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.
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.
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, <sup class = "xref"> 20. Le prix varie également sensiblement de qualité des consommateurs aux imprimeurs professionnels 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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |