Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла
25 апреля 2017 г.
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.
Общая цель этой методологии заключается в использовании подповерхностной лазерной гравировки (SSLE) на кристаллах стекла для визуализации данных томографической визуализации с маркированными структурами. Полученные портативные модели могут служить мощным инструментом обучения. Этот метод позволяет создавать надежные портативные модели, полученные на основе клинических или доклинических наборов данных рентгеновской компьютерной томографии, которые облегчают обучение пациентов или студентов.
Основным преимуществом этой технологии является то, что текстовые этикетки подвешиваются внутри стеклянной среды и прикрепляются к соответствующей структуре, не загораживая обзор анатомического дисплея с высоким разрешением. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как создание карт поверхностей с текстом и масштабными линейками является сложным процессом из-за многоступенчатости и точности, необходимых для точного отображения структур. Для начала преобразуйте срез изображения КТ в наборе данных DICOM в нужный формат файла.
В программном обеспечении для обработки изображений выберите команду load DICOM в настройках вида. Затем сохраните набор данных в формате файла NIfTI. Теперь импортируйте файлы NIfTI в общую программу медицинской визуализации, которая генерирует карты поверхностей с помощью автоматической сегментации.
Для 3D Slicer используйте инструмент добавления данных. Затем выберите инструмент создания моделей в оттенках серого, переключите спецификацию, создайте и переименуйте новую модель. Затем снизьте пороговые значения примерно до 300 HU, или сегментации кости, и сохраните полученные модели в оттенках серого в виде файлов STL для дальнейшей обработки данных.
Затем импортируйте файлы карты поверхности в программное обеспечение для подготовки 3D-данных. Используя Netfabb Studio Basic, выберите режим восстановления. Затем с помощью инструментов «Выбрать деталь» и «Удалить» удалите все поверхности, которые не представляют интересующую структуру.
Затем используйте инструмент «Добавить треугольник», чтобы частично закрыть отверстия в поверхностях, а затем используйте скрипт автоматического восстановления, чтобы полностью закрыть все оставшиеся зазоры. Теперь в меню действий выберите скрипт «Исправить вырожденные грани», чтобы устранить недостаточную площадь поверхности кромок, а затем используйте «Применить ремонт» для выхода из режима ремонта и сохранения изменений. Следующим шагом является использование инструмента вырезания для удаления нежелательных элементов или уменьшения размера модели.
В меню выреза контекстной области укажите расположение каждого разреза в плоскости x-y или z. Затем используйте инструмент «Выполнить вырез» и выберите настройку триангуляционного разреза, чтобы автоматически закрыть все полученные отверстия. Чтобы удалить все поверхности, полученные в результате вырезов, которые не представляют интересующую структуру, используйте инструменты выбора детали и удаления одновременно.
Наконец, если масштабная линейка не будет использоваться, измените размеры каждой карты поверхности с помощью опции масштаба. Таким образом, модель может быть модифицирована так, чтобы она помещалась в восьмисантиметровый куб или прямоугольную призму пять сантиметров на пять сантиметров на восемь сантиметров. Теперь файл данных можно использовать для гравировки подповерхностного слоя, чтобы сделать модель без надписей и масштабной линейки.
Сначала создайте файлы данных этикеток для файла SSLE. Используйте программное обеспечение САПР с метрическим шаблоном. Откройте новый файл и сделайте 2D эскиз в любой плоскости.
Используйте инструмент «Текст» для создания печатных анатомических надписей, набранных двухмиллиметровым шрифтом Times New Roman. Когда закончите, выберите опцию «Закончить эскиз» в меню выхода на панели инструментов. Чтобы выдавить шрифт с настройками по умолчанию, выберите инструмент «Выдавливание» в меню «Создать» и переключите параметр «2D-текст».
Далее изготовьте по одной линии этикетки для каждой этикетки. Начните с нового файла и выберите инструмент «Круг центральной точки» в меню рисования. Затем создайте круг с центром в начале координат и определите диаметр круга как один миллиметр с помощью инструмента «Размеры» в меню ограничений.
Выдавите колонну до нужной длины, варьирующейся от 10 до 50 миллиметров. Масштабные линейки выполнены аналогичным образом. После создания каждой текстовой метки, каждой строки метки и масштабной линейки сохраните данные в виде файла STL.
Для каждой текстовой метки необходима уникальная строка метки. Затем в модель SSLE импортируйте все текстовые метки, цилиндрические линии меток и масштабную линейку. Используйте программное обеспечение для подготовки 3D-данных, способное сохранить сборку в виде одного файла STL.
Затем используйте инструмент «Переместить деталь», чтобы расположить текстовые метки рядом с соответствующей анатомией. В этом процессе используйте инструмент «Поворот детали» для ориентации меток таким образом, чтобы все они были обращены в одном направлении. Затем используйте те же инструменты для размещения линий меток таким образом, чтобы они соединяли метки со связанной структурой в модели.
При необходимости линии надписей можно уменьшить, перейдя в режим восстановления и выбрав выбранные треугольники и удалив выбранные треугольники. Теперь расположите масштабную линейку аналогичным образом. Если было сделано три стержня, по одному на каждую ось, расположите их соответствующим образом.
После того, как все будет размещено, выберите все детали и экспортируйте данные в один файл STL. Приемы дополнительного уменьшения граней и процесс гравировки описаны в текстовом протоколе. Подповерхностная лазерная гравировка кристаллов стекла является мощным средством визуализации многочисленных типов данных биомедицинской томографической визуализации.
Поскольку размеры изменяются перед гравировкой, с помощью лазерной гравировки можно представить структуры различных размеров. Масштабные линейки могут быть реализованы двумя способами. Они могут охватывать боковые стороны конструкции, что идеально подходит для расширенных структур, таких как костная сердцевина.
Другой вариант заключается в том, что три оси масштабной линейки сходятся в одном углу. Это лучше всего подходит для масштабных или уменьшенных конструкций. Ключевой особенностью подповерхностной гравировки является возможность прикреплять текстовые метки по мере необходимости к анатомическим особенностям.
Здесь текст был размещен в двух плоскостях, чтобы разнести надписи и сохранить четкое представление об анатомии. Метки костей и других структур, которые хорошо видны с одной стороны, могут быть выровнены только по одной плоскости. Следуя этой процедуре, практически любой трехмерный набор данных может быть преобразован в формат, который может быть соответствующим образом помечен для научного отображения в портативной среде из сверхчистого стекла.
Обзор
В данной статье описывается методика визуализации данных анатомической визуализации с помощью подповерхностной лазерной гравировки (SSLE) на стеклянных кристаллах. Полученные модели служат эффективными учебными пособиями, обеспечивая маркировку структур, не перекрывая при этом обзор анатомических изображений высокого разрешения.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская визуализация
- 3D-моделирование
- Образовательные инструменты
Теоретические основы
- Подповерхностная лазерная гравировка позволяет визуализировать данные томографического сканирования.
- Ручные модели, созданные на основе наборов данных визуализации, расширяют образовательные возможности.
- Данный метод обеспечивает четкость изображения за счет размещения текстовых меток внутри стеклянной среды.
- Визуальные демонстрации имеют решающее значение ввиду сложности процесса.
Цель исследования
- Для создания надежных моделей на основе данных клинической или доклинической визуализации.
- Для содействия обучению пациентов и студентов.
- Для демонстрации метода точного анатомического воспроизведения.
Используемые методы
- Преобразуйте КТ-изображения из формата DICOM в формат NIfTI.
- Создайте карты поверхности с помощью программного обеспечения для медицинской визуализации.
- Подготовьте и исправьте 3D-модели с использованием программного обеспечения для подготовки данных.
- Нанесите на модели анатомические метки и масштабные линейки с помощью программного обеспечения САПР.
Основные результаты
- Успешно созданы маркированные анатомические модели для образовательных целей.
- Продемонстрирована возможность изменения размеров для различных структур.
- Показаны способы эффективного размещения подписей и масштабных линеек.
- Описаны методы сокращения количества полигонов и повышения качества гравировки.
Выводы
- SSLE представляет собой эффективный метод визуализации данных биомедицинской визуализации.
- Текстовые метки могут повысить образовательную ценность моделей.
- С помощью данной методики можно точно отобразить различные анатомические структуры.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Данный метод позволяет создавать физические маркированные анатомические модели на основе данных томографической визуализации, что способствует валидации мишеней и снижению механистических рисков в доклинических исследованиях. Предоставляя осязаемые representations биологических структур с высоким разрешением, этот подход расширяет возможности проверки гипотез и уточнения путей взаимодействия на ранних этапах поиска. Данный метод представляет собой масштабируемую и воспроизводимую платформу для визуализации сложных анатомических структур, обеспечивая непрерывность трансляционного переноса и снижая неопределенность в исследованиях взаимодействия с мишенью.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы посредством физической визуализации анатомических мишеней и связанных с ними структур.
- Практическая ценность: обеспечивает функциональную валидацию мишеней за счет уточнения пространственных взаимосвязей между мечеными структурами и анатомическими областями, имеющими значение для заболевания.
- Прогностическая ценность: повышает уверенность в выборе мишени, снижая механистическую неопределенность с помощью осязаемых моделей с интегрированной меткой.
Скрининг и разработка анализа
- Готовность к анализу: позволяет создавать стандартизированные, воспроизводимые биологические реплики, которые служат эталонными системами для разработки анализов и скрининга соединений.
- Количественные данные: обеспечивает точные пространственные измерения и интеграцию масштабной линейки, что способствует точному анализу зависимости «доза-эффект» и локализации.
- Повторное использование платформы: упрощает совместное использование валидированных анатомических моделей между исследовательскими группами в масштабах всего предприятия, повышая согласованность рабочего процесса.
Трансляционные и доклинические исследования
- Клиническая значимость: создание клинически и преклинически релевантных анатомических реплик на основе наборов данных КТ, что соответствует стратегиям трансляционных биомаркеров.
- Преклиническая преемственность: обеспечение связи между этапом открытия и преклинической валидацией путем предоставления согласованных маркированных моделей для межфункционального анализа.
- Решения с учетом рисков: поддержка принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) за счет повышения интерпретируемости анатомических данных в исследованиях механизмов действия и безопасности.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в континуум открытий — от первоначального выдвижения гипотез о мишенях до идентификации соединений-лидеров и доклинической валидации, обеспечивая возможность оценки на основе физических моделей в ключевых точках перелома.
- Открывающая биология: облегчает проверку гипотез и уточнение путей за счет преобразования данных визуализации в осязаемые анатомические представления с возможностью маркировки.
- Скрининг: обеспечивает создание воспроизводимых моделей высокого разрешения с масштабными линейками, что поддерживает стандартизированный скрининг соединений и анализы взаимодействия с мишенью.
- Аналитика: предоставляет количественные пространственные выходные данные и маркированные субструктуры, которые позволяют проводить сравнительный анализ при различных экспериментальных условиях.
- Трансляционные исследования: обеспечивают непрерывность перехода от визуализации к доклиническому использованию за счет сохранения анатомической точности и согласования меток в формате стеклянного кристалла.
- Корпоративное повторное использование: создает возможность многократного и совместного использования для генерации стандартизированных анатомических моделей в различных центрах и проектах.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую уверенность при валидации мишени за счет снижения анатомической неопределенности путем визуализации физической размеченной модели.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость благодаря использованию стандартных форматов файлов (DICOM, NIfTI, STL) и повторяемых рабочих процессов гравировки.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала, обеспечивая раннее снижение рисков по мишеням за счет более глубокого понимания анатомии.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритизацию с учетом рисков, предоставляя четкие, осязаемые модели для кросс-функциональной оценки мишеней.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области обработки биомедицинских изображений, 3D-моделирования и использования программного обеспечения CAD для создания меток и масштабных линеек.
- Зависит от наличия доступа к инструментам обработки изображений (например, 3D Slicer), программному обеспечению для исправления моделей (например, Netfabb) и оборудованию для гравировки SSLE.
- Необходима межкомандная стандартизация форматов файлов и правил маркировки для обеспечения единообразия моделей между пользователями.
- Требуется адаптация метода при его применении к различным анатомическим масштабам и типам тканей, полученным с помощью разных методов визуализации.
- Включает практические ограничения, связанные с предельной размерностью моделей, порогами разрешения гравировки и необходимостью ручной постобработки для удаления нерелевантных поверхностей.
