 1.43 U pode ser usado para obter renderizações de superfície para processamento adicional. Por fim, dois programas, MeshLab versão 1.31 e Netfabb Studio Basic 4.9, podem ser usados simultaneamente para remover malhas excessivas, unir malhas desconectadas, reparar furos e, em seguida, suavizar a malha final. As principais diferenças entre esses dois programas são os conjuntos de ferramentas disponibilizados ao usuário e alguns aspectos do controle de navegação da interface.Ambos são programas de software para edição de malhas 3D, e usá-los em conjunto oferece a abordagem mais simples para editar o modelo. Certifique-se de salvar o arquivo no formato STL ao usar o MeshLab. Para imprimir o modelo de TC usando a MakerBot, comece abrindo o arquivo STL gerado nas etapas anteriores no software Replicator G.O Replicator G é um programa da MakerBot Industries utilizado para se comunicar com a impressora, localizada no canto inferior direito do menu do software. Clique na opção escala e, em seguida, selecione Preencher o espaço de construção. Depois, selecione girar e, então, clique em deitar plano.Em seguida, clique em centralizar para modelos com detalhes finos. Também selecione a opção preencher a plataforma de construção para ampliar o modelo. Depois, no mesmo menu, clique em mover e, em seguida, selecione colocar na plataforma.Uma vez que a orientação adequada tenha sido alcançada, selecione gerar código G na barra de menu superior. Uma janela com opções de impressão agora aparecerá na tela. Em seguida, selecione o extrusor que fornecerá o filamento para imprimir o objeto, seja o esquerdo ou o direito.Marque também. Use o suporte tipo raft no menu suspenso intitulado Usar material de suporte. Certifique-se de selecionar a opção de suporte completo.Em seguida, selecione gerar código G. Uma caixa pop-up mostrando o progresso do código G agora aparecerá. Uma vez concluído o código G, selecione compilar para arquivo para uso com um cartão SD e salve o arquivo gerado nesta etapa em um cartão de memória SD. Para transferência, insira este cartão SD no maker bot.Em seguida, use o teclado do Maker Bot para selecionar imprimir a partir do cartão SD e escolha o nome do arquivo desejado. Neste momento, o Maker Bot iniciará automaticamente o aquecimento para imprimir o objeto. Aqui podemos ver um vídeo com lapso de tempo do Maker Bot imprimindo o modelo 3D a partir de um conjunto de dados de TC para realizar a impressão.Usando o serviço online Shapeways, comece criando uma conta gratuita no site da Shapeways. Em seguida, o arquivo STL previamente gerado pode ser carregado diretamente. Selecione um título para o arquivo carregado.Em seguida, selecione uma unidade de medida no menu suspenso que aparece. Agora, selecione carregar modelo. Após o envio do arquivo, o site levará alguns minutos para processá-lo e garantir que possa ser impresso.O modelo estará disponível para impressão na página Meus Modelos após cerca de 10 minutos. Na cena de exemplo aqui apresentada, a seleção branca forte e flexível foi usada para imprimir as estruturas esqueléticas e a seleção roxa forte e flexível foi usada para imprimir o tecido pulmonar. O arquivo STL também pode ser impresso usando uma impressora tridimensional comercial de alta resolução, como a Projet HD 3000.Para utilizar este sistema, o arquivo STL precisa primeiro ser carregado no formato proprietário do sistema 3D para dispor a tarefa na plataforma. Isso exige alterar a orientação do modelo para minimizar tanto o uso de suporte de cera quanto o tempo de impressão. Salve este arquivo e envie-o eletronicamente para a impressora, e carregue uma plataforma de alumínio na impressora.O projetor HD 3000 iniciará então a impressão do objeto 3D, conforme mostrado aqui. Após a conclusão da impressão, remova o modelo da plataforma e coloque-o em um forno a aproximadamente 73 graus Celsius. Isso fará derreter a cera de suporte do modelo.Finalmente, remova cuidadosamente o objeto do forno enquanto ainda estiver quente e limpe-o com um lenço de papel Kim. Isso removerá qualquer cera remanescente da superfície do objeto. Aqui podemos ver os produtos finais de três métodos de impressão do mesmo conjunto de dados de TC de rato in vivo.Os três modelos consistem em uma estrutura esquelética recortada e pulmões removíveis, que foram impressos separadamente e montados. O modelo visto aqui é o resultado da impressora proje HD 3000 de alta resolução, criado usando plástico acrílico translúcido. Embora este objeto tenha sido produzido por meio de uma empresa terceirizada, a Shapeways Incorporated, na qual a estrutura esquelética foi impressa em plástico branco nylon 12, enquanto as estruturas respiratórias foram fabricadas em roxo, esses modelos foram impressos em escala, medindo aproximadamente 11 centímetros de comprimento.Este objeto foi produzido utilizando o MakerBot devido aos limites de resolução dessa impressora. Este modelo foi ampliado, resultando em um objeto com 21 centímetros de comprimento. Aqui vemos os produtos finais de cada método de impressão para o conjunto de dados de tomografia computadorizada de crânio de coelho ex vivo.Os três objetos foram impressos em escala e medem aproximadamente 8,5 centímetros de comprimento, e aqui vemos os produtos finais de dois métodos de impressão. Um conjunto completo de dados de tomografia computadorizada in vivo da rata. Ambos os modelos consistem em uma estrutura esquelética completa, exceto a cauda, e pulmões removíveis.Esses dois modelos foram impressos em escala real. Observe que, devido ao detalhe intricado necessário, o esqueleto completo não pôde ser impresso com a Maker Bot Replicator. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma compreensão sólida de como usar a tecnologia de impressão 3D para criar modelos anatômicos complexos derivados de conjuntos de dados de tomografia computadorizada por raios X.

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Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Usamos síncrotron tomografia de raios-X no Laboratório Europeu de Radiação Síncrotron (ESRF) para não-invasiva produzir conjuntos de dados 3D tomográficos com um pixel de resolução de 0.7μm. Usando software de renderização de volume, o que permite a reconstrução de estruturas internas em seu estado natural, sem os artefatos produzidos por corte histológico.

Não-invasivo 3D Visualization com Sub-micron Resolução Usando Síncrotron-X-ray-tomografia

Não-destrutivos visualização volumétrica só pode ser alcançada através de técnicas de tomografia, dos quais o mais eficiente é o x-ray tomografia micro computadorizada (TC).

Imagens de alta resolução em 3D de Ex-Vivo Amostras Biológicas por Micro CT

A metodologia é aqui descrito, para a representação de dados de imagem anatómicos dentro de cristais. Criamos escalado modelos tridimensionais de dados de imagens biomédicas para utilização em Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) de vidro de cristal. Esta ferramenta oferece um complemento útil para visualização computacional ou tridimensional modelos impressos utilizados dentro de ambientes clínicos ou educacionais.

Escamas Modelo Anatómico Creation of Biomedical Tomografia de imagem e de dados associadas As etiquetas para posterior sub-superfície de gravação a laser (SSLE) de cristais de vidro

Aqui, apresentamos um protocolo para usar três dimensionais modelos de impressos para planejamento pré-operatório e reorganização intra-operatória de complicado vasculares locais ao manusear uma anomalia congênita da aorta.

Impressão tridimensional de uma anomalia complexa da aorta

Um protocolo para visualização 3D de estruturas microscópicas do tecido usando um método específico da coloração do raio X projetado para a tomografia computada do raio X é apresentado.

Imagem 3D de amostras de tecido sofx usando um método de coloração específica de raios-X e tomografia computadorizada nanoscópica

Aqui apresentamos o desenvolvimento de uma configuração de circulação simulada para avaliação de terapia multimodal, planejamento pré-intervencional e treinamento médico em anatomias cardiovasculares. Com a aplicação de exames tomográficos específicos do paciente, essa configuração é ideal para abordagens terapêuticas, treinamento e educação em medicina individualizada.

Desenvolvimento e Avaliação de Fantasmas Cardiovasculares Impressos em 3D para Planejamento e Treinamento Intervencionista

Descrevemos um procedimento para processar tomografia computadorizada (TC) em treinadores de tarefas processuais de alta fidelidade, recuperáveis e de baixo custo. Os processos de identificação da tomografia computadorizada, exportação, segmentação, modelagem e impressão 3D são descritos, juntamente com as questões e lições aprendidas no processo.

Criação de um treinador de tarefas de colocação de linha de alta fidelidade, de baixo custo e intraosseous via impressão 3D

Um fluxo de trabalho para a criação de modelos híbridos virtuais tridimensionais (3D) foi projetado com base no conjunto de dados de tomografia computadorizada de feixe cônico e varreduras ópticas intraorais utilizando métodos de segmentação de imagens radiográficas e modelagem de superfície de forma livre. Modelos digitais são utilizados para o planejamento virtual de procedimentos cirúrgicos dentoalveolares reconstrutivos.

Preparação de Modelo Híbrido Digital para Planejamento Virtual de Procedimentos Cirúrgicos Dentoalveolares Reconstrutivos

Este método demonstra um fluxo de trabalho de impressão 3D baseado em voxel, que imprime diretamente de imagens médicas com fidelidade espacial exata e resolução espacial/contraste. Isso permite o controle preciso e graduado das distribuições de materiais através de materiais morfologicamente complexos e graduados correlacionados à radiodensidade sem perda ou alteração de dados.

Anatomia de Impressão Voxel: Design e Fabricação de Modelos realistas de planejamento pré-cirúrgico através da impressão bitmap

Aqui, um novo método de estabelecer um modelo personalizado impresso em 3D para avaliação pré-operatória de cirurgia de tireoide é proposto. É propício à discussão pré-operatória, reduzindo a dificuldade da cirurgia de tireoide.

Um Modelo Personalizado Impresso em 3D para Avaliação Pré-Operatória em Cirurgia de Tireoide

Este trabalho apresenta um protocolo detalhado de planejamento cirúrgico utilizando tecnologia 3D com software livre de código aberto. Este protocolo pode ser utilizado para quantificar corretamente a anteversão femoral e simular a osteotomia femoral proximal derotacional para o tratamento da dor anterior do joelho.

Planejamento Virtual Tridimensional Pré-Operatório na Osteotomia Femoral Proximal Derotacional

Aprenda a criar modelos anatômicos em 3D a partir de dados de tomografia computadorizada de raios-X pré-clínica. Este método utiliza impressão em plástico para visualizar estruturas ósseas e de tecidos moles em pesquisa biológica.

Impressão 3D de pré-clínica de raios-X tomografia computadorizada de Conjuntos de Dados

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