Summary
この方法は、正確な空間忠実度と空間/コントラスト解像度で医用画像から直接印刷するボクセルベースの3D印刷ワークフローを示しています。これにより、形態学的に複雑で目盛りのある材料を介して、データの損失や変更なしに放射密度に相関する材料分布の正確で段階的な制御が可能になります。
Abstract
手術前計画のための3次元(3D)印刷のほとんどのアプリケーションは、現在のモデリングパラダイムの精度、品質、効率の基本的な制限のために、骨構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されてきました。これは、物体の内部が重要であり、解剖学的境界が徐々に変化するほとんどの外科的専門分野にとって重要な軟部組織をほとんど無視してきた。したがって、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を複製する生物医学産業のニーズは、新しい形態の表現を必要とする。
ここでは、現在の3Dモデリング手法よりも空間分解能とコントラスト分解能に優れ、これまで達成できなかった空間忠実度と軟部組織の分化を含む、医用画像から直接3Dモデルを作成する新しい技術を紹介します。また、MRIおよびCTから軟部生体組織に見られる材料剛性の範囲にまたがる新規の付加的に製造された複合材料の経験的測定も提示される。これらのユニークな体積設計と印刷方法は、材料の剛性と色の決定論的かつ継続的な調整を可能にします。この機能により、手術前計画への積層造形のまったく新しいアプリケーション、すなわち機械的リアリズムが可能になります。外観マッチングを提供する既存のモデルを自然に補完するものとして、これらの新しいモデルは、医療専門家が組織模擬体の空間的に変化する材料特性を「感じる」ことを可能にする - 触覚が重要な役割を果たす分野への重要な追加。
Introduction
現在、外科医は、3D患者の手術を計画するために異なるデータを表示する多数の離散2次元(2D)イメージングモダリティを研究しています。さらに、このデータを 2D 画面で表示しても、収集されたデータの全範囲を完全には通信できません。イメージングモダリティの数が増えるにつれて、複数の規模の組織を示す異なるモダリティからより多くのデータを合成する能力は、より効果的で効率的な外科的計画のために情報を凝縮およびキュレーションするための新しい形態のデジタルおよび物理的表現を必要とする。
3Dプリントされた患者固有のモデルは、手術計画のための新しい診断ツールとして登場し、手術時間と外科的合併症を軽減することが示されています1。しかし、標準的な光造形(STL)方式の3Dプリンティングでは、目に見えるデータ損失を示し、印刷されたオブジェクトを固体、均質、等方性材料としてレンダリングするため、このプロセスには時間がかかります。その結果、手術計画のための3Dプリンティングは、骨の構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されていました2。この制限は、産業革命の製品とニーズに導かれた時代遅れの製造パラダイムの結果であり、製造されたオブジェクトは外部の境界によって完全に記述されます3。しかし、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を再現する生物医学産業のニーズは、ポイントごとに変化するボリューム全体の変化を表す新しい表現形式を必要とします。
この問題に対処するために、3Dビジュアライゼーションおよびモデリング技術(図1)が開発され、超高解像度での樹脂の混合と堆積をより詳細に制御できる斬新な積層造形プロセスと組み合わされました。ビットマップ印刷と呼ばれるこの方法は、15μmに近づく高度なイメージング技術の空間忠実度と空間/コントラスト分解能のレベルで、医用画像から直接3D印刷によって人間の解剖学を複製します。これにより、診断ソース画像からのデータの損失や変更なしに、形態学的に複雑な軟部組織の変動を再現するために必要な正確で段階的な制御が可能になります。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
注:3Dスライサー医用画像コンピューティングソフトウェア4 ( 材料表を参照)は、セクション1から3で完了した作業に使用されました。
1. データ入力
- 医用画像コンピューティングソフトウェアを開き、ドロップダウンメニューから[ ファイル ]ボタンと DICOM をクリックし、 DICOMブラウザ ウィンドウが開くのを待ちます。
- 「DICOM ブラウザー」ウィンドウで、「インポート」を選択します。「ディレクトリーからの DICOM ファイルのインポート」ポップアップ・ウィンドウが表示されるまで待ちます。
- DICOM ファイル・スタックに移動し、「インポート」ボタンをクリックします。
- 選択した DICOM ファイルのスタックが DICOM ブラウザーにロードされていることを確認します。データが正しく入力され、次のカテゴリ(患者、研究、系列、およびインスタンス)の目的の研究と一致していることを確認します。
- 「 詳細」 チェック・ボックスをクリックして、追加のメタデータをアクティブ化します。目的の シリーズ番号 を選択し、[ 検査] ボタンをクリックします。目的のシーケンスに警告が表示されていないことを確認します。目的の DICOMデータ ・ファイルの横にあるチェック・ボックスをクリック| 読み込みます。
メモ: この方法は 15 μm および 27 μm のスライス厚で印刷できるため、最も薄いスライス取得で最高解像度の画像を選択します。
- 「 詳細」 チェック・ボックスをクリックして、追加のメタデータをアクティブ化します。目的の シリーズ番号 を選択し、[ 検査] ボタンをクリックします。目的のシーケンスに警告が表示されていないことを確認します。目的の DICOMデータ ・ファイルの横にあるチェック・ボックスをクリック| 読み込みます。
- ボリュームレンダリングの場合、シーケンスが医用画像コンピューティングソフトウェアにロードされたら、[モジュール ] に移動し、ドロップダウンメニューから [ボリュームレンダリングモジュール ]を選択します。
- ボリュームレンダリングモジュールで、「ボリューム 」 ドロップダウンメニューからシーケンスの名前を選択して、イメージスタックをアクティブにし、データをボクセル化された ボリューム に変換します。アクティブなモジュールの名前が、ステップ 1.1.3.1 で選択した目的のシーケンスと一致していることを確認します。
- 「ボリューム」ドロップダウンの横にある 「アイボール」 アイコンをクリックして、選択した ボリューム を 3D で視覚化します。3D 表示ウィンドウが開いていて、グレースケールの 3D 表示が表示されていることを確認します。
- 次に、[詳細 設定 ]の横にある矢印をクリックして、[ 詳細ツール]を開きます。「 ボリュームプロパティ」 タブを選択して、ボクセルモデルのカラーチャンネルを変更するためのコントロールのセットを開きます。
- 「スカラー不透明度マッピング」メニューに移動します。フィールド内を左クリックして、強度値が不透明度で定義されるポイントを作成します。このスケールに沿ってポイントを配置して、目的の解剖学を視覚化します。
メモ: ポイントの左右の位置はイメージの強度値の範囲に関連付けられ、上下の位置は不透明度を示します。 - スカラーマッピングメニューに移動します。フィールド内を左クリックしてポイントを作成し、強度値に相関する色を指定します。フィールド内をダブルクリックして「色の選択」ウィンドウを開き、色情報を変更します。
2. 操作
注:解剖学が十分に複雑で、 ボリュームプロパティの変更後に周囲の組織や無関係なデータが存在する点まで、マスキングステップが必要です。
- 「 モジュール」 に移動し、ドロップダウンメニューから 「セグメントエディタ」 を選択します。 セグメントエディタの ツールバーが表示されていることを確認します。
- [セ グメンテーション] ドロップダウンに移動し、[ 新しいセグメンテーションの作成] を選択します。「セグメンテーション名の変更」ポップアップ ウィンドウからセグメンテーション のカスタム名を入力し、「 OK」をクリックします。
- [マスターボリューム]ドロップダウンに移動し、ボリュームレンダリングと同じ名前のアクティブなボリュームを選択します。次に、ドロップダウンのすぐ下にある[追加]ボタンをクリックします。セグメントコンテナが下のフィールドに作成されていることを確認します。
- 下のエフェクトツールパネルに移動し、はさみツールを選択します。はさみメニューに移動し、[内部に入力]、[自由形式]、[無制限] を選択します。次に、3Dウィンドウにカーソルを合わせ、右クリックしたまま、消去する領域の周りを描画します。色付きの帯が表示され、カバーされているものが示されていることを確認します。削除するすべての領域がカバーされるまで、このプロセスを繰り返します。
メモ: セグメントエディタのエクストラエフェクトなどの拡張機能は、医用画像コンピューティングソフトウェアにダウンロードでき、このセグメンテーションを作成するためのツールが含まれています。 - 次に、エフェクトメニューからボリュームのマスクツールを選択します。[内部を選択]をオンにして、セグメントでカバーされているすべての画像データを削除します。次に、塗りつぶし値を -1000 に変更します。これは、ハウンズフィールドの単位スケールで空気または空隙に等しくなります。最後に、[適用]を押して[出力ボリューム]の横にある[アイボール]をクリックして、マスクされた新しいボリュームを表示します。
- [モジュール]に移動し、ドロップダウンメニューから[ボリュームレンダリング]を選択します。アクティブなボリュームの横にある [アイ ボール] をクリックして、ビジュアライゼーションをオフにします。
- 次に、ドロップダウンメニューから、新しく作成した マスクされたボリュームを選択します。 アイボール をクリックしてボリュームをアクティブにします。
- 最後に、[入力] メニューに移動し、[プロパティ] ドロップダウン メニューを開きます。手順 1.2.5 で作成したボリュームプロパティを選択します。3D ビューのボリュームがマスクされ、色分けされていることを確認します。
3. スライス
メモ: このプロセスは、スライスファイルを STL メッシュファイルではなく 3D 印刷に直接送信することで、従来の 3D 印刷方法をバイパスします。次の手順では、ボリュームレンダリングからスライスが作成されます。 ビットマップジェネレータ モジュールは、カスタムビルドの拡張機能です。これは拡張機能 マネージャーからダウンロードできます。
- モジュールに移動し、ドロップダウンから Slicerfab を選択します。「印刷パラメーター」メニューと「出力パラメーター」メニューがあることを確認します。
- [プリンタパラメータ]ドロップダウンで、[X]解像度が600 DPIに設定され、Y解像度が300 DPIに設定されていることを確認します。層の厚さが 27 μm に設定されていることを確認します。
- 次に、[ 出力パラメータ] メニューを開き、必要に応じて最終モデルのスケールを変更します。
- 最後に、保存するスライスのファイルの場所を選択し、「 生成」をクリックします。
メモ: この手順は、完了するまでに数分かかる場合があります。
4. ディザリング
注: Adobe Photoshop ( 資料表を参照) は、セクション 4 で完了した作業に使用されました。
- 画像編集ソフトウェアを開き、[ ファイル ]をクリックし、ドロップダウンメニューから[ 開く ]を選択します。前の手順で作成したPNGファイルスタックの最初の画像に移動し、[ 開く ]ボタンをクリックします。
- ウィンドウに移動し、ドロップダウンメニューから[アクション]を選択します。「アクション」メニューで、「新規アクション」をクリックし、カスタム名を入力して「OK」を選択します。[記録] ボタンがアクティブで赤色であることを確認して、アクションが記録されていることを確認します。
- イメージが読み込まれたら、[ イメージ |モード|インデックスカラー。「 インデックス」 ウィンドウで、ドロップダウンメニューから 「ローカル知覚」 を選択し、色数を 8 に指定します。
- [強制] メニューで、[カスタム] を選択します。最初の 2 つの正方形をクリックし、[カスタムカラー] ウィンドウがポップアップするのを待って、カスタムカラーパレットを選択します。100% マゼンタを選択し、C、Y、K が 0 に設定されていることを確認します。
- このプロセスを繰り返し、 100%C、 Y、 およびKに捧げられた2つの正方形があることを確認します。
- オプションメニューのマットで、ドロップダウンメニューから「カスタム」を選択します。[ディザ]で[拡散]を選択し、[金額]で[100%]を選択します。最後に、[OK]をクリックします。
- [アクション]メニューに移動し、四角ボタンをクリックして録音を停止します。アクティブなウィンドウを閉じ、変更の保存ポップアップウィンドウで「いいえ」をクリックします。
- [ファイルの|] に移動します。|の自動化バッチ。「バッチ」ポップアップ・ウィンドウで、「アクション」ドロップダウンに移動し、前のステップで作成したアクションを選択します。次に、[ソース]メニューの[選択]ボタンをクリックし、手順3.1.3でエクスポートした画像のフォルダに移動します。「保存先」メニューの「選択」ボタンをクリックし、新しいファイルの保存先フォルダの場所を選択して、「OK」をクリックします。
5. ボクセル印刷
注:Stratasys GrabCAD5は、セクション5で完了した作業に使用されました。
- 印刷ソフトウェアを開き、[ アプリ ]をクリックし、ドロップダウンメニューから [Voxel印刷ユーティリティを起動し ます]をクリックします。
- スライスファイルの接頭辞テキストボックスに、PNG ファイルスタックの接頭辞を入力します。次に、[選択] ボタンをクリックし、PNG ファイル スタックがあるフォルダーに移動し、[OK] をクリックします。
- 「スライス 範囲」で、「最初のスライス」と 「スライス 数 」が 、作成したフォルダ内のファイル数と一致していることを確認します。
- 「スライスパラメータ」で、「スライスされた厚さ」(mm)が手順 3.1.1.1 で指定した設定と一致し、「スライスの幅」(ピクセル)と「スライスの高さ」(ピクセル)が PNG ファイルの幅と高さと一致することを確認します。
- [ 背景色] で、背景が背景色と一致していることを確認します。[印刷しないように設定] をクリックします。完了したら、[ 次へ ]ボタンをクリックします。
- [ ツール ]ページの [マテリアル マッピング]で、ドロップダウン メニューから、PNG ファイルから派生した関連する色にマップするマテリアルを選択します。メニューの各色について、このプロセスを繰り返します。次に、[ |の完了]をクリックします。 ポップアップウィンドウでOK 情報Gcvfの作成に成功しました。
- ホスト コンピューターの印刷ソフトウェアで、[ファイル |] をクリックします。 ドロップダウンメニューからファイルをインポート します。 Gcvf ファイル に移動し、「 ロード」をクリックします。メイン画面で、[ 印刷] を選択します。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
図 2 と図 3 に示すように、肯定的な結果は、手順 1.2.5 または 2.1.1.4 で定義されているボリューム レンダリングの直接変換になります。最終的なモデルは、サイズ、形状、および色においてボリューム レンダリングと視覚的に一致している必要があります。このプロセスに沿って、エラーが発生し、上記の 1 つ以上のプロパティに影響を与える可能性のある多数の手順があります。
図 4 に示すように、印刷モデルの均一なスケーリングに関連する問題は、イメージング、コンピューター ハードウェア、および/または既定のソフトウェア設定の結果である可能性があります。病院では、さまざまな手法を使用して、さまざまなスキャナーから画像を生成およびレンダリングします。このメソッドはソース イメージから直接機能し、通常は使用されていないメタデータを公開する可能性があるため、イメージング ワークフローのニュアンスをよく理解することが重要です。スケールの問題は、「変換」がメタデータにベイクされ、レイヤーの高さと回転を人工的に調整できるときに発生する可能性があります。
スケールの問題は、コンピューターのモニター サイズが原因である場合もあります。Slicerfab の一部のバージョンでは、ボリューム レンダリングをスライスし、結果の PNG をアクティブな画面のサイズに保存するように設定されています。これらのバージョンの Slicerfab では、モニターより大きい画像は切り取られます。最後に、Photoshop のさまざまなアップデートにより、アップデートによってデフォルトがイメージの読み込み解像度に変更されるときにスケールの問題が発生しています。デフォルトが 600 DPI 以外に設定されている場合、画像は医用画像コンピューティング ソフトウェアによって生成される画像と同じスケールを維持しません。X-Y 寸法に歪みが生じますが、モデルの Z 高さは正しいままです。
不規則な形状や予期しない形状に関連する問題は、医用画像コンピューティングソフトウェアで不透明度を操作するときに発生する可能性があります。 ボリュームのプロパティ タブには、カラーチャンネルと不透明度チャンネルの両方を変更する機能があります。不透明度チャネルを 50% 未満に設定すると、レンダリング アルゴリズムによって、特に複雑な構造を囲む、ユーザーが知覚しにくいビジュアライゼーションが生成されます。これにより、プロセス内で追加のデータが解析され、不要なデータが3D印刷される可能性があります。
色に関連する問題は、画像編集ソフトウェアと印刷ソフトウェアの両方で、ソフトウェアグラフィックスとユーザーエラーが原因である可能性があります。医用画像コンピューティングソフトウェアには、ボリュームレンダリングを調整するための多数の選択肢があります。現在のバージョンの Slicerfab にはレンダリング設定がハードコーディングされていますが、変更は可能です。ライトとシェードの設定、および GPU レンダリング設定を有効にすると、予期しない再現不能な結果が生じる可能性があります。最後に、ステップ4.1.2.3から始まるディザリングステップは、プリンタで利用可能な基材の数と相対濃度によって決定されるカラー合成のオプションに基づいて、色に影響を与える可能性があります。
「ローカル知覚」ディザリングアルゴリズムは、「カラーピッカー」で定義された利用可能な色からソースカラーの視覚的な近似を生成しようとします。基材の数と色を変更すると、印刷されたモデルの色相と色の精度が変更されます。さらに、 図5に示すように、基材としてクリアを使用すると、印刷モデルを透過する表面および表面下の光散乱の問題により、デジタルレンダリングから印刷モデルへの不誠実な色変換がしばしば生じる6。
図 1: フロー図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ボクセルのデジタルから物理的な色のディザリング。 (a)心臓モデルの断面は、解剖学の密度範囲を2、4、および10色に分割することによって示される。(B)各モデルの一部を拡大して、3D印刷プロセスでマテリアルの液滴に処理される個々のピクセルを表示します。(C)ここに示されているのは、ボクセル技術を使用した断面3Dプリントモデルで、画像からモデルへの変換を示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ボクセル代表的な結果 成功したメソッドの代表的な結果を表示する 2 つのモデル。(A)明細胞癌を有する成人の断面腎臓モデル。右側の腫瘍は、腎臓と腫瘍との界面を示すために除去されている。これにより、外科医は腫瘍の形態および腫瘍と重要な要素との関係をよりよく理解することができます。(b)組織密度の変動を示す切片化された心臓モデル。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ボクセルスケールの問題 スケーリングの問題の結果を示す同じモデルの 2 つの画像。(a)腎臓の断面画像。X-Y分解能は比例して示されているが、腎臓の意図された製品(B)プロファイルビューの50%である。X 解像度はソース データから正確なままで、モデルは X 方向に引き伸ばされたように見えます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:潜在的な問題 2つの異なるモデルの2つの画像は、半透明の素材を扱うことの明瞭さに関する問題を示しています。(A) このモデルは、プリンターによって「サポート」材料で満たされたモデル内の囲まれた空隙の結果を示しています。このモデルでは、光学特性にばらつきを生じさせるためにボイドが意図的に作成されました。(B) このモデルは、モデルの奥深くまで流れ込む開いた空隙を示しています。空隙は曲がりくねっており、表面を研磨する標準的な後処理技術を不可能にします。結果として生じる光学的歪みにより、モデルは臨床用途に使用できなくなりました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:ボクセル処理ワークフローと画質比較 入力DICOMデータから、(A)マスクが作成され、関心領域を分離して3Dボリュームレンダリングに再構築し、(B)そこからヒストグラムを分析して強度値の範囲を解析します。ボクセルベースのボリュームレンダリングのシェイプチャンネルがアクティブになり、マスクされたDICOMのフォームが視覚化されます。ボクセルベースのボリュームレンダリングのマテリアルチャンネルは、指定された強度範囲(C)に色をマップするルックアップテーブルによって変更されます。ボリュームレンダリングは、フルカラーPNGファイルとして、プリンタ(D)の必要な制約と解像度に合わせてスライスされます。すべてのPNGスライスは、医療データの作成に必要な材料の説明にディザリングされます。(E) 生成されたカラーコンポジットPNGがプリンタに送信されます。(F) 低解像度データセットと比較した高解像度データセットの視覚化 (G) 同じ手法を使用して、最高品質のソースデータの必要性を実証する。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
デジタルモデリングツールのすべてではないにしても、大多数が今日採用している現在の表現フレームワークは、STLファイル形式になります8。それにもかかわらず、このパラダイムの特定の性質は、より複雑で自然な材料の粒状または階層的な構造を表現しようとすると不十分であることが証明されています。マルチマテリアル3Dプリンティングなどの最近のアディティブマニュファクチャリング技術の登場により、高度に調整され、高度に最適化されたオブジェクトを製造でき、ボリューム全体で徐々に材料の移行が表示されます。この論文は、ボクセルまたはビットマップベースのプロセスが複雑な材料表現により適していることを示唆しており、放射線画像から放射線密度と形態学的複雑さを翻訳する技術を提供する。このワークフローの利点には、i)3Dプリントされたボリューム内の複数のスケールでの材料分布に対する正確で段階的な制御、およびii)3Dボクセルフィールド上の既存の2D画像処理技術を向上させ、審美的な品質と材料構成が構造性能に合わせて高度に変調されたオブジェクトの設計とエンジニアリング内で新しい創造的な道を生み出す力が含まれます。
このプロセスのすべてのステップは、正確な最終3Dプリントを達成するために重要であり、エラーの余地はほとんどありません。その過程で、特別な注意が必要な点が数多くあり、正確性を確保するためにチェックを行う必要があります。まず、この方法に適した画像を選択することは、図6F,Gに示すように、最終的な3Dプリントモデルに直接影響します。このメソッドは、ソース画像の純度を維持しようとします。解像度を向上させたり輪郭を滑らかにしたりするための変更を行うと、データが導入されたり削除されたりする可能性があります。このメソッドの最終製品は、入力データと同じくらい優れています。この方法は、15μmおよび27μmの層厚の液滴分解能を可能にする。したがって、放射線科医と緊密に協力して、最も薄いスライス数で最高解像度の画像をソース化することが重要です。
第 2 に、プロトコルのステップ 1.1、2、および 図 6A で説明されているモデル編集ステップでは、ルックアップ テーブルをマスクして変更し、目的の結果を抽出およびレンダリングするためにユーザー入力が必要です。解像度が高いため、解剖学的構造の複数のスケールを編集できます。医用画像データ構造と生体組織との関係を完全に理解することは、目的のデータを抽出するために不可欠です。このステップ中の注意は、生物学的組織における組織の複数のスケールを複製する高度に調整されたモデルを可能にすることができる。
第3に、プロトコルステップ4で説明したディザリングステップは、材料がソースカラーからどのように段階的に行われるかを決定する。ソースの色がプリンタの色に関連していることを確認することが重要です。プリンタの色がディザリングステップの色と一致しない場合、最終モデルで予期しない色の変動が発生する可能性があります。さらに、多数のディザリング技術がさまざまな結果を生み出します。データが失われず、適切な情報が首尾一貫して表示されていることを確認するために、これを綿密に調べることが重要です。
代表的な結果で定義されている問題に対するトラブルシューティングソリューションをいくつか提供します。第一に、スケールに関する問題は、一般に、放射線科から受信した医用画像メタデータに焼き付けられた変換に関連しています。この問題は、医用画像コンピューティングソフトウェアで、これらの継承された「変換」をすべて削除することで修正できます。最初のステップは、変換メニューを開き、ドロップダウンメニューから[アクティブな変換の削除]を選択することです。継承されたすべての変換に対してこのプロセスを繰り返します。これにより、問題がすぐに修正されるはずです。
第 2 に、ジオメトリに関連する問題は、一般に、プロトコル ステップ 1.2.4 で不透明度チャネルをアクティブにすることに関連しています。不透明度チャネルを 50% 未満に設定すると、レンダリング アルゴリズムによってビジュアライゼーションが生成されますが、これはユーザーが知覚しにくい、特に周囲の複雑な構造です。この問題の解決策は、不透明度チャネルを100%に設定し、プロトコルステップ5で「クリア」マテリアルとして定義できる単色を作成することです。
第三に、Slicerfabプログラムのスライスに関連する問題は、多くの場合、複数の「ボリューム」と関心領域ツール(ROI)が医用画像コンピューティングソフトウェアにロードされた結果です。複数の「ボリューム」がロードされている場合は、ボリュームレンダリングモジュールのボリュームドロップダウンメニューから無関係なボリュームを選択してアクティブにします。次に、同じドロップダウンメニューから、[現在のボリュームの削除]を選択します。作成された可能性のある追加のROIについて、この手順を繰り返します。1つの「ボリューム」と1つの「ROI」が存在する場合、Slicerfabは再起動を必要とせずに動作するはずです。
一般に、このプロトコルのすべての制限は、ハードウェアおよび関連する材料の可用性に関連しています。この方法で使用される現在の3Dプリンタは、15μm X-Yおよび25μm Z高さの解像度に制限されています。この制限は、Micro CT などの超高解像度イメージング データを扱う場合、画像解像度が 5 mm に近づく可能性があり、この方法でエラーが発生する原因となります7。このプリンタは、一度に7つの基材を印刷することも制限されているため、使用可能な色の範囲が制限される可能性があります。
液滴レベルでのブレンドは確かに行われ、共沈によって作成できる25,000,000の可能な色の組み合わせの可能性を可能にします。しかしながら、UV硬化前の液滴レベルでの材料配合の正確なメカニズムは、あまり知られていない。さらに、印刷物にはかなりの後処理が必要であり、内部の空隙や届きにくい機能を持つ視覚的なアーチファクトにつながります。したがって、内部の空隙や複雑な形状が後処理を許さない場合に、望ましい視覚的明瞭さを確保するために、製造前に形状を評価することが重要です。
3次元印刷は現在、外科的計画、移植、および手術ナビゲーションのためのモデルを製造するために使用され、外科的処置中および病院環境全体の患者ケアを改善する9,10。しかし、手術前計画のための3Dプリントモデルの現在の採用は、3Dプリントのための現在のSTL法で利用可能なアプリケーションの範囲が限られているため、遅くなっています。この方法では、ソースデータセットと比較してデータの損失と目に見える不正確さ、真の解剖学的形態に関連する複雑さのレベルが厳しく制限され、再現できない元のデータの体積勾配が生じます。
形態学的データの3Dプリンティングだけでも成功することが証明されていますが、この方法によるアプリケーションの範囲は、骨のアプリケーションと複雑な解剖学的特徴の単純な幾何学的表現に限定されています。このプロセスでは、貴重なボリューム データが失われ、ソース データの一貫性と整合性が損なわれます。逆に、医用画像から逸脱することなく3Dプリントモデルの材料組成を抽出するこの方法は、これらの問題を回避する。この方法は、形態学的精度が重要な外科的処置のための既知の利点を有する、より高い精度で医用画像を再現することができる。このホワイトペーパーのプロトコルでは、サブミリメートル解像度、マルチマテリアル、3Dボクセル印刷による医療データの触覚視覚化について説明します。ヒト組織に類似した範囲のデュロメータを有する軟質樹脂の組み込みは、放射線学的にスキャンされた軟部組織の再現を、外科的準備中の触覚計画方法と共に使用することを予見可能に可能にする可能性がある。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
N.J.はコロラド大学リージェンツ校が提出した特許出願の著者であり、この作品に記載されているような方法を記述しています(出願番号。US16/375,132;発行番号US20200316868A1;2019年4月4日提出。公開08 10月2020)。他のすべての著者は、競合する利害関係はないと宣言しています。
Acknowledgments
AB Nexusとコロラド州が、手術前計画のためのボクセル印刷に関する科学的研究を寛大に支援してくれたことに感謝します。我々は、この研究で使用されたデータセットを提供してくれたL. Browne、N. Stence、およびS. Sheridanに感謝する。この研究は、AB Nexus GrantとState of Colorado Advanced Industries Grantから資金提供を受けた。
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).
