Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла

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

Summary

Методика описана в настоящий документ для представления данных анатомических изображений внутри кристаллов. Мы создаем масштабируется трехмерные модели данных биомедицинских изображений для использования в подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) хрустального стекла. Этот инструмент предлагает полезное дополнение к вычислительному дисплею или трехмерно печатные моделям, используемых в клинических или образовательных учреждениях.

Abstract

Медико-биологические методы визуализации, такие как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная (МР) обеспечивают превосходные платформы для сбора трехмерных наборов данных пациента или образца анатомии в клинической или доклинической настройке. Тем не менее, использование виртуального, на экране дисплея ограничивает способность этих томографических изображений в полной мере передать анатомическую информацию внедренной внутри. Одним из решений являются интерфейс биомедицинских данных изображений, установленных с помощью технологии 3D-печати для создания физической реплики. Здесь мы подробно дополнительный способ для визуализации данных томографических изображений с ручной модели: Суб поверхности лазерной гравировки (SSLE) кристаллического стекла. SSLE предлагает несколько уникальных преимуществ в том числе: легкому способности включать анатомические метки, а также масштабную линейку; обтекаемая многочастная сборка сложных структур в одной среде; высокое разрешение в X, Y, Z и плоскостей; и полупрозрачные оболочки для визуализации внутренних анатомических подструктур. Здесь ше продемонстрировать процесс SSLE с наборами КТ данных, полученных из доклинических и клинических источников. Этот протокол будет служить в качестве мощного и недорогого нового инструмента, с помощью которой для визуализации сложных анатомических структур для ученых и студентов в ряде учебных и исследовательских установок.

Introduction

Медико - биологические методы визуализации , такие как компьютерная томография (КТ) или магнитно - резонансной томографии (МРТ) , которые обычно используются в медицинских, научных исследований и научных кругов к неинвазивным изучить внутренние структуры человека или биологических объектов 1, 2, 3. В современной медицине, эта технология позволяет более обоснованные диагнозы и, следовательно, улучшение лечения пациента 4. В частности, КТ дает прекрасную возможность для реконструкции 3-D из-за его высокой разрешающей способностью и изотропными свойствами вокселей (одинаковой длины каждого ребра куба). 5 Кроме того, программные пакеты доступны , которые делают данные биомедицинской визуализации в трех измерениях (3D) для функций высшего порядка , как автоматизированная хирургия и виртуальной эндоскопия 6. В доклинических исследованиях, неразрушающие изображения обеспечивают поступательную платформуна котором для изучения модели заболевания у мышей и крыс 7. Цифровые библиотеки, такие как биологическая база цифровой Морфология (http://digimorph.org), были заполнены данными КТ , полученных из различных образцов или клинических состояний заболевания для оперативного доступа широких научных и медицинских сообществами 8.

В настоящее время данные биомедицинской визуализации были визуализированы в виртуальном пространстве на экране компьютера или в физическом пространстве с ручными моделями. В то время как компьютерная программа позволяет анализировать и обрабатывать данные, физические реплики являются хорошим дополнением с отличной образовательной выгодой 9, 10. Традиционные модели были получены с использованием процесса литья низкой стоимости , в которой основные формы заполнены смолой , которая затвердевает в желаемую структуру 11. Литые модели поддаются производство недорогих масс, но ограничены основнымиструктуры, которые не вытекают из наборов данных пациента. За последние пять лет, 3D напечатаны копии анатомии человека становятся все более распространенными из-за высокой сложности, и часто пациент-специфические объекты, которые могут быть получены и отображены. Эти модели создаются с помощью машин , которые откладываются жидкость или расплавленный пластик в дополнительных слоях, и помощь врачам с диагнозами, сложными хирургическими вмешательствами, лечением заболеваний, ортопедической конструкцией и коммуникациями 12 пациентов, 13. Кроме того, широкое распространение потребительского класса 3D принтеров в пределах настроек первичных, вторичных и коллегиальных школы служит для повышения педагогического воздействия общей анатомической модели файлов 14, 15.

В целом, 3D печать значительно продвинули развитие анатомических моделей в медицине, но у него есть ограничения. Во-первых, создание мульти-часть анатомические модели могут быть сложной задачей , так как дополнительная работа часто требуется , чтобы в цифровой форме связать отдельные части вместе , которые в противном случае могут развалиться 16. Кроме того, непрозрачность многих 3D печатных материалов, особенно для потребительского класса машин, препятствует визуализации внутренних вспомогательных структур, которые обеспечивают дополнительное представление о кости образца и мягких тканях. Кроме того, жидкие или расплавленные пластиковые экструдеры ограничивают разрешение 3D отпечатков. Экструдеры профессиональных принтеров примерно 50 мкм в диаметре и позволяют при толщине слоя 14 мкм, с разрешением до 600 точек на дюйм (DPI) в X и Y оси и 1600 DPI в Z осей 17, 18 , Для сравнения, потребительского класса 3D принтеры имеют экструдеры, которые около 400 мкм в диаметре и дают толщину слоя 100 мкм и разрешением примерно эквивалентно 42 DPI 19, 20, 21. Кроме того, высокие материальные затраты предотвращения массового промышленного производства от достижения экономии масштаба 22.

Суб поверхности лазерной гравировки (SSLE), или 3D кристалл гравировки, использует лазерный луч для формирования малых «пузырьки» или точек с высокой точностью на тысячи X, Y, Z координаты внутри жесткой, высокой чистоты, кубической, стеклянная матрица 23. Каждая точка составляет 20-40 мкм, что дает разрешение между 800-1200 DPI 24. Кроме того, каждая точка является полупрозрачным, что позволяет визуализировать внутренние подструктур. Множественные, разъединенные части представлены в том же самом кристалле, и дополнительный материал не требуется для больших, сложных структур. Так как матрица является твердой, анатомической этикетка и размера масштаб полоса могут быть добавлена ​​для повышенияобразовательный потенциал визуализации данных, отображаемых в. Здесь мы приводим процесс, в котором рентгеновской компьютерной томографии данных (CT) отформатированы для кристалла SSLE. Во-первых, данные могут быть получены от коммерческих доклинических систем microCT, клинических сканеров от радиологических отделений / UNIS, или получены из интернет-хранилищ, таких как Национальный биомедицинской визуализации Архив (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Здесь показано , этот подход с овец кости сердечника, переломом запястья, меченного стопы, и меченых кристаллов ног , чтобы проиллюстрировать способность включать как доклинические и клинические данные, регулировать масштаб анатомических структур, и координатной геометрии структуру с размером кристаллов. Учитывая легкое характера SSLE и уже широко распространенное использование STL файлов в 3D-печати, изготовление меченых анатомических кристаллов обеспечивает захватывающий, ручной Ручной инструмент визуализации для использования в научных и образовательных сообществах.

Protocol

Все наборы данных томографии человека вычислен были анонимными в соответствии с утвержденным протоколом SJRMC.

1. КТ сбора данных доклинических и клинических образцов

  1. Проведение микро рентгеновского компьютерной томографии для создания доклинического набора данных. В данном случае, использовать microCT к изображению сердечника кости образца со следующими параметрами: 45 кВ, 0,4 мА, и 1000 проекций. 5
  2. Восстанавливают необработанные данные с высоким разрешением (125 мкм изотропных вокселей). Для дальнейшего увеличения разрешения, идентифицировать и восстановить 1 см куб с центром в начале координат тома (10 мкм изотропных вокселей).
  3. Экспорт реконструированного набор данных в формате DICOM для дополнительной обработки.
  4. Кроме того, приобрести восстановленные наборы данных КТ, такие как сломанного запястья и стопы, используемой в данном исследовании, от клинических сотрудников (данные, показанные здесь, полученных из Санкт-Джозеф Региональный медицинский центр) или с открытым исходным кодом DICOM архивы (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Импорт файлов в программе обработки изображений DICOM и экспорт в распакованных файлов DICOM, если это необходимо.

2. Обработка данных

  1. Откройте каждый набор данных DICOM (состоящий из всех срезов изображения) с помощью «Загрузить DICOM» в поле «Вид» настройках программного обеспечения для обработки изображений.
  2. Сохраните каждый набор данных в качестве NIfTI анализа, установленного формата изображения для научного анализа. Импорт файлов NIfTI в программу с установленным использования в медицинской визуализации , вычисленной и автоматизированной сегментации для генерации поверхностных карт (например, 3DSlicer).
  3. Загрузить данную NIfTI файл в программу генератора поверхности карты с «Add Data» инструмента.
  4. Выберите «Grayscale Model Maker» инструмент со спецификацией «Создание и переименуйте новую модель». Установить нижние пороговые значения примерно 300 HU для сегментации кости.
  5. Сохранить в оттенках серой моделикак файлы STL для дальнейшей обработки данных.
  6. Импортировать каждую карту поверхности в подготовке данных программного обеспечения 3D (например Netfabb студии Basic) и выберите режим «Repair».
  7. Используйте «Select Part» и «Удалить» инструменты, чтобы удалить все поверхности, которые не представляют структуру интереса.
  8. Используйте инструмент «Добавить треугольника» для частичного покрытия отверстий в поверхности и «Автоматическое восстановление» сценарий полностью закрыть оставшиеся пробелы.
  9. Выберите сценарий «Ремонта вырожденной лики» в меню действий для решения краев без площади поверхности и «Применить» Ремонт сценария для выхода из режима «Ремонта» с измененной частью.
  10. Используйте «Вырезать» инструмент для удаления нежелательных особенностей или уменьшить размер модели. Обозначить местоположение каждого разреза в пределах «X», «Y» или «Z» плоскости в меню «Вырезать» из области контекста.
  11. Используйте инструмент «Выполнить Cut» и выберите "; Triangulate Cut»в настройках, чтобы автоматически закрывать все полученные отверстия.
  12. Используйте «Select Part» и «Удалить» инструменты одновременно, чтобы удалить все поверхности в результате разреза, которые не представляют структуру интереса.
    Примечание: Если карта поверхности будет примыкать с масштабной линейкой, пропустите следующий шаг. Анатомическая особенность и Шкала будет масштабироваться одновременно после того, как они объединены в едином STL.
  13. Выберите опцию «Масштаб», чтобы изменить размеры каждой поверхности карты. Модели могут быть расширены (ядро кости) или уменьшены в размерности (фут) или поддерживаются на уровне первоначального размера (запястья), чтобы соответствовать в пределах 8 см кубы или 5 см х 5 см х 8 см прямоугольная призмы. Обратите внимание, что файлы на данном этапе могут быть отправлены на SSLE, если нет метки или масштаб полосы не желательны.

3. Анатомический Этикетировочное

  1. Выберите «New» опцию в меню программы САПР (например, Autodesk Inventor Professional) то создании новой рабочей книги, используя метрический шаблон для «Standard (мм) .ipt» части.
  2. Выберите опцию «Создать 2D эскиз» и выбрать любой самолет. С помощью инструмента «Текст» в меню «Draw» на панели инструментов для создания типизированных анатомических этикетки с нужным шрифтом и размером (Times New Roman и 2,0 мм).
  3. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
  4. Выберите «Extrude» инструмент из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции «2D Text». Назначить глубину экструзии (2,0 мм) с симметричной установкой.
  5. Экспорт текста этикетки в формате CAD с настройкой «Сохранить как тип» STL.
  6. Откройте новую книгу для производства линии цилиндрической этикетки. Выберите опцию «Файл», чтобы создать новый метрический шаблон с «Standard (мм) .ipt» частью.
  7. Выберите «Создать 2D эскиз» инструмент и выбрать любую плоскость. Используйте «Центр«Инструмент в„пункте Круг меню Draw“на панели инструментов, чтобы получить круг с центром в начале координат.
  8. С помощью инструмента «размерности» в меню «Constraint», чтобы установить диаметр круга (1,0 мм).
  9. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
  10. Выберите «Extrude» инструмент, выбранный из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции "2D текста. Выберите глубину экструзии (10,00 мм) с симметричной установкой.
  11. этикетки Экспорт текста и цилиндры в формате CAD с «Сохранить как» настройка .stl.

4. Крепление этикеток

  1. Импорт модели, текстовые метки и цилиндрические этикетки линия в программное обеспечение подготовки данных 3D.
  2. Перевести текстовые метки на левой или правой части, связанной с использованием анатомии «Move Part» инструмент. Используйте инструмент в «Повернуть часть» ориентируют лейбла, что они сталкиваются с гое же направление.
  3. Перевести и вращать цилиндрические линии этикетки с помощью «Move Part» и инструменты «Повернуть часть» для подключения метки к соответствующим структурам в рамках модели.
  4. При необходимости войти в режим «Repair» и использовать «Select Треугольники» и «Удалить выбранные Треугольники», чтобы уменьшить размер цилиндров на соответствующую длину.
  5. При использовании базовой версии, выберите все части и сохранить в качестве проекта. Затем вновь открыть этот проект в профессиональной версии.
  6. В профессиональной версии, выберите все детали и экспортировать как единый STL.

5. Шкала Bar Design

Примечание: Два типа шкалы баров разработаны в программе CAD. Первое присутствуют на фиг.1 , и включает в себя три отдельных масштабных линеек, с делениями на отдельных измерениях, лежащие на каждой плоскости. Второй, включенных в фиг.2, фигЮр 3, 4 и рис, состоит из перпендикулярных линий , лежащих на трех осей и сходящихся на углу. Выполните шаги 5.1-5.2, чтобы приступить к разработке каждой масштабной линейки.

  1. Создать новую книгу в программе CAD, выбрав «New» и «Standard (мм) .ipt» часть.
  2. Выберите «Создать 2D эскиз» и выбрать любой из трех плоскостей, чтобы начать работать.
    Примечание: Продолжайте шаги 5.3-5.16 для создания первого типа масштабной линейки. Размеры были реализованы предусмотренные для создания масштабной линейки 1 см с делениями с шагом 25 мм.
  3. Использование инструментов в «Прямоугольник» и «размерности», чтобы нарисовать прямоугольник (10 мм х 0,25 мм) с шириной, соответствующей требуемой длиной шкалы бара (10 мм) и длиной любой разумной стоимости (0,25 мм). Поместите левую нижнюю вершину на нуле, так х-координаты могут быть использованы для расстояния между отметками.
  4. Чтобы создать засечки, использовать тон Прямоугольник "инструмент, чтобы нарисовать прямоугольник прямо над масштабной линейкой. Ограничить размер (0.025 мм х 0.432 мм) с помощью инструмента «Измерение».
  5. Используя й-координату, перевести вновь образованный прямоугольник, так что лежит на нужном расстоянии от края. Это верхняя часть знака клеща.
  6. Чтобы создать в нижней части знака клеща, нарисуйте еще один прямоугольник, с теми же размерами, как в верхней половине, непосредственно ниже шкалы. Используйте «Align» инструмент для выравнивания две половинки знака клеща.
  7. Выберите «Обрезать» инструмент в меню «Изменить» и выберите область, где масштаб бар и засечки перекрытия. Это позволит удалить избыточные линии и позволить части должны интерпретироваться в качестве одного признака при экструзии.
  8. Повторите шаги 5.4-5.7 для остальных отметок.
  9. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
  10. Выберите «Extrude» под «Создать» мужчини и выбрать масштабную линейку. Определить экструзионное расстояние и направление (0,25 мм и на экран).
  11. Чтобы создавать этикетки для отметок, выберите «Создать 2D эскиз» и выберите шкалу масштаба в качестве рабочей плоскости.
  12. В меню «Draw», выберите инструмент «Текст», чтобы создать текст с определенным шрифтом и размером (Times New Roman и 0,25 мм). Перевести текст в желаемом положение рядом с масштабной линейкой.
  13. Когда закончите, выберите опцию «Finish Sketch» ​​в меню «Выход» на панели инструментов.
  14. Выберите «Extrude» инструмент из меню «Создать» на панели инструментов с помощью опции «2D Text». Назначить глубину экструзии (0,25 мм) и направление (на экран).
  15. Повторите шаги 5.12-5.14 для создания других меток.
  16. Экспорт завершенной масштабной линейки в формате CAD с настройкой «Сохранить как тип» .stl.
    Примечание: После окончания действия 5.1-5.16, выполните шаги 5.17-5.31 для созданиявторой тип масштабной линейки. Измерения, предоставляемые были использованы для создания масштабной линейки, который был на 2 см по каждой оси и толщиной 2 мм.
  17. Выберите «Rectangle» инструмент, чтобы создать квадрат, ограничивая длину и ширину (2 мм х 2 мм) с помощью инструмента «размерности». Размеры, выбранные на этом этапе будет определять толщину детали.
  18. Выберите «Finish Sketch», чтобы вернуться к настройке 3D-модели.
  19. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите квадрат, сделанный в режиме 2D эскиз. Выберите нужную глубину экструзии и направление (20 мм и на экран).
  20. Выберите «Создать 2D эскиз» и продолжать работать на одной и той же плоскости, что и предыдущий эскиз.
  21. Использование инструментов «Зона» и «» размерности нарисовать прямоугольник (2 мм х 18 мм) непосредственно над площадью. Соответствует длине прямоугольника к длине квадрата (2 мм), а ширина должна быть желаемым размером шкалы бара минус WIDго квадрата (20 мм - 2 мм = 18 мм). Нажмите «Finish Sketch», когда завершена.
  22. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите прямоугольник. Ввести глубину экструзии, которая должна быть длиной квадрата (2 мм), и выбрать направление (в экран).
  23. Поверните часть так, что она выглядит как буква «L». Создайте новый 2D эскиз и выберите фронт «L» в качестве рабочей плоскости.
  24. Нарисуйте квадрат на углу двух прямоугольников с помощью «Прямоугольник» инструмент. Ограничить размеры (2 мм х 2 мм), так что он точно подходит в углу. Закройте эскиз с инструментом «Готово эскиз».
  25. В разделе «Создать», выберите «Extrude» и выберите только что созданный квадрат. Ввести расстояние экструзии, который должен быть желаемый размер шкалы бара минус ширина квадрата (20 мм - 2 мм = 18 мм). Выберите направление (из экрана) и применить выдавливание.
  26. Для того, чтобы добавить текст indicatinг размеров масштабной линейки, создайте новый 2D эскиз от любой плоскости.
  27. С помощью инструмента «Текст» в меню «Draw» на панели инструментов, чтобы получить метку с желаемым и размера шрифта (Times New Roman и 2,5 мм).
  28. Перевести текст в желаемом положение рядом с масштабной линейкой. Выход из эскиза режим, выбрав «эскиз».
  29. Использовать «Extrude» инструмента и введите расстояние экструзии, который соответствует толщине масштабной линейки (2 мм) и направления, которое выравнивает этикетку со шкалой баром (в экран).
  30. Повторите шаги 5.26-5.30, используя другие самолеты, чтобы создать ярлыки для всех трех осей.
  31. После завершения экспорта масштабной линейки и сопровождающие его этикетки в формате CAD с «Сохранить как» настройка .stl.

6. Добавление масштабной линейки анатомических моделей

  1. Откройте анатомическую модель в программе подготовки данных 3D и импортировать масштабную линейку.
  2. Использовать '; Перемещение инструментов Часть»и„Повернуть часть“ориентировать масштабную линейку рядом с анатомической модели.
  3. Если был создан первый тип масштабной линейки, импортировать ту часть еще два раза. Перевести и вращать отдельные масштабные линейки так один лежит на каждой оси.
  4. При использовании базовой версии, выберите все части и сохранить в качестве проекта.
  5. Откройте файл в профессиональной версии. Выберите все части и экспорт как единый STL.
    Примечание: Размеры сохраняются при карте поверхности и масштабные линейки импортируются в основную или профессиональную версию. До гравировки на поверхности карты, наряду с соответствующими этикетками и масштабные линейки, масштабируется, чтобы поместиться внутри кристаллов. Так как масштабные линейки масштабируются с той же скоростью, как модели, изменения в размерах масштабных линеек являются репрезентативными изменениями размеров в анатомических структурах.

7. Снижение граней

  1. Используйте инструмент «Import Mesh», чтобы добавить файл .stl в 3D сетки обработки профиграмм. Корректировки будут применяться к поверхности модели и всех компонентов, в том числе текстовые и масштабные линейки, так как программное обеспечение интерпретирует сетки в одной части.
  2. В разделе «Фильтры» и «перестройку сетки упрощении и реконструкции,» выберите инструмент «Квадратное Край Collapse ДЕЦИМАЦИЯ», чтобы сократить число лиц, присутствующих в сетке.
  3. Введите нужное число граней (100000) под «Target числа граней» и выберите «Применить». Эта операция выполняется для создания управляемой размер файла для программного обеспечения SSLE и предотвратить излишние раз гравирования.
  4. Экспорт готового продукта в виде STL с использованием 'Экспорт сетки As ... установка.

8. Модель Гравировка в кристалле

Примечание: Завершены файлы STL направляется в промышленный соавтор, где кристаллы стекли лазерные гравировку для создания физических моделей анатомических данных. Для запросов и дальнейшей помощи, пллегкость связаться с авторами промышленности этой рукописи.

  1. Откройте файл STL в программу лазерной гравировки и конвертировать в файл SCAX.
  2. Импорт файла SCAX в пакете программного обеспечения, подключенного к 3D лазерной гравировки.
  3. Определить размер кристалла, подходящий для взаимодействия с файлом SCAX.
  4. Установите мощность лазера и ввести напряжение и плотность. В то время как 8,5 В и 0,2, как правило, выбирают для напряжения и плотности, другие измерения могут быть определены путем снижения напряжения и увеличения плотности, убедившись, что кристалл не растрескивается или сломаться.
  5. Отправить файл в 3D лазерного гравера для производства кристаллов.

Representative Results

Подпочвенная лазерная гравировка стеклянных кристаллов является глубоким средством для наглядного многочисленных типов биомедицинских данных томографических изображений. Рисунок 1 включает в себя доклинические данные КТ, в то время как на фиг.2, фиг.3, 4 и рис демонстрируют , как можно использовать также клинические КТ. Так как размеры изменяются до гравировки, структуры разных размеров могут быть представлены с помощью лазерной гравировки. Хотя на 2 иллюстрирует , как анатомия может быть распечатана в масштабе, большинство структур должны быть расширены вверх или вниз. Два типа шкалы баров может быть реализован для измерения изменений размеров: один, который охватывает стороны структуры, а другое с тремя осями сходящихся в угле. Первый тип идеально подходит для расширенных структур, таких как ядро ​​кости, в то время как второй тип лучше всего подходит для кКрупномасштабные или уменьшенные структуры. Далее размер кристалла в паре с формой анатомической структуры. В результате нога была помещена в кубе в то время как нога была приостановлена ​​в прямоугольной призме.

Ключевая особенность подповерхностных гравировки является возможностью прикрепить текстовые метки с анатомическими особенностями. Метод может быть применен к различным типам данных изображений, с размещением оптимальной этикетки в зависимости от геометрии конструкции. На рисунке 2, текст был размещен на два плоскостей в пространство этикетки, и избежать препятствий вида анатомии. На рисунке 3 и рисунке 4, кости могли быть четко рассматривать с одной стороны , так что этикетки были размещены на одной плоскости.

Рисунок 1
Рисунок 1, Доклинические данные КТ основного набора овец кости, отображаются практически и суспендировали в 3D выгравирован кристалл. Программное обеспечение визуализации было использовано для создания и прикрепить масштабные линейки к поверхности карты в 1 см изотопных овец костей (слева). Структура претерпела увеличение в пять раз в измерении вдоль каждой оси, как показано масштабные линейки, и был лазерной гравировкой в ​​8 см квадратный кристалл (справа). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

фигура 2
Рисунок 2. Клинические данные КТ разбитого запястье с анатомическими этикетками, отображаются практически и выгравированы в кристалле. Клинический набор данных КТ человеческого запястья с переломом радиусом был преобразован в поверхности карту с помощью компьютерного программного обеспечения. Анатомические этикетки и Шкалы 2 см ш ERE генерируется с использованием системы автоматизированного проектирования (CAD) и прилагается к модели (слева). Лазерный гравер 3D вписан в структуру куба кристалла 8 см (справа). Шкалы сохранили свой размер, демонстрируя запястье было произведено в масштабе. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Анатомически меченный нога человека с анатомическими этикетками, отображается практически и выгравирован в кристалле. Набор данных КТ нога человека была преобразована в модель в оттенках серого с программным обеспечением визуализации. Текст и масштаб бар на 4 см были созданы с использованием CAD и включены с поверхности карты (слева). Модель была уменьшена до половины его размера и лазерной гравировкой в ​​кристаллической куб 8 см (справа). 55340 / 55340fig3large.jpg»целевых =„_blank“> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Клинические данные КТ набор человеческой ноги анатомически помечены с использованием компьютерного программного обеспечения и выгравированы в кристалле. Пакеты программного обеспечения были использованы для подготовки карты поверхности от полной человека КТ и раздел ноги от остальной части тела. Анатомические этикетки и Шкалы 2,5 см разработан с CAD были прикреплены (слева) и структура была выгравирована в см х 5 см х 8 см кристалла 5 (справа). Шкалы в кристалле иллюстрирует нога была уменьшена в соотношении 5: 3. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

YS "> 3D печать Sub-Surface для лазерной гравировки (SSLE) кристаллов преимущества Тактильный опыт Создание структур в свободном пространстве Цветные модели Генерация моделей нескольких частей Для масштаба представления можно с большим разнообразием структур Крепление анатомических ярлыков Твердый пластиковый материал устойчив к перепадам Шкала бары подвешены в модели принтеры Недорогая потребительского класса доступны Высокое разрешение и точность Высокое разрешение профессионального класса принтеров Короткие сроки изготовления Легко связать отдельные анатомические субъединицы вместе в 3D-пространстве Структуры внутри кристалла не восприимчивы к внешнему повреждению Низкие материальные затраты Лазерные граверы по умеренным ценам Недостатки Трудно связать отдельные анатомические субъединицы в 3D-пространстве Нет тактильный опыт Стоимость и время производства меняются в зависимости от сложности Оттенки серого Более восприимчивы к ошибкам производства Размер кристалла ограничено Пост-продакшны промывки могут быть необходимыми Для масштаба представления трудно Разрешение ограничено пластиковых экструдеров Плотность ограничена с помощью лазера Части могут чип от модели Кристаллы могут чип или ломаться при падении Дорогостоящие принтеры профессионального уровня Цены на материалы сильно различаются

Таблица 1. Преимущества и недостатки 3D печати и SSLE для производства анатомических моделей. 3D печать и SSLE два средств для визуализации биомедицинских данных томографических изображений, и каждый обладает рядом сильных и слабых сторон в отношении создания физических моделей данных.

Discussion

Доклинические и клинические наборы данных, полученные с помощью методов биомедицинской визуализации играют важную роль в современных исследованиях и медицинских достижений. Прежние средства визуализации биомедицинских данных включали дисплей компьютера и физические модели, полученные от традиционного литья или современных подходов 3D печати. Здесь мы опишем метод 3D гравировки кристалла в качестве средства альтернативы для визуализации томографических биомедицинских данных, поскольку она генерирует хорошо определенные модели, меченные в простой форме. Эти относительно недорогие модели могут быть широко использованы в качестве учебных пособий. Использование кристаллов гравировки для точного представления анатомических данных дает ему высокий потенциал в клинических и образовательных учреждениях. Способность визуализировать данные в физическом, трехмерном формате преодолевает ограничения традиционных форм обучения с использованием плоских изображений или виртуальных визуализаций 9. Высокое разрешение гравированных структур и прикреплениеэтикетки для конкретных видимых признаков облегчения использования этих моделей для пациента или обучения студентов. Кроме того, этот метод дает возможность выявлять и наблюдать причины и аспекты болезненных состояний в образце. Например, классификация и расположение перелома кости, как перелом запястья отмечено на рисунке 2, обеспечивает более полное понимание соотношения болезненных состояний и других физически очевидных признаков и / или симптомов пациента.

Через 3D кристаллической гравировки, доклинические и клинические наборы данных КТ были представлены в виде физических структур, вписанных в пределах кристаллов. Данные Доклинические КТ были получены с помощью сканера microCT, в то время как клинические изображения КТ были собраны из клинических радиологических источников. Перед дальнейшей обработкой клинических данные изображений преобразуются в распакованные файлы DICOM с помощью программного обеспечения визуализации. Последующие программы программного обеспечения преобразования реконструированных файлов DICOM в поверхностные карты, Модификация этих поверхностных карт и генерации анатомический этикетки и масштабные линейки выполняются с программным обеспечением подготовки данных и системы автоматизированного проектирования (САПР). Заполненные файлы STL уменьшаются и преобразуются в SCAX файлов. После того, как размер кристалла и мощности лазера установлены, файлы считываются с помощью гравировки 3D-лазера, которая создает в свободной форме анатомических структур в кристалле.

Процесс, описанный выше, может быть применен к различным клиническим и доклиническим наборам данных. В то время как наборы данных КТ были реализованы в этом проекте, то возможно, что данные, полученные от других методов визуализации могут быть визуализированы в кристалле, в том числе 3D ультразвука (US), магнитно-резонансная томография (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Кроме того, другие анатомические структуры человека и биологические образцы могут быть отображены и представлены в этой среде. Тем не менее, кристаллы приходят в заранее заданных размеров и конструкций должны быть сокращены или масштабируется соответствующим образом. Желательно, чтобы соответствовать йе геометрия анатомической части с размером кристалла. Например, нога лучше всего подходит в 5 см х 5 см х 8 см параллелепипеда (фиг.4), в то время как нога подходит для 8 см куба (рисунок 3). Изменения размера шрифта, и толщина текста может быть осуществлен в программном обеспечении САПР. Кроме того, лучше всего поместить метки на одной или двух плоскостях, чтобы четко читать этикетки, не загораживая вид анатомии при вращении кристалла с другими лицами.

Два дополнительных факторов необходимо учитывать при выполнении SSLE анатомических данных: количество лиц в пределах поверхности карты, и размер каждой точки, которая является лазерной гравировкой в ​​кристалл. Эти факторы влияют на количество и размер точек, которые будут поглощать падающий свет и, таким образом, потенциально увеличивают или умаляют данной визуализации SSLE. Во-первых, число граней, которое прямо пропорционально количеству точек в 3D-пространстве,будет влиять как на общее разрешение и «яркость / контраст» отображаемой модели. В каждом из примеров, представленных здесь, заполненный файл СТЛ был сокращен до 100000 лиц без видимой деградации полученного кристаллического продукта, независимо от размера или увеличения. Общая яркость / контраст был также приемлем использованием этого подхода. Значение 100000 является безопасным диапазоном для гравера, используемым, чтобы не перегружать программные и аппаратное обеспечение. Однако в некоторых случаях дополнительные лица могут быть необходимо, чтобы правильно отображать заданный набор данных, и эти файлы могут рассматриваться как экспериментальные, пока успешно не завершены. Кроме того, размер каждой точки, которая «сгоревшая» в кристалл может быть настроен с помощью напряжения, и «плотность» входные значений гравировальной машины для повышения контрастности выходной яркости. В данных случаях, значение по умолчанию напряжения: было выбраны 0,2: 8,5 и плотность. В то время как эти значения представляют собой начальную точку, они могут быть изменены вметодом проб и ошибок способа улучшить визуализацию данных по мере необходимости.

Есть целый ряд преимуществ использования 3D гравировки кристалла для отображения доклинических и клинических данных изображений. Кристаллы обычно получают менее чем за 30 минут, в то время как 3D печатные структуры могут потребовать несколько часов, в зависимости от их размера и сложности 16, 20, 22. Лазерная гравировка может быть использована для представления взвешенных структур без использования поддержки, что облегчает производство сложных или висят особенности анатомии без снижения точности с дополнительным материалом 16. С разрешением 800-1200 DPI и точностью менее 10 мкм, эти модели очень похожи на медицинские данные 24. В то время как профессиональный уровень 3D принтеры имеют сходное разрешение примерно 600 DPI в XY и 1600 DPI в Z, то они, как правило, меньше переменный токвикарий (20-200 мкм) 17, 19, 20 (таблица 1).

3D кристалл гравировка обладает сильным потенциалом, но ограничена в нескольких областях. Так как данные выгравированы внутри кристалла, пользователи не могут иметь тактильный опыт с анатомическими частями. Для масштаба представления трудно производить как данные обычно масштабируется вверх или вниз, чтобы поместиться в кристаллах. Кроме того, лазер может выгравировать только в оттенках серого с минимальной контрастностью. Плотность структуры также ограничена способность лазера для обработки данных. Общая стабильность кристаллов является преимуществом для потенциального использования в течение нескольких лет, но твердое стекло может не выдерживает падение на твердых поверхностях (таблица 1).

Несмотря на эти ограничения, 3D кристалл гравировка имеет существенное значение в качестве среды для визуализации биомедицинских данных. Во время запускаматериалы и поддержка должны быть приняты во внимание с 3D-принтерами, эти аспекты не должны рассматриваться для лазерной гравировки. Более сложные детали, такие как нога человека, можно представить в виде результата. Хотя время производства несколько увеличивается с более сложных структур, никаких дополнительных материалов не требуется, а стоимость модели осталась прежней. Способность лазера , чтобы сжечь стекло в доте-по-дот моды производит высоко определенные структуры , которые отображают мелкие детали биомедицинских данных, как отмечены в разбитом радиусе на рисунке 2. Кроме того, размещение этих структур внутри кристаллов делает их устойчивыми к внешним повреждениям. В отличие от твердых пластмасс, используемых на многих 3D печатных платформ, полупрозрачные стеклянные поверхности позволяют внутренние структуры, чтобы быть визуализированы в простой форме. Один из самых мощных инструментов 3D кристалла гравюры является возможностью маркировать отдельные части, а также добавить масштабную линейку для справки размера. Этаметод добавляет существенное воспитательное значение для кристаллов, как студенты всех уровней могут научиться анатомии и взаимодействовать с клиническими данными, двух ценных компонентов биологического и медицинского образования, в одной модели. В сочетании с возможностью провести их в ладони и просмотреть структуры при различных углах, маркировка значительно увеличивает образовательную ценность этих моделей. В результате 3D гравировки кристаллы имеют широкое применение для использования в анатомии курсах, в клиническую практику, и общее образование.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим колледж науки Летнего Студенческий Исследовательский Fellowship (SURF) за финансовую поддержку проекта. Авторы также благодарят профессора Глена Нибур, Университет Нотр-Дам, для предоставления образцов костной ткани (подробно выше), используемые в данном исследовании.

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).
Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла
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