Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Skalerede Anatomisk model Creation of Biomedical Tomografisk Imaging Data og associerede Etiketter til Efterfølgende Sub-overflade Lasergravering (SSLE) af glas krystaller

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

Summary

En metodik er beskrevet heri til at repræsentere anatomiske billeddata inden krystaller. Vi skaber skaleret tredimensionelle modeller af biomedicinske billeddata til brug i Sub-Surface Laser Gravering (SSLE) af krystalglas. Dette værktøj giver et nyttigt supplement til beregningsmæssige skærm eller tre-dimensionelt trykte modeller, der anvendes inden for kliniske eller undervisningsmiljøer.

Abstract

Biomedicinske billeddannende modaliteter som computertomografi (CT) og magnetisk resonans (MR) giver fremragende platforme til opsamling af tredimensionale datasæt af patienten eller specimen anatomi i kliniske eller prækliniske indstillinger. Men brugen af ​​et virtuelt, on-screen display begrænser evnen af ​​disse tomografiske billeder til fuldt ud at formidle den anatomiske oplysninger indlejret i. En løsning er at interface et biomedicinsk billedbehandling datasæt med 3D-print-teknologi til at generere en fysisk kopi. Her vi detalje en supplerende metode til at visualisere tomografiske billeddata med en håndholdt model: Sub Surface lasergravering (SSLE) af krystalglas. SSLE tilbyder flere unikke fordele, herunder: den facile evne til at omfatte anatomiske etiketter, samt en skala bar; strømlinet multipart samling af komplekse strukturer i et medium; høj opløsning i X-, Y- og Z-planerne; og halvgennemsigtige skaller til visualisering af interne anatomiske substrukturer. her we demonstrere fremgangsmåden ifølge SSLE med CT datasæt afledt af prækliniske og kliniske kilder. Denne protokol vil fungere som en kraftfuld og billig ny redskab til at visualisere komplekse anatomiske strukturer for forskere og studerende i en række uddannelses- og forskningsmiljøer.

Introduction

Biomedicinske billeddannende modaliteter som computertomografi (CT) eller magnetisk resonans (MRI) anvendes rutinemæssigt af det medicinske, forskning, og akademiske miljøer til ikke-invasivt undersøge de interne strukturer i humane eller biologiske individer 1, 2, 3. I moderne medicin, denne teknologi muliggør mere informerede diagnoser og dermed forbedret patientbehandling 4. Især CT giver en glimrende mulighed for 3-D rekonstruktion grund af sin høje opløsning og isotrope voxel egenskaber (identisk længde af hver terning kant). 5 Yderligere, software pakker er til rådighed, at gengive biomedicinske billeddata i tre dimensioner (3D) for højere-ordens funktioner som computerstøttet kirurgi og virtuel endoskopi 6. Inden præklinisk forskning, ikke-destruktiv billedbehandling giver en translationel platformsom at studere sygdomsmodeller i mus og rotter 7. Digitale biblioteker, såsom den biologiske database Digital Morfologi (http://digimorph.org), er blevet befolket med CT-data fra forskellige prøver eller kliniske sygdomstilstande for let adgang de bredere videnskabelige og medicinske samfund 8.

På nuværende tidspunkt har biomedicinsk billedbehandling data blevet visualiseret i det virtuelle rum på computerskærme, eller i det fysiske rum med håndholdte modeller. Mens computersoftware giver brugerne mulighed for at dissekere og manipulere data, fysiske kopier er en dejlig supplement med fremragende pædagogisk fordel 9, 10. Traditionelle modeller er blevet genereret under anvendelse af en billig støbeproces, hvor de grundlæggende formene fyldes med harpiks, der hærder i den ønskede struktur 11. Støbte modeller er modtagelige for billig masseproduktionen, men er begrænset til basis-strukturer, der ikke er afledt af patientens datasæt. I de seneste fem år, har 3D trykte kopier af den menneskelige anatomi blevet mere og mere udbredt på grund af den høje kompleksitet, og ofte gange patientspecifikke, genstande, der kan genereres og vises. Disse modeller er skabt af maskiner, deponering flydende eller smeltet plast i additive lag, og har bistået læger med diagnoser, komplekse operationer, behandling af sygdomme, prostetisk design, og patient kommunikation 12, 13. Endvidere den udbredte tilgængelighed af forbruger-grade 3D-printere inden for primære, sekundære og kollegiale skolemiljøer tjener til at øge den pædagogiske effekt af delt anatomisk model filer 14, 15.

Samlet set har 3D-print betydeligt fremmet udviklingen af ​​anatomiske modeller inden for medicin, men det har begrænsninger. Først, oprettelse af multi-delen anatomiske modeller kan være udfordrende, da ekstra arbejde ofte er påkrævet for at digitalt binde separate stykker sammen, der ellers kan falde fra hinanden 16. Også opaciteten for mange 3D trykte materialer, især til forbruger-grade maskiner, forhindrer visualisering af interne sub-strukturer, der giver yderligere indsigt om en prøve er knogle og blødt væv. Endvidere flydende eller smeltede plast ekstrudere begrænse opløsningen af ​​3D-prints. Ekstruderne af professionelle printere er ca. 50 um i diameter og muliggøre en lagtykkelse på 14 um, med en opløsning på op til 600 dots per inch (dpi) i X- og Y-aksen og 1.600 DPI i Z-aksen 17, 18 . Til sammenligning forbruger-grade 3D-printere har ekstrudere, der er omkring 400 um i diameter og giver en lagtykkelse på 100 um og en beslutning nogenlunde svarer til 42 DPI 19, 20, 21. Derudover høje materialeomkostninger forhindre industriel masseproduktion i at opnå stordriftsfordele 22.

Sub Surface lasergravering (SSLE) eller 3D krystal gravering, anvender en laserstråle til at danne små "bobler" eller prikker med høj præcision på tusindvis af X, Y, Z-koordinater i et stift, høj renhed, kubiske, glasmatrix 23. Hver prik er 20-40 um, som giver opløsning mellem 800-1.200 DPI 24. Yderligere hver prik er halvgennemsigtig, muliggør visualisering af interne sub-strukturer. Multiple, usammenhængende dele er repræsenteret i samme krystal og yderligere materiale kræves ikke for store, indviklede strukturer. Da matricen er fast, kan tilsættes anatomiske etiketter og størrelse skala barer at forbedreden pædagogiske potentiale de billeddannende data, der vises i. Her præsenterer vi en proces, hvor X-ray computertomografi (CT) data er formateret til krystal SSLE. For det første kan dataene indsamles fra kommercielle prækliniske microCT systemer, kliniske scannere fra radiologiske afdelinger / unis, eller stammer fra online-repositories som National Biomedical Imaging Arkiv (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Her demonstrerer vi denne fremgangsmåde med fåreknogle kerne, brud på håndled, mærket fod, og mærkede ben krystaller til at illustrere evnen til at optage både prækliniske og kliniske data, justere skalaen af anatomiske strukturer, og koordinere en struktur geometri med krystalstørrelse. I betragtning af den facile natur SSLE og allerede udbredt brug af STL filer i 3D-print, fremstilling af mærkede anatomiske krystaller giver en spændende, hånd-håndholdt visualisering værktøj til brug inden for de akademiske og uddannelsesmiljøer.

Protocol

Alle menneskelige computertomografi datasæt blev anonymiseret efter godkendt SJRMC protokol.

1. CT dataopsamling af Prækliniske og kliniske prøver

  1. Gennemføre mikro røntgen computertomografi at generere en præklinisk datasæt. I det foreliggende tilfælde, brug en microCT at afbilde en knogle kerne prøve med følgende indstillinger: 45 kV, 0,4 mA, og 1.000 fremspring. 5
  2. Rekonstruere rådata ved høj opløsning (125 um isotropisk voxel). For yderligere at øge opløsningen, identificere og rekonstruere en 1 cm terning med et center på volumen oprindelse (10 um isotropisk voxel).
  3. Eksporter de rekonstruerede datasæt i DICOM format til yderligere behandling.
  4. Alternativt erhverve rekonstruerede CT datasæt, som de i den brækket håndled og mund anvendt i denne undersøgelse, fra kliniske samarbejdspartnere (data vist her erhvervet fra Saint Joseph Regional Medical Center) eller open source DICOM arkiver (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importer filer i DICOM imaging software og eksport som dekomprimerede DICOM-filer hvis det er nødvendigt.

2. Databehandling

  1. Åbn hver DICOM datasæt (bestående af alle billedudsnit) ved hjælp af 'Load DICOM' i indstillingen 'Vis' for billedbehandling software.
  2. Gem hvert datasæt som en NIfTI analysere, en etableret imaging format til videnskabelig analyse. Importer NIfTI filer i et program med anerkendt anvendelse i medicinsk billedbehandling beregnes og automatiseret segmentering til generering af overflade kort (fx 3DSlicer).
  3. Upload et givet NIfTI fil i overfladen kortet generator program med 'Tilføj data' værktøj.
  4. Vælg 'gråtoner Model Maker' værktøj med specifikationen "Opret og Omdøb ny model". Set lavere grænseværdier til ca. 300 HU for segmentering af knogle.
  5. Gem gråtoner modellersom STL-filer til bearbejdning yderligere data.
  6. Importer hver overflade kortet ind i 3D-data forberedelse software (f.eks, Netfabb Studio Basic) og vælg funktionen 'Repair'.
  7. Brug 'Vælg Part' og 'Slet' værktøjer til at slette alle overflader, der ikke repræsenterer strukturen af ​​interesse.
  8. Brug 'Tilføj Trekant' værktøj til delvis dækning hullerne i overflader og 'Automatisk Reparation' script til helt tæt resterende huller.
  9. Vælg 'Reparation Degenerede Faces' script i menuen indsats for at løse kanter uden overfladeareal og den 'Anvend Repair' script for at afslutte 'Repair' tilstand med den modificerede del.
  10. Brug 'cut' værktøj til at fjerne uønskede elementer eller reducere størrelsen af ​​modellen. Udpeg placeringen af ​​hvert snit i 'X', 'Y' eller 'Z' fly i 'Cut' menu af kontekst område.
  11. Brug 'Udfør Cut' værktøj og vælg '; Triangulere Cut' i indstillingerne til automatisk at lukke alle deraf følgende huller.
  12. Brug 'Vælg Part' og 'Slet' værktøjer samtidigt for at slette alle overflader som følge af snit, der ikke repræsenterer strukturen af ​​interesse.
    BEMÆRK: Hvis overfladen kortet vil blive støder med en skala bar, springe det følgende trin. Den anatomiske træk og Målestokken vil blive skaleret samtidigt, efter at de er forenet i en enkelt STL.
  13. Vælg 'Scale' muligheden for at ændre dimensionerne af hver overflade kortet. Modeller kan dilateres (knogle kerne) eller formindsket i dimension (fod), eller holdt ved oprindelige størrelse (håndled) til at passe inden en 8 cm terninger og 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulært prisme. Bemærk, at filer på dette stadium kan sendes til SSLE hvis der ønskes ingen etiketter eller skala barer.

3. Anatomisk Mærkning

  1. Vælg 'Ny' i menuen af CAD-program (fx Autodesk Inventor Professional) to oprette en ny projektmappe ved hjælp af den metriske skabelon til en 'standard (mm) .ipt' del.
  2. Vælg 'Opret 2D Sketch' valgmulighed og vælge enhver plan. Brug 'Tekst' værktøj i 'Draw' menuen på værktøjslinjen til at producere maskinskrevne anatomiske etiketter med den ønskede skrifttype og størrelse (Times New Roman og 2,0 mm).
  3. Når du er færdig, skal du vælge 'Udfør Sketch' valgmulighed i 'Exit' menuen i værktøjslinjen.
  4. Vælg 'Extrude' værktøj fra 'Opret' menuen på værktøjslinjen med indstillingen '2D Text'. Udpege en ekstrudering dybde (2,0 mm) med den symmetriske indstilling.
  5. Eksport tekst etiketter i CAD-format med den 'Gem som type' STL indstilling.
  6. Åbn en ny projektmappe til produktion af en cylindrisk etiket linje. Vælg 'Filer' mulighed for at oprette en ny metrisk skabelon med en standard (mm) .ipt 'del.
  7. Vælg 'Opret 2D Sketch' værktøj og vælge en plan. Brug 'CentrePunkt Circle' værktøj i 'Draw' menuen på værktøjslinjen til at producere en cirkel med et centrum på oprindelsen.
  8. Bruge værktøjet 'dimension' i menuen 'Constraint' for at indstille diameteren af ​​cirklen (1,0 mm).
  9. Når du er færdig, skal du vælge 'Udfør Sketch' valgmulighed i 'Exit' menuen i værktøjslinjen.
  10. Vælg 'Extrude' værktøj vælges fra 'Opret' menuen på værktøjslinjen med indstillingen '2D tekst'. Vælg en ekstrudering dybde (10,00 mm) med den symmetriske indstilling.
  11. Eksport tekstetiketter og cylindre i CAD-format med den 'Gem som type' STL indstilling.

4. Fastgørelse af etiketter

  1. Import-modeller, tekst etiketter og cylindriske label linjer i 3D-data forberedelse software.
  2. Oversæt tekstetiketter til venstre eller højre for den tilhørende anatomi ved hjælp af 'Move del' værktøj. Brug 'Roter Part' værktøj at orientere etiketter, således at de står the samme retning.
  3. Oversæt og rotere cylindriske label linjer ved hjælp af 'Flyt Part' og 'Roter Part' værktøjer til at forbinde etiketter til tilknyttede strukturer inden for modellen.
  4. Indtast om nødvendigt tilstanden 'Reparation' og bruge 'Select trekanter' og 'Fjern valgte Trekanter' for at reducere størrelsen af ​​cylindre til den passende længde.
  5. Hvis du bruger den grundlæggende version, skal du vælge alle dele og gemme som et projekt. Så genåbne dette projekt i den professionelle version.
  6. I den professionelle version, skal du vælge alle dele og eksport som en enkelt STL.

5. Skala Bar Design

BEMÆRK: To typer af skala stænger er designet i CAD-programmet. Den første er til stede i figur 1 og omfatter tre separate målestokke med aksemærkerne på særskilte målinger, liggende på hvert plan. Det andet, inkluderet i figur 2, figure 3, & figur 4, er sammensat af vinkelrette linjer liggende på de tre akser og konvergerende i et hjørne. Følg trin 5,1-5,2 for at begynde at designe hver skala bar.

  1. Opret en ny projektmappe i CAD-programmet ved at vælge 'Ny' og 'Standard (mm) .ipt' del.
  2. Vælg 'Opret 2D Sketch' og vælge en af ​​de tre planer til at begynde at arbejde på.
    BEMÆRK: Fortsæt med trin 5.3-5.16 til at producere den første type skala bar. Dimensionerne fastsatte blev gennemført til oprettelse af en 1 cm skala bar med aksemærkerne ved intervaller på 25 mm.
  3. Bruge værktøjer den 'Rektangel' og 'Dimension' for at tegne et rektangel (10 mm x 0,25 mm) med en bredde, der svarer til den ønskede længde af skalaen bar (10 mm) og en længde på enhver rimelig værdi (0,25 mm). Placer den nederste venstre toppunkt om oprindelsen så x-koordinater kan anvendes til afstanden mellem aksemærkerne.
  4. For at skabe de aksemærkerne, udnytte than 'Rektangel' værktøj til at tegne et rektangel direkte over skala bar. Begrænse størrelsen (0,025 mm x 0,432 mm) med 'dimension' værktøj.
  5. Anvendelse x-koordinaterne, oversætte det nydannede rektangel så den ligger i den ønskede afstand fra kanten. Dette er toppen af ​​flueben.
  6. At skabe bunden af ​​kryds-mærket, tegne en anden rektangel, med samme dimensioner som den øverste halvdel, direkte under skala bar. Brug 'Juster' værktøj til at justere de to halvdele af flueben.
  7. Vælg 'Trim' værktøj i 'Rediger' menuen og vælg det område, hvor skala bar og aksemærkerne overlapper hinanden. Dette vil fjerne overskydende linjer og tillade den del, der skal fortolkes som en enkelt funktion, når ekstruderes.
  8. Gentag trin 5,4-5,7 for resten af ​​aksemærkerne.
  9. Når du er færdig, skal du vælge 'Udfør Sketch' valgmulighed i 'Exit' menuen i værktøjslinjen.
  10. Vælg 'Extrude' under 'Opret' mændu og vælg skalalinjen. Bestemme en ekstrudering afstand og retning (0,25 mm og ind i skærmen).
  11. At designe etiketter til de aksemærkerne, vælg 'Create 2D Sketch' og vælg skalalinjen som bearbejdningsplanet.
  12. Under 'Draw' menuen, vælg 'Tekst' værktøj til at skabe tekst med en bestemt skrifttype og størrelse (Times New Roman og 0,25 mm). Oversæt teksten til den ønskede position ved siden af ​​skalaen bar.
  13. Når du er færdig, skal du vælge 'Udfør Sketch' valgmulighed i 'Exit' menuen i værktøjslinjen.
  14. Vælg 'Extrude' værktøj fra 'Opret' menuen på værktøjslinjen med indstillingen '2D Text'. Udpege en ekstrudering dybde (0,25 mm) og retningen (i skærmen).
  15. Gentag trin 5,12-5,14 at skabe de andre mærker.
  16. Eksporter afsluttet Målestokken i CAD-format med den 'Gem som type' STL indstilling.
    BEMÆRK: Efter efterbehandling trin 5,1-5,16, fortsætte med trin 5.17-5.31 for at skabeden anden type skala bar. Disse målinger blev anvendt til at skabe en skala bar, var 2 cm på hver akse og 2 mm tykke.
  17. Vælge 'Rektangel' værktøj til at skabe en firkant og begrænse længden og bredden (2 mm x 2 mm) med 'dimension' værktøj. De udvalgte i dette trin dimensioner vil bestemme tykkelsen af ​​delen.
  18. Vælg 'Finish Sketch' for at vende tilbage til indstillingen 3D model.
  19. Under 'Opret', vælg 'Extrude' og vælg den firkantede tegnet i 2D Skitse-tilstand. Vælge den ønskede ekstrudering dybde og retning (20 mm og ind i skærmen).
  20. Vælg 'Opret 2D Sketch' og fortsætte med at arbejde på det samme plan som den tidligere skitse.
  21. Bruge værktøjer den 'Rektangel' og 'Dimension' for at tegne et rektangel (2 mm x 18 mm) direkte over pladsen. Svarer til længden af ​​rektanglet til længden af ​​pladsen (2 mm) og bredden bør være den ønskede størrelse af skalaen bar minus width af pladsen (20 mm - 2 mm = 18 mm). Tryk på 'Finish Sketch' når det står færdigt.
  22. Under 'Opret', vælg 'Extrude' og vælg rektangel. Angiv en ekstrudering dybde, som bør være længden af ​​pladsen (2 mm), og vælg en retning (ind i skærmen).
  23. Drej del, så det ligner bogstavet 'L'. Opret en ny 2D skitse og vælg den forreste del af 'L' som bearbejdningsplanet.
  24. Tegn en firkant på hjørnet af de to rektangler ved hjælp af 'Rektangel' værktøj. Begrænse dimensionerne (2 mm x 2 mm), så det passer nøjagtigt i hjørnet. Afslut skitse med 'Gennemfør Sketch' værktøj.
  25. Under 'Create,', vælg 'Extrude' og vælg det nyoprettede pladsen. Angiv en ekstrudering afstand, som bør være den ønskede størrelse af skalaen bar minus bredden af ​​pladsen (20 mm - 2 mm = 18 mm). Vælg en retning (ud af skærmen) og anvende ekstrudering.
  26. For at tilføje tekst indicating dimensionerne af skala bar, oprette et nyt 2D skitse off af hvilket som helst plan.
  27. Brug 'Tekst' værktøj i 'Draw' menuen i værktøjslinjen for at producere en etiket med den ønskede skrifttype og størrelse (Times New Roman og 2,5 mm).
  28. Oversæt teksten til den ønskede position ved siden af ​​skalaen bar. Afslut skitse ved at vælge 'Finish Sketch'.
  29. Udnytte 'Extrude' værktøj og indtaste en ekstrudering afstand, der matcher tykkelsen af ​​skalaen bar (2 mm) og retning, der bringer mærket med skalastangen (ind i skærmen).
  30. Gentag trin 5,26-5,30 ved hjælp af de andre fly til at oprette etiketter til alle tre akser.
  31. Når du er færdig, eksporterer skalalinjen og dens medfølgende mærkater i CAD-format med 'Gem som type' STL indstilling.

6. Tilsætning af Scale Bars til Anatomiske Modeller

  1. Åbn den anatomiske model i 3D-data forberedelse software og importere skalalinjen.
  2. Brug '; Move del' og 'Roter Part' værktøjer til at orientere skalalinjen siden den anatomiske model.
  3. Hvis den første type skala bar blev skabt, importere del to gange mere. Oversætte og rotere Skalabjælkeme individuelle så man ligger på hver akse.
  4. Hvis du bruger den grundlæggende version, skal du vælge alle dele og gemme som et projekt.
  5. Åbn filen i den professionelle version. Vælg alle dele og eksport som en enkelt STL.
    BEMÆRK: Dimensioner bevares, når overfladen kort og skala barer importeres til grundlæggende eller professionelle version. Før gravering, overflade kort, sammen med tilknyttede etiketter og målestokke, skaleres til at passe ind krystallerne. Eftersom målestokke er skaleret med samme hastighed som modeller, ændringer i størrelserne af målestokke er repræsentative for Dimensionsændringerne i de anatomiske strukturer.

7. Reduktion af ansigter

  1. Udnyt den 'Import Mesh' værktøj til at tilføje en STL fil i 3D mesh-behandling program. Justeringer vil blive anvendt til overfladen model og alle komponenter, herunder tekst og skala barer, da softwaren fortolker maske som den ene del.
  2. Under 'Filtre' og 'Remeshing, forenkling og genopbygning,' vælge 'Kvadratisk Edge Skjul decimering' redskab til at reducere antallet af ansigter til stede i masken.
  3. Indtast det ønskede antal ansigter (100.000) under 'Target antal ansigter' og vælg 'Anvend'. Denne operation er gjort for at skabe en overkommelig filstørrelse for SSLE software, og forhindre overskydende gravering gange.
  4. Eksportere den færdige vare som en STL ved hjælp af 'Export Mesh som ...' indstillingen.

8. Model Gravering i Crystal

BEMÆRK: Afsluttet STL filer bliver videresendt til en industriel samarbejdspartner, hvor glas krystaller er lasergraveret at producere fysiske modeller af de anatomiske data. For forespørgsler og yderligere bistand, PLlethed kontakte industrien forfattere dette manuskript.

  1. Åbn STL fil i en lasergravering program og konvertere til en SCAX fil.
  2. Importer SCAX fil i en software-pakke er forbundet til 3D lasergravering maskine.
  3. Definer en krystal størrelse passende for sammenknytning med SCAX fil.
  4. Indstil effekten af ​​laseren og indtaste en spænding og tæthed. Mens 8,5 V og 0,2 vælges typisk for spænding og vægtfylde, kan andre målinger bestemmes ved at reducere spændingen og forøgelse af densiteten, at sikre, at krystallen ikke revner eller knækker.
  5. Send filen til en 3D laser gravør til krystal produktion.

Representative Results

Sub-overflade lasergravering af glas krystaller er en dybtgående middel til at visualisere mange typer af biomedicinske tomografiske billeddata. Figur 1 inkorporerer prækliniske CT-data, mens figur 2, figur 3, & Figur 4 viser, hvordan kliniske CT-scanninger kan også anvendes. Eftersom dimensioner modificeres før gravering, kan strukturer af varierende størrelser repræsenteres gennem lasergravering. Mens figur 2 eksemplificerer hvordan anatomies kan udskrives målestok, skal skaleres op eller ned fleste strukturer. To typer af skala stænger kan gennemføres for at måle Dimensionsændringerne: en, der strækker sig over siderne af strukturen og en anden med de tre akser konvergerer i et hjørne. Den første type er ideel til dilaterede strukturer, såsom knoglen kerne, mens den anden type er bedst egnet til at-skala eller reducerede strukturer. Yderligere størrelsen af ​​krystallen er parret med formen af ​​den anatomiske struktur. Som et resultat blev foden placeret i en terning mens benet blev suspenderet i et rektangulært prisme.

Et centralt element i sub-overflade gravering er evnen til at knytte tekstetiketter til anatomiske træk. Teknikken kan anvendes til forskellige typer af billeddata, med optimal etiket placering afhængigt af geometrien af ​​strukturen. I figur 2 blev teksten anbragt på to planer til rummet etiketterne ud og hindre, at visningen af anatomien. For figur 3 & 4, kunne knogler klart set fra den ene side, så etiketterne blev anbragt på et enkelt plan.

figur 1
figur 1. Prækliniske CT-af et får knogle kernesæt, vises virtuelt og suspenderet i en 3D graveret krystal. Imaging software blev anvendt til at generere og vedhæfte målestokke til en overflade kort over en 1 cm isotopisk fåreknogle (venstre). Strukturen undergik en fem gange stigning i dimension langs hver akse som angivet ved de Skalabjælkeme, og var lasergraveret i en 8 cm kvadrat krystal (højre). Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 2
Figur 2. Klinisk CT data af en brækket håndled med anatomiske etiketter, vises virtuelt og indgraveret i krystal. En klinisk CT datasæt af en human håndled med en brudt radius blev konverteret til en overflade kort gennem computersoftware. Anatomiske etiketter og en 2 cm skala bar m førend genereres ved hjælp af Computer Aided Design (CAD) og fastgjort til modellen (til venstre). En 3D laser gravør indskrevet strukturen i en 8 cm terning krystal (højre). Skalalinjen bevaret sin størrelse, hvilket viser håndleddet blev produceret i målestok. Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 3
Figur 3. Anatomisk mærket human fod med anatomiske etiketter, vises virtuelt og indgraveret i krystal. En CT-datasæt af en menneskelig fod blev omdannet til et gråtoner model med imaging software. Tekst og et 4 cm skala bar blev skabt ved hjælp af CAD og indarbejdet med overfladen kort (venstre). Modellen blev reduceret til halvdelen af ​​dens størrelse og lasergraveret i en 8 cm krystal terning (højre). 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik her for at se en større version af dette tal.

figur 4
Figur 4. Kliniske CT datasæt af et humant ben anatomisk mærket under anvendelse computersoftware og indgraveret i krystal. Software pakker blev anvendt til fremstilling af en overflade kort fra en fuld menneskelig CT-scanning og til afsnittet benet fra resten af ​​kroppen. Anatomiske etiketter og en 2,5 cm skala bar designet med CAD blev fastgjort (til venstre) og strukturen blev præget i en 5 cm x 5 cm x 8 cm krystal (højre). Skalalinjen i krystallen illustrerer benet blev skaleret ned i en 5: 3-forhold. Klik her for at se en større version af dette tal.

ys "> 3D Printing Sub-Surface Laser Gravering (SSLE) af krystaller Fordele Taktil oplevelse Oprettelse af strukturer i frit rum Fuld farve modeller Generation af flere dele modeller Målestokstro mulige repræsentation med større række strukturer Fastgørelse af anatomiske etiketter Fast plastmateriale resistent over dråber Scale barer ophængt i model Billig forbruger-grade printere til rådighed Høj opløsning og nøjagtighed Høj opløsning af professionel kvalitet printere Kort produktionstid Let at forbinde separate anatomiske underenheder sammen i 3D-rum Strukturer inden krystal ikke er modtagelige for uden skader Lave materiale Laser gravører moderat prissat Ulemper Svært at knytte separate anatomiske underenheder i 3D-rum Ingen taktil oplevelse Omkostninger og produktion tid varierer med kompleksitet gråtoner Mere modtagelige for produktionsfejl Størrelse begrænset af krystal Efter produktionen vaske kan være nødvendigt Til-skala repræsentation vanskelig Opløsning begrænset af plast ekstrudere Tæthed begrænses af laser Dele kan chip off af model Krystaller kan chip eller knække, når droppet Kostbare professionel kvalitet printere Priserne på materialer varierer meget

Tabel 1. Fordele og ulemper ved 3D-print og SSLE til produktion af anatomiske modeller. 3D-print og SSLE er to midler til at visualisere biomedicinske tomografiske billeddata, og hver har en række styrker og svagheder i forhold til skabelsen af ​​fysiske modeller af dataene.

Discussion

Prækliniske og kliniske datasæt erhvervet gennem biomedicinske billeddiagnostiske modaliteter har været medvirkende til moderne forskning og medicinske fremskridt. Tidligere hjælp af biomedicinske data visualisering inkluderet computerskærmen og fysiske modeller genereret fra traditionel støbning eller moderne 3D udskrivning tilgange. Her beskriver vi en 3D-krystal gravering metoden som et alternativt middel til visualisering tomografiske biomedicinske data, da det genererer veldefinerede, mærket modeller på en enkel måde. Disse relativt billige modeller kan anvendes bredt som pædagogiske værktøjer. Udnyttelsen af ​​krystal gravering til præcist at repræsentere anatomiske data giver det store potentiale i kliniske og undervisningsmiljøer. Evnen til at visualisere data i en fysisk, tredimensionel format overvinder begrænsningerne i traditionelle former for undervisning ved hjælp af flade billeder eller virtuelle gengivelser 9. Høj opløsning af indgraveret strukturer og fastgørelse afetiketter til bestemte synlige elementer lette brugen af ​​disse modeller for patient eller elev uddannelse. Hertil kommer, at denne modalitet giver mulighed for at identificere og observere årsager og aspekter af sygdomstilstande i en prøve. For eksempel klassificering og placering af et knoglebrud, ligesom brud på håndled bemærket i figur 2, tilvejebringer en mere omfattende forståelse af relationen sygdomstilstande og andre fysisk synlige tegn og / eller patientens symptomer.

Gennem 3D krystal gravering, blev prækliniske og kliniske CT datasæt repræsenteret som fysiske strukturer indskrevet i krystaller. Prækliniske CT-data blev erhvervet ved hjælp af en microCT scanner, mens kliniske CT-billeder blev indsamlet fra kliniske radiologiske kilder. Før videre forarbejdning, er klinisk billeddannelse data konverteres til dekomprimerede DICOM-filer via imaging software. Efterfølgende softwareprogrammer omdanne rekonstruerede DICOM-filer ind overflade kort. Ændring af disse overflade kort og generering af anatomiske etiketter og skala barer er opnået med forberedelse af data software og Computer Aided Design (CAD). Fuldførte STL filer reduceres og omdannes til SCAX filer. Efter krystal størrelse og laser magt er indstillet, bliver filerne læses af en 3D lasergravering maskine, der skaber de free-form anatomiske strukturer i krystal.

Den ovenfor beskrevne fremgangsmåde kan anvendes til forskellige kliniske og prækliniske datasæt. Mens CT datasæt blev gennemført i dette projekt, er det muligt, at data fra andre billeddiagnostiske modaliteter kan visualiseres i krystal, herunder 3D ultralyd (US), magnetisk resonans (MRI), og Positron Emission Tomography (PET). Ligeledes kan andre humane anatomiske strukturer og biologiske prøver skal afbildes og repræsenteret i dette medium. Men de kommer i forudbestemte størrelser og strukturer krystaller skal skæres eller skaleres i overensstemmelse hermed. Det er tilrådeligt at matche the geometri af den anatomiske del med størrelsen af ​​krystallen. For eksempel et ben bedst passer i en 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulært legeme (figur 4), medens en fod er velegnet til en 8 cm terning (figur 3). Ændringer i størrelse, skrifttype, og tykkelsen af ​​tekst kan udføres i CAD-software. Derudover er det bedst at placere etiketter på en eller to planer for klart at læse etiketter uden at hindre udsigten over anatomi, når dreje krystal til andre ansigter.

To yderligere faktorer skal overvejes, når der udføres SSLE af anatomiske data: antallet af flader inden for en overflade kort, og størrelsen af ​​hvert punkt, der er laser indgraveret i krystallen. Disse faktorer påvirker antallet og størrelsen af ​​de punkter, som vil absorbere indfaldende lys og dermed potentielt øge eller svækker et givet SSLE visualisering. For det første er antallet af ansigter, som er direkte proportional med antallet af punkter i 3D-rum,vil påvirke både den samlede opløsning og "lysstyrke / kontrast" af den viste model. I hvert af de præsenteret heri eksempler blev afsluttet STL fil reduceret til 100.000 flader uden tilsyneladende nedbrydning af det resulterende krystal produkt, uanset størrelse eller forstørrelse. Den overordnede lysstyrke / kontrast var også acceptabel bruge denne fremgangsmåde. Den 100.000 værdi er den sikker område for gravør bruges for ikke at overbebyrde den software og hardware. Men i nogle tilfælde yderligere ansigter kan være nødvendig for at kunne vise et givent datasæt, og disse filer kan betragtes som eksperimentel indtil fuldført. Desuden kan størrelsen af ​​hvert punkt, der er "brændt" ind i krystallen indstilles via spænding og "density" input værdier af kobberstikkeren at forbedre output klarhedskontrasten. I de foreliggende tilfælde, standardværdier for Voltage: 8.5 og Density: blev 0,2 valgt. Selv om disse værdier repræsenterer et udgangspunkt, kan de ændres i entrial and error mode at forbedre datavisualisering efter behov.

Der er en række fordele ved at udnytte 3D-krystal gravering til visning af prækliniske og kliniske billeddata. Krystaller fremstilles typisk på under 30 minutter, mens 3D trykte strukturer kan kræve flere timer, afhængig af deres størrelse og kompleksitet 16, 20, 22. Lasergravering kan anvendes til at repræsentere suspenderede strukturer uden anvendelse af støtte, fremme produktionen af indviklede eller hængende funktioner af anatomien uden at reducere nøjagtigheden med yderligere materiale 16. Med en opløsning på 800-1.200 DPI og en nøjagtighed på mindre end 10 um, disse modeller ligner medicinske data 24. Mens professionel kvalitet 3D-printere har en lignende opløsning på omtrent 600 DPI i XY og 1.600 DPI i Z, er de generelt mindre ackapellan (20-200 um) 17, 19, 20 (tabel 1).

3D krystal gravering besidder et stort potentiale, men er begrænset i et par områder. Da data er indgraveret inde krystal, kan brugerne ikke har en taktil erfaring med de anatomiske dele. Målestokstro repræsentationer er vanskelige at fremstille som data typisk skaleres op eller ned for at passe i krystallerne. Desuden kan laseren kun gravere i gråtoner med minimal kontrast. Densiteten af ​​strukturen begrænses også af laserens evne til at behandle data. Den overordnede stabilitet af krystaller er en fordel for potentiel anvendelse over flere år, men det faste glas kan ikke tåle at tabe den på hårde overflader (tabel 1).

På trods af disse begrænsninger, 3D krystal gravering besidder betydelig værdi som et medium til visualisering af biomedicinske data. Mens startmateriale og støtte skal tages i betragtning med 3D-printere, behøver disse aspekter ikke behøver at komme i betragtning til lasergravering. Mere komplekse dele, såsom den menneskelige fod, kan repræsenteres som et resultat. Mens produktionen øges lidt med mere indviklede strukturer, er ingen yderligere materiale, der kræves, og udgifterne til modellen forbliver den samme. Laserens evne til at brænde glas i et dot-by-dot mode producerer højt defineret strukturer, der viser de fine detaljer i biomedicinske data, som bemærket i den brudte radius i figur 2. Derudover placeringen af ​​disse strukturer inde krystaller gør dem modstandsdygtige over for uden skader. Modsætning homogen plast anvendes på mange 3D trykning platforme, de gennemskinnelige glasflader tillade interne strukturer, der skal visualiseres på en ligetil måde. Et af de mest kraftfulde værktøjer i 3D krystal gravering er dens evne til at mærke de enkelte dele, og også tilføje en skala bar for størrelse reference. Det herteknik tilføjer væsentlig uddannelsesmæssig værdi til krystallerne som studerende på alle niveauer kan lære anatomi og interagere med kliniske data, to værdifulde bestanddele af den biologiske og medicinske uddannelse, i én model. Kombineret med evnen til at holde dem i håndfladen af ​​en hånd og se strukturer på en række forskellige vinkler, mærkning i høj grad øger den pædagogiske værdi af disse modeller. Som et resultat, 3D indgraveret krystaller har bred anvendelighed til brug i anatomi kurser, klinisk praksis, og almen uddannelse.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker College of Science Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) for deres økonomiske støtte til dette projekt. Forfatterne også takke professor Glen Niebur, University of Notre Dame, for at give knogle prøver (beskrevet ovenfor), der anvendes i denne undersøgelse.

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).
Skalerede Anatomisk model Creation of Biomedical Tomografisk Imaging Data og associerede Etiketter til Efterfølgende Sub-overflade Lasergravering (SSLE) af glas krystaller
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