Bir metodoloji kristallerindeki anatomik görüntüleme verileri göstermek için tarif edilmektedir. Bu kristal cam Alt Yüzey Lazer Gravür (SSLE) kullanım için biyomedikal görüntüleme verileri üç boyutlu modelleri ölçekli oluşturmak. Bu araç hesaplama ekranı veya klinik veya eğitim ayarları içinde kullanılan üç boyutlu baskılı modeller için yararlı bir tamamlayıcı sunmaktadır.
bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans gibi Biyomedikal görüntüleme yöntemleri (MR) hastanın üç boyutlu veri setleri toplamak için mükemmel platformlar sağlamak veya klinik veya klinik öncesi ortamlarda anatomisini numune. Ancak sanal, ekran ekran kullanımı tamamen içinde gömülü anatomik bilgileri iletmek için bu tomografik görüntülerin yeteneğini sınırlar. Bir çözüm fiziksel bir kopyasını üretmek için 3D baskı teknolojisi ile ayarlanmış bir biyomedikal görüntüleme verilerini arayüz etmektir. Burada ayrıntılı bir elde tutulan modelle tomografik görüntüleme verileri görselleştirmek için tamamlayıcı bir yöntem: bir kristal cam alt yüzey Lazer Gravür (SSLE). SSLE dahil olmak üzere birçok benzersiz avantajlar sağlar: anatomik etiketleri yanı sıra bir ölçek çubuğu eklemek kolay yeteneği; bir ortamda kompleks yapıların aerodinamik çok parçalı montajı; X, Y ve Z düzlemlerde yüksek çözünürlükte; İç anatomik alt yapıları görselleştirme için ve yarı saydam kabuklar. İşte wE ön-klinik ve klinik kaynaklardan elde edilen CT veri setleri ile SSLE sürecini göstermektedir. Bu protokol eğitim ve araştırma ayarlarında bir dizi bilim adamları ve öğrenciler için karmaşık anatomik yapıları görselleştirmek için hangi güçlü ve ucuz yeni bir araç olarak hizmet edecektir.
Bilgisayarlı tomografi (BT) veya manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi Biyomedikal görüntüleme modaliteleri rutin tıbbi araştırma tarafından kullanılır ve non-invaziv olarak akademik topluluklar insan veya biyolojik konularda 1, 2, 3 iç yapılarını inceler. Modern tıp, bu teknolojinin dolayısıyla hasta tedaviyi 4 geliştirilmiş, daha bilinçli tanılar sağlar ve. Özel olarak, BT yüksek çözünürlüğü ve izotropik voksel özellikleri (her küp kenarının aynı uzunluk) 3-D yeniden inşası için bir fırsat sağlar. 5 Ayrıca, yazılım paketleri bu bilgisayar destekli cerrahi ve sanal endoskopi 6 gibi yüksek dereceden fonksiyonlar için üç boyutlu (3D) içinde biyomedikal görüntüleme verilerini işlemek mevcuttur. Klinik öncesi araştırmalar içinde, tahribatsız görüntüleme bir çeviri platformu sağlarhangi fare ve sıçanların 7 hastalık modelleri incelemek için. Böyle biyolojik veritabanı gibi Dijital kütüphaneler, Dijital Morfoloji (http://digimorph.org), daha geniş bilimsel ve tıbbi toplulukların 8 hazır erişim için farklı örnekler veya klinik hastalık durumlarında elde edilen BT verilerle doldurulur edilmiştir.
Şu anda, biyomedikal görüntüleme verileri bilgisayar ekranlarında sanal uzayda görsel veya elle tutulan modelleri ile fiziksel uzayda edilmiştir. Bilgisayar yazılımı, kullanıcıların teşrih ve verileri işlemek için olanak sağlarken, fiziksel kopyaları mükemmel eğitim yararına 9, 10 ile güzel bir tamamlayıcıdır. Geleneksel model temel kalıp istenen yapı 11 içinde sertleşir reçine ile dolu olan bir düşük maliyetli dökme işlemi kullanılarak üretilmiştir. Dökme modeller ucuz kitle üretimi için uygun oldukları bilinen, ancak temel sınırlıdırhasta veri setleri türetilmemiş yapıları. Son beş yıl içinde, insan anatomisinin 3D baskılı kopyaları genellikle yüksek karmaşıklık nedeniyle giderek yaygın hale gelmiştir ve kat hastaya özgü oluşturulur ve görüntülenebilir nesneler. Bu modeller yatırma sıvı ya da katkı maddesi katmanlarında erimiş plastik ve tanı, karmaşık ameliyat, hastalıkların tedavisinde, protez tasarım ve hasta iletişim 12, 13 doktorların destekli makinelerde tarafından oluşturulur. Ayrıca, birincil, ikincil ve üniversite okul ayarları içinde tüketici ölçeğinde 3D yazıcıların yaygın kullanılabilirliği 15 paylaşılan anatomik modelin pedagojik etkisini artırmak için hizmet vermektedir 14 dosyaları.
Genel olarak, 3D baskı tıp içinde anatomik modellerin geliştirilmesini ileri ölçüde başaramamış, fakat sınırlama yoktur. Çok Öncelikle oluşturmaEk iş, genellikle dijital aksi ayrı 16 düşebilir birlikte ayrı parçalar bağlamak için gerekli olduğundan, bu -part anatomik modeller zor olabilir. Aynı zamanda, özellikle tüketici dereceli makineleri birçok 3D basılı malzeme, opaklık, bir numunenin, kemik ve yumuşak doku ile ilgili ek bilgiler sağlar, iç alt-yapıların görüntülenmesini önler. Bundan başka, sıvı veya erimiş plastik ekstrüzyon 3D baskı çözünürlüğü engellemektedir. Profesyonel yazıcılar ekstrüderler, yaklaşık 50 mm çapında olan ve X, inç başına 600 nokta çözünürlüklü (DPI) ile, 14 um katman kalınlığında sağlar ve Y, 18 eksenleri ve 17 Z ekseni 1,600 DPI . Karşılaştırma olarak, tüketici sınıf 3D yazıcılar, yaklaşık 400 um çapında ve 42 DPI 19 kabaca eşdeğer 100 um bir tabaka kalınlığına ve bir çözünürlük elde ekstruderler sahip <sclass = "xref"> 20 kadar. Fiyatı da 21, profesyonel yazıcılar 20 tüketici dereceli da üretebilmektedirler. Ek olarak, yüksek malzeme maliyetleri ölçek 22 ekonomileri elde endüstriyel seri üretime engeller.
Alt Yüzey Lazer Gravür (SSLE) ya da 3 boyutlu kristal oyma, X, Y ve binlerce yüksek hassasiyet ile küçük "kabarcıkları" veya noktalar oluşturmak için bir lazer ışını kullanır, Z bir sert, yüksek saflıkta olan koordinatları, kübik, cam matrisi 23. Her nokta, 800-1,200 DPI 24 arasındaki çözünürlük veren 20-40 um vardır. Ayrıca her nokta iç alt yapıların görüntülenmesini sağlayan yarı şeffaf olduğunu. Birden fazla, kesilmiş parçalar, aynı kristal temsil edilir ve ilave malzeme, büyük, karmaşık yapılar için gerekli değildir. Matris katı olduğu için, anatomik etiketler ve boyut ölçeği çubukları geliştirmek için ilave edilebiliriçinde görüntülenen görüntüleme verilerinin eğitim potansiyeli. Burada X-ışını bilgisayarlı tomografi (BT) veri kristal SSLE için biçimlendirilmiş olan bir yöntem sunar. İlk olarak, veri ticari preklinik microCT sistemleri, radyoloji departmanları / unis veya Ulusal Biyomedikal Görüntüleme Arşivi gibi çevrimiçi havuzlardan (kaynaklı https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf klinik tarayıcılar toplanan edilebilir ) 25 Burada, her iki ön-klinik ve klinik veriler içeren anatomik yapıların ölçeğini ayarlamak ve kristal boyutuna sahip bir yapının koordinat geometrisi kapasitesine göstermek için koyun kemik çekirdek, kırılmış bilek, etiketli ayak ve etiketlenmiş bacak kristalleri ile bu yaklaşımı göstermektedir. 3D baskı STL dosyalarının SSLE uyduruk doğası ve zaten yaygın kullanımı göz önüne alındığında, etiketli anatomik kristallerin fabrikasyon akademik ve eğitim camiası içinde kullanılmak için heyecan verici, el-el görselleştirme aracı sağlar.
biyomedikal görüntüleme yöntemlerine yoluyla kazanılan Preklinik ve klinik veri setleri, modern araştırma ve tıbbi gelişmeler vesile olmuştur. biyomedikal veri görselleştirme önce aracı bilgisayar ekranı ve geleneksel döküm veya modern 3D baskı yaklaşımları oluşturulan fiziksel modeller dahil. alternatif bir basit tarzda iyi tanımlanmış, etiketlenmiş modellerini üretir beri tomografik biyomedikal verilerin görselleştirilmesi için anlamı olarak Burada bir 3D kristal oyma yöntemini tarif eder. Bunlar nispeten ucuz modeller yaygın eğitim araçları olarak kullanılabilir. doğru anatomik verileri temsil etmek kristal oyma kullanımı o klinik ve eğitim ortamlarında potansiyel verir. Fiziksel, üç boyutlu formatta verileri görselleştirmek için yeteneği düz görüntüleri veya sanal render 9 kullanılarak eğitimin geleneksel formlarının sınırlamalarının üstesinden gelir. Yüksek kazınmış yapıların çözünürlük ve ekiBelirli görünür özelliklere etiketler hasta veya öğrenci eğitimi için bu modellerin kullanımını kolaylaştırmak. Buna ek olarak, bu yöntem bir numune içindeki nedenleri ve hastalık durumlarının yönlerini belirlemek ve gözlemleme olanağı sunar. Kırık bilek Şekil 2'de belirtildiği gibi Örneğin, bir kemik kırığı sınıflandırılması ve konumu, hastalık durumları ve diğer fiziksel belirgin işaretler ve / veya hasta semptomlarının ilişkisinin daha kapsamlı bir anlayış sağlar.
3D kristal oyma yoluyla, klinik öncesi ve klinik BT veri setleri kristaller içinde yazılı fiziksel yapıları olarak temsil edildi. Klinik BT görüntüleri klinik radyolojik kaynaklardan toplanan iken Preklinik BT veri, bir microCT tarayıcı kullanılarak elde edilmiştir. fazla işlem öncesinde klinik görüntüleme verileri görüntüleme yazılımı aracılığıyla sıkıştırılmış DICOM dosyalarına dönüştürülür. Daha sonraki yazılım programları yüzey haritaları içine yeniden DICOM dosyalarını dönüştürmek. Bu yüzey haritaları ve etiketler ve ölçek çubukları anatomik üretimi Modifikasyonu veri hazırlama yazılımı ve bilgisayar destekli tasarım (CAD) ile gerçekleştirilir. Tamamlanan STL dosyaları azaltılmış ve dosyaları SCAX dönüştürülür. kristal boyutu ve lazer gücü ayarlandıktan sonra, dosyalar kristal serbest biçimli anatomik yapıları oluşturan bir 3D lazer oyma makinesi tarafından okunur.
Yukarıda tarif edilen işlem, çeşitli klinik ve klinik öncesi veri setleri için uygulanabilir. BT veri kümeleri bu projede uygulanmıştır da, diğer görüntüleme yöntemlerinde elde edilen veriler 3D ultrason (US), Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) ve Pozitron Emisyon Tomografisi (PET) gibi, kristal görülebilmesi mümkündür. Aynı zamanda, diğer insan anatomik yapılar ve biyolojik örnekler görüntülenmiş ve bu ortamda temsil edilebilir. Bununla birlikte, önceden tespit edilmiş bir boyutta ve yapılarda gelen kristaller kesilmiş veya uygun şekilde ölçeklendirilmiş gerekecektir. Inci maç için tavsiye edilirkristal büyüklüğü ile anatomik bölümün e geometrisi. Örneğin, bir bacak iyi uyan bir 5 cm x 5 cm x 8 cm, dikdörtgen bir katı (Şekil 4), bir ayak 8 cm küp (Şekil 3) için uygun iken. boyutu, yazı tipi ve metin kalınlığına değişiklikler CAD yazılımında yapılabilir. Ayrıca, açık bir şekilde başka yüzlere kristali döndürürken anatomi görüntüsünü engellemeden etiketleri okumak için bir ya da iki düzlemde etiketleri yerleştirmek en iyisidir.
Bir yüzey harita yüzlere sayısı ve kristal oyulmuş lazer her bir noktanın boyutu: anatomik veri SSLE gerçekleştirirken iki faktör dikkate alınmalıdır. Bu faktörler, gelen ışığı emer ve bu nedenle potansiyel olarak arttırmak veya belirli bir SSLE görselleştirme mani olan noktalarının sayısını ve büyüklüğünü etkiler. İlk olarak, 3D uzayda nokta sayısı ile doğru orantılıdır yüz sayısı,genel çözünürlük ve görüntülenen modelin "parlaklık / kontrast" hem etkileyecektir. Burada sunulan örneklerin her birinde, tamamlanmış STL dosyası boyutu ne olursa olsun ya da büyütme, elde edilen kristal ürün belirgin bir bozulma olmadan 100.000 yüzleri indirgendi. Genel parlaklık / kontrast bu yaklaşımı kullanarak da kabul edilebilir. 100.000 değer yazılım ve donanım taşırmak için değil olarak kullanılan gravür için güvenli aralığıdır. Ancak, bazı durumlarda, ek yüzleri düzgün Belirli bir veri kümesini görüntülemek için gerekli olabilir ve başarıyla tamamlandı kadar bu dosyalar deneysel olarak kabul edilebilir. Buna ek olarak, kristal halinde "yanık" olan her bir noktanın boyutu gerilim üzerinden ayarlanmış olabilir ve gravür "yoğunluk" girdi değerleri ile parlaklık kontrastı arttırmak için. Mevcut durumda, gerilim varsayılan değerleri: 8.5 ve yoğunluk: 0,2 seçildi. bu değerler bir başlangıç noktası temsil ederken, onlar değişmiş olabilirGerektiğinde deneme yanılma moda veri görselleştirme geliştirmek.
klinik öncesi ve klinik görüntüleme verilerinin görüntülenmesi için 3D kristal oyma kullanan avantajları vardır. 3D baskılı yapılar bunların büyüklüğü ve karmaşıklığı 16, 20, 22 bağlı olarak, bir kaç saat gerekebilir ise Kristaller tipik olarak, 30 dakikadan daha kısa bir üretilir. Lazer gravür ek malzeme 16 ile doğruluğu azaltmadan anatomisinin karmaşık ya da asılı özellikleri üretimini kolaylaştıran destek kullanılmadan süspansiyon yapıları temsil etmek için kullanılabilir. 800-1,200 DPI çözünürlük ve 10 um'den daha küçük bir hassasiyetle, bu modeller yakın tıbbi verilerin 24 benzemektedir. profesyonel düzeyde 3D yazıcılar Z'de benzer XY kabaca 600 DPI çözünürlük ve 1600 DPI sahip olsa da, genel olarak daha az ac vardırpapaz (20-200 um) 17, 19, 20 (Tablo 1).
3D kristal oyma güçlü bir potansiyele sahiptir ancak birkaç alanda sınırlıdır. veri kristal içine oyulmuş olduğu için, kullanıcılar anatomik parçalarla bir dokunma deneyimi olamaz. Için ölçekli temsilleri verileri tipik olarak kristaller sığacak şekilde küçültülmesini olarak üretilmesi zordur. Bundan başka, lazer için en az düzeyde kontrast gri tonlama olarak oyma olabilir. yapısının yoğunluğu da verilerin işlenmesi için lazer kabiliyetiyle sınırlıdır. Kristallerin toplam stabilite birkaç yıl boyunca potansiyel kullanımı için bir avantaj olduğunu, ancak katı cam sert yüzeyler (Tablo 1) üzerinde bırakarak dayanabilir olmayabilir.
Bu kısıtlamalara rağmen, 3D kristal oyma biyomedikal veri görselleştirme için bir araç olarak önemli bir değer tutar. başlarkenmateryal ve destek 3D yazıcılarla dikkate alınması gereken, bu yönler lazer oyma için dikkat edilmesi gerekmez. İnsan ayağının gibi daha karmaşık parçaları, bunun sonucunda da temsil edilebilir. biraz daha karmaşık yapılar üretim süresi arttıkça, hiç bir ilave malzeme gereklidir ve modelin maliyeti aynı kalır. Bir nokta ile nokta bir şekilde cam yakmak için lazerin kabiliyeti, Şekil 2'de kırık yarıçap de belirtildiği gibi, biyomedikal veri ince detayları göstermek olan tanımlı yapıları üretmektedir. Ayrıca, kristallerin içindeki bu yapıların yerleşimi dışında hasara karşı dirençli hale getirir. Birçok 3D baskı platformlarında kullanılan katı plastik farklı olarak, şeffaf cam yüzeyler iç yapıları basit bir şekilde gözlemlenmesini sağlar. 3D kristal oyma en güçlü araçlarından biri bireysel parçaları etiketlemek ve aynı zamanda boyut referans için bir ölçek çubuğu eklemek kabiliyetidir. BuHer seviyeden öğrenciler anatomi öğrenmek ve bir modelde, klinik veriler, biyolojik ve tıp eğitiminin iki değerli bileşenleri ile etkileşime girebilir olarak teknik kristalleri önemli eğitim değeri ekler. açıların çeşitli bir el ve görünümü yapılarının avuç içinde onları tutmak için yeteneği ile birleştiğinde, etiketleme büyük ölçüde bu modellerin eğitim değeri artırır. Sonuç olarak, 3D kazınmış kristaller anatomi derslerinde kullanılmak üzere geniş uygulanabilirliği, klinik uygulama ve genel eğitim var.
The authors have nothing to disclose.
Biz bu projenin mali destek için Bilim Yaz Lisans Araştırma Bursu (SURF) Koleji teşekkür ederim. Yazarlar ayrıca, bu çalışmada kullanılan (yukarıda ayrıntıları) kemik örnekleri sağlamak için, Prof. Glen Niebur, Notre Dame Üniversitesi teşekkür ederim.
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 |