Una metodologia è descritta nella presente per rappresentare dati di imaging anatomiche all'interno cristalli. Creiamo scalato modelli tridimensionali di dati di imaging biomedico per l'uso in Sub-Surface Laser incisione (SSLE) di cristallo. Questo strumento offre un utile complemento alla visualizzazione computazionale o tridimensionalmente modelli stampati utilizzati all'interno di contesti clinici o educativi.
modalità di imaging biomedico come la tomografia computerizzata (CT) e la risonanza magnetica (MR) forniscono eccellenti piattaforme per la raccolta di insiemi di dati tridimensionali del paziente o dei campioni anatomia in ambito clinico o preclinico. Tuttavia, l'uso di un display virtuale su schermo limita la capacità di queste immagini tomografiche per trasmettere appieno le informazioni anatomiche incorporato all'interno. Una soluzione è quella di interfacciare un insieme di dati di imaging biomedico impostati con tecnologia di stampa 3D per generare una replica fisica. Qui dettaglio un metodo complementare per visualizzare i dati di immagini tomografiche con un modello a mano: Sub Surface Incisione laser (SSLE) di cristallo. SSLE offre diversi vantaggi unici, tra cui: la possibilità facile per includere le etichette anatomiche, così come una barra di scala; snella assemblaggio più parti di strutture complesse in un mezzo; alta risoluzione in X, Y, Z e aerei; e gusci semi-trasparenti per la visualizzazione di sottostrutture anatomiche interne. qui we dimostrare il processo di SSLE con dati CT derivati da fonti preclinici e clinici. Questo protocollo servirà come un nuovo e potente ed economico strumento per visualizzare le strutture anatomiche complesse per gli scienziati e gli studenti in una serie di contesti educativi e di ricerca.
Modalità di imaging biomedico come la tomografia computerizzata (CT) o risonanza magnetica (MRI) sono abitualmente utilizzati dal medico, la ricerca, e accademico a non invasivo esaminano le strutture interne di soggetti umani o biologiche 1, 2, 3. Nella medicina moderna, questa tecnologia permette diagnosi più consapevoli e, di conseguenza, ha migliorato il trattamento del paziente 4. In particolare, CT fornisce un'eccellente opportunità per la ricostruzione 3-D per la sua proprietà isotropiche voxel (lunghezza identica di ciascun bordo cubo) e alta risoluzione. 5 Inoltre, i pacchetti software sono disponibili che rendono di dati di immagini biomediche in tre dimensioni (3D) per funzioni di ordine superiore come la chirurgia assistita da computer e endoscopia virtuale 6. Entro ricerca pre-clinica, l'imaging non distruttivo fornisce una piattaforma traslazionalesu cui studiare modelli di malattia in topi e ratti 7. Le biblioteche digitali, come ad esempio il database biologica Morfologia digitale (http://digimorph.org), sono state compilate con dati CT derivati da campioni diversi o stati patologici clinici per un facile accesso da parte delle più ampie comunità scientifica e medica 8.
Attualmente, i dati di imaging biomedico è stata visualizzata nello spazio virtuale su schermi di computer, o nello spazio fisico con modelli portatili. Mentre software consente agli utenti di sezionare e manipolare i dati, le repliche fisiche sono un complemento piacevole con un eccellente vantaggio educativo 9, 10. Modelli tradizionali sono stati generati utilizzando un processo di colata a basso costo in cui stampi di base sono riempiti di resina che indurisce nella struttura desiderata 11. modelli colati sono suscettibili di produzione di massa poco costoso, ma sono limitati a basestrutture che non sono derivati da insiemi di dati dei pazienti. Negli ultimi cinque anni, 3D stampato repliche di anatomia umana sono diventati sempre più diffuso a causa della elevata complessità, e spesso paziente-specifici, oggetti che possono essere generati e visualizzati. Questi modelli sono creati da macchine che deposito liquido o plastica fusa in strati additivi, e hanno assistito medici con diagnosi, interventi chirurgici complessi, trattamento delle malattie, disegno protesico e comunicazione con il paziente 12, 13. Inoltre, l'ampia disponibilità di stampanti 3D consumer all'interno delle impostazioni delle scuole primarie, secondarie, e collegiale serve per amplificare l'impatto pedagogico del modello anatomico file condivisi 14, 15.
Nel complesso, la stampa 3D è notevolmente avanzato lo sviluppo di modelli anatomici all'interno della medicina, eppure ha dei limiti. In primo luogo, la creazione di multimodelli anatomici -part può essere impegnativo in quanto lavoro in più è spesso necessaria per legare digitalmente pezzi separati che potrebbero altrimenti cadono a pezzi 16. Inoltre, l'opacità di molti materiali stampati in 3D, in particolare per le macchine consumer, impedisce la visualizzazione delle sotto-strutture interne che forniscono informazioni aggiuntive su ossa di un esemplare e dei tessuti molli. Inoltre, estrusori di materie plastiche liquidi o fusi limitano la risoluzione delle stampe 3D. Gli estrusori di stampanti professionali sono circa 50 micron di diametro e permettono uno spessore di 14 micron, con una risoluzione fino a 600 punti per pollice (DPI) in X e Y e 1.600 DPI nella Z asse 17, 18 . In confronto, stampanti 3D consumer hanno estrusori che sono circa 400 micron di diametro e dare uno spessore di 100 um e una risoluzione approssimativamente equivalente a 42 DPI 19, <sup class = "xref"> 20. Il prezzo varia anche sostanzialmente da consumer-grade per stampanti professionali 20, 21. Inoltre, elevati costi delle materie impediscono produzione industriale di massa di ottenere economie di scala 22.
Sub Surface Incisione laser (SSLE), o incisione di cristallo 3D, utilizza un fascio laser per formare piccole "bolle" o punti con alta precisione in migliaia di X, Y, Z di un rigido, ad alta purezza, matrice cubica, vetro 23. Ogni punto è 20-40 micron, da cui si ricava la risoluzione tra 800-1.200 DPI 24. Ulteriormente ogni punto è semitrasparente, permettendo la visualizzazione di sottostrutture interne. Multipli, parti sconnesse sono rappresentati nello stesso cristallo e materiale aggiuntivo non è necessario per grandi strutture complesse. Poiché la matrice è solido, etichette anatomiche e barre di scala formato possono essere aggiunti per migliorareil potenziale educativo dei dati di imaging visualizzati all'interno. Presentiamo qui un processo in cui i raggi X tomografia computerizzata dati (R) sono formattati per il cristallo SSLE. In primo luogo, i dati possono essere raccolti da sistemi microCT preclinici commerciali, scanner clinici di reparti di radiologia / Unis, o provenienti da repository online, come il Nazionale Biomedical Imaging Archive (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Qui mostriamo questo approccio con anima pecore osso, polso fratturato, piede etichettato e cristalli gamba etichettati per illustrare la capacità di incorporare sia i dati preclinici e clinici, regolare la scala delle strutture anatomiche, e coordinare la geometria di una struttura con dimensioni dei cristalli. Data la natura di facile SSLE e l'utilizzo già diffuso di file STL in stampa 3D, la fabbricazione di cristalli anatomiche etichettati fornisce un eccitante, mano tenuto in mano strumento di visualizzazione per l'utilizzo all'interno delle comunità accademiche e di formazione.
insiemi di dati preclinici e clinici acquisiti attraverso la modalità di imaging biomedico sono state fondamentali per la ricerca moderna e progressi medici. mezzi precedenti di visualizzazione dei dati biomedici inclusi display del computer e modelli fisici generati dalla fusione tradizionali o moderni approcci di stampa 3D. Qui si descrive un metodo di incisione cristallo 3D come un mezzo alternativo per la visualizzazione dei dati biomedici tomografiche poiché genera ben definiti, modelli etichettati in modo semplice. Questi modelli relativamente economici possono essere ampiamente usati come strumenti educativi. L'utilizzo di incisione cristallo per rappresentare accuratamente i dati anatomici dà un elevato potenziale in ambito clinico ed educativo. La possibilità di visualizzare i dati in un formato fisico tridimensionale supera i limiti delle forme tradizionali di istruzione utilizzando immagini piatte o rendering virtuali 9. Alta risoluzione di strutture incise e l'attaccamentoetichette a specifiche caratteristiche visibili facilitano l'uso di questi modelli per l'educazione del paziente o studente. Inoltre, questa modalità offre la possibilità di identificare e osservare le cause e gli aspetti di stati patologici all'interno di un esemplare. Ad esempio, la classificazione e la posizione di una frattura ossea, come il polso fratturato osservato nella figura 2, fornisce una comprensione più completa della relazione di stati patologici e altri segni evidenti fisicamente e / o sintomi del paziente.
Attraverso cristallo dell'incisione 3D, set di dati CT preclinici e clinici sono stati rappresentati come strutture fisiche inscritti all'interno cristalli. Dati preclinici di CT sono stati acquisiti utilizzando uno scanner microCT, mentre le immagini TC clinici sono stati raccolti da fonti radiologiche clinici. Prima di ulteriore elaborazione, i dati di imaging clinico viene convertito in file DICOM decompressi mediante software di imaging. programmi software successivi trasformano i file DICOM ricostruiti in mappe superficiali. La modifica di queste mappe e generazione di etichette e barre di scala anatomica superficiali si compiono con il software di preparazione dei dati e computer-aided design (CAD). file STL completati sono ridotti e convertiti in SCAX file. Dopo la dimensione dei cristalli e la potenza del laser sono impostati, i file vengono letti da una macchina incisione laser 3D che crea le strutture anatomiche a forma libera in cristallo.
Il procedimento sopra descritto può essere applicato a diversi set di dati clinici e preclinici. Mentre set di dati TC sono stati implementati in questo progetto, è possibile che i dati ottenuti da altre modalità di imaging possono essere visualizzati in cristallo, compresi gli ultrasuoni 3D (US), risonanza magnetica (MRI), e ad emissione di positroni (PET). Inoltre, altre strutture anatomiche umane e campioni biologici possono essere esposte e rappresentate in questo mezzo. Tuttavia, i cristalli sono disponibili in dimensioni e strutture predeterminate dovranno essere tagliati o scalato di conseguenza. Si consiglia di abbinare °e geometria della parte anatomica con la dimensione del cristallo. Ad esempio, una gamba si adatta meglio in 5 cm x 5 cm x 8 cm piena rettangolare (figura 4), mentre un piede è adatto per da 8 cm cubo (Figura 3). Modifiche alle dimensioni, font, e lo spessore del testo possono essere effettuati in software CAD. Inoltre, è preferibile posizionare etichette su uno o due piani per visualizzare chiaramente etichette senza ostruire la vista dell'anatomia quando si ruota il cristallo per altre facce.
Due ulteriori fattori devono essere considerati durante l'esecuzione SSLE dei dati anatomici: il numero di facce all'interno di una mappa di superficie, e la dimensione di ogni punto che è laser inciso nel cristallo. Questi fattori influenzano il numero e le dimensioni dei punti che assorbono la luce incidente e quindi potenzialmente accrescere o sminuire una data visualizzazione SSLE. In primo luogo, il numero di facce, che è direttamente proporzionale al numero di punti nello spazio 3D,influenzerà sia la risoluzione complessiva e "luminosità / contrasto" del modello visualizzato. In ciascuno degli esempi qui presentati, il file STL pronto è stato ridotto a 100.000 facce senza apparente degradazione del prodotto risultante cristallo, indipendentemente dalle dimensioni o ingrandimento. La luminosità / contrasto complessivo era accettabile anche utilizzando questo approccio. Il valore di 100.000 è il range di sicurezza per l'incisore utilizzato per non affaticare il software e l'hardware. Tuttavia, in alcuni casi, altre facce possono essere necessari per visualizzare correttamente un dato insieme di dati, e questi file possono essere considerati sperimentali fino al completamento con successo. Inoltre, la dimensione di ciascun punto che viene "bruciato" nel cristallo può essere sintonizzato con valori di tensione e ingresso "densità" dell'incisore per migliorare il contrasto luminosità dell'uscita. Nelle presenti cause, i valori predefiniti di tensione: sono stati selezionati 0.2: 8.5 e densità. Mentre questi valori rappresentano un punto di partenza, possono essere modificati in untentativi ed errori di moda per migliorare la visualizzazione dei dati in base alle esigenze.
Ci sono una serie di vantaggi di utilizzare incisione di cristallo 3D per la visualizzazione dei dati di imaging preclinici e clinici. I cristalli sono tipicamente prodotti in meno di 30 minuti, mentre le strutture stampate 3D può richiedere diverse ore, a seconda della loro dimensione e complessità 16, 20, 22. Incisione laser può essere usato per rappresentare strutture sospese senza l'uso di sostegno, facilitando la produzione di forme complicate o sospesi dell'anatomia senza ridurre la precisione con materiale aggiuntivo 16. Con una risoluzione di 800-1.200 DPI e una precisione di meno di 10 micron, questi modelli sono molto simili a dati medici 24. Mentre le stampanti 3D di livello professionale hanno una risoluzione simile di circa 600 DPI in XY e 1.600 DPI in Z, sono generalmente meno accurato (20-200 um) 17, 19, 20 (Tabella 1).
incisione di cristallo 3D possiede un forte potenziale, ma è limitato in alcune aree. Poiché i dati è inciso all'interno cristallo, gli utenti non possono avere un'esperienza tattile con le parti anatomiche. In scala rappresentazioni sono difficili da produrre come dati è tipicamente regolato in su o giù per adattarsi nei cristalli. Inoltre, il laser può incidere solo in scala di grigio con contrasto minimo. La densità della struttura è anche limitata dalla capacità del laser per elaborare i dati. La stabilità complessiva di cristalli è un vantaggio per uso potenziale per diversi anni, ma il vetro solido non può sopportare cadere sulle superfici dure (Tabella 1).
Nonostante queste limitazioni, incisione cristallo 3D giudica valore significativo come mezzo per la visualizzazione di dati biomedici. Durante l'avvio disostegno materiale e devono essere prese in considerazione con le stampanti 3D, non hanno bisogno di essere presi in considerazione per l'incisione laser questi aspetti. Altri componenti complessi, come il piede umano, possono essere rappresentati come risultato. Mentre aumenta il tempo di produzione leggermente con strutture più complesse, senza materiale aggiuntivo è richiesto e il costo del modello rimane lo stesso. La capacità del laser per bruciare vetro in modo dot-by-dot produce strutture che visualizzano i dettagli fini di dati biomedici, come notato nel raggio tratti nella figura 2 altamente definita. Inoltre, il posizionamento di queste strutture interne cristalli li rende resistenti ai danni all'esterno. A differenza di plastica rigida utilizzati su molte piattaforme di stampa 3D, le superfici vetrate traslucide consentono strutture interne per essere visualizzate in modo semplice. Uno dei più potenti strumenti di incisione di cristallo 3D è la sua capacità di etichettare singole parti, e anche aggiungere una barra di scala per il riferimento di formato. Questotecnica aggiunge un notevole valore educativo per i cristalli come studenti di tutti i livelli possono imparare l'anatomia e interagire con i dati clinici, due componenti importanti di formazione biologica e medica, in un unico modello. In combinazione con la capacità di tenere loro nel palmo di una mano e visualizzare le strutture in una varietà di angolazioni, etichettatura migliora notevolmente il valore educativo di questi modelli. Di conseguenza, i cristalli 3D inciso hanno ampia applicabilità per l'uso in corsi di anatomia, pratica clinica, e l'educazione in generale.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo il College of Science Estate Undergraduate Research Fellowship (SURF) per il loro sostegno finanziario di questo progetto. Gli autori ringraziano anche il Prof. Glen Niebur, Università di Notre Dame, per la fornitura di campioni di ossa (sopra descritte) utilizzati in questo studio.
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 |