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Bioengineering

Scaled anatómico modelo de creación de datos de imágenes tomográficas Biomédica y Asociados etiquetas para su posterior debajo de la superficie de grabado láser (SSLE) de cristales de vidrio

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

Summary

Una metodología se describe en el presente documento para la representación de datos de imágenes anatómicas dentro de los cristales. Escalamos creamos modelos tridimensionales de datos de imágenes biomédicas para su uso en la subsuperficie de grabado láser (SSLE) de vidrio de cristal. Esta herramienta ofrece un complemento útil a la visualización computacional o tridimensionalmente modelos impresos utilizados en entornos clínicos o educativos.

Abstract

modalidades de imágenes biomédicas, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (MR) proporcionan excelentes plataformas para la recogida de conjuntos de datos tridimensionales de paciente o espécimen anatomía en entornos clínicos o preclínicos. Sin embargo, el uso de una pantalla virtual, en la pantalla limita la capacidad de estas imágenes tomográficas para transmitir totalmente la información anatómica incrustado dentro. Una solución es para interconectar un conjunto de datos de formación de imágenes biomédicas se establece con la tecnología de impresión 3D para generar una réplica física. A continuación te detallamos un método complementario para visualizar datos de imágenes tomográficas con un modelo de mano: Sub superficie de grabado láser (SSLE) de vidrio de cristal. SSLE ofrece varias ventajas únicas que incluyen: la capacidad fácil de incluir etiquetas anatómicas, así como una barra de escala; ensamblaje de varias aerodinámico de estructuras complejas en un medio; alta resolución en la X, Y, y los planos Z; y conchas semi-transparentes para la visualización de subestructuras anatómicas internas. aquí we demostrar el proceso de SSLE con conjuntos de datos CT derivados de fuentes pre-clínicos y clínicos. Este protocolo servirá como una nueva herramienta potente y de bajo costo con el que visualizar estructuras anatómicas complejas para científicos y estudiantes en una serie de entornos educativos y de investigación.

Introduction

Modalidades de imágenes biomédicas, como la tomografía computarizada (CT) o resonancia magnética (MRI) se utilizan de forma rutinaria por el médico, la investigación, y comunidades académicas a no invasiva examinan las estructuras internas de los sujetos humanos o biológicos 1, 2, 3. En la medicina moderna, esta tecnología permite diagnósticos más informadas y, en consecuencia, mejorar el tratamiento del paciente 4. En particular, CT proporciona una excelente oportunidad para la reconstrucción 3-D debido a su alta propiedades voxel isotrópicas (longitud idéntica de cada arista del cubo) de resolución y. 5 Además, los paquetes de software disponibles que hacen que los datos de imágenes biomédicas en tres dimensiones (3D) para funciones de orden superior como la cirugía asistida por ordenador y la endoscopia virtual de 6. Dentro de la investigación preclínica, las imágenes no destructivo proporciona una plataforma de traslaciónen el que para estudiar modelos de enfermedad en ratones y ratas 7. Bibliotecas digitales, tales como la base de datos biológica Morfología Digital (http://digimorph.org), se han rellenado con datos de la TC derivados de diferentes especímenes clínicos o estados de enfermedad de fácil acceso por las comunidades científicas y médicas generales 8.

En la actualidad, los datos de imagen biomédica se ha visualizado en el espacio virtual en la pantalla del ordenador, o en el espacio físico con los modelos de mano. Mientras que el software informático permite a los usuarios diseccionar y manipular los datos, réplicas físicas son un buen complemento con un excelente beneficio educativo 9, 10. Los modelos tradicionales se han generado usando un proceso de colada de bajo coste en el que los moldes básicos están llenos de resina que se endurece en la estructura deseada 11. modelos fundidos son susceptibles a la fabricación en masa de bajo costo, pero se limitan a los servicios básicosestructuras que no se derivan de los conjuntos de datos del paciente. En los últimos cinco años, impresas en 3D réplicas de la anatomía humana se han vuelto cada vez más frecuente debido a la alta complejidad, y muchas veces específica del paciente, los objetos que se puedan generar y visualizar. Estos modelos son creados por máquinas que el líquido de depósito o plástico fundido en capas de aditivos, y han ayudado a los médicos con diagnósticos, cirugías complejas, tratamiento de enfermedades, diseño de prótesis, y comunicación con el paciente 12, 13. Además, la amplia disponibilidad de las impresoras 3D de nivel de consumidor dentro de los ambientes de enseñanza primaria, secundaria y universitarios sirve para potenciar el impacto pedagógico del modelo anatómico de los archivos compartidos 14, 15.

En general, la impresión 3D ha avanzado considerablemente en el desarrollo de modelos anatómicos dentro de la medicina, sin embargo, tiene sus limitaciones. En primer lugar, la creación de múltiplesmodelos anatómicos -Parte pueden ser un reto ya que el trabajo adicional se requiere a menudo para unir digitalmente piezas separadas juntos que de otro modo puedan caer aparte 16. Además, la opacidad de muchos materiales impresos en 3D, especialmente para máquinas de nivel de consumidor, evita la visualización de sub-estructuras internas que proporcionan información adicional sobre el hueso de un espécimen y el tejido blando. Además, extrusoras de plástico líquido o fundido limitan la resolución de impresiones 3D. Las extrusoras de impresoras profesionales son de aproximadamente 50 m de diámetro y permiten un espesor de capa de 14! M, con una resolución de hasta 600 puntos por pulgada (DPI) en el ejes X e Y y 1,600 DPI en el eje Z 17, 18 . En comparación, las impresoras 3D de nivel de consumidor tienen extrusores que están alrededor de 400 m de diámetro y dar un espesor de capa de 100 micras y una resolución más o menos equivalente a 42 DPI 19, 20, 21. Además, los altos costos de las materias impiden la producción industrial en serie de lograr economías de escala 22.

Sub superficie de grabado láser (SSLE), o 3D de cristal grabado, utiliza un rayo láser para formar pequeñas "burbujas" o puntos con alta precisión en miles de X, Y, Z coordenadas dentro de un rígido, de alta pureza, matriz cúbica, de vidrio 23. Cada punto es de 20-40 micras, lo que da una resolución entre 800-1.200 DPI 24. Además cada punto es semitransparente, lo que permite la visualización de sub-estructuras internas. partes múltiples, desconectados están representados en el mismo cristal y material adicional no se requiere para grandes estructuras, intrincados. Dado que la matriz es sólida, etiquetas anatómicas y barras de escala de tamaño se pueden añadir para mejorarel potencial educativo de los datos de imágenes que se muestran en su interior. Aquí presentamos un proceso en el que la tomografía computarizada de rayos X (CT) de datos están formateadas para SSLE cristal. En primer lugar, los datos pueden ser recogidos de sistemas microCT preclínicos comerciales, escáneres clínicos de los departamentos de radiología / unis, o procedente de repositorios en línea como el Archivo Nacional de Imágenes Biomédicas (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Aquí se demuestra este enfoque con núcleo de hueso ovejas, fractura de muñeca, pie marcado, y los cristales de las piernas marcadas para ilustrar la capacidad de incorporar tanto los datos preclínicos y clínicos, ajustar la escala de las estructuras anatómicas, y coordinar la geometría de una estructura con tamaño de cristal. Dada la naturaleza simplista de SSLE y el uso ya generalizado de archivos STL en la impresión 3D, la fabricación de cristales anatómicas etiquetadas proporciona una herramienta de visualización emocionante, mano a mano posee para ser utilizado dentro de las comunidades académicas y de educación.

Protocol

Todos los conjuntos de datos de tomografía computarizada humanos fueron anónimos según el protocolo SJRMC aprobado.

1. Las muestras CT adquisición de datos de pre-clínicos y clínicos

  1. Realizar micro de rayos X de tomografía computarizada para generar un conjunto de datos pre-clínica. En el presente caso, usar una microCT a la imagen de una muestra de núcleo del hueso con los siguientes ajustes: 45 kV, 0,4 mA, y 1.000 proyecciones. 5
  2. Reconstruir los datos en bruto en alta resolución (125 m voxel isotrópico). Para aumentar aún más la resolución, identificar y reconstruir un cubo 1 cm con un centro en el origen del volumen (10 m voxel isotrópico).
  3. Exportar los datos reconstruidos establecidos en formato DICOM para procesamiento adicional.
  4. Por otra parte, adquirir conjuntos reconstruidos CT de datos, como los de la fractura en la muñeca y el pie utilizado en este estudio, a partir de colaboradores clínicos (datos mostrados aquí son adquiridos de San José Centro Médico Regional) o de código abierto DICOarchivos M (http://www.osirix-viewer.com/datasets/).
  5. Importar archivos en el software de imágenes DICOM y exportar como archivos DICOM descomprimidos si es necesario.

2. Proceso de Datos

  1. Abrir cada conjunto de datos DICOM (compuesto por todos los sectores de la imagen) a través del 'Carga DICOM' en la configuración 'Ver' del software de procesamiento de imágenes.
  2. Guarde cada conjunto de datos como un NIfTI analizar, un formato de imagen establecida para el análisis científico. Importar los archivos Nifti en un programa con el uso establecido en imagen médica computarizada y la segmentación automatizada para la generación de mapas de superficie (por ejemplo, 3DSlicer).
  3. Cargar un archivo NIfTI dada en el programa generador de mapas de superficie con la herramienta 'Agregar datos'.
  4. Seleccione la herramienta 'Escala de grises Modelo Fabricante' con la especificación "Crear y cambiar el nombre de nuevo modelo". Establecer los valores de umbral inferior a aproximadamente 300 UA para la segmentación de los huesos.
  5. Guardar modelos en escala de grisescomo archivos STL para el procesamiento de datos adicionales.
  6. Importar cada mapa de la superficie en el software de preparación de datos 3D (por ejemplo, Netfabb Estudio Básico) y seleccione el modo de 'reparación'.
  7. Use la 'Select Parte' y 'Borrar' herramientas para borrar todas las superficies que no representan la estructura de interés.
  8. Utilice la herramienta 'Agregar triángulo' para cubrir parcialmente los agujeros en las superficies y el guión 'Reparación automática' para cerrar completamente vacíos restantes.
  9. Seleccione el script 'de reparación degenerados Faces' en el menú de acciones para resolver los bordes sin superficie y el guión 'Aplicar reparación' para salir del modo 'Reparar' con la parte modificada.
  10. Utilice la herramienta de 'corte' para eliminar rasgos no deseados o reducir el tamaño del modelo. Designar la localización de cada corte dentro de la 'X', 'Y', o plano 'Z' en el menú de 'corte' de la zona de contexto.
  11. Utilice la herramienta de 'Ejecutar Cut' y seleccione '; Triangulate Cut' en la configuración para cerrar automáticamente todos los agujeros resultantes.
  12. Use la 'Select Parte' y las herramientas de 'eliminar' al mismo tiempo para eliminar todas las superficies resultantes de la corte que no representan la estructura de interés.
    NOTA: Si el mapa de la superficie va a ser contiguo con una barra de escala, omita el siguiente paso. La característica anatómica y la escala de la barra será escalado al mismo tiempo después de que se unen en una sola STL.
  13. Seleccionar la opción 'Escala' para modificar las dimensiones de cada mapa de la superficie. Los modelos pueden ser dilatadas (núcleo de hueso) o reducidos en dimensión (pie), o se mantienen en tamaño original (la muñeca) para encajar dentro de un cubo de 8 cm o 5 cm x 5 cm x 8 cm de prisma rectangular. Tenga en cuenta que los archivos en esta etapa pueden ser enviados por SSLE si no se desean las etiquetas o las barras de escala.

3. Etiquetado anatómico

  1. Seleccionar la opción 'Nuevo' en el menú del programa de CAD (por ejemplo, Autodesk Inventor Professional) to crear un nuevo libro con la plantilla métrica para un 'estándar (mm) .ipt' parte.
  2. Seleccionar la opción 'Crear boceto 2D' y elija cualquier plano. Utilice la herramienta 'Texto' en el menú 'Dibujar' de la barra de herramientas para producir etiquetas anatómicas de tipo con la fuente deseada y el tamaño (Times New Roman y 2,0 mm).
  3. Cuando haya terminado, seleccione la opción 'Terminar boceto' en el menú 'Salir' de la barra de herramientas.
  4. Seleccione la herramienta 'Extrusión' en el menú 'Crear' de la barra de herramientas con la opción '2D Texto'. Designe a una profundidad de extrusión (2,0 mm) con la configuración simétrica.
  5. Texto de la exportación de etiquetas en formato CAD con el ajuste de la STL 'Guardar como tipo'.
  6. Abra un nuevo libro para la producción de una línea de etiqueta cilíndrica. Seleccionar la opción 'Archivo' para crear una nueva plantilla métrica con un 'estándar (mm) .ipt' parte.
  7. Seleccione la herramienta 'Crear boceto 2D' y elija cualquier plano. Utilice el 'Centro'Herramienta en el 'punto de menú Dibujo Círculo' de la barra de herramientas para producir un círculo con un centro en el origen.
  8. Utilice la herramienta de 'dimensión' en el menú 'Constraint' para ajustar el diámetro del círculo (1,0 mm).
  9. Cuando haya terminado, seleccione la opción 'Terminar boceto' en el menú 'Salir' de la barra de herramientas.
  10. Seleccione la herramienta 'Extrusión' elegido en el menú 'Crear' de la barra de herramientas con la opción 'texto 2D'. Seleccionar una profundidad de extrusión (10,00 mm) con la configuración simétrica.
  11. etiquetas de exportación de texto y cilindros en formato CAD con la configuración .stl 'Guardar como tipo'.

4. Fijación de etiquetas

  1. modelos de importación, etiquetas de texto, y las líneas de etiquetas cilíndricas en el software de preparación de datos 3D.
  2. Traducir las etiquetas de texto a la izquierda o derecha de la anatomía asociada con la función 'Mover Parte'. Utilice la herramienta 'Girar la parte' a orientar las etiquetas de tal forma que se enfrentan ºe misma dirección.
  3. Traducir y girar líneas de etiquetas cilíndricas utilizando el 'Move Parte' y las herramientas 'Girar Parte' para conectar las etiquetas a las estructuras asociadas dentro del modelo.
  4. Si es necesario, entrar en el modo 'Reparar' y utilizar el 'Seleccionar Triángulos' y 'Eliminar triángulos seleccionados' para reducir el tamaño de los cilindros a la longitud adecuada.
  5. Si se utiliza la versión básica, seleccione todas las partes y guardar como un proyecto. Vuelva a abrir este proyecto en la versión profesional.
  6. En la versión profesional, seleccionar todas las partes y exportación como una sola STL.

5. Escala barra de diseño

NOTA: Hay dos tipos de barras de escala están diseñadas en el programa CAD. El primero está presente en la figura 1 y consta de tres barras de escala separados, con marcas de graduación en mediciones distintas, acostado en cada plano. El segundo, incluido en la figura 2, Figure 3, y la figura 4, se compone de líneas perpendiculares se extiende sobre los tres ejes y que convergen en una esquina. Siga los pasos 5.1-5.2 para comenzar a diseñar cada barra de escala.

  1. Crear un nuevo libro en el programa CAD seleccionando 'Nueva' y '(mm) Estándar .ipt' parte.
  2. Seleccione 'Crear boceto 2D' y elegir cualquiera de los tres planos para comenzar a trabajar en.
    NOTA: Continúe con los pasos 5.3-5.16 para producir el primer tipo de barra de escala. Las dimensiones proporcionadas se llevaron a cabo para la creación de una barra de escala 1 cm con marcas de graduación en incrementos de 25 mm.
  3. Utilice herramientas el 'rectángulo' y 'dimensión' para dibujar un rectángulo (10 mm x 0,25 mm) con una anchura que corresponde a la longitud deseada de la barra de escala (10 mm) y una longitud de cualquier valor razonable (0,25 mm). Coloque el vértice inferior izquierdo en el origen por lo coordenadas x se pueden utilizar para la separación de las marcas de graduación.
  4. Para crear las marcas de graduación, utilizará tque la herramienta 'Rectángulo' para dibujar un rectángulo directamente por encima de la barra de escala. Restringir el tamaño (0,025 mm x 0,432 mm) con la herramienta 'dimensión'.
  5. El uso de las coordenadas x, traducir el rectángulo recién formado de manera que quede a la distancia deseada del borde. Esta es la parte superior de la marca de la señal.
  6. Para crear la parte inferior de la marca de la señal, dibujar otro rectángulo, con las mismas dimensiones que la mitad superior, directamente debajo de la barra de escala. Utilice la herramienta de 'Alinear' para alinear las dos mitades de la marca de la señal.
  7. Elija la herramienta 'Recortar' en el menú 'Modificar' y seleccione la zona en la que la barra de escala y marcas de graduación se superponen. Esto eliminará líneas en exceso y permitir que la parte a ser interpretada como una sola característica cuando se extruye.
  8. Repita los pasos 05.04 a 05.07 para el resto de las marcas de graduación.
  9. Cuando haya terminado, seleccione la opción 'Terminar boceto' en el menú 'Salir' de la barra de herramientas.
  10. Elija 'Extrusión' bajo los hombres 'crear'u y seleccione la barra de escala. Determinar una distancia de extrusión y la dirección (0,25 mm y en la pantalla).
  11. Para diseñar etiquetas para las marcas de graduación, elija 'Crear boceto 2D' y seleccione la barra de escala que el plano de trabajo.
  12. Bajo el menú 'Dibujar', seleccione la herramienta 'Texto' para crear texto con un determinado tipo de letra y tamaño (Times New Roman y 0,25 mm). Traducir el texto a su posición deseada junto a la barra de escala.
  13. Cuando haya terminado, seleccione la opción 'Terminar boceto' en el menú 'Salir' de la barra de herramientas.
  14. Seleccione la herramienta 'Extrusión' en el menú 'Crear' de la barra de herramientas con la opción '2D Texto'. Designe a una profundidad de extrusión (0,25 mm) y la dirección (en la pantalla).
  15. Repita los pasos 5.12 a 5.14 para crear las otras etiquetas.
  16. Exportar la barra de escala completa en formato CAD con el ajuste .stl el 'Guardar como tipo'.
    NOTA: Después de terminar los pasos 5.1 a 5.16, continúe con los pasos para crear 5.17-5.31el segundo tipo de barra de escala. Las mediciones proporcionadas se utilizaron para crear una barra de escala que fue de 2 cm en cada eje y 2 mm de espesor.
  17. Seleccione la herramienta 'Rectángulo' para crear un cuadrado y limitan la longitud y la anchura (2 mm x 2 mm) con la herramienta 'dimensión'. Las dimensiones seleccionadas en este paso determinará el espesor de la pieza.
  18. Seleccione 'Terminar boceto' para volver a la configuración de modelo 3D.
  19. En 'Crear', seleccione 'Extrusión' y seleccione el cuadrado dibujado en el modo de boceto 2D. Elige la profundidad deseada de extrusión y la dirección (20 mm y en la pantalla).
  20. Seleccione 'Crear boceto 2D' y seguir trabajando en el mismo plano que el boceto previo.
  21. Utilice herramientas el 'rectángulo' y 'dimensión' para dibujar un rectángulo (2 mm x 18 mm) directamente por encima de la plaza. Coincida con la longitud del rectángulo a la longitud de la plaza (2 mm) y la anchura debe ser el tamaño deseado de la barra de escala menos el widº de la plaza (20 mm - 2 mm = 18 mm). Pulse 'Finalizar boceto' cuando esté terminado.
  22. En 'Crear', seleccione 'Extrusión' y seleccione el rectángulo. Ingrese una profundidad de extrusión, que debe ser la longitud de la plaza (2 mm), y seleccionar una dirección (en la pantalla).
  23. Girar la pieza para que se parece a la letra 'L'. Crear un nuevo dibujo en 2D y seleccione la parte delantera de la 'L' como el plano de trabajo.
  24. Dibujar un cuadrado en la esquina de los dos rectángulos utilizando la herramienta 'Rectángulo'. Limitar las dimensiones (2 mm x 2 mm) para que se ajuste exactamente en la esquina. Salir del dibujo con la herramienta 'Finalizar boceto'.
  25. Bajo 'Crear', seleccione 'Extrusión' y seleccione la plaza de nueva creación. Introducir una distancia de extrusión, que debe ser el tamaño deseado de la barra de escala menos la anchura de la plaza (20 mm - 2 mm = 18 mm). Elija una dirección (de la pantalla) y aplicar la extrusión.
  26. Para añadir texto indicating las dimensiones de la barra de escala, crear un nuevo boceto 2D fuera de cualquier plano.
  27. Utilice la herramienta 'Texto' en el menú 'Dibujar' de la barra de herramientas para producir una etiqueta con el tipo de letra y el tamaño deseados (Times New Roman y 2,5 mm).
  28. Traducir el texto a su posición deseada junto a la barra de escala. Salir del modo de boceto al seleccionar 'Finalizar boceto'.
  29. Utilizar la herramienta 'Extrusión' e introduzca una distancia de extrusión que coincide con el espesor de la barra de escala (2 mm) y la dirección que se alinea la etiqueta con la barra de escala (en la pantalla).
  30. Repita los pasos 5.26 a 5.30 usando los otros planos para crear etiquetas para los tres ejes.
  31. Cuando haya terminado, exportar la barra de escala y de sus etiquetas que acompañan en formato CAD con el 'Guardar como tipo' ajuste .stl.

6. La adición de barras de escala de Modelos Anatómicos

  1. Abra el modelo anatómico en el software de preparación de datos 3D e importar la barra de escala.
  2. Utilizar el '; Mover herramientas Parte' y 'girar una parte' para orientar la barra de escala al lado del modelo anatómico.
  3. Si se creó el primer tipo de barra de escala, importar la parte dos veces más. Traducir y girar las barras individuales de escala por lo que uno se encuentra en cada eje.
  4. Si se utiliza la versión básica, seleccione todas las partes y guardar como un proyecto.
  5. Abra el archivo en la versión profesional. Seleccionar todas las partes y exportación como una sola STL.
    NOTA: Las dimensiones se mantienen cuando los mapas de superficie y barras de escala son importados en la versión básica o profesional. Antes de grabado, mapas de superficie, junto con etiquetas asociadas y barras de escala, se escalan para caber dentro de los cristales. Desde barras de escala se escalan a la misma velocidad como modelos, las alteraciones en los tamaños de las barras de escala son representativos de los cambios de dimensión en las estructuras anatómicas.

7. Reducción de las caras

  1. Utilice la herramienta de 'Importación de malla' para añadir un archivo STL en el pro-procesamiento de malla 3Dgramo. Los ajustes se aplicarán al modelo de superficie y todos los componentes, incluyendo barras de texto y de escala, ya que el software interpreta la malla como una parte.
  2. Bajo 'Filtros' y 'remallado, la simplificación y la reconstrucción,' seleccione la herramienta 'Quadratic Edge Collapse Decimation' para reducir el número de caras presentes dentro de la malla.
  3. Introduzca el número deseado de caras (100.000) bajo el 'número objetivo de caras' y seleccione 'Aplicar'. Esta operación se hace para crear un archivo de tamaño manejable para el software SSLE, y evitar el exceso de tiempos de grabado.
  4. Exportar el producto terminado como un STL utilizando la 'exportación de malla como ...' el establecimiento.

8. Modelo de grabado en Crystal

NOTA: Completo archivos STL se desvían a un colaborador industrial, donde los cristales de vidrio son grabados con láser para producir modelos físicos de los datos anatómicos. Para consultas y más ayuda, PLFacilidad en contacto con los autores de la industria de este manuscrito.

  1. Abra el archivo STL en un programa de software de grabado láser y convertir a un archivo SCAX.
  2. Importar el archivo SCAX en un paquete de software conectado a la máquina de grabado láser 3D.
  3. Definir un tamaño de cristal adecuado para la interfaz con el archivo SCAX.
  4. Ajustar la potencia del láser y entrar en una tensión y densidad. Mientras que 8,5 V y 0,2 se seleccionan típicamente para la tensión y la densidad, otras mediciones pueden determinarse mediante la reducción de la tensión y el aumento de la densidad, asegurándose de que el cristal no se agrieta o se rompe.
  5. Enviar el archivo a un grabador láser 3D para la producción de cristal.

Representative Results

Sub-superficial con láser de grabado de cristales de vidrio es un medio para visualizar profundas numerosos tipos de datos de imágenes tomográficas biomédicas. Figura 1 incorpora datos de la TC preclínicos, mientras que la Figura 2, la Figura 3, y la Figura 4 demuestran cómo se pueden utilizar también las TC clínicos. Desde dimensiones son modificados antes de grabado, las estructuras de diferentes tamaños pueden ser representados a través de grabado láser. Mientras que la Figura 2 es un ejemplo de cómo anatomías se pueden imprimir a escala, la mayoría de las estructuras necesitan ser incrementados o reducidos. Dos tipos de barras de escala se pueden implementar para medir los cambios de dimensión: una que se extiende por los lados de la estructura y otra con los tres ejes que convergen en una esquina. El primer tipo es ideal para estructuras dilatadas, tales como el núcleo de hueso, mientras que el segundo tipo es el más adecuado para aestructuras -scale o reducido. Aún más el tamaño del cristal se empareja con la forma de la estructura anatómica. Como resultado, el pie se coloca en un cubo mientras que la pierna fue suspendido en un prisma rectangular.

Una característica clave de la sub-superficie de grabado es la posibilidad de adjuntar etiquetas de texto a las características anatómicas. La técnica se puede aplicar a varios tipos de datos de imagen, con la colocación de etiquetas óptima dependiendo de la geometría de la estructura. En la figura 2, el texto se colocó en dos planos al espacio las etiquetas y evitar obstruir la vista de la anatomía. Para la Figura 3 y la Figura 4, los huesos pueden ser claramente visto desde un lado para que las etiquetas se colocaron en un solo plano.

Figura 1
Figura 1. datos CT Pre-clínica de un conjunto básico de hueso ovejas, representada prácticamente y se suspendió en un cristal 3D grabado. software de imágenes se utilizó para generar y adjuntar barras de escala a un mapa de la superficie de un 1 cm de hueso ovejas isotópica (izquierda). La estructura se sometió a un aumento de cinco veces en la dimensión a lo largo de cada eje, como se indica por las barras de escala, y fue grabado con láser en un 8 cm de cristal cuadrada (derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Datos de CT clínicos de una muñeca rota con etiquetas anatómicas, muestran virtualmente y grabado en cristal. Un conjunto de datos CT clínica de una muñeca humana con un radio roto se convirtió en un mapa de la superficie a través de software de ordenador. etiquetas anatómicas y un 2 cm barra de escala w ERE generado utilizando el diseño asistido por ordenador (CAD) y conectada al modelo (izquierda). Un grabador de láser 3D inscribe la estructura en un cristal cubo 8 cm (derecha). La barra de escala retuvo su tamaño, lo que demuestra la muñeca fue producido a escala. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. etiquetado Anatómicamente pie humano con etiquetas anatómicas, representada virtualmente y grabado en cristal. Un conjunto de datos de TC de un pie humano fue convertido en un modelo de escala de grises con software de imágenes. Texto y una barra de escala 4 cm fueron creados usando CAD y se incorporan con el mapa de superficie (izquierda). El modelo se redujo a la mitad de su tamaño y láser de grabado en un cubo de cristal 8 cm (derecha). 55340 / 55340fig3large.jpg" target = '_ blank'> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. datos de la TC clínicos establecidos de una pierna humana anatómicamente marcaron utilizando software de ordenador y grabado en cristal. Los paquetes de software se utilizaron para preparar un mapa de la superficie de un análisis completo CT humana y la sección de la pierna del resto del cuerpo. Se adjuntan las etiquetas anatómicas y una barra de escala 2,5 cm diseñado con CAD (izquierda) y la estructura fue grabado en un cm x 5 cm x 8 cm de cristal 5 (derecha). La barra de escala en el cristal ilustra la pierna se redujo en una proporción de 5: 3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

ys "> Impresión 3d Sub-Superficie de grabado láser (SSLE) de cristales ventajas experiencia táctil Creación de estructuras en el espacio libre modelos a todo color Generación de modelos de múltiples piezas representación Para escala es posible con mayor variedad de estructuras La unión de marcadores anatómicos material plástico sólido resistente a gotas Las barras de escala suspendidos dentro del modelo impresoras de bajo costo de nivel de consumidor disponibles Alta resolución y precisión Alta resolución de las impresoras de calidad profesional tiempo de producción corto Fácil de vincular subunidades anatómicas separadas entre sí en el espacio 3D Estructuras dentro cristal no susceptible a los daños fuera Los bajos costos de materiales grabadoras láser de precio moderado desventajas Difícil vincular subunidades anatómicas separadas en el espacio 3D Sin experiencia táctil El costo y el tiempo de producción varían con la complejidad en escala de grises Más susceptibles a errores de producción Tamaño limitado por el cristal Los lavados post-producción pueden ser necesarias A escala de representación difíciles Resolución limitado por extrusoras de plástico Densidad limitada por láser Las piezas pueden astillarse de modelo Cristales pueden astillarse o romperse cuando se deja caer impresoras de grado profesional costosos Los precios de los materiales varían mucho

Tabla 1. Ventajas y desventajas de la impresión 3D y SSLE para la producción de modelos anatómicos. La impresión en 3D y SSLE son dos medios para la visualización de datos de imágenes tomográficas biomédicas, y cada una posee una serie de puntos fuertes y débiles en lo que respecta a la creación de modelos físicos de los datos.

Discussion

conjuntos de datos preclínicos y clínicos adquiridas a través de técnicas de imagen biomédica han sido fundamentales para la investigación moderna y los avances médicos. medios anteriores de visualización de datos biomédicas incluyen la pantalla del ordenador y modelos físicos generados a partir de la fundición tradicionales o modernos métodos de impresión 3D. Aquí se describe un método de grabado de cristal en 3D como un medio alternativo para la visualización de datos biomédicos tomográficas ya que genera modelos, etiquetados bien definidos de un modo sencillo. Estos modelos relativamente baratos pueden ser ampliamente utilizados como herramientas educativas. La utilización de grabado de cristal para representar con precisión los datos anatómicos le da un alto potencial en entornos clínicos y educativos. La capacidad de visualizar los datos en un formato físico, en tres dimensiones supera las limitaciones de las formas tradicionales de la educación utilizando imágenes planas o representaciones virtuales 9. Alta resolución de las estructuras grabadas y la fijación delas etiquetas a las características visibles específicos facilitan el uso de estos modelos para la educación del paciente o estudiante. Además, esta modalidad ofrece la capacidad de identificar y observar las causas y los aspectos de los estados de enfermedad dentro de un espécimen. Por ejemplo, la clasificación y la ubicación de una fractura ósea, como la fractura de muñeca observó en la Figura 2, proporciona una comprensión más completa de la relación de estados de enfermedad y otros signos físicamente aparentes y / o síntomas del paciente.

A través de grabado de cristal 3D, conjuntos de datos CT preclínicos y clínicos estaban representados como estructuras físicas inscritas dentro de los cristales. Datos preclínicos CT fueron adquiridos utilizando un escáner microCT, mientras que las imágenes de TC clínicos se obtuvieron de fuentes radiológicas clínicos. Antes de su posterior procesamiento, los datos de imagen clínica se convierte en archivos DICOM descomprimidos a través de software de imágenes. programas de software posteriores a transformar archivos DICOM reconstruidas en los mapas de superficie. La modificación de estos mapas de superficie y generación de etiquetas y barras de escala anatómica se llevan a cabo con el software de preparación de datos y diseño asistido por ordenador (CAD). archivos STL completadas se reducen y se convierten en SCAX archivos. Después de ajustar el tamaño del cristal y de la potencia del láser, los archivos son leídos por una máquina de grabado láser 3D que crea las estructuras anatómicas de forma libre en el cristal.

El proceso descrito anteriormente se puede aplicar a diversos conjuntos de datos clínicos y preclínicos. Mientras que los conjuntos de datos computarizadas se llevaron a cabo en este proyecto, es posible que los datos obtenidos de otras modalidades de imagen se pueden visualizar en el cristal, incluyendo ultrasonido 3D (Estados Unidos), imágenes por resonancia magnética (MRI) y tomografía por emisión de positrones (PET). Además, otras estructuras anatómicas humanos y muestras biológicas pueden obtenerse imágenes y representados en este medio. Sin embargo, los cristales vienen en tamaños y estructuras predeterminadas tendrán que ser cortado o reducido en consecuencia. Es aconsejable hacer coincidir ºe geometría de la parte anatómica con el tamaño del cristal. Por ejemplo, una pierna mejor se ajusta en un 5 cm x 5 cm x 8 cm sólido rectangular (Figura 4), mientras que un pie es adecuada para un cubo de 8 cm (Figura 3). Los cambios en el tamaño, la fuente, y el grosor del texto pueden llevarse a cabo en el software de CAD. Además, lo mejor es colocar etiquetas en uno o dos planos con el fin de leer claramente etiquetas sin obstruir la vista de la anatomía cuando se gira el cristal para otras caras.

Dos factores adicionales deben ser considerados cuando se realiza SSLE de datos anatómicos: el número de caras dentro de un mapa de la superficie, y el tamaño de cada punto que está grabado con láser en el cristal. Estos factores afectan el número y tamaño de los puntos que absorben la luz incidente y por lo tanto potencialmente mejorar o empeorar una visualización SSLE dado. En primer lugar, el número de caras, que es directamente proporcional al número de puntos en el espacio 3D,influirá tanto la resolución general y el "brillo / contraste" del modelo que se muestra. En cada uno de los ejemplos presentados en el presente documento, el archivo STL completado se redujo a 100.000 caras sin aparente degradación del producto cristalino resultante, independientemente de su tamaño o de aumento. El brillo / contraste general también era aceptable el uso de este enfoque. El valor de 100.000 es el rango seguro para el grabador usado como para no sobrecargar el software y el hardware. Sin embargo, en algunos casos, pueden ser necesarias caras adicionales para mostrar correctamente un determinado conjunto de datos, y estos archivos pueden ser considerados experimentales hasta que se complete con éxito. Además, el tamaño de cada punto que está "quemado" en el cristal se puede sintonizar a través de la tensión y los valores de entrada "densidad" del grabador para mejorar el contraste de brillo de salida. En los presentes casos, los valores predeterminados de tensión: Se seleccionaron 0,2: 8,5 y la densidad. Mientras que estos valores representan un punto de partida, pueden ser alterados en unaensayo y error de la moda para mejorar la visualización de datos según sea necesario.

Hay una serie de ventajas de utilizar el grabado de cristal en 3D para la visualización de los datos de imagen preclínicos y clínicos. Los cristales se producen típicamente en menos de 30 minutos, mientras que 3D estructuras impresas pueden requerir varias horas, dependiendo de su tamaño y complejidad 16, 20, 22. El grabado por láser se puede utilizar para representar estructuras suspendidas sin el uso de soporte, facilitando la producción de características intrincadas o colgantes de la anatomía sin reducir la exactitud con material adicional 16. Con una resolución de 800-1.200 DPI y una precisión de menos de 10 micras, estos modelos se parecen mucho a los datos médicos 24. Mientras que las impresoras 3D de calidad profesional tienen una resolución similar de aproximadamente 600 DPI en el XY y 1600 DPI en el Z, que son generalmente menos accura (20-200 micras) 17, 19, 20 (Tabla 1).

3D grabado de cristal posee un gran potencial, pero está limitado en algunas áreas. Puesto que los datos se graba en el interior del cristal, los usuarios no pueden tener una experiencia táctil con las partes anatómicas. Para escala representaciones son difíciles de producir como datos es típicamente escalar hacia arriba o hacia abajo para encajar en los cristales. Además, el láser sólo puede grabar en escala de grises con un mínimo de contraste. La densidad de la estructura también está limitada por la capacidad del láser para procesar los datos. La estabilidad global de los cristales es una ventaja para uso potencial durante varios años, pero el vidrio sólido puede no soportar caer en superficies duras (Tabla 1).

A pesar de estas limitaciones, el grabado de cristal 3D sostiene valor significativo como un medio para la visualización de datos biomédicos. mientras que a partirapoyo material y hay que tener en cuenta con las impresoras 3D, estos aspectos no deben ser considerados para el grabado láser. piezas complejas más, tal como el pie humano, pueden ser representados como resultado. Mientras que el tiempo de producción aumenta ligeramente con estructuras más complejas, no se requiere material adicional y el costo del modelo sigue siendo el mismo. La capacidad del láser para quemar vidrio en un punto de la manera por punto produce estructuras que muestran los detalles finos de datos biomédicos, como se señala en el radio rota en la Figura 2 altamente definida. Además, la colocación de estas estructuras en el interior cristales los hace resistentes al daño exterior. A diferencia de los plásticos sólidos utilizados en muchas plataformas de impresión en 3D, las superficies de vidrio translúcido permiten estructuras internas para ser visualizados de una manera sencilla. Una de las herramientas más poderosas de 3D grabado de cristal es su capacidad para etiquetar partes individuales, y también añadir una barra de escala de referencia de tamaño. Estatécnica agrega valor educativo sustancial a los cristales como estudiantes de todos los niveles pueden aprender la anatomía e interactuar con los datos clínicos, dos componentes valiosos de la educación médica y biológica, en un solo modelo. En combinación con la capacidad de mantenerlos en la palma de una mano y ver estructuras en una variedad de ángulos, etiquetado mejora en gran medida el valor educativo de estos modelos. Como resultado, los cristales 3D grabado tienen una amplia aplicación para su uso en cursos de anatomía, la práctica clínica y la educación en general.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Agradecemos a la Facultad de Ciencias de Verano Pregrado Becas de Investigación (SURF) por su apoyo financiero de este proyecto. Los autores también agradecen Prof. Glen Niebur, Universidad de Notre Dame, para proporcionar muestras óseas (detallados anteriormente) utilizadas en este estudio.

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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Scaled anatómico modelo de creación de datos de imágenes tomográficas Biomédica y Asociados etiquetas para su posterior debajo de la superficie de grabado láser (SSLE) de cristales de vidrio
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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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