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.
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.
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, <sop class = "xref"> 20. Prisen varierer også betydeligt fra forbruger-grade til professionelle printere 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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |