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Bioengineering

유리 크리스탈의 후속 하위 표면 레이저 조각 (SSLE)에 대한 확장 된 해부학 모델 생체 단층 촬영 영상 데이터의 생성 및 관련 레이블

doi: 10.3791/55340 Published: April 25, 2017
* These authors contributed equally

Summary

결정 내에서 해부학 영상 데이터를 나타내는 방법이 본 명세서에 기재되어있다. 우리는 크리스탈 유리의 SSLE (Sub-Surface Laser Engraving)에 사용하기 위해 생체 영상 데이터의 스케일 된 3 차원 모델을 작성합니다. 이 도구는 임상 또는 교육 환경에서 사용되는 전산 디스플레이 또는 3 차원 인쇄 모델에 유용한 보완책을 제공합니다.

Abstract

컴퓨터 단층 촬영 (CT) 및 자기 공명 등 생체 영상 기술은 (MR)은 환자의 3 차원 데이터 세트를 수집하기위한 우수한 플랫폼을 제공하거나 또는 임상 적 설정에서 전임상 해부학 표본. 그러나, 가상, 온 스크린 디스플레이의 사용은 완전히에 포함 해부학 적 정보를 전달하기 위해이 단층 이미지의 능력을 제한한다. 하나의 해결책은 물리적 인 복제본을 생성하는 3 차원 프린팅 기술로 설정된 의용 화상 데이터를 인터페이싱하는 것이다. 여기서는 상세히 휴대용 모델의 단층 화상 데이터를 시각화하는 상보 방법 크리스탈 서브 표면 레이저 조각 (SSLE). SSLE는 다음과 같은 몇 가지 독특한 혜택 제공 : 해부학 라벨뿐만 아니라 규모 줄을 포함 할 수있는 손쉬운 기능; 한 배지에서 복잡한 구조의 간소화 다중 조립체; X, Y 및 Z 평면에서 고해상도; 내부 해부학 적 하부 구조의 시각화 및 반투명 포탄입니다. 여기 wE 전임상 및 임상 소스로부터 유도 CT 데이터 세트 SSLE하는 과정을 보여준다. 이 프로토콜은 교육 및 연구 설정의 여러 과학자들과 학생들을위한 복잡한 해부학 적 구조를 시각화 할 수있는 강력하고 저렴한 새로운 툴이 될 것입니다.

Introduction

컴퓨터 단층 촬영 (CT) 또는 자기 공명 영상 (MRI) 등 생체 이미징을 정기적 의학적 연구에서 사용하고, 비 침습적으로 학계는 인간 또는 생물 대상 (1, 2), (3)의 내부 구조를 검토한다. 현대 의학에서,이 기술은 결과적으로 환자의 치료 (4)를 개선, 더 많은 정보 진단을 가능하게합니다. 특히, CT는 높아 해상도 등방성 복셀 속성 (각 큐브 에지의 동일한 길이)를 3-D 재구성에 대한 좋은 기회를 제공한다. (5) 또한, 소프트웨어 패키지는이 컴퓨터 지원 수술과 가상 내시경 (6)와 같은 고차 기능에 대한 세 가지 차원 (3D)에서 생물 의학 영상 데이터를 렌더링 할 수 있습니다. 사전 임상 연구 내에서 비파괴 영상은 병진 플랫폼을 제공합니다있는 마우스 및 쥐 7 질병 모델을 연구합니다. 같은 생물학적 데이터베이스와 같은 디지털 라이브러리, 디지털 형태학 (http://digimorph.org), 폭 넓은 과학 및 의료 사회 (8)에 의해 준비 액세스를위한 서로 다른 표본 또는 임상 질병 상태에서 파생 된 CT 데이터로 채워되었다.

현재, 바이오 메디컬 이미징 데이터는 컴퓨터 스크린 상에 가상 공간에 시각화 또는 휴대용 모델과 현실 공간에있다. 컴퓨터 소프트웨어는 사용자가 해부하고 데이터를 조작 할 수 있지만, 물리적 복제는 우수한 교육 혜택 (9), (10)와 좋은 보완. 전통적인 모델은 기본 금형은 소망의 구조 (11)에 경화 수지를 충전하는 저렴한 주조 공정을 사용하여 생성되었다. 주조 모델은 저가의 대량 생산 의무가 있지만 기본 제한됩니다환자 데이터 세트로부터 유도되지 않는 구조. 지난 5 년 동안, 인체 해부학의 3D 인쇄 복제본은 종종 매우 복잡한 때문에 점점 더 널리되고, 한 번 환자 맞춤형 생성되어 표시 될 수 있습니다 개체. 이러한 모델은 증착 또는 액체 첨가제 층의 용융 플라스틱 및 진단 복잡한 수술, 질환의 치료, 보철 설계 및 환자 통신 (12, 13)과 의사가 지원 한 시스템에 의해 생성된다. 또한, 1 차, 2 차 및 대학 학교 설정에서 소비자 수준의 3D 프린터의 광범위한 가용성 (15)는, 공유 해부학 모델의 교육적 효과를 강화하는 역할을한다 (14) 파일.

전반적으로, 3D 인쇄는 의학에서 해부학 적 모델의 개발을 진행 상당히있다, 그러나 그것은 한계가 있습니다. 다중 우선 작성추가 작업은 종종 디지털 그렇지 않으면 떨어져 16 떨어질 수 있습니다 함께 별도의 조각을 결합 할 필요가 있기 때문에 part의 해부학 적 모델에 도전 할 수있다. 또한, 특히 소비자 용 기계에 대한 많은 3D 인쇄 재료의 불투명도는 표본의 뼈와 연부 조직에 대한 자세한 통찰력을 제공 내부 하위 구조의 시각화를 방지 할 수 있습니다. 또한, 액체 또는 용융 플라스틱 압출기는 3D 인쇄의 해상도를 제한. 전문 프린터의 압출기는 약 50 ㎛의 직경을이고 X 인치당 최대 600 도트의 해상도 (DPI)를 14 ㎛의 막 두께를 허용 및 Y 18 17 축 Z 1600 DPI . 비교에서, 소비자 용 3 차원 프린터는, 약 400 ㎛의 직경을하고 42 DPI 19과 거의 동등한 100 ㎛의 층 두께 및 해상도를 제공 압출기를 21, 전문 프린터 (20)에 소비자 급에서 실질적으로 변화한다. 또한, 높은 재료비 규모 22의 경제를 달성에서 산업용 대량 생산을 방지합니다.

하위 표면 레이저 조각 (SSLE) 또는 3D 크리스탈 조각은, X, Y의 수천 고정밀 작은 "버블"또는 도트를 형성하기 위해 레이저 빔을 이용하여, Z는 강성 고순도 내의 좌표 입방 유리 기질 (23). 각 점 (24) 사이 800-1,200 DPI의 해상도를 산출 20-40 μm의 것이다. 또한, 각 점은 내부 부 구조의 시각화를 가능하게 반투명하다. 다수의 끊어진 부분은 동일한 액정에서 표현되는 추가 물질은 크고 복잡한 구조를 요구하지 않는다. 매트릭스가 고체이기 때문에, 해부학 라벨 크기 스케일 바는 향상에 첨가 될 수있다내에서 표시되는 영상 데이터의 교육 가능성. 여기에서는 X 선 단층 촬영을 (CT) 데이터가 결정 SSLE 형식화하는 방법을 제시한다. 첫째, 데이터는 상업 임상 microCT 시스템, 방사선과학과 / 단서, 또는 국립 바이오 메디컬 이미징 아카이브 같은 온라인 저장소 (에서 공급 https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf에서 임상 스캐너에서 수집 될 수 있습니다 ) (25)는 여기에서는 모두 전임상 및 임상 데이터를 통합 해부학 적 구조물의 스케일을 조정하고, 결정 크기를 갖는 구조의 형상을 조정하는 능력을 설명하기 위해 양 뼈 코어 골절 손목 표시된 피트 및 표지 레그 크리스탈이 방법을 보여준다. 3D 프린팅에 STL 파일의 SSLE의 손쉬운 자연과 이미 광범위한 사용을 감안할 때, 표시 해부학 적 결정의 제조는 학술 및 교육 지역 사회 내에서 사용하기위한 흥미로운, 손으로 휴대용 시각화 도구를 제공합니다.

Protocol

모든 인간은 컴퓨터 단층 촬영 데이터 세트 승인 SJRMC 프로토콜에 따라 익명으로 처리했다.

1. CT 데이터 수집 전임상 및 임상 샘플

  1. 예비 임상 데이터 세트를 생성하기 위해 마이크로 X 선을 컴퓨터 단층 촬영을 실시한다. 45 kV로, 0.4 mA, 1000 개 돌기 : 본 경우, 화상을 다음 설정 뼈 코어 시험편 microCT를 사용한다. 5
  2. 고해상도 (125 μm의 등방성 복셀)은 원시 데이터를 재구성. 또한, 해상도를 증가 식별하고 볼륨의 기원 (10 μm의 등방성 복셀)에서 센터와 1cm 큐브를 재구성합니다.
  3. 추가 처리를 위해 DICOM 형식 설정 재구성 데이터를 내보낼.
  4. 또한, 임상 협력자 (세인트 조셉 지역 의료 센터에서 여기에 표시 획득 한 데이터) 또는 오픈 소스 DICO에서 이러한 본 연구에 사용 된 깨진 손목과 발 것과 재구성 CT 데이터 세트를, 취득M 아카이브 (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. 가져 오기 DICOM 이미징 소프트웨어로 파일과 압축 해제 DICOM 파일로 내보내기 필요한 경우.

2. 데이터 처리

  1. 화상 처리 소프트웨어 "보기"설정에서 '로드 DICOM'를 사용 (모든 이미지 조각들로 구성) 각 DICOM 데이터 세트를 연다.
  2. NIfTI 분석, 과학적인 분석을 위해 설립 된 이미지 형식으로 각 데이터 세트를 저장합니다. 표면지도의 생성 (예를 들면, 3DSlicer)에 대한 의료 영상 계산에 설립 사용 및 자동 분할과 함께 프로그램에 NIfTI 파일을 가져옵니다.
  3. '추가 데이터'도구를 사용하여 표면 맵 생성기 프로그램에 주어진 NIfTI 파일을 업로드합니다.
  4. 사양 "만들고 새 모델의 이름을 바꿉니다"와 '그레이 스케일 모델 메이커'도구를 선택합니다. 뼈의 분할을 위해 약 300 후에 더 낮은 임계 값을 설정합니다.
  5. 그레이 스케일 모델을 저장상기 데이터 처리 STL 파일 등.
  6. 3 차원 데이터 준비 소프트웨어 (예를 들어, Netfabb 스튜디오 기본)으로 각 표면지도를 가져 오기와 '수리'모드를 선택합니다.
  7. 관심의 구조를 나타내지 않는 모든 표면을 삭제하려면 '부품 선택'과 '삭제'도구를 사용합니다.
  8. 부분적으로 표면의 구멍을 완전히 가까운 나머지 간격에 '자동 복구'스크립트를 충당하기 위해 '추가 트라이앵글'도구를 사용합니다.
  9. 수정 된 부분 '수리'모드를 종료하려면 표면적과 '수리 적용'스크립트없이 가장자리를 해결하려면 작업 메뉴에서 '복구 타락한 얼굴'스크립트를 선택합니다.
  10. 원치 않는 기능을 제거하거나 모델의 크기를 줄이기 위해 '잘라 내기'도구를 사용합니다. 에서 'X'내의 각 절단 위치를 지정 컨텍스트 영역의 '잘라'메뉴 'Y'또는 'Z'평면.
  11. '이'컷을 실행하여 '도구를 사용하여 선택; 설정에서 삼각형으로 잘라 내기 '자동으로 모든 결과 구멍을 닫습니다.
  12. 관심의 구조를 나타내지 않는 절단으로 인한 모든 표면을 삭제하는 동시에 '부품 선택'과 '삭제'도구를 사용합니다.
    참고 : 표면지도 스케일 바 인접 될 것입니다 경우 다음 단계를 건너 뜁니다. 그들은 하나의 STL 연합 후 해부학 적 특징과 스케일 바는 동시에 조정됩니다.
  13. 각 표면지도의 크기를 수정할 수있는 '스케일'옵션을 선택합니다. 모델 (뼈 코어) 또는 팽창 된 치수 (풋) 감소 또는 8cm 큐브 또는 5cm X 5cm X 8cm 직육면체 내에 맞도록 원래 크기 (손목)에서 유지 될 수있다. 더 레이블 또는 눈금 막대가 필요없는 경우이 단계에서 파일을 SSLE을 위해 전송 될 수 있습니다.

3. 해부학 라벨링

  1. 은 CAD 프로그램의 메뉴에서 '새'옵션을 선택합니다 (예를 들어, Autodesk Inventor를 전문) tO 부분 '.ipt 표준 (mm)'는 대한 메트릭 템플릿을 사용하여 새 통합 문서를 만듭니다.
  2. '2D 스케치 만들기'옵션을 선택하고면을 선택합니다. 원하는 글꼴과 크기 (타임즈 새로운 로마와 2.0 mm)에 입력 된 해부학 라벨을 생산하기 위해 도구 모음의 '그리기'메뉴에서 '텍스트'도구를 사용합니다.
  3. 완료되면, 도구 모음의 '종료'메뉴에서 '스케치 완료'옵션을 선택합니다.
  4. 옵션 '2 차원 텍스트'와 툴바의 '생성'메뉴에서 '밀어 내기'도구를 선택합니다. 대칭 설정으로 압출 깊이 (2.0 mm)를 지정합니다.
  5. 수출 텍스트는 '다른 이름으로 저장 형식'STL 설정으로 CAD 형식으로 레이블을 지정합니다.
  6. 원통형 라벨 라인의 생산을 위해 새 통합 문서를 엽니 다. 는 '표준 (mm) .ipt'부분 새로운 메트릭 템플릿을 만들 수있는 '파일'옵션을 선택합니다.
  7. '2D 스케치 만들기'도구를 선택하고면을 선택합니다. '센터를 사용하여도구 모음의 그리기 '메뉴 포인트 서클'을의 도구는 '원점에서 중심으로 원을 생성합니다.
  8. 원 (1.0 mm)의 직경을 설정하는 "제약"메뉴에서 "치수"툴을 사용한다.
  9. 완료되면, 도구 모음의 '종료'메뉴에서 '스케치 완료'옵션을 선택합니다.
  10. 옵션 '2D 텍스트'와 도구 모음의 '만들기'메뉴에서 선택한 '밀어 내기'도구를 선택합니다. 대칭 설정으로 압출 깊이 (10.00 mm)을 선택합니다.
  11. '유형으로 저장'.STL 설정으로 CAD 형식으로 내보내기 텍스트 레이블 및 실린더.

레이블 4. 첨부 파일

  1. 가져 오기 모델, 텍스트 레이블 및 3D 데이터 준비 소프트웨어에 원통형 라벨 라인.
  2. '이동 부'도구를 사용하여 관련된 해부학의 왼쪽이나 오른쪽으로 텍스트 레이블을 번역합니다. 그들이 일에 직면하도록 동양 라벨에 '회전 부'도구를 사용하여즉 동일한 방향.
  3. 번역 및 모델 내에서 관련 구조에 레이블을 연결하는 '이동 파트'와 '회전 부'도구를 사용하여 원통형 라벨 라인을 돌립니다.
  4. 필요한 경우, '수리'모드를 입력하고 '선택 삼각형'을 사용하고 적당한 길이로 실린더의 크기를 줄이기 위해 '선정 삼각형을 제거'.
  5. 기본 버전을 사용하는 경우, 모든 부분을 선택하고 프로젝트로 저장합니다. 그리고 프로 버전에서이 프로젝트를 다시 엽니 다.
  6. 프로 버전에서는 하나의 STL 모든 부품 수출을 선택합니다.

5. 스케일 바 디자인

참고 : 스케일 바의 두 가지 유형이 CAD 프로그램에서 설계되었습니다. 첫 번째는도 1에 존재하고, 각각의면에 누워 별개로 측정 눈금 스케일과 세 개의 막대를 포함한다. 2,도 포함 번째URE 3,도 4, 수직선 세 축에 누워 코너에 집광 구성된다. 팔로우는 각 눈금 막대를 설계 시작 5.1-5.2 단계를 반복합니다.

  1. '새'와 '표준 (mm) .ipt'부분을 선택하여 CAD 프로그램에서 새 통합 문서를 만듭니다.
  2. '만들기 2D 스케치'을 선택하고 작업을 시작하는 세 개의 평면 중 하나를 선택합니다.
    참고 : 스케일 바의 첫 번째 유형을 생산하는 단계 5.3-5.16를 계속합니다. 제공된 치수는 25mm의 간격으로 눈금이있는 1cm 스케일 바의 생성을 위해 실행되었다.
  3. 스케일 바 (10mm) 및 적당한 값 (0.25 mm)의 길이를 원하는 길이에 대응하는 폭의 직사각형 (10mm X 0.25 mm)를 그리 '사각형'및 '측정 기준 "툴을 사용한다. 좌표는 X-눈금의 간격에 대해 사용될 수 있도록 원점에서 좌측 하단 꼭지점을 놓는다.
  4. 눈금을 만들려면 t 활용그는 '사각형'도구를 직접 규모의 줄 위에 사각형을 그립니다. '항목'도구 크기 (mm 0.025 X 0.432 mm)를 구속.
  5. 이 가장자리로부터 일정한 거리에 놓여 있도록 X 좌표를 이용하여, 새로 형성된 직사각형 번역. 이것은 눈금의 상단입니다.
  6. 직접 스케일 바 아래, 상부 절반과 동일한 크기를 가지는 다른 직사각형을 눈금 마크의 하단을 생성한다. 눈금 마크의 두 반쪽을 정렬하기 위해 '정렬'도구를 사용합니다.
  7. '수정'메뉴에서 '트림'도구를 선택하고 스케일 바, 눈금이 겹치는 영역을 선택합니다. 이 여분의 줄을 제거하고 압출 할 때 부품이 하나의 기능으로 해석 될 수 있습니다.
  8. 반복 눈금의 나머지 부분에 대한 5.4-5.7 단계를 반복합니다.
  9. 완료되면, 도구 모음의 '종료'메뉴에서 '스케치 완료'옵션을 선택합니다.
  10. '만들기'남자에서 '밀어 내기'를 선택u와는 눈금 막대를 선택합니다. 압출 거리와 방향 (0.25 mm로 화면)을 결정한다.
  11. 선택 눈금 레이블을 디자인하려면 '2D 스케치 작성'작업 평면과 규모 표시 줄을 선택합니다.
  12. '그리기'메뉴에서 특정 글꼴 및 크기 (굴림 0.25 mm)로 텍스트를 만들 수있는 '텍스트'도구를 선택합니다. 옆에 눈금 표시 줄의 원하는 위치로 텍스트를 번역합니다.
  13. 완료되면, 도구 모음의 '종료'메뉴에서 '스케치 완료'옵션을 선택합니다.
  14. 옵션 '2 차원 텍스트'와 툴바의 '생성'메뉴에서 '밀어 내기'도구를 선택합니다. (화면에) 돌출 깊이 (0.25 mm)와 방향을 나타낸다.
  15. 를 반복하여 다른 레이블을 만들 5.12-5.14 단계를 반복합니다.
  16. '저장 형식]'.STL 설정으로 CAD 형식으로 완성 된 눈금 막대를 내 보냅니다.
    참고 : 마무리 5.1-5.16 단계 후, 작성하는 단계 5.17-5.31 계속스케일 바의 제 2 타입. 제공된 측정치는 각 축 2 ㎝, 두께 2mm였다 눈금 막대를 생성하는데 이용되었다.
  17. '차원'도구를 사용하여 길이와 너비 (2mm × 2 mm)를 사각형을 만들고 제한 할 수있는 '사각형'도구를 선택합니다. 이 단계에서 선택된 사이즈 부분의 두께를 결정한다.
  18. 3 차원 모델 설정으로 돌아가려면 '스케치 완료'를 선택합니다.
  19. 아래의 '밀어 내기'를 선택, '만들기'및 2D 스케치 모드에서 그려진 사각형을 선택합니다. 원하는 압출 깊이 방향 (20mm 화면에)를 선택한다.
  20. '2D 스케치 작성'이전 스케치와 동일한 평면 작업을 계속 선택합니다.
  21. 직접 제곱 사각형 (2mm X 18mm)를 그립니다 '사각형'과 '차원'도구를 사용합니다. 사각형 (2mm)의 길이가 직사각형의 길이와 일치하고, 폭은 스케일 바 뺀 WID 원하는 크기 여야(- 2mm = 18mm 20mm) 제곱의 차. 완료를 눌러 '스케치 완료'.
  22. 아래의 '밀어 내기'를 선택, '만들기'와 사각형을 선택합니다. 사각형 (2mm)의 길이이어야 압출 깊이를 입력하고 (화면에) 방향을 선택한다.
  23. 이 문자 'L'처럼 보이도록 부분을 돌립니다. 새로운 2D 스케치를 작성하고 작업 평면과 'L'의 전면을 선택합니다.
  24. '사각형'도구를 사용하여 두 사각형의 모서리에 사각형을 그립니다. 이 코너에 정확히 맞도록 사이즈 (2mm × 2 mm)를 구속. '스케치 완료'도구를 사용하여 스케치를 종료합니다.
  25. 에서 '생성', '밀어 내기'를 선택하고 새로 만든 사각형을 선택합니다. (- 2mm = 18mm 20mm) 스케일 바의 원하는 크기 - 사각의 폭이어야 압출 거리를 입력한다. (화면 만점) 방향을 선택하고 돌출을 적용 할 수 있습니다.
  26. 텍스트 indicatin를 추가하려면g 스케일 바의 크기, 어떤면 떨어져 새로운 2D 스케치를 작성합니다.
  27. 원하는 글꼴과 크기 (굴림 2.5 mm)로 라벨을 생산하기 위해 도구 모음의 '그리기'메뉴에서 '텍스트'도구를 사용합니다.
  28. 옆에 눈금 표시 줄의 원하는 위치로 텍스트를 번역합니다. '스케치 완료를'을 선택하여 스케치 모드를 종료합니다.
  29. "돌출"툴을 이용하고 (화면에) 스케일 바 라벨 정렬 스케일 바 (2mm) 방향의 두께와 일치하는 압출 거리를 입력한다.
  30. 반복은 세 가지 축에 대한 레이블을 생성하기 위해 다른 비행기를 사용하여 5.26-5.30 단계를 반복합니다.
  31. 완료되면, .STL 설정 '형식으로 저장'을 함께 CAD 형식의 스케일 바의 동반 레이블을 내보낼 수 있습니다.

해부학 적 모델 스케일 바의 제 추

  1. 3 차원 데이터 준비 소프트웨어의 해부학 적 모델을 열고 눈금 막대를 가져옵니다.
  2. 사용 '; 옆에 해부학 모델 스케일 바의 방향을 부 '와'회전 부 '도구를 이동합니다.
  3. 스케일 바의 첫 번째 유형이 생성 된 경우, 부분을 두 번 더 가져옵니다. 번역 한 각 축에 놓여 있도록 개별 규모 막대를 회전 할 수 있습니다.
  4. 기본 버전을 사용하는 경우, 모든 부분을 선택하고 프로젝트로 저장합니다.
  5. 프로 버전에서 파일을 엽니 다. 하나의 STL 모든 부품 및 내보내기를 선택합니다.
    참고 : 표면지도와 스케일 바는 기본 또는 전문 버전으로 가져올 때 크기는 그대로 유지됩니다. 조각에 앞서, 표면지도는 관련 라벨과 스케일 바와 함께, 결정 내부에 맞게 조정됩니다. 스케일 바는 모델과 동일한 비율로 축소되기 때문에, 스케일 바의 크기에 변화가 해부학 적 구조의 치수 변동을 반영한다.

얼굴 항 감소

  1. 3 차원 메쉬 처리 프로에 .STL 파일을 추가하려면 '가져 오기 메시'도구를 활용그램. 소프트웨어가 한 부분으로 메쉬를 해석하기 때문에 조정, 텍스트와 스케일 바 포함 표면 모델과 모든 구성 요소에 적용됩니다.
  2. '필터'와 '재 격자, 단순화 및 재건'에서 메시 내에 존재하는면의 수를 줄일 수있는 '이차 에지 축소 데시 메이션'도구를 선택합니다.
  3. 의 얼굴의 대상 번호 '에서 얼굴을 원하는 수의 (10 만)를 입력하고'적용합니다. ' 이 작업은 여분의 조각 번 SSLE 소프트웨어의 관리 파일 크기를 작성하고 방지하기위한 것입니다.
  4. 사용하여 STL로 완성 된 제품을 내보내기 '로 내보내기] 메쉬 ...'을 설정.

8. 모델 크리스탈의 조각

참고 : 완료 STL 파일은 유리 결정이 해부학 적 데이터의 물리적 모델을 생산하기 위해 새겨 져 레이저입니다 산업 협력자로 전달됩니다. 문의 및 추가 지원, PL의 경우이 원고의 산업 저자에게 연락 완화.

  1. 레이저 조각 소프트웨어 프로그램에 STL 파일을 열고 SCAX 파일을 변환합니다.
  2. 3 차원 레이저 조각 기계에 연결된 소프트웨어 패키지의 SCAX 파일을 가져옵니다.
  3. SCAX 파일과 인터페이스에 적합한 결정 크기를 정의합니다.
  4. 레이저의 파워를 설정하고 전압 및 밀도를 입력합니다. 8.5 V 0.2은 전형적으로 전압 밀도 선정되지만, 다른 측정 된 전압을 감소시키고, 밀도를 증가 결정 균열 또는 분해하지 않는 것을 확인하여 판단 할 수있다.
  5. 크리스탈 생산을위한 3D 레이저 조각기에 파일을 전송합니다.

Representative Results

유리 결정의 하위 표면은 레이저 조각 생의학 단층 화상 데이터의 다양한 종류를 시각화 깊은 수단이다. 도 4는 임상 CT 스캔도 이용 될 수있는 방법을 보여주는도 2,도 3 및도 동시에도 1은 임상 CT 데이터를 포함한다. 치수 조각 전에 수정되기 때문에, 다양한 크기의 구조는 레이저 조각을 통해 표현 될 수있다. 그림 2는 해부학이 확장 인쇄 할 수있는 방법을 예시하고 있지만, 대부분의 구조는 아래로 크기를 조절하거나 할 필요가있다. 모서리에서 수렴하는 세 축과 구조의 측면에 걸쳐 하나의 다른 축척 바 두 종류의 치수 변화를 측정하도록 구현 될 수있다. 두번째 유형에 적합 동안 첫 번째 유형은, 예컨대 뼈와 같은 팽창 된 코어 구조에 적합하다-scale 또는 감소 구조. 또한, 결정의 크기가 해부학 적 구조의 형상과 쌍으로되어있다. 다리가 직사각형 프리즘에 현탁 동안 그 결과, 발은 큐브에 배치되었다.

하위 표면 조각의 주요 기능은 해부학 적 특징에 텍스트 라벨을 부착 할 수있는 기능입니다. 이 기술은 최적의 라벨이 배치 된 구조의 형상에 따라, 촬상 데이터의 다양한 형태에 적용 할 수있다. 그림 2에서 텍스트가 라벨 밖으로 공간에 두 평면에 위치하며 해부학의보기를 방해하지 않도록했다. 라벨은 단일 평면에 배치했다, 그래서 그림 3그림 4의 경우, 뼈는 분명히 하나 개의 측면에서 볼 수있다.

그림 1
그림 1. 양 뼈 코어 세트의 전 임상 CT 데이터는 거의 표시되고 3D 새겨진 크리스탈에 현탁. 이미징 소프트웨어를 생성하고 1cm 동위 원소 양의 뼈 (왼쪽)의 표면지도에 축척 막대를 부착하기 위해 사용되었다. 구조는 스케일로 나타낸 바와 같이, 각각의 축 방향의 치수가 5 배 증가를 시행하고, 8cm 정방 (오른쪽)에 새겨진 레이저였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
도 해부학 라벨 부러진 손목 2. 임상 CT 데이터는 사실상 액정 표시 각인. 깨진 반경 인간 손목 임상 CT 데이터 세트는 컴퓨터 소프트웨어를 통해 표면 맵으로 전환시켰다. 해부학 라벨과 2cm 스케일 바 w 조립식 컴퓨터 지원 설계 (CAD)를 사용하여 생성하고 모델 (왼쪽)에 연결합니다. 의 3D 레이저 조각기는 8cm 큐브 크리스탈 (오른쪽)의 구성을 새겨. 스케일 바는 손목 확장 제작되었다 시연, 크기를 유지했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3. 해부학, 해부학 라벨과 인간의 발을 표시 사실상 표시와 크리스탈에 새겨진. 인간의 발의 CT 데이터 세트는 이미징 소프트웨어와 그레이 스케일 모델로 변환되었다. 텍스트 및 4cm 스케일 바는 CAD를 이용하여 생성되고 표면지도 (왼쪽)으로 통합되었다. 이 모델은 8cm 크리스탈 큐브 (오른쪽)에 새겨진 절반 크기와 레이저로 감소 하였다. 55340 / 55340fig3large.jpg "target ="_ blank "> 검색이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
인간의 다리 세트도 4 임상 CT 데이터 해부학 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 분류 및 결정에 새겨진. 소프트웨어 패키지는 신체의 나머지 부분에서 다리 전체 인간의 CT 스캔에서와 섹션을 표면지도를 작성하기 위해 사용되었다. 해부학 라벨 CAD로 설계 2.5 cm 스케일 바는 부착 된 (왼쪽)와 구조는 5 cm × 5 cm × 8 cm의 결정 (오른쪽)에 새겨 져 있었다. : 3 비율 결정의 스케일 바는 다리가 5에 도시 된 축소. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

YS "> 3D 인쇄 하위 표면 레이저 조각 (SSLE) 크리스탈 장점 촉각의 경험 자유 공간에서 구조의 생성 풀 컬러 모델 여러 부분 모델의 세대 대형 구조물의 다양한 가능한 표현으로 스케일 해부학 라벨 부착 상품에 대한 내성 단단한 플라스틱 재료 스케일 바는 모델 내에서 일시 중단 가능한 저렴한 소비자 용 프린터 높은 해상도와 정밀도 전문가 수준의 프린터의 고해상도 짧은 생산 시간 3D 공간에서 함께 별도의 해부학 서브 유닛을 연결하기 쉬운 외부 손상에 영향을받지 않습니다 크리스탈 내 구조 낮은 재료비 레이저 조판 공은 적당한 가격 단점 3D 공간에서 별도의 해부학 서브 유닛을 연결하기 어려운 아니 촉각 경험이 없다 비용과 생산 시간은 복잡성에 따라 달라집니다 그레이 스케일 생산 오류에 더 민감 크기 결정에 의해 제한 포스트 프로덕션 세척이 필요할 수있다 로 규모의 어려운 표현 플라스틱 압출기에 의해 제한 해결 밀도 레이저에 의해 제약 부품 모델의 오프 칩 수 결정을 칩 또는 삭제 중단 될 때 비싼 전문가 급 프린터 재료의 가격은 매우 다양

표 1. 장점 및 해부학 적 모델의 생산을위한 3D 인쇄 및 SSLE의 단점. 3D 인쇄 및 SSLE는 생물 의학 단층 영상 데이터를 시각화하는 두 가지 방법, 그리고 각 데이터의 물리적 모델의 생성에 관해서 강점과 약점의 수를 보유하고있다.

Discussion

바이오 메디컬 이미징을 통해 획득 한 전임상 및 임상 데이터 세트는 현대적인 연구와 의료 발전 수단이되어왔다. 생물 의학 데이터 시각화의 이전 방법은 컴퓨터 디스플레이와 전통 주조 또는 현대 3D 프린팅 방법에서 발생하는 물리적 모델을 포함. 대안은 간단한 방식으로 잘 정의, 분류 모델을 생성하기 때문에 단층 생물 의학 데이터를 시각화하기위한 수단으로 여기에서 우리는 3 차원 크리스탈 조각 방법을 설명합니다. 이 상대적으로 저렴한 모델은 널리 교육 도구로 사용할 수있다. 정확한 해부학 적 데이터를 표현하는 크리스탈 조각의 활용은 그것을 임상 및 교육 환경에서 높은 잠재력을 제공합니다. 실제, 입체 형식으로 데이터를 시각화하는 능력은 평면 이미지 또는 가상 렌더링 (9)를 사용하여 교육의 전통적인 형태의 한계를 극복한다. 높은 새겨진 구조물의 해상도와의 부착특정 표시 기능 라벨은 환자 나 학생 교육을위한 이러한 모델의 사용을 용이하게합니다. 또한,이 양상은 표본 내에서 원인과 질병 상태의 측면을 파악하고 관찰 할 수있는 기능을 제공합니다. 골절 손목 그림 2에서 언급 한 것처럼 예를 들어, 골절의 분류 및 위치는, 질병 상태 및 기타 물리적으로 명백한 징후 및 / 또는 환자 증상의 관계에 대한보다 포괄적 인 이해를 제공한다.

3D 액정 조각 통해 전임상 및 임상 CT 데이터 세트는 결정 내에 새겨진 물리적 구조로 표현 하였다. 임상 CT 영상은 임상 방사선 소스로부터 수집 동안 전임상 CT 데이터를하는 microCT 스캐너를 사용하여 획득 하였다. 추후의 공정을 행하기 전에, 임상 촬상 데이터는 촬상 소프트웨어를 통해 압축 DICOM 파일로 변환된다. 이후 소프트웨어 프로그램은 표면 맵으로 재구성 된 DICOM 파일을 변환. 이러한 표면지도와 라벨과 스케일 바 해부학의 생성 수정은 데이터 준비 소프트웨어 및 컴퓨터 지원 설계 (CAD)으로 수행됩니다. 완료 STL 파일은 감소하고 파일을 SCAX로 변환됩니다. 결정의 크기와 레이저 파워를 설정 한 후 파일이 결정에 자유 형식의 해부학 적 구조를 생성하는 3 차원 레이저 조각 기계 읽습니다.

상술 한 방법은 다양한 임상 및 임상 데이터 세트에 적용 할 수있다. CT 데이터 세트는이 프로젝트를 구현하는 동안, 다른 영상 방식에 의한 데이터는 3 차원 초음파 (US), 자기 공명 영상 (MRI), 양전자 방출 단층 촬영 (PET)를 포함하여, 결정에서 가시화 될 수있다. 또한 다른 사람의 해부학 적 구조와 생물학적 시료는 이미징이 매체에 표현 될 수있다. 그러나, 소정의 크기와 구조에 제공되는 결정을 잘라내거나 따라 스케일링 될 필요가있을 것이다. 번째 일치하는 것이 좋습니다결정의 크기와 해부학 적 부분의 전자 구조. 예를 들면, 레그에 가장 적합한 5cm X 5cm X 8cm 직육면체 (도 4), 발은 8cm 큐브 (도 3)에 적합된다. 크기, 글꼴, 텍스트의 두께에 대한 변경 사항은 CAD 소프트웨어에서 수행 될 수있다. 또한, 명확하게 다른 얼굴로 결정 회전 할 때 해부학의보기를 방해하지 않고 라벨을 읽기 위해 하나 개 또는 두 개의면에 라벨을 배치하는 것이 가장 좋습니다.

표면 맵 내의 얼굴의 수, 크리스탈 레이저로 새겨진 각 점의 크기 : 해부학 데이터 SSLE을 수행 할 때 두 개의 추가적인 요소가 고려되어야한다. 이러한 요소는 입사광을 흡수하고, 따라서 잠재적으로 향상 시키거나 주어진 SSLE 시각화에서 떨어지다 것입니다 점의 수와 크기에 영향을 미친다. 우선, 3 차원 공간에서의 점의 수에 정비례면의 수,전체 해상도 디스플레이 모델 "밝기 / 콘트라스트"모두에 영향을 미칠 것이다. 본원에 제시된 각각의 예에서, 완료 STL 파일 크기에 관계없이 또는 배율, 생성 결정 생성물의 겉보기 저하없이 10 개면으로 감소시켰다. 전체 밝기 / 콘트라스트는이 방법을 이용하여도 가능했다. 100,000 값은 소프트웨어와 하드웨어를 혹사하지으로 사용 조각사에 대한 안전 범위입니다. 그러나 경우에 따라 추가 얼굴이 제대로 주어진 데이터 집합을 표시하는 데 필요한 될 수 있으며, 성공적으로 완료 될 때까지이 파일은 실험 고려 될 수있다. 또한, 크리스탈로 "점화"각 점의 크기는 전압을 통해 동조 될 수 있고, 조판의 "밀도"입력 값은 출력 휘도 콘트라스트를 향상시키기 위해. 본 경우에, 전압의 디폴트 값 : 8.5 밀도 0.2을 선택 하였다. 이러한 값 시작점을 나타내고 있지만, 그들은이 변경 될 수 있습니다필요에 따라 시행 착오 패션은 데이터 시각화를 향상시킬 수 있습니다.

전임상 및 임상 영상 데이터의 표시를위한 3D 크리스탈 조각을 활용하는 장점이있다. 3D 인쇄 구조 크기 및 복잡성 16, 20, 22에 따라 몇 시간이 필요할 수 있지만 일반적으로 결정을 30 분 미만에 일어난다. 레이저 조각은 추가 자료 (16)와 정확성을 감소없이 해부학의 복잡한 또는 매달려 기능의 생산을 촉진, 지원을 사용하지 않고 일시 중단 된 구조를 표현하기 위해 사용될 수있다. 800-1,200 DPI의 해상도 미만 10 μm의 정확도,이 모델은 밀접한 의료 데이터 (24)과 유사. 전문가 수준의 3D 프린터는 Z에서 유사한 XY에서 약 600 DPI의 해상도와 1,600 DPI를 가지고 있지만, 그들은 일반적으로 덜 교류 있습니다큐 레이트 (20-200 μm의) 17, 19, 20 (표 1).

3D 크리스탈 조각 강한 잠재력을 보유하지만 몇 지역에서 제한된다. 데이터가 결정 내부에 새겨 져 있기 때문에, 사용자는 해부학 적 부분과 촉각의 경험을 가질 수 없습니다. 에 규모의 표현은 데이터가 일반적으로 결정에 맞게 아래로 확장되거나으로 생산하기가 어렵습니다. 또한, 레이저는 최소한 콘트라스트 계조에 새길 수있다. 구조물의 밀도는 또한 데이터를 처리 할 수있는 레이저의 능력에 의해 제한된다. 결정의 전체적인 안정성이 수년간 이용 가능성에 대한 장점이지만, 고체 유리 단단한 표면 (표 1)에 낙하에 견딜 수 없다.

이러한 한계에도 불구하고, 3D 크리스탈 조각은 생물 의학 데이터의 시각화를위한 매체로 중요한 가치를 보유하고 있습니다. 시작하는 동안3D 프린터로 재료 및 지원을 고려해야 할 필요가 없으므로 이러한 측면을 레이저 조각 용으로 고려할 필요가 없습니다. 인간 발과 같은보다 복잡한 부분을 결과로 나타낼 수 있습니다. 더 복잡한 구조로 생산 시간이 약간 증가하지만 추가 재료가 필요하지 않으며 모델 비용도 동일하게 유지됩니다. 도트 방식으로 유리를 구울 수있는 레이저의 능력은 그림 2 의 깨진 반경에서 지적한대로 생물 의학 데이터의 미세 세부 사항을 표시하는 고도로 정의 된 구조를 생성합니다. 또한 결정체 내부에 이러한 구조를 배치하면 외부 손상에 대한 내성을 갖게됩니다. 많은 3D 프린팅 플랫폼에서 사용되는 견고한 플라스틱과는 달리, 반투명 유리 표면을 사용하면 내부 구조를 간단하게 시각화 할 수 있습니다. 3D 크리스탈 조각의 가장 강력한 도구 중 하나는 개별 부품에 라벨을 붙이는 기능과 크기 참조 용 스케일 막대를 추가하는 기능입니다. 이모든 레벨의 학생들이 해부학을 배우고 하나 개의 모델에서, 임상 데이터, 생물학 및 의학 교육의 두 가지 중요한 구성 요소와 상호 작용할 수있는 기술은 결정에 상당한 교육적 가치를 추가합니다. 다양한 각도에서 손보기 구조의 손바닥을 보유 할 수있는 능력과 결합하여, 라벨 크게 이러한 모델의 교육적 가치를 향상시킵니다. 그 결과, 3D 새겨진 크리스탈은 해부학 과정에 사용되는 광범위한 적용, 임상 실습 및 일반 교육이있다.

Disclosures

저자가 공개하는 게 없다.

Acknowledgments

우리는이 프로젝트의 금융 지원을위한 과학 여름 학부 연구 활동 (SURF)의 대학 감사합니다. 저자는이 연구에 사용 (위에 설명) 뼈 샘플을 제공, 교수 글렌 니부르, 노틀담 대학 감사합니다.

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

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References

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유리 크리스탈의 후속 하위 표면 레이저 조각 (SSLE)에 대한 확장 된 해부학 모델 생체 단층 촬영 영상 데이터의 생성 및 관련 레이블
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Betts, A. M., McGoldrick, M. T., Dethlefs, C. R., Piotrowicz, J., Van Avermaete, T., Maki, J., Gerstler, S., Leevy, W. M. Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving (SSLE) of Glass Crystals. J. Vis. Exp. (122), e55340, doi:10.3791/55340 (2017).More

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