Summary
מתודולוגיה מתוארת במסמך לייצוג נתוני הדמיה אנטומי בתוך קריסטלים. אנו יוצרים מדורגים מודלים תלת מימדיים של נתונים הדמיה ביו לשימוש חריטה בלייזר בתת הקרקע (SSLE) זכוכית קריסטל. כלי זה מציע השלמה שימוש תצוגה חישובית או בתלת ממד מודלים מודפסים בשימוש בתוך הגדרות קליניות או חינוכיות.
Abstract
שיטות הדמית ביו כמו טומוגרפיה ממוחשבת (CT) ותהודה מגנטית (MR) לספק פלטפורמות מעולות לאיסוף ערכות נתונים תלת ממדיות של חולה או דגימה האנטומיה במסגרות קליניות או פרה-קליניות. עם זאת, שימוש תצוגה וירטואלית, על המסך מגביל את היכולת של תמונות טומוגרפית אלה להעביר את המידע אנטומיים המשובץ במלואם בתוך. פתרון אחד הוא ממשק נתוני הדמיה ביו להגדיר עם טכנולוגיית הדפסת 3D כדי ליצור העתק פיזי. כאן אנו בפירוט שיטה משלימה לדמיין נתונים הדמיה טומוגרפית עם מודל כף יד: חריטה בלייזר Surface Sub (SSLE) זכוכית קריסטל. SSLE מציעה מספר יתרונות ייחודיים כוללים: היכולת הקלילה לכלול תוויות אנטומיים, כמו גם בר מידה; הרכבה מרובה חלקים יעיל של מבנים מורכבים במדיום אחד; רזולוציה גבוהה X, Y, Z ו מטוסים; ו שקופים למחצה פגזים עבור להדמיה של גבי תשתיות של אנטומי פנימיים. הנה wדואר להדגים את תהליך SSLE עם ערכות נתונים CT ממקורות טרום קליניים וקליניים. פרוטוקול זה ישמש כלי חדש ורב עוצמה וזולה שבה לדמיין מבנים אנטומיים מורכבים עבור מדענים וסטודנטים בכמה הגדרות חינוך ומחקר.
Introduction
שיטות הדמיה ביו כמו טומוגרפיה ממוחשבת (CT) או הדמיה בתהודה מגנטית (MRI) משמשים באופן שגרתי על ידי, מחקר רפואי, ואת הקהילות האקדמיות הלא פולשני לבחון את המבנים הפנימיים של סובייקטים אנושיים או ביולוגי 1, 2, 3. ברפואה המודרנית, הטכנולוגיה הזו מאפשרת אבחנות מושכלות יותר, וכתוצאה מכך, משופרת טיפול 4 המטופל. בפרט, CT מספק הזדמנות מצוינת עבור שחזור 3-D בשל ברזולוציה הגבוהה שלה ומאפייני voxel איזוטרופיים (אורך זהה של כל קצה קובייה). 5 בהמשך, חבילות תוכנה זמינות אשר הופכים נתוני הדמיה ביו בשלושה ממדים (3D) עבור פונקציות מסדר גבוה כמו ניתוחים מבוססי מחשב הווירטואלי אנדוסקופיה 6. בתוך המחקר הפרה-קליני, שאינו הרסני הדמיה מספקת פלטפורמה translationalשעליו ללמוד מודלים המחלה בעכברים וחולדות 7. ספריות דיגיטליות, כגון מסד נתונים הביולוגיים מורפולוגיה דיגיטלית (http://digimorph.org), כבר מאוכלסות עם נתוני CT נגזרו דגימות שונות או מצבי מחלה קליניים עבור גישה מוכנה על ידי הקהילות המדעיות ורפואיות הרחבות 8.
נכון לעכשיו, נתוני הדמיה ביו כבר דמיינו בחלל הווירטואלי על מסכי המחשב, או בחלל פיזי עם מודלים כף יד. בעוד תוכנת מחשב המאפשרת למשתמשים לנתח ולטפל נתונים, העתקים פיסיים הם מוצר משלים נחמד עם תועלת מצוינת חינוכית 9, 10. מודלים מסורתיים נוצרו באמצעות תהליך ליהוק בעלות נמוכה שבה תבניות בסיסיות מלאות שרף זה מקשה לתוך המבנה הרצוי 11. מודלי Casted ניתנים לייצור המוני זול, אבל מוגבלים בסיסימבנים שאינם נגזרים מערכי נתונים חולים. בחמש השנים האחרונות, העתקים מודפסים 3D של האנטומיה האנושית הפכו נפוצות יותר ויותר בשל מורכבות גבוהה, ולעתים קרובות פעמים החולה הספציפי, חפצים שעלולים להיווצר ומוצג. מודלים אלה נוצרים על ידי מכונות נוזלי פיקדון או פלסטיק מותך בשכבות תוסף, וכן סייעו רופאים עם אבחנות, ניתוחים מורכבים, לטיפול במחלות, עיצוב תותב, ותקשורת חולה 12, 13. בנוסף, הזמינות הנרחבת של מדפסות 3D צרכן כיתה בתוך הגדרות ספר יסודיות, תיכון, או מכללות משמשת כדי להגביר את ההשפעה הפדגוגית של מודל אנטומי קבצים משותף 14, 15.
בסך הכל, הדפסה 3D יש הרבה מתקדמת בפיתוח מודלים אנטומיים בתוך הרפואה, ובכל זאת יש מגבלות. ראשית, יצירת ריבוימודלים אנטומיים -part עשויים להיות מאתגרים מאז עבודה נוספת נדרשת לעתים קרובות לקשור פיסות נפרדות דיגיטלי יחד שעשויה אחרת להתפרק 16. כמו כן, את האטימות של חומרים רבים 3D מודפסים, במיוחד למכונות צרכן כיתה, מונעות ויזואליזציה של מבנים תת פנימיים המספקים תובנה נוספות לגבי העצם של דגימת רקמות רכות. בהמשך, extruders פלסטיק נוזלי או מותך להגביל את הרזולוציה של הדפסים 3D. Extruders של מדפסות מקצועיות הן כ 50 מיקרומטר בקוטר לאפשר עובי שכבה של 14 מיקרומטר, עם רזולוציה של עד 600 נקודות לאינץ '(DPI) של צירי X ו- Y. ו 1600 DPI ב- Z ציר 17, 18 . לשם השוואה, מדפסות 3D הצרכן כיתה יש extruders כי הם סביב 400 מיקרומטר בקוטר לתת עובי שכבת 100 מיקרומטר החלטה שווה בערך ל 42 DPI 19,
Surface תת חריטה בלייזר (SSLE), או חריטה קריסטל 3D, מנצל קרן לייזר כדי ליצור קטן "בועות" או נקודות עם דיוק גבוה באלפי X, Y, Z קואורדינטות בתוך טוהר נוקשה, גבוה, מעוקב, זכוכית מטריקס 23. כל נקודה היא 20-40 מיקרומטר, אשר מניב ברזולוציה בין 800-1,200 DPI 24. בהמשך כל נקודה היא שקופה למחצה, המאפשר הדמיה של מבנים תת פנימי. חלקים מרובים, מנותקים מיוצגים באותה הקריסטל וחומר נוסף אינו נדרש עבור מבנים גדולים, מורכבים. מאז מטריקס הוא מוצק, תוויות אנטומיים וברי מידת גודל ניתן להוסיף ולשפראת הפוטנציאל החינוכי של נתוני ההדמיה מוצגים בתוך. כאן אנו מציגים תהליך שבו רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת (CT) נתונים שערוכים SSLE קריסטל. ראשית, ייתכן שהנתונים שנאספו ממערכות microCT מסחריות פרה-קליניות, סורקים קליניים ממחלקות הרדיולוגיה / Unis, או שמקורן מאגרים מקוונים כמו ארכיון הדמית ביו הלאומי (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf הנה 25) אנחנו מדגימים את הגישה הזו עם ליבת עצם כבשים, יד שבורה, רגל מסומן, וקריסטלים הרגל שכותרתו כדי להמחיש את היכולת לשלב את שניהם הנתונים פרה-קליניים וקליניים, להתאים את קנה המידה של מבנים אנטומיים, ולתאם גיאומטריית מבנה עם גודל גביש. בהתחשב באופי הקליל של SSLE וכבר שימוש נרחב של קבצי STL בהדפסת 3D, הייצור של גבישים אנטומיים שכותרתו מספק כלי ויזואליזציה שנערך מרגש, יד-ביד לשימוש בתוך הקהילות האקדמיות לחינוך.
Protocol
כל ערכות נתונים טומוגרפיה ממוחשבת האדם היו לאנונימיים פי פרוטוקול SJRMC אושרה.
1. קליטת נתוני CT של דוגמאות טרום קליניות וקליניות
- נהל טומוגרפיה רנטגן מיקרו מחושבת כדי ליצור ערכת נתונים פרה-קלינית. במקרה הנוכחי, להשתמש microCT לתמונת דגימת ליבת עצם עם ההגדרות הבאות: 45 קילו, 0.4 מילים-אמפר, ו 1000 תחזיות. 5
- שחזור נתונים גולמיים ברזולוציה גבוהה (125 מיקרומטר voxel איזוטרופיים). כדי להגדיל החלטה נוספת, לזהות ולשחזר קוביה 1 ס"מ עם מרכז בראשית הצירים של נפח (10 מיקרומטר voxel איזוטרופיים).
- יצוא הנתונים המשוחזרים להגדיר בתבנית DICOM לעיבוד נוסף.
- לחלופין, לרכוש ערכות נתוני CT משוחזרות, כמו אלה של פרק כף היד שבורה ברגל השתמשה במחקר זה, מן משתפי פעולה קליניים (נתונים המוצגים כאן רכשו מ Saint Joseph אזורית המרכז רפואי) או קוד פתוח DICOM הארכיונים (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
- יבוא קבצים לתוך תוכנת הדמית DICOM ולייצא קבצי DICOM ביטול דחיסה במידת צורך.
2. עיבוד נתונים
- פתח כל סט נתוני DICOM (מורכב מכל פרוסות התמונה) באמצעות "DICOM טען" בסביבה "צפה" של תוכנות עיבוד תמונה.
- שמירת כל הנתונים להגדיר בתור NIfTI לנתח, פורמט הדמיה הוקמה לצורך ניתוח מדעי. יבוא קבצי NIfTI לתכנית עם שימוש הוקם בשנת הדמיה רפואית שחושבת ופילוח אוטומטי עבור הדור של מפות שטח (למשל, 3DSlicer).
- העלה קובץ NIfTI נתון לתכנית המחוללת מפת השטח עם באפשרות "הוסף הנתונים".
- בחר בכלי "גווני אפור דגם המכונית" עם המפרט "יצירת שינוי מודל חדש". לקבוע ערכי סף נמוכים בכ 300 HU לפילוח העצם.
- שמור דגמים בגוונים אפוריםכמו קבצי STL לעיבוד נתונים נוספים.
- יבוא כל מפה משטח לתוך התוכנה הכנה נתוני 3D (למשל, בסיסי סטודיו Netfabb) ובחר מצב "תיקון".
- השתמש "חלק בחירה" וכלים "מחק" כדי למחוק את כל המשטחים אשר אינם מייצגים את המבנה של עניין.
- השתמש בכלי "הוספה המשולשת" כדי לכסות את החורים חלקית משטחים ואת התסריט "תיקון אוטומטי" כדי פערים שנותרו קרוב לחלוטין.
- בחר את התסריט "Faces מנוונת תיקון" בתפריט פעולה כדי לפתור קצוות מבלי שטח הפנים ואת התסריט "החל תיקון" כדי לצאת ממצב "תיקון" עם החלק שונה.
- השתמש בכלי "גזור" כדי להסיר תכונות רצויות או להקטין את הגודל של המודל. ציין את המיקום של כל חתך בתוך "X", "Y", או "Z" מטוס בתפריט "גזור" של האזור בהקשר.
- השתמש בכלי "Execute Cut" ובחר '; Triangulate Cut" בהגדרות כדי לסגור את כל החורים וכתוצאה אוטומטי.
- השתמש "חלק הבחירה" ו "מחק" כלים בו זמנית כדי למחוק את כל המשטחים הנובעים לחתוך כי אינו מייצג את המבנה של עניין.
הערה: אם את מפת השטח הולכת להיות adjoined עם בר סולם, לדלג על השלב הבא. הבר תכונה בקנה מידה אנטומיים יוגדל בהתאם זמנית אחרי שהם מאוחדים סינגל STL. - בחר באפשרות "הסולם" כדי לשנות את הממדים של כל מפת שטח. מודלים עשויים להיות מורחבים (הליבה העצם) או מופחת מימד (ברגל), או נשמר בגודל המקורי (כף היד) כדי להתאים בתוך קוביית 8 ס"מ או 5 ס"מ X 5 ס"מ x 8 ס"מ מנסרה מלבנית. שימו לב קבצים בשלב זה ניתן לשלוח עבור SSLE אם אין התוויות או ברי סולם הן רצויים.
3. תיוג אנטומי
- בחר באפשרות "חדש" בתפריט של התוכנית CAD (למשל, Autodesk Inventor Professional) to ליצור חוברת עבודה חדשה באמצעות התבנית מטרי עבור "(מ"מ) תקן .ipt" חלק.
- בחר באפשרות "צור 2D סקיצה" ולבחור בכל מטוס. השתמש בכלי "טקסט" בתפריט "צייר" של סרגל הכלים כדי לייצר תוויות אנטומיים מוקלד עם גופן לגודל הרצוי (הרומית ניו טיימס 2.0 מ"מ).
- בסיום, בחר באפשרות "סיום הסקיצה" בתפריט "היציאה" של סרגל הכלים.
- בחרו בכלי "Extrude" מתפריט "צור" של סרגל הכלים עם אפשרות "טקסט 2D". לייעד עומק שחול (2.0 מ"מ) עם הגדרה סימטרי.
- יצוא טקסט תוויות בפורמט CAD עם הגדרת STL "שמור כסוג".
- פתח חוברת עבודה חדשה לייצור קו תווית גלילית. בחר באפשרות "קובץ" כדי ליצור תבנית מדד חדש עם חלק ב "רגיל (מ"מ) .ipt".
- בחרו בכלי "צור 2D סקיצה" ולבחור בכל מטוס. השתמש "מרכז"כלי ב 'פוינט מעגל התפריט צייר' של סרגל הכלים כדי לייצר מעגל עם מרכז בראשית הצירים.
- השתמש בכלי "מימד" בתפריט "אילוץ" כדי לקבוע את קוטר של מעגל (1.0 מ"מ).
- בסיום, בחר באפשרות "סיום הסקיצה" בתפריט "היציאה" של סרגל הכלים.
- בחר בכלי "Extrude" נבחר מהתפריט "צור" של סרגל הכלים עם האפשרות "טקסט 2D". בחר עומק שחול (10.00 מ"מ) עם הגדרה סימטרי.
- תוויות טקסט ייצוא וגלילים בפורמט CAD עם ההגדרה "שמור כסוג" .stl.
4. Attachment של תוויות
- מודלים ייבוא, תוויות טקסט, וקווי תווית גלילי לתוך התוכנה הכנה נתונים 3D.
- תרגם תוויות טקסט לצד שמאל או ימין של האנטומיה הקשורים שימוש באפשרות "העבר חלק". השתמש בכלי "סובב חלק" תוויות אוריינט כזה שהם מתמודדים הדואר באותו כיוון.
- תרגם ולסובב קווי תווית גלילי באמצעות "חלק העבר" וכלים "סובב חלק" כדי להתחבר תוויות למבנים הקשורים בתוך המודל.
- במידת צורך, להיכנס למצב "תיקון" והשתמש "משולש הבחירה" ו "סר המשולשים נבחר" כדי לצמצם את הגודל של גלילים באורך המתאים.
- אם אתם משתמשים בגרסה הבסיסית, לבחור את כל החלקים ולשמור כפרויקט. ואז לפתוח מחדש את פרויקט זה בגרסה המקצועית.
- בגרסה המקצועית, לבחור את כל החלקים ויצוא כסינגל STL.
5. עיצוב בר סולם
הערה: ישנם שני סוגים של ברי סולם נועדו בתכנית CAD. הראשונה היא נוכחת איור 1 ו כרוך בשלושה ברי סולם נפרדים, עם השנתות על מדידות נפרדות, שוכבת על כל מטוס. השני, נכלל איור 2, איוריור 3, & איור 4, מורכב קווים ניצבים שוכב על שלושה צירים ו מתכנסים בכל פינה. עקוב אחר צעדים 5.1-5.2 כדי להתחיל לתכנן כל בר סולם.
- צור חוברת עבודה חדשה בתכנית CAD ידי בחירת "חדש" ו "רגיל (מ"מ) .ipt" חלק.
- בחר "צור שרטוט 2D" ולבחור כל אחד משלושת המטוסים כדי להתחיל לעבוד על.
הערה: המשך עם שלבים 5.3-5.16 לייצר סוג של סרגל הראשון. לממדים שצוינו יושמו ליצירת סרגל קנה-מידה 1 ס"מ עם השנתות ב 25 במרווחים מ"מ. - השתמש בכלים "מלבן" ו "מימד" כדי לצייר מלבן (10 מ"מ x 0.25 מ"מ) עם רוחב שמתאים לאורך הרצוי של סרגל קנה המידה (10 מ"מ) ובאורך של כל ערך סבירה (0.25 מ"מ). מניח את הקודקוד השמאלי התחתון על המוצא ולכן x-קואורדינטות יכולות לשמש את המרווח השנתות.
- כדי ליצור את השנתות, לנצל t"מלבן" הוא כלי לצייר מלבן ישירות מעל סרגל קנה המידה. להגביל את הגודל (0.025 מ"מ x 0.432 מ"מ) עם כלי "Dimension".
- באמצעות קואורדינטות X, לתרגם המלבן החדש שנוצר כך שהוא שוכן במרחק הרצוי מהקצה. זהו החלק העליון של סימן לתקתק.
- כדי ליצור את החלק התחתון של סימן לתקתק, לצייר מלבן אחר, עם אותם מימדים כמו במחצית העליונה, מתחת לשורת מידה. השתמש בכלי "יישר" ליישר את שני החצאים של סימן לתקתק.
- בחר באפשרות "החתוכה" בתפריט "שנת" ובחר את האזור שבו בר היקף השנתות חופפים. הפעולה זו תסיר קווי עודפים ולאפשר החלק יפורש כתכונה בודדת כאשר נמתחים.
- חזור על שלבים 5.4-5.7 עבור שאר השנתות.
- בסיום, בחר באפשרות "סיום הסקיצה" בתפריט "היציאה" של סרגל הכלים.
- בחר "Extrude" תחת גברים "צור"u ובחר את סרגל קנה המידה. לקבוע מרחק שחול וכיוון (0.25 מ"מ ו לתוך המסך).
- כדי לעצב תוויות עבור השנתות, לבחור "צור שרטוט 2D" ובחר את סרגל קנה המידה כשהמטוס עובד.
- בתפריט "צייר", בחר באפשרות "הטקסט" כדי ליצור טקסט עם גופן לגודל מסוים (רומי ניו טיימס 0.25 מ"מ). תרגם את הטקסט למיקום הרצוי שלה ליד בר המידה.
- בסיום, בחר באפשרות "סיום הסקיצה" בתפריט "היציאה" של סרגל הכלים.
- בחרו בכלי "Extrude" מתפריט "צור" של סרגל הכלים עם אפשרות "טקסט 2D". לייעד עומק שחול (0.25 מ"מ) ואת כיוון (לתוך המסך).
- חזור על שלבים 5.12-5.14 ליצור תוויות אחרות.
- יצוא סרגל קנה המידה השלים בפורמט CAD עם הגדרת .stl "שמור כסוג".
הערה: לאחר סיום שלבי 5.1-5.16, להמשיך בצעדים 5.17-5.31 ליצורסוג של סרגל השני. המדידות ספקו נוצלו כדי ליצור סרגל קנה מידה כי היה 2 סנטימטר על כל ציר 2 מ"מ עובי. - בחרו בכלי "מלבן" כדי ליצור מרובע להגביל את אורך ורוחב (2 מ"מ x 2 מ"מ) עם כלי "Dimension". הממדים שנבחרו בשלב זה יקבעו את העובי של החלק.
- בחר "סקיצת סיום" כדי לחזור להגדרת דגם 3D.
- תחת "צור", בחר "Extrude" ובחר את הכיכר נמשך במצב 2D סקיצה. בחר את עומק שחול הרצוי ואת הכיוון (20 מ"מ ו לתוך המסך).
- בחר "צור שרטוט 2D" ולהמשיך לעבוד על אותו מישור הסקיצה הקודמת.
- השתמש בכלים "מלבן" ו "מימד" כדי לצייר מלבן (2 מ"מ x 18 מ"מ) ישירות מעל הכיכר. להתאים את אורך המלבן לאורך הכיכר (2 מ"מ) ואת רוחב צריך להיות בגודל הרצוי של סרגל מידה מינוס וידה של הכיכר (20 מ"מ - 2 מ"מ = 18 מ"מ). "סקיצת הסיום" לחץ כאשר הושלמה.
- תחת "צור", בחר "Extrude" ובחר את המלבן. זן עומק שחול, שאמורה להיות באורך של הכיכר (2 מ"מ), ובחר בכיוון (לתוך המסך).
- סובב את החלק כך שהוא נראה כמו האות "L". צור סקיצת 2D חדשה ובחר בחזית "L" כשהמטוס עובד.
- צייר ריבוע בפינה של שני מלבנים שימוש באפשרות "מלבן". אלץ את הממדים (2 מ"מ x 2 מ"מ) כך שיתאים בדיוק בפינה. יציאת הסקיצה עם הכלי "סיום הסקיצה".
- תחת "צור", בחר "Extrude" ובחר את הכיכר החדשה שנוצרה. הזן מרחק שחול, שאמור להיות לגודל הרצוי של סרגל מידה מינוס רוחב מרובע (20 מ"מ - 2 מ"מ = 18 מ"מ). בחר כיוון (מתוך המסך) ולהחיל את שחול.
- כדי להוסיף טקסט indicating הממדים של סרגל קנה המידה, ליצור סקיצת 2D חדשה את כל מטוס.
- השתמש בכלי "טקסט" בתפריט "צייר" של סרגל הכלים כדי לייצר תווית עם גופן לגודל הרצוי (Times New Roman ו- 2.5 מ"מ).
- תרגם את הטקסט למיקום הרצוי שלה ליד בר המידה. צא ממצב סקיצה ידי בחירת "סיום סקיצה".
- לנצל את הכלי "Extrude" וזן מרחק שחול התואם את העובי של סרגל קנה המידה (2 מ"מ) וכיוון שמסדר את התווית עם סרגל קנה המידה (לתוך המסך).
- חזור על שלבים 5.26-5.30 באמצעות מטוסים אחרים כדי ליצור תוויות עבור כל שלושת הצירים.
- כאשר סיים, לייצא את סרגל קנה המידה ותוויות המלווה שלה בפורמט CAD עם "שמור כסוג" הגדרת .stl.
תוספת 6. ברי סולם כדי מודלים אנטומיים
- פתח את המודל אנטומי בתוכנה ההכנה נתוני 3D ולייבא את סרגל קנה המידה.
- להשתמש ב '; זז החלק" ו 'כלי' החלק הסובב כדי לכוון את סרגל קנה המידה לצד דגם אנטומי.
- אם הסוג הראשון של סרגל קנה מידה נוצר, לייבא את החלק עוד פעמים. תרגם ולסובב ברי מידת הפרט ולכן אחת שוכן על כל ציר.
- אם אתם משתמשים בגרסה הבסיסית, לבחור את כל החלקים ולשמור כפרויקט.
- פתח את הקובץ בגרסה המקצועית. בחר את כל החלקים ויצוא כמו STL יחיד.
הערה: מידות נשמרות כאשר מפות שטח וברים בהיקף מיובאות לתוך הגרסה הבסיסית או מקצועית. מפות לפני החריטה, משטח, יחד עם התוויות שהוצמדו וברי מידה, מדורגות כדי להתאים בתוך קריסטלים. מאז ברי סולם הם מדורגים באותו השיעור כמו דגמים, שינויים בגדלים של ברי סולם מייצגים שינויי ממד של מבנים אנטומיים.
הפחתת 7. של Faces
- לנצל את הכלי "Mesh ייבוא" כדי להוסיף קובץ STL ב פרו רשת עיבוד 3Dגְרַם. התאמות תיושמנה מודל השטח ואת כל הרכיבים, כולל ברי טקסט מידה, שכן התוכנה מפרשת את הרשת כחלק אחד.
- תחת "מסננים" ו "Remeshing, פישוט ושיקום," לבחור באפשרות "ריבועית אדג לצמצם ההשמדה" כדי לצמצם את מספר הפרצופים נוכחים בתוך הרשת.
- הזן את המספר הרצוי של פרצופים (100,000) תחת "מספר היעד של פרצופים" ובחר "החל". פעולה זו נעשית כדי ליצור גודל קובץ לניהול עבור תוכנת SSLE, ולמנוע פעמי חריטה עודפות.
- ייצוא המוצר המוגמר כמו STL באמצעות "Mesh יצא כ ..." השוקעת.
דגם 8. חריטה ב Crystal
הערה: הושלם קבצי STL מועברות משת"פ תעשייתי, שבו קריסטלים זכוכית הם לייזר חרוט לייצר מודלים פיזיים של נתונים אנטומיים. לבירורים סיוע נוסף, plקלות קשר עם מחברי התעשייה של כתב היד הזה.
- פתח את הקובץ STL לתוך תוכנה חריטה בלייזר ולהמיר לקובץ SCAX.
- ייבא את קובץ SCAX בחבילת תוכנה מחוברת מכונת חריטת ליזר 3D.
- גדר גודל גביש מתאים להתממשקות עם קובץ SCAX.
- הגדר את הכוח של הלייזר והזן מתח וצפיפות. בעוד 8.5 V ו- 0.2 הם בדרך כלל שנבחרו עבור מתח וצפיפות, מדידות אחרות יכולות להיקבע על ידי הפחתת המתח והגדלת הצפיפות, מוודא כי קריסטל לא לפצח או לשבור.
- שלח את הקובץ חרט לייזר 3D לייצור קריסטל.
Representative Results
חריטה בליזר תת-שטח של גבישי זכוכית היא אמצעי עמוק לדמיין סוגים רבים של נתוני הדמיה טומוגרפית ביו. איור 1 משלבת נתוני CT פרה-קליניים, בעוד איור 2, איור 3, & איור 4 להדגים כיצד סריקות CT קליניות יכולות גם להיות מנוצלות. מאז מימדים משתנים לפני חריטה, מבנים בגדלים שונים יכול להיות מיוצג באמצעות חריטה בלייזר. בעוד איור 2 מדגים כיצד ניתן להדפיס anatomies סולם, רוב המבנים צריכים להיות מדורגים למעלה או למטה. שני סוגים של ברים בקנה מידה יכול להיות מיושם כדי למדוד שינויים מימד: אחד החובקת את צלעות המבנה ועוד עם שלושה צירים מתכנסים בכל פינה. הסוג הראשון הוא אידיאלי עבור מבנים מורחבים, כגון ליבת העצם, ואילו הסוג השני הוא מתאים ביותר עבור למבני -scale או מופחתים. בהמשך בגודל של הגביש הוא זיווג עם צורה של מבנה אנטומי. כתוצאה מכך, למרגלות הוצבו בתוך קובייה בעוד רגל הושעה בתוך מנסרה מלבנית.
תכונה מרכזית של חריטה בתת הקרקע היא היכולת לצרף תוויות טקסט תכונות אנטומיות. הטכניקה ניתן ליישם סוגים שונים של נתוני הדמיה, עם מיקום תווית אופטימלית תלוי בגיאומטריה של המבנה. באיור 2, הטקסט הוצב בשני מישורים לחלל את התוויות ולהימנע ולהקשות על הרקע האנטומיה. לקבלת איור 3 & איור 4, עצמות ניתן לראות בבירור מצד אחד כל כך התוויות הונחו על מטוס בודד.
איור 1. נתונים קדם-קליניים של CT של קבוצת ליבה של כבשים, מוצגים כמעט ומושעים בחלטה תלת-ממדית. תוכנת הדמיה נוצל כדי ליצור ולצרף ברים בקנה מידה למפה משטח של עצם 1 ס"מ איזוטופי כבשים (משמאל). המבנה עבר פי חמישה ממדים לאורך כל ציר, כפי שצוין על ידי ברים סולם, והיה לייזר חרוט גביש מרובע 8 ס"מ (מימין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. נתונים קליניים CT של מפרק שבור עם תוויות אנטומיים, מוצג כמעט חרוט גביש. נתונים קליניים CT של פרק כף היד האנושי עם רדיוס שבור הוסב מפה משטח באמצעות תוכנת מחשב. תוויות אנטומיות וסרגל 2 ס"מ ere שנוצר באמצעות תכנון בעזרת מחשב (CAD) ומצורף המודל (משמאל). תחריט לייזר 3D חקוקה המבנה בתוך גביש קוביית 8 ס"מ (מימין). סרגל הסולם שומר גודל, הוכחת המפרק הופק להתרחב. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. אנטומית שכותרתו רגל אנושית עם תוויות אנטומיים, מוצג כמעט ו חקוק קריסטל. סט נתוני CT של כף רגל אנושית הוסב מודל בגוונים אפור עם תוכנת הדמיה. טקסט ובר בהיקף 4 ס"מ נוצרו באמצעות CAD ומאוגדים מפת השטח (משמאל). המודל הופחת למחצית גודלו לייזר חקוקה קוביית קריסטל 8 ס"מ (מימין). 55,340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. נתוני CT קליניים קבוצה של רגל אנושית שכותרתו אנטומית באמצעות תוכנות מחשב חקוקים קריסטל. חבילות תוכנה נוצלו כדי להכין מפת משטח מסריקת CT אנושית מלאה לסעיף הרגל משאר הגוף. תוויות אנטומי ובר בהיקף 2.5 ס"מ נועד עם CAD צורפו (משמאל) ואת המבנה נחקקה גביש 5 ס"מ X 5 ס"מ x 8 ס"מ (מימין). סרגל הסולם בגביש ממחיש את הרגל הייתה scaled למטה בתוך 5: יחס 3. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.
טבלה 1. יתרונות וחסרונות של דפוס 3D ו SSLE לייצור מודלים אנטומיים. 3D הדפסה SSLE הם שני אמצעי המאפשר הדמיה נתונים הדמיה טומוגרפית ביו, וכל אחד הוא בעל מספר עוצמות וחולשות בכל הקשור ליצירת מודלים פיזיים של נתונים.
Discussion
ערכות נתונים פרה-קליניות וקליניות רכשו באמצעות שיטות הדמיה ביו כבר סייעו מחקר מודרני פיתוחים רפואיים. אמצעים לפני להדמיה של נתונים ביו כללו צג מחשב מודלים פיסיים המופקים ליהוק מסורתי או גישות הדפסת 3D מודרניות. כאן אנו מתארים שיטת חריטת קריסטל 3D כחלופת פירושו המאפשר הדמית נתונים ביו טומוגרפית מכיוון שהוא מייצר מוגדר היטב, מודלים שכותרתו בצורה פשוטה. דגמים זולים יחסית אלה עשויים להיות בשימוש נרחב ככלי חינוכי. ניצול חריטת קריסטל לייצג נתונים אנטומיים במדויק נותן לו פוטנציאל גבוה במסגרות קליניות וחינוכיות. היכולת לדמיין נתונים בפורמט פיזי, תלת ממדי מתגברת על המגבלות של צורות מסורתיות של חינוך באמצעות תמונות שטוחות או 9 הדמיות וירטואליות. רזולוציה גבוהה של מבנים חרוטים ואת דבקותו שלתוויות לתכונות גלויות ספציפית להקל על השימוש במודלים אלה לחינוך חולה או סטודנט. בנוסף, אפנות זו מציעה את היכולת לזהות ולבחון גורמים והיבטים של המחלה מדינות בתוך הדגימה. לדוגמא, הסיווג והמיקום של שברים בעצמות, כמו היד השבורה ציינה באיור 2, מספקים הבנה מקיפה יותר של היחס של מדינות מחלה וסימנים לכאורה אחרים פיסיים ו / או סימפטומים חולים.
באמצעות חריטת קריסטל 3D, ערכות נתוני CT פרה-קליניות וקליניות הוצגו כגורם מבנים פיסיים חרוטים בתוך קריסטלים. נתונים פרה-קליניים CT נרכשו באמצעות סורק microCT, בעוד תמונות CT קליניים נאספו ממקורות רדיולוגי קליניים. לפני עיבוד נוסף, נתוני הדמיה קליניים מומרים קבצי DICOM ביטול דחיסה באמצעות תוכנת הדמיה. תוכנות לאחר להפוך קבצי DICOM המשוחזר לתוך מפות השטח. שינוי של מפות השטח האלה דור תוויות אנטומיים וברי מידה הם השיגו עם תוכנת הכנת נתוני תכנון בעזרת מחשב (CAD). קבצי STL שהושלמו מופחתים ו להמיר קבצי SCAX. לאחר גודל גביש וכוח לייזר נקבעים, קבצי נקראים על ידי מכונת חריטה לייזר 3D שיוצרת מבנים אנטומיים בצורה חופשית ב קריסטל.
התהליך המתואר לעיל ניתן ליישם ערכות נתונים קליניות פרה-קליניות שונות. בעוד מערכי נתונים CT יושמו בפרויקט זה, יתכן כי נתונים המתקבלים ממערכות הדמיה אחרות ניתן דמיינו קריסטל, כולל אולטרסאונד 3D (ארה"ב), דימות תהודה מגנטית (MRI), ו פוזיטרון פליטה טומוגרפיה (PET). כמו כן, מבנים אנטומיים אחרים דגימות ביולוגיות ניתן לצלם וייצגו במדיום הזה. עם זאת, את הגבישים באים בגדלים ומבנים קבועים מראש יהיה צורך לחתוך או מדורגים בהתאמה. רצוי להתאים thE גיאומטריה של החלק האנטומי עם גודל של הגביש. לדוגמה, רגל הכי מתאים ב 5 ס"מ x 5 ס"מ x 8 ס"מ מלבני מוצק ( איור 4 ), בעוד רגל מתאים קובייה 8 ס"מ ( איור 3 ). שינויים בגודל, גופן ועובי הטקסט יכולים להתבצע בתוכנת CAD. בנוסף, עדיף לשים תוויות על מטוס אחד או שניים כדי לקרוא בבירור תוויות מבלי לחסום את התצוגה של האנטומיה בעת סיבוב הגביש על פרצופים אחרים.
שני גורמים נוספים יש לקחת בחשבון בעת ביצוע SSLE של נתונים אנטומיים: מספר פרצופים בתוך מפת פני השטח, ואת הגודל של כל נקודה לייזר הוא חקוק לתוך הגביש. גורמים אלה משפיעים על מספר וגודל הנקודות שיספגו את אור התקרית ובכך יגבירו או יגרמו מויזואליזציה של SSLE. ראשית, מספר פרצופים, אשר ביחס ישר למספר הנקודות בחלל 3D,ישפיע הן ברזולוציה הכוללת "בהירות / ניגודיות" של המודל המוצג. בכל הדוגמות שהוצגו במסמך זה, את קובץ STL השלים הופחת 100,000 פניהם ללא השפלה לכאורה של מוצר הקריסטל שהתקבל, ללא קשר לגודל או גדלה. The / ניגודיות הבהירות הכוללות היו מקובלות גם באמצעות גישה זו. השווי 100,000 הוא בטווח הבטוח עבור החרט משמש לא overtax התוכנה והחומרה. עם זאת, במקרים מסוימים, פרצופים נוספים עשויים להידרש להציג מערך נתונים נתון כראוי, וקבצים אלה עשויים להיחשב ניסיוני עד הושלמו בהצלחה. בנוסף, בגודל של כל נקודה כי הוא "נשרף" לתוך גביש עשוי להיות מכוון באמצעות מתח וערכים קלט "צפיפות" של חרט על מנת לשפר את הניגודיות והבהירות פלט. במקרים הנוכחיים, ערכי ברירת מחדל של מתח: 8.5 וצפיפות: 0.2 נבחרו. בעוד ערכים אלה מייצגים נקודת התחלה, הם עשויים להשתנות בתוךניסוי וטעייה אופנה לשפר להדמיה נתונים לפי הצורך.
ישנם מספר היתרונות של ניצול חריטת קריסטל 3D עבור התצוגה של נתוני הדמיה פרה-קליניים וקליניים. קריסטלים בדרך כלל מיוצרים תחת 30 דקות, בעוד מבנים מודפסים 3D עלולים לארוך מספר שעות, בהתאם לגודלם ומורכבות 16, 20, 22. חריטת לייזר עשויה לשמש לייצוג מבנים תלויים ללא שימוש תמיכה, הקלת ייצור של תכונות מורכבות או תלויים של האנטומיה מבלי להקטין דיוק עם חומר נוסף 16. עם רזולוציה של 800-1,200 DPI ועל דיוק פחות מ 10 מיקרומטר, מודלים אלה דומים לנתונים רפואיים מקרוב 24. בעוד מדפסות 3D ברמה מקצועית יש החלטה דומה של בערך 600 DPI ב XY ו- 1600 DPI ב- Z, הם בדרך כלל פחות acאוצרים (20-200 מיקרומטר) 17, 19, 20 (לוח 1).
חריטת קריסטל 3D בעל פוטנציאל חזק אך היא מוגבלת כמה תחומים. מאחר שהמידע חרוט בתוך גביש, משתמשים לא יכולים לקבל חוויה מישוש עם חלקים אנטומיים. כדי מידת ייצוגים קשים לייצר כפי נתונים בדרך כלל מדורגים למעלה או למטה כדי להתאים את הגבישים. יתר על כן, הלייזר יכול רק לחרוט בגווני אפור עם ניגודיות מינימלי. הצפיפות של המבנה היא מוגבלת גם על ידי היכולת של הליזר כדי לעבד את הנתונים. היציבות הכוללת של גבישי יתרון לשימוש פוטנציאלי על פני כמה שנים, אבל הזכוכית המוצקה לא יכול לעמוד להפיל על משטחים קשים (לוח 1).
למרות מגבלות אלה, חריטת קריסטל 3D מחזיקה ערך משמעותי כמדיום עבור להדמיה של נתונים ביו. בעוד מתחילתמיכה חומרית צריכים להילקח בחשבון עם מדפסות 3D, היבטים אלה אינם צריכים להיחשב עבור חריטה בלייזר. עוד חלקים מורכבים, כגון כף הרגל האנושית, יכולים להיות מיוצגים כתוצאה מכך. בעוד העלאות זמן ייצור מעט עם מבנים מורכבים יותר, ללא חומר נוסף נדרשות ועלות המודל נשארה זהה. היכולת של לייזר כדי לשרוף זכוכית בצורה dot-ידי-dot מייצרת מוגדר מאוד מבנים להציג את הפרטים הקטנים של נתוני ביו, כפי שמצוין רדיוס שבור באיור 2. בנוסף, המיקום של מבנים אלה בתוך גבישים שהופך אותם עמידים נזק מבחוץ. בניגוד פלסטיק מוצק מנוצל על פלטפורמות הדפסת 3D רבות, משטחי הזכוכית השקופים מאפשרים מבנים פנימיים להיות דמיינו בצורה פשוטה. אחד הכלים החזקים ביותר של חריטת קריסטל 3D הוא ביכולתה לתייג חלקים בודדים, וגם להוסיף סרגל קנה מידה לעיון גודל. זֶההטכניקה מוסיפה ערך חינוכי משמעותי לקריסטלים, כאשר תלמידים מכל הרמות יכולים ללמוד אנטומיה ולפעול עם נתונים קליניים, שני מרכיבים חשובים של חינוך ביולוגי ורפואי, במודל אחד. בשילוב עם היכולת להחזיק אותם בכף יד ולהציג מבנים במגוון זוויות, תיוג מאוד משפר את הערך החינוכי של מודלים אלה. כתוצאה מכך, 3D גבישים חרוט יש תחולה רחב לשימוש קורסים אנטומיה, קליני בפועל, וחינוך כללי.
Disclosures
החוקרים אין לחשוף.
Acknowledgments
אנו מודים מכללת מלגת מחקר לתואר הראשון קיץ המדעי (SURF) עבור התמיכה הכספית שלהם של הפרויקט הזה. המחברים מודים גם פרופ 'גלן Niebur, אוניברסיטת נוטרדאם, למתן דגימות העצם (כמפורט לעיל) השתמשו במחקר זה.
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).
