方法は、結晶内の解剖学的撮像データを表すために本明細書に記載されています。我々は、クリスタルガラスの表面下レーザー彫刻(SSLE)における使用のための生物医学的イメージングデータのスケーリングされた三次元モデルを作成します。このツールは、計算、表示または臨床や教育現場内で使用される3次元的に印刷されたモデルへの有益な補完を提供しています。
コンピュータ断層撮影(CT)及び磁気共鳴(MR)のような生物医学的イメージングモダリティは、患者の三次元データセットを収集するための優れたプラットフォームを提供する、または臨床的または前臨床設定において解剖学標本。しかし、仮想、オンスクリーンディスプレイの使用は、完全に内部に埋め込まれた解剖学的情報を伝えるために、これらの断層像の能力を制限します。一つの解決策は、物理的なレプリカを生成する3次元印刷技術を使用して設定生物医学的イメージングデータをインタフェースすることです。ここでは詳細ハンドヘルドモデルと断層撮像データを視覚化するための相補的な方法:クリスタルガラスのサブ表面レーザー彫刻(SSLE)。 SSLEは、以下を含むいくつかのユニークな利点提供しています:解剖学的ラベルを含めることが容易な能力だけでなく、スケールバーを。 1つの培地中の複雑な構造の合理化マルチパートアセンブリ。 X、Y、およびZ平面における高分解能;そして内部の解剖学的部分構造を視覚化するための半透明のシェル。ここでW電子前臨床および臨床の供給源に由来するCTデータセットとSSLEのプロセスを示します。このプロトコルは、教育・研究設定の数に科学者や学生のための複雑な解剖学的構造を視覚化するためにどのと、強力で安価な新しいツールとして機能します。
コンピュータ断層撮影(CT)や磁気共鳴画像(MRI)のような生物医学的イメージングモダリティは、日常的な医療、研究で使用され、そして非侵襲的に学術コミュニティは、ヒトまたは生物学的対象1、2、3の内部構造を調べます。現代医学では、この技術は、より多くの情報の診断を可能にし、その結果、患者の治療4を改善しました。具体的には、CTは、その高い解像度等方性ボクセル特性(各立方体の辺の長さが同一)に3次元再構成のための優れた機会を提供します。 図5はまた、ソフトウェアパッケージは、コンピュータ支援手術と仮想内視鏡6のような高次機能のための三次元(3D)でバイオメディカルイメージングデータをレンダリング利用可能です。前臨床研究の中で、非破壊イメージングは、翻訳プラットフォームを提供しますその上で、マウスやラット7における疾患モデルを研究します。このような生物学的データベースなどのデジタルライブラリは、デジタル形態(http://digimorph.org)、より広範な科学的及び医学界8によってすぐにアクセスするための異なる標本または臨床疾患状態から得られるCTデータが移入されています。
現在、生物医学イメージングデータは、コンピュータ画面上の仮想空間で視覚化、またはハンドヘルドモデルと物理的空間内されています。コンピュータソフトウェアは、ユーザーがデータを分析し、操作することができますが、物理的なレプリカは、優れた教育の利点9、10と素敵な補完です。伝統的なモデルは、基本的な型は、所望の構造11内に硬化樹脂が充填された低コストの鋳造プロセスを用いて生成されています。キャストモデルは安価な大量生産に適しているが、基本的なに限定されています患者のデータセットから導出されていない構造。過去5年間では、生成して表示することができる物体、人体解剖学の3D印刷されたレプリカは高い複雑のためにますます普及してきている、としばしば患者固有。これらのモデルは、添加剤層における機械預金液体又は溶融プラスチックによって作成され、診断、複雑な手術、疾患の治療、補綴設計、および患者通信12、13で医師を支援しています。さらに、第一、第二、および大学の学校の設定内の消費者グレードの3Dプリンタの広範な可用性は、共有解剖学的モデルの教育的影響は、14、15をファイル高めるのに役立ちます。
全体的に、3Dプリントはかなり医学内解剖学的モデルの開発を進めているが、まだそれは制限があります。マルチの最初に、作成解剖学的モデルは、分離した断片を互いにデジタル的に結びつけるために追加の作業がしばしば必要となるため、困難である可能性がある16 。また、多くの3D印刷物、特にコンシューマーグレードの機械の不透明度は、標本の骨および軟部組織についてのさらなる洞察を提供する内部サブ構造の視覚化を妨げる。さらに、液体または溶融プラスチック押出機は、3Dプリントの解像度を制限する。プロフェッショナルプリンターの押出機は、直径が約50μmで、X軸とY軸に600ドット/インチ(DPI)、Z軸に1,600 DPIの解像度を持つ14μmの層厚が可能です。 。これと比較して、コンシューマーグレードの3Dプリンターは、約400μmの直径の押出機を有し、100μmの層厚さと約42DPI 19にほぼ等しい解像度を与え、 <sクラス= "外部参照"> 20アップ。価格はまた、プロのプリンタ20、21に一般消費者向けから、実質的に変化します。さらに、高い材料費は規模22の経済を達成することから、工業的な大量生産を防ぎます。
サブ表面レーザー彫刻(SSLE)、または3D結晶彫刻は、X、Yの数千に高精度で小さい「泡」またはドットを形成するためのレーザビームを利用し、Zは、剛性、高純度内の座標、立方体、ガラスマトリックス23。各ドットは800-1,200 DPI 24の間の解像度が得られ、20〜40ミクロン、です。さらに各ドットは内部サブ構造の可視化を可能にする、半透明です。複数の、切断された部分には同一の結晶で表現され、付加的な材料は、大きな、複雑な構造のために必要とされません。マトリックスは固体であるため、解剖学的標識とサイズスケールバーは向上させるために添加することができます内に表示画像データの教育の可能性。ここでは、X線コンピュータ断層撮影(CT)データを結晶SSLE用にフォーマットされたプロセスを提示します。まず、データは、放射線科/のUNIから、市販の前臨床マイクロCTシステム、臨床スキャナから収集し、または国立医学アーカイブのようなオンラインリポジトリから供給することができる(https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf )25ここでは、前臨床および臨床データの両方を組み込んだ解剖学的構造のスケールを調整し、結晶サイズと構造のジオメトリを調整する能力を示すために羊の骨のコア、骨折、手首、標識された足、および標識された脚結晶と、このアプローチを実証します。 3DプリントでSTLファイルのSSLEの容易な性質と、すでに広く使用を考えると、ラベルされた解剖学的結晶の製造は、学術・教育コミュニティ内での使用のための刺激的な、手手持ち可視化ツールを提供します。
生物医学イメージングモダリティによって取得された前臨床および臨床データセットは、現代の研究と医学の進歩に尽力してきました。生物医学データの可視化の前の手段は、コンピュータディスプレイと従来の鋳造や近代的な3Dプリントのアプローチから生成された物理モデルが含まれています。代替は、それは簡単な方法で明確に定義された、ラベルされたモデルを生成するので、断層生物医学データを可視化するための手段として、ここでは、3Dクリスタル彫刻方法について説明します。これらの比較的安価なモデルは、広く教育ツールとして使用することができます。正確な解剖学的データを表すために水晶彫刻の利用は、それを臨床と教育現場での高いポテンシャルを与えます。物理的、三次元フォーマットでデータを視覚化する能力は、フラットイメージまたは仮想レンダリング9を使用して教育の伝統的な形式の制限を克服します。高刻まれた構造の解像度との取り付け特定の目に見える機能へのラベルは、患者や学生教育のためのこれらのモデルの使用を容易に。また、この様式は、試料内の疾患状態の原因と側面を特定し、観察する能力を提供しています。骨折した手首は、 図2で述べたように、例えば、骨折の分類及び位置は、疾患状態および他の物理的に明らか徴候および/または患者の症状の関係のより包括的な理解を提供します。
3Dクリスタル彫刻を通じて、前臨床および臨床のCTデータセットは、結晶内に表記された物理的構造として表現しました。臨床CT画像が臨床放射線源から収集された一方、前臨床CTデータは、マイクロCTスキャナを用いて得ました。さらに処理する前に、臨床イメージングデータは、イメージングソフトウェアを経由してDICOMファイルを解凍するために変換されます。以降のソフトウェアプログラムは、表面マップに再構築されたDICOMファイルを変換します。これらの表面のマップとラベルとスケールバー解剖の世代の変更は、データ作成ソフトウェアおよびコンピュータ支援設計(CAD)で達成されます。完成したSTLファイルは減少し、ファイルをSCAXに変換されます。結晶の大きさとレーザーパワーを設定した後、ファイルが結晶中に自由形式の解剖学的構造を作成し、3Dレーザー彫刻機により読み取られます。
上述のプロセスは、種々の臨床および前臨床データセットに適用することができます。 CTデータセットは、このプロジェクトで実施されたが、他のイメージングモダリティから得られたデータは、3D超音波(US)、磁気共鳴画像(MRI)、およびポジトロン放出断層撮影法(PET)を含む、結晶中に可視化され得ることが可能です。また、他の人間の解剖学的構造および生物学的標本を撮像し、この培地中で表現されてもよいです。しかし、所定の大きさ及び構造に来る結晶は、それに応じてカットまたはスケーリングする必要があります。番目の一致することをお勧めします結晶の大きさと解剖学的部分の電子ジオメトリ。 ×5cmの直方体×8センチ( 図4)、足8センチ立方体( 図3)に適している間5センチメートルで例えば、脚ベストフィット。サイズ、フォント、およびテキストの厚さへの変更は、CADソフトウェアで行うことができます。また、それは明らかに他の面に結晶を回転させたときの解剖学的構造の視野を妨げることなく、ラベルを読み取るために一つまたは二つの面にラベルを配置することが最良です。
表面マップ内の顔の数、および結晶中に刻まれたレーザである各点のサイズ:解剖学的データのSSLEを行うときに、2つの追加の因子を考慮しなければなりません。これらの要因は、入射光を吸収し、従って潜在的に増強または所与SSLE可視化を損なうであろう点の数と大きさに影響を与えます。まず、3D空間内の点の数に正比例する顔の数、全体的な解像度と表示されたモデルの「明るさ/コントラスト」の両方に影響を与えます。本明細書に提示される実施例の各々では、完成しSTLファイルはサイズに関係なく、または倍率の、得られた結晶生成物の見かけの劣化なし10万面に減少しました。全体の明るさ/コントラストは、このアプローチを使用しても許容できるものでした。 10万値は、ソフトウェアとハードウェアを悪税しないとして使用彫刻のための安全な範囲です。しかし、いくつかのケースでは、追加の顔が適切に与えられたデータセットを表示するために必要な場合があり、かつ正常に完了するまで、これらのファイルは、実験的と考えることができます。また、結晶中に「焼かれる」の各点の大きさは、出力輝度コントラストを高めるために、彫刻の電圧と「密度」の入力値を介して調整することができます。本ケースでは、電圧のデフォルト値:8.5密度:0.2を選択しました。これらの値は出発点を表しているが、それらはで変更することができます必要に応じてデータの可視化を向上させるためにファッションを試行錯誤。
前臨床および臨床イメージングデータの表示のための3Dクリスタル彫刻を利用する多くの利点があります。 3Dプリント構造は、そのサイズおよび複雑16、20、22に応じて、数時間を要するかもしれない結晶は、典型的には、30分未満で製造されます。レーザー彫刻は、追加材料16との精度を低下させることなく、生体構造の複雑な又は吊り機能の生産を容易に、支持体を使用せずに懸濁構造を表すために使用されてもよいです。 800-1,200 DPIの解像度及び10μm未満の精度で、これらのモデルは、密接に医療データ24に類似しています。プロ級の3DプリンタはZに類似XYにおける略600dpiの解像度1600 DPIを有するが、それらは一般的に以下のACでありますバーテン(20-200ミクロン)17、19、20( 表1)。
3Dクリスタル彫刻が強い可能性を持っているが、いくつかの領域に限定されています。データは結晶内部で刻まれているので、ユーザーは、解剖学的部分と触覚の経験を持つことはできません。スケール表現は、データは、典型的には、結晶中に収まるように拡大または縮小されているように製造することが困難です。また、レーザは、最小のコントラストのグレースケールに刻むことができます。構造体の密度は、データを処理するレーザの能力によって制約されます。結晶の全体的な安定性は、数年にわたる潜在的な使用に有利であるが、固体ガラスは、硬い表面( 表1)に滴下耐えなくてもよいです。
これらの制限にもかかわらず、3Dクリスタル彫刻は、生物医学データの可視化のための媒体として大きな価値を保持しています。起動中に材料およびサポートは、3Dプリンタで考慮に入れる必要がある、これらの側面は、レーザー彫刻のために考慮される必要はありません。このような人間の足のようなより複雑な部品は、結果として表すことができます。もう少し複雑な構造を持つ生産時間が増加し、追加の材料が必要とされないとモデルのコストは同じままです。ドット・バイ・ドット方式でガラスを燃焼するレーザの能力は図2の破損半径に述べたように、生物医学的データの細部を表示する高度に定義された構造を生成します。また、結晶内部のこれらの構造の配置は、外部の損傷に対してそれらが耐性になります。多くの3Dプリンティングプラットフォーム上で利用固体プラスチックとは異なり、半透明のガラス表面には、内部構造は簡単な方法で可視化することができます。 3Dクリスタル彫刻の最も強力なツールの一つは、個々の部品にラベルを付け、また、サイズの参照のためのスケールバーを追加するための能力です。このすべてのレベルの学生が解剖学を学び、一つのモデルでは、臨床データ、生物学や医学教育の2つの貴重な成分と相互作用することができますよう技術が結晶にかなりの教育的価値を追加します。様々な角度で手とビュー構造の手のひらにそれらを保持する機能と組み合わせることで、標識は大幅にこれらのモデルの教育的価値を高めます。その結果、3D刻ま結晶は、解剖学のコースで使用するための幅広い適用性、臨床実践、および一般的な教育を持っています。
The authors have nothing to disclose.
私たちは、このプロジェクトの金融支援のための科学の夏学部研究フェローシップ(SURF)の大学に感謝します。著者らはまた、本研究で用いた(上記に詳述)骨のサンプルを提供するために、教授グレン・ニウバー、ノートルダム大学に感謝します。
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 |