Summary
使用现代塑料挤出和印刷技术，现在有可能快速且廉价的透视拍摄的CT数据在实验室中产生的物理模型。断层数据的三维印刷是一个功能强大的可视化，研究和教育工具，现在可以访问的临床前成像社区。
Abstract
立体印刷允许非常详细的对象的生产过程通过被称为添加剂制造。传统的模具注射的方法来创建模型或零件有许多限制，其中最重要的是及时的，符合成本效益的方式进行高度复杂的产品中的一个难点。[1]然而，在三维印刷技术的逐步改善，导致在高端和经济工具现在可用于生产的定制机型轻便。这些打印机有能力挤出高分辨率对象有足够的细节，准确地反映在从X射线CT扫描仪的临床前体内生成的图像。有了适当的数据收集，表面渲染，和stereolithographic编辑，它现在是可能的和廉价的从X射线CT数据能够迅速产生详细的骨骼和软组织结构。即使在早期阶段的发展MENT，立体印刷的吸引力都教育工作者和研究人员谁可以利用的技术，以提高可视化能力的解剖模型，3，4的真正好处此方法结果的有形经验的研究员可以有数据不能被充分转达了通过电脑屏幕上。临床前的三维数据的物理对象，是一份精确的测试对象是一个功能强大的可视化和通信工具，特别是对涉及成像研究的学生，或那些在其他领域的翻译。在这里，我们提供了一个详细的方法用于印刷塑料模型的骨骼和器官的结构，来自于X射线CT扫描利用一个Albira在PMOD ImageJ的，Meshlab，Netfabb结合的X射线CT系统，和ReplicatorG软件包的。
Protocol
1。动物
- 现将结果报告如下，1的男性Lobund Wistar大鼠10个月的年龄，得到的Freimann的生命科学中心，Notre Dame大学（巴黎圣母院，印第安纳州，美国）。一种离体新西兰白兔（男性，年龄为8周）颅骨样品，保存在10％福尔马林，获得，圣母大学的马修Ravosa教授的实验室。
- 在活体成像，大鼠麻醉异氟烷（2.5％流量），通过鼻锥体系统的维护。动物俯卧在标准的大鼠床（M2M影像公司，美国俄亥俄州克里夫兰市）提供的图像的Albira站。从一个统一的CT收购的躯干四肢被定位横向。
- 图像采集完成后，老鼠从鼻锥的回收笼，直到门诊。
- 对于兔头骨的扫描，将试样置于在大鼠床在一个密封的塑料袋中含有甲醛。
2。图像采集和重建
- 在体内和体外进行图像采集使用Albira CT系统（锐珂医疗分子成像，伍德布里奇，CT）的。该系统被设置为扫描通过执行三个圆形扫描（600每次扫描的预测），每个具有一个65毫米的视场角，然后将其缝合在一起，在重建期间，180毫米的长度的床。的X-射线源被设置为400μA和45 kVp的电压的电流，并用0.5毫米的铝过滤器变硬的光束。深约辐射剂量当量CT设置为660毫希，浅层剂量当量为1171毫西弗。这些剂量不超过10倍，低于LD50值。
- 图像重建滤波反投影（FBP）算法，通过使用“标准”的参数的Albira套房5.0重构。这些收购和重建设置产生国际泳联l图像0.125毫米各向同性体素，被视为整体的动物分析和解剖结构的三维打印足够的。
3。数据处理
- 从CT扫描可能会印从原始数据中没有分割的骨骼特征。然而，软组织分割之前，需要处理数据的三维打印。在这里，我们将展示一个例子，与肺组织。
- 打开原始的微型正（所有的方式上的Albira的成像系统的数据格式）文件
- 周围画一个感兴趣体积（VOI）鼠标，使所有的外部空间被删除。
- 在VOI工具“选项卡上选择”面具外选择VOI和设置屏蔽值-1000菲尔德单位（HU，radiodensity规模CT），这将有效地设置外部空间的空气的CT密度值。
- 删除所有的外部空间，在“工具”选项卡上，选择“外部”，然后点击下拉箭头并选择“分割”
- 设定范围为-550至-200，并单击“确定”。
- 如果是非常大的文件，选择“工具”选项卡中，选择“减少”，并运行程序
- 分析文件
- 数据必须先转换成DICOM格式，使用PMOD（PMOD技术有限公司，苏黎世，瑞士）分析软件。
- 打开PMOD图像处理软件包。
- 除了 排在前列，选择“ 查看 ”选项卡。
- 在右下角的工具栏上，单击向下箭头标记下的数据库负载 。
- 选择微正为原料的CT数据，或肺的分段分析 。
- 选择相应的文件，然后单击“ 添加到收藏栏 。
- 单击“ 打开”。
- 在右下角的工具栏中，单击向上箭头下保存 。
- 在此菜单中，选择文件类型DICOM。
- 命名该文件，选择“ 保存”。
- 关闭PMOD。
- DICOM数据中包含的每个体素的体积密度值。为了打印此数据，它必须被处理作为一个连续的表面，而不是一个卷。 ImageJ的v1.43u将被用来进行进一步的处理，得到表面渲染。
- 打开ImageJ的图像处理软件
- 选择File> Import。
- 选择图像序列 。
- 导航到新创建的DICOM文件，其中包含并选择它。
- 选择插件> 3D> 3D浏览器 。
- 会出现两个窗口，3D查看器中会出现一个添加窗口。
- 在显示在添加窗口的变化量表面 。
- 阈值的默认值更改为210。
- 单击“确定”。
- 在3D查看器菜单栏，选择“ 文件”>“导出”>波前表面 。
- 文件命名，然后单击“ 保存 ”。
- V1.3.1和Meshlab Netfabb工作室基本4.9，两个程序，将同时删除任何多余的网格，加入断开连接的网格，维修孔，并最终网格平滑。这两个方案之间的主要区别是刀具设置提供给用户，和一些接口导航控制。他们都是三维网格编辑软件程序，和他们一起使用，提供了最简单的方法来编辑模型。
这些行动表明，应执行中Meshlab V1.3.1 
表明，这些行动应当执行Netfabb工作室基本4.9 - 要导入的网格，进入编辑软件：
- 打开Meshlab V1.3.1
- 从菜单栏中选择“文件”>“新的空项目 。
- SELCT“ 文件”>“导入”网格 。
- 选择该文件，单击“ 打开 ”。
- 一旦该文件已加载，一个对话框将打开。保持统一重复的顶点检查，按“确定”。
- 打开Netfabb工作室基本4.9。
- 将所需的文件直接到Netfabb工作室基本画面。
- 打开Netfabb工作室基本4.9。
- 打开Meshlab V1.3.1
- 要删除不需要的网格表面：
- 在Meshlab从菜单栏中选择“滤镜”>“>删除隔离件（WRT直径）的清洁和修复 。
- 删除孤立的连接组件，其直径小于指定的常数。输入，最大直径为这些组件，然后单击“Apply（应用）。
- 渐渐地，最大直径增加，删除更大的一部分。在每个直径修改后单击“ 应用”。
- 在Meshlab从菜单栏中选择“滤镜”>“>删除隔离件（WRT直径）的清洁和修复 。
- 要加入断开件，孔必须在当前啮合切断一个新的键在所希望的位置，和网状亩的桥梁吨之间建立。
- 使用选择工具 ，第七工具从左边的菜单栏，选择的网，将切出。
- 删除选择删除面“按钮，在菜单栏从左边的第三个工具的网。
- 从菜单栏中， 选择File> Export网作为 。
- 命名该文件，更改文件类型为STL。
- 按“ 保存”。
- 会出现一个对话框，保存选项，然后按“确定”。
- 将这个新的文件到Netfabb。
- 在顶部的菜单中，选择“ 修复”，从左侧的第四个工具。
- 选择“ 添加三角形的工具，第十三从左边。
- 点击一侧上的开口边缘（它们将是黄色），然后单击的开口边缘上的另一片上。 5-10桥梁跨越的差距。
- 选择“ 自动修复”按钮在右下角
- 突出显示默认的修复 。
- 单击“ 执行”。
- 按Cancel（ 取消）修复后已被执行。
- 选择翻转选定的三角形按钮。
- 迷失方向的三角形上任何，旋转三角形在正确的方向。
- 使用选择工具 ，第七工具从左边的菜单栏，选择的网，将切出。
- 对维修坑和洞，整个孔和火山口必须除去桥必须建立在每一侧的网状。
- 单击“ 选择工具 ”。
- 选择火山口或孔来填补的。
- 单击“ 删除面”按钮。
- 从菜单栏中， 选择File> Export网作为 。
- 命名该文件，更改文件类型为STL。
- 按“ 保存”。
- 会出现一个对话框，保存选项，然后按“确定”。
- 将这个新的文件到Netfabb。
- 在顶部的菜单中，选择“ 修复” 荣>，从左边的第四个工具。
- 选择“ 添加三角形的工具，第十三从左边。
- 点击一侧上的开口边缘（它们将是黄色），然后单击的开口边缘上的另一片上。 5-10桥梁跨越的差距。
- 选择“ 自动修复”按钮在右下角
- 突出显示默认的修复 。
- 单击“ 执行”。
- 按Cancel（ 取消）修复后已被执行。
- 单击“ 选择工具 ”。
- Laplacian平滑的平滑算法在Meshlab，用于平滑的对象，同时仍然保留模型的结构完整性。
- 浏览“滤镜”>“平滑>的整流罩和变形>拉普拉斯算子平滑 。iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg“/>
- 选择一个号码的平滑迭代次数。更多的迭代将导致在一个平滑的模型，但每个迭代缓慢降解的音量的模式，这可能会导致在断开连接件和锋利的边缘。建议使用1-5次迭代。
- 按“确定”。
- 从菜单栏中， 选择File> Export网作为 。
- 命名该文件，更改文件类型为STL。
- 按“ 保存”。
- 会出现一个对话框，保存选项，然后按“确定”。
- 将这个新的文件到Netfabb。
- 在顶部的菜单中，选择“ 修复”，从左边的第四个工具。
- 选择“ 添加三角形工具，日从左边irteenth。
- 点击一侧上的开口边缘（它们将是黄色），然后单击的开口边缘上的另一片上。 5-10桥梁跨越的差距。
- 选择“ 自动修复”按钮在右下角
- 突出显示默认的修复 。
- 单击“ 执行”。
- 按Cancel（ 取消）修复后已被执行。
- 从菜单栏中， 选择File> Export网作为 。
- 最终的文件命名和更改文件类型为STL。
- 按“ 保存”。
- 会出现一个对话框，保存选项，然后按“确定”。
- 要导入的网格，进入编辑软件：
这些行动表明，应执行中Meshlab V1.3.1 
表明，这些行动应当执行Netfabb工作室基本4.9 4。印刷
- 印刷使用的Makerbot
- 打开STL文件ReplicatorG。复制G是一个沟通的Makerbot Makerbot产业计划。
- 单击“ 比例”从右下角菜单，选择填充生成空间 ！
- 选择“ 旋转”，然后单击“ 平放”。
- 单击中心 。
- ，细节丰富的模型，：选择填写构建平台 ，以扩展模型。
- 在同一菜单中，单击“上移 ”和“选择放在平台 。
- 一旦已经取得了正确的方向，从顶部的菜单栏选择生成GCODE。
会出现一个窗口，打印选项。 - 选择将提供灯丝打印的对象（ 左或右 ）的挤出机。
- 选择使用筏/技术支持 。
- 从下拉菜单中有权我们e支持材料，选择全力支持 。
- 选择“ 生成GCODE”。会出现一个弹出框显示进度的GCODE。
- 一旦GCODE已经完成，选择生成文件使用SD卡 。
- 单击“ 保存”。
- 拖动文件到SD卡上。
- 将SD卡插入Makerbot使用SD Makerbot键盘选择“ 打印 。
- 在打印从SD卡中 ，选择所需的文件名 。 ，Makerbot将自动开始热身打印的对象。
- Shapeways印刷
- 与Shapeways创建一个免费帐户后，STL文件可以直接上传到Shapeways网站： http://www.shapeways.com/upload/
- 点击上传并选择STL文件中。
- 选择一个标题上传的文件。
- 从下拉菜单中选择一个计量单位。
- 点击上传模型 。
- 现在，该文件准备通过Shapeways打印。一旦该文件被上传的Shapeways会花几分钟的时间来处理文件，以确保它实际上可以被打印。大约十分钟后，能打印模式从“我的模式”。
- “白坚固而有弹性的”选择用于打印骨骼结构，坚固而有弹性的“紫”是用于肺组织。
- PROJET HD 3000印刷
- STL文件，也可以打印出来使用的是商业高分辨率三维打印机PROJET HD 3000（跳板工程有限责任公司，创业园，巴黎圣母院，IN，美国）等。
- STL文件被加载到专有软件的3D系统布局工作的platfORM。这需要改变的模型周围的取向，以减少使用的蜡为支撑和打印时间。该文件被保存。
- 然后将该作业以电子方式发送到打印机。
- 铝的平台被加载到打印机和PROJET HD 3000开始打印的对象。
- 模型，然后除去从平台，并放入烘箱，在约73℃以熔化模型的支持蜡。
- 该对象被删除热和擦拭以除去残留的表面蜡与Kimwipe。
Representative Results
图1。三维打印模型大鼠X射线CT数据集的肺部和骨骼特征。对象使用一个PROJET HD 3000（左），Shapeways公司（中心）或一个：Makerbot复制（右）打印。比例尺表示2厘米。请注意，在面板C的比例尺是小于A和B，这反映Makerbot必须打印在某些情况下，为了输出足够的细节的放大的对象。
图1描绘了三个打印相同的方法在大鼠体内的CT数据集的最终产品。所有这三种型号包括裁剪后的骨骼结构和可移动的肺部独立打印和拼凑起来的。在左边的模型是PROJET HD 3000的高分辨率打印机，使用半透明的丙烯酸塑料的结果。中心处的对象使用第三方公司，Shapeways公司，它的骨骼结构，使用尼龙12的白色塑料印刷，而对呼吸系统的结构是捏造的紫色。这些前两种模式打印的实际规模，测量长度约11厘米。在右边的对象是使用MakerBot。上述骨骼构造的印刷使用天然颜色的ABS（丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯）塑料和肺与石灰绿色ABS。由于分辨率的限制的MakerBot，这种模式可以不被打印，而不会降低性能的精细结构，如肋骨规模。相反，这个模型是由几乎2X缩放使用“填充建立空间”选项，以获得所需的视觉细节，从而在21厘米的长度的一个目的。
图2。三维打印模型的离体兔SKULL的数据集。打印显示的对象使用一个PROJET HD 3000（左），：Shapeways有限公司（中心）和一个：Makerbot复制（右）。比例尺表示1厘米。
图2示出了每个体外兔颅骨CT数据集的打印方法的最终产品。在左边的模型是PROJET HD 3000的高分辨率打印机使用半透明的丙烯酸塑料制成的结果。该模型通过在中心被印在白色nylon12塑料Shapeways印刷。在右边的对象被印在白色的塑料使用MakerBot。所有这三个对象被打印到规模和测量长度约8.5厘米。
图3。 3D打印模式，一个完整的大鼠X射线CT数据集对象使用一个PROJET HD 3000（左）和：Shapeways股份有限公司（右）打印。刻度尺b芳表示1厘米。
图3示出印刷的一个完整的大鼠体内 CT数据集的两个方法的最终产品。这两个模型包含了一个完整的骨骼结构（减去尾巴）和可移动的肺部。在左边的模型是一个高分辨率的打印机，PROJET HD 3000使用半透明的丙烯酸类塑料，印刷所得到的。该模型在正确的Shapeways印刷，印刷用使用白色nylon12塑料和肺部的紫色创建的骨骼结构。这两款车型被打印到实际的规模，测量长度约19厘米。由于需要复杂的细节，不能被打印的完整骨架的MakerBot复制。
在三维印刷技术的勘探，观察到一定的优点和缺点，并概述在表1中。
| 优点 | 缺点 | |
| MakerBot | 速度非常快，多种颜色可供选择，能够打印两种颜色可供选择，非常便宜 | 最低级别的详细信息。去除载体材料是缓慢的（在几个小时的顺序）。 |
| Shapeways | 色彩选择Varity，各种材料的印刷，高层次的细节，价格相对低廉 | 两个星期的时间来处理和接收订单 |
| PROJET HD 3000 | 相对快速周转的细节，层次最高，高吞吐量，容易清除支持材料（蜡）。 | 最昂贵的高达前期成本，在实际使用的只有一个颜色选项。 |
表1中。对照三维打印技术，可打印CT数据集。
Discussion
X射线CT数据集的生活Lobund Wistar大鼠离体新西兰白兔头骨被用来展示3D对象的可行性，从 临床前生产生物数据。模型使用三种不同的来源：1）广受欢迎的Makerbot复制，2）第三方公司Shapeways公司，3）高档商业PROJET HD 3000。每个打印机能够产生满意的原则目标，增强了数据可视化的对象。
在临床前的CT数据的打印过程中，每一个的打印方法的优点和缺点的确定，并总结为最终用户。 MakerBot Replicator是一个便宜的（$ 1,750）台式解决方案，几乎世界各地的任何一个实验室访问。它可以打印多种颜色，用廉价的投入（约3.50元塑料具有润肺老鼠CT）。然而，的Makerbot是有限的分辨率，因此某些机型将适当的挤压和可视化的预期结构，都必须扩大。 Shapeways公司提供了一个优秀的颜色和材料方面的选择。该机型是高分辨率和强大的。虽然它们的价格有关的的MakerBot上每一个单位的基础上（大鼠肺CT与41.61美元）高于10倍，用户可以执行有限数量的就业机会，并避免购买一台打印机的前期费用。两个星期的交货时间从Shapeways是一个小的缺点。 PROJET HD 3000提供了优秀的模型在分辨率和力量。我们很幸运收缩的印刷我们的对象PROJET HD 3000在创新园在巴黎圣母院（约30美元的大鼠肺部CT与劳动力和原材料）。用户可能很难获得这种类型的设备，因为它们的价格在$ 80,000的范围内，它是麻烦的，以及与多种颜色的打印。由于每台仪器/制造商提供了一个不同的度量来描述的分辨率为对象印刷（细节Shapeways最低水平= 0.2毫米，最小壁厚= 0.7毫米，5的 MakerBot片厚度为0.4毫米的喷嘴= 0.2-0.3毫米，6 PROJET HD 3000 DPI = 656所述656×800，精确度为0.025-0.05毫米），各系统之间的相对决议的定性评估显示，Shapeways和的PROJET HD系统，可以打印高细节的规模，为成功地使用某些对象时，必须增大MakerBot。总的来说，所有这三种方法都是环保的，并提供了一个方便的方法来实现简便的生产非常详细的临床前研究X射线CT模型。
结论
渐渐地，三维打印技术已经被最小化成本和复杂性变得更加方便，8，9，从字面上看任何人都可以打印高分辨率，三维物体从挖ITAL文件。这些详细的三维对象可以是有用的工具，教育工作者和研究人员的一致好评。此外，他们提供的视觉沟通的一种手段，帮助实现更清晰的认识。10例如，医学研究人员可以利用样本或病人的具体型号，以改善与他们的同事和病人的沟通和理解。11虽然在2D屏幕上的表示走过了很长的路，是绝对没有更换的视觉和感官的经验，一个真正的对象，它是能够举行，旋转，审议并移动。配对的电子数据表示模型的功能更强大，因为它允许研究人员，研究的物理对象地区的利益，并在计算机上找到这些领域进一步的定量分析模型。有了适当的数据收集，表面渲染，和stereolithographic编辑，它是能够迅速地生成详细的，relati从X射线CT数据的vely低廉的机型。在这里，我们提供了一个详细的，一步一步的方法用于生产临床前小动物收集的数据与X-射线微CT的三维模型。我们收购了我们的体内和体外 CT数据集使用图像的Albira站PMOD，ImageJ的Meshlab和Netfabb的的套装软件，并进行后续处理。最后，我们提供了一系列的商业解决方案的详细说明，使三维模型打印。在每一种情况下，最终的结果是一个模型，该模型提供了一个独特的，手持式的，物理的体现，所获取的断层图像数据，通常会被限制到一个计算机屏幕。
Disclosures
W.马修Leevy是锐珂医疗分子成像的顾问。布赖恩Stamile是一个支持工程师MakerBot工业。
Acknowledgments
我们衷心感谢Nanovic研究所欧洲研究，格林家庭荣誉课程，巴黎圣母院综合成像的基金（NDIIF），Carestream Health公司的这个项目的金融支持。支持由美国国家科学基金会BCS-1029149 MJR对兔颅开发研究。
Materials
Required Programs
|
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