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Bioengineering

Scaled Modèle Anatomique Création d'étiquettes de données biomédicale tomographique Imaging et associés pour subsurface Gravure au laser ultérieure (SSLE) de cristaux de verre

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

Summary

Une méthode est décrite ici pour représenter des données d'imagerie anatomiques à l'intérieur des cristaux. Nous créons des modèles mis à l'échelle en trois dimensions de données d'imagerie biomédicale pour une utilisation en Afrique sub-surface Gravure au laser (SSLE) en verre de cristal. Cet outil offre un complément utile à l'affichage de calcul ou trois dimensions des modèles imprimés utilisés dans les milieux cliniques ou éducatifs.

Abstract

modalités d'imagerie biomédicale comme la tomographie par ordinateur (CT) et de résonance magnétique (MR) fournissent d'excellentes plates-formes pour la collecte d'ensembles de données en trois dimensions du patient ou de l'anatomie échantillon dans les milieux cliniques ou précliniques. Cependant, l'utilisation d'un écran virtuel, à l'écran limite la capacité de ces images tomographiques pour transmettre pleinement l'information anatomique intégrée au sein. Une solution consiste à interfacer un ensemble de données d'imagerie biomédicale fixés avec la technologie d'impression 3D pour générer une réplique physique. Ici, nous détaillons une méthode complémentaire de visualiser les données d'imagerie tomographique avec un modèle portatif: Gravure laser Sous de surface (SSLE) en verre de cristal. SSLE offre plusieurs avantages uniques, y compris: la capacité facile d'inclure des étiquettes anatomiques, ainsi qu'une barre d'échelle; Ensemble en plusieurs parties simplifiée des structures complexes dans un milieu; haute résolution dans les directions X, Y et Z plans; et coquilles semi-transparentes pour la visualisation des structures anatomiques internes. ici we démontrer le procédé de SSLE avec des ensembles de données de CT dérivées de sources pré-cliniques et cliniques. Ce protocole servira un nouveau puissant et peu coûteux outil pour visualiser les structures anatomiques complexes pour les scientifiques et les étudiants dans un certain nombre de milieux éducatifs et de recherche.

Introduction

Modalités d'imagerie biomédicale comme la tomodensitométrie (TDM) ou l' imagerie par résonance magnétique (IRM) sont couramment utilisés par la communauté médicale, de recherche et d' étude à non invasive examiner les structures internes des sujets humains ou biologiques 1, 2, 3. Dans la médecine moderne, cette technologie permet des diagnostics plus éclairés et, par conséquent, l' amélioration du traitement des patients 4. En particulier, CT offre une excellente opportunité pour la reconstruction 3-D en raison de sa haute résolution et les propriétés de voxels isotropes (longueur identique de chaque arête de cube). 5 De plus, les logiciels sont disponibles qui rendent les données d'imagerie biomédicale en trois dimensions (3D) pour des fonctions d'ordre supérieur , comme la chirurgie assistée par ordinateur et de l' endoscopie virtuelle 6. Au sein de la recherche pré-clinique, l'imagerie non destructive fournit une plate-forme de traductionsur lequel l'étude des modèles de maladies chez les souris et les rats 7. Les bibliothèques numériques, telles que la base de données biologiques numérique Morphologique (http://digimorph.org), ont été avec des données CT provenant de différents spécimens ou états pathologiques cliniques pour un accès facile par les communautés scientifiques et médicales plus larges 8.

À l'heure actuelle, les données d'imagerie biomédicale a été visualisé dans l'espace virtuel sur les écrans d'ordinateur, ou dans l'espace physique avec des modèles portatifs. Alors que le logiciel informatique permet aux utilisateurs de disséquer et de manipuler les données, les répliques physiques sont un bon complément avec un excellent avantage éducatif 9, 10. Les modèles traditionnels ont été générés en utilisant un procédé de moulage à faible coût dans lequel les moules sont remplis de base avec une résine qui durcit en la structure désirée 11. modèles Casted se prêtent à la fabrication de masse bon marché, mais sont limitées à basedes structures qui ne sont pas dérivées d'ensembles de données du patient. Au cours des cinq dernières années, des répliques imprimées 3D de l'anatomie humaine sont devenus de plus en plus répandue en raison de la grande complexité, et souvent spécifiques au patient, les objets qui peuvent être générés et affichés. Ces modèles sont créés par des machines que du liquide de dépôt ou de matière plastique en fusion dans des couches d'additif, et ont aidé les médecins avec les diagnostics, les interventions chirurgicales complexes, le traitement des maladies, la conception de prothèse, et communication avec le patient 12, 13. En outre, la large disponibilité des imprimantes 3D de qualité des consommateurs dans les milieux de l' enseignement primaire, secondaire et collégial sert à renforcer l'impact pédagogique de fichiers partagé modèle anatomique 14, 15.

Dans l'ensemble, l'impression 3D a considérablement avancé le développement de modèles anatomiques dans la médecine, mais il a ses limites. Tout d'abord, la création de plusieursmodèles anatomiques -Part peut être difficile , car le travail supplémentaire est souvent nécessaire pour lier numériquement des pièces séparées ensemble qui pourraient autrement se effondrer 16. En outre, l'opacité de nombreux documents imprimés 3D, en particulier pour les machines de qualité des consommateurs, empêche la visualisation des sous-structures internes qui permettent de mieux comprendre supplémentaires sur l'os et des tissus mous d'un échantillon. En outre, des extrudeuses de matière plastique liquide ou fondu limitent la résolution des impressions 3D. Les extrudeuses d'imprimantes professionnelles sont d' environ 50 um de diamètre et permettent une épaisseur de couche de 14 um, avec une résolution de 600 points par pouce (DPI) dans les axes X et Y et 1 600 DPI dans l'axe Z 17, 18 . En comparaison, la consommation de qualité imprimantes 3D sont des extrudeuses qui sont autour de 400 um de diamètre et une épaisseur de couche de 100 um et une résolution peu près équivalente à 42 DPI 19, 20, 21. En outre, les coûts élevés des matières premières empêchent la production industrielle de masse de réaliser des économies d'échelle 22.

Sous la surface de gravure de laser (SSLE), ou la gravure à cristaux 3D, utilise un faisceau laser pour former de petites « bulles » ou des points avec une grande précision à des milliers de X, Y, Z les coordonnées au sein d' une pureté rigide, élevé, matrice cubique, verre 23. Chaque point est de 20 à 40 um, ce qui donne la résolution entre 800-1200 DPI 24. En outre chaque point est semi-transparent, permettant la visualisation des sous-structures internes. Plusieurs parties déconnectées, sont représentés dans le même cristal et un matériau additionnel ne sont pas nécessaires pour les grandes structures complexes. La matrice est solide, les étiquettes anatomiques et barres d'échelle de taille peuvent être ajoutés pour améliorerle potentiel éducatif des données d'imagerie affichées à l'intérieur. Nous présentons ici un procédé dans lequel les données de tomographie (CT) calculée aux rayons X sont formatés pour SSLE de cristal. Tout d'abord, les données peuvent être collectées à partir des systèmes de pré-cliniques microCT commerciaux, scanners cliniques de services de radiologie / Unis, ou provenant de dépôts en ligne tels que les Archives nationales d'imagerie biomédicale (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 ici , nous démontrons cette approche avec un noyau d'os de mouton, fracture du poignet, pied étiqueté, et des cristaux de jambes étiquetés pour illustrer la capacité d'intégrer les données précliniques et cliniques, ajuster l'échelle des structures anatomiques, et la coordination avec la taille des cristaux de géométrie d'une structure. Étant donné la nature de SSLE facile et l'utilisation déjà répandue des fichiers STL dans l'impression 3D, la fabrication de cristaux anatomiques marqués fournit un excitant, outil de visualisation à main à la main pour une utilisation dans les milieux universitaires et de l'éducation.

Protocol

Tous les ensembles de données de tomographie calculée de l'homme ont été rendues anonymes selon le protocole SJRMC approuvé.

1. CT Acquisition de données d'échantillons pré-cliniques et cliniques

  1. Procéder à micro-rayons X tomographie assistée par ordinateur pour générer un ensemble de données pré-cliniques. Dans le cas présent, utiliser un microCT à l'image d'un échantillon de carotte osseuse avec les paramètres suivants: 45 kV, 0,4 mA, et 1000 projections. 5
  2. Reconstruire les données brutes à haute résolution (125 um de voxel isotrope). Pour augmenter davantage la résolution, identifier et reconstruire un cube de 1 cm avec un centre à l'origine (voxel isotrope 10 um) du volume.
  3. Exporter les données reconstruites définies au format DICOM pour un traitement supplémentaire.
  4. Vous pouvez également acquérir des ensembles de données CT reconstruits, tels que ceux du poignet cassé et pied utilisé dans cette étude, de collaborateurs cliniques (données présentées ici acquises de Saint Joseph Medical Center régional) ou open-source SOADarchives M (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. importer des fichiers dans le logiciel d'imagerie DICOM et l'exportation sous forme de fichiers DICOM décompressées si nécessaire.

2. Traitement des données

  1. Ouvrez chaque ensemble de données DICOM (composé de toutes les tranches d'image) en utilisant le réglage « DICOM de charge » dans le « View » du logiciel de traitement d'image.
  2. Enregistrer chaque ensemble de données comme NIfTI analyse, un format d'imagerie mis en place pour l'analyse scientifique. Importer les fichiers nifti dans un programme avec l' utilisation établie en imagerie médicale calculée et la segmentation automatisée pour la production de cartes de surface (par exemple, 3DSlicer).
  3. Télécharger un fichier NIfTI donné dans la carte de surface programme de générateur avec l'outil 'Ajouter des données.
  4. Sélectionnez le « Modèle Maker Niveaux de gris » outil avec la spécification « Créer et renommer nouveau modèle ». Définir des valeurs de seuil inférieures à environ 300 HU pour la segmentation de l'os.
  5. Enregistrer des modèles en niveaux de grissous forme de fichiers STL pour le traitement ultérieur des données.
  6. Importer chaque carte de surface dans le logiciel de préparation des données 3D (par exemple, Netfabb studio de base) et sélectionnez le mode « réparation ».
  7. Utilisez les outils « Sélectionnez Partie » et « Supprimer » pour supprimer toutes les surfaces qui ne représentent pas la structure d'intérêt.
  8. Utilisez l'outil « Ajouter Triangle » pour couvrir partiellement les trous dans les surfaces et le script « Réparation automatique » des lacunes complètement en restant proche.
  9. Sélectionnez le script « réparation Faces dégénérés » dans le menu d'action pour résoudre les bords sans surface et le mode « Appliquer Repair » script pour quitter « Réparer » avec la partie modifiée.
  10. Utilisez l'outil « Cut » pour supprimer les caractéristiques indésirables ou de réduire la taille du modèle. Désigner l'emplacement de chaque découpe dans la « X », « Y », ou plan « Z » dans le menu « Couper » de la zone de contexte.
  11. Utilisez l'outil « Exécuter Cut » et choisissez '; Trianguler Cut » dans les paramètres pour fermer automatiquement tous les trous résultants.
  12. Utilisez les outils « Sélectionnez Partie » et « Supprimer » en même temps supprimer toutes les surfaces résultant de la coupe qui ne représentent pas la structure d'intérêt.
    REMARQUE: Si la carte de surface va être avec un bar accolé à grande échelle, passez à l'étape suivante. La caractéristique anatomique et barre d'échelle sera mise à l'échelle en même temps après ils sont unis dans un seul STL.
  13. Sélectionnez l'option « échelle » pour modifier les dimensions de chaque carte de surface. Les modèles peuvent être dilatées (carotte osseuse) ou réduites en dimension (pied), ou maintenu à la taille originale (poignet) pour se loger dans un cube de 8 cm ou 5 cm x 5 cm prisme x 8 cm rectangulaire. Notez que les fichiers à ce stade peuvent être envoyés pour SSLE si aucune étiquette ou barres d'échelle sont souhaitées.

3. L'étiquetage Anatomical

  1. Sélectionnez l'option « Nouveau » dans le menu du programme de CAO (par exemple, Autodesk Inventor Professional) to créer un nouveau classeur en utilisant le modèle métrique pour un « standard (mm) .ipt » une partie.
  2. Sélectionnez l'option « Créer l'esquisse 2D » et choisissez un plan quelconque. Utilisez l'outil « Texte » dans le menu « Dessiner » de la barre d'outils pour produire des étiquettes anatomiques dactylographié avec la police souhaitée et la taille (Times New Roman et 2,0 mm).
  3. Lorsque vous avez terminé, sélectionnez l'option « Terminer Sketch » dans le menu « Quitter » de la barre d'outils.
  4. Sélectionnez le « Extrude » outil de la « Créer » le menu de la barre d'outils avec l'option « Texte 2D ». Désigner une profondeur d'extrusion (2,0 mm) avec le réglage symétrique.
  5. Étiquettes texte Exporter en format CAO avec réglage STL le « Enregistrer sous ».
  6. Ouvrez un nouveau classeur pour la production d'une ligne d'étiquette cylindrique. Sélectionnez l'option « Fichier » pour créer un nouveau modèle métrique avec une partie Standard (mm) .ipt '.
  7. Sélectionnez l'outil « Créer esquisse 2D » et choisissez un plan quelconque. Utilisez le « Centre« Outil dans le « Point Circle Menu Dessiner » de la barre d'outils pour produire un cercle avec un centre à l'origine.
  8. Utilisation de l'outil « dimension » dans le menu « contrainte » pour définir le diamètre du cercle (1,0 mm).
  9. Lorsque vous avez terminé, sélectionnez l'option « Terminer Sketch » dans le menu « Quitter » de la barre d'outils.
  10. Sélectionnez le « Extrude » outil choisi dans le « Créer » le menu de la barre d'outils avec l'option « texte 2D ». Sélectionner une profondeur d'extrusion (10,00 mm) avec le réglage symétrique.
  11. étiquettes de texte à l'exportation et cylindres en format CAO avec le réglage .stl « Enregistrer sous le type ».

4. Fixation des étiquettes

  1. Importer des modèles, des étiquettes de texte et des lignes d'étiquettes cylindriques dans le logiciel de préparation des données 3D.
  2. Traduire les étiquettes de texte à gauche ou à droite de l'anatomie associée à l'aide de la « Move Part » outil. Utiliser l'outil le « Rotation Partie » pour orienter les étiquettes de telle sorte qu'ils font face à ee même direction.
  3. Traduire et faire tourner les lignes d'étiquettes cylindriques en utilisant le « Déplacer la partie » et outils « Rotation Partie » pour connecter des étiquettes à des structures associées dans le modèle.
  4. Si nécessaire, entrez le mode « réparation » et utiliser le « Sélectionnez Triangles » et « Supprimer Triangles sélectionnés » pour réduire la taille des cylindres à la longueur appropriée.
  5. Si vous utilisez la version de base, sélectionnez toutes les pièces et enregistrer en tant que projet. Puis rouvrez ce projet dans la version professionnelle.
  6. Dans la version professionnelle, sélectionnez toutes les parties et à l'exportation comme une seule STL.

5. Barre d'échelle design

REMARQUE: Deux types de barres d'échelle sont conçus dans le programme de CAO. La première est présente sur la figure 1 et comporte trois barres d'échelle séparés, avec des marques de graduation à des mesures distinctes, se trouvant sur chaque plan. La seconde, compris dans la Figure 2, Figure 3, et la figure 4, est composé de lignes perpendiculaires se trouvant sur les trois axes et qui convergent dans un coin. Suivez les étapes 05.01 à 05.02 pour commencer la conception de chaque barre d'échelle.

  1. Créer un nouveau classeur dans le programme de CAO en sélectionnant une partie « Nouveau » et « Standard (mm) .ipt ».
  2. Sélectionnez « Créer l'esquisse 2D » et choisir l'une des trois plans pour commencer à travailler.
    REMARQUE: Continuer avec les étapes 5.3-5.16 pour produire le premier type de barre d'échelle. Les dimensions prévues ont été mises en oeuvre pour la création d'une échelle de 1 cm avec des marques de graduation à 25 mm.
  3. Utilisez les outils « Rectangle » et « dimension » pour dessiner un rectangle (10 mm x 0,25 mm) avec une largeur qui correspond à la longueur souhaitée de la barre d'échelle (10 mm) et une longueur d'une valeur raisonnable (0,25 mm). Placer le sommet inférieur gauche de l'origine si x-coordonnées peuvent être utilisées pour l'espacement des marques de graduation.
  4. Pour créer les marques de tiques, utiliser le til outil « Rectangle » pour dessiner un rectangle directement au-dessus de la barre d'échelle. Limiter la taille (0,025 mm x 0,432 mm) avec l'outil 'de dimension.
  5. En utilisant les coordonnées x, traduire le rectangle nouvellement formé de sorte qu'il se trouve à la distance voulue du bord. Ceci est la partie supérieure de la coche.
  6. Pour créer le fond de la coche, dessiner un autre rectangle, avec les mêmes dimensions que la moitié supérieure, directement au-dessous de la barre d'échelle. Utilisez l'outil « Aligner » pour aligner les deux moitiés de la coche.
  7. Choisissez l'outil « Trim » dans le menu « Modifier » et sélectionnez la zone où la barre d'échelle et les petites marques se chevauchent. Cela permettra d'éliminer les lignes en excès et permettre à la partie à interpréter comme une seule caractéristique lorsqu'il est extrudé.
  8. Répétez les étapes 05.04 à 05.07 pour le reste des marques de tiques.
  9. Lorsque vous avez terminé, sélectionnez l'option « Terminer Sketch » dans le menu « Quitter » de la barre d'outils.
  10. Choisissez « Extrude » sous les « Créer » hommesu et sélectionner la barre d'échelle. Déterminer une distance d'extrusion et la direction (0,25 mm et dans l'écran).
  11. Pour concevoir des étiquettes pour les coches, choisissez « Créer l'esquisse 2D » et sélectionnez la barre d'échelle que le plan de travail.
  12. Dans le menu « Draw », sélectionnez l'outil « Texte » pour créer du texte avec une certaine police et la taille (Times New Roman et 0,25 mm). Traduire le texte à la position désirée à côté de la barre d'échelle.
  13. Lorsque vous avez terminé, sélectionnez l'option « Terminer Sketch » dans le menu « Quitter » de la barre d'outils.
  14. Sélectionnez le « Extrude » outil de la « Créer » le menu de la barre d'outils avec l'option « Texte 2D ». Désigner une profondeur d'extrusion (0,25 mm) et la direction (à l'écran).
  15. Répétez les étapes 5.12 à 5.14 pour créer les autres étiquettes.
  16. Exporter la barre d'échelle terminée au format CAD avec le réglage .stl « Enregistrer sous ».
    REMARQUE: Après avoir terminé les étapes 05.01 à 05.16, continuez avec les étapes 5.17-5.31 pour créerle second type de barre d'échelle. Les mesures fournies ont été utilisées pour créer une barre d'échelle qui était de 2 cm sur chaque axe et 2 mm d'épaisseur.
  17. Sélectionnez l'outil « Rectangle » pour créer un carré et limiter la longueur et la largeur (2 mm x 2 mm) avec l'outil 'de dimension. Les dimensions sélectionnées dans cette étape permettra de déterminer l'épaisseur de la pièce.
  18. Sélectionnez « Terminer l'esquisse » pour revenir au réglage modèle 3D.
  19. Sous « Créer », choisissez « Extrude » et sélectionnez le carré dessiné en mode esquisse 2D. Choisir la profondeur d'extrusion souhaitée et la direction (20 mm et dans l'écran).
  20. Sélectionnez « Créer l'esquisse 2D » et continuer à travailler sur le même plan que l'esquisse précédente.
  21. Utiliser le « rectangle » et outils « dimension » pour dessiner un rectangle (2 mm x 18 mm) directement au-dessus de la place. Correspondre à la longueur du rectangle de la longueur de l'équerre (2 mm) et la largeur devrait être la taille souhaitée de la barre d'échelle, moins le wide de la place (20 mm - 2 mm = 18 mm). Appuyez sur Terminer l'esquisse 'une fois rempli.
  22. Sous « Créer », choisissez « Extrude » et sélectionnez le rectangle. Entrer une profondeur d'extrusion, ce qui devrait être la longueur de l'équerre (2 mm), et sélectionner une direction (à l'écran).
  23. Faites pivoter la partie de sorte qu'il ressemble à la lettre « L ». Créer une nouvelle esquisse 2D et sélectionnez l'avant du « L » comme le plan de travail.
  24. Dessiner un carré à l'angle des deux rectangles en utilisant l'outil « Rectangle ». Contraindre les dimensions (2 mm x 2 mm) de sorte qu'il correspond exactement dans le coin. Quittez l'esquisse avec l'outil le «Terminer l'esquisse.
  25. Sous la rubrique « Créer, », choisissez « Extrude » et sélectionnez la place nouvellement créée. Entrer une distance d'extrusion, ce qui devrait être la taille souhaitée de la barre d'échelle moins la largeur de la place (20 mm - 2 mm = 18 mm). Choisissez une direction (sur l'écran) et d'appliquer l'extrusion.
  26. Pour ajouter du texte indicating les dimensions de la barre d'échelle, créer un nouveau dessin 2D hors de tout plan.
  27. Utilisez l'outil « Texte » dans le menu « Dessiner » de la barre d'outils pour produire une étiquette avec la police souhaitée et la taille (Times New Roman et 2,5 mm).
  28. Traduire le texte à la position désirée à côté de la barre d'échelle. Quitter le mode dessin en sélectionnant «Terminer l'esquisse.
  29. Utiliser l'outil « Extrusion » et entrer une distance d'extrusion qui correspond à l'épaisseur de la barre d'échelle (2 mm) et la direction qui aligne l'étiquette avec la barre d'échelle (sur l'écran).
  30. Répétez les étapes 05.26 à 05.30 en utilisant les autres plans pour créer des étiquettes pour les trois axes.
  31. Lorsque vous avez terminé, exporter la barre d'échelle et de ses étiquettes d'accompagnement au format CAO avec le « Enregistrer sous le type » paramètre .stl.

6. Ajout de barres d'échelle aux modèles anatomiques

  1. Ouvrez le modèle anatomique dans le logiciel de préparation des données 3D et importer la barre d'échelle.
  2. Utilisez le '; Déplacer des outils « et « Rotation Partie » Partie pour orienter la barre d'échelle à côté du modèle anatomique.
  3. Si le premier type de barre d'échelle a été créée, importez la partie deux fois. Traduire et faire pivoter les barres d'échelle individuels pour une se trouve sur chaque axe.
  4. Si vous utilisez la version de base, sélectionnez toutes les pièces et enregistrer en tant que projet.
  5. Ouvrez le fichier dans la version professionnelle. Sélectionner toutes les parties et à l'exportation comme une seule STL.
    REMARQUE: Les dimensions sont conservées lorsque les cartes de surface et les barres d'échelle sont importés dans la version de base ou professionnelle. Avant la gravure, des cartes de surface, ainsi que des étiquettes associées et les barres d'échelle, sont ajustés pour tenir dans les cristaux. Étant donné que les barres d'échelle sont mis à l'échelle au même rythme que les modèles, les modifications dans la taille des barres d'échelle sont représentatifs des changements de dimension dans les structures anatomiques.

7. Réduction de visages

  1. Utiliser l'outil « importation Mesh » pour ajouter un fichier .STL dans le pro de traitement de maillage 3Dgramme. Des ajustements seront appliqués au modèle de surface et tous les composants, y compris les barres de texte et d'échelle, puisque le logiciel interprète le maillage comme une partie.
  2. Sous « Filtres » et « Remaillage, la simplification et la reconstruction », sélectionnez l'outil « Quadratic bord Collapse décimation » pour réduire le nombre de faces présentes dans le maillage.
  3. Entrez le nombre désiré de faces (100 000) sous le « nombre cible de visages » et sélectionnez « Appliquer ». Cette opération se fait pour créer une taille de fichier gérable pour le logiciel SSLE et éviter l'excès de temps de gravure.
  4. Exporter le produit fini comme STL en utilisant la « Exporter Mesh sous ... » réglage.

8. Modèle de gravure en cristal

REMARQUE: Les fichiers STL remplis sont transmis à un collaborateur industriel, où les cristaux de verre sont gravés au laser pour produire des modèles physiques des données anatomiques. Pour obtenir des renseignements et une aide supplémentaire, plfacilité avec les auteurs de l'industrie de ce manuscrit.

  1. Ouvrez le fichier STL dans un logiciel de gravure laser et convertir un fichier SCAX.
  2. Importer le fichier SCAX dans un logiciel connecté à la machine de gravure laser 3D.
  3. Définir une taille de cristal approprié pour l'interface avec le fichier SCAX.
  4. Réglez la puissance du laser et entrez une tension et la densité. Bien que 8,5 V et 0,2 sont généralement choisis pour la tension et la densité, d'autres mesures peuvent être déterminées en réduisant la tension et augmentant la densité, en veillant à ce que le cristal ne se fissure pas ou se casser.
  5. Envoyer le fichier à un graveur laser 3D pour la production de cristal.

Representative Results

gravure au laser sous la surface de cristaux de verre est un moyen de profonds pour visualiser de nombreux types de données d'imagerie tomographique biomédicales. La figure 1 incorpore des données CT précliniques, tandis que la figure 2, la figure 3, et la figure 4 montrent comment la tomodensitométrie cliniques peuvent également être utilisés. Étant donné que les dimensions sont modifiées avant la gravure, des structures de différentes tailles peuvent être représentés par gravure au laser. Bien que la figure 2 illustre la façon dont anatomies peuvent être imprimés à l' échelle, la plupart des structures doivent être mis à l' échelle vers le haut ou vers le bas. Deux types de barres d'échelle peuvent être mises en œuvre pour mesurer les changements de dimension: celle qui couvre les côtés de la structure et une autre avec les trois axes convergeant dans un coin. Le premier type est idéal pour les structures dilatés, tels que le noyau de l'os, tandis que le second type est le mieux adapté à destructures -Scale ou réduite. En outre, la taille du cristal est associé à la forme de la structure anatomique. Par conséquent, le pied est placé dans un cube tandis que la jambe a été mis en suspension dans un prisme rectangulaire.

Une caractéristique clé de la gravure sous-surface est la possibilité de joindre des étiquettes de texte à des caractéristiques anatomiques. La technique peut être appliquée à différents types de données d'imagerie, avec un placement optimal de l'étiquette en fonction de la géométrie de la structure. Dans la figure 2, le texte a été placé sur deux plans d'espacer les étiquettes et à éviter d' obstruer la vue de l'anatomie. Pour la figure 3 et la figure 4, les os peuvent être clairement vus d'un côté de sorte que les étiquettes ont été placées sur un seul plan.

Figure 1
Figure 1. données CT pré-clinique d'un ensemble de base d'os de mouton, affiché pratiquement et mis en suspension dans un cristal gravé en 3D. Logiciel d'imagerie a été utilisé pour générer et fixer des barres d'échelle à une carte de surface d'un 1 cm d'os de mouton isotopique (à gauche). La structure a subi une augmentation de cinq fois de la dimension le long de chaque axe, comme indiqué par les barres d'échelle, et a été gravé au laser dans un cristal de 8 cm carré (à droite). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2. Les données cliniques CT d'un poignet cassé avec des étiquettes anatomiques, affichés virtuellement et gravés en cristal. Un ensemble de données CT clinique d'un poignet humain avec un rayon cassé a été transformé en une carte de surface grâce à un logiciel informatique. étiquettes anatomiques et une barre d'échelle de 2 cm w avant générée en utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO) et attaché au modèle (à gauche). Un graveur laser 3D inscrite dans la structure d'un cristal de cube de 8 cm (à droite). La barre d'échelle a conservé sa taille, ce qui démontre le poignet a été produit à l'échelle. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

figure 3
Figure 3. pied humain marqué avec des marqueurs anatomiques anatomique, pratiquement affiché et gravé en cristal. Un ensemble de données de CT d'un pied humain a été converti en un modèle en niveaux de gris avec un logiciel d'imagerie. Texte et une barre d'échelle de 4 cm ont été créés à l'aide CAO et incorporés à la carte de surface (à gauche). Le modèle a été réduite à la moitié de sa taille et gravé au laser dans un cube de cristal de 8 cm (à droite). 55340 / 55340fig3large.jpg » target = « _ blank »> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4. Les données CT cliniques définies d'une jambe humaine marquée anatomiquement utilisant un logiciel informatique et gravés en cristal. Les logiciels ont été utilisés pour préparer une carte de la surface à partir d'un scanner humain complet et à la section de la jambe par rapport au reste du corps. étiquettes anatomiques et une barre d'échelle de 2,5 cm conçu avec CAD ont été fixées (à gauche) et la structure a été gravé dans un 5 cm x 5 cm x 8 cm cristal (à droite). La barre d'échelle dans le cristal illustre la jambe a été réduit dans un rapport de 5: 3. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

ys "> impression en 3D Sous-surface Gravure au laser (SSLE) de cristaux avantages expérience tactile Création de structures dans l'espace libre modèles tout en couleur Génération de modèles multi-pièces représentation à échelle possible avec plus grande variété de structures Fixation des étiquettes anatomiques matière plastique solide résistant aux chutes Les barres d'échelle suspendus dans le modèle Les imprimantes bon marché de qualité des consommateurs disponibles Haute résolution et précision Haute résolution des imprimantes de qualité professionnelle Temps de production court Facile à relier des sous-unités anatomiques séparées ensemble dans l'espace 3D Structures à l'intérieur cristal non susceptibles d'être endommagés à l'extérieur Faibles coûts matériels graveurs laser à prix modéré Désavantages Difficile de relier des sous-unités anatomiques séparées dans l'espace 3D Aucune expérience tactile Le coût et le temps de production varient selon la complexité Niveaux de gris Plus sensibles aux erreurs de production Taille limitée par le cristal Les lavages post-production peuvent être nécessaires Représentation à l'échelle difficile Résolution limitée par des extrudeuses en plastique Densité limitée par laser Les pièces peuvent puce hors du modèle Les cristaux peuvent puce ou briser en cas de chute imprimantes de qualité professionnelle coûteuses Les prix des matières varient considérablement

Tableau 1. Avantages et inconvénients de l' impression 3D et SSLE pour la production de modèles anatomiques. l'impression 3D et SSLE sont deux moyens de visualisation de données d'imagerie tomographique biomédicale, et chacun possède un certain nombre de forces et faiblesses en ce qui concerne la création de modèles physiques des données.

Discussion

ensembles de données précliniques et cliniques acquises dans le cadre des modalités d'imagerie biomédicale ont joué un rôle important dans la recherche moderne et les progrès médicaux. Avant de moyens de visualisation de données biomédicales inclus affichage de l'ordinateur et les modèles physiques générés par la coulée traditionnelle ou des approches modernes d'impression 3D. Nous décrivons ici une méthode de gravure de cristal 3D comme un autre moyen de visualisation de données biomédicales tomographiques car il génère, des modèles étiquetés bien définis de façon simple. Ces modèles relativement peu coûteux peuvent être utilisés plus largement des outils pédagogiques. L'utilisation de la gravure sur cristal pour représenter avec précision les données anatomiques, il donne un potentiel élevé dans les milieux cliniques et éducatifs. La capacité de visualiser les données dans un format physique, en trois dimensions surmonte les limites des formes traditionnelles d'éducation en utilisant des images plates ou virtuels 9 rendus. Haute résolution des structures gravées et la fixation desétiquettes à des caractéristiques spécifiques visibles facilitent l'utilisation de ces modèles pour l'éducation des patients ou de l'étudiant. De plus, cette modalité offre la possibilité d'identifier et d'observer les causes et les aspects des états pathologiques dans un échantillon. Par exemple, la classification et l' emplacement d'une fracture osseuse, comme le poignet fracturé indique la figure 2, fournit une compréhension plus complète de la relation des états pathologiques et d' autres signes physiques apparents et / ou les symptômes des patients.

Grâce à la gravure en cristal 3D, des ensembles de données CT précliniques et cliniques ont été représentés comme des structures physiques inscrites dans les cristaux. Les données précliniques CT ont été acquises à l'aide d'un scanner de microtomographie, alors que les images CT cliniques ont été recueillies à partir de sources radiologiques cliniques. Avant un traitement ultérieur, des données d'imagerie clinique est converti en fichiers DICOM décompressées via le logiciel d'imagerie. logiciels ultérieurs transforment les fichiers DICOM reconstruits dans des cartes de surface. La modification de ces cartes de surface et la génération d'étiquettes anatomiques et barres d'échelle sont accomplies avec le logiciel de préparation de données et la conception assistée par ordinateur (CAO). Les fichiers STL complétés sont réduits et convertis en fichiers SCAX. Après sont définis, les fichiers sont lus la taille des cristaux et de la puissance laser par une machine de gravure laser 3D qui crée les structures anatomiques de forme libre en cristal.

Le procédé décrit ci-dessus peut être appliqué à différents ensembles de données cliniques et pré-cliniques. Alors que les jeux de données CT ont été mis en œuvre dans ce projet, il est possible que les données obtenues à partir d'autres modalités d'imagerie peuvent être visualisées en cristal, y compris l'échographie 3D (Etats-Unis), imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomographie par émission de positons (TEP). En outre, d'autres structures anatomiques de l'homme et des échantillons biologiques peuvent être imagés et représentés dans ce milieu. Cependant, les cristaux sont de tailles prédéterminées et les structures devront être coupés ou mis à l'échelle en conséquence. Il est conseillé de faire correspondre ee géométrie de la pièce anatomique à la taille du cristal. Par exemple, une jambe qui convient le mieux dans un 5 cm x 5 cm x 8 cm solide rectangulaire (figure 4), tandis que le pied est adapté à un cube de 8 cm (Figure 3). Les modifications apportées à la taille, la police et l'épaisseur du texte peuvent être effectuées dans le logiciel de CAO. De plus, il est préférable de placer des étiquettes sur un ou deux plans afin de lire clairement les étiquettes sans obstruer la vue de l'anatomie lors de la rotation du cristal à d'autres visages.

Deux autres facteurs doivent être pris en considération lors de l'exécution SSLE des données anatomiques: le nombre de faces dans une carte de surface et la taille de chaque point qui est gravé au laser dans le cristal. Ces facteurs influent sur le nombre et la taille des points qui absorberont la lumière incidente et donc potentiellement améliorer ou nuire à une visualisation SSLE donnée. Tout d'abord, le nombre de faces, qui est directement proportionnelle au nombre de points dans l'espace 3D,influencera à la fois la résolution globale et « luminosité / contraste » du modèle affiché. Dans chacun des exemples présentés ici, le fichier STL achevé a été réduit à 100.000 visages sans dégradation apparente du produit cristallin résultant, quelle que soit la taille ou le grossissement. La luminosité / contraste global a également été en utilisant cette approche acceptable. La valeur 100 000 est la plage sans danger pour le graveur utilisé pour ne pas surcharger le logiciel et le matériel. Cependant, dans certains cas, des faces supplémentaires peuvent être nécessaires pour afficher correctement un ensemble de données, et ces fichiers peuvent être considérés comme expérimentaux jusqu'à leur achèvement avec succès. En outre, la taille de chaque point qui est « brûlé » dans le cristal peut être réglé par la tension et les valeurs d'entrée « densité » de la gravure pour améliorer le contraste de luminosité de sortie. En l'espèce, les valeurs par défaut de tension: 8,5 et 0,2: Densité ont été sélectionnés. Bien que ces valeurs représentent un point de départ, ils peuvent être modifiés dans unessai et mode d'erreur pour améliorer la visualisation des données selon les besoins.

Il y a un certain nombre d'avantages de l'utilisation gravure de cristal 3D pour l'affichage des données d'imagerie préclinique et clinique. Les cristaux sont généralement produites en moins de 30 minutes, tout en 3D des structures imprimées peuvent nécessiter plusieurs heures, en fonction de leur taille et de la complexité 16, 20, 22. La gravure au laser peut être utilisé pour représenter des structures suspendues sans l'utilisation de l' aide, ce qui facilite la production de fonctionnalités complexes ou suspendus de l'anatomie sans réduire la précision avec du matériel supplémentaire 16. Avec une résolution de 800-1200 DPI et une précision inférieure à 10 um, ces modèles ressemblent étroitement à des données médicales 24. Alors que professionnels des imprimantes 3D ont une résolution similaire d'environ 600 DPI dans le XY et 1600 DPI en Z, ils sont généralement moins accuré (20-200 um) 17, 19, 20 (Tableau 1).

Gravure de cristal 3D possède un fort potentiel, mais est limité dans quelques domaines. Puisque les données sont gravées dans le cristal, les utilisateurs ne peuvent pas avoir une expérience tactile avec les pièces anatomiques. représentations sont difficiles à échelle pour produire des données est généralement mise à l'échelle vers le haut ou vers le bas pour tenir dans les cristaux. En outre, le laser ne peut que buriner en niveaux de gris avec un contraste minimal. La densité de la structure est également limitée par la capacité du laser à traiter les données. La stabilité de l' ensemble de cristaux est un avantage pour une utilisation potentielle sur plusieurs années, mais le verre solide ne peut pas résister à tomber sur des surfaces dures (tableau 1).

En dépit de ces limitations, la gravure sur cristal 3D détient une valeur importante en tant que moyen pour la visualisation des données biomédicales. Lors du démarrageun soutien matériel et doivent être prises en compte avec les imprimantes 3D, ces aspects ne doivent pas nécessairement être pris en considération pour la gravure au laser. pièces plus complexes, comme le pied humain, peuvent être représentés en conséquence. Bien que l'augmentation du temps de production légèrement avec des structures plus complexes, aucun matériel supplémentaire est nécessaire et le coût du modèle reste le même. La capacité du laser pour graver le verre dans un mode point par point produit des structures hautement définies qui affichent les détails fins des données biomédicales, comme indiqué dans le rayon cassé sur la figure 2. En outre, la mise en place de ces structures à l'intérieur des cristaux qui les rend résistants aux dommages extérieurs. Contrairement aux matières plastiques solides utilisés sur plusieurs plates-formes d'impression 3D, les surfaces de verre translucides permettent des structures internes à visualiser d'une manière simple. L'un des outils les plus puissants de la gravure sur cristal 3D est sa capacité d'étiqueter des pièces individuelles, et également ajouter une barre d'échelle de référence de taille. Cetechnique ajoute une valeur éducative importante aux cristaux que les étudiants de tous les niveaux peuvent apprendre l'anatomie et d'interagir avec les données cliniques, deux composantes précieuses de l'éducation médicale et biologique, dans un modèle. Combiné avec la possibilité de les tenir dans la paume d'une main de structures et vue à une variété d'angles, l'étiquetage améliore grandement la valeur éducative de ces modèles. En conséquence, les cristaux gravés 3D ont une large applicabilité pour une utilisation dans les cours d'anatomie, la pratique clinique et l'enseignement général.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

Nous remercions le Collège des sciences d'été de premier cycle de bourses de recherche (SURF) pour leur soutien financier de ce projet. Les auteurs remercient également le professeur Glen Niebur, Université de Notre Dame, pour fournir des échantillons d'os (détaillés ci-dessus) utilisés dans cette étude.

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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Scaled Modèle Anatomique Création d'étiquettes de données biomédicale tomographique Imaging et associés pour subsurface Gravure au laser ultérieure (SSLE) de cristaux de verre
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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

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).

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