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.
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.
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 축 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 <s클래스 = "외부 참조"> 20까지. 가격은 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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |