Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла
April 25th, 2017
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
Эта статья описывает методологию визуализации анатомических изображений путем подповерхностной лазерной гравюры (SSLE) на стеклянных кристаллах. Полученные модели служат эффективными учебными инструментами, предоставляя этикетированные структуры без препятствий для просмотра высокоразрешающих анатомических дисплеев.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинские исследования
- 3D моделирование
- Образовательные инструменты
Бэкграунд
- Подповерхностная лазерная гравюра позволяет визуализировать томографические данные изображений.
- Ручные модели, полученные из наборов исследовательских данных, улучшают образовательный опыт.
- Метод поддерживает ясность, подвешивая текстовые этикетки в стеклянной среде.
- Визуальные демонстрации важны из-за сложности процесса.
Цель исследования
- Создать надежные модели из клинических или предклинических исследовательских данных.
- Обеспечить образование для пациентов и студентов.
- Демонстрировать метод точного анатомического представления.
Использованные методы
- Конвертировать изображения КТ из формата DICOM в формат NIfTI.
- Генерировать поверхностные карты с помощью медицинского программного обеспечения для исследований.
- Подготавливать и ремонтировать 3D модели с помощью программного обеспечения для подготовки данных.
- Гравировка моделей с анатомическими этикетками и шкалами с помощью программного обеспечения CAD.
Основные результаты
- Успешное создание этикетированных анатомических моделей для образовательного использования.
- Демонстрация возможности изменения размеров для различных структур.
- Показано, как эффективно размещать этикетки и шкалы.
- Описаны техники для уменьшения граней и улучшения качества гравюры.
Выводы
- SSLE является мощным методом визуализации биомедицинских исследовательских данных.
- Текстовые этикетки могут улучшить образовательную ценность моделей.
- Различные анатомические структуры могут быть точно представлены с помощью этой техники.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
This method enables the creation of physical, labeled anatomical models from tomographic imaging data, supporting target validation and mechanistic de-risking in preclinical research. By providing tangible, high-resolution representations of biological structures, it enhances hypothesis testing and pathway clarification in early discovery. The approach offers a scalable, reproducible platform for visualizing complex anatomies, improving translational continuity and reducing ambiguity in target engagement studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Supports interrogation of therapeutic hypotheses through physical visualization of anatomical targets and associated structures.
- Operational Value: Enables functional target validation by clarifying spatial relationships between labeled structures and disease-relevant anatomy.
- Predictive Value: Enhances confidence in target selection by reducing mechanistic ambiguity via tangible, label-integrated models.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Produces standardized, reproducible biological replicas that serve as reference systems for assay development and compound screening.
- Quantitative Output: Enables precise spatial measurements and scale bar integration, supporting accurate dose-response and localization analyses.
- Platform Reuse: Facilitates enterprise-wide sharing of validated anatomical models across discovery teams, improving workflow consistency.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Generates clinically and preclinically relevant anatomical replicas from CT datasets, aligning with translational biomarker strategies.
- Preclinical Continuity: Bridges discovery and preclinical validation by providing consistent, labeled models for cross-functional review.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports go/no-go assessments by improving anatomical interpretability in mechanism-of-action and safety studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target hypothesis generation through lead identification and preclinical validation, enabling physical model-based assessment at key inflection points.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and pathway clarification by converting imaging data into tangible, label-enabled anatomical representations.
- Screening: Delivers reproducible, high-resolution models with scale bars that support standardized compound screening and target engagement assays.
- Analytics: Provides quantitative spatial outputs and labeled substructures that enable comparative analysis across experimental conditions.
- Translational Research: Ensures continuity from imaging to preclinical use by preserving anatomical fidelity and label alignment in glass crystal format.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, shareable capability for generating standardized anatomical models across sites and projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing anatomical ambiguity through physical, labeled model visualization.
- Operational Value: Delivers standardization and reproducibility via standardized file formats (DICOM, NIfTI, STL) and repeatable engraving workflows.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of targets through enhanced anatomical understanding.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing clear, tangible models for cross-functional target assessment.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomedical image processing, 3D modeling, and CAD software for label and scale bar generation.
- Depends on access to image processing tools (e.g., 3D Slicer), model repair software (e.g., Netfabb), and SSLE engraving equipment.
- Necessitates cross-team standardization of file formats and labeling conventions to ensure model consistency across users.
- Involves adaptation considerations when applying the method to varying anatomical scales and tissue types from diverse imaging modalities.
- Includes practical limitations related to model size constraints, engraving resolution thresholds, and the need for manual post-processing to remove non-relevant surfaces.
