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Bioengineering

Escamas Modelo Anatómico Creation of Biomedical Tomografia de imagem e de dados associadas As etiquetas para posterior sub-superfície de gravação a laser (SSLE) de cristais de vidro

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

Summary

A metodologia é aqui descrito, para a representação de dados de imagem anatómicos dentro de cristais. Criamos escalado modelos tridimensionais de dados de imagens biomédicas para utilização em Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) de vidro de cristal. Esta ferramenta oferece um complemento útil para visualização computacional ou tridimensional modelos impressos utilizados dentro de ambientes clínicos ou educacionais.

Abstract

modalidades de imagens biomédicas, como a tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) fornecem excelentes plataformas para recolher tridimensionais conjuntos de dados de paciente ou espécime anatomia em ambientes clínicos ou pré-clínicos. No entanto, o uso de um virtual, exibição na tela limita a capacidade dessas imagens tomográficas para transmitir integralmente a informações anatômicas incorporado dentro. Uma solução é a interface de dados de imagens biomédicas definidos com tecnologia de impressão a 3D para gerar uma réplica física. Aqui detalhamos um método complementar para visualizar dados de imagens tomográficas com um modelo de mão: Sub Superfície Laser Engraving (SSLE) de vidro de cristal. SSLE oferece vários benefícios exclusivos, incluindo: a capacidade fácil para incluir etiquetas anatômicas, bem como uma barra de escala; a montagem de várias partes simplificada de estruturas complexas numa forma; alta resolução no plano X, Y, Z e aviões; e conchas semi-transparentes para visualização de subestruturas anatômicas internas. aqui we demonstrar o processo de SSLE com conjuntos de dados CT derivados de fontes pré-clínicos e clínicos. Este protocolo vai servir como um poderoso e barato nova ferramenta com a qual a visualização de estruturas anatômicas complexas para cientistas e estudantes em uma série de ambientes educacionais e de pesquisa.

Introduction

Modalidades biomédicas de imagem, como tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM) são rotineiramente utilizadas pelas comunidades médica, de pesquisa e acadêmicas para examinar de forma não invasiva as estruturas internas de seres humanos ou biológicos 1 , 2 , 3 . Na medicina moderna, esta tecnologia possibilita diagnósticos mais esclarecidos e, conseqüentemente, melhora o tratamento do paciente 4 . Em particular, a CT proporciona uma excelente oportunidade para a reconstrução 3-D devido à sua alta resolução e propriedades de voxel isotrópico (comprimento idêntico de cada borda de cubo). Além disso, estão disponíveis pacotes de software que fornecem dados biomédicos de imagem em três dimensões (3D) para funções de ordem superior, como cirurgia assistida por computador e endoscopia virtual 6 . Dentro da pesquisa pré-clínica, a imagem não destrutiva fornece uma plataforma de translaçãoem que a estudar modelos de doença em ratinhos e ratos 7. Bibliotecas digitais, tais como o banco de dados biológica Morfologia Digital (http://digimorph.org), foram preenchidos com dados CT derivadas de diferentes amostras ou estados de doença clínicos para pronto acesso pelas comunidades científicas e médicas mais amplas 8.

Neste momento, os dados de imagens biomédicas foi visualizado no espaço virtual em telas de computador, ou no espaço físico com modelos portáteis. Embora o software de computador permite que os usuários para dissecar e manipular dados, réplicas físicas são um bom complemento com excelente benefício educacional 9, 10. Os modelos tradicionais foram gerados utilizando um processo de fundição de baixo custo em que moldes básicos são preenchidos com resina, que endurece na estrutura desejada 11. modelos fundidos são passíveis de produção em massa barato, mas estão limitados a básicoestruturas que não são derivados a partir de conjuntos de dados dos pacientes. Nos últimos cinco anos, 3D impressa réplicas da anatomia humana tornaram-se cada vez mais predominante devido à alta complexidade, e muitas vezes específicas do paciente, de objectos que podem ser gerados e exibidos. Estes modelos são criados por máquinas que o depósito de líquido ou de plástico fundido em camadas de aditivo, e têm assistido médicos com diagnósticos, cirurgias complexas, o tratamento de doenças, desenho protético, e comunicação com o paciente 12, 13. Além disso, a ampla disponibilidade de impressoras 3D consumidor da classe em contextos do ensino primário, secundário e colegial serve para aumentar o impacto pedagógico do modelo anatômico arquivos compartilhados 14, 15.

No geral, a impressão 3D tem avançado consideravelmente o desenvolvimento de modelos anatômicos dentro da medicina, mas ele tem limitações. Em primeiro lugar, a criação de múltiplosmodelos anatômicos -parte pode ser um desafio desde o trabalho adicional é muitas vezes necessária para ligar digitalmente peças separadas juntos que de outra forma desmoronar 16. Além disso, a opacidade de muitos materiais impressos em 3D, em especial para máquinas de grau consumidor, impede a visualização de sub-estruturas internas adicionais que proporcionam uma visão sobre o osso de um espécime e dos tecidos moles. Além disso, extrusoras de plástico líquido ou fundido restringir a resolução de impressão em 3D. As extrusoras de impressoras profissionais são de aproximadamente 50 mm de diâmetro e permitir uma espessura de camada de 14? M, com uma resolução de até 600 pontos por polegada (DPI) no eixo X e Y e 1,600 de PPP no eixo Z 17, 18 . Em comparação, as impressoras 3D nível consumidor tem extrusores que são cerca de 400 um de diâmetro e dão uma espessura de camada de 100 um e uma resolução de mais ou menos equivalente a 42 DPI 19, 20, 21. Além disso, os custos de material elevados evitam a produção industrial em massa de realizar economias de escala 22.

Sub superfície gravação a laser (SSLE), ou gravura de cristal em 3D, utiliza um feixe de laser para formar pequenas "bolhas" ou pontos com alta precisão em milhares de X, Y, Z coordenadas dentro de um rígida de elevada pureza,, matriz cúbico, de vidro 23. Cada ponto é de 20-40? M, que produz resolução entre 800-1200 DPI 24. Além disso cada ponto é semitransparente, permitindo a visualização de sub-estruturas internas. Várias partes desconexas, estão representados na mesma cristal e material adicional não é necessária para grandes estruturas, intrincadas. Uma vez que a matriz é sólido, marcadores anatómicos e barras de escala de tamanho podem ser adicionados para melhoraro potencial educativo dos dados de imagem exibidos dentro. Aqui apresentamos um processo no qual a tomografia computadorizada por raios X de dados (gp) são formatado para SSLE cristal. Primeiro, os dados podem ser recolhidos a partir de sistemas microCT pré-clínicos comerciais, scanners clínicos de departamentos de radiologia / unis, ou provenientes de repositórios online, como a Imagem Biomédica Arquivo Nacional (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Aqui demonstramos esta abordagem com núcleo ovelhas osso, pulso fracturado, pé marcado, e cristais de pernas marcadas para ilustrar a capacidade de incorporar ambos os dados pré-clínicos e clínicos, ajustar a escala de estruturas anatómicas, e coordenar a geometria de uma estrutura com a dimensão do cristal. Dada a natureza facile de SSLE e uso já disseminado de arquivos STL em impressão 3D, a fabricação de cristais anatômicas rotuladas fornece uma, segurava a mão mão ferramenta de visualização emocionante para uso dentro das comunidades acadêmicas e de educação.

Protocol

Todos os conjuntos de dados de tomografia computadorizada humanos foram anónimos acordo com o protocolo SJRMC aprovado.

1. As amostras CT Aquisição de Dados do pré-clínicos e clínicos

  1. Realizar raios-X micro tomografia computadorizada para gerar um conjunto de dados pré-clínicos. No presente caso, usar um microCT a imagem de uma amostra de núcleo de osso com as seguintes definições: 45 kV, 0,4 mA, e 1.000 projecções. 5
  2. Reconstruir os dados brutos em alta resolução (125 um voxel isotrópico). Para aumentar ainda mais a resolução, identificar e reconstruir de 1 cm cubo com um centro na origem do volume de (10? M voxel isotrópico).
  3. Exportar os definidos no formato DICOM para processamento adicional de dados reconstruídos.
  4. Alternativamente, adquirir reconstruídos conjuntos de dados CT, tais como os do pulso quebrado e pé utilizada neste estudo, a partir colaboradores clínicos (dados mostrados aqui adquiridos de Saint Joseph Regional Medical Center) ou open-source DICOM arquivos (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. importar arquivos para o software de imagem DICOM e exportação como arquivos DICOM descompactados, se necessário.

2. Processamento de Dados

  1. Abra cada conjunto de dados DICOM (composto por todas as fatias de imagem) usando o 'Load DICOM' na configuração 'Ver' do software de processamento de imagem.
  2. Guarde cada conjunto como um NIfTI analisar, um formato de imagem estabelecida para a análise científica dos dados. Importe os arquivos NIfTI em um programa com o uso estabelecido na imagiologia médica computadorizada e segmentação automatizada para a geração de mapas de superfície (por exemplo, 3DSlicer).
  3. Fazer upload de um determinado arquivo NIfTI no programa gerador de mapas superfície com a 'Adicionar dados' ferramenta.
  4. Selecione a ferramenta 'Escala de cinza Modelo Maker' com a especificação "Criar e renomear novo modelo". Definir os valores de limiar inferior a aproximadamente 300 HU para a segmentação do osso.
  5. Salve modelos em escala de cinzacomo arquivos STL para processamento de dados adicionais.
  6. Importar cada mapa da superfície para o software de preparação de dados 3D (por exemplo, Netfabb Estúdio Basic) e selecionar o modo 'Reparar'.
  7. Use o 'Select Parte' e as ferramentas 'apagar' para eliminar todas as superfícies que não representam a estrutura de interesse.
  8. Use a ferramenta 'Adicionar Triangle' para cobrir parcialmente os buracos em superfícies e o script 'Reparo automático' para lacunas completamente restantes perto.
  9. Selecione o script 'Reparação degenerados Faces' no menu de ação para resolver bordas sem área de superfície e o 'Aplicar Reparação' script para sair do modo 'Reparar' com a parte modificada.
  10. Use a ferramenta 'Corte' para remover características indesejadas ou reduzir o tamanho do modelo. Designam o local de cada corte dentro do 'X', 'Y', ou 'Z' plano no menu 'Corte' da área do contexto.
  11. Use a ferramenta 'Executar Cut' e escolha "; Triangulate Cut' nas configurações para fechar automaticamente todos os buracos resultantes.
  12. Use o 'Select Parte' e as ferramentas 'apagar' simultaneamente para apagar todas as superfícies resultantes da corte que não representam a estrutura de interesse.
    NOTA: Se o mapa da superfície vai ser contíguo com uma barra de escala, pule a etapa seguinte. O recurso e barra de escala anatômica será escalonada ao mesmo tempo depois que eles estão unidos em um único STL.
  13. Selecione a opção 'Escala' para modificar as dimensões de cada mapa da superfície. Os modelos podem ser dilatadas (núcleo de osso) ou reduzida em dimensão (pé), ou mantida no tamanho original (punho) para se encaixar dentro de um cubo de 8 cm ou 5 cm x 5 cm x 8 cm prisma rectangular. Observe que os arquivos nesta fase podem ser enviadas para SSLE se há etiquetas ou barras de escala são desejados.

3. Anatomical Rotulagem

  1. Selecione a opção 'Novo' no menu do programa CAD (por exemplo, Autodesk Inventor Professional) tO criar uma nova pasta de trabalho usando o modelo de métrica para uma parte 'padrão (mm) .ipt'.
  2. Selecione a opção 'Criar Esboço 2D' e escolha qualquer plano. Use a ferramenta 'Texto' no menu 'Desenho' da barra de ferramentas para produzir rótulos anatômicos tipados com a fonte e o tamanho desejados (Times New Roman e 2.0 mm).
  3. Quando terminar, selecione a opção 'Finish Sketch' no menu 'Exit' da barra de ferramentas.
  4. Selecione a ferramenta 'Extrusão' no menu 'Criar' da barra de ferramentas com a opção 'Texto 2D'. Designar uma profundidade de extrusão (2,0 mm) com o ajuste simétrico.
  5. Exportar etiquetas de texto em formato CAD com a configuração 'Salvar como tipo' STL.
  6. Abra um novo livro para a produção de uma linha de etiqueta cilíndrica. Selecione a opção 'Arquivo' para criar um novo modelo de métrica com uma 'Parte padrão (mm) .ipt'.
  7. Selecione a ferramenta 'Criar Sketch 2D' e escolha qualquer plano. Use o'Ferramenta no 'ponto Círculo de menu Draw' da barra de ferramentas para produzir um círculo com um centro na origem.
  8. Utilizar a ferramenta 'dimensão' no menu 'restrição' para definir o diâmetro do círculo (1,0 mm).
  9. Quando terminar, selecione a opção 'Esboço Finish' no menu 'Exit' da barra de ferramentas.
  10. Selecione a ferramenta 'Extrude' escolhido no menu 'Criar' da barra de ferramentas com a opção 'texto 2D'. Selecione uma profundidade de extrusão (10,00 mm) com a configuração simétrica.
  11. etiquetas de exportação de texto e cilindros em formato CAD com a 'Salvar como tipo' definição .stl.

4. Fixação de Etiquetas

  1. modelos de importação, os rótulos de texto e linhas de etiquetas cilíndricas para o software de preparação de dados 3D.
  2. Traduzir legendas de texto para a esquerda ou para a direita da anatomia associada usando o 'Move Parte' ferramenta. Use a ferramenta 'Rotate Parte' para rótulos orientar tal que eles enfrentam the mesma direcção.
  3. Traduzir e girar linhas etiqueta cilíndricas utilizando o 'Move Parte' e as ferramentas 'Rotate Parte' para conectar rótulos para estruturas associadas dentro do modelo.
  4. Se necessário, entrar no modo 'Reparação' e usar o 'Select Triângulos' e 'Remover Triângulos selecionados' para reduzir o tamanho dos cilindros para o comprimento adequado.
  5. Se estiver usando a versão básica, selecione todas as partes e salvar como um projeto. Reabra este projecto na versão profissional.
  6. Na versão profissional, selecione todas as partes e exportação como uma única STL.

5. Escala Design Bar

NOTA: Existem dois tipos de barras de escala são projetados no programa CAD. O primeiro está presente na Figura 1 e compreende três barras de escala separadas, com marcas de escala em medições diferentes, encontrando-se em cada plano. O segundo, incluída na Figura 2, a Figure 3, e A Figura 4, é composto de linhas perpendiculares que encontram-se em três eixos e que convergem num canto. Siga os passos de 5,1-5,2 para começar a desenhar cada barra de escala.

  1. Criar um novo livro no programa CAD, selecionando 'Novo' e '(mm) .ipt Padrão' parte.
  2. Selecione 'Criar esboço 2D' e escolher qualquer um dos três planos para começar a trabalhar.
    NOTA: Continue com os passos 5.3-5.16 para produzir o primeiro tipo de barra de escala. As dimensões previstas foram implementados para a criação de uma barra de escala de 1 cm, com marcas de escala em incrementos de 25 mm.
  3. Usar ferramentas a 'retangular' e 'dimensão' para desenhar um rectângulo (10 mm x 0,25 mm), com uma largura que corresponde ao comprimento desejado da barra de escala (10 mm) e um comprimento de qualquer valor razoável (0,25 mm). Coloque o vértice inferior esquerdo sobre a origem de modo x-coordenadas pode ser usada para o espaçamento das marcas de escala.
  4. Para criar as marcas de escala, utilizam tele 'Retângulo' ferramenta para desenhar um retângulo diretamente acima da barra de escala. Restringir o tamanho (0,025 mm x 0,432 milímetro), com a ferramenta de 'dimensão'.
  5. Utilizando as coordenadas x, traduzir o rectângulo recém-formado de modo que se situa a uma distância desejada da borda. Esta é a parte superior da marca de escala.
  6. Para criar a parte inferior da marcação, desenhar outro rectângulo, com as mesmas dimensões que a metade superior, directamente por baixo da barra de escala. Use a ferramenta 'Alinhar' para alinhar as duas metades da marca de escala.
  7. Escolha a ferramenta 'aparar' no menu 'Modificar' e selecione a área onde a barra de escala e marcas de tique se sobrepõem. Isto irá remover o excesso de linhas e permitir que a peça a ser interpretado como um único elemento quando extrudida.
  8. Repita os passos de 5,4-5,7 para o resto das marcas de escala.
  9. Quando terminar, selecione a opção 'Esboço Finish' no menu 'Exit' da barra de ferramentas.
  10. Escolha 'Extrude' sob as 'criar' homensu e selecione a barra de escala. Determinar uma distância e a direcção de extrusão (0,25 mm e para a tela).
  11. Para criar etiquetas para as marcas de escala, escolha 'Criar esboço 2D' e selecione a barra de escala como o plano de trabalho.
  12. No menu 'Draw', selecione a opção 'Texto' ferramenta para criar texto com uma determinada fonte e tamanho (Times New Roman e 0,25 mm). Traduzir o texto a sua posição desejada ao lado da barra de escala.
  13. Quando terminar, selecione a opção 'Esboço Finish' no menu 'Exit' da barra de ferramentas.
  14. Selecione a ferramenta 'Extrude' no menu 'Criar' da barra de ferramentas com a opção '2D Text'. Designa uma profundidade de extrusão (0,25 mm) e a direcção (para a tela).
  15. Repita os passos de 5,12-5,14 para criar os outros rótulos.
  16. Exportar a barra de escala concluída em formato CAD com ajuste .stl a 'Salvar como tipo'.
    NOTA: Depois de terminar os passos 5,1-5,16, continue com os passos 5.17-5.31 para criaro segundo tipo de barra de escala. As medições fornecidas foram utilizados para criar uma barra de escala que foi de 2 cm de cada eixo e 2 mm de espessura.
  17. Selecione a ferramenta 'Retângulo' para criar um quadrado e restringir o comprimento ea largura (2 mm x 2 mm) com a ferramenta 'dimensão'. As dimensões seleccionadas neste passo vai determinar a espessura da peça.
  18. Selecione 'Finish Sketch' para voltar para a configuração modelo 3D.
  19. Em 'Criar', escolha 'Extrude' e selecione o quadrado desenhado no modo 2D Sketch. Escolher a profundidade desejada de extrusão e a direcção (20 mm e para a tela).
  20. Selecione 'Criar esboço 2D' e continuar a trabalhar no mesmo plano que o esboço anterior.
  21. Usar ferramentas a 'retangular' e 'dimensão' para desenhar um rectângulo (2 mm x 18 mm) directamente acima da praça. Combinar o comprimento do rectângulo para o comprimento do quadrado (2 mm) e a largura deve ser o tamanho desejado da barra escala menos o width do quadrado (20 mm - 2 mm = 18 mm). Pressione 'Esboço Finish' quando concluído.
  22. Em 'Criar', escolha 'Extrude' e selecione o retângulo. Introduzir uma profundidade de extrusão, o qual deve ser o comprimento do quadrado (2 mm), e seleccionar a direcção (para a tela).
  23. Gire a peça para que ele se parece com a letra 'L'. Criar um novo esboço 2D e selecione a frente do 'L' como o plano de trabalho.
  24. Desenhe um quadrado no canto dos dois retângulos usando a ferramenta 'Retângulo'. Restringir as dimensões (2 mm x 2 mm) de modo que se encaixa exactamente na esquina. Saia do esboço com a ferramenta 'Esboço Finish'.
  25. Em 'Criar', escolha 'Extrude' e selecione o quadrado recém-criado. Introduzir uma distância de extrusão, o qual deve ser o tamanho desejado da barra escala menos a largura do quadrado (20 mm - 2 mm = 18 mm). Escolha uma direção (fora da tela) e aplicar a extrusão.
  26. Para adicionar indicatin textog as dimensões da barra de escala, criar um novo desenho 2D fora de qualquer plano.
  27. Use a ferramenta 'Texto' no menu 'Draw' da barra de ferramentas para produzir uma etiqueta com a fonte desejada e tamanho (Times New Roman e 2,5 mm).
  28. Traduzir o texto a sua posição desejada ao lado da barra de escala. Sair do modo de esboço, selecionando 'Finish Sketch'.
  29. Utilizar a ferramenta 'Extrude' e inserir uma distância de extrusão que corresponde à espessura da barra de escala (2 mm) e a direcção que alinha o rótulo com a barra de escala (na tela).
  30. Repita os passos de 5,26-5,30 usando os outros planos para criar rótulos para todos os três eixos.
  31. Quando terminar, exportar a barra de escala e seus rótulos que acompanham em formato CAD com a 'Salvar como tipo' definição .stl.

6. A adição de barras de escala de modelos anatômicos

  1. Abra o modelo anatômico no software de preparação de dados 3D e importar a barra de escala.
  2. Use o '; Mova ferramentas Parte' e 'Rotate Parte' para orientar a barra de escala ao lado do modelo anatômico.
  3. Se o primeiro tipo de barra de escala foi criado, importar a parte mais duas vezes. Traduzir e girar as barras de escala individuais para que se encontra em cada eixo.
  4. Se estiver usando a versão básica, selecione todas as partes e salvar como um projeto.
  5. Abra o arquivo na versão profissional. Selecione todas as partes e exportação como uma única STL.
    Observação: As dimensões são mantidas quando mapas de superfície e barras de escala são importadas para a versão básica ou profissional. Antes da gravação, mapas de superfície, juntamente com rótulos associados e barras de escala, são dimensionadas para caber dentro dos cristais. Desde barras de escala são escalados na mesma taxa como modelos, alterações nos tamanhos de barras de escala são representativos de mudanças dimensão nas estruturas anatômicas.

7. Redução das caras

  1. Utilize a ferramenta 'Import malha' para adicionar um arquivo STL na pró-processamento de malha 3Dgrama. Ajustes serão aplicadas ao modelo de superfície e todos os componentes, incluindo texto e escala bares, uma vez que o software interpreta a malha como uma parte.
  2. Abaixo dos filtros 'e 'de remalhagem, a simplificação e reconstrução,' seleccionar a ferramenta 'quadrática Borda Fechar Dizimação' para reduzir o número de faces presentes dentro da malha.
  3. Digite o número desejado de rostos (100.000) sob o 'alvo número de rostos' e selecione 'Aplicar'. Esta operação é feita para criar um tamanho de arquivo gerenciáveis ​​para o software SSLE, e evitar tempos de gravação em excesso.
  4. Exportar o produto acabado como um STL usando o 'Export Malha como ...' configuração.

8. Modelo Gravura em Crystal

NOTA: Concluído arquivos STL são desviadas para um colaborador industrial, onde os cristais de vidro são gravados a laser para produzir modelos físicos dos dados anatômicos. Para consultas e mais assistência, plFacilidade em contato com os autores da indústria deste manuscrito.

  1. Abra o arquivo STL em um programa de software de gravação a laser e converter para um arquivo SCAX.
  2. Importar o arquivo SCAX em um pacote de software conectado à máquina de gravação a laser 3D.
  3. Definir um tamanho de cristal apropriado para a interface com o arquivo SCAX.
  4. Defina a potência do laser e digite uma tensão e densidade. Enquanto 8,5 V e 0,2 são tipicamente seleccionados para a tensão e a densidade, outras medições pode ser determinada, reduzindo a tensão e aumentar a densidade, certificando-se que o cristal não rachar ou romper.
  5. Envie o arquivo para um gravador laser 3D para a produção de cristal.

Representative Results

gravação a laser de sub-superfície de cristais de vidro é uma profunda meios para visualizar numerosos tipos de dados de imagem tomográfica biomédicas. A Figura 1 incorpora dados pré-clínicos CT, enquanto que a Figura 2, Figura 3, e A Figura 4 demonstram como tomografias clínicos também pode ser utilizado. Uma vez que as dimensões são modificados antes da gravação, estruturas de diferentes tamanhos podem ser representados através de gravação a laser. Embora a Figura 2 exemplifica como anatomias pode ser impresso para escalar, a maioria das estruturas têm de ser ajustados para cima ou para baixo. Dois tipos de barras de escala podem ser implementadas para medir as mudanças de dimensão: um que abrange os lados da estrutura e outra com os três eixos que convergem em um canto. O primeiro tipo é ideal para estruturas dilatadas, tal como o núcleo do osso, enquanto que o segundo tipo é o mais adequado para aestruturas -scale ou reduzidos. Além disso, o tamanho do cristal é emparelhada com a forma da estrutura anatómica. Como resultado, o pé foi colocada num cubo, enquanto a perna foi suspenso em um prisma rectangular.

Uma característica fundamental da gravura sub-superfície é a capacidade de anexar rótulos de texto para características anatômicas. A técnica pode ser aplicada a diversos tipos de dados de imagem, com a colocação óptima marcador dependendo da geometria da estrutura. Na Figura 2, o texto foi colocado em dois planos para o espaço as etiquetas para fora e evitar obstruir a vista da anatomia. Para a Figura 3 e Figura 4, ossos pode ser claramente visto a partir de um lado de modo que as etiquetas foram colocados num único plano.

figura 1
figura 1. CT dados pré-clínico de um conjunto de núcleo ovelhas osso, exibido virtualmente e suspenso em um cristal 3D gravada. Imaging software foi utilizado para gerar e anexar barras de escala para um mapa da superfície de um 1 cm ovelhas isotópica óssea (à esquerda). A estrutura foi submetido a um aumento de cinco vezes na dimensão ao longo de cada eixo, como indicado pelas barras de escala, e foi gravado a laser em um cristal quadrado 8 cm (à direita). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Os dados clínicos CT de um pulso quebrado com etiquetas anatómicas, exibido virtualmente e gravada em cristal. Um conjunto de dados CT clínica de um pulso humano com um raio quebrado foi convertido em um mapa da superfície por meio de software de computador. etiquetas anatômicas e uma barra de escala dois centímetros w ere gerado usando computer-aided design (CAD) e anexado ao modelo (esquerda). Um gravador a laser 3D inscrito a estrutura de um cristal cubo 8 centímetros (direita). A barra de escala manteve o seu tamanho, demonstrando o pulso foi produzido à escala. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Anatomicamente marcado pé humano com etiquetas anatómicas, exibido virtualmente e gravada em cristal. Um conjunto de dados da TC de um pé humano foi convertida em tons de cinzento com um modelo de software de imagem. Texto e uma barra de escala de 4 cm, foram criadas usando CAD e incorporado com o mapa de superfície (esquerda). O modelo foi reduzido para metade do seu tamanho e gravada a laser em um cubo de cristal de 8 cm (à direita). 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Os dados clínicos CT definidos de uma perna humana anatomicamente marcados utilizando software de computador e gravada no cristal. Os pacotes de software foram utilizados para preparar um mapa da superfície de uma tomografia computadorizada humano integral e para a seção da perna do resto do corpo. etiquetas anatómicas e uma barra de escala de 2,5 centímetros concebido com CAD foram ligados (à esquerda) e a estrutura foi gravada numa cm x 5 cm x 8 cm de cristal 5 (direita). A barra de escala no cristal ilustra a perna foi reduzida na proporção de 5: 3. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

ys "> impressao 3D Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) de cristais vantagens experiência tátil Criação de estruturas no espaço livre modelos de cores completos Geração de modelos multi-parte representação à escala possível com maior variedade de estruturas Fixação de etiquetas anatômicas material plástico sólido resistente a gotas As barras de escala suspenso no interior modelo impressoras consumidor da classe de baixo custo disponíveis Alta resolução e precisão Alta resolução de impressoras de nível profissional tempo de produção curto Fácil de ligar subunidades anatômicas separadas juntos no espaço 3D Estruturas dentro de cristal não susceptíveis a danos fora baixos custos de materiais gravadores do laser com preços moderados desvantagens Difícil ligar subunidades anatômicas separadas no espaço 3D Nenhuma experiência tátil Custo e tempo de produção variam de acordo com a complexidade Tons de cinza Mais suscetíveis a erros de produção Tamanho limitado pelo cristal As lavagens pós-produção podem ser necessários Para escala representação difícil Resolução limitada pelo extrusoras de plástico Densidade constrangidos pelo laser As peças podem chip fora do modelo Cristais podem lascar ou quebrar quando caiu impressoras de nível profissional caros Preço dos materiais variam grandemente

Tabela 1. Vantagens e desvantagens de impressão 3D e SSLE para a produção de modelos anatômicos. impressão 3D e SSLE são dois meios para visualização de dados de imagens tomográficas biomédicas, e cada um possui uma série de pontos fortes e fracos no que diz respeito à criação de modelos físicos de dados.

Discussion

conjuntos de dados pré-clínicos e clínicos adquiridos através de modalidades de imagens biomédicas têm sido fundamentais para a pesquisa moderna e avanços médicos. meios anteriores de visualização de dados biomédica incluído tela do computador e modelos físicos gerados a partir de fundição tradicional ou modernas abordagens de impressão 3D. Aqui nós descrevemos um método de cristal gravura 3D como um meio alternativo para a visualização de dados biomédicos tomográficas uma vez que gera bem definidos modelos, rotulados de uma forma simples. Estes modelos relativamente baratos podem ser amplamente utilizados como ferramentas educacionais. A utilização de gravura de cristal para representar com precisão dados anatômicos lhe confere um elevado potencial em ambientes clínicos e educacionais. A capacidade de visualizar dados em um formato físico, tridimensional supera as limitações das formas tradicionais de educação usando imagens planas ou representações virtuais 9. Alta resolução de estruturas gravadas e a fixação deetiquetas para características visíveis específicas facilitar o uso desses modelos para a educação do paciente ou estudante. Além disso, essa modalidade oferece a capacidade de identificar e observar causas e aspectos de estados de doença dentro de um espécime. Por exemplo, a classificação e a localização de uma fractura óssea, tal como o pulso fracturado observado na Figura 2, proporciona uma compreensão mais completa da relação de estados de doença e outros sinais aparentes fisicamente e / ou sintomas do paciente.

Através de gravura de cristal 3D, conjuntos de dados CT pré-clínicos e clínicos foram representados como estruturas físicas inscritas dentro de cristais. Dados pré-clínicos CT foram adquiridos usando um scanner microCT, enquanto as imagens clínicos CT foram recolhidas a partir de fontes radiológicos clínicos. Antes de mais processamento, os dados de imagem clínica é convertido para arquivos DICOM descompactados via software de imagem. programas de software posteriores transformar arquivos DICOM reconstruídas em mapas de superfície. Alteração destes mapas de superfície e geração de rótulos e barras de escala anatômica são realizadas com software de preparação de dados e desenho assistido por computador (CAD). arquivos STL concluídas são reduzidos e convertidos para SCAX arquivos. Depois do tamanho do cristal e potência do laser são definidos, os arquivos são lidos por uma máquina de gravação a laser 3D que cria as estruturas anatômicas de forma livre em cristal.

O processo descrito acima pode ser aplicado a vários conjuntos de dados clínicos e pré-clínicos. Embora os conjuntos de dados de CT foram implementadas neste projecto, é possível que os dados obtidos a partir de outras modalidades de imagem podem ser visualizados em cristal, incluindo a ultra-som 3D (EUA), Imagem por Ressonância Magnética (MRI), e Positron Emission Tomography (PET). Além disso, outras estruturas anatómicas humanas e espécimes biológicos pode ser representada por imagem e representadas neste meio. No entanto, os cristais têm tamanhos e estruturas predeterminadas terá de ser cortado ou dimensionado em conformidade. É aconselhável para coincidir com the geometria da peça anatômica com o tamanho do cristal. Por exemplo, uma perna melhor se encaixa numa atmosfera de 5 cm x 5 cm x 8 cm sólido rectangular (Figura 4), enquanto que um pé é adequado para um cubo de 8 centímetros (Figura 3). Alterações no tamanho, fonte, ea espessura do texto pode ser realizado em software CAD. Além disso, é melhor colocar rótulos em um ou dois planos, a fim de ler claramente rótulos sem obstruir a visão da anatomia quando girar o cristal para outros rostos.

Dois outros factores devem ser considerados quando se realiza SSLE de dados anatómica: o número de caras dentro de um mapa da superfície, e o tamanho de cada ponto que é gravada a laser no cristal. Esses fatores afetam o número eo tamanho dos pontos que irão absorver a luz incidente e, portanto, potencialmente aumentam ou diminuem a partir de uma dada visualização SSLE. Primeiro, o número de faces, que é diretamente proporcional ao número de pontos no espaço 3D,vai influenciar tanto a resolução global e "Brilho / Contraste" do modelo apresentado. Em cada um dos exemplos aqui apresentados, o ficheiro STL completada foi reduzida para 100.000 rostos sem aparente degradação do produto cristal resultante, independentemente do seu tamanho ou ampliação. O brilho / contraste geral também era aceitável utilizando esta abordagem. O valor 100.000 é o intervalo seguro para o gravador usado para não sobrecarregar o software e hardware. No entanto, em alguns casos, rostos adicionais podem ser necessários para exibir corretamente um determinado conjunto de dados, e estes arquivos podem ser considerados experimentais até concluída com êxito. Além disso, o tamanho de cada ponto que é "queimado" para o cristal pode ser ajustado através da voltagem e "densidade" valores de entrada do gravador para melhorar o contraste de brilho de saída. Nos presentes processos, os valores padrão de Voltagem: foram seleccionados 0,2: 8,5 e densidade. Embora estes valores representam um ponto de partida, que pode ser alterado de umaTentativa e erro para melhorar a visualização de dados conforme necessário.

Há uma série de vantagens da utilização de gravura de cristal 3D para a exibição de dados de imagens pré-clínicas e clínicas. Cristais são normalmente produzidos em menos de 30 minutos, enquanto 3D estruturas impressas podem exigir várias horas, dependendo do seu tamanho e complexidade 16 , 20 , 22 . A gravação a laser pode ser usada para representar estruturas suspensas sem o uso de suporte, facilitando a produção de características intrincadas ou pendentes da anatomia sem reduzir a precisão com material adicional 16 . Com uma resolução de 800-1.200 DPI e uma precisão inferior a 10 μm, estes modelos assemelham-se aos dados médicos 24 . Enquanto as impressoras 3D de grau profissional têm uma resolução semelhante de aproximadamente 600 DPI no XY e 1.600 DPI no Z, elas são geralmente menos accura (20-200 pm) 17, 19, 20 (Tabela 1).

gravura cristal 3D possui forte potencial, mas é limitada em algumas áreas. Como os dados são gravados dentro de cristal, os usuários não podem ter uma experiência tátil com as partes anatômicas. Para escala representações são difíceis de produzir como os dados são tipicamente ajustados para cima ou para baixo para se encaixar nos cristais. Além disso, o laser só pode gravar em escala de cinza com um contraste mínimo. A densidade da estrutura também é limitada pela capacidade do laser para processar os dados. A estabilidade global de cristais é uma vantagem para o uso potencial durante vários anos, mas o vidro sólido pode não resistir a cair em superfícies duras (Tabela 1).

Apesar destas limitações, gravura de cristal 3D mantem um valor significativo como um meio para a visualização de dados biomédicos. Apesar de começarapoio material e precisam ser levados em conta com impressoras 3D, esses aspectos não precisa ser considerado para gravação a laser. peças complexas mais, como o pé humano, pode ser representado como um resultado. Embora o tempo de produção aumenta ligeiramente com estruturas mais complexas, sem material adicional é necessário e o custo do modelo permanece o mesmo. A capacidade do laser para queimar vidro de uma maneira ponto-a-ponto produz estruturas que mostrar os detalhes de dados biomédicos, como observado no raio quebrado na Figura 2 de alta definição. Além disso, a colocação destas estruturas no interior dos cristais torna resistente aos danos do lado de fora. Ao contrário de plásticos sólidos utilizados em muitas plataformas de impressão em 3D, as superfícies de vidro translúcido permitir estruturas internas a ser visualizada de uma forma simples. Uma das mais poderosas ferramentas de gravura 3D de cristal é a sua capacidade para identificar partes individuais, e também adicionar uma barra de escala para referência de tamanho. estetécnica adiciona valor educativo substancial para os cristais como estudantes de todos os níveis podem aprender anatomia e interagir com dados clínicos, dois componentes valiosos da educação biológica e médica, em um modelo. Combinado com a capacidade de mantê-los na palma de uma mão e visualizar estruturas em uma variedade de ângulos, rotulagem reforça significativamente o valor educacional destes modelos. Como resultado, cristais 3D gravado tem ampla aplicabilidade para uso em cursos de anatomia, prática clínica e educação geral.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Agradecemos ao College of Science Verão Graduação Research Fellowship (SURF) pelo apoio financeiro deste projecto. Os autores também agradecer ao Prof. Glen Niebur, da Universidade de Notre Dame, para fornecer amostras de osso (detalhado acima) utilizados neste estudo.

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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Escamas Modelo Anatómico Creation of Biomedical Tomografia de imagem e de dados associadas As etiquetas para posterior sub-superfície de gravação a laser (SSLE) de cristais de vidro
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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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