En metodikk er beskrevet her for å representere anatomiske avbildningsdata innenfor krystaller. Vi skaper skalert tredimensjonale modeller av biomedisinske avbildningsdata for bruk i undergrunnslasergravering (SSLE) av krystallglass. Dette verktøyet gir et nyttig supplement til beregnings skjerm eller tredimensjonalt trykte modeller som brukes i klinisk eller utdanningssammenheng.
Biomedisinske avbildningsmetoder som computertomografi (CT) og magnetisk resonans (MR) gir et godt utgangspunkt for oppsamling av tre-dimensjonale datasett for pasienten eller prøve anatomi i kliniske eller prekliniske innstillinger. Imidlertid er bruken av et virtuelt, for skjermvisning begrenser evnen til disse tomografiske bilder til fullt ut å formidle den anatomiske informasjon innebygd innenfor. En løsning er å grensesnittet en biomedisinsk avbildningsdatasett med 3D-trykketeknologi for å generere en fysisk kopi. Her vi detalj en komplementær metode for å visualisere tomografisk avbildning av data med en håndholdt modell: Underoverflatelasergravering (SSLE) av krystallglass. SSLE tilbyr flere unike fordeler, blant annet: den lettvinte evne til å inkludere anatomiske etiketter, samt en skala bar; strømlinjeformet fler montering av komplekse strukturer i ett medium; høy oppløsning i X-, Y- og Z-plan; og semi-transparente skall for visualisering av interne anatomiske understell. her we viser prosessen med SSLE med CT datasett avledet fra pre-kliniske og kliniske kilder. Denne protokollen vil fungere som en kraftig og rimelig nytt verktøy til å visualisere komplekse anatomiske strukturer for forskere og studenter i en rekke pedagogiske og forskningsmiljøer.
Biomedisinske avbildningsmetoder som computertomografi (CT) eller magnetisk resonans imaging (MRI) blir rutinemessig anvendt av den medisinske forskning, og fagmiljøet til ikke-invasiv undersøke de indre strukturer av humane eller biologiske fag 1, 2, 3. I moderne medisin, gjør denne teknologien mer informerte diagnoser og dermed bedret pasientbehandling 4. Spesielt tilveie CT en utmerket mulighet for 3-D-rekonstruksjon på grunn av sin høye oppløsning og isotrope egenskaper (voxel identisk lengde av hver kube kant). 5 Videre kan programvarepakker er tilgjengelige og som medfører at biomedisinske avbildningsdata i tre dimensjoner (3D) for overordnede funksjoner som dataassistert kirurgi og virtuelle endoskopi 6. Innenfor pre-klinisk forskning, gir ikke-destruktiv bildebehandling en translasjonsforskning plattformsom å studere sykdomsmodeller i mus og rotter 7. Digitale biblioteker, for eksempel den biologiske databasen Digital Morfologi (http://digimorph.org), har blitt fylt med CT-data som er avledet fra forskjellige prøver eller kliniske sykdomstilstander for klar tilgang av de bredere vitenskapelige og medisinske miljøer 8.
I dag har biomedisinsk avbildning data blitt visualisert i virtuelle rom på dataskjermer, eller i fysisk plass med håndholdte modeller. Mens datamaskinen programvaren tillater brukere å dissekere og manipulere data, fysiske kopier er et flott supplement med utmerket pedagogisk fordel 9, 10. Tradisjonelle modeller har blitt generert ved hjelp av en lav kostnad støpeprosess hvor basis formene er fylt med harpiks som stivner til den ønskede struktur 11. Støpte modeller er mottagelig for billig masseproduksjon, men er begrenset til basiskstrukturer som ikke er avledet fra pasientdatasettene. I de siste fem årene, har 3D trykte kopier av menneskets anatomi blitt stadig mer utbredt på grunn av høy kompleksitet, og ofte pasient-spesifikke, gjenstander som kan genereres og vises. Disse modellene er laget av maskiner som innskudd flytende eller smeltet plast i additiv lag, og har bistått leger med diagnoser, komplekse operasjoner, behandling av sykdommer, protese utforming, og pasient kommunikasjon 12, 13. Videre den utbredte tilgjengeligheten av forbruker-grade 3D-skrivere i primær, sekundær og kollegiale skolesammenheng tjener til å øke den pedagogiske effekten av felles anatomisk modell filer 14, 15.
Totalt har 3D-utskrift betydelig avansert utvikling av anatomiske modeller innenfor medisin, men det har begrensninger. Først etableringen av multi-Part anatomiske modeller kan være vanskelig ettersom ytterligere arbeid er ofte nødvendig for å binde digitalt separate deler sammen som ellers kan falle fra hverandre 16. Også tettheten av mange 3D trykt materiale, spesielt for forbruker-klasse maskiner, hindrer visualisering av interne sub-strukturer som gir ytterligere innsikt om en prøve ben og mykt vev. Videre, flytende eller smeltede plast ekstrudere begrense oppløsningen av 3D-utskrifter. Ekstruderne profesjonelle skrivere er omtrent 50 mikrometer i diameter, og gi rom for en sjikttykkelse på 14 um, med en oppløsning på opp til 600 punkter pr tomme (DPI) i X- og Y-aksene og 1600 DPI i Z-aksen 17, 18 . Til sammenligning forbruker-grade 3D-skrivere har ekstrudere som er rundt 400 mikrometer i diameter, og gir en sjikttykkelse på 100 pm og en oppløsning tilsvarende ca. 42 DPI-19, <sopp class = "xref"> 20. Prisen varierer også betydelig fra forbruker-klasse til profesjonelle skrivere 20, 21. I tillegg er høye materialkostnader forhindre industriell masseproduksjon fra å oppnå stordrift 22.
Underoverflatelasergravering (SSLE) eller 3D-krystall gravering, anvender en laserstråle for å danne små "bobler" eller punkter med høy presisjon på tusener av X, Y-koordinatene Z i en stiv, høy renhet, kubisk, glass matrise 23. Hvert punkt er 20 til 40 mikrometer, noe som gir oppløsningen mellom 800-1,200 DPI 24. Videre hver dot er semitransparent, muliggjør visualisering av interne sub-strukturer. Flere, ikke sammenhengende deler er representert i den samme krystall og tilleggsmateriale er ikke nødvendig for store og innviklede konstruksjoner. Siden matrisen er fast, kan det anatomiske etiketter og størrelse skala barer tilsettes for å forbedreom mulighetene av bildedataene som vises i. Her presenterer vi en fremgangsmåte hvor røntgenberegnet tomografi (CT) data blir formatert for krystall SSLE. Først kan dataene hentes fra kommersielle prekliniske microCT systemer, klinisk skannere fra radiologi avdelinger / UNIS, eller hentet fra Internett repositories som National Biomedical Imaging Arkiv (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Her kan vi demonstrere denne tilnærming med sau benet kjerne, brukket håndledd, merket fot, og merket ben krystaller for å illustrere evnen til å inkorporere både prekliniske og kliniske data, justere verdien til anatomiske strukturer, og koordinere en byggverkets geometri med krystallstørrelse. fabrikasjon av merket anatomiske krystaller gitt lettvinte natur SSLE og allerede utbredt bruk av STL-filer i 3D-utskrift, gir en spennende, hånd håndholdt visualiseringsverktøy for bruk i det akademiske og utdanningsmiljøer.
Prekliniske og kliniske datasett ervervet gjennom biomedisinske bildediagnostikk har vært medvirkende i moderne forskning og medisinske fremskritt. Tidligere hjelp av biomedisinsk data visualisering inkludert datamaskinens skjerm og fysiske modeller generert fra tradisjonell støping eller moderne 3D utskrift tilnærminger. Her beskriver vi en 3D krystall gravering metode som et alternativ middel for å visualisere tomographic biomedisinske data siden den genererer veldefinerte, merket modeller på en enkel måte. Disse relativt rimelige modeller kan bli mye brukt som pedagogisk verktøy. Utnyttelsen av krystall gravering for å nøyaktig representere anatomiske data gir det stort potensial i kliniske og pedagogiske innstillinger. Evnen til å visualisere data i en fysisk, tre-dimensjonalt format overvinner begrensningene ved tradisjonelle former for undervisning ved hjelp av flate bilder eller virtuelle gjengivelser 9. Høy oppløsning av graverte strukturer og festing avetiketter til bestemte synlige trekk lette bruken av disse modellene for pasienten eller student utdannelse. I tillegg har denne modalitet tilbyr muligheten til å identifisere og observere årsaker og aspekter av sykdomstilstander i et eksemplar. For eksempel, klassifisering og plassering av et knokkelbrudd, som det frakturerte leddet er angitt i figur 2, gir en mer omfattende forståelse av forholdet av sykdomstilstander og andre fysisk åpenbare tegn og / eller pasientens symptomer.
Gjennom 3D krystall gravering, ble prekliniske og kliniske CT datasettene er representert som fysiske strukturer innskrevet innenfor krystaller. Preklinisk CT data ble anskaffet ved hjelp av en microCT skanner, mens kliniske CT-bilder ble samlet fra kliniske radiologiske kilder. Før videre behandling, er klinisk bilde data konvertert til dekomprimerte DICOM-filer via bildebehandlingsprogrammer. Påfølgende programmer forvandle rekonstruerte DICOM-filer til overflatekart. Modifisering av disse overflate kart og generering av anatomiske etiketter og skala barer er oppnådd med data forberedelse programvare og dataassistert konstruksjon (DAK). Fullførte STL-filer er redusert og konvertert til SCAX filer. Etter krystallstørrelse og laser makt er satt, blir filene leses av en 3D lasergravering maskin som skaper frihånds anatomiske strukturer i krystall.
Fremgangsmåten beskrevet ovenfor kan anvendes ved forskjellige kliniske og prekliniske datasett. Mens CT datasett ble gjennomført i dette prosjektet, er det mulig at data oppnådd fra andre avbildningsmetoder kan visualiseres i krystall, inkludert 3D ultralyd (USA), magnetisk resonans avbildning (MRI), og Positron Emission Tomography (PET). Også andre humane anatomiske strukturer og biologiske prøver skal avbildes, og representert i dette medium. Imidlertid vil krystallene kommer i på forhånd bestemte størrelser og strukturer som må kuttes eller skalert tilsvarende. Det er lurt å matche the geometri av den anatomiske del med størrelsen av krystallen. For eksempel passer best til et ben i en 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulært legeme (figur 4), mens en fot er egnet for en 8 cm terning (figur 3). Endringer i størrelse, skrifttype og tykkelse av tekst kan utføres i DAK-programvare. Dessuten er det best å plassere etiketter på ett eller to plan for å lese klart etiketter uten å hindre utsikten over anatomi når roterende krystall til andre flater.
To ytterligere faktorer som må tas i betraktning når det utføres SSLE av anatomiske data: antall flater innenfor et overflatekart, og størrelsen av hvert punkt som er laser gravert inn i krystallen. Disse faktorer påvirker antallet og størrelsen av de punktene som vil absorbere innfallende lys og således kan fremme eller avlede fra et gitt SSLE visualisering. For det første antall flater, som er direkte proporsjonal med antall punkter i 3D-rom,vil påvirke både det totale oppløsning og "lyshet / kontrast" for den viste modell. I hvert av eksemplene presentert heri, ble den fullstendige STL filen reduseres til 100000 flater uten synlig nedbrytning av det resulterende krystall produkt, uten hensyn til størrelse eller forstørrelse. Den samlede lysstyrke / kontrast var også akseptabelt å bruke denne tilnærmingen. 100000 verdien er trygt område for gravør brukes for ikke å overtax programvare og maskinvare. Men i noen tilfeller ekstra ansikter kan være nødvendig for å riktig vise et gitt datasett, og disse filene kan betraktes eksperimentell inntil fullført. I tillegg kan størrelsen av hvert punkt som er "brent" inn i krystall være innstilt via spenningen og "tetthet" Verdiene for det tilførte gravøren for å forbedre produksjonen lysstyrke kontrast. I dagens tilfeller standardverdiene Spenning: 8,5 og tetthet: ble 0,2 valgt. Selv om disse verdier gir et startpunkt, kan de bli endret på enprøving og feiling for å bedre visualisering av data etter behov.
Det er en rekke fordeler med å bruke 3D krystall gravering for visning av prekliniske og kliniske bildedata. Krystaller fremstilles typisk på under 30 minutter, mens 3D-trykte strukturer kan kreve flere timer, avhengig av størrelse og kompleksitet 16, 20, 22. Lasergravering kan anvendes for å representere suspenderte konstruksjoner uten bruk av støtten, noe som letter fremstillingen av intrikate eller hengende egenskaper av anatomien, uten å redusere nøyaktighet med ytterligere materiale 16. Med en oppløsning på 800-1,200 DPI og en nøyaktighet på mindre enn 10 um, disse modellene ligner medisinske data 24. Mens profesjonelt nivå 3D-skrivere har en tilsvarende oppløsning på omtrent 600 DPI i XY og 1600 DPI i Z, er de generelt mindre acZentrale (20-200 um) 17, 19, 20 (tabell 1).
3D krystall gravering besitter stort potensial, men er begrenset i noen områder. Siden dataene er gravert på innsiden krystall, kan ikke brukerne ha en taktil erfaring med anatomiske deler. Målestokk representasjoner er vanskelige å fremstille som data blir typisk skaleres opp eller ned for å passe inn i krystallene. Videre kan laseren bare gravere i gråtoner med minimal kontrast. Tettheten av strukturen er også begrenset av laseren evne til å behandle dataene. Den samlede stabiliteten av krystaller er en fordel for potensiell bruk i flere år, men det faste glasset kan ikke motstå slippe på harde overflater (Tabell 1).
Til tross for disse begrensninger, har 3D krystall gravering betydelig verdi som et medium for visualisering av biomedisinske data. mens startermateriell og støtte må tas i betraktning med 3D-skrivere, disse aspektene ikke trenger å bli vurdert for lasergravering. Mer komplekse deler, for eksempel den menneskelige fot, kan representeres som et resultat. Mens produksjonstiden øker noe med mer intrikate strukturer, er ingen ekstra materiale som kreves og kostnaden av modellen forblir den samme. Laseren evne til å forbrenne glass i et punkt-for-punkt måte produserer svært definert strukturer som viser de fine detaljene i biomedisinske data, som angitt i den ødelagte radius i figur 2. I tillegg, plassering av disse strukturer inne krystallene gjør dem motstandsdyktige mot utvendig skade. I motsetning til faste plast benyttes på mange 3D-printing, gjennomskinnelige glassflatene tillate interne strukturer for å bli visualisert på en enkel måte. En av de mest kraftige verktøy for 3D krystall gravering er dens evne til å merke enkeltdeler, og også legge til en skala bar for størrelse referanse. DetteTeknikken gir betydelig pedagogisk verdi til de krystallene som studenter på alle nivåer kan lære anatomi og samhandle med kliniske data, to verdifulle komponenter i biologisk og medisinsk utdanning, i en modell. Kombinert med evnen til å holde dem i hånden av en hånd, og se strukturer ved forskjellige vinkler, merking forbedrer den pedagogiske verdi av disse modellene. Som et resultat, 3D gravert krystaller har bred anvendelse for bruk i anatomi kurs, klinisk praksis, og allmennutdanning.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker College of Science Summer Undergraduate Stipendiat (SURF) for sin økonomiske støtte til dette prosjektet. Forfatterne takker også professor Glen Niebur, University of Notre Dame, for å gi bein prøver (beskrevet ovenfor) som brukes i denne studien.
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 |