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Bioengineering

Scaled Anatomisches Modell Creation of Biomedical Imaging tomographische Daten und assoziierten Labels für spätere Teilfläche Laser-Gravur (ssle) von Glaskristall

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

Summary

Eine Methodik wird hier zur Darstellung anatomischer Bildgebungsdaten innerhalb von Kristallen. Wir schaffen skalierten dreidimensionale Modelle der biomedizinischen Bilddaten zur Verwendung in Sub-Oberflächen Lasergravieren (ssle) aus Kristallglas. Dieses Tool bietet eine sinnvolle Ergänzung zu Rechen Anzeige oder dreidimensional gedruckten Modelle innerhalb der klinischen oder pädagogischen Einstellungen verwendet.

Abstract

Biomedical Imaging-Modalitäten wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanz (MR) bieten hervorragende Plattformen für das Sammeln von dreidimensionalen Datensatz von Patienten oder Objektanatomie in klinischen oder präklinischen Einstellungen. Jedoch ist die Verwendung eines virtuellen On-Screen-Display begrenzt die Fähigkeit dieser tomographischen Bilder vollständig die anatomischen Informationen zu vermitteln darin eingebettet. Eine Lösung ist eine biomedizinische Bildgebungsdaten mit 3D-Drucktechnologie auf eine physikalische Schnittstelle Replik zu erzeugen. Hier wir detailliert eine ergänzende Methode zur Visualisierung tomographischen Bilddaten mit einem Handmodell: Sub Oberflächenlasergravur (ssle) aus Kristallglas. Ssle bietet einige einzigartige Vorteile, darunter: die leichte Fähigkeit anatomische Etiketten enthalten, sowie eine Skala bar; rationalisieren mehrteiliger Aufbau komplexer Strukturen in einem Medium; hohe Auflösung in der X, Y, und Z-Ebene; und semi-transparent Schalen zur Visualisierung der inneren anatomischen Substrukturen. hier we den Prozess der ssle mit CT-Datensatz abgeleitet von vorklinischen und klinischen Quellen demonstrieren. Dieses Protokoll wird als leistungsfähiges und kostengünstiges neues Werkzeug dienen, mit der komplexen anatomischen Strukturen für Wissenschaftler und Studenten in einer Reihe von Bildungs- und Forschungseinstellungen zu visualisieren.

Introduction

Biomedical Imaging - Modalitäten wie Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRI) werden routinemäßig von den Bereichen Medizin, der Forschung, und Wissenschaft nicht-invasiv untersuchen , die internen Strukturen des menschlichen oder biologischen Probanden 1, 2, 3. In der modernen Medizin ermöglicht diese Technologie fundiertere Diagnosen und damit 4 Patientenbehandlung verbessert. Insbesondere stellt CT eine ausgezeichnete Möglichkeit für die 3-D-Rekonstruktion aufgrund seiner hohen Auflösung und isotropen Voxel Eigenschaften (identische Länge jeder Würfelkante). 5 Ferner sind Software - Pakete verfügbar , die biomedizinische Bilddaten in drei Dimensionen (3D) für die Funktionen höherer Ordnung , wie computergestützte Chirurgie und virtuellen Endoskopie 6 machen. Innerhalb der präklinischen Forschung, nicht-destruktive Bildgebung bietet eine TranslationsplattformKrankheitsmodelle bei Mäusen und Ratten , auf denen 7 zu studieren. Digitale Bibliotheken, wie die biologische Datenbank Digital Morphology (http://digimorph.org) wurden mit CT Daten gefüllt , die aus verschiedenen Proben oder klinischen Krankheitszuständen für einen leichten Zugang durch den breiteren wissenschaftlichen und medizinischen Gemeinschaften 8.

Derzeit biomedizinischen Bildgebung Daten im virtuellen Raum auf Computerbildschirmen sichtbar gemacht worden ist, oder im physischen Raum mit Hand-Modellen. Während Computer - Software ermöglicht es Benutzern , Daten zu sezieren und zu manipulieren, sind physikalische Repliken eine nette Ergänzung mit hervorragenden pädagogischen Nutzen 9, 10. Traditionelle Modelle wurden , ist eine kostengünstige Gießprozesses erzeugt werden , in dem Grundformen mit Harz gefüllt , die 11 in die gewünschten Struktur aushärtet. Gegossene Modelle sind zugänglich für eine kostengünstige Massenfertigung, sondern sind Grund begrenztStrukturen, die nicht abgeleitet von Sätzen von Patientendaten sind. In den letzten fünf Jahren, 3D-Druck Nachbildungen der menschlichen Anatomie zunehmend vorherrschend geworden der hohen Komplexität wegen und oft patientenspezifische Objekte, die erzeugt und angezeigt werden können. Diese Modelle werden von Maschinen geschaffen, die Ablagerung flüssige oder geschmolzener Kunststoff in additiven Schichten und unterstützt haben Ärzte mit Diagnosen, komplexen Operationen, die Behandlung von Krankheiten, prosthetische Design und Patientenkommunikation 12, 13. Ferner dient die weit verbreitete Verfügbarkeit von Consumer-3D - Drucker innerhalb des primären, sekundären und Stiftsschule Einstellungen die pädagogische Wirkung des gemeinsamen anatomischen Modells 14 zu erhöhen Dateien, 15.

Insgesamt hat sich das 3D-Drucken voran erheblich die Entwicklung der anatomischen Modelle innerhalb der Medizin, aber es tut Grenzen. Erstens, die Schaffung von Mehr-Teil anatomische Modelle kann schwierig sein , da zusätzliche Arbeit oft digital erforderlich ist , getrennte Teile miteinander zu verbinden , die sonst auseinander 16 fallen kann. Auch die Opazität von vielen 3D-Druckmaterialien, speziell für Consumer-Maschinen, verhindert, dass die Visualisierung von internen Unterstrukturen, die zusätzlichen Einblicke über ein Exemplar der Knochen und Weichgewebe liefern. Ferner beschränkt flüssiger oder geschmolzener Kunststoff Extruder die Auflösung des 3D-Drucks. Die Extruder von professionellen Druckern sind ungefähr 50 & mgr; m im Durchmesser und ermöglichen eine Schichtdicke von 14 um, mit einer Auflösung von bis zu 600 Punkten pro Zoll (dpi) in der X- und Y - Achse und 1.600 dpi in der Z - Achse 17, 18 . Im Vergleich dazu Consumer-3D - Drucker hat Extrudern , die etwa 400 um im Durchmesser sind und eine Schichtdicke von 100 um und eine Auflösung von ungefähr äquivalent zu 42 DPI 19, geben , 20, 21. Zusätzlich verhindern hohen Materialkosten der industriellen Massenproduktion von 22 Skaleneffekte erreicht werden .

Unteroberflächen Lasergravieren (ssle) oder 3D - Kristall gravieren, der einen Laserstrahl nutzen mit hohen Präzision bei tausenden von X, Y, Z - Koordinaten innerhalb eines starren, hochreinen, kubisch, Glasmatrix 23 kleine „Blasen“ oder Punkte zu bilden. Jeder Punkt ist 20-40 um, die 24 DPI Auflösung zwischen 800-1.200 ergibt. Ferner ist jeder Punkt halbtransparent, um die Visualisierung der inneren Unterstrukturen ermöglicht. Mehrere, getrennte Teile sind im gleichen Kristall dargestellt und zusätzliches Material ist nicht für große, komplizierte Strukturen erforderlich. Da die Matrix fest ist, können anatomische Etikett und Größe Maßstabsbalken hinzugefügt werden, zu verbessern,das Bildungspotential der Bilddaten angezeigt innerhalb. Hier stellen wir ein Verfahren, bei dem Röntgenstrahlen-Computertomographie (CT) Daten für die Kristall ssle formatiert. Erstens können die Daten aus kommerziellen präklinischen microCT Systemen, klinischen Scanner von Radiologieabteilungen / unis, oder als Quelle von Online-Repositories wie die National Biomedical Imaging Archiv (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf gesammelt werden ) 25 Hier zeigen wir diesen Ansatz mit Schafen Knochenkern, gebrochenem Handgelenk, markiertem Fuß und markiertem Bein Kristalle die Fähigkeit zu zeigen , sowohl die präklinische und klinische Daten zu übernehmen, um das Ausmaß der anatomischen Strukturen, anpassen und eine Struktur , Geometrie mit Kristallgröße zu koordinieren. die leichte Art von ssle und bereits weit verbreiteten Verwendung von STL-Dateien in 3D-Druck, die Herstellung von markierter anatomischer Kristalle bietet einen spannenden, handHandVisualisierungsWerkzeug für den Einsatz in den akademischen Ausbildung und Gemeinden gegeben.

Protocol

Alle menschlichen Computertomographie Datensätze wurden nach anerkannten SJRMC Protokoll anonymisiert.

1. CT Datenerfassung von präklinischen und klinischen Proben

  1. Dirigieren Mikroröntgencomputertomographie eine vorklinische Datensatz zu erzeugen. Im vorliegenden Fall verwendet einen microCT Bild mit einer Knochenkern Probe mit den folgenden Einstellungen: 45 kV, 0,4 mA und 1000 Projektionen. 5
  2. Rekonstruieren Rohdaten mit hohen Auflösung (125 & mgr; m isotrope Voxel). Zum weiteren Auflösung zu erhöhen, identifizieren und rekonstruieren einen 1 cm-Würfel mit einem Zentrum auf das Volumen des Ursprung (10 & mgr; m isotrope Voxel).
  3. Exportieren Sie den rekonstruierten Datensatz im DICOM-Format zur weiteren Verarbeitung.
  4. Alternativ erwerben rekonstruierten Sets CT-Daten, wie jene des gebrochenen Handgelenk und Fuß in dieser Studie verwendet wurden, die aus klinischen Mitarbeiter (Daten hier von Saint Joseph Regional Medical Center erworben gezeigt) oder Open-Source-DICOM Archive (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importieren von Dateien in die DICOM-Imaging-Software und Export als dekomprimiert DICOM-Dateien, wenn nötig.

2. Datenverarbeitung

  1. Öffnen Sie jede DICOM-Datensatzes (bestehend aus allen Bildscheiben) mit der ‚Load DICOM‘ im ‚Ansicht‘ Einstellung der Bildverarbeitungssoftware.
  2. Speicher jeden Datensatz als NIfTI analysiert, ein etabliertes Abbildungsformat für wissenschaftliche Analyse. Importieren Sie die NIfTI Dateien in ein Programm mit etablierter Verwendung in der medizinischen Bildgebung berechnet und automatisierte Segmentierung für die Erzeugung von Oberflächenkarten (zB 3DSlicer).
  3. Laden Sie eine gegebene NIfTI Datei in die Oberfläche Map-Generator-Programm mit dem Werkzeug ‚Daten hinzufügen‘.
  4. Wählen Sie den ‚Graustufen Model Maker‘ -Tool mit der Spezifikation „Erstellen und neues Modell Umbenennen“. Stellen untere Schwellenwert auf etwa 300 HU für die Segmentierung von Knochen.
  5. Speichern Graustufen- Modelleals STL-Dateien zur weiteren Datenverarbeitung.
  6. Importieren Sie jede Oberfläche der Karte in die 3D - Datenaufbereitung Software (zB Netfabb Studio Basic) und wählen Sie ‚Reparieren‘ Modus.
  7. Verwenden Sie die ‚Select Part‘ und ‚Löschen‘ Tools alle Oberflächen zu löschen, die nicht die Struktur von Interesse darstellen kann.
  8. Verwenden Sie das ‚Add Dreieck‘ Werkzeug, um teilweise die Löcher in Flächen und die ‚Automatische Reparatur‘ Skript vollständig abdecken zu schließen verbleibenden Lücken.
  9. Wählen Sie das Skript ‚Repair Entartete Faces‘ im Aktionsmenü zu lösen Kanten ohne Oberfläche und das ‚Übernehmen Reparieren‘ Skript zu beenden ‚Reparieren‘ Modus mit dem modifizierten Teil.
  10. Verwenden Sie das ‚Cut‘ Werkzeug, um unerwünschte Funktionen zu entfernen oder die Größe des Modells zu reduzieren. Bezeichnen die Position jedes Schnitts innerhalb des ‚X‘, ‚Y‘ oder ‚Z‘ in der Ebene ‚Cut‘ Menü des Kontextbereich.
  11. Verwenden Sie die ‚Ausführen Cut‘ Tool und wählen Sie "; Triangulate Cut in den Einstellungen‘alle sich ergebenden Löcher automatisch zu schließen.
  12. Verwenden Sie den ‚Select Part‘ und ‚Löschen‘ Werkzeuge gleichzeitig alle Oberflächen löschen aus dem Schnitt führen, dass die Struktur von Interesse nicht darstellen.
    HINWEIS: Wenn die Oberfläche der Karte mit einem Maßstab zu anschließt wird, überspringen Sie den nächsten Schritt. Die anatomische Merkmal und Maßstabsleiste wird gleichzeitig skaliert werden, nachdem sie in einem einzigen STL vereint sind.
  13. Wählen Sie die ‚Skalieren‘ Option, um die Abmessungen jeder Oberflächenkarte zu ändern. Modelle können in einem 8 cm Würfel oder 5 cm x 5 cm x 8 cm rechtwinkliges Prisma passen in Originalgröße (Handgelenk) in der Abmessung (Fuß) oder gehalten dilatiert (bone Kern) oder reduziert werden. Beachten Sie, dass Dateien in diesem Stadium für ssle gesendet werden können, wenn keine Etiketten oder Maßstabsbalken gewünscht sind.

3. Anatomische Kennzeichnung

  1. Wählen Sie die ‚Neu‘ Option im Menü des CAD - Programms (zB Autodesk Inventor Professional) to Erstellen Sie eine neue Arbeitsmappe, die das metrische Vorlage für eine ‚Standard (mm) .ipt‘ Teil verwendet wird.
  2. Wählen Sie die ‚Erstellen von 2D-Skizze‘ Option und jede Ebene wählen. Verwenden Sie das ‚Text‘ Werkzeug in dem ‚Draw‘ Menü der Werkzeugleiste getippt anatomische Etiketten mit der gewünschten Schriftart und -größe (Times New Roman und 2,0 mm) zu erzeugen.
  3. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie die Option ‚Skizze fertig‘ im ‚Exit‘ Menü der Symbolleiste.
  4. Wählen Sie das ‚Extrude‘ Werkzeug aus dem ‚Erstellen‘ Menü der Symbolleiste mit der Option ‚2D-Text‘. Bezeichnet eine Extrusions Tiefe (2,0 mm) mit der symmetrischen Einstellung.
  5. Exportieren von Text-Etikett im CAD-Format mit dem ‚Dateityp‘ STL-Einstellung.
  6. Öffnen Sie eine neue Arbeitsmappe, für die Herstellung eines zylindrischen Etikett Linie. Wählen Sie die ‚Datei‘ Option, um eine neue Metrik-Vorlage mit einem ‚Standard (mm) .ipt‘ Teil zu erstellen.
  7. Wählen Sie das ‚Erstellen von 2D-Skizze‘ Tool und wählen Sie eine beliebige Ebene. Verwenden Sie die ZentralePunkt-Kreises‘Werkzeug in dem‚Draw‘Menü der Symbolleiste einen Kreis mit einem Mittelpunkt im Ursprung zu produzieren.
  8. Verwenden, um die ‚Dimension‘ Werkzeug in der ‚Constraint‘ Menü, den Durchmesser des Kreises zu setzen (1,0 mm).
  9. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie die Option ‚Skizze fertig‘ im ‚Exit‘ Menü der Symbolleiste.
  10. Wählen Sie das ‚Extrude‘ gewählt Werkzeug aus dem ‚Erstellen‘ Menü der Symbolleiste mit der Option ‚2D-Text‘. Wählen Sie eine Extrusionstiefe (10,00 mm) mit der symmetrischen Einstellung.
  11. Beschriftungen exportieren und Zylinder im CAD-Format mit der ‚Speichern als Typ‘ .stl Einstellung.

4. Anbringen von Labels

  1. Import-Modelle, Beschriftungen und zylindrische Etikettenlinien in die 3D-Datenvorbereitungssoftware.
  2. Text übersetzen Etiketten nach links oder rechts neben der zugehörigen Anatomie mit dem ‚Move Part‘ Werkzeug. Verwenden Sie das ‚Drehen Teil‘ Werkzeug zu orientieren Etiketten, so dass sie konfrontiert sind the gleiche Richtung.
  3. Übersetzen und drehen zylindrische Etikettenlinien unter Verwendung des ‚Move Part‘ und ‚Drehen Part‘ Tool Labels zugehöriger Strukturen innerhalb des Modells zu verbinden.
  4. Geben Sie gegebenenfalls ‚Reparatur‘ Modus und verwenden Sie die ‚Select Triangles‘ und ‚Ausgewählte Triangles entfernen‘ die Größe der Zylinder auf die entsprechende Länge zu reduzieren.
  5. Wenn die Basisversion verwenden, alle Teile auswählen und als Projekt speichern. Dann öffnen Sie dieses Projekt in der Professional-Version.
  6. In der Professional-Version, wählen Sie alle Teile und Export als einzelnen STL.

5. Skala Bar Design

HINWEIS: Zwei Arten von Maßstabsbalken sind im CAD-Programm entwickelt. Die erste ist in 1 und umfasst drei separate Maßstabsbalken, mit Strichmarkierungen an bestimmten Messungen, auf jeder Ebene liegen. Die zweite, in Figur 2 enthalten ist , Figure 3 & 4 wird von senkrechten Linien besteht , auf den drei Achsen liegen und an einer Ecke zusammenlaufen. Führen Sie die Schritte 5,1-5,2 Gestaltung jeden Maßstab zu beginnen.

  1. Erstellen Sie eine neue Arbeitsmappe in dem CAD-Programm von ‚Neu‘ und ‚Standard (mm) .ipt‘ Teil auswählen.
  2. Wählen Sie ‚Erstellen von 2D-Skizze‘ und wählen Sie eine der drei Ebenen arbeiten zu beginnen.
    HINWEIS: Fahren Sie mit Schritten 5,3-5,16 die erste Art von Maßstab zu produzieren. Die Abmessungen bereitgestellt wurden für die Schaffung eines 1 cm-Skala mit Strichmarkierungen bar bei 25-mm-Schritten durchgeführt.
  3. Verwenden Sie die ‚Rectangle‘ und ‚Dimension‘ Tools ein Rechteck (10 mm x 0,25 mm) mit einer Breite zu zeichnen, die auf die gewünschte Länge der Maßstabsbalken entspricht (10 mm) und einer Länge von jedem angemessenen Wert (0,25 mm). Platzieren Sie die untere linke Eckpunkt auf dem Ursprung so x-Koordinaten für den Abstand von Strichmarkierungen verwendet werden.
  4. Um die Strichmarkierungen zu erstellen, verwenden tEr 'Rectangle' Werkzeug, um ein Rechteck direkt über dem Maßstab zu zeichnen. Beschränken Sie die Größe (0,025 mm x 0,432 mm) mit dem 'Dimension' Werkzeug.
  5. Mit den x-Koordinaten das neu geformte Rechteck übersetzen, so dass es in der gewünschten Entfernung vom Rand liegt. Dies ist die Spitze der Häkchen.
  6. Um die Unterseite der Häkchen zu erstellen, zeichne ein anderes Rechteck mit den gleichen Abmessungen wie die obere Hälfte, direkt unterhalb der Skala. Verwenden Sie das Werkzeug 'Ausrichten', um die beiden Hälften der Häkchen zu markieren.
  7. Wählen Sie im Menü 'Ändern' das Werkzeug 'Trimmen' und wählen Sie den Bereich aus, in dem sich die Maßstabsleiste und die Häkchen markieren. Dadurch werden überschüssige Zeilen entfernt und das Teil als ein einziges Merkmal interpretiert, wenn es extrudiert wird.
  8. Wiederholen Sie die Schritte 5.4-5.7 für den Rest der Häkchen.
  9. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie im Menü 'Exit' der Symbolleiste die Option 'Finish Sketch'.
  10. Wähle 'Extrudieren' unter 'Männer'u und wählen Sie die Maßstabsleiste. Bestimmen einen Extrusions Entfernung und Richtung (0,25 mm und in den Bildschirm).
  11. So entwerfen Sie Etiketten für die Strichmarkierungen, wählen Sie ‚Erstellen von 2D-Skizze‘ und wählen Sie den Maßstab als die Arbeitsebene.
  12. Unter dem ‚Draw‘ Wählen Sie im Menü ‚Text‘ Werkzeug Text mit einer bestimmten Schriftart und -größe (Times New Roman und 0,25 mm) zu erstellen. Übersetzen den Text zu seiner gewünschten Position neben der Skalenleiste.
  13. Wenn Sie fertig sind, wählen Sie die Option ‚Skizze fertig‘ im ‚Exit‘ Menü der Symbolleiste.
  14. Wählen Sie das ‚Extrude‘ Werkzeug aus dem ‚Erstellen‘ Menü der Symbolleiste mit der Option ‚2D-Text‘. Bezeichnet eine Extrusionstiefe (0,25 mm) und die Richtung (in den Bildschirm).
  15. Wiederholen Sie die Schritte 5,12-5,14 die anderen Etiketten zu erstellen.
  16. Exportieren Sie die ausgefüllte Maßstabsleiste im CAD-Format mit dem ‚Dateityp‘ .stl Einstellung.
    HINWEIS: Nach Abschluss 5,1-5,16 Schritte weiter mit Schritten von 5,17 bis 5,31 erstellenDie zweite Art von Tonleiter bar. Die Messungen bereitgestellt wurden verwendet, um eine Maßstabsleiste zu schaffen, die 2 cm auf jeder Achse und 2 mm dick war.
  17. Wählen Sie das ‚Rectangle‘ Werkzeug ein Quadrat und begrenzen die Länge und Breite (mm 2 x 2 mm) mit dem ‚Dimension‘ Werkzeug zu schaffen. Die Abmessungen in diesem Schritt ausgewählt werden, die Dicke des Teils bestimmen.
  18. Wählen Sie ‚Skizze fertig stellen‘ zur 3D-Modell Einstellung zurückzukehren.
  19. Unter ‚Erstellen‘, wählen Sie ‚extrudieren‘ und den Platz in 2D-Skizze Modus gezeichnet wählen. Wählen Sie die gewünschte Tiefe und die Extrusionsrichtung (20 mm und in den Bildschirm).
  20. Wählen Sie ‚Erstellen von 2D-Skizze‘ und weiter auf der gleichen Ebene wie die vorherige Skizze arbeiten.
  21. Verwenden Sie die 'Rectangle' und 'Dimension' Tools ein Rechteck (2 mm x 18 mm) zu ziehen, direkt über dem Platz. Entsprechen die Länge des Rechtecks, die der Länge des Platzes (2 mm) und die Breite sollte die gewünschte Größe der Skalenleiste sein minus der WIDth des Platzes (20 mm - 2 mm = 18 mm). Drücken Sie auf ‚Fertig stellen Sketch‘ wenn sie abgeschlossen sind.
  22. Unter ‚Erstellen‘, wählen Sie ‚extrudieren‘ und das Rechteck auswählen. Geben Sie eine Extrusionstiefe, die die Länge des Platzes (2 mm) sein sollte, und eine Richtung wählen (in den Bildschirm).
  23. Drehen Sie den Teil, so dass es wie der Buchstabe ‚L‘ aussieht. Erstellen Sie eine neue 2D-Skizze, und wählen Sie die Vorderseite des ‚L‘, wie die Arbeitsebene.
  24. Zeichnen Sie ein Quadrat an der Ecke der beiden Rechtecken des ‚Rechteck‘ Tool. Constrain die Abmessungen (2 mm x 2 mm), so dass es genau in der Ecke paßt. Beenden Sie die Skizze mit der ‚Skizze fertig stellen‘ Werkzeug.
  25. Unter ‚Erstellen‘, wählen Sie ‚extrudieren‘ und wählen Sie die neu erstellte Platz. Geben Sie eine Extrusionsabstand, der die gewünschte Größe der Skalenleiste sein soll minus die Breite des Platzes (20 mm - 2 mm = 18 mm). Wählen Sie eine Richtung (aus dem Bildschirm) und die Extrusion anzuwenden.
  26. So fügen Sie Text indicating die Abmessungen der Skalenleiste, eine neue 2D-Skizze aus jeder Ebene erstellen.
  27. Verwenden Sie das ‚Text‘ Werkzeug in dem ‚Draw‘ Menü der Symbolleiste ein Etikett mit der gewünschten Schriftart und -größe (Times New Roman und 2,5 mm) zu erzeugen.
  28. Übersetzen den Text zu seiner gewünschten Position neben der Skalenleiste. Verlassen Skizziermodus von ‚Skizze fertig stellen‘ auswählen.
  29. Verwenden, um den ‚Extrude‘ Tool und geben Sie eine Extrusionsabstand, der die Dicke der Maßstabsbalken entspricht (2 mm) und die Richtung, die das Etikett mit der Skalenleiste fluchtet (in dem Bildschirm).
  30. Wiederholen Sie die Schritte 5,26-5,30 die anderen Ebenen unter Verwendung von Etiketten für alle drei Achsen zu schaffen.
  31. Wenn Sie fertig sind, exportieren Sie die Maßstabsleiste und die dazugehörige Etiketten im CAD-Format mit dem ‚Speichern als‘ .stl Einstellung.

6. Zugabe von Maßstabsbalken zu Anatomische Modelle

  1. Öffnen Sie das anatomische Modell in der 3D-Datenaufbereitung Software und importieren Sie die Maßstabsleiste.
  2. Verwenden Sie die 'Move Part‘und‚Drehen Teil‘Werkzeuge, um die Maßstabsleiste neben dem anatomischen Modell zu orientieren;.
  3. Wenn die erste Art von Maßstabsleiste erstellt wurde, importieren Sie den Teil zwei weitere Male. Übersetzen und drehen Sie die einzelnen Maßstabsbalken so eine auf jeder Achse liegt.
  4. Wenn die Basisversion verwenden, alle Teile auswählen und als Projekt speichern.
  5. Öffnen Sie die Datei in der Professional-Version. Wählen Sie alle Teile und Export als einzelne STL.
    HINWEIS: Die Abmessungen sind beibehalten, wenn Oberflächenkarten und Maßstabsbalken eingeführt werden, in die Grund- oder Professional-Version. Vor der Gravur, Oberflächenkarten, zusammen mit dem zugehörigen Etikett und Maßstabsbalken, skaliert innerhalb der Kristalle passen. Da Maßstabsbalken mit der gleichen Rate wie Modelle skaliert sind, Veränderungen in den Größen von Maßstabsbalken sind repräsentativ für Dimensionsänderungen in den anatomischen Strukturen.

7. Reduktion von Faces

  1. Nutzen Sie das ‚Import Maille‘ Tool eine .STL- Datei in der 3D-Mesh-Verarbeitung pro hinzufügenGramm. Die Anpassung wird das Oberflächenmodell und alle Komponenten angewendet werden, einschließlich Text und Maßstabsbalken, da die Software das Netz als ein Teil interpretiert.
  2. Unter ‚Filter‘ und ‚Remeshing, Vereinfachung und Wiederaufbau‘, wählen Sie das ‚Quadratic Rand Collapse Dezimierung‘ Werkzeug, um die Anzahl der Flächen innerhalb des Mesh zu reduzieren.
  3. Geben Sie die gewünschte Anzahl von Flächen (100.000) im Rahmen der ‚Ziel Anzahl von Flächen‘ und wählen Sie ‚Übernehmen‘. Dieser Vorgang erfolgt eine überschaubare Dateigröße für die ssle Software zu erstellen, und die überschüssige Gravur mal zu verhindern.
  4. Exportieren Sie das fertige Produkt als STL mit dem 'Export Mesh-A ...' -Einstellung.

8. Modell Gravur in Kristall

HINWEIS: Abgeschlossen STL-Dateien werden in einem industriellen Mitarbeiter weitergeleitet, wo Glaskristalle Laser eingraviert sind auf physikalische Modelle der anatomischen Daten zu erzeugen. Für Anfragen und weitere Unterstützung, pldie Industrie Autoren dieses Manuskript der Mühelosigkeit.

  1. Öffnen Sie die STL-Datei in eine Laser-Gravur-Software-Programm und konvertieren zu einer SCAX Datei.
  2. Importieren Sie die SCAX Datei in einem Software-Paket zur 3D-Lasergravur-Maschine angeschlossen.
  3. Definieren Sie eine Kristallgröße geeignet für die SCAX Datei Schnittstelle.
  4. Stellen Sie die Leistung des Lasers und geben Sie eine Spannung und Dichte. Während 8,5 V und 0,2 typischerweise für Spannung und Dichte gewählt werden, können andere Messungen, indem die Spannung zu reduzieren und die Erhöhung der Dichte bestimmt werden, um sicherzustellen, dass der Kristall nicht reißt oder bricht.
  5. Senden Sie die Datei auf eine 3D-Laser-Gravur für Kristallproduktion.

Representative Results

Unterfläche Lasergravieren von Glaskristallen ist ein tiefen Mittel zahlreiche Arten von biomedizinischen tomographischen Bildgebungsdaten zu visualisieren. Abbildung 1 enthält preclinical CT - Daten, während Abbildung 2, Abbildung 3 und 4 zeigen , wie die klinische CT - Scans kann ebenfalls verwendet werden. Da Abmessungen vor der Gravur modifiziert sind, können Strukturen unterschiedlicher Größe durch Lasergravieren dargestellt werden. Während 2 zeigt , wie Anatomien gedruckt werden können skaliert, müssen die meisten Strukturen oder nach unten skaliert werden. Zwei Arten von Maßstabsbalken können implementiert werden Dimensionsänderungen messen: eine, die die Seiten der Struktur und zum anderen mit den drei Achsen an einer Ecke konvergierenden umspannt. Der erste Typ ist für dilatative Strukturen ideal, wie der Knochenkern, während der zweite Typ ist am besten geeignet für zu-Skala oder reduziert Strukturen. Weiterhin ist die Größe des Kristalls mit der Form der anatomischen Struktur gepaart. Als Ergebnis wurde der Fuß in einem Würfel angeordnet, während das Bein in einem rechteckigen Prisma ausgesetzt wurde.

Ein wesentliches Merkmal des Untergrund Gravur ist die Fähigkeit, Textbeschriftungen anatomische Merkmale zu befestigen. Die Technik kann auf verschiedene Arten von Bilddaten angewendet werden, wobei eine optimale Platzierung von Beschriftungen auf der Geometrie der Struktur ab. Behindern die Sicht auf die Anatomie in 2 gezeigt, wurde der Text auf zwei Ebenen , um Raum platziert die Etiketten aus und vermeiden. Für Abbildung 3 & 4, Knochen deutlich von einer Seite betrachtet werden könnte , so dass die Etiketten auf einer einzigen Ebene platziert wurden.

Abbildung 1
Abbildung 1. Präklinische CT-Daten eines Schafes Knochenkernsatzes, angezeigt virtuell und in einem 3D gravierte Kristall suspendiert. Bildbearbeitungssoftware wurde verwendet, zu erzeugen und Maßstabsbalken auf eine Oberflächenkarte eines 1 cm isotopische sheep Knochen (links) zu befestigen. Die Struktur wurde eine fünffache Steigerung in der Abmessung entlang jeder Achse, wie sie durch die Skalenstriche angedeutet, und wurde in einem Laser 8 cm quadratischen Kristall gravierten (rechts). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Klinische CT - Daten eines gebrochenen Handgelenkes mit anatomischen Etikett, angezeigt und in praktisch Kristall eingraviert. Ein klinischer CT-Datensatz eines menschlichen Handgelenks mit einem gebrochenen Radius wurde in eine Oberflächenkarte durch Computersoftware umgesetzt. Anatomische Etiketten und eine 2 cm Maßstab w ere mit Computer-Aided Design (CAD) und an das Modell (links) erzeugt. Ein 3D-Laser-Graveur einbeschrieben die Struktur in einem 8 cm Würfel Kristall (rechts). Die Maßstabsbalken behielt seine Größe, was zeigt, das Handgelenk wurde Maßstab hergestellt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3
Abbildung 3. Anatomisch menschlichen Fuß mit anatomischen Markierungen markiert, angezeigt und in praktisch Kristall eingraviert. Eine CT-Datensatz eines menschlichen Fußes wurde in ein Graustufen-Modell mit Bildbearbeitungssoftware umgewandelt. Text und ein 4 cm Maßstab wurden mit der Oberfläche der Karte (links) mit CAD und integriert erstellt. Das Modell wurde reduziert auf die Hälfte seiner Größe und Laser in einer 8 cm Kristallwürfel gravierten (rechts). 55340 / 55340fig3large.jpg“target =‚_ blank‘> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4. Klinische CT - Datensatz eines menschlichen Beins anatomisch etikettiert in Kristall unter Verwendung von Computersoftware und graviert. Software-Pakete wurden verwendet, um eine Oberflächenkarte von einem vollständigen menschlichen CT-Scan zur Vorbereitung und zum Abschnitt des Beine vom Rest des Körpers. Anatomische Etikett und ein 2,5 cm Maßstab mit CAD entworfen wurden angebracht (links) und die Struktur wurde in einem 5 cm x 5 cm x 8 cm Kristall (rechts) eingraviert. Der Maßstabsbalken in dem Kristall zeigt das Bein wurde in einem 5 verkleinert: 3-Verhältnis. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

ys "> 3d Drucken Sub-Oberflächen Laser - Gravur (ssle) von Kristallen Vorteile taktile Erfahrung Schaffung von Strukturen im freien Raum Vollfarb-Modelle Die Erzeugung von mehrteiligen Modelle Um Skalen-Darstellung möglich mit größerer Vielfalt von Strukturen Anbringen von Etiketten anatomischen Vollkunststoffmaterial beständig Tropfen Maßstabsbalken innerhalb Modell suspendiert Inexpensive Consumer-Drucker verfügbar Hohe Auflösung und Genauigkeit Hohe Auflösung von professionellen Druckern Kurze Produktionszeit Einfache getrennte anatomische Untereinheiten zusammen im 3D-Raum zu verbinden Strukturen innerhalb Kristall nicht anfällig für Schäden außerhalb Gering Materialkosten Lasergravierer moderaten Preisen Nachteile Schwierige getrennte anatomische Untereinheiten im 3D-Raum zu verbinden Keine Tasterfahrung Kosten und Produktionszeit variieren mit Komplexität Graustufen Anfälliger für Fehler in der Produktion Größe begrenzt durch Kristall Post-Produktion Wäschen kann notwendig sein, Um Stufendarstellung schwierig Auflösung begrenzt durch plastisches Extrudern Dichte Begrenzt durch Laser Die Teile können aus dem Modell Chip Crystals Chip oder brechen, wenn fallen gelassen Teure professionelle Drucker Die Preise der Materialien variieren stark

Tabelle 1. Vorteile und Nachteile der 3D - Druck und ssle zur Herstellung von anatomischen Modellen. 3D-Druck und ssle sind zwei Mittel für die biomedizinische tomographischen Bildgebungsdaten zu visualisieren, und jeder besitzt eine Anzahl von Stärken und Schwächen im Hinblick auf die Schaffung von physikalischen Modellen der Daten.

Discussion

Präklinische und klinische Datensätze durch biomedizinische Bildgebungsverfahren erworben haben in der modernen Forschung und medizinischen Fortschritt beigetragen. Vor Einrichtung der biomedizinischen Datenvisualisierung enthielt Computer-Display und physikalische aus traditionellem Guss generierten Modelle oder modernen 3D-Druck Ansätzen. Hier beschreiben wir ein 3D-Kristall Gravur Verfahren als alternatives Mittel für tomographische biomedizinische Visualisierung von Daten, da es erzeugt wohldefinierte, markierte Modelle auf einfache Art und Weise. Diese relativ kostengünstigen Modelle in großem Umfang als Lehrmittel verwendet werden können. Die Verwendung von Kristall Gravur genau anatomischen Daten zu repräsentieren gibt ihm hohe Potential in der klinischen und pädagogischen Einrichtungen. Die Fähigkeit , Daten in einem physischen, dreidimensionalen Format zu visualisieren überwindet die Grenzen der traditionellen Formen der Bildung mit flachen Bildern oder virtuelle Renderings 9. Hohe Auflösung von gravierten Strukturen und die BefestigungEtiketten auf bestimmte sichtbare Merkmale erleichtern die Verwendung dieser Modelle für die Patienten oder die Ausbildung der Studierenden. Darüber hinaus bietet diese Modalität die Fähigkeit, Ursachen und Aspekte von Krankheitszuständen innerhalb einer Probe zu identifizieren und zu beobachten. Zum Beispiel ist die Klassifizierung und den Ort eines Knochenbruchs, wie die gebrochenen Handgelenk in Abbildung 2 angemerkt, liefert ein umfassenderes Verständnis der Beziehung von Krankheitszuständen und anderen physikalisch offensichtlichen Anzeichen und / oder Symptome des Patienten.

Durch 3D-Kristall Gravur, präklinische und klinische CT-Datensätze wurden als physikalische Strukturen dargestellt innerhalb der Kristalle eingeschrieben. Präklinische CT-Daten wurden unter Verwendung eines microCT Scanner erworben, während der klinischen CT-Bilder aus klinischen Strahlenquellen gesammelt wurden. Vor der Weiterverarbeitung wird die klinische Bildgebung Daten dekomprimiert DICOM-Dateien über Imaging-Software konvertiert. Nachfolgende Softwareprogramme Transformation rekonstruieren DICOM-Dateien in Oberflächenkarten. Änderung dieser Oberflächenkarten und die Erzeugung von anatomischen Etikett und Maßstabsbalken sind mit Datenaufbereitung Software und Computer-Aided Design (CAD) erreicht. Abgeschlossene STL-Dateien werden reduziert und konvertiert Dateien SCAX. Nachdem die Kristallgröße und die Laserleistung eingestellt sind, werden die Dateien von einer 3D-Lasergravur-Maschine gelesen, dass die Freiform anatomische Strukturen in Kristall erzeugt.

Das oben beschriebene Verfahren kann auf verschiedene präklinische und klinische Datensätze angewendet werden. Während CT-Datensätze in diesem Projekt durchgeführt wurde, ist es möglich, dass aus anderen Bildgebungsverfahren gewonnenen Daten in Kristall sichtbar gemacht werden können, einschließlich 3D-Ultraschall (US), Magnetresonanztomographie (MRT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Auch andere menschliche anatomische Strukturen und biologische Proben können in diesem Medium abgebildet und wiedergegeben werden. Allerdings müssen die Kristalle kommen in vorgegebenen Größen und Strukturen entsprechend geschnitten oder skaliert werden. Es ist ratsam, anzupassen the Geometrie des anatomischen Teils mit der Größe des Kristalls. Beispielsweise paßt ein Bein am besten in einer 5 cm x 5 cm x 8 cm Quader (Figur 4), während ein Fuß für einen 8 cm - Würfel (Figur 3) geeignet ist . Änderungen an der Größe, Schriftart und einer Dicke von Text kann in CAD-Software durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es am besten, Etiketten, um auf einer oder zwei Ebenen zu platzieren, um klar Etiketten zu lesen, ohne den Blick auf die Anatomie zu behindern, wenn der Kristall auf andere Gesichter zu drehen.

Zwei weitere Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn ssle anatomischer Daten durchführen: die Anzahl der Flächen in einer Oberfläche der Karte, und die Größe eines jeden Punktes, den Laser in den Kristall eingraviert ist. Diese Faktoren beeinflussen die Anzahl und Größe der Punkte, die einfallendes Licht absorbieren und somit potenziell erhöhen oder aus einer bestimmten ssle Visualisierung beeinträchtigen. Erstens ist die Anzahl der Flächen, die zu der Anzahl von Punkten im 3D-Raum direkt proportional ist,sowohl die Gesamtauflösung beeinflussen und „Helligkeit / Kontrast“ des angezeigten Modells. In jedem der hier vorgestellten Beispiele wurde die abgeschlossene STL-Datei ohne erkennbare Verschlechterung des resultierenden Kristallproduktes zu 100.000 Flächen verringert, und zwar unabhängig von der Größe oder Vergrößerung. Der Gesamt-Helligkeit / Kontrast war auch akzeptabel, diesen Ansatz. Der 100.000-Wert ist der sichere Bereich für den Graveur verwendet nicht die Software und Hardware zu überlasten. Jedoch in einigen Fällen können zusätzliche Flächen benötigt werden, um richtig einen bestimmten Datensatz angezeigt werden, und diese Dateien experimentell angesehen werden können, bis erfolgreich abgeschlossen. Darüber hinaus ist die Größe von jedem Punkt, der „verbrannt“ wird in den Kristall kann über die Spannung und „Dichte“ Eingangswerte des Stechers den Ausgangshelligkeitskontrast verbessern abgestimmt werden. In den vorliegenden Fällen Standardwerte von Spannung: 8,5 und Dichte: 0,2, wurden ausgewählt. Während diese Werte, um einen Ausgangspunkt darstellen, können sie in einen verändert werdenVersuch und Irrtum Mode Visualisierung von Daten zu verbessern, wie gebraucht.

Es gibt eine Reihe von Vorteilen der 3D-Kristall Gravur für die Anzeige von präklinischen und klinischen Bilddaten verwendet. Kristalle erzeugt typischerweise weniger als 30 Minuten in, während 3D - gedruckten Strukturen mehr Stunden erfordern können, abhängig von ihrer Größe und Komplexität 16, 20, 22. Die Lasergravierung , können verwendet werden , suspendierte Strukturen darzustellen , ohne die Verwendung der Unterstützung, die Erleichterung der Herstellung von komplizierten oder hängende Merkmale der Anatomie ohne 16 mit zusätzlichem Material Genauigkeit verringert wird . Mit einer Auflösung von 800-1.200 DPI und einer Genauigkeit von weniger als 10 um, diese Modelle ähneln medizinische Daten 24. Während professionelle 3D-Drucker eine ähnliche Auflösung von etwa 600 dpi in der XY und 1.600 DPI in Z haben, sind sie in der Regel weniger accurate (20-200 um) 17, 19, 20 (Tabelle 1).

3D Kristall Gravur besitzt starkes Potenzial, ist aber in einigen Bereichen eingeschränkt. Da die Daten innerhalb Kristall eingraviert ist, können Benutzer nicht eine taktile Erfahrung mit den Körperteilen haben. To-Skala sind Darstellungen schwierig zu erzeugen, wie Daten in der Regel skaliert oben oder unten in den Kristallen zu passen. Darüber hinaus kann der Laser nur in Graustufen mit minimalem Kontrast gravieren. Die Dichte der Struktur wird ebenfalls durch den Laser in der Lage ist gezwungen, die Daten zu verarbeiten. Die Gesamtstabilität der Kristalle ist ein Vorteil für potenzielle Verwendung über mehrere Jahre, aber das massive Glas auf harte Oberflächen (Tabelle 1) fällt , nicht standhalten kann.

Trotz dieser Einschränkungen 3D-Kristall Gravur hält bedeutenden Wert als Medium zur Visualisierung von biomedizinischen Daten. Beim StartMaterial und Unterstützung benötigen berücksichtigen in mit 3D-Druckern werden, diese Aspekte müssen nicht für die Lasergravur in Betracht gezogen werden. Komplexere Teile, wie der menschliche Fuß, können als Ergebnis dargestellt werden. Während die Produktionszeit erhöht sich leicht mit komplexeren Strukturen, wird kein zusätzliches Material erforderlich, und die Kosten des Modells bleibt gleich. Der Lasers Fähigkeit Glas in einer Punkt- für -Punkt - Weise zu verbrennen erzeugt Strukturen hoch definiert , dass die feinen Details der biomedizinischen Daten angezeigt werden , wie in dem gebrochenen Radius in Abbildung 2 angegeben ist . Darüber hinaus macht die Platzierung dieser Strukturen innerhalb Kristalle beständig sie nach außen Schaden. Im Gegensatz zu Feststoff auf vielen 3D-Druck-Plattformen verwendeten Kunststoffe erlauben die transluzente Glasoberflächen interne Strukturen auf einfache Art und Weise visualisiert werden. Eines der mächtigsten Werkzeuge des 3D-Kristall Gravur ist seine Fähigkeit, einzelne Teile zu bezeichnen, und auch eine Maßstabsleiste für Größe Referenz hinzuzufügen. DiesTechnik fügt wesentlichen Bildungswert zu dem Kristallen als Schüler aller Ebenen Anatomie lernen und mit klinischen Daten, zwei wertvollen Bestandteilen der biologischen und medizinischen Ausbildung, in einem Modell interagieren. In Kombination mit der Fähigkeit, sie in der Handfläche einer Hand und Sichtstrukturen in einer Vielzahl von Winkeln zu halten, verbessert die Kennzeichnung stark den pädagogischen Wert dieser Modelle. Als Ergebnis 3D gravierte Kristalle haben eine breite Anwendbarkeit für den Einsatz in der Anatomie-Kurse, die klinische Praxis und allgemeine Bildung.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Wir danken dem College of Science Sommer Wissenschaftliche Fellowship (SURF) für die finanzielle Unterstützung dieses Projekts. Die Autoren danken Prof. Glen Niebur, University of Notre Dame, für die Bereitstellung von Knochenproben (detailliert oben) in dieser 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

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Scaled Anatomisches Modell Creation of Biomedical Imaging tomographische Daten und assoziierten Labels für spätere Teilfläche Laser-Gravur (ssle) von Glaskristall
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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

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