Summary
يوصف منهجية هنا لتمثيل البيانات التصوير التشريحية داخل البلورات. نحن خلق تحجيم نماذج ثلاثية الأبعاد من بيانات التصوير الطبية الحيوية لاستخدامها في الباطن السطحية الليزر النقش (SSLE) من الزجاج والكريستال. تقدم هذه الأداة عنصرا مكملا مفيدا لعرض الحسابية أو ثلاثة الأبعاد نماذج مطبوعة المستخدمة في المرافق الصحية أو التعليمية.
Abstract
طرائق التصوير الطبية الحيوية مثل التصوير المقطعي (CT) والرنين المغناطيسي (MR) توفير منصات ممتازة لجمع مجموعات البيانات ثلاثية الأبعاد من المريض أو عينة التشريح في المرافق الصحية أو ما قبل السريرية. ومع ذلك، فإن استخدام الظاهري، على شاشة العرض يحد من قدرة هذه الصور تصوير الشعاعي الطبقي للتعبير بشكل كامل المعلومات التشريحية جزءا لا يتجزأ من الداخل. حل واحد هو واجهة بيانات التصوير الطبية الحيوية مع مجموعة تكنولوجيا الطباعة 3D لتوليد نسخة طبق الأصل المادي. نحن بالتفصيل طريقة مكملة لتصور البيانات التصوير تصوير الشعاعي الطبقي مع نموذج باليد هنا: تحت السطح النقش بالليزر (SSLE) من الزجاج والكريستال. تقدم SSLE العديد من المزايا الفريدة بما في ذلك: القدرة السطحية لتشمل العلامات التشريحية، فضلا عن شريط الحجم؛ التجمع متعدد الأجزاء تبسيط الهياكل المعقدة في المتوسط واحد؛ عالية الدقة في X، Y، Z والطائرات. وقذائف شبه شفافة لرؤية الأساسات التشريحية الداخلية. هنا ثالبريد إثبات عملية SSLE مع مجموعات البيانات CT المستمدة من مصادر ما قبل السريرية والسريرية. وهذا البروتوكول بمثابة أداة جديدة وقوية وغير مكلفة والتي تصور هياكل تشريحية معقدة للعلماء والطلاب في عدد من المؤسسات التعليمية والبحثية.
Introduction
طرائق التصوير الطبية الحيوية مثل التصوير المقطعي (CT) أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وتستخدم بشكل روتيني من قبل الطبية، والبحوث، والأوساط الأكاديمية لغير جراحية دراسة الهياكل الداخلية من الموضوعات الإنسان أو البيولوجية 1 و 2 و 3. في الطب الحديث، وهذه التكنولوجيا تتيح تشخيص أكثر استنارة، وبالتالي تحسين علاج المريض (4). على وجه الخصوص، يوفر CT فرصة ممتازة لإعادة الإعمار 3-D نظرا لدقة عالية وخصائص فوكسل الخواص (طول متطابقة من كل حافة المكعب). 5 وعلاوة على ذلك، تتوفر البيانات التي تجعل التصوير الطبية الحيوية في ثلاثة أبعاد (3D) للوظائف العليا مثل جراحة بمساعدة الحاسوب والتنظير الظاهري 6 حزم البرمجيات. في أبحاث ما قبل السريرية، ويوفر التصوير غير المدمرة منصة متعديةالذي لدراسة نماذج المرض في الفئران والجرذان 7. المكتبات الرقمية، مثل قاعدة البيانات البيولوجية الصرف الرقمية (http://digimorph.org)، تم ملؤها بالبيانات CT المستمدة من عينات مختلفة أو الحالات المرضية السريرية لسهولة الوصول من قبل الأوساط العلمية والطبية أوسع 8.
في الوقت الحاضر، وقد تم تصور البيانات والتصوير الطبي الحيوي في الفضاء الافتراضي على شاشات الكمبيوتر، أو في الفضاء المادي مع نماذج باليد. بينما برامج الكمبيوتر يتيح للمستخدمين تشريح البيانات ومعالجتها، والنماذج المقلدة المادية هي تكملة لطيفة مع فائدة تعليمية ممتازة 9 و 10. تم إنشاء النماذج التقليدية باستخدام عملية الصب منخفضة التكلفة التي تمتلئ قوالب الأساسية مع الراتنج أن يصلب في الهيكل المطلوب 11. نماذج محمل قابلة للتصنيع كتلة غير مكلفة، لكنها محدودة للالأساسيةالهياكل التي ليست مستمدة من مجموعات بيانات المرضى. في السنوات الخمس الماضية، أصبحت 3D المطبوعة نسخ طبق الأصل من علم التشريح البشري انتشارا نظرا لتعقيد عالية، وكثير من الأحيان المريض محددة، والأشياء التي قد تكون ولدت وعرضها. يتم إنشاء هذه النماذج من الآلات التي السائل إيداع أو البلاستيك المنصهر في طبقات المضافة، وساعدت الأطباء مع التشخيص، والعمليات الجراحية المعقدة والعلاج من الأمراض، تصميم الاصطناعية، والاتصالات المريض 12 و 13. وعلاوة على ذلك، توفر نطاق واسع من طابعات 3D المستهلك الصف ضمن إعدادات المدارس الابتدائية والثانوية، والجامعية يعمل على تعزيز تأثير التربوي نموذج تشريحي المشتركة ملفات 14 و 15.
وعموما، 3D الطباعة تقدمت بشكل كبير في تطوير نماذج تشريحية في الطب، ولكن لديها قيود. الأول، إنشاء متعددةقد تكون نماذج تشريحية -part تحديا منذ العمل الإضافي في كثير من الأحيان هو مطلوب لربط رقميا قطع منفصلة معا التي قد تقع على خلاف ذلك بصرف النظر 16. أيضا، غموض العديد من المواد المطبوعة 3D، وخاصة بالنسبة للآلات المستهلك الصف، ويمنع التصور من الهياكل الفرعية الداخلية التي تقدم نظرة إضافية حول العظام عينة والأنسجة اللينة. وعلاوة على ذلك، بثق البلاستيك السائل أو المنصهرة تقيد القرار من مطبوعات 3D. وبثق الطابعات المهنية ما يقرب من 50 ميكرون في القطر والسماح لسماكة طبقة من 14 ميكرون، مع دقة تصل إلى 600 نقطة في البوصة (DPI) في X و Y محاور و1،600 DPI في Z محور 17 و 18 . وعلى سبيل المقارنة، المستهلك الصف طابعات 3D لها بثق التي هي حوالي 400 ميكرون في القطر وتعطي سماكة طبقة من 100 ميكرون وقرار يعادل تقريبا 42 DPI 19،
تحت السطح النقش بالليزر (SSLE)، أو 3D الكريستال نقش، يستخدم أشعة الليزر لتشكيل "فقاعات" صغيرة أو النقاط مع دقة عالية في الآلاف من X، Y، وينسق Z ضمن جامدة، عالية النقاء، مكعب، والزجاج المصفوفة 23. كل نقطة هي 20-40 ميكرون، والتي ينتج قرار بين 800-1،200 DPI 24. وعلاوة على ذلك كل نقطة هي نصف شفاف، وتمكين التصور من الهياكل الفرعية الداخلية. ممثلة متعددة وقطع منفصلة في نفس وضوح الشمس وليس مطلوبا مواد إضافية لهياكل كبيرة، معقدة. منذ مصفوفة صلبة، يمكن إضافة العلامات التشريحية وحجم الحانات النطاق لتعزيزالقدرة التعليمية للتصوير البيانات المعروضة داخل. هنا نقدم العملية التي الأشعة السينية التصوير المقطعي يتم تنسيق البيانات (CT) لSSLE الكريستال. أولا، يمكن جمع البيانات من أنظمة microCT قبل السريرية التجارية، والماسحات الضوئية السريرية من أقسام الأشعة / دائرة الإعلام، أو مصدرها مستودعات الانترنت مثل الأرشيف الوطني تصوير الطبية الحيوية (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 هنا علينا أن نبرهن هذا النهج مع جوهر الأغنام العظام والمعصم كسر، وقدم المسمى، وبلورات الساق وصفت لتوضيح القدرة على دمج كل من البيانات قبل السريرية والسريرية، وضبط حجم الهياكل التشريحية، وتنسيق هندسة هيكل مع حجم وضوح الشمس. ونظرا لطبيعة السطحية من SSLE واستخدام على نطاق واسع بالفعل من الملفات STL في 3D الطباعة، تصنيع بلورات التشريحية وصفت يوفر، ومن ناحية باليد أداة التصور مثيرة للاستخدام ضمن الأوساط الأكاديمية والتعليم.
Protocol
ومجهولة المصدر عن مجموعات بيانات التصوير المقطعي الإنسان حسابها وفقا لبروتوكول SJRMC المعتمدة.
1. عينات CT الحصول على البيانات من قبل السريرية والسريرية
- إجراء الصغير الأشعة السينية التصوير المقطعي لإنشاء مجموعة بيانات ما قبل السريرية. في هذه الحالة، استخدم microCT إلى صورة عينة الأساسية العظام مع الإعدادات التالية: 45 كيلو فولت، 0.4 أمبير، والتوقعات 1000. 5
- إعادة بناء البيانات الخام بدقة عالية (125 ميكرون فوكسل الخواص). لزيادة القرار، وتحديد وإعادة بناء مكعب 1 سم مع المركز في الأصل وحدة التخزين (10 ميكرون فوكسل الخواص).
- تصدير البيانات بناؤها المنصوص عليها في شكل DICOM لمعالجة إضافية.
- بدلا من ذلك، الحصول على مجموعات أعيد بناؤها CT البيانات، مثل تلك من المعصم والقدم كسر المستخدمة في هذه الدراسة، من المتعاونين السريرية (البيانات الواردة هنا تم الحصول عليها من مركز سانت جوزيف الطبي الإقليمي) أو DICO مفتوح المصدرM المحفوظات (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
- استيراد الملفات في البرنامج DICOM التصوير والتصدير كملفات DICOM ضغط إذا لزم الأمر.
2. معالجة البيانات
- فتح كل مجموعة بيانات DICOM (تتألف من جميع شرائح صورة) باستخدام 'تحميل DICOM "في" عرض "وضع برنامج معالجة الصور.
- حفظ كل مجموعة البيانات باعتبارها NIfTI تحليل وتنسيق التصوير أنشئت لأغراض التحليل العلمي. استيراد ملفات NIfTI في برنامج مع استخدام أنشئت في التصوير الطبي حسابها وتقسيم الآلي لتوليد الخرائط السطحية (على سبيل المثال، 3DSlicer).
- تحميل ملف NIfTI بالنظر في البرنامج مولد خريطة السطح مع "إضافة بيانات" الأداة.
- حدد أداة "درجات الرمادي نموذج صانع 'مع مواصفات" إنشاء وإعادة تسمية النموذج الجديد ". تعيين قيم عتبة أدنى إلى ما يقرب من 300 HU للتجزئة من العظام.
- حفظ نماذج تدرج الرماديكملفات STL لمعالجة المزيد من البيانات.
- استيراد كل خريطة سطح في إعداد البيانات والبرمجيات 3D (على سبيل المثال، Netfabb ستوديو الأساسية) وتحديد وضع "إصلاح".
- استخدام 'حدد الجزء "وأدوات" حذف "لحذف جميع الأسطح التي لا تمثل بنية الفائدة.
- استخدام أداة "إضافة المثلث" لتغطية جزء من ثقوب في الأسطح والنصي "إصلاح تلقائي" إلى وجود ثغرات تماما قريبة المتبقية.
- حدد البرنامج النصي 'إصلاح وجوه تحلل' في القائمة إجراءات لتسوية الحواف دون مساحة و'تطبيق إصلاح "النصي للخروج' إصلاح 'واسطة مع الجزء تعديلها.
- استخدام أداة "قطع" لإزالة ميزات غير المرغوب فيها أو تقليص حجم النموذج. تعيين موقع كل قطعة داخل 'X'، 'Y' أو 'Z' الطائرة في القائمة "قطع" من منطقة السياق.
- استخدام أداة "تنفيذ قص" ثم اختر "، تثليث قص "في إعدادات لإغلاق كافة الفتحات الناتجة تلقائيا.
- استخدام 'حدد الجزء "وأدوات" حذف "في وقت واحد لحذف جميع الأسطح الناتجة عن قطع لا تمثل بنية الفائدة.
ملاحظة: إذا كانت خريطة سطح ستكون ملاصقة مع شريط الحجم، تخطي الخطوة التالية. سيتم تحجيم التشريحية ميزة وحجم شريط في وقت واحد بعد أن متحدون في STL واحد. - حدد خيار "مقياس" لتعديل أبعاد كل خريطة السطح. قد تكون متسعة نماذج (الأساسية العظام) أو تخفيضها في البعد (القدم)، أو المحافظة على حجمها الأصلي (الرسغ) لتناسب داخل المكعب 8 سم أو 5 سم × 5 سم × 8 سم مستطيل المنشور. لاحظ أن الملفات في هذه المرحلة قد ترسل لSSLE إذا رغبت أي تسميات أو أشرطة الحجم.
3. تشريحية وسمها
- حدد الخيار "جديد" في قائمة برنامج CAD (على سبيل المثال، أوتوديسك المخترع المحترف) رس إنشاء مصنف جديد باستخدام قالب متري ل 'قياسي (مم) .ipt "جزء.
- حدد الخيار 'إنشاء 2D رسم "واختيار أي طائرة. استخدام الأداة 'نص' في القائمة "رسم" من شريط الأدوات لإنتاج العلامات التشريحية مطبوعة مع الخط المطلوب وحجم (تايمز نيو رومان و 2.0 ملم).
- عند الانتهاء، حدد خيار 'إنهاء رسم "في قائمة" خروج "من شريط الأدوات.
- حدد أداة "قذف" من القائمة 'إنشاء' من شريط الأدوات مع خيار "2D النص. تعيين عمق البثق (2.0 ملم) مع إعداد متماثل.
- تسميات النص التصدير في شكل CAD مع وضع STL "حفظ بنوع".
- فتح مصنف جديد لإنتاج خط التسمية أسطواني. اختر الخيار 'ملف' لإنشاء قالب المتري الجديد مع 'قياسي (مم) .ipt "جزء.
- حدد 'إنشاء 2D رسم "أداة واختيار أي طائرة. استخدام 'مركز"أداة في" نقطة الدائرة "القائمة رسم من شريط الأدوات لإنتاج دائرة مع المركز في الأصل.
- استخدام أداة "البعد" في القائمة "القيد" لتعيين قطر الدائرة (1.0 ملم).
- عند الانتهاء، حدد خيار 'إنهاء رسم "في قائمة" خروج "من شريط الأدوات.
- حدد أداة "قذف" اختيار من القائمة 'إنشاء' من شريط الأدوات مع خيار "النص 2D. حدد عمق البثق (10.00 ملم) مع إعداد متماثل.
- تسميات تصدير النص واسطوانات في شكل CAD مع 'حفظ باسم نوع "إعداد تنسيق stl.
4. إرفاق تسميات
- استيراد النماذج والملصقات النص، وخطوط التسمية أسطواني في البرنامج إعداد بيانات 3D.
- ترجمة التسميات النصية إلى اليسار أو اليمين من التشريح المرتبطة باستخدام 'نقل الجزء "أداة. استخدام أداة "تدوير الجزء" إلى تسميات توجيه مثل التي يواجهونها عشره نفس الاتجاه.
- ترجمة وتدوير خطوط التسمية أسطواني باستخدام 'نقل الجزء "وأدوات" تدوير الجزء "للاتصال التسميات إلى الهياكل المرتبطة بها داخل النموذج.
- إذا لزم الأمر، أدخل الوضع "إصلاح" واستخدم "حدد المثلثات" و "إزالة المثلثات المحددة لتقليل حجم الاسطوانات إلى الطول المناسب.
- إذا كنت تستخدم النسخة الأساسية، حدد كافة أجزاء وحفظ كمشروع. ثم إعادة فتح هذا المشروع في النسخة المهنية.
- في النسخة المهنية، حدد كافة أجزاء والتصدير باعتباره STL واحد.
5. مقياس بار تصميم
ملاحظة: تم تصميم نوعين من الحانات النطاق في برنامج CAD. الأول هو الحاضر في الشكل (1) وينطوي على ثلاثة أشرطة على نطاق ومنفصلة، مع علامات التجزئة في قياسات واضحة، والكذب على كل طائرة. والثاني، وشملت في الشكل 2، الشكللدى عودتهم 3، والشكل (4)، ويتكون من خطوط عمودية ملقاة على المحاور الثلاثة والمتقاربة في الزاوية. اتبع الخطوات من 5،1-5،2 للبدء في تصميم كل شريط على نطاق و.
- إنشاء مصنف جديد في برنامج CAD عن طريق تحديد "جديد" و "قياسي (مم) .ipt" جزء.
- اختر 'إنشاء 2D رسم "واختيار أي من الطائرات الثلاث لبدء العمل على.
ملاحظة: متابعة الخطوات 5،3-5،16 لإنتاج النوع الأول من شريط النطاق. نفذت أبعاد ينص على إنشاء شريط مقياس 1 سم مع علامات التجزئة في 25 زيادات ملم. - استخدام أدوات و"مستطيل" و "البعد" لرسم مستطيل (10 ملم × 0.25 ملم) مع عرض الذي يتوافق مع الطول المطلوب من شريط المقياس (10 مم) وطول أي قيمة معقولة (0.25 ملم). وضع الرأس اليسرى السفلى على الأصل حتى الأشعة الإحداثيات يمكن استخدامها لتباعد علامات التجزئة.
- لإنشاء علامات التجزئة، واستخدام رانه أداة "مستطيل" لرسم المستطيل مباشرة فوق العارضة الحجم. تقييد حجم (0.025 مم × 0،432 ملم) مع أداة "البعد".
- باستخدام إحداثيات س، ترجمة المستطيل شكلت حديثا لذلك يكمن في المسافة المطلوبة من الحافة. وهذا هو أعلى علامة التجزئة.
- لإنشاء الجزء السفلي من علامة التجزئة، رسم مستطيل آخر، مع نفس الأبعاد كما في النصف العلوي، أسفل شريط نطاق مباشرة. استخدام أداة "محاذاة" لتحقيق المواءمة بين شطري علامة التجزئة.
- اختر الأداة "تريم" في قائمة "تعديل" وحدد المنطقة التي شريط نطاق والقراد علامات تتداخل. سيؤدي هذا إلى إزالة خطوط الزائدة والسماح جزئيا إلى أن تفسر على أنها ميزة واحدة عندما مقذوف.
- كرر الخطوات من 5،4-5،7 لبقية علامات التجزئة.
- عند الانتهاء، حدد خيار 'إنهاء رسم "في قائمة" خروج "من شريط الأدوات.
- اختيار "قذف" تحت 'إنشاء' الرجالش وحدد شريط الحجم. تحديد مسافة قذف والاتجاه (0.25 ملم وفي الشاشة).
- لتصميم الملصقات لعلامات التجزئة، اختر 'إنشاء 2D رسم' وحدد شريط نطاق مثل طائرة تعمل.
- ضمن القائمة "رسم"، حدد أداة 'نص' لخلق نص مع خط معين وحجم (تايمز نيو رومان و 0.25 ملم). ترجمة النص إلى وضعها إلى جوار شريط النطاق.
- عند الانتهاء، حدد خيار 'إنهاء رسم "في قائمة" خروج "من شريط الأدوات.
- حدد أداة "قذف" من القائمة 'إنشاء' من شريط الأدوات مع خيار "2D النص. تعيين عمق البثق (0.25 مم) والاتجاه (في الشاشة).
- كرر الخطوات 5،12-5،14 لإنشاء تسميات أخرى.
- تصدير الشريط على نطاق والانتهاء منها في شكل CAD مع تحديد تنسيق stl "حفظ بنوع".
ملاحظة: بعد الانتهاء من الخطوات 5،1-5،16، متابعة الخطوات 5،17-5،31 لخلقالنوع الثاني من شريط النطاق. استخدمت القياسات المقدمة لإنشاء شريط النطاق الذي كان 2 سم على كل محور و 2 مم. - حدد أداة "مستطيل" لإنشاء مربع وتحد من طول وعرض (2 ملم × 2 ملم) مع أداة "البعد". سوف أبعاد المحددة في هذه الخطوة تحديد سمك الجزء.
- اختر "إنهاء رسم في العودة إلى الإعداد 3D النموذجي.
- تحت عنوان "إنشاء"، اختر "قذف" وحدد مربع تعادل في وضع 2D رسم. اختيار عمق المطلوب قذف والتوجيه (20 ملم وفي الشاشة).
- اختر 'إنشاء 2D رسم "ومواصلة العمل على نفس الطائرة كما رسم السابق.
- استخدام أدوات و"مستطيل" و "البعد" لرسم مستطيل (2 ملم × 18 ملم) مباشرة فوق الساحة. تتناسب مع طول المستطيل إلى طول مربع (2 ملم) وعرض يجب أن يكون الحجم المطلوب من شريط نطاق وناقص دور المرأة في التنميةعشر للمربع (20 مم - 2 مم = 18 مم). اضغط على "إنهاء رسم" عند اكتماله.
- تحت عنوان "إنشاء"، اختر "قذف" وحدد المستطيل. أدخل عمق قذف، والذي يجب أن يكون طول مربع (2 ملم)، وحدد الاتجاه (في الشاشة).
- تدوير جزء بحيث يبدو مثل حرف "L". إنشاء رسم 2D جديد وحدد الجزء الأمامي من 'L' كما الطائرة عن العمل.
- رسم مربع في الزاوية من المستطيلات اثنين باستخدام أداة "مستطيل". تقييد أبعاد (2 مم × 2 مم) بحيث يناسب بالضبط في الزاوية. الخروج من رسم مع أداة 'إنهاء رسم.
- تحت عنوان "إنشاء و"، اختر "قذف" وحدد مربع تم إنشاؤه حديثا. أدخل مسافة قذف، والذي يجب أن يكون الحجم المطلوب من شريط نطاق ناقص عرض مربع (20 مم - 2 مم = 18 مم). اختيار الاتجاه (خارج الشاشة) وتطبيق قذف.
- لإضافة نص indicatinز أبعاد شريط الحجم، وإنشاء رسم 2D الجديد الخروج من أي طائرة.
- استخدام الأداة 'نص' في القائمة "رسم" من شريط الأدوات لإنتاج التسمية مع الخط المطلوب وحجم (تايمز نيو رومان و 2.5 ملم).
- ترجمة النص إلى وضعها إلى جوار شريط النطاق. خروج من وضع رسم طريق تحديد "إنهاء رسم.
- استخدام الأداة "قذف" ثم أدخل مسافة قذف يطابق سمك شريط النطاق (2 ملم) والاتجاه الذي ينسجم التسمية مع شريط النطاق (في الشاشة).
- كرر الخطوات 5،26-5،30 باستخدام طائرات أخرى لإنشاء بطاقات لجميع المحاور الثلاثة.
- عند الانتهاء، تصدير شريط نطاق والعلامات المرافقة لها في شكل CAD مع "حفظ كنوع" إعداد تنسيق stl.
6. إضافة البارات مقياس لنماذج تشريحية
- فتح نموذج تشريحي في برنامج إعداد البيانات 3D واستيراد شريط النطاق.
- استخدم ال '، نقل الأدوات الجزء "و" تدوير الجزء "لتوجيه شريط النطاق إلى جانب نموذج تشريحي.
- إذا تم إنشاء أول نوع من شريط النطاق، استيراد جزء مرتين أخريين. ترجمة وتدوير قضبان نطاق الفردية حتى واحد تقع على كل محور.
- إذا كنت تستخدم النسخة الأساسية، حدد كافة أجزاء وحفظ كمشروع.
- فتح ملف في النسخة المهنية. تحديد كافة أجزاء والتصدير باعتباره STL واحد.
يتم الاحتفاظ الأبعاد عندما يتم استيراد الخرائط السطحية والحانات على نطاق وفي النسخة الأساسية أو المهنية: ملاحظة. قبل الحفر، والخرائط السطحية، جنبا إلى جنب مع العلامات المرتبطة بها والحانات الحجم، يتم تحجيم لتناسب داخل البلورات. منذ يتم تحجيم الحانات على نطاق وبنفس المعدل كنماذج، وتعديلات في أحجام القضبان على نطاق وهي تمثيلية من التغييرات البعد في الهياكل التشريحية.
7. الحد من وجوه
- الاستفادة من أداة "استيراد شبكة" لإضافة ملف. STL في 3D شبكة معالجة المواليةغرام. سيتم تطبيق التعديلات على نموذج السطحية وجميع المكونات، بما في ذلك النص وعلى نطاق والحانات، لأن البرنامج يفسر شبكة كجزء واحد.
- تحت عنوان "شروط" و "Remeshing، تبسيط وإعادة الإعمار"، اختر "التربيعية حافة الانهيار الاختزال" أداة للحد من عدد من الوجوه الموجودة داخل الشبكة.
- أدخل الرقم المطلوب من وجوه (100000) في إطار 'عدد الهدف من وجوه' وحدد 'تطبيق'. يتم هذه العملية لخلق حجم ملف التحكم للبرنامج SSLE، ومنع مرات النقش الزائدة.
- تصدير المنتج النهائي باعتباره STL باستخدام "شبكة تصدير باسم ... 'الإعداد.
8. نموذج النقش في كريستال
يتم توجيه المنجزة الملفات STL إلى متعاون الصناعي، حيث البلورات الزجاجية والليزر المحفور على إنتاج النماذج المادية للبيانات التشريحية: ملاحظة. للاستفسارات ومزيد من المساعدة، ررسهولة الاتصال واضعي صناعة هذه المخطوطة.
- فتح ملف STL في أحد البرامج النقش بالليزر وتحويله إلى ملف SCAX.
- استيراد ملف SCAX في مجموعة من البرامج المتصلة آلة النقش بالليزر 3D.
- تحديد حجم وضوح الشمس المناسب للتفاعل مع الملف SCAX.
- تعيين قوة الليزر وإدخال التيار الكهربائي وكثافة. في حين يتم اختيار 8.5 V و 0.2 عادة الجهد وكثافة، وقياسات أخرى يمكن تحديدها عن طريق تقليل الجهد وزيادة كثافة، والتأكد من وضوح الشمس لا صدع أو كسر.
- إرسال الملف إلى الليزر 3D لإنتاج الكريستال.
Representative Results
تحت السطح النقش بالليزر من بلورات الزجاج هو وسيلة عميقة لتصور أنواع عديدة من البيانات التصوير تصوير الشعاعي الطبقي الطبية الحيوية. ويتضمن الشكل 1 البيانات CT قبل السريرية، في حين أن الشكل 2، الشكل (3)، والشكل تثبت 4 كيف يمكن أيضا أن تستخدم الأشعة المقطعية السريرية. منذ يتم تعديل أبعاد قبل الحفر، والهياكل ذات أحجام مختلفة يمكن أن تكون ممثلة من خلال النقش بالليزر. بينما يجسد الشكل 2 كيف يمكن طباعتها علم التشريح لتوسيع نطاق، لا بد من تحجيم أعلى أو لأسفل معظم الهياكل. وهناك نوعان من الحانات على نطاق ويمكن تنفيذها لقياس التغيرات البعد: واحد يمتد على جانبي الهيكل وآخر مع المحاور الثلاثة متقاربة في الزاوية. النوع الأول هو المثل الأعلى للهياكل المتوسعة، مثل لب العظام، في حين أن النوع الثاني هو الانسب للهياكل -scale أو تخفيضها. وعلاوة على ذلك يقترن حجم الكريستال مع شكل التركيب التشريحي. ونتيجة لذلك، تم وضع القدم في مكعب في حين علقت رجله في المنشور مستطيلة.
ومن السمات الرئيسية لنقش تحت السطح هي القدرة على إرفاق التسميات النصية إلى الخصائص التشريحية. هذه التقنية يمكن تطبيقها على أنواع مختلفة من البيانات التصوير، مع التسمية المثلى وضع اعتمادا على هندسة هيكل. في الشكل 2، وضعت النص على طائرتين إلى الفضاء التسميات بها وتجنب عرقلة وجهة نظر علم التشريح. لالشكل 3 والشكل 4 والعظام يمكن أن ينظر إليه بشكل واضح من جانب واحد لذلك تم وضع العلامات على طائرة واحدة.
شكل 1. البيانات CT ما قبل السريرية من مجموعة أساسية الأغنام العظام، وعرض تقريبا، وعلقت في 3D الكريستال المحفور. واستخدمت برامج التصوير لتوليد وإرفاق أشرطة النطاق لخريطة سطح 1 سم العظام الأغنام النظائر (يسار). شهد هيكل زيادة خمسة أضعاف في البعد طول كل محور، كما يدل على ذلك الحانات نطاق واسع، وكان الليزر المحفور في 8 سم الكريستال مربع (يمين). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. البيانات CT السريرية للمعصم مكسورة مع العلامات التشريحية، عرض تقريبا ومحفورة في وضوح الشمس. تم تحويل مجموعة بيانات CT السريري لمعصم الإنسان مع دائرة نصف قطرها اقتحام خريطة السطح من خلال برامج الكمبيوتر. العلامات التشريحية و2 سم شريط النطاق ث يحرث تم إنشاؤها باستخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) وتعلق على نموذج (يسار). نقش ليزر حفارة 3D هيكل في بلورة مكعب 8 سم (يمين). شريط على نطاق والاحتفاظ حجمه، مما يدل تم إنتاج المعصم على نطاق كبير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. وصفت تشريحيا قدم الإنسان مع العلامات التشريحية، عرض تقريبا ومحفورة في وضوح الشمس. تم تحويل مجموعة بيانات CT من قدم الإنسان إلى نموذج الرمادي مع برامج التصوير. تم إنشاء النص وبار نطاق 4 سم باستخدام CAD وتدمج مع خريطة سطح (يسار). تم تخفيض نموذج إلى نصف حجمه والليزر المحفور في مكعب الكريستال 8 سم (يمين). 55340 / 55340fig3large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. البيانات CT السريرية مجموعة من ساق البشري المسمى تشريحيا باستخدام برامج الكمبيوتر ومحفورة في وضوح الشمس. واستخدمت حزم البرمجيات لإعداد خريطة سطح من الاشعة المقطعية البشري الكامل وقسم المحطة عن بقية الجسم. كانت تعلق الملصقات التشريحية وبار نطاق 2.5 سم مع تصميم CAD (يسار) ومحفورة هيكل في 5 سم × 5 سم × 8 سم وضوح الشمس (يمين). ويوضح شريط النطاق في البلورة تم تحجيم الساق أسفل في 5: نسبة 3. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجدول 1. مزايا وعيوب الطباعة 3D وSSLE لإنتاج النماذج التشريحية. 3D الطباعة وSSLE هما وسيلة لتصور البيانات التصوير تصوير الشعاعي الطبقي الطبية الحيوية، ويمتلك كل منهما عددا من نقاط القوة والضعف في ما يخص إنشاء النماذج المادية للبيانات.
Discussion
وكانت مجموعات البيانات قبل السريرية والسريرية المكتسبة من خلال طرائق التصوير الطبية الحيوية دورا أساسيا في البحوث الحديثة والتقدم الطبي. وتشمل وسائل مسبقة من تصور البيانات الطبية الحيوية شاشة الكمبيوتر والنماذج المادية الناتجة عن صب التقليدية أو النهج 3D الطباعة الحديثة. نحن هنا تصف طريقة الكريستال النقش 3D كوسيلة بديلة لتصور البيانات الطبية الحيوية تصوير الشعاعي الطبقي لأنه يولد واضحة المعالم، ونماذج وصفت بطريقة واضحة. هذه النماذج غير مكلفة نسبيا ويمكن استخدام على نطاق واسع الأدوات التعليمية. استخدام نقش الكريستال لتمثيل بدقة البيانات التشريحية يعطيها قدرة عالية في المرافق الصحية والتعليمية. القدرة على تصور البيانات في الشكل المادي، ثلاثي الأبعاد تتغلب على القيود المفروضة على الأشكال التقليدية للتعليم باستخدام الصور المسطحة أو الاداءات الافتراضية 9. ارتفاع القرار من الهياكل محفورة والحجز علىتسميات لملامح واضحة محددة تسهل استخدام هذه النماذج لتثقيف المرضى أو الطالب. وبالإضافة إلى ذلك، هذه الطريقة توفر القدرة على تحديد ومراقبة أسباب ومظاهر الحالات المرضية داخل العينة. على سبيل المثال، وتصنيف، والمكان من كسر العظام، مثل أشار المعصم بكسر في الشكل 2، ويوفر فهم أشمل للعلاقة الحالات المرضية وغيرها من العلامات الظاهرة جسديا و / أو أعراض المريض.
من خلال النقش الكريستال 3D، ومثلت مجموعات البيانات CT قبل السريرية والسريرية عن الهياكل المادية المدرج ضمن بلورات. تم الحصول على بيانات ما قبل السريرية CT باستخدام ماسح ضوئي microCT، في حين تم جمع الصور CT السريرية من مصادر الإشعاعية السريرية. قبل مزيد من المعالجة، يتم تحويل البيانات التصوير السريري إلى ملفات DICOM ضغط عبر برامج التصوير. البرامج اللاحقة تحويل ملفات DICOM أعيد بناؤها في الخرائط السطحية. يتم إنجاز تعديل هذه الخرائط السطحية وجيل من التسميات والحانات على نطاق وتشريحية مع برنامج إعداد البيانات والتصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD). يتم تخفيض ملفات STL المنجزة وتحويلها إلى SCAX الملفات. بعد أن يتم تعيين حجم وضوح الشمس وقوة الليزر، وقراءة الملفات من قبل آلة الحفر 3D الليزر التي تخلق الهياكل التشريحية ذات شكل حر في وضوح الشمس.
عملية المذكورة أعلاه يمكن تطبيقها على مختلف مجموعات البيانات السريرية وقبل السريرية. في حين نفذت مجموعات البيانات CT في هذا المشروع، فمن الممكن أن البيانات التي تم الحصول عليها من طرائق التصوير الأخرى يمكن تصور في وضوح الشمس، بما في ذلك الموجات فوق الصوتية 3D (US)، التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). أيضا، والهياكل التشريحية الإنسان الأخرى والعينات البيولوجية قد يمكن تصوير وتمثيل في هذه الوسيلة. ومع ذلك، فإن البلورات تأتي في أحجام وهياكل محددة سلفا تحتاج إلى قص أو تحجيم وفقا لذلك. فإنه من المستحسن أن تطابق عشره هندسة الجزء التشريحي مع حجم البلورة. على سبيل المثال، ساق يناسب بشكل أفضل في 5 سم × 5 سم × 8 سم مستطيل الصلبة (الشكل 4)، في حين تناسب القدم للمكعب 8 سم (الشكل 3). ويمكن إجراء تغييرات على الحجم والخط، وسمك النص في برنامج CAD. بالإضافة إلى ذلك، فمن الأفضل لوضع الملصقات على واحد أو اثنين من الطائرات من أجل قراءة بوضوح تسميات دون عرقلة وجهة نظر علم التشريح عندما تناوب الكريستال إلى وجوه أخرى.
يجب النظر عاملين إضافيين عند تنفيذ SSLE البيانات التشريحية: عدد من الوجوه ضمن خريطة السطح، وحجم كل نقطة وهذا هو الليزر المحفور في الكريستال. هذه العوامل تؤثر على عدد وحجم النقاط التي سوف تمتص الضوء الساقط، وبالتالي يحتمل أن تعزز أو ينتقص من التصور SSLE معين. أولا، عدد من الوجوه، وهو يتناسب طرديا مع عدد من النقاط في الفضاء 3D،سوف تؤثر على كل من حل شامل و"السطوع / التباين" للنموذج المعروض. في كل من الأمثلة المعروضة هنا، تم تخفيض ملف STL الانتهاء إلى 100،000 وجوه دون تدهور واضح من المنتج وضوح الشمس الناتجة عن ذلك، بغض النظر عن حجمها أو التكبير. وكان سطوع العام / النقيض مقبول أيضا استخدام هذا النهج. قيمة 100000 هي مجموعة آمن للحفارة المستخدمة حتى لا يرهق البرامج والأجهزة. ومع ذلك، في بعض الحالات، قد تكون هناك حاجة إلى وجوه أخرى لعرض مجموعة البيانات الواردة بشكل صحيح، ويمكن أن تعتبر هذه الملفات التجريبية حتى تكتمل بنجاح. وبالإضافة إلى ذلك، فإن حجم كل نقطة وهذا هو "حرق" في الكريستال يمكن ضبطها من خلال الجهد و"كثافة" القيم مدخلات حفارة لتعزيز النقيض من سطوع الانتاج. في الحالات الحالية، القيم الافتراضية من الجهد: تم اختيار 0.2: 8.5 و الكثافة. في حين أن هذه القيم تمثل نقطة البداية، قد يكون تغيير فيمحاكمة والأزياء الخطأ لتحسين التصور البيانات حسب الحاجة.
وهناك عدد من المزايا لاستخدام نقش الكريستال 3D لعرض البيانات التصوير قبل السريرية والسريرية. وعادة ما يتم إنتاج بلورات في أقل من 30 دقيقة، في حين 3D هياكل المطبوعة قد يتطلب عدة ساعات، وهذا يتوقف على حجم وتعقيد 16 و 20 و 22. يمكن استخدام الليزر النقش لتمثيل الهياكل تعليقها دون استخدام الدعم وتسهيل إنتاج الميزات المعقدة أو معلقة للتشريح دون التقليل دقة مع مواد إضافية 16. مع قرار من 800-1،200 DPI ودقة أقل من 10 ميكرون، وهذه النماذج تشبه البيانات الطبية 24. بينما الاحترافية طابعات 3D لديها قرار مماثل تقريبا 600 DPI في XY و1،600 DPI في Z، فهي أقل عموما ميلانكرت (20-200 ميكرون) 17، 19، 20 (الجدول 1).
3D الكريستال نقش يمتلك إمكانيات كبيرة ولكن محدودة في عدد قليل من المناطق. منذ محفورة البيانات داخل وضوح الشمس، لا يمكن للمستخدمين لديها تجربة لمسية مع الأجزاء التشريحية. إلى نطاق التمثيل صعبة لانتاج ما يتم تحجيم البيانات عادة أعلى أو لأسفل لتناسب في البلورات. وعلاوة على ذلك، يمكن ليزر نقش فقط في الرمادي مع الحد الأدنى من النقيض. يتم تقييد كثافة الهيكل أيضا قدرة الليزر لمعالجة البيانات. الاستقرار الشامل للبلورات هو ميزة لاستخدام محتمل على مدى عدة سنوات، ولكن الزجاج الصلبة قد لا تصمد أمام يسقط على الأسطح الصلبة (الجدول 1).
وعلى الرغم من هذه القيود، نقش الكريستال 3D يحمل قيمة كبيرة كوسيلة لتصور البيانات الطبية الحيوية. أثناء بدءالدعم المادي ويجب أن تؤخذ بعين الاعتبار مع طابعات 3D، لا بد من النظر في النقش بالليزر هذه الجوانب. أكثر أجزاء معقدة، مثل قدم الإنسان، يمكن أن تكون ممثلة نتيجة لذلك. في حين يزيد وقت الإنتاج قليلا مع هياكل أكثر تعقيدا، لا يحتاج مواد إضافية وتكلفة نموذج لا يزال هو نفسه. قدرة الليزر على حرق الزجاج في نقطة تلو نقطة الأزياء تنتج محددة للغاية الهياكل التي تعرض التفاصيل الدقيقة من البيانات الطبية الحيوية، كما لوحظ في دائرة نصف قطرها كسر في الشكل 2. بالإضافة إلى ذلك، وضع هذه الهياكل داخل بلورات يجعلها مقاومة للضرر خارجي. على عكس البلاستيك الصلب تستخدم في العديد من منصات الطباعة 3D، تسمح الواجهات الزجاجية الشفافة الهياكل الداخلية أن تصور بطريقة مباشرة. واحدة من أقوى أدوات النقش الكريستال 3D هو قدرته على تسمية الأجزاء الفردية، وأيضا إضافة شريط مقياس للإشارة الحجم. هذهتقنية يضيف قيمة تعليمية كبيرة لبلورات كما يمكن للطلاب من جميع المستويات تعلم علم التشريح والتفاعل مع المعطيات السريرية، وهما العنصران قيمة التعليم البيولوجي والطبي، في نموذج واحد. جنبا إلى جنب مع القدرة على الاحتفاظ بها في كف اليد وعرض الهياكل في مجموعة متنوعة من الزوايا، ووضع العلامات يعزز كثيرا من القيمة التربوية لهذه النماذج. ونتيجة لذلك، 3D محفورة البلورات لها تطبيق واسع لاستخدامها في دورات التشريح، والممارسة السريرية، والتعليم العام.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
نشكر كلية العلوم الصيفية الجامعية زمالة أبحاث (SURF) للحصول على الدعم المالي من هذا المشروع. أشكر الكتاب أيضا البروفيسور غلين نيبور، جامعة سيدة اللويزة، لتوفير عينات العظام (المفصلة أعلاه) المستخدمة في هذه الدراسة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Laser Engraving Machine | Wuhan Synpny Laser Co., Ltd. | STNP-801AB4 | 3D Laser Engraver |
| 3D Slicer | Slicer | Version 4.3.1 | Surface Map Generator Program |
| Albira micro CT | Bruker Corporation | Alternatively, a PET/SPECT/CT scanner can be utilized | |
| Autodesk Inventor Professional 2013 | Autodesk, Inc. | 64bit edition, 2013 RTM, Build 138 | CAD program |
| Clinical CT data sets | Saint Joseph Regional Medical Center | ||
| MeshLab | Institute of the National Research Council of Italy (ISTI-CNR) | Volume 1.3.4 BETA | 3D Mesh Processing Program |
| Netfabb Studio Basic | netfabb GmbH | Version 4.9.0 | 3D Data Prepartion Software |
| Netfabb Studio Professional | netfabb GmbH | Version 5.2.1 64bit | 3D Data Prepartion Software-Professional |
| OsiriX Lite Imaging Software | Pixmeo | Version 7.0.3 | DICOM Imaging Software |
| PMOD | PMOD Technologies LLC | Version 3.306 | Image Processing Software |
References
- Edelman, R., Warach, S. Magnetic Resonance Imaging. N. Engl. J. Med. 328 (10), 708-716 (1993).
- Momose, A., Takeda, T., Itai, Y., Hirano, K. Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues. Nat. Med. 2 (4), 473-475 (1996).
- Paulus, M., Gleason, S., Kennel, S., Hunsicker, P., Johnson, D. High Resolution X-ray Computed Tomography: An Emerging Tool for Small Animal Cancer Research. Neoplasia. 2 (1), 62-70 (2000).
- Robb, R. 3D visualization in biomedical applications. Annu. Rev. Biomed. Eng. 1 (1), 377-399 (1999).
- Hsieh, J. Chapter 12, Section 1, Advanced CT Applications. Computed Tomography: Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances. , 2nd ed, (2009).
- Robb, R. The biomedical imaging resource at Mayo Clinic. IEEE Trans. Med. Imaging. 20 (9), 854-867 (2001).
- Davison, C., et al. Multimodal Optical, X-Ray CT, and SPECT Imaging of a Mouse Model of Breast Cancer Lung Metastasis. Curr. Mol. Med. 13 (3), 368-376 (2013).
- Digital Morphology. , Available from: http://www.digimorph.org (2016).
- Preece, D., Williams, S., Lam, R., Weller, R. "Let's Get Physical": Advantages of a physical model over 3D computer models and textbooks in learning imaging anatomy. Anat. Sci. Educ. 6 (4), 216-224 (2013).
- Torres, K., Staskiewicz, G., Sniezynski, M., Drop, A., Maciejewski, R. Application of rapid prototyping techniques for modelling of anatomical structures in medical training and education. Folia Morphol. 70 (1), 1-4 (2011).
- Camaros, E., Sanchez-Hernandez, C., Rivals, F. Make it clear: molds, transparent casts and lightning techniques for stereomicroscopic analysis of taphonomic modifications on bone surfaces. J. Anthropol. Sci. 94, 223-230 (2016).
- Rengier, F., et al. 3D Printing based on imaging data: review of medical applications. Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 5 (4), 335-341 (2010).
- Esses, S., Berman, P., Bloom, A., Sosna, J. Clinical Applications of Physical 3D Models Derived From MDCT Data and Created by Rapid Prototyping. AJR Am. J. Roentgenol. 196 (6), W683-W688 (2011).
- Canessa, E., Fonda, C., Zennaro, M. Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development. Low-Cost 3D Printing. , (2013).
- Schelly, C., Anzalone, G., Wijnen, B., Pearce, J. Open-source 3-D printing technologies for education: Bringing additive manufacturing to the classroom. J. Vis. Lang. Comput. 28, 226-237 (2015).
- Bourke, P. Scientific Data Visualization Using Techniques Normally Reserved for more Frivolous Activities. GTSF Int. J. Comput. 4 (3), 35-41 (2015).
- Hardware Highlight: Stratasys Objet500 Connex. Intellectual Ventures Laboratory. , Available from: http://www.intellectualventureslab.com/invent/hardware-highlight-3d-printer (2016).
- Stratasys Production Series. Stratays. , Available from: http://www.stratasys.com/3d-printers/production-series (2016).
- Products Overview. MakerBot. , Available from: http://store.makerbot.com/printers (2016).
- Evans, B. A World of 3D Printers. Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing. , Apress. New York, NY. (2012).
- J750 Stratasys-3D printer. Aniwaa. , Available from: http://www.aniwaa.com/product/3d-printers/stratasys-j750 (2016).
- Berman, B. 3-D printing: The new industrial revolution. Bus. Horizons. 55, 155-162 (2012).
- Image Transfer Laser Engraving. United States Patent. Macken, J., Palanos, P. , 4,156,124 (1979).
- 3D Laser Engraving Machine STNDP-801AB4 . STN. , Available from: http://www.stnlaser.com/products/3d-laser-engraving-machine-stndp-801ab4.html (2016).
- National Biomedical Imaging Archive. , Available from: https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf (2016).
