甲方法是对晶体内表示解剖学成像数据在此描述。我们创建缩放的生物医学成像数据的三维模型水晶玻璃的在次表面激光雕刻(SSLE)使用。该工具提供了计算显示或在临床或教育环境中使用三维打印模式的有益补充。
像计算机断层摄影(CT)和磁共振生物医学成像模态(MR),用于收集患者的三维数据集提供优异的平台或在临床或临床前设置样本的解剖结构。然而,使用一个虚拟的,在屏幕上显示的限制了这些断层图像来充分传达嵌入内的解剖信息的能力。一种解决方案是对接的生物医学成像数据的3D印刷技术设置为生成物理复制品。在这里,我们详细的互补方法与手持式模型可视化断层摄影成像数据:水晶玻璃的子表面激光雕刻(SSLE)。 SSLE提供了一些独特的优势,包括:包括解剖标签,以及比例尺轻便能力;在一个介质的复杂结构的流线型多组件;在X,Y和Z平面高分辨率;和半透明壳内部解剖子结构的可视化。这里w ^Ë表明SSLE的过程与来自临床前和临床来源的CT数据集。该协议将作为一个强大的和廉价的新工具,使用它以可视化的科学家和学生复杂的解剖结构在许多教育和研究环境。
像计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)的生物医学成像模态是常规使用的具有医学,研究,和学术界非侵入性检查人体或生物对象1,2,3的内部结构。在现代医学中,这种技术能够更明智的诊断,因此,改善患者的治疗4。特别地,CT提供了用于3-D重建一个极好的机会,由于其高分辨率和各向同性体素性质(每个立方体边缘的相同长度)。 5此外,软件包可以在三维(3D),用于高阶函数等计算机辅助外科手术和虚拟内窥镜6,其使生物医学成像数据。在临床前研究,非破坏性成像提供了一个平移平台在其研究小鼠和大鼠7疾病模型。数字库,如生物数据库数字形态(http://digimorph.org),已被填充有来自不同样品或临床疾病状态导出由更广泛的科学和医学界8随时获得CT数据。
目前,生物医学成像数据已经显现在虚拟空间在计算机屏幕上,或者在手持模式的物理空间。虽然计算机软件允许用户剖析和操纵数据,物理副本是一个很好的补充与优秀的教育效益9,10。传统模型已经使用低成本铸造方法,其中基本的模具中填充树脂变硬后成为所期望的结构11产生的。铸造模型适合于廉价的大规模生产,但仅限于基本不是从患者的数据集导出的结构。在过去的五年中,人体解剖学的3D打印复制品由于高复杂性已经变得越来越普遍,很多时候患者特异性,可以生成并显示对象。这些模型是由存款液体或添加剂层熔化的塑料,并协助医生提供诊断,复杂的手术,治疗的疾病,假体的设计,和患者沟通12,13机创建。此外,内小学,中学和大学学校设置的消费级3D打印机的普及起到推动共同解剖模型的教育效果文件14,15。
总体来说,3D打印大大推进医药内的解剖模型的开发,但它也有局限性。首先,创建多由于额外的工作,往往需要以数字方式结合单独的拼在一起,其可以以其他方式散架16 -part解剖模型可能是有挑战性的。此外,许多3D印刷材料,特别是对于消费级机器的不透明度,防止了提供关于样本的骨和软组织的附加洞察内部子结构的可视化。此外,液体或熔融的塑料挤出机约束三维打印的分辨率。专业打印机挤出机的直径为大约50微米,并允许为14μm的层厚度,具有高达600点每英寸(DPI)在X的分辨率和Y轴和1600 DPI在Z轴17,18 。相比较而言,消费级3D打印机具有在直径大约为400微米,得到100μm的层厚度和分辨率大致相当于42 DPI 19的挤出机, <s向上类= “外部参照”> 20。价格也从消费级的变化很大,以专业的打印机20,21。此外,材料成本高防止工业批量生产从实现规模22效益。
子表面激光雕刻(SSLE),或三维晶体雕刻,利用激光束,以形成在成千上万的X,Y小“气泡”或点以高精度,Z的刚性,高纯度内的坐标,立方体,玻璃基质23上 。每个点为20-40微米,其产生800-1,200 DPI 24之间的分辨率。此外每个点是半透明的,从而使内部子结构的可视化。多个,断开部件在相同的晶体来表示,并且不需要大的,复杂结构的附加材料。由于基质是固体,解剖标签和大小比例尺可加入,以提高内显示的成像数据的教育潜力。这里,我们提出,其中X射线计算机断层摄影(CT)数据被格式化为晶体SSLE的处理。首先,数据可以从商业临床前微型电脑系统,从放射科/清华紫光,或如国家生物医学影像存档在线储存库(来源https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf临床扫描仪收集)25这里,我们证明用绵羊骨芯,手腕骨折,标记的脚,并标记腿晶体这种方法来说明纳入临床前和临床数据,调整解剖结构的规模和坐标的结构与晶体大小的几何形状的能力。鉴于SSLE的随和的个性,并已广泛使用的STL文件在3D打印,标记解剖晶体的制造提供了学术和教育社区内使用一个令人兴奋的,手手持可视化工具。
通过生物医学成像方式获得的临床前和临床数据集已经在现代的研究和医学进步的工具。生物医学数据可视化的现有方法包括在计算机显示器和从传统的铸造或现代3D打印方法产生的物理模型。在这里,我们描述了作为替代装置,用于可视化断层生物医学数据,因为它以简单的方式产生良好限定的,标记的模型三维晶体雕刻方法。这些相对低廉的机型可广泛用作教育工具。晶体雕刻的利用率,精确地表示解剖数据使得它在临床和教育设置高电位。在一个物理的,三维格式可视化数据的能力,克服了使用平面图像或虚拟渲染9教育传统形式的限制。雕刻结构的高分辨率和附件标签具体可见的功能,方便病人或学生教育中使用这些模型。此外,这种模式提供了一个样本中识别和观察的原因和疾病状态方面的能力。例如,骨折的分类和位置,如手腕骨折在图2中所指出的,提供疾病状态和其它物理表观体征和/或症状的患者的关系的更全面的了解。
通过三维晶体雕刻,临床前和临床的CT数据集被表示为晶体内切物理结构。临床前CT数据使用一个微CT扫描仪来获取,而临床CT图像是从临床放射来源收集。在进一步处理前,临床成像数据经由成像软件转换成解压缩的DICOM文件。随后的软件程序变换重建的DICOM文件到面的地图。这些表面图和生成的解剖学标记和比例尺的修改与数据准备软件和计算机辅助设计(CAD)来完成的。完成STL文件被还原并转化为SCAX文件。晶体尺寸和激光功率被设定之后,文件被创建在晶体中的自由形式的解剖结构三维激光雕刻机读取。
上述方法可以应用于各种临床和临床前的数据集。虽然CT数据集被在这个项目中实现的,它有可能从其他成像模态获得的数据可以在晶体被可视化,包括3D超声(US),磁共振成像(MRI)和正电子发射断层扫描(PET)。此外,其他人的解剖结构和生物标本可以被成像和在该介质中表示。然而,进来预定大小和结构晶体将需要被切割或相应地缩放。明智的做法是符合日与晶体的尺寸的解剖部分电子几何形状。例如,腿部最好在装配有5厘米×5厘米×8厘米的长方形固体( 图4),而脚适合于一个8厘米的立方体( 图3)。变化的大小,字体,以及文本的厚度可以在CAD软件中进行。此外,最好是将标签上的一个或两个平面,以不旋转的晶体其他面时阻碍解剖结构的视图清楚地读标签。
表面图中的面的数目,这是激光雕刻到晶体的每个点的尺寸:两个附加的因素必须在执行解剖数据的SSLE时加以考虑。这些因素影响,将吸收入射光,从而潜在地增强或从给定SSLE可视化减损的点的数量和大小。首先,脸的数量,这是成正比的点在三维空间的数量,将同时影响整体的分辨率和显示模式的“亮度/对比度”。在每一个的本文所提出的实施例中,完成的STL文件减少到100000面而不将所得晶体产物的明显的降解,无论大小或放大率。整体亮度/对比度也是可以接受的使用这种方法。 100000值是安全范围使用不负担过重的软件和硬件的雕刻。然而,在某些情况下,可能需要额外的面以正确地显示给定数据集,这些文件可以被认为是实验,直到顺利完成。此外,也就是“烧”在晶体的每个点的尺寸可以经由电压进行调谐和雕刻的“密度”的输入值,以提高输出亮度对比度。在本情况下,电压的缺省值:选择0.2:8.5和密度。虽然这些值代表一个起点,他们可以在改变试验和错误的方式根据需要,以提高数据可视化。
有许多的利用3D晶体雕刻用于临床前和临床成像数据的显示的优点。晶体通常产生在30分钟内,而3D印刷结构可能需要几个小时,这取决于它们的尺寸和复杂性16,图 20,22。激光雕刻可以用于表示悬浮结构无需使用支撑,便于制造的解剖结构的复杂的或悬挂的特征,而不会降低与附加材料16的精度。与800-1,200 DPI的分辨率和小于10μm的精确度,这些模型非常类似于医疗数据24。虽然专业级3D打印机有大约600 DPI在XY一个类似的决议和1600 DPI的Z,他们是AC一般较少牧师(20-200微米)17,19,20( 表1)。
3D水晶内雕具有很强的潜力,但在几个方面都受到限制。由于数据是刻水晶里面,用户不能与解剖部位的触觉体验。按比例的表示是难以生产作为数据通常放大或缩小,以适应晶体。此外,激光只能雕刻用最少的对比度灰度。该结构的密度也由激光的处理数据能力的限制。晶体的整体稳定性是有利的,以在数年内的潜在用途,但固体玻璃可能不承受跌落在硬表面( 表1)。
尽管有这些限制,3D晶体雕刻保持显著值作为用于生物医学数据可视化的介质。虽然开始材料和支持需要考虑到与3D打印机,这些方面并不需要考虑激光雕刻。更复杂的部件,如人的脚,可以被表示为的结果。虽然稍微更复杂的结构的生产时间增加,不需要额外的材料和所述模型的成本保持不变。激光器的烧玻璃以点通过点的方式的能力产生高度定义了显示生物医学数据的细节,如在图2中的打破半径指出的结构。此外,内部晶体这些结构的位置使它们在户外耐损伤。不像许多三维打印平台利用固体塑料,透光性玻璃表面允许以简单的方式被可视化内部结构。一个三维水晶内雕的最有力的工具是其标注各个部分,也可以增加大小的参考比例尺能力。这个技术增加了大量的教育价值的晶体作为各级学生可以学习解剖和临床资料,生物学和医学教育两个有价值的成分相互作用,在一个模型。与各种角度以保持他们在一只手和视图结构的手掌的功能相结合,标签极大地增强了这些模型的教育价值。其结果是,3D雕刻晶体在解剖课程使用适用性广,临床实践,教育和普通教育。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢科学暑期大学生研究奖学金(SURF)学院为这个项目的财政支持。作者还感谢葛伦·尼伯,圣母大学教授,提供在本研究中使用骨样品(上面详述)。
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