Summary
توضح هذه الطريقة سير عمل الطباعة ثلاثية الأبعاد القائم على voxel ، والذي يطبع مباشرة من الصور الطبية بدقة مكانية دقيقة ودقة مكانية / تباين. وهذا يتيح التحكم الدقيق والمتدرج في توزيعات المواد من خلال مواد معقدة مورفولوجيا ومتدرجة مرتبطة بالكثافة الراديوية دون فقدان البيانات أو تغييرها.
Abstract
اقتصرت معظم تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) للتخطيط قبل الجراحة على الهياكل العظمية والأوصاف المورفولوجية البسيطة للأعضاء المعقدة بسبب القيود الأساسية في دقة وجودة وكفاءة نموذج النمذجة الحالي. وقد تجاهل هذا إلى حد كبير الأنسجة الرخوة الحرجة لمعظم التخصصات الجراحية حيث يكون الجزء الداخلي من الكائن مهما وتنتقل الحدود التشريحية تدريجيا. لذلك ، فإن احتياجات صناعة الطب الحيوي لتكرار الأنسجة البشرية ، التي تعرض مقاييس متعددة من التنظيم وتوزيعات المواد المختلفة ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل.
تظهر هنا تقنية جديدة لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مباشرة من الصور الطبية ، والتي تتفوق في الدقة المكانية والتباين على طرق النمذجة ثلاثية الأبعاد الحالية وتحتوي على دقة مكانية لم تكن قابلة للتحقيق سابقا وتمايز الأنسجة الرخوة. كما يتم تقديم قياسات تجريبية لمركبات جديدة مصنعة بشكل إضافي تمتد عبر سلسلة من صلابة المواد التي شوهدت في الأنسجة البيولوجية الرخوة من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب. تسمح طرق التصميم والطباعة الحجمية الفريدة هذه بالتعديل الحتمي والمستمر لصلابة المواد واللون. تمكن هذه القدرة من تطبيق جديد تماما للتصنيع المضاف للتخطيط قبل الجراحة: الواقعية الميكانيكية. كمكمل طبيعي للنماذج الحالية التي توفر مطابقة المظهر ، تسمح هذه النماذج الجديدة أيضا للمهنيين الطبيين "بالشعور" بخصائص المواد المتغيرة مكانيا لمحاكي الأنسجة - وهي إضافة مهمة إلى مجال يلعب فيه الإحساس باللمس دورا رئيسيا.
Introduction
حاليا ، يدرس الجراحون العديد من طرق التصوير المنفصلة ثنائية الأبعاد (2D) التي تعرض بيانات متميزة للتخطيط للعمليات على مرضى 3D. علاوة على ذلك ، فإن عرض هذه البيانات على شاشة 2D ليس قادرا تماما على توصيل المدى الكامل للبيانات التي تم جمعها. مع نمو عدد طرق التصوير ، فإن القدرة على تجميع المزيد من البيانات من الطرائق المتميزة ، والتي تظهر مقاييس متعددة للتنظيم ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل الرقمي والمادي لتكثيف المعلومات وتنظيمها من أجل تخطيط جراحي أكثر فعالية وكفاءة.
ظهرت نماذج مطبوعة بتقنية 3D والخاصة بالمريض كأداة تشخيصية جديدة للتخطيط الجراحي ثبت أنها تقلل من وقت التشغيل والمضاعفات الجراحية1. ومع ذلك ، فإن العملية تستغرق وقتا طويلا بسبب طريقة الطباعة الحجرية المجسمة القياسية (STL) للطباعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تظهر فقدانا مرئيا للبيانات وتجعل الكائنات المطبوعة كمواد صلبة ومتجانسة ومتساوي الخواص. ونتيجة لذلك ، اقتصرت الطباعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط الجراحي على الهياكل العظمية والأوصاف المورفولوجية البسيطة للأعضاء المعقدة 2. هذا القيد هو نتيجة لنموذج تصنيع عفا عليه الزمن يسترشد بمنتجات واحتياجات الثورة الصناعية ، حيث يتم وصف الأشياء المصنعة بالكامل من خلال حدودها الخارجية 3. ومع ذلك ، فإن احتياجات صناعة الطب الحيوي لتكرار الأنسجة البشرية ، والتي تعرض مقاييس متعددة من التنظيم وتوزيعات المواد المختلفة ، تتطلب أشكالا جديدة من التمثيل تمثل الاختلافات عبر الحجم بأكمله ، والتي تتغير نقطة بنقطة.
لمعالجة هذه المشكلة ، تم تطوير تقنية التصور والنمذجة ثلاثية الأبعاد (الشكل 1) واقترنت بعملية تصنيع مضافة جديدة تتيح تحكما أكبر في خلط وترسب الراتنجات بدقة فائقة. هذه الطريقة ، التي تسمى الطباعة النقطية ، تكرر التشريح البشري عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد مباشرة من الصور الطبية على مستوى من الدقة المكانية والدقة المكانية / التباين لتكنولوجيا التصوير المتقدمة التي تقترب من 15 ميكرومتر. وهذا يتيح التحكم الدقيق والمتدرج المطلوب لتكرار الاختلافات في الأنسجة الرخوة المعقدة مورفولوجيا دون فقدان أو تغيير البيانات من صور المصدر التشخيصي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: تم استخدام برنامج حوسبة الصور الطبية ثلاثية الأبعاد Slicer4 (انظر جدول المواد) للعمل المنجز في الأقسام من 1 إلى 3.
1. إدخال البيانات
- افتح برنامج حوسبة الصور الطبية، وانقر فوق الزر ملف وDICOM من القائمة المنسدلة، وانتظر حتى يتم فتح نافذة متصفح DICOM.
- في نافذة مستعرض DICOM ، حدد استيراد. انتظر حتى تظهر النافذة المنبثقة استيراد ملفات DICOM من الدليل .
- انتقل إلى مكدس ملفات DICOM وانقر فوق الزر استيراد .
- تأكد من تحميل المكدس المحدد من ملفات DICOM في مستعرض DICOM. تأكد من أن البيانات قد تم ملؤها بشكل صحيح وتتطابق مع الدراسة المطلوبة في الفئات التالية: المريض والدراسة والسلسلة والمثيل.
- انقر فوق خانة الاختيار خيارات متقدمة لتنشيط بيانات تعريف إضافية. حدد رقم السلسلة المطلوب وانقر فوق الزر فحص . تأكد من أن التسلسل المطلوب لا يعرض تحذيرات. انقر فوق خانة الاختيار الموجودة بجوار ملف بيانات DICOM المطلوب | تحميل.
ملاحظة: حدد الصور الأعلى دقة باستخدام أنحف اكتساب شريحة لأن هذه الطريقة قادرة على الطباعة بسماكة شريحة 15 ميكرومتر و27 ميكرومتر.
- انقر فوق خانة الاختيار خيارات متقدمة لتنشيط بيانات تعريف إضافية. حدد رقم السلسلة المطلوب وانقر فوق الزر فحص . تأكد من أن التسلسل المطلوب لا يعرض تحذيرات. انقر فوق خانة الاختيار الموجودة بجوار ملف بيانات DICOM المطلوب | تحميل.
- لعرض وحدة التخزين، بمجرد تحميل التسلسل في برنامج حوسبة الصور الطبية، انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد وحدة عرض مستوى الصوت من القائمة المنسدلة.
- في الوحدة النمطية لعرض وحدة التخزين ، حدد اسم التسلسل من القائمة المنسدلة مستوى الصوت لتنشيط مكدس الصور وترجمة البيانات إلى وحدة تخزين صوتية. تأكد من أن اسم الوحدة النمطية النشطة يتطابق مع التسلسل المطلوب المحدد في الخطوة 1.1.3.1.
- انقر فوق أيقونة Eye Ball بجوار القائمة المنسدلة مستوى الصوت لتصور مستوى الصوت المحدد في 3D. تأكد من أن نافذة العرض ثلاثية الأبعاد مفتوحة وأن تمثيل 3D بتدرج رمادي مرئي.
- بعد ذلك، انقر فوق السهم الموجود بجوار خيارات متقدمة لفتح الأدوات المتقدمة. حدد علامة التبويب خاصية مستوى الصوت لفتح مجموعة من عناصر التحكم لتعديل قناة اللون لنموذج voxel.
- انتقل إلى قائمة تعيين العتامة العددية . انقر بزر الماوس الأيمن في الحقل لإنشاء نقاط حيث سيتم تعريف قيم الكثافة بواسطة العتامة. ضع نقاطا على طول هذا المقياس لتصور تشريح الاهتمام.
ملاحظة: يرتبط الموقع الأيمن والأيسر للنقطة بنطاق قيم كثافة الصورة، ويشير الموقع من أعلى إلى أسفل إلى العتامة. - انتقل إلى قائمة تعيين الألوان العددية . انقر بزر الماوس الأيسر في الحقل لإنشاء نقاط وتعيين الألوان المرتبطة بقيم الكثافة. انقر نقرا مزدوجا في الحقل لفتح نافذة تحديد لون لتعديل معلومات اللون.
2. التلاعب
ملاحظة: يلزم اتخاذ خطوة إخفاء إذا كان التشريح معقدا بما فيه الكفاية، إلى الحد الذي توجد فيه الأنسجة المحيطة والبيانات الدخيلة بعد إجراء تعديلات على خصائص الحجم.
- انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد محرر الشرائح من القائمة المنسدلة. تأكد من ظهور أشرطة أدوات محرر الشرائح .
- انتقل إلى القائمة المنسدلة تجزئة وحدد إنشاء تجزئة جديدة باسم. اكتب اسما مخصصا للتجزئة من النافذة المنبثقة إعادة تسمية التجزئة وانقر فوق موافق.
- انتقل إلى القائمة المنسدلة وحدة التخزين الرئيسية وحدد وحدة التخزين النشطة، والتي سيكون لها نفس اسم عرض وحدة التخزين. بعد ذلك ، انقر فوق الزر إضافة أسفل القائمة المنسدلة مباشرة. تأكد من إنشاء حاوية المقطع في الحقل أدناه.
- انتقل إلى لوحة أداة التأثيرات أدناه وحدد أداة المقص . انتقل إلى قائمة المقص وحدد تعبئة في الداخل ونموذج حر وغير محدود. بعد ذلك ، مرر مؤشر الماوس فوق نافذة 3D ، وانقر بزر الماوس الأيمن مع الاستمرار أثناء الرسم حول المنطقة المراد محوها. تأكد من ظهور رقعة ملونة توضح ما تمت تغطيته. كرر هذه العملية حتى تتم تغطية جميع المناطق المراد حذفها.
ملاحظة: هناك ملحقات ، مثل تأثيرات محرر الشرائح الإضافية ، التي يمكن تنزيلها في برنامج حوسبة الصور الطبية ، والتي تحتوي على أدوات لإنشاء هذا التقسيم. - بعد ذلك، حدد أداة وحدة تخزين القناع من قائمة التأثيرات . حدد تحديد داخل لحذف جميع بيانات الصورة التي تغطيها الشريحة. بعد ذلك ، قم بتعديل قيمة التعبئة لتكون -1000 ، والتي تساوي الهواء ، أو الفراغ ، في مقياس وحدة Hounsfield. أخيرا ، اضغط على تطبيق وانقر فوق Eye Ball بجوار حجم الإخراج لإظهار وحدة التخزين المقنعة الجديدة.
- انتقل إلى الوحدات النمطية وحدد عرض مستوى الصوت من القائمة المنسدلة. انقر فوق Eye Ball بجوار مستوى الصوت النشط لإيقاف تشغيل المرئيات.
- بعد ذلك ، من القائمة المنسدلة ، حدد وحدة التخزين المقنعة التي تم إنشاؤها حديثا. انقر فوق Eye Ball لتنشيط مستوى الصوت.
- أخيرا ، انتقل إلى قائمة الإدخالات وافتح القائمة المنسدلة خصائص . حدد خاصية وحدة التخزين التي تم إنشاؤها في الخطوة 1.2.5. تأكد من أن وحدة التخزين في طريقة عرض 3D مقنعة ومشفرة بالألوان.
3. التقطيع
ملاحظة: تتجاوز هذه العملية طريقة الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية عن طريق إرسال ملفات الشرائح مباشرة إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد بدلا من ملف شبكة STL. في الخطوات التالية ، سيتم إنشاء شرائح من عرض وحدة التخزين. وحدة مولد الصور النقطية هي امتداد مصمم خصيصا. يمكن تنزيل هذا من مدير الإضافات.
- انتقل إلى الوحدات النمطية، وحدد Slicerfab من القائمة المنسدلة. تأكد من وجود قائمتي معلمات الطباعة ومعلمات الإخراج .
- ضمن القائمة المنسدلة معلمات الطابعة، تأكد من تعيين دقة X إلى 600 نقطة في البوصة وتعيين دقة Y إلى 300 نقطة لكل بوصة. تأكد من ضبط سمك الطبقة على 27 ميكرومتر.
- بعد ذلك ، افتح قائمة معلمات الإخراج وقم بتعديل مقياس النموذج النهائي حسب الحاجة.
- وأخيرا، حدد موقع ملف للشرائح المراد حفظها وانقر فوق إنشاء.
ملاحظة: قد تستغرق هذه الخطوة عدة دقائق لإكمالها.
4. التردد
ملاحظة: تم استخدام Adobe Photoshop (انظر جدول المواد) للعمل المنجز في القسم 4.
- افتح برنامج تحرير الصور وانقر فوق ملف وحدد فتح من القائمة المنسدلة. انتقل إلى الصورة الأولى لمكدس ملفات PNG الذي تم إنشاؤه في الخطوة السابقة وانقر فوق الزر فتح .
- انتقل إلى النافذة وحدد الإجراءات من القائمة المنسدلة. في القائمة إجراءات ، انقر فوق إجراء جديد، وأدخل اسما مخصصا، وحدد موافق. تأكد من تسجيل الإجراء عن طريق التحقق من أن الزر " تسجيل" نشط وأحمر.
- بمجرد تحميل الصورة، انتقل إلى Image | | الوضع اللون المفهرس. في نافذة الفهرس ، حدد من القائمة المنسدلة Local Perceptual وحدد عدد الألوان التي يجب أن تكون 8.
- في القائمة إجباري ، حدد مخصص. انقر فوق أول مربعين، وانتظر حتى تنبثق نافذة اللون المخصص ، وحدد منصة ألوان مخصصة. حدد اللون الأرجواني 100٪ وتأكد من تعيين C وY وK على 0.
- كرر هذه العملية وتأكد من وجود مربعين مخصصين ل 100٪ C و Y و K.
- في القائمة خيارات ، بالنسبة إلى Matte، حدد مخصص من القائمة المنسدلة. بالنسبة إلى Dither، حدد الانتشار، وبالنسبة للمبلغ، حدد 100٪. وأخيرا، انقر فوق موافق.
- انتقل إلى قائمة الإجراء وانقر فوق الزر المربع لإيقاف التسجيل. أغلق النافذة النشطة وانقر فوق " لا " في النافذة المنبثقة "حفظ التغييرات ".
- انتقل إلى | الملفات أتمتة | دفعة. في النافذة المنبثقة الدفعة ، انتقل إلى القائمة المنسدلة الإجراء وحدد الإجراء الذي تم إنشاؤه في الخطوة السابقة. بعد ذلك، ضمن القائمة المصدر ، انقر فوق الزر اختيار وانتقل إلى مجلد الصور المصدرة في الخطوة 3.1.3. ضمن القائمة الوجهة ، انقر فوق الزر اختيار ، وحدد موقع مجلد وجهة للملفات الجديدة، ثم انقر فوق موافق.
5. طباعة فوكسل
ملاحظة: تم استخدام Stratasys GrabCAD5 للعمل المنجز في القسم 5.
- افتح برنامج الطباعة ، وانقر فوق التطبيقات وقم بتشغيل Voxel Print Utility من القائمة المنسدلة.
- في مربع النص بادئة ملفات الشريحة، أدخل بادئة مكدس ملفات PNG. بعد ذلك ، انقر فوق الزر تحديد وانتقل إلى المجلد حيث يوجد مكدس ملفات PNG ، وانقر فوق موافق.
- ضمن نطاق الشريحة، تأكد من تطابق الشريحة الأولى وعدد الشرائح مع عدد الملفات الموجودة في المجلد الذي تم إنشاؤه.
- ضمن معلمات التقطيع، تأكد من أن سمك الشرائح (مم) يطابق الإعدادات المحددة في الخطوة 3.1.1.1 وعرض الشريحة (بيكسلات) وارتفاع الشريحة (بيكسلات) يطابقان عرض ملفات PNG وارتفاعها.
- ضمن لون الخلفية، تأكد من تطابق الخلفية مع لون الخلفية، واضبط على عدم الطباعة. بمجرد الانتهاء ، انقر فوق الزر التالي .
- في صفحة الأدوات ضمن تعيين المواد، حدد المادة من القائمة المنسدلة المراد تعيينها إلى اللون المقترن، المشتق من ملفات PNG. كرر هذه العملية لكل لون في القائمة. ثم انقر فوق إنهاء | حسنا في النافذة المنبثقة ، نجح إنشاء معلومات Gcvf.
- على برنامج طباعة الكمبيوتر المضيف، انقر فوق ملف | استيراد ملف من القائمة المنسدلة. انتقل إلى ملف Gcvf وانقر فوق تحميل. على الشاشة الرئيسية، حدد طباعة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
وستكون النتيجة الإيجابية، كما هو مبين في الشكل 2 والشكل 3، ترجمة مباشرة لعرض المجلد على النحو المحدد في الخطوتين 1-2-5 أو 2-1-1-4. يجب أن يتطابق النموذج النهائي بصريا مع عرض مستوى الصوت في الحجم والشكل واللون. على طول هذه العملية ، هناك العديد من الخطوات التي يمكن أن يحدث فيها خطأ ، مما سيؤثر على واحد أو أكثر من الخصائص المذكورة أعلاه.
يمكن أن تكون المشكلات المتعلقة بالقياس الموحد ، كما هو موضح في الشكل 4 ، للنماذج المطبوعة نتيجة للتصوير و / أو أجهزة الكمبيوتر و / أو إعدادات البرامج الافتراضية. تستخدم المستشفيات مجموعة متنوعة من التقنيات لإنتاج وعرض الصور من مجموعة من الماسحات الضوئية الممكنة. نظرا لأن هذه الطريقة تعمل مباشرة من الصور المصدر ، والتي يمكن أن تعرض البيانات الوصفية التي لا تستخدم عادة ، فمن المهم أن تكون على دراية بالفروق الدقيقة في سير عمل التصوير. يمكن أن تنشأ مشكلات الحجم عندما يتم خبز "التحول" في البيانات الوصفية ، والتي يمكنها ضبط ارتفاع الطبقة ودورانها بشكل مصطنع.
يمكن أن تكون مشكلات المقياس أيضا نتيجة لحجم شاشة الكمبيوتر. تم تعيين بعض إصدارات Slicerfab لتقطيع عرض وحدة التخزين وحفظ PNG الناتج إلى حجم الشاشة النشطة. في هذه الإصدارات من Slicerfab، سيتم قطع الصور الأكبر من الشاشة. وأخيرا، أدت التحديثات المختلفة في Photoshop إلى مشكلات في المقياس عندما تقوم التحديثات بتعديل الإعدادات الافتراضية إلى دقة استيراد الصورة. عند تعيين الإعداد الافتراضي إلى أي شيء آخر غير 600 نقطة في البوصة، لن تحافظ الصور على نفس مقياس الصور التي ينتجها برنامج حوسبة الصور الطبية. وسوف تؤدي إلى تشوهات في البعد X-Y في حين أن ارتفاع z للنموذج سيبقى صحيحا.
يمكن أن تحدث المشكلات المتعلقة بالأشكال غير المنتظمة والأشكال الهندسية غير المتوقعة عند العمل مع التعتيم في برنامج حوسبة الصور الطبية. تحتوي علامة التبويب خصائص وحدة التخزين على القدرة على تعديل كل من قنوات اللون والتعتيم. عندما يتم تعيين قناة التعتيم أقل من 50٪ ، تنتج خوارزميات العرض تصورات يصعب على المستخدم إدراكها ، خاصة الهياكل المعقدة المحيطة. هذا يمكن أن يؤدي إلى تحليل بيانات إضافية في العملية ويمكن أن يؤدي إلى طباعة البيانات غير المرغوب فيها 3D.
يمكن أن تنتج المشكلات المتعلقة بالألوان عن رسومات البرامج وأخطاء المستخدم في كل من برامج تحرير الصور وبرامج الطباعة. يحتوي برنامج حوسبة الصور الطبية على العديد من الخيارات لضبط عرض مستوى الصوت. على الرغم من أن الإصدار الحالي من Slicerfab يحتوي على إعدادات عرض مشفرة ، إلا أنه لا يزال من الممكن إجراء تعديلات. يمكن أن يؤدي تنشيط إعدادات الضوء والظل ، بالإضافة إلى إعدادات عرض GPU ، إلى نتائج غير متوقعة وغير قابلة للتكرار. وأخيرا، يمكن أن تؤثر خطوات التردد التي تبدأ من الخطوة 4.1.2.3 على اللون استنادا إلى خيارات توليف الألوان، والتي يتم تحديدها من خلال العدد والتركيزات النسبية للمواد الأساسية المتاحة في الطابعة.
تحاول خوارزمية التردد "الإدراكية المحلية" إنتاج تقريب مرئي للون المصدر من الألوان المتاحة المحددة في "منتقي الألوان". سيؤدي تعديل عدد ولون المواد الأساسية إلى تعديل التدرج اللوني الناتج ودقة الألوان للنموذج المطبوع. وعلاوة على ذلك، إذا استخدم الشفاف كمادة أساسية، كما هو مبين في الشكل 5، فإن القضايا المحيطة بالضوء السطحي وتحت السطحي المتناثر من خلال النموذج المطبوع غالبا ما تؤدي إلى ترجمات ملونة غير مخلصة من العرض الرقمي إلى النموذج المطبوع6.
الشكل 1: مخطط التدفق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: Voxel الرقمية إلى التردد المادي للون. (أ) يظهر مقطع عرضي لنموذج القلب عن طريق تقسيم نطاقات كثافة التشريح إلى 2 و 4 و 10 ألوان. (ب) يتم استدعاء توسيع جزء من كل نموذج ، مع إظهار وحدات البكسل الفردية ، والتي ستتم معالجتها إلى قطرات من المواد في عملية الطباعة 3D. (ج) تظهر هنا نماذج مطبوعة 3D مقطعية مستعرضة باستخدام تقنية voxel ، مما يدل على الترجمة من صورة إلى النموذج. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: النتائج التمثيلية ل Voxel. نموذجان يعرضان نتائج تمثيلية لطريقة ناجحة. (أ) نموذج كلية مقطعية مستعرضة لشخص بالغ مصاب بسرطان الخلايا الواضحة. تمت إزالة الورم على الجانب الأيمن لإظهار الواجهة بين الكلى والورم. هذا يسمح للجراح بفهم أفضل لمورفولوجيا الورم وعلاقته بالعناصر الحرجة التي يجب تجنبها. (ب) نموذج قلبي مجزأ يوضح التباين في كثافة الأنسجة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: قضية مقياس فوكسل. صورتان لنفس النموذج تظهران نتيجة مشكلة في القياس. (أ) صورة مقطعية للكلية. يتم عرض دقة X-Y بشكل متناسب ولكنها تمثل 50٪ من عرض ملف تعريف المنتج المقصود (B) للكلية. تظل دقة X دقيقة من بيانات المصدر وتؤدي إلى نموذج يبدو ممتدا في الاتجاه X. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: المشاكل المحتملة. توضح صورتان لنموذجين مختلفين القضايا المتعلقة بوضوح العمل مع المواد الشفافة. (أ) يوضح هذا النموذج نتيجة الفراغات المرفقة داخل النموذج التي ملأتها الطابعة بمادة "داعمة". في هذا النموذج ، تم إنشاء الفراغات عمدا لإنشاء اختلاف في الخصائص البصرية. (ب) يظهر هذا النموذج فراغات مفتوحة تمتد عميقا في النموذج. الفراغات متعرجة ، مما يجعل تقنيات ما بعد المعالجة القياسية ، التي تلميع السطح ، مستحيلة. وقد جعل التشويه البصري الناتج النموذج غير قابل للاستخدام في التطبيقات السريرية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: سير عمل معالجة Voxel ومقارنة جودة الصورة. من بيانات DICOM المدخلة ، (أ) يتم إنشاء قناع لعزل منطقة الاهتمام وإعادة بنائها في عرض حجم 3D ، (B) الذي يتم تحليل الرسم البياني منه لتحليل نطاقات قيم الكثافة. يتم تنشيط قناة الشكل الخاصة بعرض وحدة التخزين المستندة إلى voxel لتصور شكل DICOM المقنع الناتج. يتم تعديل القناة المادية لعرض وحدة التخزين المستندة إلى voxel ، من خلال جداول البحث ، والتي تقوم بتعيين اللون إلى نطاقات الكثافة المحددة (C). يتم تقسيم عرض وحدة التخزين كملفات PNG بالألوان الكاملة إلى القيود المطلوبة ودقة وضوح الطابعة (D). يتم تقسيم كل شريحة PNG في أوصاف المواد اللازمة لتلفيق البيانات الطبية. (هاء) ترسل ملفات PNG المركبة بالألوان الناتجة إلى الطابعة. (و) تصور لمجموعة بيانات عالية الاستبانة مقارنة بمجموعة بيانات منخفضة الاستبانة (ز) باستخدام نفس التقنية لإثبات الحاجة إلى بيانات مصدر عالية الجودة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
والإطار التمثيلي الحالي الذي تستخدمه اليوم غالبية أدوات النمذجة الرقمية، إن لم يكن كلها، يؤدي إلى شكل ملف المحكمة8. ومع ذلك ، فقد أثبتت الطبيعة المحددة لهذا النموذج أنها غير كافية عند محاولة التعبير عن البنية الحبيبية أو الهرمية للمواد الطبيعية الأكثر تعقيدا. مع وصول تقنيات التصنيع المضافة الحديثة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد متعددة المواد ، يمكن إنتاج كائنات مضبوطة للغاية ومحسنة للغاية ، والتي تعرض انتقالات تدريجية للمواد في جميع أنحاء حجمها. تشير هذه الورقة إلى أن العملية القائمة على الفوكسل أو الصورة النقطية أكثر ملاءمة لتمثيلات المواد المعقدة وتوفر تقنية لترجمة الكثافة الإشعاعية والتعقيد المورفولوجي من الصور الإشعاعية. تشمل مزايا سير العمل هذا i) تحكما دقيقا ومتدرجا في توزيع المواد على مستويات متعددة ضمن مجلد مطبوع ثلاثي الأبعاد و ii) القدرة على زيادة تقنيات معالجة الصور 2D الحالية في حقول voxel 3D وإنتاج طرق إبداعية جديدة في تصميم وهندسة الكائنات التي يتم تعديل صفاتها الجمالية وتنظيم المواد بشكل كبير لتناسب أدائها الهيكلي.
كل خطوة في هذه العملية أمر بالغ الأهمية لتحقيق طباعة 3D نهائية دقيقة ، وليس هناك مجال كبير للخطأ. على طول الطريق ، هناك العديد من النقاط التي تتطلب اهتماما إضافيا ، ويجب إجراء فحوصات لضمان الدقة. أولا ، اختيار الصور المناسبة لهذه الطريقة له تأثير مباشر على النموذج المطبوع 3D النهائي ، كما هو موضح في الشكل 6F ، G. تسعى هذه الطريقة إلى الحفاظ على نقاء الصور المصدر. أي تعديلات لتحسين الدقة أو الخطوط السلسة يمكن أن تقدم البيانات أو تزيلها. المنتج النهائي في هذه الطريقة جيد فقط مثل بيانات الإدخال. تسمح هذه الطريقة بدقة قطرات بسماكة طبقة 15 ميكرومتر و 27 ميكرومتر. لذلك ، من الأهمية بمكان العمل عن كثب مع أخصائي الأشعة للحصول على أعلى دقة من الصور مع أنحف عدد شرائح.
ثانيا، تتطلب خطوات تحرير النموذج الموضحة في خطوات البروتوكول 1.1 و2 والشكل 6A إدخال المستخدم لإخفاء جداول البحث وتعديلها لاستخراج النتيجة المرجوة وتقديمها. نظرا للمستوى العالي من الدقة ، فإن المقاييس المتعددة للبنية التشريحية قابلة للتحرير. يعد الفهم الشامل لهياكل بيانات الصور الطبية وعلاقتها بالأنسجة البيولوجية أمرا بالغ الأهمية لاستخراج البيانات المطلوبة. يمكن أن يسمح الاهتمام خلال هذه الخطوة بنماذج مضبوطة للغاية تكرر مقاييس متعددة من التنظيم في الأنسجة البيولوجية.
ثالثا ، تحدد خطوة التردد الموضحة في خطوة البروتوكول 4 كيفية تخرج المواد من الألوان المصدر. من الأهمية بمكان التأكد من ارتباط ألوان المصدر بالألوان الموجودة في الطابعة. إذا كانت الألوان الموجودة في الطابعة لا تتطابق مع الألوان الموجودة في الخطوة الترددية، فقد تحدث اختلافات غير متوقعة في اللون في الطراز النهائي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من تقنيات التردد ستنتج مجموعة متنوعة من النتائج. ومن الأهمية بمكان دراسة ذلك عن كثب لضمان عدم فقدان أي بيانات، وعرض المعلومات المناسبة بصورة متسقة.
نحن نقدم بعض حلول استكشاف الأخطاء وإصلاحها للمشكلات المحددة في النتائج التمثيلية. أولا ، ترتبط المشكلات المتعلقة بالمقياس بشكل عام بالتحول المخبوز في البيانات الوصفية للصورة الطبية المستلمة من قسم الإشعاع. يمكن تصحيح هذه المشكلة في برنامج حوسبة الصور الطبية عن طريق حذف كل هذه "التحولات" الموروثة. الخطوة الأولى هي فتح قائمة التحويل وتحديد حذف التحويل النشط من القائمة المنسدلة. كرر هذه العملية لجميع التحولات الموروثة ؛ هذا يجب أن يصحح المشكلة على الفور.
ثانيا ، ترتبط المشكلات المتعلقة بالهندسة بشكل عام بتنشيط قناة التعتيم في خطوة البروتوكول 1.2.4. عندما يتم تعيين قناة التعتيم أقل من 50٪ ، تنتج خوارزميات العرض تصورات ، يصعب على المستخدم إدراكها ، خاصة الهياكل المعقدة المحيطة. الحل لهذه المشكلة هو تعيين قناة التعتيم إلى 100٪ ، وبالتالي إنشاء لون صلب يمكن تعريفه على أنه مادة "واضحة" في خطوة البروتوكول 5.
ثالثا ، غالبا ما تكون المشكلات المتعلقة بالتقطيع في برنامج Slicerfab نتيجة ل "وحدات تخزين" متعددة وأداة منطقة الاهتمام (ROI) التي يتم تحميلها في برنامج حوسبة الصور الطبية. إذا تم تحميل "وحدات تخزين" متعددة، فحدد وحدات التخزين الدخيلة من القائمة المنسدلة مستوى الصوت في الوحدة النمطية لعرض وحدات التخزين بحيث تكون نشطة. بعد ذلك، من القائمة المنسدلة نفسها، حدد حذف وحدة التخزين الحالية. كرر هذه الخطوة للحصول على عائد استثمار إضافي ربما تم إنشاؤه. عند وجود "مجلد" واحد و "عائد استثمار" واحد ، يجب أن يعمل Slicerfab دون الحاجة إلى إعادة التشغيل.
بشكل عام ، ترتبط جميع قيود هذا البروتوكول بالأجهزة وتوافر المواد ذات الصلة. تقتصر الطابعات ثلاثية الأبعاد الحالية المستخدمة في هذه الطريقة على دقة ارتفاع X-Y 15 ميكرومتر و 25 ميكرومتر Z. هذا القيد ذو صلة عند العمل مع بيانات التصوير فائقة الدقة، مثل التصوير المقطعي المحوسب Micro، حيث يمكن أن تقترب دقة الصورة من 5 مم ومن شأنها أن تتسبب في حدوث خطأ في هذه الطريقة7. تقتصر هذه الطابعة أيضا على طباعة 7 مواد أساسية في أي وقت، مما قد يحد من نطاق الألوان المتاحة.
يحدث المزج على مستوى القطرة ، مما يسمح بإمكانية 25،000،000 تركيبة ألوان محتملة يمكن إنشاؤها عن طريق الترسيب المشترك. ومع ذلك ، فإن الآلية الدقيقة لمزج المواد على مستوى القطارات قبل معالجة الأشعة فوق البنفسجية ليست معروفة جيدا. علاوة على ذلك ، تتطلب المواد المطبوعة معالجة لاحقة كبيرة ، مما يؤدي إلى قطع أثرية بصرية ذات فراغات داخلية وميزات يصعب الوصول إليها. لذلك ، من الأهمية بمكان تقييم الهندسة قبل التصنيع لضمان الوضوح البصري المطلوب عندما لا تسمح الفراغات الداخلية والهندسة المعقدة بالمعالجة اللاحقة.
تستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد حاليا لتصنيع نماذج للتخطيط الجراحي والزرع والملاحة الجراحية، وتحسين رعاية المرضى أثناء العمليات الجراحية وعبر بيئة المستشفى9،10. ومع ذلك ، فإن الاعتماد الحالي للنماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط قبل الجراحة كان بطيئا ، ويرجع ذلك جزئيا إلى النطاق المحدود للتطبيقات المتاحة مع طريقة STL الحالية للطباعة ثلاثية الأبعاد. تنتج هذه الطريقة فقدانا في البيانات وعدم دقة مرئية مقارنة بمجموعة البيانات المصدر ، ومستويات محدودة للغاية من التعقيد فيما يتعلق بالمورفولوجيا التشريحية الحقيقية ، والتدرجات الحجمية للبيانات الأصلية التي لا يمكن استنساخها.
على الرغم من أن البيانات المورفولوجية للطباعة 3D وحدها أثبتت نجاحها ، إلا أن مجموعة التطبيقات باستخدام هذه الطريقة تقتصر على التطبيقات العظمية والتمثيلات الهندسية البسيطة للميزات التشريحية المعقدة. في هذه العملية ، يتم فقدان البيانات الحجمية القيمة ، مما يعرض للخطر اتساق وسلامة بيانات المصدر. على العكس من ذلك ، فإن هذه الطريقة لاستخراج التركيب المادي للنموذج المطبوع 3D دون انحراف عن الصور الطبية تتجنب هذه المشكلات. يمكن لهذه الطريقة إعادة إنتاج الصور الطبية بدقة أكبر مع مزايا معروفة للإجراءات الجراحية حيث تكون الدقة المورفولوجية أمرا بالغ الأهمية. يصف البروتوكول في هذه الورقة التصور اللمسي للبيانات الطبية من خلال دقة تحت الملليمتر ، ومواد متعددة ، وطباعة 3D voxel. ومن المتوقع أن يسمح دمج الراتنجات اللينة، مع مقاييس التحمل في النطاق المماثل للأنسجة البشرية، بإعادة إنتاج الأنسجة الرخوة الممسوحة ضوئيا إشعاعيا لاستخدامها مع أساليب التخطيط عن طريق اللمس أثناء التحضير الجراحي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
N.J. هو مؤلف في طلب براءة اختراع مقدم من جامعة كولورادو ريجنتس يصف طرقا مثل تلك الموضحة في هذا العمل (الطلب رقم. US16/375,132; رقم المنشور US20200316868A1; قدم 04 أبريل 2019 ؛ نشرت في 08 أكتوبر 2020). يعلن جميع المؤلفين الآخرين أنه ليس لديهم مصالح متنافسة.
Acknowledgments
نشكر AB Nexus وولاية كولورادو على دعمهما السخي لبحثنا العلمي في طباعة voxel للتخطيط قبل الجراحة. نشكر L. Browne و N. Stence و S. Sheridan على توفير مجموعات البيانات المستخدمة في هذه الدراسة. تم تمويل هذه الدراسة من قبل منحة AB Nexus ومنحة ولاية كولورادو للصناعات المتقدمة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Slicer Image Computing Platform | Slicer.org | Version 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D Printer | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
References
- Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24 (2020).
- Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13 (2020).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108 (2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
- Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
- Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).
