Een methode wordt beschreven voor het weergeven anatomische beeldgegevens binnen kristallen. Wij creëren geschaald driedimensionale modellen van biomedische beeldvorming gegevens voor gebruik in Sub-Surface Laser Gravure (SSLE) van kristalglas. Deze tool biedt een nuttige aanvulling op computational beeldscherm of driedimensionaal gedrukte modellen die binnen de klinische of educatieve instellingen.
Medische beeldvorming, zoals computertomografie (CT) en magnetische resonantie (MR) bieden uitstekende platforms voor het verzamelen van driedimensionale datasets van patiënt of specimen anatomie klinische of preklinische instellingen. Echter, het gebruik van een virtuele, on-screen display beperkt de mogelijkheid van deze tomografische beelden van de anatomische informatie ingebed binnen volledig over te brengen. Een oplossing is om een biomedische beeldvorming data set met 3D-printtechnologie om een fysieke replica genereren-interface. Hier hebben we detail een aanvullende methode om tomografische beeldgegevens visualiseren met een handbediend model: Sub Surface Laser Engraving (SSLE) kristalglas. SSLE biedt een aantal unieke voordelen, waaronder: de gemakkelijke mogelijkheid om anatomische labels, evenals een schaal bar op te nemen; gestroomlijnde meerdelige fabricage van complexe structuren in een medium; hoge resolutie in de X-, Y- en Z vlakken; en semi-transparante schalen voor visualisatie van interne anatomische substructuren. hier we tonen het proces van SSLE met CT datasets afkomstig van preklinische en klinische bronnen. Dit protocol zal dienen als een krachtig en goedkoop nieuwe tool waarmee complexe anatomische structuren voor wetenschappers en studenten te visualiseren in een aantal educatieve en onderzoek instellingen.
Medische beeldvorming, zoals computertomografie (CT) of magnetic resonance imaging (MRI) worden routinematig gebruikt door de medische, onderzoek, en academische gemeenschappen om niet-invasief onderzoek van de interne structuren van het menselijk of biologische vakken 1, 2, 3. In de moderne geneeskunde, deze technologie maakt het mogelijk beter geïnformeerde diagnoses en daarmee verbeterde behandeling van de patiënt 4. Vooral CT biedt een uitstekende gelegenheid voor 3-D reconstructie vanwege de hoge resolutie en isotrope voxel eigenschappen (gelijke lengte van elke kubusrand). 5 Verder software beschikbaar die biomedische afbeeldingsgegevens render driedimensionale (3D) voor hogere orde functies zoals computerondersteunde chirurgie en virtuele endoscopie 6. Binnen pre-klinisch onderzoek, niet-destructieve beeldvorming zorgt voor een translationeel platformwaarop ziektemodellen bij muizen en ratten 7 bestuderen. Digitale bibliotheken, zoals de biologische databank Digital morfologie (http://digimorph.org), zijn bevolkt met CT-gegevens afkomstig van verschillende monsters of klinische ziekte toestanden voor gemakkelijke toegang door de bredere wetenschappelijke en medische gemeenschappen 8.
Op dit moment heeft de biomedische beeldvorming gegevens gevisualiseerd in de virtuele ruimte op computerschermen, of in de fysieke ruimte met hand-held modellen. Terwijl de computer software stelt gebruikers in staat te ontleden en gegevens te manipuleren, fysieke replica's zijn een mooie aanvulling met een uitstekende educatieve voordeel 9, 10. Traditionele modellen zijn gegenereerd met een goedkope gietwerkwijze waarbij elementaire vormen worden gevuld met hars die verhardt tot de gewenste structuur 11. Gegoten modellen zijn geschikt voor goedkope massaproductie, maar zijn beperkt tot elementairestructuren die niet zijn afgeleid van patiënt datasets. In de afgelopen vijf jaar, hebben 3D geprint replica van de menselijke anatomie steeds weer toeneemt als gevolg van de hoge complexiteit, en vaak patiënt-specifieke, voorwerpen die kunnen worden gegenereerd en weergegeven. Deze modellen worden door machines die borg vloeibare of gesmolten kunststof additieve lagen en artsen hebben geholpen met diagnoses, complexe operaties, behandeling van ziekten, prothetische ontwerp en communicatie met de patiënt 12, 13. Verder is de ruime beschikbaarheid van consumenten-grade 3D-printers binnen de primaire, secundaire en collegiale schoolomgeving dient om de pedagogische impact van gedeelde anatomisch model stimuleren bestanden 14, 15.
Over het geheel genomen heeft 3D printing aanzienlijke vooruitgang geboekt voor de ontwikkeling van anatomische modellen in de geneeskunde, maar het heeft wel beperkingen. Ten eerste, het creëren van multi-deel anatomische modellen kan problematisch zijn omdat extra werkzaamheden vaak nodig om afzonderlijke stukken samen die anders uit elkaar 16 kunnen vallen digitaal binden. Ook de dekking van vele 3D-gedrukte materialen, met name voor de consument-grade machines, voorkomt dat de visualisatie van de interne sub-structuren die meer inzicht over het bot van een specimen en zacht weefsel te bieden. Verder, vloeibare of gesmolten plastic extruders beperken van de resolutie van 3D-prints. De extruders professionele printers zijn ongeveer 50 urn in diameter en zorgen voor een laagdikte van 14 urn met een resolutie van 600 dots per inch (DPI) in de X- en Y-assen en 1600 dpi in de Z-as 17, 18 . Ter vergelijking, consumenten-grade 3D printers hebben extruders die ongeveer 400 micrometer in diameter en geeft een laagdikte van 100 urn en een resolutie ongeveer gelijk aan 42 DPI 19, <sup class = "xref"> 20. Prijs varieert ook aanzienlijk van de consument-grade professionele printers 20, 21. Bovendien hoge materiaalkosten voorkomen industriële massaproductie van schaalvoordelen 22.
Deeloppervlak Laser Engraving (SSLE), of 3D kristal graveren, maakt gebruik van een laserbundel om kleine "belletjes" of stippen met grote nauwkeurigheid op duizenden X, Y vormen, Z coördinaten in een stijve, hoge zuiverheid, kubisch, glasmatrix 23. Elke stip 20-40 urn, welk besluit tussen 800-1200 DPI 24 oplevert. Verdere elke stip semitransparant, waardoor de visualisatie van inwendige substructuren. Meerdere, niet verbonden delen tijdens dezelfde kristal en extra materiaal is niet vereist voor grote, ingewikkelde structuren. Aangezien de matrix vast, kunnen anatomische etiketten en maat schaalbalken worden toegevoegd ter verbeteringde educatieve mogelijkheden van de beeldgegevens weergegeven binnen. Hier presenteren we een werkwijze waarbij röntgenstralen berekende tomografie (CT) gegevens worden geformatteerd voor kristal SSLE. In de eerste plaats kunnen de gegevens worden verzameld van commerciële preklinische microCT systemen, klinische scanners van radiologie afdelingen / Unis, of afkomstig van online repositories, zoals het Nationaal Biomedical Imaging Archief (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Hier laten we deze benadering schapenbot kern gebroken pols, gelabeld voet en gelabeld been kristallen om de capaciteit illustreren zowel preklinische en klinische gegevens omvatten, de omvang van anatomische structuren en coördinatengeometrie een structuur met kristalgrootte. Gezien de gemakkelijke aard van SSLE en nu al op grote schaal gebruik van STL-bestanden in 3D-printing, de vervaardiging van gelabelde anatomische kristallen biedt een spannende, hand-hand-held visualisatie tool voor gebruik binnen de academische en onderwijs gemeenschappen.
Preklinische en klinische data sets verkregen via medische beeldvorming zijn instrumenteel in het moderne onderzoek en medische vooruitgang geweest. Voorafgaand middel van biomedische data visualisatie opgenomen beeldscherm van de computer en fysische modellen gegenereerd op basis van de traditionele casting of moderne 3D printing benaderingen. Hier beschrijven we een 3D kristal graveren methode als alternatieve methode voor het visualiseren van tomografische biomedische gegevens, omdat het genereert goed gedefinieerde, gelabelde modellen op een eenvoudige manier. Deze relatief goedkope modellen kunnen op grote schaal worden gebruikt als leermiddelen. Het gebruik van kristal graveren anatomische gegevens nauwkeurig weer te geven geeft het hoog potentieel in klinische en educatieve instellingen. De mogelijkheid om gegevens te visualiseren in een fysieke, driedimensionale formaat overwint de beperkingen van de traditionele vormen van onderwijs met behulp van platte afbeeldingen of virtuele renderings 9. Hoge resolutie van gegraveerde structuren en de bevestiging vanlabels om specifieke zichtbare kenmerken vergemakkelijken het gebruik van deze modellen voor de patiënt of student onderwijs. Daarnaast is deze modaliteit biedt de mogelijkheid om oorzaken en de aspecten van de ziekte van staten te identificeren en te observeren binnen een monster. Bijvoorbeeld, de indeling en de locatie van een botbreuk, net als de gebroken pols in figuur 2 is opgemerkt, voorziet in een meer omvattend begrip van de relatie van de ziekte staten en andere fysiek zichtbare tekenen en / of symptomen van de patiënt.
Door middel van 3D kristal graveren, werden preklinische en klinische CT datasets gerepresenteerd als fysieke structuren ingeschreven binnen kristallen. Preklinische CT gegevens werden verkregen met behulp van een microCT scanner, terwijl de klinische CT-beelden werden verzameld uit klinische radiologische bronnen. Vóór de verdere verwerking, wordt klinische beeldvorming gegevens omgezet naar uitgepakt DICOM-bestanden via imaging software. Latere softwareprogramma's te transformeren gereconstrueerde DICOM-bestanden naar het oppervlaktewater kaarten. Wijziging van deze oppervlakte-kaarten en het genereren van anatomische etiketten en schaal bars worden bereikt met data voorbereiding software en computer-aided design (CAD). Voltooide STL-bestanden worden gereduceerd en omgezet in bestanden SCAX. Na het kristal grootte en laservermogen zijn ingesteld, worden bestanden gelezen door een 3D-lasergravure machine die de free-form anatomische structuren in kristal creëert.
De hierboven beschreven werkwijze kan worden toegepast op verschillende klinische en preklinische datasets. Terwijl CT datasets in dit project werden uitgevoerd, is het mogelijk dat gegevens van andere beeldvormingsmodaliteiten kunnen worden gevisualiseerd in kristal, zoals 3D ultrageluid (US), Magnetic Resonance Imaging (MRI), en positronemissietomografie (PET). Ook kunnen andere menselijke anatomische structuren en biologische monsters worden afgebeeld en weergegeven in dit medium. Echter, de kristallen komen voorafbepaalde afmetingen en structuren moeten worden gesneden of dienovereenkomstig geschaald. Het is raadzaam om te passen the geometrie van het anatomisch gedeelte met de grootte van het kristal. Bijvoorbeeld een been best past in een 5 cm x 5 cm x 8 cm rechthoekige lichaam (figuur 4), terwijl een voet geschikt voor een 8 cm kubus (figuur 3). Wijzigingen in de grootte, het lettertype en de dikte van de tekst kan in CAD-software worden uitgevoerd. Bovendien is het het beste om labels te plaatsen op één of beide vlakken teneinde duidelijk te lezen etiketten zonder het belemmeren van de weergave van de anatomie bij het draaien van het kristal met andere vlakken.
Twee bijkomende factoren moet rekening worden gehouden bij het uitvoeren SSLE anatomische gegevens: het aantal vlakken in een vlak map en de grootte van elk punt dat lasergravure in het kristal. Deze factoren beïnvloeden het aantal en de grootte van de punten die invallend licht absorbeert en dus potentieel verbeteren of afleiden van een bepaalde SSLE visualisatie. Ten eerste, het aantal vlakken, die recht evenredig met het aantal punten in 3D,beïnvloedt zowel de totale resolutie en "helderheid / contrast" van het getoonde model. In elk van de hierin gepresenteerde voorbeelden werd het voltooide STL-bestand teruggebracht tot 100.000 vlakken zonder duidelijke achteruitgang van het product verkregen kristallen, ongeacht de grootte of vergroting. De algehele helderheid / contrast was ook aanvaardbaar gebruik van deze aanpak. De 100.000 waarde is de veilige bereik voor de graveur gebruikt als niet om de software en hardware te zwaar belasten. Echter, in sommige gevallen, kunnen extra gezichten nodig zijn om een bepaalde dataset correct weer te geven, en deze bestanden kunnen experimenteel worden aangemerkt wanneer met succes afgerond. Bovendien kan de afmeting van elk punt dat is "gebrand" in het kristal worden afgestemd via de spanning en "density" ingangswaarden van de graveur de uitgangshelderheid contrast te verbeteren. In casu standaardwaarden Voltage: 8,5 en Dichtheid: 0,2 werden geselecteerd. Terwijl deze waarden een startpunt, kunnen ze worden veranderd in eentrial and error manier om data visualisatie te verbeteren als dat nodig is.
Er zijn een aantal voordelen van het gebruik van 3D kristal graveren voor de weergave van de preklinische en klinische beeldvorming gegevens. Kristallen worden typisch geproduceerd in minder dan 30 minuten, terwijl 3D geprint structuren enkele uren nodig, afhankelijk van hun grootte en complexiteit 16, 20, 22. Lasergravure kan worden gebruikt om zwevende structuren vormen zonder het gebruik van drager, vergemakkelijkt de productie van ingewikkelde of opknoping kenmerken van de anatomie zonder dat nauwkeurigheid extra materiaal 16. Met een resolutie van 800-1200 DPI en een nauwkeurigheid kleiner dan 10 urn, deze modellen lijken medische data 24. Terwijl de professionele 3D-printers hebben een vergelijkbare resolutie van ongeveer 600 DPI in de XY en 1600 DPI in de Z, ze zijn over het algemeen minder accurate (20-200 pm) 17, 19, 20 (tabel 1).
3D kristal graveren beschikt over een groot potentieel, maar is beperkt in een paar gebieden. Omdat data gegraveerd in kristal, kunnen gebruikers geen tactiele ervaring met de anatomische delen. Op schaal representaties moeilijk te vervaardigen als data typisch vergroot of verkleind om te passen in de kristallen. Voorts kan de laser graveren alleen in grijstinten met minimale contrast. De dichtheid van de structuur wordt ook beperkt door het vermogen van de laser om de gegevens te verwerken. De algehele stabiliteit van kristallen is een voordeel voor potentieel gebruik over meerdere jaren, maar massief glas kan niet bestand tegen vallen op harde oppervlakken (tabel 1).
Ondanks deze beperkingen, 3D kristal graveren bekleedt een belangrijke waarde als een medium voor de visualisatie van biomedische gegevens. Bij het opstartenmateriële en steun nodig houdend met 3D-printers die moeten worden genomen, zijn deze aspecten niet moeten worden overwogen voor de lasergravure. Complexere onderdelen, zoals de menselijke voet, kan worden voorgesteld als gevolg. Terwijl productietijd neemt enigszins toe met ingewikkeldere structuren, geen extra materiaal vereist en de kosten van het model blijft hetzelfde. Het vermogen van de laser glas branden in een punt-voor-punt wijze produceert zeer gedefinieerde structuren die de fijne details van biomedische gegevens weer, zoals in de gebroken straal figuur 2. Bovendien is de plaatsing van deze structuren in kristallen maakt ze bestand tegen beschadigingen buiten. In tegenstelling tot stijve kunststof gebruikt op vele 3D printing platforms, het doorschijnende glazen oppervlakken mogelijk interne structuren worden gevisualiseerd op een ongecompliceerde wijze. Een van de meest krachtige tools van 3D kristal graveren is zijn vermogen om afzonderlijke onderdelen te labelen, en ook toevoegen een schaal bar voor maat referentie. Dezetechniek voegt aanzienlijke educatieve waarde om de kristallen als studenten van alle niveaus anatomie kunnen leren en communiceren met klinische gegevens, twee waardevolle bestanddelen van de biologische en medisch onderwijs, in één model. In combinatie met de mogelijkheid om ze te houden in de palm van een hand en oog structuren op verschillende hoeken, etikettering sterk verbetert de educatieve waarde van deze modellen. Als gevolg hiervan, 3D gegraveerd kristallen hebben brede toepasbaarheid voor gebruik in de anatomie cursussen, klinische praktijk, en algemeen onderwijs.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken de College of Science Summer Undergraduate Research Fellowship (SURF) voor hun financiële ondersteuning van dit project. De auteurs danken ook Prof. Glen Niebur, University of Notre Dame, voor het verstrekken van bot monsters (hierboven beschreven) gebruikt in deze studie.
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 |