Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Scaled anatomisch model Creatie van biomedische tomografieafbeeldingssysteem gegevens en bijbehorende labels voor volgende Sub-surface Gravure van de Laser (SSLE) of Glass Crystals

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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, 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.

Protocol

Alle menselijke computertomografie datasets werden geanonimiseerd volgens de goedgekeurde SJRMC protocol.

1. CT Data Acquisition van Pre-klinische en klinische monsters

  1. Gedrag micro X-ray computertomografie naar een pre-klinische data set genereren. In het onderhavige geval een microCT om beeld botkern monster met de volgende instellingen: 45 kV, 0,4 mA en 1000 projecties. 5
  2. Reconstrueren van ruwe data met een hoge resolutie (125 um isotrope voxel). Verder te vergroten resolutie identificeren en reconstrueren van 1 cm kubus met een centrum bij de oorsprong van het volume (10 urn isotrope voxel).
  3. Exporteer de gereconstrueerde data in DICOM formaat voor verdere verwerking.
  4. Als alternatief verwerven gereconstrueerde CT datasets, zoals die van de gebroken pols en voet gebruikt in deze studie, uit klinische medewerkers (gegevens die hier getoond verworven van Saint Joseph Regional Medical Center) of open-source DICOM archieven (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Bestanden importeren in de DICOM imaging software en export als gedecomprimeerd DICOM-bestanden indien nodig.

2. Data Processing

  1. Open elke DICOM dataset (bestaande uit alle afbeelding plakken) met behulp van de 'Load DICOM' in de instelling 'Beeld' van het beeld processing software.
  2. Sla elk ingesteld als een Nifti te analyseren, een gevestigde imaging formaat voor wetenschappelijke analyse van gegevens. Importeer de Nifti bestanden in een programma met een langdurig gebruik in de medische beeldvorming berekend en geautomatiseerde segmentatie voor het genereren van het oppervlak kaarten (bijv 3DSlicer).
  3. Upload een gegeven Nifti bestand in het oppervlak kaart generator programma met het gereedschap 'Gegevens toevoegen'.
  4. Selecteer de 'grijswaarden Model Maker' tool met de specificatie "Create en hernoemen nieuw model". Stel lagere drempelwaarden op ongeveer 300 HU voor segmentatie van bot.
  5. Save grijstinten modellenals STL-bestanden voor verdere verwerking van gegevens.
  6. Importeer elk oppervlak kaart in de 3D-data voorbereiding software (bijv Netfabb Studio Basic) en selecteer 'Repair' mode.
  7. Gebruik de 'Select Part' en 'Verwijderen' tools waarmee u alle oppervlakken die niet de structuur van belang vertegenwoordigen verwijderen.
  8. Gebruik de 'Driehoek Add' instrument om de gaten in oppervlakken en de 'Automatic Repair' script volledig te sluiten resterende lacunes gedeeltelijk te dekken.
  9. Selecteer het script 'Repair gedegenereerde Faces' in het actie menu om de randen zonder oppervlakte en de 'Apply Repair' script op te lossen om 'Repair' modus met de gewijzigde deel af te sluiten.
  10. Gebruik de 'Cut' functie om ongewenste functies verwijderen of verminderen van de grootte van het model. Duiden de locatie van elke snede in de 'X', 'Y' of 'Z' vliegtuig in het menu "Knippen van het contextgebied.
  11. Gebruik van de functie 'Uitvoeren Cut' en kies '; Driehoeksmeting Cut de instelling voor alle overgebleven gat zelfsluitend zijn.
  12. Gebruik de 'Select Part' en 'Verwijderen' instrumenten tegelijkertijd op alle oppervlakken als gevolg van de snede die de structuur van belang vertegenwoordigen verwijderen.
    LET OP: Als de kaart oppervlak zal worden aangesloten met een schaal bar, slaat u de volgende stap. De anatomische functie en schaalbalk gelijktijdig worden geschaald nadat ze verenigd in één STL.
  13. Selecteer de optie 'Scale' om de afmetingen van elk oppervlak kaart te wijzigen. Modellen kunnen worden verwijd (botkern) of verminderd afmeting (voet) of achterblijvend oorspronkelijke grootte (pols) in een 8 cm kubus of 5 cm x 5 cm x 8 cm rechthoekige prisma te passen. Merk op dat bestanden in dit stadium voor SSLE kan worden verzonden als er geen etiketten of schaalbalken gewenst zijn.

3. Anatomische Labeling

  1. Selecteer de optie 'Nieuw' in het menu van de CAD-programma (bijvoorbeeld Autodesk Inventor Professional) to maak een nieuwe werkmap met behulp van de metrische template voor een 'Standard (mm) .ipt' deel.
  2. Selecteer de optie 'Create 2D Sketch' en kies een vliegtuig. Gebruik de 'Tekst' gereedschap in het menu 'tekenen' in de werkbalk om getypte anatomische etiketten te produceren met de gewenste lettertype en grootte (Times New Roman en 2,0 mm).
  3. Wanneer u klaar bent, selecteer de optie 'Finish Sketch' in het menu 'Exit' van de werkbalk.
  4. Selecteer de 'Extrude' tool van het menu 'Create' van de werkbalk met de optie '2D Text'. Duiden een extrusiediepte (2,0 mm) met de symmetrische instelling.
  5. tekst van de uitvoer labels in CAD-formaat met de 'Opslaan als type' STL setting.
  6. Open een nieuwe werkmap voor de productie van een cilindrische label lijn. Selecteer de optie 'File' om een ​​nieuwe statistiek sjabloon met een 'Standard (mm) .ipt' deel te creëren.
  7. Selecteer de 'Create 2D Sketch gereedschap en kies een vliegtuig. Gebruik de 'CentrePoint Circle' instrument in het menu 'tekenen' in de werkbalk om een ​​cirkel te produceren met een centrum in de oorsprong.
  8. Gebruik de 'Dimension' gereedschap in het menu 'Constraint' aan de diameter van de cirkel (1,0 mm) in te stellen.
  9. Wanneer u klaar bent, selecteer de optie 'Finish Sketch' in het menu 'Exit' van de werkbalk.
  10. Selecteer de 'Extrude' hulpmiddel gekozen uit het menu 'Create' van de werkbalk met de optie '2D-tekst'. Selecteer een extrusiediepte (10,00 mm) met de symmetrische instelling.
  11. Export tekstlabels en cilinders in CAD-formaat met de 'Opslaan als type' .stl setting.

4. Bevestiging van labels

  1. Import modellen, tekstlabels en cilindrische label lijnen in de 3D-data voorbereiding software.
  2. Vertalen tekstlabels naar links of rechts van de bijbehorende anatomie met behulp van de 'Move Part' tool. Gebruik de 'Roteren Part' instrument te oriënteren labels zodanig dat ze th gezichte dezelfde richting.
  3. Vertaal en draai cilindrische label lijnen met behulp van de 'Move Part' en 'Rotate Part' tools waarmee u labels aan de bijbehorende constructies aan te sluiten in het model.
  4. Indien nodig voert 'reparatie' mode en gebruik het 'Select Triangles' en "Remove Selected Driehoeken om het formaat cilinders reduceren tot de juiste lengte.
  5. Bij gebruik van de basisversie, selecteert u alle delen en op te slaan als een project. heropenen dan is dit project in de professionele versie.
  6. In de professionele versie, selecteert u alle onderdelen en export als een enkele STL.

5. Scale Bar Designhotel

LET OP: Er zijn twee soorten schaal bars zijn ontworpen in de CAD-programma. De eerste is aanwezig in Figuur 1 en omvat drie afzonderlijke schaalbalken met kruis merken afzonderlijke metingen die op elk vlak. De tweede, in figuur 2, Figure 3, en figuur 4, bestaat uit loodrechte lijnen die op de drie assen en convergeren bij een hoek. Volg de stappen 5.1-5.2 om te beginnen met het ontwerpen van elke schaal bar.

  1. Maak een nieuwe werkmap in het CAD-programma door het selecteren van 'New' en 'Standard (mm) .ipt' deel.
  2. Kies 'Create 2D Sketch' en kies een van de drie vlakken om te beginnen met werken.
    OPMERKING: Ga door met stap 5,3-5,16 aan het eerste type schaal bar te produceren. De opgegeven afmetingen zijn uitgevoerd voor het creëren van een 1 cm schaalbalk teek merken per 25 mm.
  3. Met de 'rechthoek' en 'dimensie' gereedschap om een ​​rechthoek (10 mm x 0,25 mm) te trekken met een breedte die overeenkomt met de gewenste lengte van de schaalbalk (10 mm) en een lengte van elke redelijke prijs (0,25 mm). Plaats het linker hoekpunt van de herkomst, x-coördinaten kan worden gebruikt voor de afstand van maatstreepjes.
  4. De maatstreepjes maken gebruik thij rechthoek 'gereedschap een rechthoek direct boven de schaalbalk. Beperken de omvang (0,025 mm x 0,432 mm) met de functie 'dimensie'.
  5. De X-coordinaten, vertaalt de nieuw gevormde rechthoek ligt dus op de gewenste afstand van de rand. Dit is de top van het vinkje.
  6. Onderaan het vinkje maken, trek een rechthoek met dezelfde afmetingen als de bovenste helft, direct onder de schaalbalk. Met het 'Align' hulpmiddel om de twee helften van de teek merkteken.
  7. Kies het 'Trim' instrument in de 'Modify' menu en selecteer het gebied waar de schaal en duid tekens overlappen. Dit overtollige lijnen te verwijderen en het deel wordt geïnterpreteerd als een eigenschap wanneer geëxtrudeerd.
  8. Herhaal stap 5,4-5,7 voor de rest van de maatstreepjes.
  9. Wanneer u klaar bent, selecteer de optie 'Finish Sketch' in het menu 'Exit' van de werkbalk.
  10. Kies 'Extrude' onder de 'Create' mannenu en selecteer de schaalbalk. Bepaal een extrusie afstand en richting (0,25 mm en in het scherm).
  11. Om labels te ontwerpen voor de teek merken, kies 'Maak 2D Sketch' en selecteer de schaal bar als het werkvlak.
  12. Onder het menu 'Draw', selecteert u de 'Tekst' tool om tekst met een bepaald lettertype en grootte (Times New Roman en 0,25 mm) te creëren. Vertaal de tekst naar de gewenste positie naast de schaal bar.
  13. Wanneer u klaar bent, selecteer de optie 'Finish Sketch' in het menu 'Exit' van de werkbalk.
  14. Selecteer de 'Extrude' tool van het menu 'Create' van de werkbalk met de optie '2D Text'. Duiden een extrusiediepte (0,25 mm) en de richting (naar het scherm).
  15. Herhaal stap 5,12-5,14 naar de andere labels te creëren.
  16. Exporteer de voltooide schaal bar in CAD-formaat met de 'Opslaan als type' .stl setting.
    NB: Na het afronden van de stappen 5,1-5,16, verder met stap 5,17-5,31 te creërenhet tweede type schaalbalk. De ontvangen metingen werden gebruikt om een ​​schaalbalk die 2 cm op elke as en 2 mm dik was creëren.
  17. Selecteer de 'rechthoek' tool om een ​​vierkant te maken en beperken de lengte en breedte (2 mm x 2 mm) met de functie 'dimensie'. De parameters van deze stap dimensies van de dikte van het onderdeel.
  18. Selecteer 'Finish Sketch' om terug te keren naar het 3D model setting.
  19. Onder 'Create', kies 'Extrude' en kies het plein getrokken in 2D Sketch-modus. Kies de gewenste extrusiediepte en richting (20 mm en in het scherm).
  20. Kies 'Create 2D Sketch' en verder werken op hetzelfde vlak als de vorige schets.
  21. Met de 'rechthoek' en 'dimensie' gereedschap om een ​​rechthoek (2 mm x 18 mm) trekken direct boven het vierkant. Overeenkomen met de lengte van de rechthoek aan de lengte van het vierkant (2 mm) en de breedte moet de gewenste grootte van de schaalbalk minus de wid zijnth van vierkant (20 mm - 2 mm = 18 mm). Druk op 'Finish Sketch' als ze klaar zijn.
  22. Onder 'Create', kies 'Extrude' en selecteer de rechthoek. Voer een extrusiediepte, waarbij de lengte van het vierkant (2 mm) moet zijn en selecteert een richting (naar het scherm).
  23. Draai het deel, zodat het lijkt alsof de letter 'L'. Maak een nieuwe 2D-sketch en selecteer de voorzijde van de 'L' als het werkvlak.
  24. Teken een plein op de hoek van de twee rechthoeken met behulp van de 'Rectangle' tool. Beperken de afmetingen (2 mm x 2 mm), zodat het precies past in de hoek. de sketch met gereedschap de 'Finish Sketch' af te sluiten.
  25. Onder 'Create', kies 'Extrude' en selecteer de nieuw gecreëerde plein. Voer een extrusie afstand, welke de gewenste afmeting van de schaalbalk minus de breedte van het kwadraat moeten zijn (20 mm - 2 mm = 18 mm). Kies een richting (van het scherm) en de extrusie van toepassing.
  26. Om tekst indicatie van toe te voegeng de afmetingen van de schaalbalk, een nieuwe 2D schets af van elk vlak.
  27. Gebruik de 'Tekst' gereedschap in het menu 'tekenen' in de werkbalk om een ​​label te produceren met de gewenste lettertype en grootte (Times New Roman en 2,5 mm).
  28. Vertaal de tekst naar de gewenste positie naast de schaal bar. Exit Sketch modus door te kiezen voor 'Finish Sketch'.
  29. Gebruik maken van de 'Extrude' werktuig en voer een extrusie afstand die overeenkomt met de dikte van de schaalbalk (2 mm) en richting waarin het label met de schaalbalk (op het scherm) uitgelijnd.
  30. Herhaal stap 5,26-5,30 met behulp van de andere vliegtuigen om labels voor alle drie de assen te maken.
  31. Wanneer u klaar bent, exporteert de schaal bar en de bijbehorende labels in CAD-formaat met de 'Opslaan als type' .stl setting.

6. Toevoeging van Scale Bars te Anatomische modellen

  1. Open het anatomisch model in de 3D-data voorbereiding software en importeer de schaal bar.
  2. Gebruik de '; Move Part' en 'Rotate Part' tools om de schaal bar naast het anatomisch model te oriënteren.
  3. Indien het eerste type schaalbalk is gemaakt, importeert het deel twee keer. Vertalen en draai de individuele schaalbalken zodat één ligt op elke as.
  4. Bij gebruik van de basisversie, selecteert u alle delen en op te slaan als een project.
  5. Open het bestand in de professionele versie. Selecteer alle onderdelen en export als een enkele STL.
    LET OP: De afmetingen zijn behouden wanneer oppervlakte kaarten en schaal bars in de basis of professionele versie worden geïmporteerd. Vóór gravure, oppervlaktekaarten, samen met bijbehorende labels en schaalbalken, worden geschaald om te passen in de kristallen. Aangezien schaalbalken geschaald met dezelfde snelheid als voorbeeld, veranderingen in de afmetingen van schaalbalken zijn representatief afmetingsveranderingen in de anatomische structuren.

7. Vermindering van Faces

  1. Maak gebruik van de functie 'Import Mesh' om een ​​STL bestand toe te voegen in de 3D-net-processing program. Aanpassingen worden aangebracht op het oppervlak model en alle componenten, inclusief tekst en schaalbalken, aangezien de software interpreteert het gaas als één geheel.
  2. Onder 'Filters' en 'Remeshing, vereenvoudiging en wederopbouw,' Selecteer de 'Quadratic Edge Collapse Decimation' instrument om het aantal gezichten aanwezig zijn in het gaas te verminderen.
  3. Voer het gewenste aantal vlakken (100.000) in het kader van de 'Target aantal gezichten' en selecteer 'Toepassen.' Deze operatie wordt gedaan om een ​​beheersbare bestandsgrootte voor de SSLE software te maken, en te voorkomen dat overtollig graveren tijden.
  4. Exporteer het eindproduct als een STL met behulp van de 'Export Mesh As ...' instelling.

8. Model Graveren in Crystal

OPMERKING: aangevuld STL bestanden worden doorgestuurd naar een industriële medewerker, waarbij glaskristallen laser gegraveerde fysieke modellen van de anatomische gegevens produceren. Voor vragen en verdere hulp, plgemak in contact met de industrie auteurs van dit manuscript.

  1. Open het STL-bestand in een lasergravure software-programma en om te zetten in een SCAX bestand.
  2. Importeer het SCAX bestand in een softwarepakket aangesloten op de 3D-lasergravure machine.
  3. Definieer een kristal selecteren die geschikt is voor koppeling met de SCAX bestand.
  4. Stel het vermogen van de laser en voert een spanning en dichtheid. Terwijl 8,5 V en 0,2 typisch geselecteerd op spanning en dichtheid kunnen andere afmetingen worden bepaald door vermindering van de spanning en de dichtheid en zorg ervoor dat het kristal niet barsten of breken.
  5. Stuur het bestand naar een 3D-laser graveur voor kristalheldere productie.

Representative Results

Ondergrondse lasergravure van glaskristallen een diepgaande manier om vele soorten biomedische tomografische beeldgegevens visualiseren. Figuur 1 omvat preklinische CT data, terwijl figuur 2, figuur 3 en figuur 4 tonen hoe klinische CT-scans kunnen ook worden toegepast. Aangezien afmetingen voorafgaand aan gravure gemodificeerd, kunnen structuren met verschillende afmetingen worden weergegeven door middel van lasergravure. Terwijl figuur 2 is een voorbeeld van hoe de anatomie kunnen worden afgedrukt op schaal, het meest nodig structuren worden vergroot of verkleind. Twee typen schaalbalken kan worden toegepast om afmetingsveranderingen meten: een die de zijkanten van de structuur overspant en de andere met drie assen convergeren op een hoek. Het eerste type is ideaal voor verwijde structuren, zoals de botkern, terwijl het tweede type het meest geschikt is om-schaal of verminderd structuren. Verder kan de grootte van het kristal wordt gekoppeld met de vorm van de anatomische structuur. Als resultaat werd de voet in een kubus, terwijl de poot in een rechthoekig prisma gesuspendeerd.

Een belangrijk kenmerk van sub-surface gravure is de mogelijkheid om tekst labels op anatomische kenmerken. De techniek kan worden toegepast op verschillende types van beeldgegevens, optimaal labelplaatsing afhankelijk van de geometrie van de structuur. In figuur 2 is de tekst die op twee vlakken om ruimte de labels uit te belemmeren en de weergave van de anatomie. Voor figuur 3 en figuur 4, kunnen beenderen duidelijk worden bekeken vanaf één zijde zodat de labels op een enkel vlak zijn geplaatst.

Figuur 1
Figuur 1. Pre-klinische CT-gegevens van een schaap bot kernset, weergegeven virtueel en gesuspendeerd in een 3D gegraveerd kristal. Imaging software werd gebruikt voor het genereren en hechten schaalbalken aan een oppervlak van een kaart 1 cm isotopische schapenbot (links). De onderging een vijfvoudige toename afmeting langs elke as, zoals aangegeven door de schaalbalken en laser was een 8 cm vierkant kristal (rechts) gegraveerd. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Klinische CT gegevens van een gebroken pols anatomische etiketten, weergegeven virtueel en in kristal gegraveerd. Een klinische CT gegevensverzameling van een menselijke pols met een gebroken straal omgezet in een oppervlak kaart met computersoftware. Anatomische etiketten en 2 cm schaalbalk w ere gegenereerd met behulp van computer aided design (CAD) en aan het model (links). Een 3D lasergraveur ingeschreven structuur in een 8 cm kubus kristal (rechts). De schaalbalk behield haar omvang, waaruit de pols geproduceerd op schaal. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. anatomisch gemerkte menselijke voet met anatomische etiketten, weergegeven virtueel en in kristal gegraveerd. Een CT-gegevensreeks van een menselijke voet omgezet in een grijsschaal model met beeldverwerkingssoftware. Tekst en 4 cm schaalbalk zijn gemaakt met CAD en samengebouwd met de kaart oppervlak (links). Het model werd gehalveerd zijn grootte en laser in een 8 cm kristal kubus (rechts) gegraveerd. 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Klinische CT gegevensverzameling van een menselijk been anatomisch gelabeld met computersoftware en kristal gegraveerd. Softwarepakketten werden gebruikt om een ​​oppervlak kaart bereiding van een volwaardig menselijk CT-scan en deel het been van de rest van het lichaam. Anatomische etiketten en 2,5 cm schaalbalk ontworpen met CAD werden gehecht (links) en de structuur werd gegraveerd in cm x 5 cm x 8 cm kristal (rechts) 5. De schaalbalk in het kristal illustreert het been werd in een geschaalde 5: 3 verhouding. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

ys "> 3d printen Ondergrondse lasergravure (SSLE) kristallen voordelen tactiele ervaring Oprichting van structuren in de vrije ruimte Full color modellen Genereren van multi-part-modellen Op schaal representatie mogelijk grotere verscheidenheid van structuren Bevestiging van anatomische etiketten Vaste kunststofmateriaal dat bestand is tegen druppels Schaalbalken gesuspendeerd in model Goedkoop consumenten-grade beschikbare printers Hoge resolutie en nauwkeurigheid Hoge resolutie van professionele printers Korte productietijd Eenvoudig te scheiden anatomische subeenheden met elkaar te verbinden in de 3D-ruimte Structuren binnen kristal niet gevoelig voor buiten schade Lage materiaalkosten Laser graveurs redelijk geprijsde nadelen Moeilijk om afzonderlijke anatomische subeenheden koppelen in de 3D-ruimte Geen tactiele ervaring Kosten en productietijd variëren met de complexiteit grijstinten Meer gevoelig voor productiefouten Grootte beperkt door kristal Post-productie wasbeurten kan het nodig zijn Op schaal moeilijk representatie Resolutie beperkt door plastic extruders Dichtheid beperkt door laser Onderdelen kan chip af van het model Kristallen chip of breken bij vallen Dure professionele printers De prijzen van materialen variëren sterk

Tabel 1. Voor- en nadelen van 3D-printing en SSLE voor de productie van anatomische modellen. 3D-printen en SSLE zijn twee middelen voor het visualiseren van biomedische tomografieafbeeldingssysteem data, en elk heeft een aantal sterke en zwakke punten met betrekking tot de oprichting van fysische modellen van de gegevens.

Discussion

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.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

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.

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).
Scaled anatomisch model Creatie van biomedische tomografieafbeeldingssysteem gegevens en bijbehorende labels voor volgende Sub-surface Gravure van de Laser (SSLE) of Glass Crystals
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