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Bioengineering

ガラスの結晶の次のサブ表面レーザー彫刻のための生物医学断層画像データと関連するラベルのスケーリングされた解剖モデルの作成(SSLE)

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

Summary

方法は、結晶内の解剖学的撮像データを表すために本明細書に記載されています。我々は、クリスタルガラスの表面下レーザー彫刻(SSLE)における使用のための生物医学的イメージングデータのスケーリングされた三次元モデルを作成します。このツールは、計算、表示または臨床や教育現場内で使用される3次元的に印刷されたモデルへの有益な補完を提供しています。

Abstract

コンピュータ断層撮影(CT)及び磁気共鳴(MR)のような生物医学的イメージングモダリティは、患者の三次元データセットを収集するための優れたプラットフォームを提供する、または臨床的または前臨床設定において解剖学標本。しかし、仮想、オンスクリーンディスプレイの使用は、完全に内部に埋め込まれた解剖学的情報を伝えるために、これらの断層像の能力を制限します。一つの解決策は、物理的なレプリカを生成する3次元印刷技術を使用して設定生物医学的イメージングデータをインタフェースすることです。ここでは詳細ハンドヘルドモデルと断層撮像データを視覚化するための相補的な方法:クリスタルガラスのサブ表面レーザー彫刻(SSLE)。 SSLEは、以下を含むいくつかのユニークな利点提供しています:解剖学的ラベルを含めることが容易な能力だけでなく、スケールバーを。 1つの培地中の複雑な構造の合理化マルチパートアセンブリ。 X、Y、およびZ平面における高分解能;そして内部の解剖学的部分構造を視覚化するための半透明のシェル。ここでW電子前臨床および臨床の供給源に由来するCTデータセットとSSLEのプロセスを示します。このプロトコルは、教育・研究設定の数に科学者や学生のための複雑な解剖学的構造を視覚化するためにどのと、強力で安価な新しいツールとして機能します。

Introduction

コンピュータ断層撮影(CT)や磁気共鳴画像(MRI)のような生物医学的イメージングモダリティは、日常的な医療、研究で使用され、そして非侵襲的に学術コミュニティは、ヒトまたは生物学的対象1、2、3の内部構造を調べます。現代医学では、この技術は、より多くの情報の診断を可能にし、その結果、患者の治療4を改善しました。具体的には、CTは、その高い解像度等方性ボクセル特性(各立方体の辺の長さが同一)に3次元再構成のための優れた機会を提供します。 図5はまた、ソフトウェアパッケージは、コンピュータ支援手術と仮想内視鏡6のような高次機能のための三次元(3D)でバイオメディカルイメージングデータをレンダリング利用可能です。前臨床研究の中で、非破壊イメージングは​​、翻訳プラットフォームを提供しますその上で、マウスやラット7における疾患モデルを研究します。このような生物学的データベースなどのデジタルライブラリは、デジタル形態(http://digimorph.org)、より広範な科学的及び医学界8によってすぐにアクセスするための異なる標本または臨床疾患状態から得られるCTデータが移入されています。

現在、生物医学イメージングデータは、コンピュータ画面上の仮想空間で視覚化、またはハンドヘルドモデルと物理的空間内されています。コンピュータソフトウェアは、ユーザーがデータを分析し、操作することができますが、物理的なレプリカは、優れた教育の利点9、10と素敵な補完です。伝統的なモデルは、基本的な型は、所望の構造11内に硬化樹脂が充填された低コストの鋳造プロセスを用いて生成されています。キャストモデルは安価な大量生産に適しているが、基本的なに限定されています患者のデータセットから導出されていない構造。過去5年間では、生成して表示することができる物体、人体解剖学の3D印刷されたレプリカは高い複雑のためにますます普及してきている、としばしば患者固有。これらのモデルは、添加剤層における機械預金液体又は溶融プラスチックによって作成され、診断、複雑な手術、疾患の治療、補綴設計、および患者通信12、13で医師を支援しています。さらに、第一、第二、および大学の学校の設定内の消費者グレードの3Dプリンタの広範な可用性は、共有解剖学的モデルの教育的影響は、14、15ファイル高めるのに役立ちます。

全体的に、3Dプリントはかなり医学内解剖学的モデルの開発を進めているが、まだそれは制限があります。マルチの最初に、作成解剖学的モデルは、分離した断片を互いにデジタル的に結びつけるために追加の作業がしばしば必要となるため、困難である可能性がある16 。また、多くの3D印刷物、特にコンシューマーグレードの機械の不透明度は、標本の骨および軟部組織についてのさらなる洞察を提供する内部サブ構造の視覚化を妨げる。さらに、液体または溶融プラスチック押出機は、3Dプリントの解像度を制限する。プロフェッショナルプリンターの押出機は、直径が約50μmで、X軸とY軸に600ドット/インチ(DPI)、Z軸に1,600 DPIの解像度を持つ14μmの層厚が可能です。 。これと比較して、コンシューマーグレードの3Dプリンターは、約400μmの直径の押出機を有し、100μmの層厚さと約42DPI 19にほぼ等しい解像度を与え 20、21に一般消費者向けから、実質的に変化します。さらに、高い材料費は規模22の経済を達成することから、工業的な大量生産を防ぎます。

サブ表面レーザー彫刻(SSLE)、または3D結晶彫刻は、X、Yの数千に高精度で小さい「泡」またはドットを形成するためのレーザビームを利用し、Zは、剛性、高純度内の座標、立方体、ガラスマトリックス23。各ドットは800-1,200 DPI 24の間の解像度が得られ、20〜40ミクロン、です。さらに各ドットは内部サブ構造の可視化を可能にする、半透明です。複数の、切断された部分には同一の結晶で表現され、付加的な材料は、大きな、複雑な構造のために必要とされません。マトリックスは固体であるため、解剖学的標識とサイズスケールバーは向上させるために添加することができます内に表示画像データの教育の可能性。ここでは、X線コンピュータ断層撮影(CT)データを結晶SSLE用にフォーマットされたプロセスを提示します。まず、データは、放射線科/のUNIから、市販の前臨床マイクロCTシステム、臨床スキャナから収集し、または国立医学アーカイブのようなオンラインリポジトリから供給することができる(https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf )25ここでは、前臨床および臨床データの両方を組み込んだ解剖学的構造のスケールを調整し、結晶サイズと構造のジオメトリを調整する能力を示すために羊の骨のコア、骨折、手首、標識された足、および標識された脚結晶と、このアプローチを実証します。 3DプリントでSTLファイルのSSLEの容易な性質と、すでに広く使用を考えると、ラベルされた解剖学的結晶の製造は、学術・教育コミュニティ内での使用のための刺激的な、手手持ち可視化ツールを提供します。

Protocol

すべての人のコンピュータ断層撮影データセットは、承認されたSJRMCプロトコルに従って匿名化されました。

前臨床および臨床サンプルの1 CTデータ収集

  1. 前臨床データセットを生成するマイクロX線コンピュータ断層撮影を行います。 45 kVの0.4 MA、1000の凸:本発明の場合、次の設定で画像に骨コア試料をマイクロCTを使用します。 5
  2. 高分解能(125μmの等方性ボクセル)に生データを再構成します。さらに、解像度を高めるために、ボリュームの原点を中心(10μmの等方性ボクセル)を有する1cmの立方体を特定し、再構築します。
  3. 追加の処理のためにDICOM形式で設定復元されたデータをエクスポートします。
  4. また、臨床協力者(ここに示したデータは、セントジョセフリージョナルメディカルセンターから取得した)、またはオープンソースDICOから、このような本研究で使用壊れた手首や足のものと再構築されたCTデータセットを、取得Mアーカイブ(http://www.osirix-viewer.com/datasets/)。
  5. インポートDICOMイメージングソフトウェアへのファイルと解凍DICOMファイルとしてエクスポートする必要があれば。

2.データ処理

  1. 画像処理ソフトの「表示」の設定で「ロードDICOM」を用いて(すべての画像スライスからなる)各DICOMデータセットを開きます。
  2. NIfTI分析、科学的分析のために確立された撮像フォーマットとして設定された各データを保存します。表面マップ( 例えば 、3DSlicer)の生成のための医療用画像処理計算および自動セグメンテーションで確立使用してプログラムにNIfTIファイルをインポートします。
  3. ツール「データの追加」を持つ表面マップジェネレータプログラムに与えられたNIfTIファイルをアップロードします。
  4. 仕様「新しいモデルを作成し、名前の変更」と「グレースケールモデルメーカー」ツールを選択します。骨のセグメンテーションのために約300 HUに低しきい値を設定します。
  5. グレースケールモデルを保存さらなるデータ処理のためにSTLファイルとして保存します。
  6. 各サーフェスマップを3Dデータ準備ソフトウェア(Netfabb Studio Basicなど)にインポートし、「修復」モードを選択します。
  7. 目的の構造を表さないサーフェスをすべて削除するには、 'パーツの選択'と '削除'ツールを使用します。
  8. 「三角形の追加」ツールを使用してサーフェスの穴を部分的に覆い、「自動修復」スクリプトを使用して残りのギャップを完全に閉じます。
  9. 表面領域を持たないエッジを解決するには、アクションメニューの 'Defgenerate Facesを修復'スクリプトを選択し、修正された部分で '修復'モードを終了するために 'Apply Repair'スクリプトを選択します。
  10. 不要なフィーチャを削除したり、モデルのサイズを縮小するには、「切り取り」ツールを使用します。コンテキスト領域の「切り取り」メニューで、「X」、「Y」、または「Z」平面内の各切り取りの位置を指定します。
  11. 'Execute Cut'ツールを使用して ';設定で三角測量カット」は自動的にすべての得られた穴を閉じます。
  12. 関心のある構造を表すものではありませんカットから生じたすべての表面を削除するには、同時に「選択部分」と「削除」ツールを使用してください。
    注:表面マップはスケールバーを隣接されようとしている場合は、次のステップをスキップします。彼らは、単一のSTLで統一された後の解剖学的特徴とスケールバーは同時に縮小されます。
  13. 各表面マップの大きさを変更するための「スケール」オプションを選択します。モデルは、拡張(骨コア)又は寸法(足)が減少、または8センチキューブまたは5センチメートル×5cmのX 8センチメートル直角プリズム内に収まるように、元のサイズ(手首)に維持することができます。何のラベルやスケールバーを希望されていない場合は、この段階でファイルがSSLEのために送られるかもしれないことに注意してください。

3.解剖学的ラベリング

  1. CADプログラムのメニューで「新規」オプションを選択します( たとえば 、Autodesk Inventorのプロフェッショナル)トンO「標準(ミリメートル).ipt」部分のメトリックテンプレートを使用して新しいブックを作成します。
  2. 「2Dスケッチを作成します」オプションを選択し、任意の平面を選択します。希望のフォントとサイズ(のTimes New Romanと2.0ミリメートル)に型指定された解剖学的ラベルを作成するには、ツールバーの「描く」メニューで「テキスト」ツールを使用してください。
  3. 終了したら、ツールバーの[終了]メニューの[完了スケッチ」オプションを選択します。
  4. オプション「2Dテキスト」は、ツールバーの「作成」メニューから「押し出し」ツールを選択します。対称的な設定で、押出深さ(2.0 mm)を指定します。
  5. [名前を付けて保存タイプ「STL設定でCADフォーマットでエクスポートテキストラベル。
  6. 筒状ラベルラインの生産のための新しいブックを開きます。 「標準(ミリメートル).ipt」の部分で新しいメトリックテンプレートを作成するには、「ファイル」オプションを選択します。
  7. 「2Dスケッチを作成」ツールを選択し、任意の平面を選択します。 「センターを使用してください原点を中心とする円を生成するために 『ツールバーのメニューを描くポイント同一サークル内のツール』。
  8. 円(1.0ミリメートル)の直径を設定するための「制約」メニューの「寸法」ツールを使用してください。
  9. 終了したら、ツールバーの[終了]メニューの[完了スケッチ」オプションを選択します。
  10. オプション「2Dテキスト」は、ツールバーの「作成」メニューから選択する「押し出し」ツールを選択します。対称型設定で押し出し深さ(10.00ミリメートル)を選択します。
  11. 「タイプとして保存」の.stl設定でCAD形式の書き出しテキストラベルとシリンダー。

ラベルの4.添付ファイル

  1. インポートモデル、テキストラベル、および3Dデータ作成ソフトウェアに円筒形のラベルライン。
  2. 「移動パート」ツールを使用して、関連解剖学の左または右にテキストラベルを翻訳。彼らは目に直面するような配向のラベルに「回しパート」ツールを使用してくださいE同じ方向。
  3. 翻訳とモデル内の関連する構造にラベルを接続するための「移動パート」と「回しパート」ツールを使用して、筒状ラベルラインを回転させます。
  4. 必要な場合は、「修理」モードに入ると「セレクト三角形」を使用して、適切な長さにシリンダーのサイズを小さくするために「選択した三角形を削除」。
  5. 基本的なバージョンを使用している場合は、すべての部品を選択して、プロジェクトとして保存します。そして、プロのバージョンでこのプロジェクトを再度開きます。
  6. プロのバージョンでは、単一のSTLなど、すべての部品やエクスポートを選択します。

5.スケールバーのデザイン

注:スケールバーの2種類のCADプログラムに設計されています。まず、 図1に存在し、各平面上に位置する、別個の測定に目盛りを有する3つの別個のスケールバーを含みます。 図2は図1に含まれる第2、URE 3、および図4は 、三つの軸の上に横たわる垂直ラインから構成され、角に収束されます。フォローは各スケールバーの設計を開始するために5.1から5.2を繰り返します。

  1. 「新」と「標準(ミリメートル).ipt」の部分を選択することで、CADプログラムで新しいブックを作成します。
  2. 「2Dスケッチを作成」を選択し、上の作業を開始するために3つの面のいずれかを選択します。
    注:スケールバーの最初のタイプを生成するための手順5.3から5.16に進みます。提供される寸法は、25mmの増分で目盛を有する1cmのスケールバーを作成するために実施されました。
  3. スケールバー(10mM)を、任意の妥当な値(0.25ミリメートル)の長さを所望の長さに対応する幅を有する矩形(10ミリメートル×0.25 mm)を描画する「四角形」と「寸法」ツールを使用します。座標は、X目盛りの間隔のために使用することができるように、原点を左下頂点を置きます。
  4. 目盛りを作成するには、Tを利用彼に直接スケールバー上の四角形を描画する「四角形」ツール。 「寸法」ツールを使用してサイズ(0.025ミリメートル×0.432ミリメートル)を制約します。
  5. それはエッジから所望の距離に位置するようにx座標を用いて、新たに形成された矩形を翻訳。これは、目盛りの先頭です。
  6. 直接スケールバーの下に、上半分と同じ寸法で、別の四角形を描画、目盛りの下を作成します。目盛りの半分ずつを揃えるために「合わせ」ツールを使用してください。
  7. 「変更」メニューの「トリム」ツールを選択し、スケールバーと目盛りが重なる領域を選択します。これは、過剰な行を削除し、押し出されたときに一部が単一の特徴として解釈されることを可能にするであろう。
  8. 繰り返しは、目盛りの残りの5.4から5.7を繰り返します。
  9. 終了したら、ツールバーの[終了]メニューの[完了スケッチ」オプションを選択します。
  10. 「作成」、男性の下に「押し出し」を選択します。uとスケールバーを選択します。押出距離と方向(0.25 mmからスクリーンに)を決定します。
  11. 選択した、目盛りのラベルをデザインする「2Dスケッチを作成します」と作業面としてスケールバーを選択します。
  12. 「ドロー」メニューの下で、特定のフォントやサイズ(のTimes New Romanと0.25ミリメートル)でテキストを作成するには「テキスト」ツールを選択します。次のスケールバーにその所望の位置にテキストを翻訳。
  13. 終了したら、ツールバーの[終了]メニューの[完了スケッチ」オプションを選択します。
  14. オプション「2Dテキスト」は、ツールバーの「作成」メニューから「押し出し」ツールを選択します。 (画面に)押出深さ(0.25 mm)で方向を指定します。
  15. 繰り返して、他のラベルを作成するために、5.12から5.14までを繰り返します。
  16. 「ファイルの種類」の.stl設定でCAD形式の完成スケールバーをエクスポートします。
    注:手順5.1から5.16を終えた後、作成する手順5.17から5.31に進んでスケールバーの二種類。提供される測定値は、各軸上の2つのcmで厚さ2mmとしたスケールバーを作成するために利用されました。
  17. 正方形を作成し、「寸法」ツールを使用して長さおよび幅(2mm×2mmと)を拘束する「四角形」ツールを選択します。このステップで選択された寸法は、部品の厚さを決定します。
  18. 3Dモデルの設定に戻すには '[スケッチを終了]を選択します。
  19. 「作成」の下で、「押し出し」を選択し、2Dスケッチモードで描かれた四角形を選択します。所望の押出深さと方向(20mMの、画面内)を選択します。
  20. 「2Dスケッチを作成します」と前回のスケッチと同一平面上に作業を続ける]を選択します。
  21. 直接正方形上に長方形(2ミリメートル×18 mm)を描画する「四角形」と「寸法」ツールを使用します。正方形(2ミリメートル)の長さと幅に長方形の長さと一致するスケールバーマイナスWIDの所望の大きさであるべきです( - = 18平方ミリメートルから20mm mm)の正方形の目。完了を押して「完了スケッチ」。
  22. 「作成」の下で、「押し出し」を選択して、四角形を選択します。正方形(2ミリメートル)の長さであるべき押出深さを入力し、(画面内)方向を選択します。
  23. それは文字「L」のように見えるように一部を回転させます。新しい2Dスケッチを作成し、作業面として「L」の前を選択します。
  24. 「四角形」ツールを使用して2つの四角形の隅に四角形を描画します。それは隅に正確に収まるように寸法(2mm×2mmと)を制約します。 「完了スケッチ」ツールを使ってスケッチを終了します。
  25. 下にある「作成」、「押し出し」を選択し、新しく作成された四角形を選択します。 ( - = 18平方ミリメートルから20mm mm)のスケールバーマイナス正方形の幅の所望の大きさであるべき押出距離を入力します。 (画面外)方向を選択し、押し出しを適用します。
  26. テキストindicatinを追加するにはGスケールバーの寸法は、任意の平面から離れて新しい2Dスケッチを作成します。
  27. 希望のフォントとサイズ(のTimes New Romanと2.5ミリメートル)でラベルを作成するには、ツールバーの「描く」メニューで「テキスト」ツールを使用してください。
  28. 次のスケールバーにその所望の位置にテキストを翻訳。 「完了スケッチ」を選択してスケッチモードを終了します。
  29. 「押し出し」ツールを利用し、(画面に)スケールバーとラベルを整列スケールバー(2ミリメートル)及び方向の厚さに一致する押出距離を入力します。
  30. 繰り返して、すべての3つの軸のラベルを作成するために、他の面を使用して5.26から5.30までを繰り返します。
  31. 終了したら、「保存タイプとして」.STL設定でCAD形式のスケールバーとそれに付随するラベルをエクスポートします。

解剖学的モデルにスケールバーの6.追加

  1. 3Dデータ作成ソフトウェアでの解剖学的モデルを開き、スケールバーをインポートします。
  2. 使用 ';次の解剖学的モデルにスケールバーを配向させるためにパート」と 『回しパート』ツールを移動します。
  3. スケールバーの最初の型が作成された場合、一部にさらに2回インポートします。翻訳、もう1つは、各軸上にあるように、個々のスケールバーを回転させます。
  4. 基本的なバージョンを使用している場合は、すべての部品を選択して、プロジェクトとして保存します。
  5. プロのバージョンでファイルを開きます。単一STLなど、すべての部品やエクスポートを選択します。
    注:表面マップとスケールバーは、基本またはプロバージョンにインポートされたときに寸法が保持されます。彫刻に先立ち、表面マップは、関連するラベルやスケールバーと一緒に、結晶内部に収まるようにスケーリングされます。スケールバーは、モデルと同じレートでスケーリングされているので、スケールバーのサイズの変化は、解剖学的構造の寸法変化の代表的なものです。

顔の7.削減

  1. 3Dメッシュ加工のプロに.STLファイルを追加するために「インポートメッシュ」ツールを活用グラム。ソフトウェアは、一部として、メッシュを解釈するための調整は、テキスト及びスケールバーを含む、表面のモデルとすべてのコンポーネントに適用されます。
  2. 「フィルタ」と「再メッシュ化、簡素化及び再構築、」下メッシュ内に存在する顔の数を減少させる「二次エッジ崩壊デシメーション」ツールを選択します。
  3. 顔の目標数」の下の顔の所望の数(100,000)を入力し、選択し「適用」。この操作は、SSLEソフトウェアの管理可能ファイルサイズを作成し、余分な彫刻時間を防止するために行われます。
  4. 使用してSTLとしての完成品を輸出「としてエクスポートメッシュ...」を設定します。

8.モデルクリスタルで彫刻

注:完了STLファイルは、ガラスの結晶は、解剖学的データの物理モデルを生成するためにレーザーを刻印している産業協力者に転送されます。お問い合わせやさらに支援するために、PLこの原稿の業界の作者に連絡して容易になります。

  1. レーザー彫刻・ソフトウェア・プログラムにSTLファイルを開き、SCAXファイルに変換します。
  2. 3Dレーザー彫刻機に接続されているソフトウェア・パッケージにSCAXファイルをインポートします。
  3. SCAXファイルとのインターフェースのための適切な結晶サイズを定義します。
  4. レーザーのパワーを設定し、電圧と密度を入力してください。 8.5 V 0.2は、典型的には、電圧および密度のために選択されているが、他の測定は、結晶が割れたり破損しないことを確認して、電圧を減少させ、密度を増加させることによって決定することができます。
  5. 結晶製造のための3Dレーザー彫刻機にファイルを送信します。

Representative Results

ガラス結晶のサブ表面のレーザー彫刻は、生物医学断層撮像データの多数のタイプを視覚化するための深遠な手段です。 図2、 図3、および図4は、CTスキャンを利用することもできる方法を臨床実証している。 図1は 、前臨床CTデータを組み込みます寸法は、彫刻前に修飾されているので、様々なサイズの構造体は、レーザー彫刻を通して表現することができます。 図2は、解剖学的構造を拡張するために印刷することができる方法を例示するが、ほとんどの構造は、スケールアップまたはスケールダウンする必要があります。構造体の両側にまたがる一方と角に収束する3つの軸を有する別の:スケールバーの二つのタイプが寸法変化を測定するために実施することができます。第二のタイプは、のに最適である第一のタイプは、そのような骨コアとして拡張構造に理想的です-scaleまたは減少した構造。さらに、結晶の大きさは、解剖学的構造の形状と対になっています。脚部は直角プリズムに懸濁しながらその結果、足がキューブに入れました。

サブ表面彫刻の重要な特徴は、解剖学的特徴にテキストラベルを添付する機能です。技術は、最適なラベルの配置は、構造の幾何学的形状に依存して、撮像データの様々なタイプに適用することができます。 図2では、テキストがラベルのうち空間に二つの平面上に配置され、解剖学の観点を妨げないようました。ラベルが単一の平面上に配置したので、 図3および図4は、骨が明らかに一方の側から見ることができました。

図1
図1。羊の骨のコアセットの前臨床CTデータは、実質的に表示され、3D刻ま結晶に懸濁しました。イメージングソフトウェアを1cm同位ヒツジ骨の表面マップ(左)にスケールバーを生成して取り付けるために利用されました。構造は、スケールバーによって示されるように、各軸に沿った寸法の5倍の増加を受け、8センチ平方結晶(右)に刻まレーザました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
解剖学的標識と壊れた手首の図2.臨床CTデータは、実質的に表示され、結晶中に刻まれました。破壊半径を有するヒトの手首の臨床CTデータセットは、コンピュータソフトウェアを介して表面マップに変換しました。解剖ラベルと2cmのスケールバーのw EREコンピュータ支援設計(CAD)を使用して生成し、モデル(左)に取り付けられています。 3Dレーザー彫刻8センチ立方体結晶(右)の構造を内接しました。スケールバーは手首を拡張し生産された実証し、そのサイズを保持しました。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
図3.解剖学、解剖学のラベルと人間の足をラベルされた事実を表示し、結晶中に刻まれました。人間の足のCTデータセットは、イメージングソフトウェアでグレースケールモデルに変換しました。テキスト4センチスケールバーは、CADを使用して作成され、表面マップ(左)と配合しました。モデルを、8センチ結晶立方体(右)に刻ま半分のサイズとレーザに減少しました。 55340 / 55340fig3large.jpg」ターゲット= 『_空白』>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図人間の脚の4臨床CTデータセットは、解剖学的にコンピュータソフトウェアを使用して標識し、結晶中に刻まれました。ソフトウェアパッケージは、体の他の部分から足の完全な人間のCTスキャンからとセクションに表面マップを作成するために利用されました。解剖学的標識とCADで設計2.5センチメートルスケールバーを取り付けた(左)と構造を5cm×5cmのX 8センチメートル結晶(右)に刻まれました。 3比:結晶中のスケールバーは、脚部は5に縮小された図示しています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

YS "> 3Dプリント 結晶の表面下レーザー彫刻(SSLE) メリット 触覚の経験自由空間での構造の作成フル・カラーモデルマルチパートモデルの生成構造体の大きな様々な可能性へのスケールの表現解剖学的ラベルの添付滴に耐性の固体プラスチック材料スケールバーは、モデル内に懸垂します利用できる安価な消費者向けプリンター高分解能と精度プログレードのプリンタの高解像度短い生産時間 3D空間で一緒に別の解剖学的サブユニットをリンクするのは簡単外損傷を受けない結晶内の構造低材料費レーザー彫刻は、手頃な価格 デメリット 3D空間で個別の解剖学的サブユニットをリンクすることは困難いいえ触覚経験ありませんコストと生産時間は、複雑さによって変わりますグレースケール製造誤差の影響を受けやすく結晶によって制限サイズポストプロダクションの洗浄が必要な場合があります困難にスケールの表現プラスチック押出機によって制限決議レーザーによって制約密度部品は、モデルの欠けてもよいですドロップされたとき、結晶は、チップまたは破損する可能性が高価なプロ級のプリンター材料の価格は大きく異なります

解剖学的モデルの生産のための3DプリンティングとSSLEの表1の長所と短所。 3DプリントとSSLEは、生物医学断層撮像データを視覚化するための2つの手段であり、それぞれがデータの物理的モデルの作成に関しては長所と短所の数を有しています。

Discussion

生物医学イメージングモダリティによって取得された前臨床および臨床データセットは、現代の研究と医学の進歩に尽力してきました。生物医学データの可視化の前の手段は、コンピュータディスプレイと従来の鋳造や近代的な3Dプリントのアプローチから生成された物理モデルが含まれています。代替は、それは簡単な方法で明確に定義された、ラベルされたモデルを生成するので、断層生物医学データを可視化するための手段として、ここでは、3Dクリスタル彫刻方法について説明します。これらの比較的安価なモデルは、広く教育ツールとして使用することができます。正確な解剖学的データを表すために水晶彫刻の利用は、それを臨床と教育現場での高いポテンシャルを与えます。物理的、三次元フォーマットでデータを視覚化する能力は、フラットイメージまたは仮想レンダリング9を使用して教育の伝統的な形式の制限を克服します。高刻まれた構造の解像度との取り付け特定の目に見える機能へのラベルは、患者や学生教育のためのこれらのモデルの使用を容易に。また、この様式は、試料内の疾患状態の原因と側面を特定し、観察する能力を提供しています。骨折した手首は、 図2で述べたように、例えば、骨折の分類及び位置は、疾患状態および他の物理的に明らか徴候および/または患者の症状の関係のより包括的な理解を提供します。

3Dクリスタル彫刻を通じて、前臨床および臨床のCTデータセットは、結晶内に表記された物理的構造として表現しました。臨床CT画像が臨床放射線源から収集された一方、前臨床CTデータは、マイクロCTスキャナを用いて得ました。さらに処理する前に、臨床イメージングデータは、イメージングソフトウェアを経由してDICOMファイルを解凍するために変換されます。以降のソフトウェアプログラムは、表面マップに再構築されたDICOMファイルを変換します。これらの表面のマップとラベルとスケールバー解剖の世代の変更は、データ作成ソフトウェアおよびコンピュータ支援設計(CAD)で達成されます。完成したSTLファイルは減少し、ファイルをSCAXに変換されます。結晶の大きさとレーザーパワーを設定した後、ファイルが結晶中に自由形式の解剖学的構造を作成し、3Dレーザー彫刻機により読み取られます。

上述のプロセスは、種々の臨床および前臨床データセットに適用することができます。 CTデータセットは、このプロジェクトで実施されたが、他のイメージングモダリティから得られたデータは、3D超音波(US)、磁気共鳴画像(MRI)、およびポジトロン放出断層撮影法(PET)を含む、結晶中に可視化され得ることが可能です。また、他の人間の解剖学的構造および生物学的標本を撮像し、この培地中で表現されてもよいです。しかし、所定の大きさ及び構造に来る結晶は、それに応じてカットまたはスケーリングする必要があります。番目の一致することをお勧めします結晶の大きさと解剖学的部分の電子ジオメトリ。 ×5cmの直方体×8センチ( 図4)、足8センチ立方体( 図3)に適している間5センチメートルで例えば、脚ベストフィット。サイズ、フォント、およびテキストの厚さへの変更は、CADソフトウェアで行うことができます。また、それは明らかに他の面に結晶を回転させたときの解剖学的構造の視野を妨げることなく、ラベルを読み取るために一つまたは二つの面にラベルを配置することが最良です。

表面マップ内の顔の数、および結晶中に刻まれたレーザである各点のサイズ:解剖学的データのSSLEを行うときに、2つの追加の因子を考慮しなければなりません。これらの要因は、入射光を吸収し、従って潜在的に増強または所与SSLE可視化を損なうであろう点の数と大きさに影響を与えます。まず、3D空間内の点の数に正比例する顔の数、全体的な解像度と表示されたモデルの「明るさ/コントラスト」の両方に影響を与えます。本明細書に提示される実施例の各々では、完成しSTLファイルはサイズに関係なく、または倍率の、得られた結晶生成物の見かけの劣化なし10万面に減少しました。全体の明るさ/コントラストは、このアプローチを使用しても許容できるものでした。 10万値は、ソフトウェアとハ​​ードウェアを悪税しないとして使用彫刻のための安全な範囲です。しかし、いくつかのケースでは、追加の顔が適切に与えられたデータセットを表示するために必要な場合があり、かつ正常に完了するまで、これらのファイルは、実験的と考えることができます。また、結晶中に「焼かれる」の各点の大きさは、出力輝度コントラストを高めるために、彫刻の電圧と「密度」の入力値を介して調整することができます。本ケースでは、電圧のデフォルト値:8.5密度:0.2を選択しました。これらの値は出発点を表しているが、それらはで変更することができます必要に応じてデータの可視化を向上させるためにファッションを試行錯誤。

前臨床および臨床イメージングデータの表示のための3Dクリスタル彫刻を利用する多くの利点があります。 3Dプリント構造は、そのサイズおよび複雑16、20、22に応じて、数時間を要するかもしれない結晶は、典型的には、30分未満で製造されます。レーザー彫刻は、追加材料16との精度を低下させることなく、生体構造の複雑な又は吊り機能の生産を容易に、支持体を使用せずに懸濁構造を表すために使用されてもよいです。 800-1,200 DPIの解像度及び10μm未満の精度で、これらのモデルは、密接に医療データ24に類似ています。プロ級の3DプリンタはZに類似XYにおける略600dpiの解像度1600 DPIを有するが、それらは一般的に以下のACでありますバーテン(20-200ミクロン)17、19、20( 表1)。

3Dクリスタル彫刻が強い可能性を持っているが、いくつかの領域に限定されています。データは結晶内部で刻まれているので、ユーザーは、解剖学的部分と触覚の経験を持つことはできません。スケール表現は、データは、典型的には、結晶中に収まるように拡大または縮小されているように製造することが困難です。また、レーザは、最小のコントラストのグレースケールに刻むことができます。構造体の密度は、データを処理するレーザの能力によって制約されます。結晶の全体的な安定性は、数年にわたる潜在的な使用に有利であるが、固体ガラスは、硬い表面( 表1)に滴下耐えなくてもよいです。

これらの制限にもかかわらず、3Dクリスタル彫刻は、生物医学データの可視化のための媒体として大きな価値を保持しています。起動中に材料およびサポートは、3Dプリンタで考慮に入れる必要がある、これらの側面は、レーザー彫刻のために考慮される必要はありません。このような人間の足のようなより複雑な部品は、結果として表すことができます。もう少し複雑な構造を持つ生産時間が増加し、追加の材料が必要とされないとモデルのコストは同じままです。ドット・バイ・ドット方式でガラスを燃焼するレーザの能力は図2の破損半径に述べたように、生物医学的データの細部を表示する高度に定義された構造を生成します。また、結晶内部のこれらの構造の配置は、外部の損傷に対してそれらが耐性になります。多くの3Dプリンティングプラットフォーム上で利用固体プラスチックとは異なり、半透明のガラス表面には、内部構造は簡単な方法で可視化することができます。 3Dクリスタル彫刻の最も強力なツールの一つは、個々の部品にラベルを付け、また、サイズの参照のためのスケールバーを追加するための能力です。このすべてのレベルの学生が解剖学を学び、一つのモデルでは、臨床データ、生物学や医学教育の2つの貴重な成分と相互作用することができますよう技術が結晶にかなりの教育的価値を追加します。様々な角度で手とビュー構造の手のひらにそれらを保持する機能と組み合わせることで、標識は大幅にこれらのモデルの教育的価値を高めます。その結果、3D刻ま結晶は、解剖学のコースで使用するための幅広い適用性、臨床実践、および一般的な教育を持っています。

Disclosures

著者は、開示することは何もありません。

Acknowledgments

私たちは、このプロジェクトの金融支援のための科学の夏学部研究フェローシップ(SURF)の大学に感謝します。著者らはまた、本研究で用いた(上記に詳述)骨のサンプルを提供するために、教授グレン・ニウバー、ノートルダム大学に感謝します。

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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ガラスの結晶の次のサブ表面レーザー彫刻のための生物医学断層画像データと関連するラベルのスケーリングされた解剖モデルの作成(SSLE)
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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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