Summary
Questo metodo dimostra un flusso di lavoro di stampa 3D basato su voxel, che stampa direttamente da immagini mediche con esatta fedeltà spaziale e risoluzione spaziale / di contrasto. Ciò consente il controllo preciso e graduato delle distribuzioni dei materiali attraverso materiali morfologicamente complessi e graduati correlati alla radiodensità senza perdita o alterazione dei dati.
Abstract
La maggior parte delle applicazioni della stampa tridimensionale (3D) per la pianificazione prechirurgica sono state limitate a strutture ossee e semplici descrizioni morfologiche di organi complessi a causa delle limitazioni fondamentali in termini di accuratezza, qualità ed efficienza dell'attuale paradigma di modellazione. Ciò ha in gran parte ignorato i tessuti molli critici per la maggior parte delle specialità chirurgiche in cui l'interno di un oggetto è importante e i confini anatomici passano gradualmente. Pertanto, le esigenze dell'industria biomedica di replicare il tessuto umano, che mostra più scale di organizzazione e diverse distribuzioni dei materiali, richiedono nuove forme di rappresentazione.
Qui viene presentata una nuova tecnica per creare modelli 3D direttamente da immagini mediche, che sono superiori nella risoluzione spaziale e di contrasto agli attuali metodi di modellazione 3D e contengono fedeltà spaziale precedentemente irraggiungibile e differenziazione dei tessuti molli. Sono inoltre presentate misurazioni empiriche di nuovi compositi prodotti in modo additivo che coprono la gamma di rigidità del materiale osservate nei tessuti biologici molli da risonanza magnetica e TC. Questi esclusivi metodi di progettazione volumetrica e di stampa consentono una regolazione deterministica e continua della rigidità e del colore del materiale. Questa capacità consente un'applicazione completamente nuova della produzione additiva alla pianificazione prechirurgica: il realismo meccanico. Come complemento naturale ai modelli esistenti che forniscono la corrispondenza dell'aspetto, questi nuovi modelli consentono anche ai professionisti medici di "sentire" le proprietà del materiale spazialmente variabili di un simulante tissutale, un'aggiunta critica a un campo in cui la sensazione tattile gioca un ruolo chiave.
Introduction
Attualmente, i chirurghi studiano numerose modalità di imaging 2-dimensionale (2D) discrete che visualizzano dati distinti per pianificare le operazioni su pazienti 3D. Inoltre, la visualizzazione di questi dati su uno schermo 2D non è pienamente in grado di comunicare l'intera portata dei dati raccolti. Con l'aumentare del numero di modalità di imaging, la capacità di sintetizzare più dati da modalità distinte, che presentano più scale di organizzazione, richiede nuove forme di rappresentazione digitale e fisica per condensare e curare le informazioni per una pianificazione chirurgica più efficace ed efficiente.
I modelli stampati in 3D e specifici per il paziente sono emersi come un nuovo strumento diagnostico per la pianificazione chirurgica che ha dimostrato di ridurre i tempi operativi e le complicanze chirurgiche1. Tuttavia, il processo richiede molto tempo a causa del metodo di stereolitografia standard (STL) della stampa 3D, che mostra una perdita visibile di dati e rende gli oggetti stampati come materiali solidi, omogenei e isotropi. Di conseguenza, la stampa 3D per la pianificazione chirurgica è stata limitata a strutture ossee e semplici descrizioni morfologiche di organi complessi2. Questa limitazione è il risultato di un paradigma di produzione obsoleto guidato dai prodotti e dalle esigenze della rivoluzione industriale, in cui gli oggetti fabbricati sono completamente descritti dai loro confini esterni3. Tuttavia, le esigenze dell'industria biomedica di replicare il tessuto umano, che mostra più scale di organizzazione e diverse distribuzioni dei materiali, richiedono nuove forme di rappresentazione che rappresentino le variazioni dell'intero volume, che cambiano punto per punto.
Per risolvere questo problema, è stata sviluppata una tecnica di visualizzazione e modellazione 3D (Figura 1) abbinata a un nuovo processo di produzione additiva che consente un maggiore controllo sulla miscelazione e la deposizione di resine in altissima risoluzione. Questo metodo, chiamato stampa bitmap, replica l'anatomia umana stampando in 3D direttamente da immagini mediche a un livello di fedeltà spaziale e risoluzione spaziale / di contrasto della tecnologia di imaging avanzata che si avvicina a 15 μm. Ciò consente il controllo preciso e graduale necessario per replicare le variazioni nei tessuti molli morfologicamente complessi senza perdita o alterazione dei dati provenienti dalle immagini di origine diagnostica.
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Protocol
NOTA: il software 3D Slicer Medical Image Computing4 (vedere la tabella dei materiali) è stato utilizzato per il lavoro completato nelle sezioni da 1 a 3.
1. Inserimento dati
- Aprire il software di elaborazione di immagini mediche, fare clic sul pulsante File e DICOM dal menu a discesa e attendere l'apertura della finestra di DICOM Browser .
- Nella finestra DICOM Browser , selezionare Importa. Attendere la visualizzazione della finestra popup Importa file DICOM dalla directory .
- Passare allo stack di file DICOM e fare clic sul pulsante Importa .
- Assicurarsi che lo stack selezionato di file DICOM sia caricato nel browser DICOM. Assicurarsi che i dati siano stati popolati correttamente e corrispondano allo studio desiderato nelle seguenti categorie: Paziente, Studio, Serie e Istanza.
- Fare clic sulla casella di controllo Avanzate per attivare metadati aggiuntivi. Selezionare il numero di serie desiderato e fare clic sul pulsante Esamina . Assicurarsi che la sequenza desiderata non visualizzi avvisi. Fare clic sulla casella di controllo accanto al file di dati DICOM desiderato | Carica.
NOTA: selezionare le immagini a più alta risoluzione con l'acquisizione della fetta più sottile poiché questo metodo è in grado di stampare a 15 μm e 27 μm di spessore della fetta.
- Fare clic sulla casella di controllo Avanzate per attivare metadati aggiuntivi. Selezionare il numero di serie desiderato e fare clic sul pulsante Esamina . Assicurarsi che la sequenza desiderata non visualizzi avvisi. Fare clic sulla casella di controllo accanto al file di dati DICOM desiderato | Carica.
- Per il rendering del volume, una volta caricata la sequenza nel software di elaborazione delle immagini mediche, passare a Moduli e selezionare Modulo di rendering del volume dal menu a discesa.
- Nel modulo Rendering volume , selezionare il nome della sequenza dal menu a discesa Volume per attivare lo stack di immagini e tradurre i dati in un volume voxelizzato. Assicurarsi che il nome del modulo attivo corrisponda alla sequenza desiderata selezionata nel passaggio 1.1.3.1.
- Fare clic sull'icona Eye Ball accanto al menu a discesa Volume per visualizzare il volume selezionato in 3D. Assicurarsi che la finestra di visualizzazione 3D sia aperta e che sia visibile una rappresentazione 3D in scala di grigi.
- Quindi, fai clic sulla freccia accanto a Avanzate per aprire Strumenti avanzati. Selezionate la scheda Proprietà volume (Volume Property ) per aprire una serie di controlli per modificare il canale colore del modello voxel.
- Passare al menu Mappatura opacità scalare . Fare clic con il pulsante sinistro del mouse nel campo per creare punti in cui i valori di intensità saranno definiti dall'opacità. Posiziona i punti lungo questa scala per visualizzare l'anatomia di interesse.
NOTA: la posizione destra-sinistra del punto è correlata all'intervallo dei valori di intensità dell'immagine e la posizione su-giù si riferisce all'opacità. - Passare al menu Mappatura colori scalare . Fare clic con il pulsante sinistro del mouse nel campo per creare punti e specificare i colori correlati ai valori di intensità. Fare doppio clic nel campo per aprire una finestra Seleziona colore per modificare le informazioni sul colore.
2. Manipolazioni
NOTA: È necessaria una fase di mascheramento se l'anatomia è sufficientemente complessa, al punto in cui sono presenti tessuti circostanti e dati estranei dopo modifiche alle proprietà del volume.
- Passare a Moduli e selezionare l'Editor segmenti dal menu a discesa. Assicurarsi che vengano visualizzate le barre degli strumenti dell'Editor segmenti .
- Passare al menu a discesa Segmentazione e selezionare Crea nuova segmentazione come. Digitare un nome personalizzato per la segmentazione dalla finestra popup Rinomina segmentazione e fare clic su OK.
- Passare all'elenco a discesa Volume master e selezionare il volume attivo, che avrà lo stesso nome del rendering del volume. Quindi, fai clic sul pulsante Aggiungi direttamente sotto il menu a discesa. Assicurarsi che il contenitore del segmento sia stato creato nel campo sottostante.
- Accedete al pannello degli strumenti effetti qui sotto e selezionate lo strumento Forbici . Vai al menu Forbici e seleziona Riempi all'interno, Forma libera e Illimitato. Quindi, passa il mouse sopra la finestra 3D, fai clic con il pulsante destro del mouse e tieni premuto mentre disegni intorno all'area da cancellare. Assicurati che appaia una fascia colorata, che mostri ciò che è stato coperto. Ripetere questa procedura fino a coprire tutte le aree da eliminare.
NOTA: esistono estensioni, ad esempio Segment Editor Extra Effects, che possono essere scaricate nel software di elaborazione di immagini mediche, contenenti strumenti per la creazione di questa segmentazione. - Quindi, selezionare lo strumento Volume maschera dal menu Effetti . Seleziona Seleziona all'interno per eliminare tutti i dati dell'immagine coperti dal segmento. Quindi, modificate il valore di riempimento in modo che sia -1000, che è uguale ad aria o vuoto, nella scala unitaria di Hounsfield. Infine, premi Applica e fai clic su Eye Ball accanto al volume di uscita per mostrare il nuovo volume mascherato.
- Passare a Moduli e selezionare Rendering volume dal menu a discesa. Fare clic sul bulbo oculare accanto al volume attivo per disattivare la visualizzazione.
- Quindi, dal menu a discesa, selezionare il volume mascherato appena creato. Fare clic sul bulbo oculare per attivare il volume.
- Infine, vai al menu Input e apri il menu a discesa Proprietà . Selezionare la proprietà Volume creata nel passaggio 1.2.5. Assicurarsi che il volume nella vista 3D sia mascherato e codificato a colori.
3. Affettatura
NOTA: questo processo ignora il metodo di stampa 3D tradizionale inviando i file slice direttamente alla stampa 3D anziché a un file mesh STL. Nei passaggi seguenti, le sezioni verranno create dal rendering del volume. Il modulo Bitmap Generator è un'estensione personalizzata. Questo può essere scaricato da Extensions Manager.
- Passare a Moduli, selezionare Slicerfab dal menu a discesa. Assicurarsi che siano presenti i menu Parametri di stampa e Parametri di output .
- Nell'elenco a discesa Parametri stampante , assicurarsi che la risoluzione X sia impostata su 600 DPI e che la risoluzione Y sia impostata su 300 DPI. Assicurarsi che lo spessore dello strato sia impostato su 27 μm.
- Quindi, aprite il menu Parametri di output e modificate la scala del modello finale in base alle esigenze.
- Infine, selezionate un percorso di file per le sezioni da salvare e fate clic su Genera.
NOTA: il completamento di questo passaggio può richiedere alcuni minuti.
4. Dithering
NOTA: Adobe Photoshop (vedere la tabella dei materiali) è stato utilizzato per il lavoro completato nella sezione 4.
- Apri il software di modifica delle immagini e fai clic su File e seleziona Apri dal menu a discesa. Passare alla prima immagine dello stack di file PNG creato nel passaggio precedente e fare clic sul pulsante Apri .
- Passare a Finestra e selezionare Azioni dal menu a discesa. Nel menu Azioni , fare clic su Nuova azione, immettere un nome personalizzato e selezionare OK. Assicurarsi che l'azione venga registrata controllando che il pulsante Registra sia attivo e rosso.
- Una volta caricata l'immagine, passare a Immagine | Modalità | Colore indicizzato. Nella finestra Indice , selezionare dal menu a discesa Percettivo locale e specificare il numero di colori come 8.
- Nel menu Forzato , selezionare Personalizzato. Fare clic sui primi due quadrati, attendere la visualizzazione della finestra Colore personalizzato e selezionare una tavolozza di colori personalizzata. Selezionare 100% magenta e assicurarsi che C, Y e K siano impostati su 0.
- Ripeti questo processo e assicurati che ci siano due quadrati dedicati al 100% C, Y e K.
- Nel menu Opzioni , per Mascherino, selezionare Personalizzato dal menu a discesa. Per Dithering, selezionare Diffusione e per Quantità selezionare 100%. Infine, fare clic su OK.
- Passare al menu Azione e fare clic sul pulsante quadrato per interrompere la registrazione. Chiudere la finestra attiva e fare clic su No nella finestra popup salva modifiche .
- Passare a File | Automatizza | Lotto. Nella finestra popup Batch , passare al menu a discesa Azione e selezionare l'azione creata nel passaggio precedente. Quindi, nel menu Sorgente , fare clic sul pulsante Scegli e passare alla cartella delle immagini esportate nel passaggio 3.1.3. Nel menu Destinazione fare clic sul pulsante Scegli , selezionare un percorso della cartella di destinazione per i nuovi file e fare clic su OK.
5. Stampa Voxel
NOTA: Stratasys GrabCAD5 è stato utilizzato per il lavoro completato nella sezione 5.
- Aprire il software di stampa, fare clic su App e avviare Voxel Print Utility dal menu a discesa.
- Nella casella di testo Prefisso file slice immettere il prefisso dello stack di file PNG. Quindi, fare clic sul pulsante Seleziona e passare alla cartella in cui si trova lo stack di file PNG e fare clic su OK.
- In Intervallo sezioni verificare che La prima sezione e il numero di sezioni corrispondano al numero di file nella cartella creata.
- In Parametri di sezionamento verificare che lo spessore affettato (mm) corrisponda alle impostazioni specificate nel passaggio 3.1.1.1 e la larghezza della sezione (pixel) e l'altezza della sezione (pixel) corrispondano alla larghezza e all'altezza dei file PNG.
- In Colore di sfondo, assicurati che lo sfondo corrisponda al colore di sfondo, impostato per non stampare. Una volta completato, fai clic sul pulsante Avanti .
- Nella pagina Strumenti in Mappatura materiali, selezionare il materiale dal menu a discesa da mappare al colore associato, derivato dai file PNG. Ripeti questa procedura per ogni colore nel menu. Quindi, fai clic su Fine | OK nella finestra popup Info Gcvf creazione riuscita.
- Nel software di stampa del computer host, fare clic su File | Importa file dal menu a discesa. Passare al file Gcvf e fare clic su Carica. Nella schermata principale, selezionare Stampa.
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Representative Results
Un risultato positivo, come mostrato nella Figura 2 e nella Figura 3, sarà una traduzione diretta del rendering del volume come definito nei passaggi 1.2.5 o 2.1.1.4. Il modello finale deve corrispondere visivamente al rendering del volume in termini di dimensioni, forma e colore. Lungo questo processo, ci sono numerosi passaggi in cui può verificarsi un errore, che influenzerà una o più delle proprietà sopra elencate.
I problemi relativi al ridimensionamento uniforme, come illustrato nella Figura 4, dei modelli stampati possono essere il risultato dell'imaging, dell'hardware del computer e/o delle impostazioni software predefinite. Gli ospedali utilizzano una varietà di tecniche per produrre e rendere le immagini da una gamma di possibili scanner. Poiché questo metodo funziona direttamente dalle immagini di origine, che possono esporre metadati non tipicamente utilizzati, è importante avere familiarità con le sfumature del flusso di lavoro di imaging. I problemi di scala possono sorgere quando la "trasformazione" viene inserita nei metadati, che possono regolare artificialmente l'altezza e la rotazione dello strato.
I problemi di scala possono anche essere il risultato delle dimensioni del monitor del computer. Alcune versioni di Slicerfab sono state impostate per suddividere il volume di rendering e salvare il PNG risultante alle dimensioni della schermata attiva. In queste versioni di Slicerfab, le immagini più grandi del monitor verranno tagliate. Infine, vari aggiornamenti in Photoshop hanno provocato problemi di scala quando gli aggiornamenti modificano le impostazioni predefinite per la risoluzione di importazione dell'immagine. Quando il valore predefinito è impostato su un valore diverso da 600 DPI, le immagini non manterranno la stessa scala di immagini prodotte dal software di elaborazione delle immagini mediche. Esse provocano distorsioni alla quota X-Y mentre l'altezza z del modello rimarrà corretta.
Problemi relativi a forme irregolari e geometrie impreviste possono verificarsi quando si lavora con l'opacità nel software di elaborazione delle immagini mediche. La scheda delle proprietà del volume contiene la possibilità di modificare sia i canali di colore che di opacità. Quando il canale di opacità è impostato al di sotto del 50%, gli algoritmi di rendering producono visualizzazioni difficili da percepire per l'utente, in particolare le strutture complesse circostanti. Ciò può comportare l'analisi di dati aggiuntivi nel processo e può portare alla stampa 3D di dati indesiderati.
I problemi relativi al colore possono derivare da errori grafici del software e dell'utente sia nel software di modifica delle immagini che nel software di stampa. Il software di elaborazione delle immagini mediche ha numerose scelte per regolare il rendering del volume. Sebbene la versione corrente di Slicerfab abbia impostazioni di rendering hardcoded, è comunque possibile apportare modifiche. L'attivazione di impostazioni di luci e ombre, così come le impostazioni di rendering della GPU, può produrre risultati inaspettati e irriproducibili. Infine, le fasi di dithering a partire dal passaggio 4.1.2.3 possono influire sul colore in base alle opzioni per la sintesi del colore, che è determinata dal numero e dalle concentrazioni relative dei materiali di base disponibili nella stampante.
L'algoritmo di dithering "percettivo locale" tenta di produrre un'approssimazione visiva del colore sorgente dai colori disponibili definiti nel "selettore colore". La modifica del numero e del colore dei materiali di base modificherà la tonalità risultante e la precisione del colore del modello stampato. Inoltre, se il trasparente viene utilizzato come materiale di base, come illustrato nella Figura 5, i problemi che circondano la diffusione della luce superficiale e sotterranea attraverso il modello stampato spesso provocano traduzioni infedeli del colore dal rendering digitale al modello stampato6.
Figura 1: Diagramma di flusso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Voxel digitale al dithering fisico del colore. (A) una sezione trasversale di un modello cardiaco viene mostrata dividendo gli intervalli di densità dell'anatomia in 2, 4 e 10 colori. (B) Viene chiamato un ingrandimento di una porzione di ciascun modello, mostrando i singoli pixel, che verranno elaborati in goccioline di materiali nel processo di stampa 3D. (C) Qui sono mostrati modelli stampati in 3D in sezione trasversale che utilizzano la tecnica voxel, dimostrando la traduzione da un'immagine al modello. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Risultati rappresentativi di Voxel. Due modelli che mostrano i risultati rappresentativi di un metodo di successo. (A) Un modello di rene a sezione trasversale di un adulto con carcinoma a cellule chiare. Il tumore sul lato destro è stato rimosso per mostrare l'interfaccia tra il rene e il tumore. Ciò consente al chirurgo di comprendere meglio la morfologia del tumore e la sua relazione con gli elementi critici da evitare. (B) Un modello cardiaco sezionato che mostra la variazione della densità tissutale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Problema della scala Voxel. Due immagini dello stesso modello che mostrano il risultato di un problema di ridimensionamento. (A) Immagine della sezione trasversale del rene. La risoluzione X-Y è mostrata proporzionalmente ma è il 50% del prodotto previsto (B) Vista del profilo del rene. La risoluzione X rimane accurata dai dati di origine e si traduce in un modello che appare allungato nella direzione X. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Problemi potenziali. Due immagini di due modelli diversi dimostrano i problemi relativi alla chiarezza del lavoro con materiali traslucidi. (A) Questo modello mostra il risultato di vuoti racchiusi all'interno del modello che sono stati riempiti con un materiale di "supporto" dalla stampante. In questo modello, i vuoti sono stati creati intenzionalmente per creare una variazione delle proprietà ottiche. (B) Questo modello mostra vuoti aperti che corrono in profondità nel modello. I vuoti sono tortuosi, rendendo impossibili le tecniche standard di post-elaborazione, che lucidano la superficie. La distorsione ottica risultante ha reso il modello inutilizzabile per applicazioni cliniche. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Flusso di lavoro di elaborazione Voxel e confronto della qualità dell'immagine. Dai dati DICOM di input, (A) viene creata una maschera per isolare l'area di interesse e ricostruirla in un Volume Rendering 3D, (B) da cui viene analizzato un istogramma per analizzare gli intervalli di valori di intensità. Il canale di forma del rendering del volume basato su voxel viene attivato per visualizzare la forma del DICOM mascherato risultante. Il canale del materiale del rendering del volume basato su voxel viene modificato, tramite tabelle di ricerca, che mappano il colore agli intervalli di intensità specificati (C). Il rendering del volume viene suddiviso in sezioni come file PNG a colori in base ai vincoli e alla risoluzione richiesti della stampante (D). Ogni fetta PNG viene inserita nelle descrizioni dei materiali necessarie per fabbricare i dati medici. (E) I PNG compositi a colori risultanti vengono inviati alla stampante. (F) Una visualizzazione di un set di dati ad alta risoluzione rispetto a un set di dati a bassa risoluzione (G) utilizzando la stessa tecnica per dimostrare la necessità di dati sorgente della massima qualità. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
L'attuale quadro rappresentativo che la maggior parte, se non tutti, gli strumenti di modellazione digitale impiegano oggi si traduce nel formato di file STL8. Tuttavia, la natura specifica di questo paradigma si è dimostrata inadeguata quando si cerca di esprimere la struttura granulare o gerarchica di materiali naturali più complessi. Con l'arrivo delle recenti tecniche di produzione additiva come la stampa 3D multimateriale, è possibile produrre oggetti altamente sintonizzati e altamente ottimizzati, che mostrano transizioni graduali di materiale in tutto il loro volume. Questo articolo suggerisce che un processo basato su voxel o bitmap è più adatto a rappresentazioni materiali complesse e fornisce una tecnica per tradurre la radiodensità e la complessità morfologica dalle immagini radiologiche. I vantaggi di questo flusso di lavoro includono i) un controllo preciso e graduale sulla distribuzione del materiale su più scale all'interno di un volume stampato in 3D e ii) il potere di aumentare le tecniche di elaborazione delle immagini 2D esistenti su campi voxel 3D e produrre nuove strade creative all'interno della progettazione e dell'ingegneria di oggetti le cui qualità estetiche e organizzazione dei materiali sono altamente modulate per adattarsi alle loro prestazioni strutturali.
Ogni fase di questo processo è fondamentale per ottenere una stampa 3D finale accurata e c'è poco spazio per gli errori. Lungo la strada, ci sono numerosi punti in cui è richiesta un'attenzione extra e i controlli dovrebbero essere eseguiti per garantire l'accuratezza. Innanzitutto, la selezione delle immagini giuste per questo metodo ha un impatto diretto sul modello finale stampato in 3D, come mostrato nella Figura 6F, G. Questo metodo cerca di mantenere la purezza delle immagini sorgente; eventuali modifiche per migliorare la risoluzione o contorni lisci potrebbero introdurre o eliminare i dati. Il prodotto finale in questo metodo è valido solo quanto i dati di input. Questo metodo consente una risoluzione delle gocce di 15 μm e uno spessore dello strato di 27 μm. Pertanto, è fondamentale lavorare a stretto contatto con un radiologo per ottenere le immagini a più alta risoluzione con il numero di fette più sottili.
In secondo luogo, i passaggi di modifica del modello descritti nei passaggi del protocollo 1.1, 2 e nella Figura 6A richiedono l'input dell'utente per mascherare e modificare le tabelle di ricerca per estrarre ed eseguire il rendering del risultato desiderato. A causa dell'alto livello di risoluzione, più scale di una struttura anatomica sono modificabili. Una conoscenza approfondita delle strutture dei dati delle immagini mediche e della loro relazione con i tessuti biologici è fondamentale per estrarre i dati desiderati. L'attenzione durante questa fase può consentire modelli altamente sintonizzati che replicano più scale di organizzazione nel tessuto biologico.
In terzo luogo, il passaggio dithering descritto nel passaggio 4 del protocollo determina il modo in cui i materiali verranno graduati dai colori di origine. È fondamentale assicurarsi che i colori di origine siano correlati ai colori della stampante. Se i colori nella stampante non corrispondono ai colori nella fase di dithering, possono verificarsi variazioni di colore impreviste nel modello finale. Inoltre, numerose tecniche di dithering produrranno una varietà di risultati. È fondamentale che questo venga esaminato attentamente per garantire che nessun dato vada perso e che le informazioni appropriate vengano visualizzate in modo coerente.
Forniamo alcune soluzioni per la risoluzione dei problemi definiti nei risultati rappresentativi. In primo luogo, le questioni relative alla scala sono generalmente correlate a una trasformazione inserita nei metadati dell'immagine medica ricevuti da un dipartimento radiologico. Questo problema può essere corretto nel software di elaborazione di immagini mediche eliminando tutte queste "trasformazioni" ereditate. Il primo passaggio consiste nell'aprire il menu Trasformazione e selezionare Elimina trasformazione attiva dal menu a discesa. Ripetere questo processo per tutte le trasformazioni ereditate; questo dovrebbe correggere immediatamente il problema.
In secondo luogo, i problemi relativi alla geometria sono generalmente legati all'attivazione del canale di opacità nel passaggio di protocollo 1.2.4. Quando il canale di opacità è impostato al di sotto del 50%, gli algoritmi di rendering producono visualizzazioni, che sono difficili da percepire per l'utente, in particolare le strutture complesse circostanti. La soluzione a questo problema è impostare il canale di opacità al 100%, creando così un colore solido che può essere definito come un materiale "chiaro" nel passaggio 5 del protocollo.
In terzo luogo, i problemi relativi allo slicing nel programma Slicerfab sono spesso il risultato di più "volumi" e dello strumento della regione di interesse (ROI) caricato nel software di elaborazione delle immagini mediche. Se vengono caricati più "Volumi", selezionare i volumi estranei dal menu a discesa Volume nel modulo Rendering volume in modo che sia attivo. Quindi, dallo stesso menu a discesa, selezionare Elimina volume corrente. Ripetere questo passaggio per ottenere un ROI aggiuntivo che potrebbe essere stato creato. Quando sono presenti un 'Volume' e un 'ROI', Slicerfab dovrebbe funzionare senza la necessità di un riavvio.
Generalmente, tutte le limitazioni di questo protocollo sono correlate all'hardware e alla relativa disponibilità di materiale. Le attuali stampanti 3D utilizzate in questo metodo sono limitate a 15 μm X-Y e 25 μm Z di risoluzione in altezza. Questa limitazione è rilevante quando si lavora con dati di imaging ad altissima risoluzione, come Micro CT, in cui la risoluzione dell'immagine può avvicinarsi a 5 mm e farebbe sì che questo metodo introduca errori7. Questa stampante è anche limitata alla stampa di 7 materiali di base in qualsiasi momento, il che può limitare la gamma di colori disponibili.
La miscelazione a livello di goccioline si verifica, consentendo il potenziale di 25.000.000 di possibili combinazioni di colori che possono essere create dalla co-deposizione. Tuttavia, l'esatto meccanismo di miscelazione del materiale a livello di goccioline prima della polimerizzazione UV non è ben noto. Inoltre, il materiale stampato richiede una post-elaborazione significativa, che porta a artefatti visivi con vuoti interni e caratteristiche difficili da raggiungere. Pertanto, è fondamentale valutare la geometria prima della fabbricazione per garantire la chiarezza visiva desiderata quando i vuoti interni e la geometria complessa non consentiranno la post-elaborazione.
La stampa tridimensionale è attualmente utilizzata per fabbricare modelli per la pianificazione chirurgica, l'impianto e la navigazione operativa, migliorando la cura del paziente durante le procedure chirurgiche e in tutto l'ambiente ospedaliero9,10. Tuttavia, l'attuale adozione di modelli stampati in 3D per la pianificazione prechirurgica è stata lenta, in parte a causa della gamma limitata di applicazioni disponibili con l'attuale metodo STL per la stampa 3D. Questo metodo produce una perdita di dati e imprecisioni visibili rispetto al set di dati di origine, livelli di complessità gravemente limitati in relazione alla vera morfologia anatomica e gradienti volumetrici dei dati originali che non possono essere riprodotti.
Sebbene i dati morfologici della stampa 3D da soli abbiano dimostrato di avere successo, la gamma di applicazioni con questo metodo è limitata alle applicazioni ossee e alle semplici rappresentazioni geometriche di caratteristiche anatomiche complesse. In questo processo, i dati volumetrici preziosi vengono persi, il che compromette la coerenza e l'integrità dei dati di origine. Al contrario, questo metodo per estrarre la composizione materiale del modello stampato in 3D senza deviazioni dalle immagini mediche evita questi problemi. Questo metodo può riprodurre immagini mediche con maggiore precisione con vantaggi noti per le procedure chirurgiche in cui l'accuratezza morfologica è critica. Il protocollo in questo documento descrive la visualizzazione tattile dei dati medici attraverso la risoluzione submillimetrica, il multimateriale, la stampa voxel 3D. L'incorporazione di resine molli, con durometri nella gamma analoga al tessuto umano, potrebbe prevedibilmente consentire la ricreazione di tessuti molli sottoposti a scansione radiologica da utilizzare con metodi di pianificazione tattile durante la preparazione chirurgica.
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Disclosures
N.J. è autore di una domanda di brevetto depositata dall'Università del Colorado Regents che descrive metodi come quelli descritti in questo lavoro (domanda n. US16/375.132; numero di pubblicazione US20200316868A1; depositato il 04 aprile 2019; pubblicato l'8 ottobre 2020). Tutti gli altri autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
Acknowledgments
Ringraziamo AB Nexus e lo Stato del Colorado per il loro generoso sostegno alla nostra ricerca scientifica sulla stampa voxel per la pianificazione prechirurgica. Ringraziamo L. Browne, N. Stence e S. Sheridan per aver fornito i set di dati utilizzati in questo studio. Questo studio è stato finanziato dall'AB Nexus Grant e dallo State of Colorado Advanced Industries Grant.
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
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