Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла

Summary

Методика описана в настоящий документ для представления данных анатомических изображений внутри кристаллов. Мы создаем масштабируется трехмерные модели данных биомедицинских изображений для использования в подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) хрустального стекла. Этот инструмент предлагает полезное дополнение к вычислительному дисплею или трехмерно печатные моделям, используемых в клинических или образовательных учреждениях.

Abstract

Медико-биологические методы визуализации, такие как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная (МР) обеспечивают превосходные платформы для сбора трехмерных наборов данных пациента или образца анатомии в клинической или доклинической настройке. Тем не менее, использование виртуального, на экране дисплея ограничивает способность этих томографических изображений в полной мере передать анатомическую информацию внедренной внутри. Одним из решений являются интерфейс биомедицинских данных изображений, установленных с помощью технологии 3D-печати для создания физической реплики. Здесь мы подробно дополнительный способ для визуализации данных томографических изображений с ручной модели: Суб поверхности лазерной гравировки (SSLE) кристаллического стекла. SSLE предлагает несколько уникальных преимуществ в том числе: легкому способности включать анатомические метки, а также масштабную линейку; обтекаемая многочастная сборка сложных структур в одной среде; высокое разрешение в X, Y, Z и плоскостей; и полупрозрачные оболочки для визуализации внутренних анатомических подструктур. Здесь ше продемонстрировать процесс SSLE с наборами КТ данных, полученных из доклинических и клинических источников. Этот протокол будет служить в качестве мощного и недорогого нового инструмента, с помощью которой для визуализации сложных анатомических структур для ученых и студентов в ряде учебных и исследовательских установок.

Introduction

Медико - биологические методы визуализации , такие как компьютерная томография (КТ) или магнитно - резонансной томографии (МРТ) , которые обычно используются в медицинских, научных исследований и научных кругов к неинвазивным изучить внутренние структуры человека или биологических объектов ^{1, 2, 3.} В современной медицине, эта технология позволяет более обоснованные диагнозы и, следовательно, улучшение лечения пациента ^4. В частности, КТ дает прекрасную возможность для реконструкции 3-D из-за его высокой разрешающей способностью и изотропными свойствами вокселей (одинаковой длины каждого ребра куба). ⁵ Кроме того, программные пакеты доступны , которые делают данные биомедицинской визуализации в трех измерениях (3D) для функций высшего порядка , как автоматизированная хирургия и виртуальной эндоскопия ^6. В доклинических исследованиях, неразрушающие изображения обеспечивают поступательную платформуна котором для изучения модели заболевания у мышей и крыс ^7. Цифровые библиотеки, такие как биологическая база цифровой Морфология (http://digimorph.org), были заполнены данными КТ , полученных из различных образцов или клинических состояний заболевания для оперативного доступа широких научных и медицинских сообществами ^8.

В настоящее время данные биомедицинской визуализации были визуализированы в виртуальном пространстве на экране компьютера или в физическом пространстве с ручными моделями. В то время как компьютерная программа позволяет анализировать и обрабатывать данные, физические реплики являются хорошим дополнением с отличной образовательной выгодой ^{9, 10.} Традиционные модели были получены с использованием процесса литья низкой стоимости , в которой основные формы заполнены смолой , которая затвердевает в желаемую структуру ^11. Литые модели поддаются производство недорогих масс, но ограничены основнымиструктуры, которые не вытекают из наборов данных пациента. За последние пять лет, 3D напечатаны копии анатомии человека становятся все более распространенными из-за высокой сложности, и часто пациент-специфические объекты, которые могут быть получены и отображены. Эти модели создаются с помощью машин , которые откладываются жидкость или расплавленный пластик в дополнительных слоях, и помощь врачам с диагнозами, сложными хирургическими вмешательствами, лечением заболеваний, ортопедической конструкцией и коммуникациями ^{12 пациентов, 13.} Кроме того, широкое распространение потребительского класса 3D принтеров в пределах настроек первичных, вторичных и коллегиальных школы служит для повышения педагогического воздействия общей анатомической модели файлов ^{14, 15.}

В целом, 3D печать значительно продвинули развитие анатомических моделей в медицине, но у него есть ограничения. Во-первых, создание мульти-часть анатомические модели могут быть сложной задачей , так как дополнительная работа часто требуется , чтобы в цифровой форме связать отдельные части вместе , которые в противном случае могут развалиться ^16. Кроме того, непрозрачность многих 3D печатных материалов, особенно для потребительского класса машин, препятствует визуализации внутренних вспомогательных структур, которые обеспечивают дополнительное представление о кости образца и мягких тканях. Кроме того, жидкие или расплавленные пластиковые экструдеры ограничивают разрешение 3D отпечатков. Экструдеры профессиональных принтеров примерно 50 мкм в диаметре и позволяют при толщине слоя 14 мкм, с разрешением до 600 точек на дюйм (DPI) в X и Y оси и 1600 DPI в Z осей ^{17, 18} , Для сравнения, потребительского класса 3D принтеры имеют экструдеры, которые около 400 мкм в диаметре и дают толщину слоя 100 мкм и разрешением примерно эквивалентно 42 DPI ^19, 20. Цена также существенно зависит от потребительского класса для профессиональных принтеров ^{20, 21.} Кроме того, высокие материальные затраты предотвращения массового промышленного производства от достижения экономии масштаба ^22.

Суб поверхности лазерной гравировки (SSLE), или 3D кристалл гравировки, использует лазерный луч для формирования малых «пузырьки» или точек с высокой точностью на тысячи X, Y, Z координаты внутри жесткой, высокой чистоты, кубической, стеклянная матрица ^23. Каждая точка составляет 20-40 мкм, что дает разрешение между 800-1200 DPI ^24. Кроме того, каждая точка является полупрозрачным, что позволяет визуализировать внутренние подструктур. Множественные, разъединенные части представлены в том же самом кристалле, и дополнительный материал не требуется для больших, сложных структур. Так как матрица является твердой, анатомической этикетка и размера масштаб полоса могут быть добавлена ​​для повышенияобразовательный потенциал визуализации данных, отображаемых в. Здесь мы приводим процесс, в котором рентгеновской компьютерной томографии данных (CT) отформатированы для кристалла SSLE. Во-первых, данные могут быть получены от коммерческих доклинических систем microCT, клинических сканеров от радиологических отделений / UNIS, или получены из интернет-хранилищ, таких как Национальный биомедицинской визуализации Архив (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) ²⁵ Здесь показано , этот подход с овец кости сердечника, переломом запястья, меченного стопы, и меченых кристаллов ног , чтобы проиллюстрировать способность включать как доклинические и клинические данные, регулировать масштаб анатомических структур, и координатной геометрии структуру с размером кристаллов. Учитывая легкое характера SSLE и уже широко распространенное использование STL файлов в 3D-печати, изготовление меченых анатомических кристаллов обеспечивает захватывающий, ручной Ручной инструмент визуализации для использования в научных и образовательных сообществах.

Protocol

Все наборы данных томографии человека вычислен были анонимными в соответствии с утвержденным протоколом SJRMC.

1. КТ сбора данных доклинических и клинических образцов

1. Проведение микро рентгеновского компьютерной томографии для создания доклинического набора данных. В данном случае, использовать microCT к изображению сердечника кости образца со следующими параметрами: 45 кВ, 0,4 мА, и 1000 проекций. ⁵
2. Восстанавливают необработанные данные с высоким разрешением (125 мкм изотропных вокселей). Для дальнейшего увеличения разрешения, идентифицировать и восстановить 1 см куб с центром в начале координат тома (10 мкм изотропных вокселей).
3. Экспорт реконструированного набор данных в формате DICOM для дополнительной обработки.
4. Кроме того, приобрести восстановленные наборы данных КТ, такие как сломанного запястья и стопы, используемой в данном исследовании, от клинических сотрудников (данные, показанные здесь, полученных из Санкт-Джозеф Региональный медицинский центр) или с открытым исходным кодом DICOM архивы (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
5. Импорт файлов в программе обработки изображений DICOM и экспорт в распакованных файлов DICOM, если это необходимо.

2. Обработка данных

1. Откройте каждый набор данных DICOM (состоящий из всех срезов изображения) с помощью «Загрузить DICOM» в поле «Вид» настройках программного обеспечения для обработки изображений.
2. Сохраните каждый набор данных в качестве NIfTI анализа, установленного формата изображения для научного анализа. Импорт файлов NIfTI в программу с установленным использования в медицинской визуализации , вычисленной и автоматизированной сегментации для генерации поверхностных карт (например, 3DSlicer).
3. Загрузить данную NIfTI файл в программу генератора поверхности карты с «Add Data» инструмента.
4. Выберите «Grayscale Model Maker» инструмент со спецификацией «Создание и переименуйте новую модель». Установить нижние пороговые значения примерно 300 HU для сегментации кости.
5. Сохранить в оттенках серой моделикак файлы STL для дальнейшей обработки данных.
6. Импортировать каждую карту поверхности в подготовке данных программного обеспечения 3D (например Netfabb студии Basic) и выберите режим «Repair».
7. Используйте «Select Part» и «Удалить» инструменты, чтобы удалить все поверхности, которые не представляют структуру интереса.
8. Используйте инструмент «Добавить треугольника» для частичного покрытия отверстий в поверхности и «Автоматическое восстановление» сценарий полностью закрыть оставшиеся пробелы.
9. Выберите сценарий «Ремонта вырожденной лики» в меню действий для решения краев без площади поверхности и «Применить» Ремонт сценария для выхода из режима «Ремонта» с измененной частью.
10. Используйте «Вырезать» инструмент для удаления нежелательных особенностей или уменьшить размер модели. Обозначить местоположение каждого разреза в пределах «X», «Y» или «Z» плоскости в меню «Вырезать» из области контекста.
11. Используйте инструмент «Выполнить Cut» и выберите "; Triangulate Cut»в настройках, чтобы автоматически закрывать все полученные отверстия.
12. Используйте «Select Part» и «Удалить» инструменты одновременно, чтобы удалить все поверхности в результате разреза, которые не представляют структуру интереса.
    Примечание: Если карта поверхности будет примыкать с масштабной линейкой, пропустите следующий шаг. Анатомическая особенность и Шкала будет масштабироваться одновременно после того, как они объединены в едином STL.
13. Выберите опцию «Масштаб», чтобы изменить размеры каждой поверхности карты. Модели могут быть расширены (ядро кости) или уменьшены в размерности (фут) или поддерживаются на уровне первоначального размера (запястья), чтобы соответствовать в пределах 8 см кубы или 5 см х 5 см х 8 см прямоугольная призмы. Обратите внимание, что файлы на данном этапе могут быть отправлены на SSLE, если нет метки или масштаб полосы не желательны.

3. Анатомический Этикетировочное

1. Выберите «New» опцию в меню программы САПР (например, Autodesk Inventor Professional) то создании новой рабочей книги, используя метрический шаблон для «Standard (мм) .ipt» части.
2. Выберите опцию «Создать 2D эскиз» и выбрать любой самолет. С помощью инструмента «Текст» в меню «Draw» на панели инструментов для создания типизированных анатомических этикетки с нужным шрифтом и размером (Times New Roman и 2,0 мм).
3. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
4. Выберите «Extrude» инструмент из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции «2D Text». Назначить глубину экструзии (2,0 мм) с симметричной установкой.
5. Экспорт текста этикетки в формате CAD с настройкой «Сохранить как тип» STL.
6. Откройте новую книгу для производства линии цилиндрической этикетки. Выберите опцию «Файл», чтобы создать новый метрический шаблон с «Standard (мм) .ipt» частью.
7. Выберите «Создать 2D эскиз» инструмент и выбрать любую плоскость. Используйте «Центр«Инструмент в„пункте Круг меню Draw“на панели инструментов, чтобы получить круг с центром в начале координат.
8. С помощью инструмента «размерности» в меню «Constraint», чтобы установить диаметр круга (1,0 мм).
9. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
10. Выберите «Extrude» инструмент, выбранный из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции "2D текста. Выберите глубину экструзии (10,00 мм) с симметричной установкой.
11. этикетки Экспорт текста и цилиндры в формате CAD с «Сохранить как» настройка .stl.

4. Крепление этикеток

1. Импорт модели, текстовые метки и цилиндрические этикетки линия в программное обеспечение подготовки данных 3D.
2. Перевести текстовые метки на левой или правой части, связанной с использованием анатомии «Move Part» инструмент. Используйте инструмент в «Повернуть часть» ориентируют лейбла, что они сталкиваются с гое же направление.
3. Перевести и вращать цилиндрические линии этикетки с помощью «Move Part» и инструменты «Повернуть часть» для подключения метки к соответствующим структурам в рамках модели.
4. При необходимости войти в режим «Repair» и использовать «Select Треугольники» и «Удалить выбранные Треугольники», чтобы уменьшить размер цилиндров на соответствующую длину.
5. При использовании базовой версии, выберите все части и сохранить в качестве проекта. Затем вновь открыть этот проект в профессиональной версии.
6. В профессиональной версии, выберите все детали и экспортировать как единый STL.

5. Шкала Bar Design

Примечание: Два типа шкалы баров разработаны в программе CAD. Первое присутствуют на фиг.1 , и включает в себя три отдельных масштабных линеек, с делениями на отдельных измерениях, лежащие на каждой плоскости. Второй, включенных в фиг.2, фигЮр 3, 4 и рис, состоит из перпендикулярных линий , лежащих на трех осей и сходящихся на углу. Выполните шаги 5.1-5.2, чтобы приступить к разработке каждой масштабной линейки.

1. Создать новую книгу в программе CAD, выбрав «New» и «Standard (мм) .ipt» часть.
2. Выберите «Создать 2D эскиз» и выбрать любой из трех плоскостей, чтобы начать работать.
   Примечание: Продолжайте шаги 5.3-5.16 для создания первого типа масштабной линейки. Размеры были реализованы предусмотренные для создания масштабной линейки 1 см с делениями с шагом 25 мм.
3. Использование инструментов в «Прямоугольник» и «размерности», чтобы нарисовать прямоугольник (10 мм х 0,25 мм) с шириной, соответствующей требуемой длиной шкалы бара (10 мм) и длиной любой разумной стоимости (0,25 мм). Поместите левую нижнюю вершину на нуле, так х-координаты могут быть использованы для расстояния между отметками.
4. Чтобы создать засечки, использовать тон Прямоугольник "инструмент, чтобы нарисовать прямоугольник прямо над масштабной линейкой. Ограничить размер (0.025 мм х 0.432 мм) с помощью инструмента «Измерение».
5. Используя й-координату, перевести вновь образованный прямоугольник, так что лежит на нужном расстоянии от края. Это верхняя часть знака клеща.
6. Чтобы создать в нижней части знака клеща, нарисуйте еще один прямоугольник, с теми же размерами, как в верхней половине, непосредственно ниже шкалы. Используйте «Align» инструмент для выравнивания две половинки знака клеща.
7. Выберите «Обрезать» инструмент в меню «Изменить» и выберите область, где масштаб бар и засечки перекрытия. Это позволит удалить избыточные линии и позволить части должны интерпретироваться в качестве одного признака при экструзии.
8. Повторите шаги 5.4-5.7 для остальных отметок.
9. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
10. Выберите «Extrude» под «Создать» мужчини и выбрать масштабную линейку. Определить экструзионное расстояние и направление (0,25 мм и на экран).
11. Чтобы создавать этикетки для отметок, выберите «Создать 2D эскиз» и выберите шкалу масштаба в качестве рабочей плоскости.
12. В меню «Draw», выберите инструмент «Текст», чтобы создать текст с определенным шрифтом и размером (Times New Roman и 0,25 мм). Перевести текст в желаемом положение рядом с масштабной линейкой.
13. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
14. Выберите «Extrude» инструмент из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции «2D Text». Назначить глубину экструзии (0,25 мм) и направление (на экран).
15. Повторите шаги 5.12-5.14 для создания других меток.
16. Экспорт завершенной масштабной линейки в формате CAD с настройкой «Сохранить как тип» .stl.
    Примечание: После окончания действия 5.1-5.16, выполните шаги 5.17-5.31 для созданиявторой тип масштабной линейки. Измерения, предоставляемые были использованы для создания масштабной линейки, который был на 2 см по каждой оси и толщиной 2 мм.
17. Выберите «Rectangle» инструмент, чтобы создать квадрат, ограничивая длину и ширину (2 мм х 2 мм) с помощью инструмента «размерности». Размеры, выбранные на этом этапе будет определять толщину детали.
18. Выберите «Finish Sketch», чтобы вернуться к настройке 3D-модели.
19. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите квадрат, сделанный в режиме 2D эскиз. Выберите нужную глубину экструзии и направление (20 мм и на экран).
20. Выберите «Создать 2D эскиз» и продолжать работать на одной и той же плоскости, что и предыдущий эскиз.
21. Использование инструментов «Зона» и «» размерности нарисовать прямоугольник (2 мм х 18 мм) непосредственно над площадью. Соответствует длине прямоугольника к длине квадрата (2 мм), а ширина должна быть желаемым размером шкалы бара минус WIDго квадрата (20 мм - 2 мм = 18 мм). Нажмите «Finish Sketch», когда завершена.
22. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите прямоугольник. Ввести глубину экструзии, которая должна быть длиной квадрата (2 мм), и выбрать направление (в экран).
23. Поверните часть так, что она выглядит как буква «L». Создайте новый 2D эскиз и выберите фронт «L» в качестве рабочей плоскости.
24. Нарисуйте квадрат на углу двух прямоугольников с помощью «Прямоугольник» инструмент. Ограничить размеры (2 мм х 2 мм), так что он точно подходит в углу. Закройте эскиз с инструментом «Готово эскиз».
25. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите только что созданный квадрат. Ввести расстояние экструзии, который должен быть желаемый размер шкалы бара минус ширина квадрата (20 мм - 2 мм = 18 мм). Выберите направление (из экрана) и применить выдавливание.
26. Для того, чтобы добавить текст indicatinг размеров масштабной линейки, создайте новый 2D эскиз от любой плоскости.
27. С помощью инструмента «Текст» в меню «Draw» на панели инструментов, чтобы получить метку с желаемым и размера шрифта (Times New Roman и 2,5 мм).
28. Перевести текст в желаемом положение рядом с масштабной линейкой. Выход из эскиза режим, выбрав «эскиз».
29. Использовать «Extrude» инструмента и введите расстояние экструзии, который соответствует толщине масштабной линейки (2 мм) и направления, которое выравнивает этикетку со шкалой баром (в экран).
30. Повторите шаги 5.26-5.30, используя другие самолеты, чтобы создать ярлыки для всех трех осей.
31. После завершения экспорта масштабной линейки и сопровождающие его этикетки в формате CAD с «Сохранить как» настройка .stl.

6. Добавление масштабной линейки анатомических моделей

1. Откройте анатомическую модель в программе подготовки данных 3D и импортировать масштабную линейку.
2. Использовать '; Перемещение инструментов Часть»и„Повернуть часть“ориентировать масштабную линейку рядом с анатомической модели.
3. Если был создан первый тип масштабной линейки, импортировать ту часть еще два раза. Перевести и вращать отдельные масштабные линейки так один лежит на каждой оси.
4. При использовании базовой версии, выберите все части и сохранить в качестве проекта.
5. Откройте файл в профессиональной версии. Выберите все части и экспорт как единый STL.
   Примечание: Размеры сохраняются при карте поверхности и масштабные линейки импортируются в основную или профессиональную версию. До гравировки на поверхности карты, наряду с соответствующими этикетками и масштабные линейки, масштабируется, чтобы поместиться внутри кристаллов. Так как масштабные линейки масштабируются с той же скоростью, как модели, изменения в размерах масштабных линеек являются репрезентативными изменениями размеров в анатомических структурах.

7. Снижение граней

1. Используйте инструмент «Import Mesh», чтобы добавить файл .stl в 3D сетки обработки профиграмм. Корректировки будут применяться к поверхности модели и всех компонентов, в том числе текстовые и масштабные линейки, так как программное обеспечение интерпретирует сетки в одной части.
2. В разделе «Фильтры» и «перестройку сетки упрощении и реконструкции,» выберите инструмент «Квадратное Край Collapse ДЕЦИМАЦИЯ», чтобы сократить число лиц, присутствующих в сетке.
3. Введите нужное число граней (100000) под «Target числа граней» и выберите «Применить». Эта операция выполняется для создания управляемой размер файла для программного обеспечения SSLE и предотвратить излишние раз гравирования.
4. Экспорт готового продукта в виде STL с использованием 'Экспорт сетки As ... установка.

8. Модель Гравировка в кристалле

Примечание: Завершены файлы STL направляется в промышленный соавтор, где кристаллы стекли лазерные гравировку для создания физических моделей анатомических данных. Для запросов и дальнейшей помощи, пллегкость связаться с авторами промышленности этой рукописи.

1. Откройте файл STL в программу лазерной гравировки и конвертировать в файл SCAX.
2. Импорт файла SCAX в пакете программного обеспечения, подключенного к 3D лазерной гравировки.
3. Определить размер кристалла, подходящий для взаимодействия с файлом SCAX.
4. Установите мощность лазера и ввести напряжение и плотность. В то время как 8,5 В и 0,2, как правило, выбирают для напряжения и плотности, другие измерения могут быть определены путем снижения напряжения и увеличения плотности, убедившись, что кристалл не растрескивается или сломаться.
5. Отправить файл в 3D лазерного гравера для производства кристаллов.

Results

Подпочвенная лазерная гравировка стеклянных кристаллов является глубоким средством для наглядного многочисленных типов биомедицинских данных томографических изображений. Рисунок 1 включает в себя доклинические данные КТ, в то время как на фиг.2, фиг.3, 4 и рис демонстрируют , как можно использовать также клинические КТ. Так как размеры изменяются до гравировки, структуры разных размеров могут быть представлены с помощью лазерной гравировки. Хотя на 2 иллюстрирует , как анатомия может быть распечатана в масштабе, большинство структур должны быть расширены вверх или вниз. Два типа шкалы баров может быть реализован для измерения изменений размеров: один, который охватывает стороны структуры, а другое с тремя осями сходящихся в угле. Первый тип идеально подходит для расширенных структур, таких как ядро ​​кости, в то время как второй тип лучше всего подходит для кКрупномасштабные или уменьшенные структуры. Далее размер кристалла в паре с формой анатомической структуры. В результате нога была помещена в кубе в то время как нога была приостановлена ​​в прямоугольной призме.

Ключевая особенность подповерхностных гравировки является возможностью прикрепить текстовые метки с анатомическими особенностями. Метод может быть применен к различным типам данных изображений, с размещением оптимальной этикетки в зависимости от геометрии конструкции. На рисунке 2, текст был размещен на два плоскостей в пространство этикетки, и избежать препятствий вида анатомии. На рисунке 3 и рисунке 4, кости могли быть четко рассматривать с одной стороны , так что этикетки были размещены на одной плоскости.

Рисунок 1, Доклинические данные КТ основного набора овец кости, отображаются практически и суспендировали в 3D выгравирован кристалл. Программное обеспечение визуализации было использовано для создания и прикрепить масштабные линейки к поверхности карты в 1 см изотопных овец костей (слева). Структура претерпела увеличение в пять раз в измерении вдоль каждой оси, как показано масштабные линейки, и был лазерной гравировкой в ​​8 см квадратный кристалл (справа). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Клинические данные КТ разбитого запястье с анатомическими этикетками, отображаются практически и выгравированы в кристалле. Клинический набор данных КТ человеческого запястья с переломом радиусом был преобразован в поверхности карту с помощью компьютерного программного обеспечения. Анатомические этикетки и Шкалы 2 см ш ERE генерируется с использованием системы автоматизированного проектирования (CAD) и прилагается к модели (слева). Лазерный гравер 3D вписан в структуру куба кристалла 8 см (справа). Шкалы сохранили свой размер, демонстрируя запястье было произведено в масштабе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Анатомически меченный нога человека с анатомическими этикетками, отображается практически и выгравирован в кристалле. Набор данных КТ нога человека была преобразована в модель в оттенках серого с программным обеспечением визуализации. Текст и масштаб бар на 4 см были созданы с использованием CAD и включены с поверхности карты (слева). Модель была уменьшена до половины его размера и лазерной гравировкой в ​​кристаллической куб 8 см (справа). 55340 / 55340fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. Клинические данные КТ набор человеческой ноги анатомически помечены с использованием компьютерного программного обеспечения и выгравированы в кристалле. Пакеты программного обеспечения были использованы для подготовки карты поверхности от полной человека КТ и раздел ноги от остальной части тела. Анатомические этикетки и Шкалы 2,5 см разработан с CAD были прикреплены (слева) и структура была выгравирована в см х 5 см х 8 см кристалла 5 (справа). Шкалы в кристалле иллюстрирует нога была уменьшена в соотношении 5: 3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

YS "> 3D печать Sub-Surface для лазерной гравировки (SSLE) кристаллов преимущества Тактильный опыт Создание структур в свободном пространстве Цветные модели Генерация моделей нескольких частей Для масштаба представления можно с большим разнообразием структур Крепление анатомических ярлыков Твердый пластиковый материал устойчив к перепадам Шкала бары подвешены в модели принтеры Недорогая потребительского класса доступны Высокое разрешение и точность Высокое разрешение профессионального класса принтеров Короткие сроки изготовления Легко связать отдельные анатомические субъединицы вместе в 3D-пространстве Структуры внутри кристалла не восприимчивы к внешнему повреждению Низкие материальные затраты Лазерные граверы по умеренным ценам Недостатки Трудно связать отдельные анатомические субъединицы в 3D-пространстве Нет тактильный опыт Стоимость и время производства меняются в зависимости от сложности Оттенки серого Более восприимчивы к ошибкам производства Размер кристалла ограничено Пост-продакшны промывки могут быть необходимыми Для масштаба представления трудно Разрешение ограничено пластиковых экструдеров Плотность ограничена с помощью лазера Части могут чип от модели Кристаллы могут чип или ломаться при падении Дорогостоящие принтеры профессионального уровня Цены на материалы сильно различаются

Таблица 1. Преимущества и недостатки 3D печати и SSLE для производства анатомических моделей. 3D печать и SSLE два средств для визуализации биомедицинских данных томографических изображений, и каждый обладает рядом сильных и слабых сторон в отношении создания физических моделей данных.

Discussion

Доклинические и клинические наборы данных, полученные с помощью методов биомедицинской визуализации играют важную роль в современных исследованиях и медицинских достижений. Прежние средства визуализации биомедицинских данных включали дисплей компьютера и физические модели, полученные от традиционного литья или современных подходов 3D печати. Здесь мы опишем метод 3D гравировки кристалла в качестве средства альтернативы для визуализации томографических биомедицинских данных, поскольку она генерирует хорошо определенные модели, меченные в простой форме. Эти относительно недорогие модели могут быть широко использованы в качестве учебных пособий. Использование кристаллов гравировки для точного представления анатомических данных дает ему высокий потенциал в клинических и образовательных учреждениях. Способность визуализировать данные в физическом, трехмерном формате преодолевает ограничения традиционных форм обучения с использованием плоских изображений или виртуальных визуализаций ^9. Высокое разрешение гравированных структур и прикреплениеэтикетки для конкретных видимых признаков облегчения использования этих моделей для пациента или обучения студентов. Кроме того, этот метод дает возможность выявлять и наблюдать причины и аспекты болезненных состояний в образце. Например, классификация и расположение перелома кости, как перелом запястья отмечено на рисунке 2, обеспечивает более полное понимание соотношения болезненных состояний и других физически очевидных признаков и / или симптомов пациента.

Через 3D кристаллической гравировки, доклинические и клинические наборы данных КТ были представлены в виде физических структур, вписанных в пределах кристаллов. Данные Доклинические КТ были получены с помощью сканера microCT, в то время как клинические изображения КТ были собраны из клинических радиологических источников. Перед дальнейшей обработкой клинических данные изображений преобразуются в распакованные файлы DICOM с помощью программного обеспечения визуализации. Последующие программы программного обеспечения преобразования реконструированных файлов DICOM в поверхностные карты, Модификация этих поверхностных карт и генерации анатомический этикетки и масштабные линейки выполняются с программным обеспечением подготовки данных и системы автоматизированного проектирования (САПР). Заполненные файлы STL уменьшаются и преобразуются в SCAX файлов. После того, как размер кристалла и мощности лазера установлены, файлы считываются с помощью гравировки 3D-лазера, которая создает в свободной форме анатомических структур в кристалле.

Процесс, описанный выше, может быть применен к различным клиническим и доклиническим наборам данных. В то время как наборы данных КТ были реализованы в этом проекте, то возможно, что данные, полученные от других методов визуализации могут быть визуализированы в кристалле, в том числе 3D ультразвука (US), магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Кроме того, другие анатомические структуры человека и биологические образцы могут быть отображены и представлены в этой среде. Тем не менее, кристаллы приходят в заранее заданных размеров и конструкций должны быть сокращены или масштабируется соответствующим образом. Желательно, чтобы соответствовать йе геометрия анатомической части с размером кристалла. Например, нога лучше всего подходит в 5 см х 5 см х 8 см параллелепипеда (фиг.4), в то время как нога подходит для 8 см куба (рисунок 3). Изменения размера шрифта, и толщина текста может быть осуществлен в программном обеспечении САПР. Кроме того, лучше всего поместить метки на одной или двух плоскостях, чтобы четко читать этикетки, не загораживая вид анатомии при вращении кристалла с другими лицами.

Два дополнительных факторов необходимо учитывать при выполнении SSLE анатомических данных: количество лиц в пределах поверхности карты, и размер каждой точки, которая является лазерной гравировкой в ​​кристалл. Эти факторы влияют на количество и размер точек, которые будут поглощать падающий свет и, таким образом, потенциально увеличивают или умаляют данной визуализации SSLE. Во-первых, число граней, которое прямо пропорционально количеству точек в 3D-пространстве,будет влиять как на общее разрешение и «яркость / контраст» отображаемой модели. В каждом из примеров, представленных здесь, заполненный файл СТЛ был сокращен до 100000 лиц без видимой деградации полученного кристаллического продукта, независимо от размера или увеличения. Общая яркость / контраст был также приемлем использованием этого подхода. Значение 100000 является безопасным диапазоном для гравера, используемым, чтобы не перегружать программные и аппаратное обеспечение. Однако в некоторых случаях дополнительные лица могут быть необходимо, чтобы правильно отображать заданный набор данных, и эти файлы могут рассматриваться как экспериментальные, пока успешно не завершены. Кроме того, размер каждой точки, которая «сгоревшая» в кристалл может быть настроен с помощью напряжения, и «плотность» входные значений гравировальной машины для повышения контрастности выходной яркости. В данных случаях, значение по умолчанию напряжения: было выбраны 0,2: 8,5 и плотность. В то время как эти значения представляют собой начальную точку, они могут быть изменены вметодом проб и ошибок способа улучшить визуализацию данных по мере необходимости.

Есть целый ряд преимуществ использования 3D гравировки кристалла для отображения доклинических и клинических данных изображений. Кристаллы обычно получают менее чем за 30 минут, в то время как 3D печатные структуры могут потребовать несколько часов, в зависимости от их размера и сложности ^{16, 20, 22.} Лазерная гравировка может быть использована для представления взвешенных структур без использования поддержки, что облегчает производство сложных или висят особенности анатомии без снижения точности с дополнительным материалом ^16. С разрешением 800-1200 DPI и точностью менее 10 мкм, эти модели очень похожи на медицинские данные ^24. В то время как профессиональный уровень 3D принтеры имеют сходное разрешение примерно 600 DPI в XY и 1600 DPI в Z, то они, как правило, меньше переменный токвикарий (20-200 мкм) ^{17, 19, 20} (таблица 1).

3D кристалл гравировка обладает сильным потенциалом, но ограничена в нескольких областях. Так как данные выгравированы внутри кристалла, пользователи не могут иметь тактильный опыт с анатомическими частями. Для масштаба представления трудно производить как данные обычно масштабируется вверх или вниз, чтобы поместиться в кристаллах. Кроме того, лазер может выгравировать только в оттенках серого с минимальной контрастностью. Плотность структуры также ограничена способность лазера для обработки данных. Общая стабильность кристаллов является преимуществом для потенциального использования в течение нескольких лет, но твердое стекло может не выдерживает падение на твердых поверхностях (таблица 1).

Несмотря на эти ограничения, 3D кристалл гравировка имеет существенное значение в качестве среды для визуализации биомедицинских данных. Во время запускаматериалы и поддержка должны быть приняты во внимание с 3D-принтерами, эти аспекты не должны рассматриваться для лазерной гравировки. Более сложные детали, такие как нога человека, можно представить в виде результата. Хотя время производства несколько увеличивается с более сложных структур, никаких дополнительных материалов не требуется, а стоимость модели осталась прежней. Способность лазера , чтобы сжечь стекло в доте-по-дот моды производит высоко определенные структуры , которые отображают мелкие детали биомедицинских данных, как отмечены в разбитом радиусе на рисунке 2. Кроме того, размещение этих структур внутри кристаллов делает их устойчивыми к внешним повреждениям. В отличие от твердых пластмасс, используемых на многих 3D печатных платформ, полупрозрачные стеклянные поверхности позволяют внутренние структуры, чтобы быть визуализированы в простой форме. Один из самых мощных инструментов 3D кристалла гравюры является возможностью маркировать отдельные части, а также добавить масштабную линейку для справки размера. Этаметод добавляет существенное воспитательное значение для кристаллов, как студенты всех уровней могут научиться анатомии и взаимодействовать с клиническими данными, двух ценных компонентов биологического и медицинского образования, в одной модели. В сочетании с возможностью провести их в ладони и просмотреть структуры при различных углах, маркировка значительно увеличивает образовательную ценность этих моделей. В результате 3D гравировки кристаллы имеют широкое применение для использования в анатомии курсах, в клиническую практику, и общее образование.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D лазерный гравировальный станок	Wuhan Synpny Laser Co., Ltd.	STNP-801AB4	3D лазерный гравер
3D слайсер	Слайсер	версия 4.3.1	Программа для генерации карт поверхностей
Albira micro CT	Bruker Corporation		В качестве альтернативы можно использовать сканер ПЭТ/ОФЭКТ/КТ
Autodesk Inventor Professional 2013	Autodesk, Inc.	64-битная версия, 2013 RTM, Build 138	Программа САПР
Клинические наборы данных КТ	Региональный медицинский центр
Святого Иосифа Институт MeshLab	Национального исследовательского совета Италии (ISTI-CNR)	Том 1.3.4 BETA	Программа обработки 3D сетки
Netfabb Studio Basic	netfabb GmbH	Версия 4.9.0	Программное обеспечение для подготовки 3D-данных
Netfabb Studio Professional	netfabb GmbH	Версия 5.2.1 64-битное	программное обеспечение для обработки 3D-данных-Professional
OsiriX Lite Программное обеспечение для обработки изображений	Pixmeo	Версия 7.0.3	Программное обеспечение для обработки изображений
DICOM PMOD	PMOD Technologies LLC	Версия 3.306	Программное обеспечение для обработки изображений