Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Skalert Anatomisk modell Opprettelse av Biomedical tomographic Imaging data og tilhørende etiketter for påfølgende under overflaten lasergravering (SSLE) over Glass Crystals

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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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, 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.

Protocol

Alle humane computertomografi datasettene ble anonymisert i henhold til godkjente SJRMC protokoll.

1. CT Data Acquisition of Pre-kliniske og kliniske prøver

  1. Utføre mikrorøntgenberegnet tomografi for å danne en pre-klinisk datasett. I det foreliggende tilfellet bruker en microCT for å avbilde et ben kjerneprøve med følgende innstillinger: 45 kV, 0,4 mA, og 1.000 anslag. 5
  2. Rekonstruere rådata med høy oppløsning (125 um isotropisk voksel). For ytterligere å øke oppløsningen, identifisere og rekonstruere en 1 cm terning med et senter ved volumets opprinnelse (10 um isotropisk voksel).
  3. Eksportere rekonstruerte datasettet i DICOM-format for ytterligere behandling.
  4. Alternativt kjøpe rekonstruerte CT datasett, slik som de av brukket håndledd og fot brukt i denne studien, fra kliniske samarbeidspartnere (data vises her kjøpt fra Saint Joseph Regional Medical Center) eller open-source DICOM arkiver (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importere filer inn i DICOM bildebehandling og eksport som dekomprimerte DICOM-filer hvis det er nødvendig.

2. Behandling av data

  1. Åpne hvert DICOM datasett (som består av alle bilde stykker) ved hjelp av 'Load DICOM' i 'View' innstilling av bildebehandling.
  2. Lagre hvert datasett som en Nifti analysere, en etablert avbildningsformatet for vitenskapelig analyse. Importer Nifti filer i et program med etablert bruk i medisinsk bildebehandling beregnet og automatisk segmentering for generering av overflatekart (f.eks 3DSlicer).
  3. Last opp et gitt Nifti fil inn i overflaten kartet generator program med 'Legg til data' verktøy.
  4. Velg 'Gråtoner Model Maker' verktøy med spesifikasjonen "Lag og Rename nye modellen". Sette lavere terskelverdier til ca. 300 HU for segmentering av bein.
  5. Lagre gråtoner modellersom STL-filer for videre databehandling.
  6. Importere hver flate kart i 3D-data forberedelse programvare (f.eks Netfabb Studio Basic) og velg 'Repair' -modus.
  7. Bruk 'Velg del' og 'Slett' verktøy for å slette alle flater som ikke representerer strukturen av interesse.
  8. Bruk 'Legg Triangle' verktøy for å delvis dekke hullene i flater og 'Automatic Repair' script helt tett gjenværende hullene.
  9. Velg 'Repair Degenererte Faces' script i handlingsmenyen for å løse kanter uten overflateareal og 'Apply Repair' script for å avslutte 'Repair' -modus med den modifiserte delen.
  10. Bruk 'Cut' verktøy for å fjerne uønskede egenskaper eller redusere størrelsen av modellen. Utpeke plasseringen av hver kuttet innenfor 'X', 'Y', eller 'Z' plan i "Cut-menyen i sammenheng området.
  11. Bruk 'Execute Cut' verktøy og velg '; Triangulere Cut' i innstillingene for automatisk å lukke alle følge hull.
  12. Bruk 'Velg del' og 'Slett' verktøy samtidig for å slette alle overflater som følge av kutt som ikke representerer strukturen av interesse.
    MERK: Hvis kartet overflaten skal være grenser med en skala bar, hoppe over følgende trinn. Den anatomiske trekk og skala bar vil bli skalert samtidig etter at de er forent i en enkelt STL.
  13. Velg "Scale alternativet for å endre dimensjonene på hver overflate kartet. Modeller kan bli utvidet (ben kjerne) eller redusert i dimensjon (fot), eller holdes ved opprinnelig størrelse (håndledd) for å passe inn i en 8 cm terning eller 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulært prisme. Merk at filene på dette stadiet kan sendes til SSLE hvis ingen etiketter eller skala barer er ønsket.

3. Anatomisk Merking

  1. Velg 'New' i menyen på CAD-program (for eksempel Autodesk Inventor Professional) to skape en ny arbeidsboken ved hjelp av den metriske mal for en 'standard (mm) .ipt' del.
  2. Velg "Lag 2D skisse alternativet og velge hvilken som helst plan. Bruk 'Text' verktøy i "Tegn-menyen på verktøylinjen for å produsere maskinskrevne anatomiske etiketter med ønsket skrifttype og størrelse (Times New Roman og 2,0 mm).
  3. Når du er ferdig, velger du "Finish skisse alternativet i 'Exit' -menyen på verktøylinjen.
  4. Velg 'Extrude' verktøy fra 'Lag' -menyen på verktøylinjen med alternativet '2D Tekst'. Utpeke en ekstrudering dybde (2,0 mm) med den symmetriske innstilling.
  5. Eksport tekst etiketter i CAD-format med 'Save As Type' STL setting.
  6. Åpne en ny arbeidsbok for produksjon av en sylindrisk etikett linje. Velg 'File' for å opprette en ny beregning mal med en 'Standard (mm) .ipt' del.
  7. Velg 'Lag 2D Sketch' verktøy og velge hvilken som helst plan. Bruk 'CentrePoint Circle' verktøy i "Tegn-menyen på verktøylinjen for å produsere en sirkel med sentrum i origo.
  8. Bruke 'Dimension' verktøy i 'Constraint' menyen for å angi diameteren til sirkelen (1,0 mm).
  9. Når du er ferdig, velger du "Finish skisse alternativet i 'Exit' -menyen på verktøylinjen.
  10. Velg 'Extrude' verktøy valgt fra 'Lag' -menyen på verktøylinjen med alternativet '2D tekst'. Velge en ekstrudering dybde (10,00 mm) med den symmetriske innstilling.
  11. Eksporttekstetiketter og sylindere i CAD-format med 'Lagre som type' STL setting.

4. Montering av etiketter

  1. Import modeller, tekst etiketter, og etikett sylindriske linjer i 3D-data forberedelse programvare.
  2. Oversett tekstetiketter til venstre eller høyre for den tilhørende anatomi ved hjelp av 'Flytt Part' verktøy. Bruk 'Rotate Part' verktøy for å orientere merkelapper slik at de står overfor the samme retning.
  3. Å overføre og rotere sylindriske etikett linjer ved hjelp av 'Move Part' og 'Roter del' til å oprette forbindelse etiketter til assosierte strukturer innenfor modellen.
  4. Hvis det er nødvendig, skriver du inn 'Repair' -modus og bruke 'Select trekanter' og 'Fjern valgte Triangles' for å redusere størrelsen på sylindere til riktig lengde.
  5. Hvis du bruker den grunnleggende versjonen, velger alle deler og lagre som et prosjekt. Da gjenåpne dette prosjektet i den profesjonelle versjonen.
  6. I den profesjonelle versjonen, velger du alle deler og eksport som en enkelt STL.

5. Scale Bar Design

MERK: To typer skala barer er utformet i CAD-programmet. Den første er til stede i figur 1 og omfatter tre separate skala barer, med avstandsmerker på forskjellige målinger, liggende på hvert plan. Den andre, som er inkludert i figur 2, Figure 3, og figur 4, er satt sammen av perpendikulære linjer som ligger på de tre aksene og konvergerer ved et hjørne. Følg trinn 5,1-5,2 å begynne å lage hver skala bar.

  1. Opprett en ny arbeidsbok i CAD-programmet ved å velge 'New' og 'Standard (mm) .ipt' del.
  2. Velg 'Lag 2D skisse' og velge hvilken som helst av de tre flyene til å begynne å jobbe på.
    MERK: Fortsett med trinn 5.3-5.16 å produsere den første typen skala bar. Dimensjonene gitt ble gjennomført for etablering av en 1 cm målestokk med skalamerker ved intervaller på 25 mm.
  3. Bruk 'rektangulære' og 'Dimension' verktøy for å trekke et rektangel (10 mm x 0,25 mm) med en bredde som svarer til den ønskede lengde av skalaen bar (10 mm) og en lengde av en hvilken som helst rimelig verdi (0,25 mm). Plasser nedre venstre toppunktet på opprinnelsen så x-koordinater kan brukes til avstanden mellom skalamerker.
  4. For å opprette aksemerkene, utnytte than rektangel "verktøy for å tegne et rektangel rett over målestokken. Begrense størrelse (0,025 mm x 0,432 mm) med 'Dimension' verktøy.
  5. Ved hjelp av x-koordinatene, oversette den nydannede rektangelet slik at den ligger i den ønskede avstand fra kanten. Dette er toppen av hake.
  6. For å opprette bunnen av avmerkningsmerket, trekke et rektangel, med de samme dimensjoner som den øvre halvdel, rett under målestokken. Bruk 'Juster' verktøy for å innrette de to halvdelene av hake.
  7. Velg trimmeverktøyet på 'Endre' -menyen og velg området der målestokken og aksemerker lapper. Dette vil fjerne overskudd av linjer og tillate delen å bli tolket som en enkelt funksjon når det ekstruderes.
  8. Gjenta trinn 05.04 til 05.07 for resten av aksemerkene.
  9. Når du er ferdig, velger du "Finish skisse alternativet i 'Exit' -menyen på verktøylinjen.
  10. Velg 'Extrude' under 'Lag' mennu og velg målestokken. Bestemme en ekstrudering avstand og retning (0,25 mm og inn i skjermen).
  11. Å designe etiketter for aksemerkene, velg 'Opprett 2D skisse og velg målestokken som arbeidsplanet.
  12. Under 'Draw' -menyen, velg 'Text' verktøy for å lage tekst med en viss font og størrelse (Times New Roman og 0,25 mm). Oversette teksten til ønsket posisjon ved siden av skalaen bar.
  13. Når du er ferdig, velger du "Finish skisse alternativet i 'Exit' -menyen på verktøylinjen.
  14. Velg 'Extrude' verktøy fra 'Lag' -menyen på verktøylinjen med alternativet '2D Tekst'. Utpeke en ekstrudering dybde (0.25 mm) og retningen (inn i skjermen).
  15. Gjenta trinn 05.12 til 05.14 for å lage de andre etikettene.
  16. Eksportere den ferdige skala bar i CAD-format med 'Save As Type' STL setting.
    MERK: Etter å ha fullført trinn 05.01 til 05.16, fortsetter med trinn 5.17-5.31 å skapeden andre typen av målestokken. Målinger som ble brukt til å lage en målestokk som var 2 cm på hver akse og tykkelse på 2 mm.
  17. Velg 'rektangulære' verktøyet for å skape et kvadrat og begrense den lengde og bredde (2 mm x 2 mm) med 'Dimension' verktøy. Dimensjonene er valgt i dette trinnet vil bestemme tykkelsen av delen.
  18. Velg "Finish skisse for å gå tilbake til 3D-modell innstillingen.
  19. Under 'Lag', velg 'Extrude' og velg torget trukket i 2D skisse modus. Velge den ønskede ekstrudering dybde og retning (20 mm og inn i skjermen).
  20. Velg 'Lag 2D skisse' og fortsette å arbeide på samme plan som den forrige skisse.
  21. Bruk 'rektangulære' og 'Dimension' verktøy for å trekke et rektangel (2 mm x 18 mm) direkte over firkanten. Samsvarer med lengden av rektangelet til lengden av den firkantede (2 mm) og bredden bør være ønsket størrelse på målestokken minus width av plassen (20 mm - 2 mm = 18 mm). Trykk 'Finish Sketch' når du er ferdig.
  22. Under 'Lag', velg 'Extrude' og velg rektangelet. Inn en ekstrudering dybde, som bør være lengden av den firkantede (2 mm), og velge en retning (til skjermen).
  23. Roter den delen slik at det ser ut som bokstaven 'L'. Opprett en ny 2D-skisse, og velg forsiden av 'L' som arbeidsplanet.
  24. Tegn en firkant på hjørnet av de to rektangler ved hjelp av 'rektangel' verktøy. Vil begrense dimensjonene (2 mm x 2 mm), slik at den passer akkurat i hjørnet. Avslutt skisse med 'Finish Sketch' verktøy.
  25. Under 'Lag,', velg 'Extrude' og velg den nyopprettede torget. Inn en ekstrudering avstand, som bør være den ønskede størrelse av målestokken minus bredden av plassen (20 mm - 2 mm = 18 mm). Velge en retning (ut av skjermen) og anvende ekstrudering.
  26. For å legge til tekst indicating dimensjonene av målestokken, skape en ny 2D-skisse av av et hvilket som helst plan.
  27. Bruk 'Text' verktøy i "Tegn-menyen på verktøylinjen for å produsere en etikett med ønsket skrifttype og størrelse (Times New Roman og 2,5 mm).
  28. Oversette teksten til ønsket posisjon ved siden av skalaen bar. Avslutt skisse modus ved å velge 'Finish Sketch'.
  29. Bruk 'Ekstruder' verktøy og sett inn et press avstand som samsvarer med tykkelsen av målestokken (2 mm) og retningen som er i tråd etiketten med målestokken (inn i skjermen).
  30. Gjenta trinn 5,26 til 5,30 ved hjelp av de andre plan for å skape merkelapper for alle tre akser.
  31. Når du er ferdig, eksporterer målestokken og tilhørende etiketter i CAD-format med 'Lagre som type' STL setting.

6. Tilsetning av skala barer til Anatomiske modeller

  1. Åpne anatomisk modell i 3D-data forberedelse programvare og importere målestokken.
  2. Bruke '; Flytt Part' og 'Roter Del' verktøy for å orientere skala baren ved siden av anatomisk modell.
  3. Hvis den første typen skala bar ble opprettet, importere den delen to ganger til. Å overføre og rotere de enkelte skala barer, slik at man ligger på hver akse.
  4. Hvis du bruker den grunnleggende versjonen, velger alle deler og lagre som et prosjekt.
  5. Åpne filen i den profesjonelle versjonen. Velg alle deler og eksport som en enkelt STL.
    MERK: dimensjoner beholdes når overflatekart og skala barer er importert inn i grunnleggende eller profesjonell versjon. Forut for gravering, overflatekart, sammen med tilhørende etiketter og skala barer, blir skalert for å passe inn i krystallene. Siden skala barer blir skalert med samme hastighet som modeller, endringer i størrelsen på skala barer er representative for dimensjonsendringer i de anatomiske strukturer.

7. Reduksjon av ansikter

  1. Utnytte den 'Import Mesh' verktøy for å legge til en STL-fil i 3D-mesh-behandling program. Justeringer blir brukt på overflatemodellen, og alle komponentene, inklusive tekst og skala barer, siden programvaren tolker trådduken som en del.
  2. Under 'Filter' og 'Remeshing, Forenkling og gjenoppbygging,' velg 'kvadratisk Edge Lukk Decimation' verktøy for å redusere antallet ansikter til stede i mesh.
  3. Angi ønsket antall ansikter (100000) under 'Target antall ansikter' og velg 'Apply'. Denne operasjonen er gjort for å skape et håndterlig filstørrelse for SSLE programvare, og hindre overskytende grave ganger.
  4. Eksporterer det ferdige produktet som en STL ved hjelp av 'Export Mesh som ...' innstilling.

8. Modell Gravering i Crystal

MERK: Fullført STL-filer blir videresendt til en industriell samarbeidspartner, hvor glass krystaller er lasergravert å produsere fysiske modeller av de anatomiske data. For spørsmål og ytterligere assistanse, PLenkelt kontakte industrien forfatterne av dette manuskriptet.

  1. Åpne STL-fil inn i en lasergravering program og konvertere til en SCAX fil.
  2. Importer SCAX filen i en programvarepakke som er koblet til 3D laser gravering maskin.
  3. Definere en krystallstørrelse passende for samvirking med den SCAX fil.
  4. Still inn effekten av laser og skriv en spenning og tetthet. Mens 8,5 V og 0,2 er vanligvis valgt for spenning og tetthet, kan andre målinger bestemmes ved å redusere spenningen og øke tettheten, å sørge for at krystallen ikke sprekke eller brekke.
  5. Send filen til en 3D laser gravør for krystall produksjon.

Representative Results

Sub-overflate lasergravering av glasskrystaller er en dyptgripende middel for å visualisere mange typer av biomedisinske tomografisk avbildning av data. Figur 1 omfatter prekliniske CT-data, mens figur 2, Figur 3, og Figur 4 viser hvordan kliniske CT kan også benyttes. I Ettersom dimensjonene er modifisert før gravering, kan strukturer av varierende størrelse være representert ved lasergravering. Mens Figur 2 eksemplifiserer hvordan anatomi kan skrives ut for å skalere, de fleste strukturer må skaleres opp eller ned. To typer skala barer kan implementeres for å måle dimensjonsendringer: en som strekker seg over sidene av strukturen, og en annen med de tre akser konvergerer ved et hjørne. Den første typen er ideell for dilaterte strukturer, slik som benet kjerne, mens den andre type er best egnet for å-skala eller redusert strukturer. Ytterligere størrelsen av krystallen er sammenkoblet med formen av den anatomiske strukturen. Som et resultat ble foten plassert i en terning, mens benet ble suspendert i et rektangulært prisme.

Et viktig trekk ved undergrunnen gravering er evnen til å feste tekstetiketter til anatomiske trekk. Teknikken kan anvendes på forskjellige typer av avbildningsdata, med optimal etikett plassering, avhengig av geometrien på strukturen. I figur 2, ble teksten plassert på to plan for å plass merkelappene ut og unngå hindrer utsikten over anatomi. For Figur 3 og Figur 4, kan benene være klart sees fra den ene side slik at etikettene ble plassert på et enkelt plan.

Figur 1
Figur 1. Preklinisk CT data av en sau bein kjerne sett, vises nesten og suspendert i en 3D gravert krystall. Imaging programvare ble benyttet for å frembringe og knytte skala barer til et overflatekart av en 1 cm isotopisk sau ben (til venstre). Strukturen gikk en fem gangers økning i dimensjon langs hver akse, som antydet med skala barer, og var laser gravert i en 8 cm kvadratisk krystall (til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Kliniske CT-data av en brukket håndledd med anatomiske etiketter, viste praktisk talt og gravert i krystall. En klinisk CT datasett av en human leddet med et brutt område ble omdannet til et overflatekart gjennom dataprogrammer. Anatomiske etiketter og en 2 cm skala bar w ere generert ved hjelp av datamaskinassistert konstruksjon (DAK) og festet til modellen (til venstre). En 3D-laser gravør innskrevet strukturen i en 8 cm terning krystall (til høyre). Målestokken beholdt sin størrelse, noe som viser håndledd ble produsert i målestokk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Anatomisk merket humant fot med anatomiske etiketter, viste praktisk talt og gravert i krystall. En CT-datasett av en menneskelig fot ble omdannet til en gråskala-modell med bildebehandling. Tekst og en 4 cm målestokk ble skapt ved hjelp av DAK og innlemmet med kart overflaten (til venstre). Modellen ble redusert til halvparten av sin størrelse og laser gravert i en 8 cm krystall kube (til høyre). 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Kliniske CT-datasett av et menneske ben anatomisk merket ved anvendelse av dataprogrammer og gravert i krystall. Programvarepakker ble anvendt for å fremstille et overflatekart fra et fullstendig human CT scan og til seksjonen benet fra resten av kroppen. Anatomiske etiketter og en 2,5 cm skala bar utformet med CAD var festet (til venstre) og strukturen ble gravert i en 5 cm x 5 cm x 8 cm krystall (til høyre). Målestokken i krystallen illustrerer benet ble skalert ned i en 5: 3 forhold. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

ys "> 3D-utskrift Sub-Surface lasergravering (SSLE) krystaller Fordeler taktil opplevelse Opprettelse av strukturer i fritt rom Full fargemodeller Generering av flerdelte modeller To-skala fremstilling er mulig med større utvalg av strukturer Festing av anatomiske etiketter Fast plastisk materiale som er motstandsdyktig til dråper Skala stenger opphengt inne i modellen Billig forbruker-grade skrivere tilgjengelig Høy oppløsning og nøyaktighet Høy oppløsning på profesjonelt nivå skrivere Kort produksjonstid Lett å knytte egne anatomiske subenheter sammen i 3D-rom Strukturer innen krystall ikke er utsatt for utvendig skade Lave materialkostnader Laser gravører moderat priset ulemper Vanskelig å knytte forskjellige anatomiske subenheter i 3D-rommet Ingen taktil opplevelse Kostnader og produksjonstiden variere med kompleksiteten gråtoner Mer utsatt for produksjonsfeil Størrelse begrenset av krystall Post-produksjon vasker kan være nødvendig To-skala representasjon vanskelig Oppløsning begrenset av plast ekstrudere Tetthet begrenset av laser Deler kan chip av modell Krystallene kan chip eller brekke når det blir sluppet Kostbare profesjonell karakter skrivere Prisene på materialer varierer sterkt

Tabell 1. Fordeler og ulemper med 3D-utskrift og SSLE for fremstilling av anatomiske modeller. 3D-utskrift og SSLE finnes to anordninger for å visualisere biomedisinske tomografisk avbildning av data, og hver har en rekke styrker og svakheter i forhold til etablering av fysiske modeller av dataene.

Discussion

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.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

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.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D Laser Engraving Machine Wuhan Synpny Laser Co., Ltd. STNP-801AB4 3D Laser Engraver
3D Slicer Slicer Version 4.3.1 Surface Map Generator Program
Albira micro CT Bruker Corporation Alternatively, a PET/SPECT/CT scanner can be utilized
Autodesk Inventor Professional 2013 Autodesk, Inc. 64bit edition, 2013 RTM, Build 138 CAD program
Clinical CT data sets Saint Joseph Regional Medical Center
MeshLab Institute of the National Research Council of Italy (ISTI-CNR) Volume 1.3.4 BETA 3D Mesh Processing Program
Netfabb Studio Basic netfabb GmbH Version 4.9.0 3D Data Prepartion Software
Netfabb Studio Professional netfabb GmbH Version 5.2.1 64bit 3D Data Prepartion Software-Professional
OsiriX Lite Imaging Software Pixmeo Version 7.0.3 DICOM Imaging Software
PMOD PMOD Technologies LLC Version 3.306 Image Processing Software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Edelman, R., Warach, S. Magnetic Resonance Imaging. N. Engl. J. Med. 328, (10), 708-716 (1993).
  2. Momose, A., Takeda, T., Itai, Y., Hirano, K. Phase-contrast X-ray computed tomography for observing biological soft tissues. Nat. Med. 2, (4), 473-475 (1996).
  3. Paulus, M., Gleason, S., Kennel, S., Hunsicker, P., Johnson, D. High Resolution X-ray Computed Tomography: An Emerging Tool for Small Animal Cancer Research. Neoplasia. 2, (1), 62-70 (2000).
  4. Robb, R. 3D visualization in biomedical applications. Annu. Rev. Biomed. Eng. 1, (1), 377-399 (1999).
  5. Hsieh, J. Chapter 12, Section 1, Advanced CT Applications. Computed Tomography: Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances. 2nd ed, (2009).
  6. Robb, R. The biomedical imaging resource at Mayo Clinic. IEEE Trans. Med. Imaging. 20, (9), 854-867 (2001).
  7. Davison, C., et al. Multimodal Optical, X-Ray CT, and SPECT Imaging of a Mouse Model of Breast Cancer Lung Metastasis. Curr. Mol. Med. 13, (3), 368-376 (2013).
  8. Digital Morphology. Available from: http://www.digimorph.org (2016).
  9. Preece, D., Williams, S., Lam, R., Weller, R. "Let's Get Physical": Advantages of a physical model over 3D computer models and textbooks in learning imaging anatomy. Anat. Sci. Educ. 6, (4), 216-224 (2013).
  10. Torres, K., Staskiewicz, G., Sniezynski, M., Drop, A., Maciejewski, R. Application of rapid prototyping techniques for modelling of anatomical structures in medical training and education. Folia Morphol. 70, (1), 1-4 (2011).
  11. Camaros, E., Sanchez-Hernandez, C., Rivals, F. Make it clear: molds, transparent casts and lightning techniques for stereomicroscopic analysis of taphonomic modifications on bone surfaces. J. Anthropol. Sci. 94, 223-230 (2016).
  12. Rengier, F., et al. 3D Printing based on imaging data: review of medical applications. Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 5, (4), 335-341 (2010).
  13. Esses, S., Berman, P., Bloom, A., Sosna, J. Clinical Applications of Physical 3D Models Derived From MDCT Data and Created by Rapid Prototyping. AJR Am. J. Roentgenol. 196, (6), W683-W688 (2011).
  14. Canessa, E., Fonda, C., Zennaro, M. Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development. Low-Cost 3D Printing. (2013).
  15. Schelly, C., Anzalone, G., Wijnen, B., Pearce, J. Open-source 3-D printing technologies for education: Bringing additive manufacturing to the classroom. J. Vis. Lang. Comput. 28, 226-237 (2015).
  16. Bourke, P. Scientific Data Visualization Using Techniques Normally Reserved for more Frivolous Activities. GTSF Int. J. Comput. 4, (3), 35-41 (2015).
  17. Hardware Highlight: Stratasys Objet500 Connex. Intellectual Ventures Laboratory. Available from: http://www.intellectualventureslab.com/invent/hardware-highlight-3d-printer (2016).
  18. Stratasys Production Series. Stratays. Available from: http://www.stratasys.com/3d-printers/production-series (2016).
  19. Products Overview. MakerBot. Available from: http://store.makerbot.com/printers (2016).
  20. Evans, B. A World of 3D Printers. Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing. Apress. New York, NY. (2012).
  21. J750 Stratasys-3D printer. Aniwaa. Available from: http://www.aniwaa.com/product/3d-printers/stratasys-j750 (2016).
  22. Berman, B. 3-D printing: The new industrial revolution. Bus. Horizons. 55, 155-162 (2012).
  23. Image Transfer Laser Engraving. United States Patent. Macken, J., Palanos, P. 4,156,124 (1979).
  24. 3D Laser Engraving Machine STNDP-801AB4 . STN. Available from: http://www.stnlaser.com/products/3d-laser-engraving-machine-stndp-801ab4.html (2016).
  25. National Biomedical Imaging Archive. Available from: https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf (2016).
Skalert Anatomisk modell Opprettelse av Biomedical tomographic Imaging data og tilhørende etiketter for påfølgende under overflaten lasergravering (SSLE) over Glass Crystals
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Betts, A. M., McGoldrick, M. T., Dethlefs, C. R., Piotrowicz, J., Van Avermaete, T., Maki, J., Gerstler, S., Leevy, W. M. Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving (SSLE) of Glass Crystals. J. Vis. Exp. (122), e55340, doi:10.3791/55340 (2017).More

Betts, A. M., McGoldrick, M. T., Dethlefs, C. R., Piotrowicz, J., Van Avermaete, T., Maki, J., Gerstler, S., Leevy, W. M. Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving (SSLE) of Glass Crystals. J. Vis. Exp. (122), e55340, doi:10.3791/55340 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter