Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Skalade Anatomical Modell Skapande av Biomedical tomografisk bildåtergivnings Data och associerade Etiketter för Efterföljande Sub-yta lasergravyr (SSLE) av glas Kristaller

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

Summary

En metodik beskrivs häri för att representera anatomiska avbildningsdata inom kristaller. Vi skapar skalas tredimensionella modeller av biomedicinska avbildningsdata för användning i Sub-Surface lasergravyr (SSLE) av kristallglas. Detta verktyg erbjuder ett bra komplement till beräknings display eller tre-dimensionellt tryckta modeller som används inom klinisk eller utbildningsmiljöer.

Abstract

Biomedicinska avbildningsmetoder såsom datortomografi (CT) och magnetisk resonans (MR) ger utmärkta plattformar för uppsamling tredimensionella datauppsättningar av patienten eller preparat anatomi i kliniska eller prekliniska inställningar. Men användningen av en virtuell, på skärmen begränsar möjligheterna för dessa tomografiska bilder till fullo förmedla anatomisk information inbäddad i. En lösning är att samverka en biomedicinsk avbildning datauppsättning med 3D-utskriftsteknik för att skapa en fysisk kopia. Här har vi detaljerat en kompletterande metod för att visualisera tomografiska avbildningsdata med en handhållen modell: Sub Surface lasergravyr (SSLE) av kristallglas. SSLE erbjuder flera unika fördelar inklusive: den enkla förmåga att inkludera anatomiska etiketter samt en skala bar; strömlinjeformad flerdelad montering av komplexa strukturer i ett medium; hög upplösning i X, Y, och Z-planen; och semitransparenta skal för visualisering av inre anatomiska understrukturer. här we demonstrera processen enligt SSLE med CT datauppsättningar erhållna från prekliniska och kliniska källor. Detta protokoll kommer att fungera som en kraftfull och billig nytt verktyg för att visualisera komplexa anatomiska strukturer för forskare och studenter i ett antal utbildnings- och forskningsmiljöer.

Introduction

Biomedicinska avbildningsmetoder såsom datortomografi (CT) eller magnetisk resonanstomografi (MRT) används rutinmässigt av den medicinska, forskning, och akademiska världen till icke-invasivt undersöka de interna strukturerna av humana eller biologiska objekt 1, 2, 3. I modern medicin, denna teknik möjliggör mer välgrundade diagnoser och därmed förbättrad patientbehandling 4. I synnerhet tillhandahåller CT en utmärkt möjlighet för 3-D rekonstruktion grund av dess höga upplösning och isotropiska voxel egenskaper (identisk längd av varje kubkant). 5 Vidare är mjukvarupaket finns tillgängliga som gör biomedicinska bildinformationen i tre dimensioner (3D) för högre ordningens funktioner som datorstödd kirurgi och virtuell endoskopi 6. Inom preklinisk forskning, ger icke-förstörande bild en translationell plattformsom att studera sjukdomsmodeller hos möss och råttor 7. Digitala bibliotek, såsom den biologiska databasen Digital morfologi (http://digimorph.org), har befolkat med CT-data som härrör från olika prover eller kliniska sjukdomstillstånd för lätt åtkomst av de bredare vetenskapliga och medicinska samfund 8.

För närvarande har biomedicinsk avbildning uppgifter har visualiseras i virtuella rymden på datorskärmar eller i det fysiska rummet med handhållna modeller. Även programvara tillåter användare att dissekera och manipulera data, fysiska repliker är ett trevligt komplement med utmärkt pedagogiskt fördel 9, 10. Traditionella modeller har alstrats med användning av en låg kostnad gjutningsprocess i vilken basiska formarna är fyllda med harts som hårdnar till den önskade strukturen 11. Gjutna modeller är mottagliga för billig masstillverkning, men är begränsade till grundläggandestrukturer som inte är härledda från patientens datamängder. Under de senaste fem åren har 3D tryckta kopior av människans anatomi blivit allt vanligare på grund av den höga komplexitet och ofta patientspecifika, föremål som kan genereras och visas. Dessa modeller är skapade av maskiner som deposition flytande eller smält plast i tillsatsskikt, och har bistått läkare med diagnosen, komplexa operationer, behandling av sjukdomar, protesdesign, och patient kommunikation 12, 13. Vidare omfattande tillgång till konsument kvalitet 3D-skrivare i primära, sekundära och kollegiala skolmiljöer tjänar till att öka den pedagogiska effekten av delad anatomisk modell filer 14, 15.

Sammantaget har 3D-utskrifter betydligt avancerade utvecklingen av anatomiska modeller inom medicin, men det har begränsningar. För det första skapandet av multi-delen anatomiska modeller kan vara en utmaning, eftersom ytterligare arbete krävs ofta att digitalt binda separata delar tillsammans som annars kan falla isär 16. Också, opaciteten för många 3D tryckt material, i synnerhet för konsument-grade maskiner, förhindrar visualisering av interna understrukturer som ger ytterligare insikt om ett prov på ben och mjukvävnad. Vidare, flytande eller smälta plast extrudrar begränsa upplösningen av 3D utskrifter. Extrudrarna av professionella skrivare är ungefär 50 pm i diameter och möjliggöra en skikttjocklek av 14 ^ m, med en upplösning på upp till 600 punkter per tum (DPI) i X- och Y-axlarna och 1600 DPI i Z-axeln 17, 18 . I jämförelse, konsument-grade 3D-skrivare har extrudrar som är runt 400 pm i diameter och ger en skikttjocklek av 100 ^ m och en upplösning ungefär motsvarar 42 DPI 19, 20, 21. Dessutom, höga materialkostnader förhindra industriell massproduktion från att uppnå stordriftsfördelar 22.

Sub Surface lasergravyr (SSLE), eller 3D-kristall gravyr, utnyttjar en laserstråle för att bilda små "bubblor" eller punkter med hög precision vid tusentals X, Y, koordinater Z i en styv, hög renhet, kubisk, glasmatris 23. Varje punkt är 20-40 um, vilket ger upplösning mellan 800-1200 DPI 24. Vidare varje punkt är semitransparent, vilket möjliggör visualisering av interna underordnade strukturer. Multipla, frånkopplade delar är representerade i samma kristall och ytterligare material erfordras inte för stora, intrikata strukturer. Eftersom matrisen är fast, kan anatomiska etiketter och storleksskal barer sättas för att förbättraden pedagogiska potentialen hos bilddata som visas inom. Här presenterar vi en process i vilken röntgenberäknad tomografi data (CT) är formaterade för kristall SSLE. Först kan data samlas in från kommersiella prekliniska microCT system, kliniska skannrar från röntgenavdelningar / unis, eller kommer från online-arkiv som National Biomedical Imaging Archive (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 här kan vi visa detta tillvägagångssätt med får ben kärna, brutna handleden, märkt fot, och märkta benet kristaller för att illustrera förmågan att införliva både prekliniska och kliniska data anpassa storleken av anatomiska strukturer, och samordna ett strukturens geometri med kristallstorlek. Med tanke på den enkla karaktären av SSLE och redan utbredda användningen av STL-filer i 3D-utskrifter, tillverkning av märkta anatomiska kristaller ger en spännande hand handhållna visualiseringsverktyg för användning inom den akademiska och utbildnings samhällen.

Protocol

Alla mänskliga datortomografi dataset var anonymiseras enligt godkänd SJRMC protokollet.

1. CT Data Acquisition of Pre-kliniska och kliniska prover

  1. Genomför micro röntgen datortomografi för att generera en preklinisk datamängd. I det aktuella fallet, använd en microCT att avbilda ett ben kärn provet med följande inställningar: 45 kV, 0,4 mA, och 1000 utsprång. 5
  2. Rekonstruera rådata med hög upplösning (125 | j, m isotrop voxel). För att ytterligare öka upplösningen, identifiera och rekonstruera en 1 cm kub med ett centrum vid volymen ursprung (10 | j, m isotrop voxel).
  3. Exportera rekonstruerade datamängden i DICOM-format för ytterligare behandling.
  4. Alternativt kan förvärva rekonstruerade CT datamängder, såsom de av bruten handled och fot som används i denna studie, från kliniska medarbetare (data visas här förvärvats från Saint Joseph Regional Medical Center) eller öppen källkod DICOM arkiv (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importera filer till DICOM bildprogram och export som dekomprimerade DICOM-filer vid behov.

2. Data Processing

  1. Öppna varje DICOM datamängd (bestående av alla bildskivor) med hjälp av 'Load DICOM' i 'Visa' inställning av bildbehandlingsprogram.
  2. Spara varje datamängd som nifti analysera en etablerad bildformatet för vetenskaplig analys. Importera nifti filer i ett program med etablerad användning inom medicinsk bildbehandling beräknas och automatiserad segmentering för generering av kartor yta (t.ex. 3DSlicer).
  3. Ladda upp en given nifti fil i ytan kartgeneratorn program med 'Lägg till data' verktyg.
  4. Välj 'gråskala Model Maker' verktyg med specifikationen "Skapa och Döp nya modellen". Fastställa lägre tröskelvärden till cirka 300 HU för segmentering av ben.
  5. Spara gråskala modellersom STL-filer för ytterligare databehandling.
  6. Importera varje yta karta i 3D-data förberedelse programvara (t.ex. Netfabb Studio Basic) och välj 'Repair' -läge.
  7. Använd 'Välj del' och 'Ta bort' verktyg för att ta bort alla ytor som inte representerar strukturen av intresse.
  8. Använd 'Lägg till triangeln' verktyg för att delvis täcka hålen i ytorna och 'Automatic Repair' skript för att helt stänga återstående luckor.
  9. Välj 'Reparation Degenererade Faces' skript i åtgärdsmenyn för att lösa kanter utan yta och 'Apply Repair' skript för att avsluta 'Repair' -läge med den modifierade delen.
  10. Använd 'Cut' för att ta bort oönskade funktioner eller minska storleken på modellen. Utse platsen för varje skär i 'X', 'Y' eller 'Z' plan i 'Cut' menyn i sammanhanget området.
  11. Använd 'Utför Cut' verktyget och välja "; Triangulera Cut' i inställningarna för att automatiskt stänga alla resulterar hål.
  12. Använd 'Välj del' och 'Ta bort' verktyg samtidigt för att radera alla ytor till följd av snitt som inte representerar strukturen av intresse.
    OBS: Om ytan kartan kommer att angränsar med en skala bar, hoppa över nästa steg. Den anatomiska särdrag och skala bar kommer att skalas samtidigt efter att de förenas i en enda STL.
  13. Välj 'Scale' möjlighet att ändra måtten på varje yta karta. Modeller kan dilaterade (ben kärna) eller minskas i dimension (fot), eller bibehålls i originalstorlek (handled) för att passa i ett 8 cm kub eller 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulärt prisma. Observera att filer i detta skede kan skickas för SSLE om inga etiketter eller skalstänger önskas.

3. Anatomiska Märkning

  1. Välj 'Ny' i menyn av CAD-program (t.ex. Autodesk Inventor Professional) to skapa en ny arbetsbok genom att använda det metriska mall för en 'Standard (mm) .ipt' del.
  2. Välj 'Skapa 2D Sketch' alternativ och välja någon plan. Använd 'Text' verktyg i 'Rita' menyn i verktygsfältet för att producera maskinskrivna anatomiska etiketter med önskat teckensnitt och storlek (Times New Roman och 2,0 mm).
  3. När du är klar väljer du 'Finish Sketch' alternativ i 'Exit' -menyn i verktygsfältet.
  4. Välj 'Extrude' verktyg från 'Skapa' menyn i verktygsfältet med alternativet '2D Text'. Utse en strängsprutningsdjup (2,0 mm) med den symmetriska inställning.
  5. Export text etiketter i CAD-format med 'Filformat' STL inställning.
  6. Öppna en ny arbetsbok för tillverkning av en cylindrisk etikettlinje. Välj 'File' alternativ för att skapa en ny mått mall med en 'Standard (mm) .ipt' del.
  7. Välj 'Skapa 2D Sketch' verktyg och välja någon plan. Använd 'CenterPoint Circle' verktyg i 'Rita' -menyn i verktygsfältet för att producera en cirkel med ett centrum i origo.
  8. Använda 'dimensionen' verktyget i menyn 'Constraint' för att ställa in diametern på den cirkel (1,0 mm).
  9. När du är klar väljer du 'Finish Sketch' alternativ i 'Exit' -menyn i verktygsfältet.
  10. Välj 'Extrude' verktyg väljs från 'Skapa' menyn i verktygsfältet med alternativet '2D text'. Välj en strängsprutningsdjup (10,00 mm) med den symmetriska inställning.
  11. Exporttextetiketter och cylindrar i CAD-format med 'Spara som typ' .stl inställning.

4. Fästande av etiketter

  1. Importera modeller, textetiketter och cylindriska etikettlinjer in i 3D-data förberedelse programvara.
  2. Översätta textetiketter till vänster eller höger om den tillhörande anatomi med hjälp av 'flytta en del' verktyg. Använd 'Rotate Part' verktyg för att orientera etiketter så att de möter the samma riktning.
  3. Översätta och rotera cylindriska etikett linjer med hjälp av 'Move Del' och 'Rotate Del' verktyg för att ansluta etiketter till tillhörande strukturer inom modellen.
  4. Om det behövs anger 'Reparation' -läge och använd 'Select trianglar' och 'Ta bort markerade Trianglar' för att minska storleken på cylindrar till lämplig längd.
  5. Om du använder basversionen, markera alla delar och spara som ett projekt. Sedan återuppta detta projekt i den professionella versionen.
  6. I den professionella versionen, markera alla delar och export som en enda STL.

5. Skala Bar Design

OBS: Två typer av skalstänger är utformade i CAD-program. Den första är närvarande i figur 1 och innefattar tre separata skal barer, med skalstreck vid distinkta mätningar, som ligger på varje plan. Den andra, som ingår i fig 2, figure 3, & figur 4, består av vinkelräta linjer som ligger på de tre axlarna och konvergerande vid ett hörn. Följ steg 5,1-5,2 för att börja utforma varje skala bar.

  1. Skapa en ny arbetsbok i CAD-program genom att välja 'Ny' och 'Standard (mm) .ipt' del.
  2. Välj 'Skapa 2D Sketch' och välja någon av de tre planen att börja arbeta på.
    OBS: Fortsätt med steg 5.3-5.16 för att producera den första typen av skal bar. Dimensionerna som tillhandahålls fördes för skapandet av en 1 cm skala bar med skalstreck vid steg om 25 mm.
  3. Använda 'rektangulära' och 'Dimension' verktyg för att rita en rektangel (10 mm x 0,25 mm) med en bredd som motsvarar den önskade längden av skalan bar (10 mm) och en längd av något rimligt värde (0,25 mm). Placera den nedre vänstra hörn om ursprunget så x-koordinater kan användas för avståndet mellan skalstrecken.
  4. För att skapa skalstreck, använda than rektangel "verktyg för att rita en rektangel direkt ovanför skalan bar. Begränsa storleken (0,025 mm x 0,432 mm) med den 'Dimension' verktyg.
  5. Med användning av x-koordinaterna, översätta den nybildade rektangeln så att den ligger vid det önskade avståndet från kanten. Detta är högst upp i bock.
  6. För att skapa botten av bock, rita en annan rektangel med samma dimensioner som den övre halvan, direkt under skalan bar. Använd 'Justera' verktyg för att rikta in de två halvorna av bock.
  7. Välj 'Trim' verktyg i 'Ändra' menyn och välj det område där skalan bar och skalstreck överlappar varandra. Detta kommer att avlägsna överskott av linjer och låta den del som skall tolkas som en enda funktion när extruderas.
  8. Upprepa steg 5,4-5,7 för resten av markeringarna.
  9. När du är klar väljer du 'Finish Sketch' alternativ i 'Exit' -menyn i verktygsfältet.
  10. Välj 'Extrude' under 'Skapa' mänu och välj skala bar. Bestämma en strängsprutnings avstånd och riktning (0,25 mm och in i skärmen).
  11. Att utforma etiketter för skalstreck genom att välja 'Skapa 2D Sketch' och välj skalan bar som arbetsplanet.
  12. Under menyn 'Rita', välj 'Text' verktyg för att skapa text med ett visst teckensnitt och storlek (Times New Roman och 0,25 mm). Översätta texten till dess önskade läge intill skalan bar.
  13. När du är klar väljer du 'Finish Sketch' alternativ i 'Exit' -menyn i verktygsfältet.
  14. Välj 'Extrude' verktyg från 'Skapa' menyn i verktygsfältet med alternativet '2D Text'. Utse en strängsprutningsdjup (0,25 mm) och riktningen (in i skärmen).
  15. Upprepa steg från 5,12 till 5,14 för att skapa andra etiketter.
  16. Exportera färdig skala bar i CAD-format med 'Filformat' .stl inställning.
    OBS: Efter att ha avslutat steg 5,1-5,16, fortsätt med steg 5.17-5.31 för att skapaden andra typen av våg bar. Mätningarna som tillhandahålls utnyttjades för att skapa en skala bar som var 2 cm på varje axel och 2 mm tjocka.
  17. Välj 'rektangulära' verktyg för att skapa en kvadrat och begränsa längden och bredden (2 mm x 2 mm) med den 'Dimension' verktyg. Dimensionerna som valts i detta steg kommer att bestämma tjockleken av delen.
  18. Välj 'Finish Sketch' för att återgå till inställningen 3D-modellen.
  19. Under 'Skapa', välj 'Extrude' och välj torget dras i 2D skissar läge. Välja den önskade strängsprutnings djup och riktning (20 mm och in i skärmen).
  20. Välj 'Skapa 2D Sketch' och fortsätta arbeta på samma plan som tidigare skiss.
  21. Använda 'rektangulära' och 'Dimension' verktyg för att rita en rektangel (2 mm x 18 mm) direkt ovanför den fyrkantiga. Matcha längden av rektangeln till längden av kvadraten (2 mm) och bredden bör vara den önskade storleken av skalan bar minus width i kvadrat (20 mm - 2 mm = 18 mm). Tryck på 'Finish Sketch' när den är klar.
  22. Under 'Skapa', välj 'Extrude' och välj rektangeln. Ange en strängsprutningsdjup, som bör vara längden på kvadraten (2 mm), och väljer en riktning (in i skärmen).
  23. Rotera del så att det ser ut som bokstaven 'L'. Skapa en ny 2D-skiss och välj framsidan av 'L' som arbetsplanet.
  24. Rita en kvadrat i hörnet av de två rektanglarna genom att använda 'rektangel' verktyg. Begränsa dimensionerna (2 mm x 2 mm), så att den passar exakt i hörnet. Avsluta skissen med 'Finish Sketch' verktyg.
  25. Under 'Skapa', välj 'Extrude' och välj den nyskapade torget. Ange en strängsprutnings avstånd, som bör vara den önskade storleken av skalan bar minus bredden av kvadraten (20 mm - 2 mm = 18 mm). Välj en riktning (av skärmen) och tillämpar extrudering.
  26. För att lägga till text indicating dimensionerna hos skalan bar, skapa en ny 2D-skiss av av vilket som helst plan.
  27. Använd 'Text' verktyg i 'Rita' -menyn i verktygsfältet för att producera en etikett med önskat teckensnitt och storlek (Times New Roman och 2,5 mm).
  28. Översätta texten till dess önskade läge intill skalan bar. Avsluta skiss läge genom att välja 'Finish Sketch'.
  29. Enligt 'Extrude' verktyget och ange en strängsprutnings avstånd som matchar tjockleken av skalan bar (2 mm) och riktning som riktar in etiketten med skalan bar (in i skärmen).
  30. Upprepa steg från 5,26 till 5,30 med hjälp av de andra planen för att skapa etiketter för alla tre axlarna.
  31. När du är klar, exportera skala bar och dess medföljande etiketter i CAD-format med 'Spara som typ' .stl inställning.

6. Tillsats av Scale Bars till anatomiska modeller

  1. Öppna den anatomiska modellen i 3D-data förberedelse programvara och importera skalfältet.
  2. Använd ', Flytta en del' och 'Rotera del' verktyg för att orientera skalan bar bredvid anatomisk modell.
  3. Om den första typen av skal bar skapades importera del två gånger. Översätta och rotera de individuella skal staplarna så man ligger på varje axel.
  4. Om du använder basversionen, markera alla delar och spara som ett projekt.
  5. Öppna filen i den professionella versionen. Välj alla delar och export som en enda STL.
    OBS: Mått behålls när ytan kartor och skal barer importeras till grundläggande eller professionell version. Före gravyr, kartor yta, tillsammans med associerade etiketter och skal barer, skalas för att passa inuti kristallerna. Eftersom skalstänger är skalade i samma takt som modeller, förändringar i storlekarna av skal barer är representativa för dimensionsförändringar i anatomiska strukturer.

7. Minskning av Faces

  1. Utnyttja 'Import Mesh' verktyg för att lägga till en STL-fil i 3D mask bearbetning program. Justeringar kommer att appliceras på ytan modell och alla komponenter, inklusive text och skala barer, eftersom mjukvaran tolkar nätet som en del.
  2. Under 'Filter' och 'Remeshing, Förenkling och återuppbyggnad,' välj 'Quadratic Edge Minimera Decimation' verktyg för att minska antalet ytor närvarande inom mesh.
  3. Ange önskat antal ansikten (100000) under 'Target antalet ansikten' och välj 'Apply'. Denna operation görs för att skapa en hanterbar fil storlek för SSLE programvara och förhindra överskott gravyr gånger.
  4. Exportera den färdiga produkten som en STL med hjälp av 'Export Mesh som ...' inställningen.

8. Modell gravyr i Crystal

OBS: Färdig STL-filer vidarebefordras till en industriell samarbetspartner, där glaskristaller är lasergraverad för att producera fysiska modeller av anatomiska data. För frågor och ytterligare hjälp, PLlätthet kontakta bransch författarna detta manuskript.

  1. Öppna STL-fil till en lasergravyr program och konvertera till en SCAX fil.
  2. Importera SCAX filen i ett programpaket som är ansluten till 3D-lasergravyr maskin.
  3. Definiera en kristallstorlek lämplig för samverkan med SCAX filen.
  4. Ställa in kraften i lasern och ange en spänning och densitet. Medan 8,5 V och 0,2 väljs typiskt för spänning och densitet, kan andra mätningar bestämmas genom att minska spänningen och öka densiteten, att se till att kristallen inte spricka eller gå sönder.
  5. Skicka filen till en 3D-laser gravör för kristallproduktion.

Representative Results

Under ytan lasergravering av glaskristaller är en djupgående sätt att visualisera många typer av biomedicinska tomografiska avbildningsdata. Figur 1 inkorporerar prekliniska CT-data, medan figur 2, figur 3, & figur 4 visar hur kliniska Datortomografi kan också utnyttjas. Eftersom dimensioner modifieras före gravyr, kan strukturer av varierande storlek representeras genom lasergravyr. Medan figur 2 exemplifierar hur anatomies kan skrivas ut för att skala de flesta strukturer måste skalas upp eller ner. Två typer av skalstänger kan genomföras för att mäta dimensionsförändringar: en som spänner över sidorna av strukturen och en annan med de tre axlarna som konvergerar vid ett hörn. Den första typen är idealisk för dilaterade strukturer, såsom ben kärna, medan den andra typen är bäst lämpad för att-Scale eller reducerade strukturer. Vidare storleken hos kristallen paras med formen hos den anatomiska strukturen. Som ett resultat, var foten placeras i en kub medan benet suspenderades i ett rektangulärt prisma.

En viktig egenskap hos under ytan gravyr är förmågan att fästa textetiketter till anatomiska funktioner. Tekniken kan tillämpas på olika typer av bilddata, med optimal etikettplacering beroende på geometrin hos strukturen. I figur 2 har texten placeras på två plan till rymden etiketterna ut och undvika att hindra utsikten av anatomin. För Figur 3 & Figur 4, kunde ben tydligt ses från ena sidan så etiketterna placerades på ett enda plan.

Figur 1
Figur 1. Prekliniska CT-data av ett får ben kärnsats visas virtuellt och suspenderades i en 3D graverad kristall. Bildbehandlingsprogram användes för att generera och fästa skalstänger till en yta karta över en 1 cm isotop sheep bone (vänster). Strukturen genomgick en fem-faldig ökning i dimension längs varje axel, såsom indikeras av de skal barer, och var lasergraverad i en 8 cm kvadratisk kristall (höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2. Kliniska CT-data för en bruten handled med anatomiska etiketter visas virtuellt och graverade i kristall. En klinisk CT datamängd av en mänsklig handleden med en trasig radie omvandlades till en yta karta genom datorprogram. Anatomiska etiketter och en 2 cm skala bar w ere alstras med användning av datorstödd konstruktion (CAD) och fäst till modellen (vänster). En 3D-lasergravören inskriven strukturen i en 8 cm kub kristall (höger). Skalan bar behöll sin storlek, vilket visar handleden producerades skala. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 3
Figur 3. Anatomiskt märkt mänsklig fot med anatomiska etiketter visas virtuellt och graverade i kristall. En CT-datasats av en mänsklig fot omvandlades till en gråskala modell med bildbehandlingsprogram. Text och en 4 cm skala bar skapades med hjälp av CAD och införlivas med ytan kartan (vänster). Modellen reducerades till halv sin storlek och lasergraverad i en 8 cm kristall kub (höger). 55.340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Kliniska CT datauppsättning av ett mänskligt ben anatomiskt märktes med användning av datormjukvara och graverade i kristall. Programvarupaket användes för att bereda en yta karta från en fullständig human CT-scan och till avsnittet benet från resten av kroppen. Anatomiska etiketter och en 2,5 cm skala bar konstruerade med CAD fästes (vänster) och strukturen graverade i en 5 cm x 5 cm x 8 cm kristall (höger). Skalstrecket i kristallen illustrerar benet skalades ner i en 5: 3-förhållande. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

ys "> 3D Printing Sub-Surface lasergravyr (SSLE) kristaller fördelar taktil upplevelse Skapande av strukturer i fritt utrymme Fyrfärg modeller Generation av flera delar modeller Till skalrepresentation möjlig med större variation av strukturer Fastsättning av anatomiska etiketter Fast plastmaterial beständigt mot droppar Skalstrecken är upphängd i modell Billig konsument-grade skrivare tillgängliga Hög upplösning och noggrannhet Högupplöst professionell kvalitet skrivare Kort produktionstid Lätt att koppla separata anatomiska subenheter tillsammans i 3D-rymden Strukturer inom kristallen som inte är mottagliga för yttre skador Låga materialkostnader Laser gravörer rimligt prissatta nackdelar Svårt att länka separata anatomiska subenheter i 3D-rymden Ingen taktil upplevelse Kostnad och tillverkningstid varierar med komplexiteten gråskala Mer mottagliga för produktionsfel Storlek begränsas av kristall Post-produktion tvättar kan vara nödvändigt Att skala representation svårt Resolution begränsas av plast extruders Densitet begränsas av laser Delar kan chip off modell Kristallerna kan chip eller gå sönder när tappas Dyra professionell nivå skrivare Priserna på byggmaterial varierar kraftigt

Tabell 1. Fördelar och nackdelar med 3D-utskrifter och SSLE för produktion av anatomiska modeller. 3D tryckning och SSLE är två organ för att visualisera biomedicinska tomografiska avbildningsdata, och var och en har ett antal styrkor och svagheter i fråga om att skapandet av fysiska modeller av data.

Discussion

Prekliniska och kliniska datamängder som förvärvats genom biomedicinska avbildningsmetoder har varit avgörande för modern forskning och medicinska framsteg. Tidigare medel för biomedicinsk datavisualisering ingår datorns bildskärm och fysiska modeller som genererats från traditionell gjutning eller modern 3D-utskrift metoder. Här beskriver vi en 3D kristall gravyr metod som ett alternativt sätt för att visualisera tomografiska biomedicinska uppgifter eftersom den genererar väldefinierade, märkta modeller på ett enkelt sätt. Dessa relativt billiga modeller kan i stor utsträckning används som pedagogiska verktyg. Utnyttjandet av kristall gravyr att korrekt representera anatomiska uppgifter ger stor potential i kliniska och utbildningsmiljöer. Förmågan att visualisera data i en fysisk, tredimensionell format övervinner begränsningarna hos traditionella utbildningsformer som använder platta bilder eller virtuella återgivningar 9. Hög upplösning av graverade strukturer och fastsättningen avetiketter till specifika synliga detaljer underlätta användningen av dessa modeller för patienten eller elev utbildning. Dessutom erbjuder denna modalitet förmåga att identifiera och observera orsaker och aspekter av sjukdomstillstånd inom ett prov. Till exempel, klassificering och lokalisering av en benfraktur, liksom den brutna handleden noteras i fig 2, ger en mer omfattande förståelse av förhållandet av sjukdomstillstånd och andra fysiskt uppenbara tecken och / eller patientsymtom.

Genom 3D kristall gravyr, ades prekliniska och kliniska CT dataset representerade som fysiska strukturer inskrivna inom kristaller. Prekliniska CT-data förvärvades med hjälp av en microCT scanner, medan kliniska CT-bilder samlades från kliniska radiologiska källor. Innan ytterligare bearbetning är klinisk bilddata konverteras till dekomprimerade DICOM-filer via bildbehandlingsprogram. Efterföljande program omvandla rekonstruerade DICOM-filer till kartor ytan. Ändring av dessa ytor kartor och generering av anatomiska etiketter och skalstänger uppnås med data förberedelse programvara och datorstödd konstruktion (CAD). Genomförda STL-filer reduceras och omvandlas till SCAX filer. Efter kristallstorleken och lasereffekt ställs in, är filer läses av en 3D-lasergravyr maskin som skapar fri form anatomiska strukturer i kristall.

Den process som beskrivs ovan kan tillämpas på olika kliniska och prekliniska datauppsättningar. Medan CT datauppsättningar genomfördes i detta projekt är det möjligt att data erhållna från andra avbildningsmetoder kan visualiseras i kristall, inklusive 3D-ultraljud (US), Magnetic Resonance Imaging (MRI), och positronemissionstomografi (PET). Likaså kan andra humana anatomiska strukturer och biologiska prov skall avbildas och representerade i detta medium. Dock kommer kristallerna kommer i förutbestämda storlekar och strukturer måste skäras eller skalas därefter. Det är lämpligt att matcha the geometrin hos den anatomiska delen med storleken hos kristallen. Till exempel, passar ett ben bäst i en 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulär fast (Figur 4), medan en fot är lämpad för en 8 cm kub (Figur 3). Ändringar i storlek, typsnitt, och tjockleken på text kan utföras i CAD-program. Dessutom är det bäst att placera etiketter på en eller två plan för att tydligt läsa etiketter utan att hindra utsikten av anatomin vid rotation kristallen till andra ansikten.

två ytterligare faktorer måste beaktas när man utför SSLE av anatomiska data: antalet ytor inom en yta karta, och storleken av varje punkt som är lasergraverad i kristallen. Dessa faktorer påverkar antalet och storleken på de punkter som kommer att absorbera infallande ljus och därmed potentiellt förbättra eller försämra en viss SSLE visualisering. Först antalet ansikten som är direkt proportionell mot antalet punkter i 3D-rymden,kommer att påverka både den totala upplösning och "ljusstyrka / kontrast" för den visade modellen. I vart och ett av de exempel som presenteras häri, var den färdiga STL-fil reduceras till 100.000 ansikten utan synbar nedbrytning av den resulterande kristallprodukten, oavsett storlek eller förstoring. Den totala ljusstyrka / kontrast var också acceptabelt att använda denna metod. 100.000 värdet är det säkra området för gravören som inte överbelasta den mjukvara och hårdvara. Men i vissa fall, ytterligare ansikten kan behövas för att kunna visa en viss datamängd, och dessa filer kan anses experimentell tills slutförts. Dessutom kan storleken på varje punkt som är "bränd" in i kristallen avstämmas via spänningen och "densitet" ingångsvärden på gravören för att förbättra den utgående ljushetskontrast. I förevarande fall, standardvärden av Spänning: 8,5 och densitet: var 0,2 valts. Även om dessa värden representerar en startpunkt, kan de förändras i entrial and error sätt att förbättra datavisualisering som behövs.

Det finns ett antal fördelar med att använda 3D kristall gravyr för visning av prekliniska och kliniska bilddata. Kristaller framställs vanligtvis på under 30 minuter, medan 3D tryckta strukturer kan kräva flera timmar, beroende på deras storlek och komplexitet 16, 20, 22. Lasergravering kan användas för att representera suspenderade strukturer utan användning av stöd, vilket underlättar produktionen av intrikata eller hängande funktioner av anatomin utan att minska noggrannhet med ytterligare material 16. Med en upplösning på 800-1200 DPI och en noggrannhet på mindre än 10 um, dessa modeller liknar nära medicinska data 24. Även professionell kvalitet 3D-skrivare har en liknande upplösning på ungefär 600 DPI i XY och 1600 DPI i Z, är de i allmänhet mindre accurate (20-200 ^ m) 17, 19, 20 (tabell 1).

3D kristall gravyr har stor potential, men är begränsad i några områden. Eftersom data är ingraverat inuti kristallen, kan användarna inte har en taktil upplevelse med anatomiska delar. Att skala representationer är svåra att producera eftersom data vanligtvis skalas upp eller ner för att passa in i kristallerna. Vidare kan lasern endast gravera i gråskala med minimal kontrast. Densiteten för strukturen begränsas också av lasern förmåga att bearbeta data. Den övergripande stabiliteten av kristaller är en fördel att potentiell användning under flera år, men det fasta glaset kan inte stå emot släppa på hårda ytor (Tabell 1).

Trots dessa begränsningar har 3D kristall gravyr betydande värde som ett medium för visualisering av biomedicinska data. vid startmaterial och stöd måste beaktas med 3D-skrivare, dessa aspekter behöver inte komma ifråga för lasergravyr. Mer komplexa delar, såsom den mänskliga foten, kan representeras som ett resultat. Medan produktionen tid ökar något med mer intrikata strukturer är inget ytterligare material som krävs och kostnaden för modellen är densamma. Lasern förmåga att bränna glas i en punkt-för-punkt mode producerar höggradigt definierade strukturer som uppvisar de fina detaljerna i biomedicinska uppgifter, såsom noteras i den brutna radie i figur 2. Dessutom placeringen av dessa strukturer inuti kristaller gör dem motståndskraftiga mot yttre skador. Till skillnad från fasta plaster som utnyttjas vid många 3D tryck plattformar, de genomskinliga glasytorna tillåter interna strukturer som skall visualiseras på ett rättframt sätt. En av de mest kraftfulla verktygen för 3D kristall gravyr är dess förmåga att märka enskilda delar, och även lägga till en skala bar för storlek referens. Dettateknik tillför betydande pedagogiskt värde till kristallerna som studenter på alla nivåer kan lära anatomi och interagera med kliniska data, två värdefulla komponenter av biologisk och medicinsk utbildning i en modell. I kombination med förmågan att hålla dem i en handflata och granska strukturer på en mängd olika vinklar, märkning ökar kraftigt pedagogiska värdet av dessa modeller. Som ett resultat, 3D graverad kristaller har bred tillämpbarhet för användning i anatomi kurser, klinisk praxis, och allmän utbildning.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Vi tackar College of Science Summer Grundutbildning Research Fellowship (SURF) för deras ekonomiska stöd för detta projekt. Författarna vill också tacka Prof. Glen Niebur, University of Notre Dame, för att ge benprover (beskrivs ovan) som används i denna studie.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Edelman, R., Warach, S. Magnetic Resonance Imaging. N. Engl. J. Med. 328, (10), 708-716 (1993).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Robb, R. 3D visualization in biomedical applications. Annu. Rev. Biomed. Eng. 1, (1), 377-399 (1999).
  5. Hsieh, J. Chapter 12, Section 1, Advanced CT Applications. Computed Tomography: Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances. 2nd ed, (2009).
  6. Robb, R. The biomedical imaging resource at Mayo Clinic. IEEE Trans. Med. Imaging. 20, (9), 854-867 (2001).
  7. 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).
  8. Digital Morphology. Available from: http://www.digimorph.org (2016).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Canessa, E., Fonda, C., Zennaro, M. Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development. Low-Cost 3D Printing. (2013).
  15. 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).
  16. Bourke, P. Scientific Data Visualization Using Techniques Normally Reserved for more Frivolous Activities. GTSF Int. J. Comput. 4, (3), 35-41 (2015).
  17. Hardware Highlight: Stratasys Objet500 Connex. Intellectual Ventures Laboratory. Available from: http://www.intellectualventureslab.com/invent/hardware-highlight-3d-printer (2016).
  18. Stratasys Production Series. Stratays. Available from: http://www.stratasys.com/3d-printers/production-series (2016).
  19. Products Overview. MakerBot. Available from: http://store.makerbot.com/printers (2016).
  20. Evans, B. A World of 3D Printers. Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing. Apress. New York, NY. (2012).
  21. J750 Stratasys-3D printer. Aniwaa. Available from: http://www.aniwaa.com/product/3d-printers/stratasys-j750 (2016).
  22. Berman, B. 3-D printing: The new industrial revolution. Bus. Horizons. 55, 155-162 (2012).
  23. Image Transfer Laser Engraving. United States Patent. Macken, J., Palanos, P. 4,156,124 (1979).
  24. 3D Laser Engraving Machine STNDP-801AB4 . STN. Available from: http://www.stnlaser.com/products/3d-laser-engraving-machine-stndp-801ab4.html (2016).
  25. National Biomedical Imaging Archive. Available from: https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf (2016).
Skalade Anatomical Modell Skapande av Biomedical tomografisk bildåtergivnings Data och associerade Etiketter för Efterföljande Sub-yta lasergravyr (SSLE) av glas Kristaller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter