3D Utskrift av preklinisk röntgen datortomografisk Data Sets

Summary

Med modern plast extrudering och teknik utskrift, är det nu möjligt att snabbt och billigt producera fysiska modeller av X-ray CT-data tas i ett laboratorium. Den tredimensionella utskrift av tomografisk data är en kraftfull visualisering, forskning och pedagogiskt verktyg som nu kan nås av preklinisk imaging samhället.

Abstract

Tredimensionell utskrift medger framställning av mycket detaljerade objekt genom en process som kallas additiv tillverkning. Traditionella, mögel injektion metoder för att skapa modeller eller delar har flera begränsningar, är den viktigaste av dessa svårigheter i att göra mycket komplexa produkter i rätt tid, kostnadseffektivt sätt. ¹ har dock gradvisa förbättringar i tredimensionell tryckteknik resulterade både high-end och ekonomi instrument som nu finns för enkel tillverkning av kundanpassade modeller. ² Dessa skrivare har förmågan att extrudera högupplösta objekt med tillräckligt detaljerade för att korrekt representera in vivo bilder som genereras av en preklinisk röntgen CT-scanner . Med rätt datainsamling, ytrendering och stereolitografisk redigering, är det nu möjligt och billigt att snabbt producera detaljerade skelett och mjukdelar strukturer från röntgen-CT-data. Även i de tidiga stadierna av att utvecklaning, de anatomiska modeller som produceras av tredimensionell utskrift tilltalar både lärare och forskare som kan använda tekniken för att förbättra visualisering färdigheter. ^{3, 4} de verkliga fördelarna med denna metod beror på den konkreta erfarenheten en forskare kan ha med data som inte kan tillräckligt transporteras genom en datorskärm. Översättningen av prekliniska 3D-data till ett fysiskt objekt som är en exakt kopia av testpersonen är ett kraftfullt verktyg för visualisering och kommunikation, särskilt för rör Imaging Research till studenter, eller de i andra områden. Här ger vi en detaljerad metod för tryckning av plast modeller av ben och strukturer orgel som härrör från röntgen datortomografi använder en Albira röntgen CT-system i kombination med PMOD, ImageJ, Meshlab, Netfabb och ReplicatorG programpaket.

Protocol

1. Djur

1. För att resultaten redovisas nedan, var en hane Lobund-Wistar råtta av tio månader som erhålls från Freimann Life Science Center, University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA). En ex vivo Nya Zeeland White Rabbit (Man, ålder = 8 veckor) skalle prov, bevarad i 10% formalin, erhölls från laboratoriet av professor Matthew Ravosa, University of Notre Dame.
2. För bildåtergivning in vivo, var råttan bedövades genom isofluoran (2,5% flödeshastighet) med underhåll via en noskonen systemet. Djuret var placerad benägna i standard råtta sängen (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) medföljer Albira bilden stationen. Lemmar placerade lateralt från bålen för en enhetlig CT-förvärvet.
3. Efter bilden Förvärvet slutfördes, råttan ur noskonen och återvände till återhämtningen buren tills ambulatorisk.
4. För skanningar av kanin skallen var provet placeras i råtta sängeni en förseglad plastpåse innehållande formalin.

2. Bild Förvärv och återuppbyggnad

1. In vivo och ex vivo Image förvärv genomfördes med hjälp av Albira CT-systemet (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). Systemet sattes att skanna en bädd av 180 mm längd genom att utföra tre cirkulära skanningar (600 projektioner per scanning), vardera med en 65 mm FOV, som sedan sys ihop under rekonstruktion. X-ray källa var inställd på en ström av 400 pA och spänning av 45 kVp, och använde en 0,5 mm Al-filter för att härda balken. Ungefärlig strålning djup dosekvivalenten för CT-inställningar var 660 mSv, och grunda dosekvivalent var 1171 mSv. Dessa doser är över 10-faldigt lägre än vad som rapporterades LD50-värden.
2. Bilderna rekonstrueras med hjälp av FBP (Filtrerad bakprojektion) algoritm via Albira Suite 5,0 Reconstructor med "Standard" parametrar. Dessa kombinerade förvärv och inställningar återuppbyggnad producera en FinaL bild med 0,125 mm isotropa voxlar, anses tillräckligt för hela djuret analys och 3D-utskrifter av anatomiska strukturer.

3. DATABEHANDLING

1. Skelett funktioner från datortomografi kan skrivas ut från rådata utan segmentering. Dock segmentering av mjuka vävnader krävs före behandling av data för 3D-utskrifter. Här visar vi ett exempel med lungvävnad.
   1. Öppna ursprungliga MicroPET (dataformat för alla modaliteter på Albira Imaging System) fil
   2. Rita en volym av intresse (VOI) runt musen så att all extern utrymmet avlägsnas.
   3. Enligt "VOI Tools fliken väljer du" Mask Utanför Vald VOI "och ställ in maskerande värdet -1.000 Hounsfield Units (HU, radiodensiteten skala för CT), som effektivt sätter den externa utrymme till CT densitetsvärde av luft.
   4. Med alla yttre rymden bort under "Verktyg", välj "Extern" och klicka sedan på rullgardinsmenynpil och välj "segmentering"
   5. Angivet intervall till -550 till -200 och klicka på "OK".
   6. Om filen är mycket stor, välj "Verktyg", välj "Minska" och kör programmet
   7. Spara som Analysera fil
2. Uppgifterna måste först konverteras till DICOM-format med PMOD (PMOD Technologies Ltd, Zürich, Schweiz) analysprogram.
   1. Öppna PMOD image-paket programvara.
   2. Längs den översta raden, välj fliken Visa.
   3. I det nedre högra verktygsfältet, klicka på nedpilen märkt Databas under belastning.
   4. Välj MicroPET för de råa CT-data, eller analysera den segmenterade lungorna.
   5. Välj lämplig fil och klicka på Lägg till valda.
   6. Klicka på Öppna.
   7. I det nedre högra verktygsfältet, klicka på uppåtgåendepilen under Spara.
   8. Från denna meny väljer DICOM filtyp.
   9. Namnge filen och välj Spara.
   10. Stäng PMOD.
3. DICOM data innehåller volymetriska densitet värden för varje voxel. För att skriva ut dessa data, måste den behandlas som en sammanhängande yta i stället för en volym. ImageJ v1.43u ska användas för att erhålla yt renderingar för vidare bearbetning.
   1. Öppna ImageJ bildbehandlingsprogram
   2. Välj Importera Arkiv>.
   3. Välj bildsekvens.
   4. Navigera till den fil som innehåller det nybildade DICOM och markera den.
   5. Välj plugin-program> 3D> 3D Viewer.
   6. Två fönster visas, i 3D-visningen visas och en ADD fönster.
   7. Under Visa som i ADD fönstret ändra volymtill ytan.
   8. Ändra standardvärdet Threshold till 210.
   9. Klicka på OK.
   10. I 3D-vyn menyraden väljer du Arkiv> Exportera ytor som> Wavefront.
   11. Namnge filen och klicka på Spara.
4. Två program, Meshlab V1.3.1 och Netfabb Studio Basic 4,9, kommer samtidigt bort eventuell överflödig mesh, förenas frånkopplade maskor, hål reparation, och jämna finalen nätet. De primära skillnaderna mellan dessa två program är verktyget sätter görs tillgängliga för användaren, och en del av gränssnittet navigering kontroll. De är båda 3D-nät redigeringsprogram program och deras användning tillsammans ger den enklaste metoden att redigera modellen.
   indikerar att dessa åtgärder bör genomföras i Meshlab V1.3.1
   indikerar att dessa åtgärder bör genomföras i Netfabb Studio Basic 4,9
   1. Om du vill importera maskor i redigeringsprogram:
      1. Öppna Meshlab V1.3.1
      2. Från menyraden välj Arkiv> Ny tomt projekt.
      3. SELCT Arkiv> Importera Mesh.
      4. Välj filen och klicka på Öppna.
      5. När filen har laddats kommer en dialogruta öppnas. Hålla Samla Duplicated kontrolleras hörn, tryck på OK.
         1. Öppna Netfabb Studio Basic 4,9.
         2. Dra önskad fil direkt på Netfabb Studio Basic-skärmen.
   2. Att ta bort oönskat nät från ytan:
      1. Från menyraden i Meshlab, välj Filter> rengöring och reparation> Ta bort Enstaka bitar (WRT diameter).
      2. Avlägsna isolerade anslutna komponenter vars diameter är mindre än den angivna konstanta. Ange en maximal diameter för dessa komponenter och klicka på Verkställ.
      3. Gradvis öka den maximala diametern för att ta bort större bitar. Klicka på Verkställ efter varje diameter modifiering.
   3. För att gå frånkopplade bitar måste hål skäras i de nuvarande maskorna på de önskade platserna för en ny obligation och en bro nät must byggas mellan.
      1. Använd markeringsverktyget sjunde verktyget från vänster i menyraden för att välja bitar av nät som kommer att skära ut.
      2. Ta bort markerade delar av nät med Ta bort Faces knappen den tredje verktyget från vänster i menyraden.
      3. Från menyraden väljer du Arkiv> Exportera Mesh som.
      4. Namnge filen och ändra filtyp till STL.
      5. Tryck på Spara.
      6. En dialogruta med alternativ för att spara visas, tryck på OK.
      7. Dra den nya filen i Netfabb.
      8. På den övre menyn, välj Reparera, Den fjärde verktyget från vänster.
      9. Välj Lägg till trianglar verktyget 13. Från vänster.
      10. Klicka på en öppen kant (de kommer att vara gul) på ena sidan och sedan klicka på en öppen kant på den andra delen. Skapa 5-10 broar över gapet.
      11. Välj Automatisk Reparera knappen längst ner till höger
      12. Markera Standard Reparation.
      13. Klicka på Utför.
      14. Tryck på Avbryt när reparationen har utförts.
      Tillval: Vissa skapade trianglar kan vara fel riktning. Följande steg kan användas för att orientera dessa trianglar.
      1. Välj Flip Markerade Trianglar knappen.
      2. Klicka på någon desorienterade trianglar för att rotera alla trianglar i rätt riktning.
   4. Tillreparation kratrar och hål måste hela hål och kratrar tas bort och broar måste byggas på varje sida av nätet.
      1. Klicka markeringsverktyget.
      2. Välj kratern eller hålet som skall fyllas.
      3. Klicka på Ta bort ansikten knappen.
      4. Från menyraden väljer du Arkiv> Exportera Mesh som.
      5. Namnge filen och ändra filtyp till STL.
      6. Tryck på Spara.
      7. En dialogruta med alternativ för att spara visas, tryck på OK.
      8. Dra den nya filen i Netfabb.
      9. På den övre menyn, välj Reparera Rong>, den fjärde verktyget från vänster.
      10. Välj Lägg till trianglar verktyget 13. Från vänster.
      11. Klicka på en öppen kant (de kommer att vara gul) på ena sidan och sedan klicka på en öppen kant på den andra delen. Skapa 5-10 broar över gapet.
      12. Välj Automatisk Reparera knappen längst ner till höger
      13. Markera Standard Reparation.
      14. Klicka på Utför.
      15. Tryck på Avbryt när reparationen har utförts.
   5. Laplace utjämning, den utjämnande algoritmen i Meshlab, används för att jämna ut objektet samtidigt bevarar den strukturella integriteten av modellen.
      1. Navigera Filter> Utjämning> Fairing och deformation> Laplace smidig.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg "/>
      2. Välj ett antal utjämning iterationer. Fler iterationer kommer att resultera i en jämnare modell, men varje iteration sakta försämrar volym modellen, vilket kan resultera i skilda bitar och skarpa kanter. 1-5 iterationer rekommenderas.
      3. Tryck på OK.
      4. Från menyraden väljer du Arkiv> Exportera Mesh som.
      5. Namnge filen och ändra filtyp till STL.
      6. Tryck på Spara.
      7. En dialogruta med alternativ för att spara visas, tryck på OK.
      8. Dra den nya filen i Netfabb.
      9. På den övre menyn, välj Reparera, den fjärde verktyget från vänster.
      10. Välj Lägg till trianglar verktyget, thirteenth från vänster.
      11. Klicka på en öppen kant (de kommer att vara gul) på ena sidan och sedan klicka på en öppen kant på den andra delen. Skapa 5-10 broar över gapet.
      12. Välj Automatisk Reparera knappen längst ner till höger
      13. Markera Standard Reparation.
      14. Klicka på Utför.
      15. Tryck på Avbryt när reparationen har utförts.
      16. Från menyraden väljer du Arkiv> Exportera Mesh som.
      17. Namnge den slutliga filen och ändra filtypen till STL.
      18. Tryck på Spara.
      19. En dialogruta med alternativ för att spara visas, tryck på OK.

4. Utskrift

1. Skriva ut med hjälp av Makerbot
   1. Öppna STL-fil i ReplicatorG. ReplicatorG är en Makerbot Industries program som används för att kommunicera med Makerbot.
   2. Klicka Skala från det nedre högra hörnet och välj Fyll Build Space!
   3. Välj Rotera och klicka på Lay Flat.
   4. Klicka på Center.
   5. För modeller med fina detaljer, välj fylla bygga plattform för att skala upp modellen.
   6. Från samma meny, klicka på Flytta och välj Sätt på plattformen.
   7. När rätt riktning har uppnåtts, väljer Generera GCODE på den övre menyraden.
      * Ett fönster med utskriftsalternativ visas.
   8. Välj extrudern som kommer att ge tråden för att skriva ut objektet (vänster eller höger).
   9. Välj Använd Raft / support.
   10. Från rullgardinsmenyn rätt osse stödmaterial, välj fulla stöd.
   11. Välj Generera GCODE. En pop-up ruta som visar utvecklingen av GCODE visas.
   12. När GCODE är klar väljer du bygga till fil för användning med SD-kort.
   13. Klicka på Spara.
   14. Dra filen till ett SD-kort.
   15. Placera SD-kortet i Makerbot och använda Makerbot knappsatsen välj Skriv ut från SD.
   16. Enligt Utskrift från SD, välj önskat filnamn. Den Makerbot börjar automatiskt till uppvärmning för att skriva ut objektet.
2. Shapeways Utskrift
   1. Efter skapa ett gratis konto med Shapeways kan STL-fil direkt upp till Shapeways hemsida: http://www.shapeways.com/upload/
   2. Klicka på Överför och välj STLfil.
   3. Välj en titel för den uppladdade filen.
   4. Välj en måttenhet i listrutan.
   5. Klicka på Överför modell.
   6. Filen är nu klar för utskrift genom Shapeways. När filen är uppladdad Shapeways tar några minuter att bearbeta filen för att vara säker på att det faktiskt kan skrivas ut. Du kommer att kunna skriva ut modellen från "mina modeller" sida efter cirka tio minuter.
   7. Den "vita stark och flexibel" val användes för att skriva ut skelettet strukturer, medan "lila stark och flexibel" användes för lungvävnad.
3. Projet HD 3000 Utskrift
   1. STL-filen kan även skrivas ut med hjälp av en kommersiell högupplöst tredimensionell skrivare som Projet HD 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Innovation Park, Notre Dame, IN, USA).
   2. STL-filen laddas i 3D Systems egenutvecklade programvara för layout jobbet på platfOrm. Detta kräver att ändra orienteringen av modellen runt för att minimera användningen av vax stöd och utskriftstid. Denna fil sparas.
   3. Jobbet är då elektroniskt skickas till skrivaren.
   4. En plattform av aluminium laddas i skrivaren och Projet HD 3000 börjar att skriva ut objektet.
   5. Modellen avlägsnas sedan från plattformen och placerades i en ugn vid ca 73 ° C för att smälta vaxet stödet från modellen.
   6. Objektet tas bort varm och torkas av med en Kimwipe att avlägsna kvarvarande ytan vax.

Representative Results

Figur 1. 3D tryckta modeller av lungorna och skelettet funktioner i en råtta röntgen CT-datamängd. Objekt trycktes med en Projet HD 3000 (vänster), Shapeways Inc. (Center) eller en Makerbot Replicator (höger). Skalan baren betecknar 2 cm. Observera att skalan bar i panelen C är mindre än A och B, som återspeglar det i vissa fall Makerbot måste skriva ut en förstorad föremål för att produktionen tillräckligt detaljerade.

Figur 1 visar de slutliga produkterna för tre metoder för tryckning av densamma in vivo rått CT datauppsättning. Alla tre modellerna består av en beskuren skelett struktur och flyttbara lungor som tryckta självständigt och pusslas ihop. Modellen till vänster är resultatet av Projet HD 3000 med hög upplösning skrivare, skapade med genomskinlig akrylplast. Objektet vid mittenframställdes med användning av en tredje part företag, Shapeways Inc, i vilken skelettstrukturen trycktes med användning av nylon 12 vit plast medan de respiratoriska strukturerna tillverkades i lila. Dessa första två modellerna trycktes till faktisk skala som mäter cirka 11 cm i längd. Objektet till höger har gjorts med MakerBot. Den benstommen trycktes med hjälp av naturliga färgade ABS (akrylnitril butadien styren) plast och lungorna med limegrön ABS. På grund av upplösning gränser MakerBot kunde denna modell inte skrivas att skala utan försämring av fina struktur som bröstkorgen. Istället var den modell skalas upp med nästan 2X med "fylla bygga utrymme" för att erhålla den önskade visuella detaljer, vilket resulterar i ett föremål för 21 cm långa.

Figur 2. 3D tryckta modeller av en ex vivo kanin SKUlla dataregister. visade objekt trycktes med en Projet HD 3000 (vänster), Shapeways Inc. (Center) och en Makerbot Replicator (höger). Skalan baren betecknar 1 cm.

Figur 2 visar slutprodukterna för varje tryckmetod för ex vivo kanin skalle CT datamängd. Modellen till vänster är resultatet från Projet HD 3000 med hög upplösning skrivare med genomskinlig akrylplast. Modellen i centrum trycktes i vit nylon12 plast genom Shapeways utskrift. Objektet till höger trycktes i vit plast med MakerBot. Samtliga tre föremål trycktes att skala och mäta ca 8,5 cm i längd.

Figur 3. 3D tryckta modeller av en fullständig råtta röntgen CT-datamängd. Objekt trycktes med en Projet HD 3000 (vänster) och Shapeways Inc. (höger). Skalan Bar betecknar 1 cm.

Figur 3 visar de slutliga produkterna för två metoder för tryckning av en fullständig in vivo CT datauppsättning av en råtta. Båda modellerna består av en komplett skelett struktur (minus svansen) och flyttbara lungorna. Modellen till vänster är resultanten av en högupplöst skrivare, Projet HD 3000, tryckt med genomskinlig akrylplast. Modellen till höger trycktes med Shapeways utskrift med skelettstrukturen skapats med vit nylon12 plast och lungorna i lila. Dessa två modeller trycktes till faktisk skala som mäter cirka 19 cm i längd. På grund av den krävs intrikata detaljer kan hela skelettet inte skrivas med MakerBot Replicator.

Under utforskandet av tredimensionella trycktekniker, har vissa fördelar och nackdelar observeras och beskrivs i tabell 1.

	Fördelar	Nackdelar
MakerBot	Extremt snabb, olika färger, kan skriva ut i två färger, extremt billig	Lägsta detaljnivån. Borttagning av stödmaterial är långsam (i storleksordningen ett par timmar).
Shapeways	Skribenter av färger, olika material för utskrift, hög detaljnivå, relativt billiga	Två veckor tid att bearbeta och ta emot en order
Projet HD 3000	Relativt snabb vändning, högsta detaljnivå, hög genomströmning, lätt att ta bort stödmaterial (vax).	Dyraste up front kostnader, bara en färg alternativ under praktisk användning.

Tabell 1. Jämförelseav 3D trycktekniker tillgängliga för utskrift CT datamängder.

Discussion

Röntgen CT datamängder av en levande Lobund-Wistar råtta och en ex vivo Nya Zeeland White Rabbit skalle utnyttjades för att demonstrera genomförbarheten av 3D-objekt produktion från prekliniska biologiska data. Modeller genererades med tre skillnaden källor: 1) Den populära Makerbot Replicator 2) Den tredje parten Företaget Shapeways Inc, och 3) hög kvalitet kommersiella Projet HD 3000. Varje skrivare kunde generera föremål som uppfyllt principen målet att öka datavisualisering.

Under processen att skriva ut prekliniska CT-data var och nackdelar med varje metod för tryckning konstaterade och sammanfattas för slutanvändaren. Den MakerBot Replicator är en billig ($ 1750) bänk lösning som är tillgänglig för praktiskt taget alla labb runt om i världen. Den kan skriva ut i flera färger med billiga ingångar (en råtta CT med lungor som används om $ 3,50 i plast). Emellertid är Makerbot begränsas genom upplösning,och sålunda vissa modeller måste förstoras för korrekt strängsprutning och visualisering av tänkta strukturen. Shapeways Inc. ger en enastående antal val med avseende på färg och material. Modellerna är hög upplösning och robust. Medan deras priser är ungefär 10-faldigt högre än MakerBot på per enhet (en råtta CT med lungor var $ 41,61), kan en användare köra ett begränsat antal arbetstillfällen och undvika initiala kostnaden för att köpa en skrivare. De två veckor ledtiden från Shapeways är en mindre nackdel. Den Projet HD 3000 som utestående modeller vad gäller upplösning och styrka. Vi hade turen att dra ihop utskriften av våra objekt på Projet HD 3000 på Innovation Park i Notre Dame (ca $ 30 för en råtta CT med lungor för arbete och material). Användare kan ha svårt med tillgång till denna typ av utrustning som de är prissatta i intervallet $ 80.000, och det är besvärligt att skriva ut med flera färger också. Eftersom varje instrument / tillverkareger en annorlunda mått för att beskriva upplösning för objektets utskrift (Shapeways lägsta detaljnivå = 0,2 mm, minsta godstjocklek = 0,7 mm, ⁵ MakerBot snittjocklek = 0,2-0,3 mm med en 0,4 mm munstycke, ⁶ Projet HD 3000 DPI = 656 X 656 X 800 med en noggrannhet på 0,025-0,05 mm), föreslår en kvalitativ bedömning av de relativa resolutioner mellan varje system som både Shapeways och Projet HD-systemet kan skriva ut i hög detalj skala, medan vissa objekt måste utvidgas för framgångsrik användning av den MakerBot. Sammantaget alla tre metoderna är miljövänliga och ger ett bekvämt sätt att uppnå enkel produktion av mycket detaljerade prekliniska röntgen CT-modeller.

Slutsats

Gradvis har tekniken för 3D-utskrifter blir mer tillgänglig som både kostnader och komplexitet har minimerats. ^{8, 9} nu bokstavligen vem som helst kan skriva ut med hög upplösning, tredimensionella objekt från digital filer. Dessa detaljerade tredimensionella objekt kan vara användbara redskap för både lärare och forskare lika. Dessutom ger de ett medel för visuell kommunikation som hjälper att uppnå en tydligare förståelse. ¹⁰ Till exempel kan medicinska forskare använder provet eller patient-specifika modeller för att förbättra både kommunikationen och förståelsen med sina kollegor och patienter. ¹¹ Även representation i 2D har kommit långt, det finns absolut ingen ersättning för den visuella och sensoriska upplevelsen av att hålla ett verkligt objekt som kan hållas, roteras, undersöktes och flyttas runt. En modell parad med en elektronisk representation är ännu mer kraftfull eftersom det tillåter forskare att undersöka det fysiska objektet för områden av intresse, och att finna de områden på en datormodell för vidare kvantitativ analys. Med rätt datainsamling, ytrendering och stereolitografisk redigering, är det möjligt att snabbt producera detaljerade, relatitivt billiga modeller från X-ray CT-data. Här ger vi en detaljerad, steg för steg metod för framställning av en tredimensionell modell från prekliniska små djur som samlats in med en X-ray mikro-CT. Vi förvärvade vår in vivo och ex vivo CT datamängder med hjälp av en Albira bild station och utfört efterföljande bearbetning med PMOD, ImageJ, Meshlab och Netfabb programvara. Slutligen ger vi detaljerade instruktioner för att möjliggöra tredimensionell modell utskrift med ett utbud av kommersiella lösningar. I varje fall är slutresultatet en modell som ger en unik, handhållen, fysisk manifestation av de förvärvade tomografiska data som normalt skulle begränsas till en datorskärm.

Materials

Required Programs Albira Image Acquirer PMOD ImageJ Meshlab Netfabb ReplicatorG