Una metodología se describe en el presente documento para la representación de datos de imágenes anatómicas dentro de los cristales. Escalamos creamos modelos tridimensionales de datos de imágenes biomédicas para su uso en la subsuperficie de grabado láser (SSLE) de vidrio de cristal. Esta herramienta ofrece un complemento útil a la visualización computacional o tridimensionalmente modelos impresos utilizados en entornos clínicos o educativos.
modalidades de imágenes biomédicas, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (MR) proporcionan excelentes plataformas para la recogida de conjuntos de datos tridimensionales de paciente o espécimen anatomía en entornos clínicos o preclínicos. Sin embargo, el uso de una pantalla virtual, en la pantalla limita la capacidad de estas imágenes tomográficas para transmitir totalmente la información anatómica incrustado dentro. Una solución es para interconectar un conjunto de datos de formación de imágenes biomédicas se establece con la tecnología de impresión 3D para generar una réplica física. A continuación te detallamos un método complementario para visualizar datos de imágenes tomográficas con un modelo de mano: Sub superficie de grabado láser (SSLE) de vidrio de cristal. SSLE ofrece varias ventajas únicas que incluyen: la capacidad fácil de incluir etiquetas anatómicas, así como una barra de escala; ensamblaje de varias aerodinámico de estructuras complejas en un medio; alta resolución en la X, Y, y los planos Z; y conchas semi-transparentes para la visualización de subestructuras anatómicas internas. aquí we demostrar el proceso de SSLE con conjuntos de datos CT derivados de fuentes pre-clínicos y clínicos. Este protocolo servirá como una nueva herramienta potente y de bajo costo con el que visualizar estructuras anatómicas complejas para científicos y estudiantes en una serie de entornos educativos y de investigación.
Modalidades de imágenes biomédicas, como la tomografía computarizada (CT) o resonancia magnética (MRI) se utilizan de forma rutinaria por el médico, la investigación, y comunidades académicas a no invasiva examinan las estructuras internas de los sujetos humanos o biológicos 1, 2, 3. En la medicina moderna, esta tecnología permite diagnósticos más informadas y, en consecuencia, mejorar el tratamiento del paciente 4. En particular, CT proporciona una excelente oportunidad para la reconstrucción 3-D debido a su alta propiedades voxel isotrópicas (longitud idéntica de cada arista del cubo) de resolución y. 5 Además, los paquetes de software disponibles que hacen que los datos de imágenes biomédicas en tres dimensiones (3D) para funciones de orden superior como la cirugía asistida por ordenador y la endoscopia virtual de 6. Dentro de la investigación preclínica, las imágenes no destructivo proporciona una plataforma de traslaciónen el que para estudiar modelos de enfermedad en ratones y ratas 7. Bibliotecas digitales, tales como la base de datos biológica Morfología Digital (http://digimorph.org), se han rellenado con datos de la TC derivados de diferentes especímenes clínicos o estados de enfermedad de fácil acceso por las comunidades científicas y médicas generales 8.
En la actualidad, los datos de imagen biomédica se ha visualizado en el espacio virtual en la pantalla del ordenador, o en el espacio físico con los modelos de mano. Mientras que el software informático permite a los usuarios diseccionar y manipular los datos, réplicas físicas son un buen complemento con un excelente beneficio educativo 9, 10. Los modelos tradicionales se han generado usando un proceso de colada de bajo coste en el que los moldes básicos están llenos de resina que se endurece en la estructura deseada 11. modelos fundidos son susceptibles a la fabricación en masa de bajo costo, pero se limitan a los servicios básicosestructuras que no se derivan de los conjuntos de datos del paciente. En los últimos cinco años, impresas en 3D réplicas de la anatomía humana se han vuelto cada vez más frecuente debido a la alta complejidad, y muchas veces específica del paciente, los objetos que se puedan generar y visualizar. Estos modelos son creados por máquinas que el líquido de depósito o plástico fundido en capas de aditivos, y han ayudado a los médicos con diagnósticos, cirugías complejas, tratamiento de enfermedades, diseño de prótesis, y comunicación con el paciente 12, 13. Además, la amplia disponibilidad de las impresoras 3D de nivel de consumidor dentro de los ambientes de enseñanza primaria, secundaria y universitarios sirve para potenciar el impacto pedagógico del modelo anatómico de los archivos compartidos 14, 15.
En general, la impresión 3D ha avanzado considerablemente en el desarrollo de modelos anatómicos dentro de la medicina, sin embargo, tiene sus limitaciones. En primer lugar, la creación de múltiplesmodelos anatómicos -Parte pueden ser un reto ya que el trabajo adicional se requiere a menudo para unir digitalmente piezas separadas juntos que de otro modo puedan caer aparte 16. Además, la opacidad de muchos materiales impresos en 3D, especialmente para máquinas de nivel de consumidor, evita la visualización de sub-estructuras internas que proporcionan información adicional sobre el hueso de un espécimen y el tejido blando. Además, extrusoras de plástico líquido o fundido limitan la resolución de impresiones 3D. Las extrusoras de impresoras profesionales son de aproximadamente 50 m de diámetro y permiten un espesor de capa de 14! M, con una resolución de hasta 600 puntos por pulgada (DPI) en el ejes X e Y y 1,600 DPI en el eje Z 17, 18 . En comparación, las impresoras 3D de nivel de consumidor tienen extrusores que están alrededor de 400 m de diámetro y dar un espesor de capa de 100 micras y una resolución más o menos equivalente a 42 DPI 19, <shasta class = "xref"> 20. El precio también varía sustancialmente de un grado de consumo de impresoras profesionales 20, 21. Además, los altos costos de las materias impiden la producción industrial en serie de lograr economías de escala 22.
Sub superficie de grabado láser (SSLE), o 3D de cristal grabado, utiliza un rayo láser para formar pequeñas "burbujas" o puntos con alta precisión en miles de X, Y, Z coordenadas dentro de un rígido, de alta pureza, matriz cúbica, de vidrio 23. Cada punto es de 20-40 micras, lo que da una resolución entre 800-1.200 DPI 24. Además cada punto es semitransparente, lo que permite la visualización de sub-estructuras internas. partes múltiples, desconectados están representados en el mismo cristal y material adicional no se requiere para grandes estructuras, intrincados. Dado que la matriz es sólida, etiquetas anatómicas y barras de escala de tamaño se pueden añadir para mejorarel potencial educativo de los datos de imágenes que se muestran en su interior. Aquí presentamos un proceso en el que la tomografía computarizada de rayos X (CT) de datos están formateadas para SSLE cristal. En primer lugar, los datos pueden ser recogidos de sistemas microCT preclínicos comerciales, escáneres clínicos de los departamentos de radiología / unis, o procedente de repositorios en línea como el Archivo Nacional de Imágenes Biomédicas (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Aquí se demuestra este enfoque con núcleo de hueso ovejas, fractura de muñeca, pie marcado, y los cristales de las piernas marcadas para ilustrar la capacidad de incorporar tanto los datos preclínicos y clínicos, ajustar la escala de las estructuras anatómicas, y coordinar la geometría de una estructura con tamaño de cristal. Dada la naturaleza simplista de SSLE y el uso ya generalizado de archivos STL en la impresión 3D, la fabricación de cristales anatómicas etiquetadas proporciona una herramienta de visualización emocionante, mano a mano posee para ser utilizado dentro de las comunidades académicas y de educación.
conjuntos de datos preclínicos y clínicos adquiridas a través de técnicas de imagen biomédica han sido fundamentales para la investigación moderna y los avances médicos. medios anteriores de visualización de datos biomédicas incluyen la pantalla del ordenador y modelos físicos generados a partir de la fundición tradicionales o modernos métodos de impresión 3D. Aquí se describe un método de grabado de cristal en 3D como un medio alternativo para la visualización de datos biomédicos tomográficas ya que genera modelos, etiquetados bien definidos de un modo sencillo. Estos modelos relativamente baratos pueden ser ampliamente utilizados como herramientas educativas. La utilización de grabado de cristal para representar con precisión los datos anatómicos le da un alto potencial en entornos clínicos y educativos. La capacidad de visualizar los datos en un formato físico, en tres dimensiones supera las limitaciones de las formas tradicionales de la educación utilizando imágenes planas o representaciones virtuales 9. Alta resolución de las estructuras grabadas y la fijación delas etiquetas a las características visibles específicos facilitan el uso de estos modelos para la educación del paciente o estudiante. Además, esta modalidad ofrece la capacidad de identificar y observar las causas y los aspectos de los estados de enfermedad dentro de un espécimen. Por ejemplo, la clasificación y la ubicación de una fractura ósea, como la fractura de muñeca observó en la Figura 2, proporciona una comprensión más completa de la relación de estados de enfermedad y otros signos físicamente aparentes y / o síntomas del paciente.
A través de grabado de cristal 3D, conjuntos de datos CT preclínicos y clínicos estaban representados como estructuras físicas inscritas dentro de los cristales. Datos preclínicos CT fueron adquiridos utilizando un escáner microCT, mientras que las imágenes de TC clínicos se obtuvieron de fuentes radiológicas clínicos. Antes de su posterior procesamiento, los datos de imagen clínica se convierte en archivos DICOM descomprimidos a través de software de imágenes. programas de software posteriores a transformar archivos DICOM reconstruidas en los mapas de superficie. La modificación de estos mapas de superficie y generación de etiquetas y barras de escala anatómica se llevan a cabo con el software de preparación de datos y diseño asistido por ordenador (CAD). archivos STL completadas se reducen y se convierten en SCAX archivos. Después de ajustar el tamaño del cristal y de la potencia del láser, los archivos son leídos por una máquina de grabado láser 3D que crea las estructuras anatómicas de forma libre en el cristal.
El proceso descrito anteriormente se puede aplicar a diversos conjuntos de datos clínicos y preclínicos. Mientras que los conjuntos de datos computarizadas se llevaron a cabo en este proyecto, es posible que los datos obtenidos de otras modalidades de imagen se pueden visualizar en el cristal, incluyendo ultrasonido 3D (Estados Unidos), imágenes por resonancia magnética (MRI) y tomografía por emisión de positrones (PET). Además, otras estructuras anatómicas humanos y muestras biológicas pueden obtenerse imágenes y representados en este medio. Sin embargo, los cristales vienen en tamaños y estructuras predeterminadas tendrán que ser cortado o reducido en consecuencia. Es aconsejable hacer coincidir ºe geometría de la parte anatómica con el tamaño del cristal. Por ejemplo, una pierna mejor se ajusta en un 5 cm x 5 cm x 8 cm sólido rectangular (Figura 4), mientras que un pie es adecuada para un cubo de 8 cm (Figura 3). Los cambios en el tamaño, la fuente, y el grosor del texto pueden llevarse a cabo en el software de CAD. Además, lo mejor es colocar etiquetas en uno o dos planos con el fin de leer claramente etiquetas sin obstruir la vista de la anatomía cuando se gira el cristal para otras caras.
Dos factores adicionales deben ser considerados cuando se realiza SSLE de datos anatómicos: el número de caras dentro de un mapa de la superficie, y el tamaño de cada punto que está grabado con láser en el cristal. Estos factores afectan el número y tamaño de los puntos que absorben la luz incidente y por lo tanto potencialmente mejorar o empeorar una visualización SSLE dado. En primer lugar, el número de caras, que es directamente proporcional al número de puntos en el espacio 3D,influirá tanto la resolución general y el "brillo / contraste" del modelo que se muestra. En cada uno de los ejemplos presentados en el presente documento, el archivo STL completado se redujo a 100.000 caras sin aparente degradación del producto cristalino resultante, independientemente de su tamaño o de aumento. El brillo / contraste general también era aceptable el uso de este enfoque. El valor de 100.000 es el rango seguro para el grabador usado como para no sobrecargar el software y el hardware. Sin embargo, en algunos casos, pueden ser necesarias caras adicionales para mostrar correctamente un determinado conjunto de datos, y estos archivos pueden ser considerados experimentales hasta que se complete con éxito. Además, el tamaño de cada punto que está "quemado" en el cristal se puede sintonizar a través de la tensión y los valores de entrada "densidad" del grabador para mejorar el contraste de brillo de salida. En los presentes casos, los valores predeterminados de tensión: Se seleccionaron 0,2: 8,5 y la densidad. Mientras que estos valores representan un punto de partida, pueden ser alterados en unaensayo y error de la moda para mejorar la visualización de datos según sea necesario.
Hay una serie de ventajas de utilizar el grabado de cristal en 3D para la visualización de los datos de imagen preclínicos y clínicos. Los cristales se producen típicamente en menos de 30 minutos, mientras que 3D estructuras impresas pueden requerir varias horas, dependiendo de su tamaño y complejidad 16, 20, 22. El grabado por láser se puede utilizar para representar estructuras suspendidas sin el uso de soporte, facilitando la producción de características intrincadas o colgantes de la anatomía sin reducir la exactitud con material adicional 16. Con una resolución de 800-1.200 DPI y una precisión de menos de 10 micras, estos modelos se parecen mucho a los datos médicos 24. Mientras que las impresoras 3D de calidad profesional tienen una resolución similar de aproximadamente 600 DPI en el XY y 1600 DPI en el Z, que son generalmente menos accura (20-200 micras) 17, 19, 20 (Tabla 1).
3D grabado de cristal posee un gran potencial, pero está limitado en algunas áreas. Puesto que los datos se graba en el interior del cristal, los usuarios no pueden tener una experiencia táctil con las partes anatómicas. Para escala representaciones son difíciles de producir como datos es típicamente escalar hacia arriba o hacia abajo para encajar en los cristales. Además, el láser sólo puede grabar en escala de grises con un mínimo de contraste. La densidad de la estructura también está limitada por la capacidad del láser para procesar los datos. La estabilidad global de los cristales es una ventaja para uso potencial durante varios años, pero el vidrio sólido puede no soportar caer en superficies duras (Tabla 1).
A pesar de estas limitaciones, el grabado de cristal 3D sostiene valor significativo como un medio para la visualización de datos biomédicos. mientras que a partirapoyo material y hay que tener en cuenta con las impresoras 3D, estos aspectos no deben ser considerados para el grabado láser. piezas complejas más, tal como el pie humano, pueden ser representados como resultado. Mientras que el tiempo de producción aumenta ligeramente con estructuras más complejas, no se requiere material adicional y el costo del modelo sigue siendo el mismo. La capacidad del láser para quemar vidrio en un punto de la manera por punto produce estructuras que muestran los detalles finos de datos biomédicos, como se señala en el radio rota en la Figura 2 altamente definida. Además, la colocación de estas estructuras en el interior cristales los hace resistentes al daño exterior. A diferencia de los plásticos sólidos utilizados en muchas plataformas de impresión en 3D, las superficies de vidrio translúcido permiten estructuras internas para ser visualizados de una manera sencilla. Una de las herramientas más poderosas de 3D grabado de cristal es su capacidad para etiquetar partes individuales, y también añadir una barra de escala de referencia de tamaño. Estatécnica agrega valor educativo sustancial a los cristales como estudiantes de todos los niveles pueden aprender la anatomía e interactuar con los datos clínicos, dos componentes valiosos de la educación médica y biológica, en un solo modelo. En combinación con la capacidad de mantenerlos en la palma de una mano y ver estructuras en una variedad de ángulos, etiquetado mejora en gran medida el valor educativo de estos modelos. Como resultado, los cristales 3D grabado tienen una amplia aplicación para su uso en cursos de anatomía, la práctica clínica y la educación en general.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a la Facultad de Ciencias de Verano Pregrado Becas de Investigación (SURF) por su apoyo financiero de este proyecto. Los autores también agradecen Prof. Glen Niebur, Universidad de Notre Dame, para proporcionar muestras óseas (detallados anteriormente) utilizadas en este estudio.
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 |