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Bioengineering

Scaled Modello anatomico Creazione di Biomedical Imaging tomografica dei dati e associate etichette per la successiva sotto la superficie incisione laser (SSLE) di cristalli di vetro

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

Summary

Una metodologia è descritta nella presente per rappresentare dati di imaging anatomiche all'interno cristalli. Creiamo scalato modelli tridimensionali di dati di imaging biomedico per l'uso in Sub-Surface Laser incisione (SSLE) di cristallo. Questo strumento offre un utile complemento alla visualizzazione computazionale o tridimensionalmente modelli stampati utilizzati all'interno di contesti clinici o educativi.

Abstract

modalità di imaging biomedico come la tomografia computerizzata (CT) e la risonanza magnetica (MR) forniscono eccellenti piattaforme per la raccolta di insiemi di dati tridimensionali del paziente o dei campioni anatomia in ambito clinico o preclinico. Tuttavia, l'uso di un display virtuale su schermo limita la capacità di queste immagini tomografiche per trasmettere appieno le informazioni anatomiche incorporato all'interno. Una soluzione è quella di interfacciare un insieme di dati di imaging biomedico impostati con tecnologia di stampa 3D per generare una replica fisica. Qui dettaglio un metodo complementare per visualizzare i dati di immagini tomografiche con un modello a mano: Sub Surface Incisione laser (SSLE) di cristallo. SSLE offre diversi vantaggi unici, tra cui: la possibilità facile per includere le etichette anatomiche, così come una barra di scala; snella assemblaggio più parti di strutture complesse in un mezzo; alta risoluzione in X, Y, Z e aerei; e gusci semi-trasparenti per la visualizzazione di sottostrutture anatomiche interne. qui we dimostrare il processo di SSLE con dati CT derivati ​​da fonti preclinici e clinici. Questo protocollo servirà come un nuovo e potente ed economico strumento per visualizzare le strutture anatomiche complesse per gli scienziati e gli studenti in una serie di contesti educativi e di ricerca.

Introduction

Modalità di imaging biomedico come la tomografia computerizzata (CT) o risonanza magnetica (MRI) sono abitualmente utilizzati dal medico, la ricerca, e accademico a non invasivo esaminano le strutture interne di soggetti umani o biologiche 1, 2, 3. Nella medicina moderna, questa tecnologia permette diagnosi più consapevoli e, di conseguenza, ha migliorato il trattamento del paziente 4. In particolare, CT fornisce un'eccellente opportunità per la ricostruzione 3-D per la sua proprietà isotropiche voxel (lunghezza identica di ciascun bordo cubo) e alta risoluzione. 5 Inoltre, i pacchetti software sono disponibili che rendono di dati di immagini biomediche in tre dimensioni (3D) per funzioni di ordine superiore come la chirurgia assistita da computer e endoscopia virtuale 6. Entro ricerca pre-clinica, l'imaging non distruttivo fornisce una piattaforma traslazionalesu cui studiare modelli di malattia in topi e ratti 7. Le biblioteche digitali, come ad esempio il database biologica Morfologia digitale (http://digimorph.org), sono state compilate con dati CT derivati da campioni diversi o stati patologici clinici per un facile accesso da parte delle più ampie comunità scientifica e medica 8.

Attualmente, i dati di imaging biomedico è stata visualizzata nello spazio virtuale su schermi di computer, o nello spazio fisico con modelli portatili. Mentre software consente agli utenti di sezionare e manipolare i dati, le repliche fisiche sono un complemento piacevole con un eccellente vantaggio educativo 9, 10. Modelli tradizionali sono stati generati utilizzando un processo di colata a basso costo in cui stampi di base sono riempiti di resina che indurisce nella struttura desiderata 11. modelli colati sono suscettibili di produzione di massa poco costoso, ma sono limitati a basestrutture che non sono derivati ​​da insiemi di dati dei pazienti. Negli ultimi cinque anni, 3D stampato repliche di anatomia umana sono diventati sempre più diffuso a causa della elevata complessità, e spesso paziente-specifici, oggetti che possono essere generati e visualizzati. Questi modelli sono creati da macchine che deposito liquido o plastica fusa in strati additivi, e hanno assistito medici con diagnosi, interventi chirurgici complessi, trattamento delle malattie, disegno protesico e comunicazione con il paziente 12, 13. Inoltre, l'ampia disponibilità di stampanti 3D consumer all'interno delle impostazioni delle scuole primarie, secondarie, e collegiale serve per amplificare l'impatto pedagogico del modello anatomico file condivisi 14, 15.

Nel complesso, la stampa 3D è notevolmente avanzato lo sviluppo di modelli anatomici all'interno della medicina, eppure ha dei limiti. In primo luogo, la creazione di multimodelli anatomici -part può essere impegnativo in quanto lavoro in più è spesso necessaria per legare digitalmente pezzi separati che potrebbero altrimenti cadono a pezzi 16. Inoltre, l'opacità di molti materiali stampati in 3D, in particolare per le macchine consumer, impedisce la visualizzazione delle sotto-strutture interne che forniscono informazioni aggiuntive su ossa di un esemplare e dei tessuti molli. Inoltre, estrusori di materie plastiche liquidi o fusi limitano la risoluzione delle stampe 3D. Gli estrusori di stampanti professionali sono circa 50 micron di diametro e permettono uno spessore di 14 micron, con una risoluzione fino a 600 punti per pollice (DPI) in X e Y e 1.600 DPI nella Z asse 17, 18 . In confronto, stampanti 3D consumer hanno estrusori che sono circa 400 micron di diametro e dare uno spessore di 100 um e una risoluzione approssimativamente equivalente a 42 DPI 19, 20, 21. Inoltre, elevati costi delle materie impediscono produzione industriale di massa di ottenere economie di scala 22.

Sub Surface Incisione laser (SSLE), o incisione di cristallo 3D, utilizza un fascio laser per formare piccole "bolle" o punti con alta precisione in migliaia di X, Y, Z di un rigido, ad alta purezza, matrice cubica, vetro 23. Ogni punto è 20-40 micron, da cui si ricava la risoluzione tra 800-1.200 DPI 24. Ulteriormente ogni punto è semitrasparente, permettendo la visualizzazione di sottostrutture interne. Multipli, parti sconnesse sono rappresentati nello stesso cristallo e materiale aggiuntivo non è necessario per grandi strutture complesse. Poiché la matrice è solido, etichette anatomiche e barre di scala formato possono essere aggiunti per migliorareil potenziale educativo dei dati di imaging visualizzati all'interno. Presentiamo qui un processo in cui i raggi X tomografia computerizzata dati (R) sono formattati per il cristallo SSLE. In primo luogo, i dati possono essere raccolti da sistemi microCT preclinici commerciali, scanner clinici di reparti di radiologia / Unis, o provenienti da repository online, come il Nazionale Biomedical Imaging Archive (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Qui mostriamo questo approccio con anima pecore osso, polso fratturato, piede etichettato e cristalli gamba etichettati per illustrare la capacità di incorporare sia i dati preclinici e clinici, regolare la scala delle strutture anatomiche, e coordinare la geometria di una struttura con dimensioni dei cristalli. Data la natura di facile SSLE e l'utilizzo già diffuso di file STL in stampa 3D, la fabbricazione di cristalli anatomiche etichettati fornisce un eccitante, mano tenuto in mano strumento di visualizzazione per l'utilizzo all'interno delle comunità accademiche e di formazione.

Protocol

Tutti i set di dati tomografia computerizzata umani sono stati resi anonimi in base al protocollo SJRMC approvato.

1. I campioni CT acquisizione dati di pre-clinici e clinici

  1. Effettuare micro-raggi X tomografia computerizzata per generare un insieme di dati pre-clinici. Nel presente caso, utilizzare un microCT all'immagine un campione nucleo osseo con le seguenti impostazioni: 45 kV, 0,4 mA, e 1.000 proiezioni. 5
  2. Ricostruire i dati grezzi ad alta risoluzione (125 micron isotropa voxel). Per aumentare ulteriormente la risoluzione, individuare e ricostruire un cubo 1 centimetro con un centro all'origine del del volume (10 micron voxel isotropico).
  3. Esportare i dati ricostruiti impostato in formato DICOM per ulteriori elaborazioni.
  4. In alternativa, l'acquisizione set ricostruiti CT di dati, come ad esempio quelli del polso rotto e il piede utilizzato in questo studio, da collaboratori clinici (dati riportati qui acquisiti da Saint Joseph Regional Medical Center) o open-source DICOM archivi (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importare file nel software di imaging DICOM ed esportare come file DICOM decompressi se necessario.

2. Elaborazione dati

  1. Aprire ogni set di dati DICOM (composto da tutte le sezioni di immagine) utilizzando la 'Carica DICOM' nel 'View' impostazione del software di elaborazione delle immagini.
  2. Salvare ogni set di dati come un NIfTI analizzare, un formato di imaging stabilito per l'analisi scientifica. Importare i file Nifti in un programma con l'utilizzo istituito nel medical imaging computerizzata e segmentazione automatica per la generazione di mappe superficiali (ad esempio, 3D Slicer).
  3. Carica un dato file NIfTI nella mappa superficie programma di generatore con lo strumento 'Aggiungi dati'.
  4. Selezionare lo strumento 'scala di grigi Modello Maker' con la specifica "Crea e Rinomina nuovo modello". Impostare i valori di soglia inferiore per circa 300 HU per la segmentazione delle ossa.
  5. Salva modelli in scala di grigicome file STL per l'elaborazione di ulteriori dati.
  6. Importare ogni mappa superficie nel software di preparazione di dati 3D (ad esempio, Netfabb Studio di base) e selezionare la modalità 'di riparazione'.
  7. Utilizzare il 'Seleziona Parte' e gli strumenti di 'delete' per cancellare tutte le superfici che non rappresentano la struttura di interesse.
  8. Utilizzare lo strumento 'Aggiungi Triangolo' a parziale copertura delle buche nelle superfici e lo script 'Automatic Repair' a lacune chiudere completamente rimanenti.
  9. Selezionare lo script 'riparazione degeneri Faces' nel menu azioni per risolvere i bordi senza superficie e lo script 'Applica Repair' per uscire dalla modalità 'riparazione' con la parte modificata.
  10. Utilizzare lo strumento 'Cut' per rimuovere le caratteristiche indesiderate o ridurre le dimensioni del modello. Indicare la posizione di ogni taglio all'interno della 'X', 'Y' o 'Z' aereo nel menu 'Tagliare' dell'area contesto.
  11. Utilizzare lo strumento 'Esegui Cut' e scegliere '; Triangolazione Cut' nelle impostazioni per chiudere automaticamente tutti i fori risultanti.
  12. Utilizzare il 'Seleziona Parte' e gli strumenti di 'delete' contemporaneamente per cancellare tutte le superfici risultanti dal taglio che non rappresentano la struttura di interesse.
    NOTA: Se la mappa superficie sta per essere annesso con una barra di scala, saltare il passo successivo. La funzione e la scala bar anatomica verrà scalata simultaneamente dopo che sono uniti in un unico STL.
  13. Selezionare l'opzione 'Scala' di modificare le dimensioni di ogni mappa superficie. I modelli possono essere dilatate (nucleo osseo) o ridotti in dimensione (piede), o mantenute al formato originale (polso) per adattarsi all'interno da 8 cm cubo o 5 cm x 5 cm x 8 cm prisma rettangolare. Si noti che i file in questa fase possono essere inviate per SSLE se non etichette o barre di scala si desiderano.

3. anatomico etichettatura

  1. Selezionare l'opzione 'Nuovo' nel menu del programma CAD (ad esempio, Autodesk Inventor Professional) to creare una nuova cartella di lavoro utilizzando il modello metrica per un 'Standard (mm) .ipt' parte.
  2. Selezionare l'opzione 'Crea schizzo 2D' e scegliere qualsiasi piano. Utilizzare lo strumento 'Testo' nel menu 'Draw' della barra degli strumenti per la produzione di etichette digitati anatomiche con il font desiderato e la dimensione (Times New Roman e 2.0 mm).
  3. Al termine, selezionare l'opzione 'Termina disegno' nel menu 'Exit' della barra degli strumenti.
  4. Selezionare lo strumento 'Estrusione' dal menu 'Crea' della barra degli strumenti con l'opzione '2D Testo'. Designare una profondità di estrusione (2,0 mm) con l'impostazione simmetrica.
  5. Esportare il testo etichette in formato CAD con l'impostazione STL il 'Salva come'.
  6. Aprire una nuova cartella per la produzione di una linea di etichetta cilindrica. Selezionare l'opzione 'File' per creare un nuovo modello di metrica con un 'Standard (mm) .ipt' parte.
  7. Selezionare lo strumento 'Crea schizzo 2D' e scegliere qualsiasi piano. Utilizzare il 'Centro'Strumento nella 'Point Circle' menu Disegno della barra degli strumenti per la produzione di un cerchio con un centro all'origine.
  8. Utilizzare lo strumento 'dimensione' nel menu 'vincolo' impostare il diametro del cerchio (1,0 mm).
  9. Al termine, selezionare l'opzione 'Termina disegno' nel menu 'Exit' della barra degli strumenti.
  10. Selezionare lo strumento 'Estrusione' scelto dal menu 'Crea' della barra degli strumenti con l'opzione 'di testo in 2D'. Selezionare una profondità di estrusione (10.00 mm) con l'impostazione simmetrica.
  11. etichette di esportare il testo e cilindri in formato CAD con il 'Salva come tipo' impostazione .stl.

4. apposizione di etichette

  1. modelli di importazione, etichette di testo, e label linee cilindrici nel software di preparazione dei dati 3D.
  2. Tradurre etichette di testo a sinistra oa destra dell'anatomia associato con lo strumento 'Spostare parte'. Utilizzare lo strumento della 'Ruota Parte' alle etichette orientare in modo tale che si trovano ad affrontare °e stessa direzione.
  3. Tradurre e ruotare label linee cilindriche utilizzando gli strumenti 'Ruota Parte' 'movimento Part' e per collegare le etichette a strutture associate all'interno del modello.
  4. Se necessario, attivare la modalità di 'riparazione' e utilizzare il 'Seleziona Triangoli' e 'Rimuovi Triangoli selezionati' per ridurre le dimensioni dei cilindri alla lunghezza appropriata.
  5. Se si utilizza la versione base, selezionare tutte le parti e salvare come progetto. Quindi riaprire questo progetto nella versione professionale.
  6. Nella versione professionale, selezionare tutte le parti e l'esportazione come una singola STL.

5. Scala barra di progettazione

NOTA: due tipi di barre di scala sono stati progettati nel programma CAD. Il primo è presente nella figura 1 e prevede tre barre scala separati, con tacche a misurazioni distinte, che giace su ciascun piano. Il secondo, inclusa nella figura 2, Figure 3, e la figura 4, si compone di linee perpendicolari trovano sui tre assi e convergenti in un angolo. Seguire i passaggi 5,1-5,2 per iniziare a progettare ogni barra di scala.

  1. Creare una nuova cartella di lavoro nel programma CAD selezionando 'Nuovo' e '(mm) .ipt Standard' parte.
  2. Seleziona 'Crea schizzo 2D' e scegliere una delle tre piani per iniziare a lavorare su.
    NOTA: Continuare con i passaggi 5.3-5.16 per produrre il primo tipo di barra di scala. Le dimensioni fornite sono state attuate per la creazione di una barra di scala 1cm tacche a passo di 25 mm.
  3. Utilizzare strumenti il ​​'rettangolo' e 'dimensione' per disegnare un rettangolo (10 mm x 0,25 mm) con una larghezza che corrisponde alla lunghezza desiderata della barra di scala (10 mm) e una lunghezza di qualsiasi valore ragionevole (0,25 mm). Posizionare il vertice inferiore sinistro sull'origine modo x-coordinate possono essere utilizzati per la spaziatura dei segni di graduazione.
  4. Per creare i segni di graduazione, utilizzare tegli 'Rettangolo' strumento per disegnare un rettangolo direttamente sopra la barra della scala. Vincolare la dimensione (0,025 mm x 0,432 millimetri) con lo strumento 'Dimension'.
  5. Utilizzando le coordinate x, tradurre il rettangolo neoformato quindi trova alla distanza desiderata dal bordo. Questa è la parte superiore del segno di spunta.
  6. Per creare il fondo della tacca, disegnare un altro rettangolo, con le stesse dimensioni della metà superiore, direttamente sotto la barra della scala. Utilizzare lo strumento 'Allinea' per allineare le due metà del segno di spunta.
  7. Scegliere lo strumento 'Trim' nel menu 'Modifica' e selezionare l'area in cui la barra di scala e di segni di graduazione si sovrappongono. Ciò rimuoverà linee in eccesso e permettere alla parte da interpretare come una singola funzione quando estrusa.
  8. Ripetere i passaggi 5,4-5,7 per il resto dei segni di graduazione.
  9. Al termine, selezionare l'opzione 'Termina disegno' nel menu 'Exit' della barra degli strumenti.
  10. Scegliere 'Estrusione' sotto il 'creare' gli uominiu e selezionare la barra di scala. Determinare una distanza di estrusione e la direzione (0,25 mm e nello schermo).
  11. Per progettare le etichette per i segni di graduazione, scegliere 'Crea schizzo 2D' e selezionare la barra di scala come il piano di lavoro.
  12. Sotto il menu 'Draw', selezionare lo strumento 'Testo' per creare il testo con una certa carattere e la dimensione (Times New Roman e 0,25 mm). Tradurre il testo nella sua posizione desiderata a fianco della barra della scala.
  13. Al termine, selezionare l'opzione 'Termina disegno' nel menu 'Exit' della barra degli strumenti.
  14. Selezionare lo strumento 'Estrusione' dal menu 'Crea' della barra degli strumenti con l'opzione '2D Testo'. Designare una profondità di estrusione (0,25 mm) e la direzione (nello schermo).
  15. Ripetere i passaggi 5,12-5,14 per creare le altre etichette.
  16. Esportare la barra della scala completato nel formato CAD con l'impostazione .stl il 'Salva come'.
    NOTA: Al termine i passaggi 5,1-5,16, continuare con i passaggi per creare 5.17-5.31il secondo tipo di barra della scala. Le misurazioni fornite sono stati utilizzati per creare una barra di scala che era 2 cm su ogni asse e spessore 2 mm.
  17. Selezionare lo strumento 'rettangolo' per creare un quadrato e vincolare la lunghezza e la larghezza (2 mm x 2 mm) con lo strumento 'Dimension'. Le dimensioni selezionate in questo passaggio determineranno lo spessore della parte.
  18. Seleziona 'Termina disegno' per tornare all'impostazione Modello 3D.
  19. Sotto 'Crea', scegliere 'Estrusione' e selezionare il quadrato disegnato in modalità 2D Sketch. Scegliere la profondità desiderata di estrusione e la direzione (20 mm e nello schermo).
  20. Seleziona 'Crea schizzo 2D' e continuare a lavorare sullo stesso piano, come il disegno precedente.
  21. Utilizzare strumenti il ​​'rettangolo' e 'dimensione' per disegnare un rettangolo (2 mm x 18 mm) direttamente sopra la piazza. Corrispondere alla lunghezza del rettangolo alla lunghezza del quadrato (2 mm) e la larghezza dovrebbe essere la dimensione desiderata della barra scala meno il widesima del quadrato (20 mm - 2 mm = 18 mm). Premere 'Termina disegno' una volta completato.
  22. Sotto 'Crea', scegliere 'Estrusione' e selezionare il rettangolo. Immettere una profondità di estrusione, che dovrebbe essere la lunghezza del quadrato (2 mm), e selezionare una direzione (nello schermo).
  23. Ruotare la parte in modo che appaia come la lettera 'L'. Creare un nuovo schizzo 2D e selezionare la parte anteriore della 'L' come il piano di lavoro.
  24. Disegnare un quadrato in un angolo dei due rettangoli con lo strumento 'Rettangolo'. Vincolare le dimensioni (2 mm x 2 mm) in modo che si adatti esattamente in un angolo. Uscire dallo schizzo con lo strumento del 'Termina disegno'.
  25. Sotto 'Crea,', scegliere 'Estrusione' e selezionare la piazza appena creato. Immettere una distanza di estrusione, che dovrebbe essere la dimensione desiderata della barra scala meno la larghezza del quadrato (20 mm - 2 mm = 18 mm). Scegliere una direzione (fuori dello schermo) e applicare l'estrusione.
  26. Per aggiungere il testo indicating le dimensioni della barra di scala, creare un nuovo schizzo 2D fuori di qualsiasi piano.
  27. Utilizzare lo strumento 'Testo' nel menu 'Draw' della barra degli strumenti per la produzione di un'etichetta con il font desiderato e la dimensione (Times New Roman e 2,5 mm).
  28. Tradurre il testo nella sua posizione desiderata a fianco della barra della scala. Uscire modalità di disegno selezionando 'Termina disegno'.
  29. Utilizzare lo strumento 'Estrusione' e immettere una distanza di estrusione che corrisponde allo spessore della barra di scala (2 mm) e la direzione che si allinea l'etichetta con la barra di scala (nello schermo).
  30. Ripetere i passaggi 5,26-5,30 usando gli altri piani per creare etichette per tutti i tre assi.
  31. Al termine, esportare la barra della scala e delle relative etichette di accompagnamento in formato CAD con il 'Salva come' impostazione .stl.

6. L'aggiunta di scala Bars a Modelli Anatomici

  1. Aprire il modello anatomico nel software di preparazione dei dati 3D e importare la barra di scala.
  2. Usa il '; Spostare strumenti Parte' e 'Ruota Parte' per orientare la barra della scala accanto al modello anatomico.
  3. Se il primo tipo di barra della scala è stato creato, importare la parte altre due volte. Tradurre e ruotare le barre singole scala così uno si trova su ogni asse.
  4. Se si utilizza la versione base, selezionare tutte le parti e salvare come progetto.
  5. Aprire il file nella versione professionale. Seleziona tutte le parti e l'esportazione come una singola STL.
    NOTA: Le dimensioni sono mantenute quando mappe e barre di scala di superficie vengono importati nella versione base o professionale. Prima di incisione, mappe superficiali, insieme alle etichette associate e barre della scala, sono scalate per adattarsi all'interno dei cristalli. Poiché barre di scala sono scalati alla stessa velocità come modelli, alterazioni nella dimensione delle barre di scala sono rappresentativi delle variazioni dimensionali nelle strutture anatomiche.

7. Riduzione di Faces

  1. Utilizzare lo strumento 'Importa Mesh' per aggiungere un file STL nelle maglie di elaborazione 3D Programmo. Modifiche saranno applicate al modello superficiale e tutti i componenti, compresi testo e scala barre, in quanto il software interpreta la maglia come una parte.
  2. Sotto 'Filtro' e 'remeshing, semplificazione e la ricostruzione,' selezionare lo strumento 'Quadratic bordo Chiudi decimazione' per ridurre il numero di facce presenti all'interno della mesh.
  3. Inserire il numero desiderato di facce (100.000) con il 'numero di destinazione di facce' e selezionare 'Apply'. Questa operazione viene eseguita per creare un file di dimensioni gestibili per il software SSLE, e prevenire i tempi di incisione in eccesso.
  4. Esportare il prodotto finito come STL utilizzando il 'Esporta Mesh con nome ...' impostazione.

8. Modello Incisione in cristallo

NOTA: Completato file STL vengono inoltrate a un collaboratore industriale, dove i cristalli di vetro sono incisi al laser per la produzione di modelli fisici dei dati anatomici. Per informazioni e ulteriore assistenza, plfacilità di contattare l'industria gli autori di questo manoscritto.

  1. Aprire il file STL in un programma software incisione laser e convertire in un file SCAX.
  2. Importare il file SCAX in un pacchetto software collegato alla macchina incisione laser 3D.
  3. Definire una dimensione dei cristalli appropriata per l'interfacciamento con il file SCAX.
  4. Impostare la potenza del laser e inserire una tensione e densità. Mentre 8.5 V e 0.2 sono tipicamente selezionati per la tensione e la densità, altre misure possono essere determinati riducendo la tensione e aumentando la densità, assicurandosi che il cristallo non si crepa o rottura.
  5. Inviare il file ad un incisore laser 3D per la produzione di cristallo.

Representative Results

Sub-superficiale incisione laser di cristalli di vetro è una profonda mezzi per visualizzare numerosi tipi di dati biomedici immagini tomografiche. Figura 1 incorpora dati preclinici CT, mentre in figura 2, figura 3, e la figura 4 illustrano come TC cliniche possono anche essere utilizzati. Poiché le dimensioni sono modificate prima incisione, strutture di diverse dimensioni possono essere rappresentati tramite incisione laser. Mentre in figura 2 esemplifica come anatomie possono essere stampati in scala, la maggior parte delle strutture devono essere scalata su o giù. Due tipi di barre di scala possono essere implementate per misurare le variazioni dimensionali: uno che attraversa i lati della struttura e l'altro con i tre assi convergenti in un angolo. Il primo tipo è ideale per le strutture dilatati, come il nucleo dell'osso, mentre il secondo tipo è più adatto per astrutture -scale o ridotte. Ulteriormente le dimensioni del cristallo è accoppiato con la forma della struttura anatomica. Come risultato, il piede è stata posta in un cubo mentre la gamba è stato sospeso in un prisma rettangolare.

Una caratteristica fondamentale di incisione sotto la superficie è la possibilità di allegare etichette di testo per caratteristiche anatomiche. La tecnica può essere applicata a vari tipi di dati di immagini, con posizionamento delle etichette ottimale in funzione della geometria della struttura. Nella figura 2, il testo è stato posto su due piani distanziare le etichette fuori e non ostacolare la vista dell'anatomia. Per la Figura 3 e Figura 4, ossa potrebbero essere visualizzati chiaramente da un lato in modo le etichette sono stati posti su un unico piano.

Figura 1
Figura 1. Pre-clinico CT dati di un nucleo pecora osso, visualizzata virtualmente e sospeso in un cristallo 3D incisa. software di imaging è stato utilizzato per generare e collegare barre di scala a una mappa della superficie di un 1 cm di pecora isotopica delle ossa (a sinistra). La struttura ha subito un aumento di cinque volte della dimensione lungo ciascun asse, come indicato dalle barre di scala, e fu laser inciso in un cristallo quadrato 8 cm (a destra). Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. Dati clinici CT di un polso rotto con etichette anatomiche, visualizzate virtualmente e incisa in cristallo. Un insieme di dati CT clinica di un polso umano con un raggio rotto è stato convertito in una mappa superficie attraverso software. etichette anatomiche e di 2 cm barra della scala w ere generata utilizzando computer-aided design (CAD) e attaccato al modello (a sinistra). Un incisore laser 3D incisa la struttura in un cristallo cubo 8 cm (a destra). La barra di scala conservato le sue dimensioni, dimostrando polso è stato prodotto in scala. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Anatomicamente etichettato piede umano con etichette anatomiche, visualizzata virtualmente e incisa in cristallo. Un insieme di dati CT di un piede umano è stato convertito in un modello in scala di grigi con software di imaging. Il testo e una barra di scala 4 centimetri sono stati creati utilizzando CAD e integrati con la mappa della superficie (a sinistra). Il modello è stato ridotto a metà della sua dimensione e laser inciso in un cubo di cristallo 8 cm (a destra). 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. I dati clinici CT set di una gamba umana anatomicamente etichettati utilizzando software e incisa in cristallo. I pacchetti software sono stati utilizzati per preparare una mappa della superficie da una scansione completa TC umana e alla sezione della gamba dal resto del corpo. etichette anatomici e una barra da 2,5 cm progettato con CAD sono state allegate (a sinistra) e la struttura è stata incisa in una cm x 5 cm x 8 cm cristallo 5 (a destra). La barra della scala nel cristallo illustra la gamba era ridimensionato in un rapporto 5: 3. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

ys "> stampa 3D Sotto la superficie incisione laser (SSLE) dei Cristalli vantaggi esperienza tattile Creazione di strutture nello spazio libero modelli di colore completo Generazione di modelli più parti rappresentazione in scala possibile con ampia varietà di strutture Apposizione di etichette anatomiche Solido materiale plastico resistente a gocce Barre di scala sospesi nel modello stampanti economiche consumer disponibili Alta risoluzione e precisione Ad alta risoluzione di stampanti di livello professionale Breve tempo di produzione Facile da collegare subunità anatomici separati insieme nello spazio 3D Strutture all'interno cristallo non suscettibili di danneggiamento esterno Bassi costi dei materiali incisori laser a prezzi moderati svantaggi Difficile collegare subunità anatomici separati nello spazio 3D Nessuna esperienza tattile Costi e tempi di produzione variano a seconda della complessità Scala di grigi Più suscettibili di errori di produzione Dimensione limitata da cristallo lavaggi di post-produzione possono essere necessari Per-scala di rappresentazione difficile Risoluzione limitata da estrusori di materie plastiche Densità vincolata con il laser Parti possono scheggiare fuori del modello I cristalli possono scheggiare o rompere in caso di caduta stampanti di qualità professionale costosi I prezzi delle materie variano notevolmente

Tabella 1. Vantaggi e svantaggi della stampa 3D e SSLE per la produzione di modelli anatomici. stampa 3D e SSLE sono due mezzi per la visualizzazione dei dati biomedici di imaging tomografico, e ciascuno possiede un certo numero di punti di forza e di debolezza per quanto riguarda la creazione di modelli fisici dei dati.

Discussion

insiemi di dati preclinici e clinici acquisiti attraverso la modalità di imaging biomedico sono state fondamentali per la ricerca moderna e progressi medici. mezzi precedenti di visualizzazione dei dati biomedici inclusi display del computer e modelli fisici generati dalla fusione tradizionali o moderni approcci di stampa 3D. Qui si descrive un metodo di incisione cristallo 3D come un mezzo alternativo per la visualizzazione dei dati biomedici tomografiche poiché genera ben definiti, modelli etichettati in modo semplice. Questi modelli relativamente economici possono essere ampiamente usati come strumenti educativi. L'utilizzo di incisione cristallo per rappresentare accuratamente i dati anatomici dà un elevato potenziale in ambito clinico ed educativo. La possibilità di visualizzare i dati in un formato fisico tridimensionale supera i limiti delle forme tradizionali di istruzione utilizzando immagini piatte o rendering virtuali 9. Alta risoluzione di strutture incise e l'attaccamentoetichette a specifiche caratteristiche visibili facilitano l'uso di questi modelli per l'educazione del paziente o studente. Inoltre, questa modalità offre la possibilità di identificare e osservare le cause e gli aspetti di stati patologici all'interno di un esemplare. Ad esempio, la classificazione e la posizione di una frattura ossea, come il polso fratturato osservato nella figura 2, fornisce una comprensione più completa della relazione di stati patologici e altri segni evidenti fisicamente e / o sintomi del paziente.

Attraverso cristallo dell'incisione 3D, set di dati CT preclinici e clinici sono stati rappresentati come strutture fisiche inscritti all'interno cristalli. Dati preclinici di CT sono stati acquisiti utilizzando uno scanner microCT, mentre le immagini TC clinici sono stati raccolti da fonti radiologiche clinici. Prima di ulteriore elaborazione, i dati di imaging clinico viene convertito in file DICOM decompressi mediante software di imaging. programmi software successivi trasformano i file DICOM ricostruiti in mappe superficiali. La modifica di queste mappe e generazione di etichette e barre di scala anatomica superficiali si compiono con il software di preparazione dei dati e computer-aided design (CAD). file STL completati sono ridotti e convertiti in SCAX file. Dopo la dimensione dei cristalli e la potenza del laser sono impostati, i file vengono letti da una macchina incisione laser 3D che crea le strutture anatomiche a forma libera in cristallo.

Il procedimento sopra descritto può essere applicato a diversi set di dati clinici e preclinici. Mentre set di dati TC sono stati implementati in questo progetto, è possibile che i dati ottenuti da altre modalità di imaging possono essere visualizzati in cristallo, compresi gli ultrasuoni 3D (US), risonanza magnetica (MRI), e ad emissione di positroni (PET). Inoltre, altre strutture anatomiche umane e campioni biologici possono essere esposte e rappresentate in questo mezzo. Tuttavia, i cristalli sono disponibili in dimensioni e strutture predeterminate dovranno essere tagliati o scalato di conseguenza. Si consiglia di abbinare °e geometria della parte anatomica con la dimensione del cristallo. Ad esempio, una gamba si adatta meglio in 5 cm x 5 cm x 8 cm piena rettangolare (figura 4), mentre un piede è adatto per da 8 cm cubo (Figura 3). Modifiche alle dimensioni, font, e lo spessore del testo possono essere effettuati in software CAD. Inoltre, è preferibile posizionare etichette su uno o due piani per visualizzare chiaramente etichette senza ostruire la vista dell'anatomia quando si ruota il cristallo per altre facce.

Due ulteriori fattori devono essere considerati durante l'esecuzione SSLE dei dati anatomici: il numero di facce all'interno di una mappa di superficie, e la dimensione di ogni punto che è laser inciso nel cristallo. Questi fattori influenzano il numero e le dimensioni dei punti che assorbono la luce incidente e quindi potenzialmente accrescere o sminuire una data visualizzazione SSLE. In primo luogo, il numero di facce, che è direttamente proporzionale al numero di punti nello spazio 3D,influenzerà sia la risoluzione complessiva e "luminosità / contrasto" del modello visualizzato. In ciascuno degli esempi qui presentati, il file STL pronto è stato ridotto a 100.000 facce senza apparente degradazione del prodotto risultante cristallo, indipendentemente dalle dimensioni o ingrandimento. La luminosità / contrasto complessivo era accettabile anche utilizzando questo approccio. Il valore di 100.000 è il range di sicurezza per l'incisore utilizzato per non affaticare il software e l'hardware. Tuttavia, in alcuni casi, altre facce possono essere necessari per visualizzare correttamente un dato insieme di dati, e questi file possono essere considerati sperimentali fino al completamento con successo. Inoltre, la dimensione di ciascun punto che viene "bruciato" nel cristallo può essere sintonizzato con valori di tensione e ingresso "densità" dell'incisore per migliorare il contrasto luminosità dell'uscita. Nelle presenti cause, i valori predefiniti di tensione: sono stati selezionati 0.2: 8.5 e densità. Mentre questi valori rappresentano un punto di partenza, possono essere modificati in untentativi ed errori di moda per migliorare la visualizzazione dei dati in base alle esigenze.

Ci sono una serie di vantaggi di utilizzare incisione di cristallo 3D per la visualizzazione dei dati di imaging preclinici e clinici. I cristalli sono tipicamente prodotti in meno di 30 minuti, mentre le strutture stampate 3D può richiedere diverse ore, a seconda della loro dimensione e complessità 16, 20, 22. Incisione laser può essere usato per rappresentare strutture sospese senza l'uso di sostegno, facilitando la produzione di forme complicate o sospesi dell'anatomia senza ridurre la precisione con materiale aggiuntivo 16. Con una risoluzione di 800-1.200 DPI e una precisione di meno di 10 micron, questi modelli sono molto simili a dati medici 24. Mentre le stampanti 3D di livello professionale hanno una risoluzione simile di circa 600 DPI in XY e 1.600 DPI in Z, sono generalmente meno accurato (20-200 um) 17, 19, 20 (Tabella 1).

incisione di cristallo 3D possiede un forte potenziale, ma è limitato in alcune aree. Poiché i dati è inciso all'interno cristallo, gli utenti non possono avere un'esperienza tattile con le parti anatomiche. In scala rappresentazioni sono difficili da produrre come dati è tipicamente regolato in su o giù per adattarsi nei cristalli. Inoltre, il laser può incidere solo in scala di grigio con contrasto minimo. La densità della struttura è anche limitata dalla capacità del laser per elaborare i dati. La stabilità complessiva di cristalli è un vantaggio per uso potenziale per diversi anni, ma il vetro solido non può sopportare cadere sulle superfici dure (Tabella 1).

Nonostante queste limitazioni, incisione cristallo 3D giudica valore significativo come mezzo per la visualizzazione di dati biomedici. Durante l'avvio disostegno materiale e devono essere prese in considerazione con le stampanti 3D, non hanno bisogno di essere presi in considerazione per l'incisione laser questi aspetti. Altri componenti complessi, come il piede umano, possono essere rappresentati come risultato. Mentre aumenta il tempo di produzione leggermente con strutture più complesse, senza materiale aggiuntivo è richiesto e il costo del modello rimane lo stesso. La capacità del laser per bruciare vetro in modo dot-by-dot produce strutture che visualizzano i dettagli fini di dati biomedici, come notato nel raggio tratti nella figura 2 altamente definita. Inoltre, il posizionamento di queste strutture interne cristalli li rende resistenti ai danni all'esterno. A differenza di plastica rigida utilizzati su molte piattaforme di stampa 3D, le superfici vetrate traslucide consentono strutture interne per essere visualizzate in modo semplice. Uno dei più potenti strumenti di incisione di cristallo 3D è la sua capacità di etichettare singole parti, e anche aggiungere una barra di scala per il riferimento di formato. Questotecnica aggiunge un notevole valore educativo per i cristalli come studenti di tutti i livelli possono imparare l'anatomia e interagire con i dati clinici, due componenti importanti di formazione biologica e medica, in un unico modello. In combinazione con la capacità di tenere loro nel palmo di una mano e visualizzare le strutture in una varietà di angolazioni, etichettatura migliora notevolmente il valore educativo di questi modelli. Di conseguenza, i cristalli 3D inciso hanno ampia applicabilità per l'uso in corsi di anatomia, pratica clinica, e l'educazione in generale.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Ringraziamo il College of Science Estate Undergraduate Research Fellowship (SURF) per il loro sostegno finanziario di questo progetto. Gli autori ringraziano anche il Prof. Glen Niebur, Università di Notre Dame, per la fornitura di campioni di ossa (sopra descritte) utilizzati in questo studio.

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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References

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Scaled Modello anatomico Creazione di Biomedical Imaging tomografica dei dati e associate etichette per la successiva sotto la superficie incisione laser (SSLE) di cristalli di vetro
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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

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).

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