Voxel Printing Anatomy: Conception et fabrication de modèles de planification réalistes et préchirurgicaux grâce à l’impression bitmap

Summary

Cette méthode démontre un flux de travail d’impression 3D basé sur le voxel, qui imprime directement à partir d’images médicales avec une fidélité spatiale exacte et une résolution spatiale / contrastée. Cela permet le contrôle précis et gradué des distributions de matériaux à travers des matériaux morphologiquement complexes et gradués corrélés à la radiodensité sans perte ni altération des données.

Abstract

La plupart des applications de l’impression 3dimensionnelle (3D) pour la planification préchirurgicale ont été limitées aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes complexes en raison des limites fondamentales de précision, de qualité et d’efficacité du paradigme de modélisation actuel. Cela a largement ignoré les tissus mous critiques pour la plupart des spécialités chirurgicales où l’intérieur d’un objet compte et les limites anatomiques se déplacent progressivement. Par conséquent, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions matérielles variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation.

Voici une nouvelle technique pour créer des modèles 3D directement à partir d’images médicales, qui sont supérieures en résolution spatiale et de contraste aux méthodes de modélisation 3D actuelles et contiennent une fidélité spatiale et une différenciation des tissus mous auparavant irréalisables. Sont également présentées des mesures empiriques de nouveaux composites fabriqués de manière additive qui couvrent toute la gamme des rigidités des matériaux observées dans les tissus biologiques mous par IRM et tomodensitométrie. Ces méthodes uniques de conception volumétrique et d’impression permettent un ajustement déterministe et continu de la rigidité et de la couleur du matériau. Cette capacité permet une application entièrement nouvelle de la fabrication additive à la planification préchirurgicale : le réalisme mécanique. En complément naturel des modèles existants qui permettent de faire correspondre l’apparence, ces nouveaux modèles permettent également aux professionnels de la santé de « sentir » les propriétés matérielles spatialement variables d’un simulant tissulaire - un ajout essentiel à un domaine dans lequel la sensation tactile joue un rôle clé.

Introduction

Actuellement, les chirurgiens étudient de nombreuses modalités d’imagerie discrète en 2 dimensions (2D) affichant des données distinctes pour planifier les opérations sur les patients 3D. De plus, la visualisation de ces données sur un écran 2D n’est pas entièrement capable de communiquer toute l’étendue des données collectées. À mesure que le nombre de modalités d’imagerie augmente, la capacité de synthétiser davantage de données à partir de modalités distinctes, qui présentent de multiples échelles d’organisation, nécessite de nouvelles formes de représentation numérique et physique pour condenser et organiser l’information pour une planification chirurgicale plus efficace et efficiente.

Des modèles imprimés en 3D et spécifiques au patient sont apparus comme un nouvel outil de diagnostic pour la planification chirurgicale dont il a été démontré qu’il réduisait le temps d’opération et les complications ^{chirurgicales1}. Cependant, le processus prend beaucoup de temps en raison de la méthode de stéréolithographie standard (STL) d’impression 3D, qui montre une perte visible de données et rend les objets imprimés sous forme de matériaux solides, homogènes et isotropes. En conséquence, l’impression 3D pour la planification chirurgicale a été limitée aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes ^complexes2. Cette limitation est le résultat d’un paradigme de fabrication dépassé guidé par les produits et les besoins de la révolution industrielle, où les objets manufacturés sont entièrement décrits par leurs limites ^{extérieures3}. Cependant, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions de matériaux variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation qui représentent les variations sur l’ensemble du volume, qui changent point par point.

Pour résoudre ce problème, une technique de visualisation et de modélisation 3D (Figure 1) a été développée et associée à un nouveau procédé de fabrication additive qui permet un meilleur contrôle sur le mélange et le dépôt des résines en ultra haute résolution. Cette méthode, appelée impression bitmap, reproduit l’anatomie humaine par impression 3D directement à partir d’images médicales à un niveau de fidélité spatiale et de résolution spatiale /contraste d’une technologie d’imagerie avancée approchant 15 μm. Cela permet le contrôle précis et gradué requis pour reproduire les variations des tissus mous morphologiquement complexes sans perte ni altération des données des images sources diagnostiques.

Protocol

REMARQUE : Le logiciel 3D Slicer Medical Image ^Computing4 (voir la Table des matériaux) a été utilisé pour les travaux effectués dans les sections 1 à 3.

1. Saisie des données

1. Ouvrez le logiciel d’informatique d’images médicales, cliquez sur le bouton Fichier et DICOM dans le menu déroulant, puis attendez que la fenêtre du navigateur DICOM s’ouvre.
   1. Dans la fenêtre Du navigateur DICOM , sélectionnez Importer. Attendez que la fenêtre contextuelle Importer des fichiers DICOM à partir du répertoire apparaisse.
   2. Accédez à la pile de fichiers DICOM et cliquez sur le bouton Importer .
   3. Assurez-vous que la pile sélectionnée de fichiers DICOM est chargée dans le navigateur DICOM. Assurez-vous que les données ont été correctement renseignées et correspondent à l’étude souhaitée dans les catégories suivantes : Patient, Étude, Série et Instance.
      1. Cochez la case Avancé pour activer des métadonnées supplémentaires. Sélectionnez le numéro de série souhaité et cliquez sur le bouton Examiner . Assurez-vous que la séquence souhaitée n’affiche pas d’avertissements. Cochez la case en regard du fichier de données DICOM souhaité | Charger.
         REMARQUE: Sélectionnez les images de la plus haute résolution avec l’acquisition de tranche la plus fine car cette méthode est capable d’imprimer à 15 μm et 27 μm d’épaisseur de tranche.
2. Pour le rendu de volume, une fois la séquence chargée dans le logiciel de calcul d’images médicales, accédez à Modules et sélectionnez Module de rendu de volume dans le menu déroulant.
   1. Dans le module Rendu des volumes , sélectionnez le nom de la séquence dans le menu déroulant Volume pour activer la pile d’images et traduire les données en un volume voxélisé. Assurez-vous que le nom du module actif correspond à la séquence souhaitée sélectionnée à l’étape 1.1.3.1.
   2. Cliquez sur l’icône Boule oculaire en regard de la liste déroulante Volume pour visualiser le volume sélectionné en 3D. Assurez-vous que la fenêtre d’affichage 3D est ouverte et qu’une représentation 3D en niveaux de gris est visible.
   3. Ensuite, cliquez sur la flèche en regard de Avancé pour ouvrir les Outils avancés. Sélectionnez l’onglet Propriété du volume pour ouvrir un ensemble de contrôles permettant de modifier la couche de couleur du modèle voxel.
   4. Accédez au menu Mappage de l’opacité scalaire . Cliquez avec le bouton gauche de la souris dans le champ pour créer des points où les valeurs d’intensité seront définies par opacité. Placez des points le long de cette échelle pour visualiser l’anatomie d’intérêt.
      REMARQUE: L’emplacement droite-gauche du point est corrélé à la plage des valeurs d’intensité de l’image, et l’emplacement haut-bas fait référence à l’opacité.
   5. Accédez au menu Mappage des couleurs scalaires . Cliquez avec le bouton gauche de la souris dans le champ pour créer des points et spécifier des couleurs corrélées aux valeurs d’intensité. Double-cliquez dans le champ pour ouvrir une fenêtre Sélectionner une couleur afin de modifier les informations de couleur.

2. Manipulations

REMARQUE: Une étape de masquage est nécessaire si l’anatomie est suffisamment complexe, au point où les tissus environnants et les données étrangères sont présents après des modifications des propriétés de volume.

1. Accédez à Modules et sélectionnez l’éditeur de segment dans le menu déroulant. Assurez-vous que les barres d’outils de l’éditeur de segments s’affichent.
   1. Accédez à la liste déroulante Segmentation et sélectionnez Créer une nouvelle segmentation en tant que. Tapez un nom personnalisé pour la segmentation dans la fenêtre contextuelle Renommer la segmentation , puis cliquez sur OK.
   2. Accédez à la liste déroulante Volume principal et sélectionnez le volume actif, qui portera le même nom que le rendu du volume. Ensuite, cliquez sur le bouton Ajouter directement sous la liste déroulante. Assurez-vous que le conteneur de segment est créé dans le champ ci-dessous.
   3. Accédez au panneau d’outils Effets ci-dessous et sélectionnez l’outil Ciseaux . Accédez au menu Ciseaux et sélectionnez Remplir à l’intérieur, Forme libre et Illimité. Ensuite, passez le curseur de la souris sur la fenêtre 3D, cliquez avec le bouton droit de la souris et maintenez-le enfoncé tout en dessinant autour de la zone à effacer. Assurez-vous qu’une bande colorée apparaît, montrant ce qui a été couvert. Répétez ce processus jusqu’à ce que toutes les zones à supprimer soient couvertes.
      REMARQUE: Il existe des extensions, telles que Segment Editor Extra Effects, qui peuvent être téléchargées dans le logiciel de calcul d’images médicales, contenant des outils pour créer cette segmentation.
   4. Ensuite, sélectionnez l’outil Volume du masque dans le menu Effets . Cochez Sélectionner à l’intérieur pour supprimer toutes les données d’image couvertes par le segment. Ensuite, modifiez la valeur de remplissage pour qu’elle soit -1000, ce qui est égal à l’air, ou vide, dans l’échelle de l’unité de Hounsfield. Enfin, appuyez sur Appliquer et cliquez sur la boule oculaire à côté du volume de sortie pour afficher le nouveau volume masqué.
      1. Accédez à Modules et sélectionnez Rendu du volume dans le menu déroulant. Cliquez sur la boule oculaire à côté du volume actif pour désactiver la visualisation.
      2. Ensuite, dans le menu déroulant, sélectionnez le volume masqué nouvellement créé. Cliquez sur l’Eye Ball pour activer le volume.
      3. Enfin, accédez au menu Entrées et ouvrez le menu déroulant Propriétés . Sélectionnez la propriété Volume créée à l’étape 1.2.5. Assurez-vous que le volume dans la vue 3D est masqué et codé en couleur.

3. Découpage en tranches

REMARQUE: Ce processus contourne la méthode d’impression 3D traditionnelle en envoyant les fichiers de tranche directement à l’impression 3D au lieu d’un fichier de maillage STL. Dans les étapes suivantes, des tranches seront créées à partir du rendu du volume. Le module Bitmap Generator est une extension personnalisée. Cela peut être téléchargé à partir du Gestionnaire d’extensions.

1. Accédez aux modules, sélectionnez Slicerfab dans la liste déroulante. Assurez-vous que les menus Paramètres d’impression et Paramètres de sortie sont présents.
   1. Dans la liste déroulante Paramètres de l’imprimante , assurez-vous que la résolution X est définie sur 600 DPI et la résolution Y sur 300 DPI. Assurez-vous que l’épaisseur de la couche est réglée sur 27 μm.
   2. Ensuite, ouvrez le menu Paramètres de sortie et modifiez l’échelle du modèle final si nécessaire.
   3. Enfin, sélectionnez un emplacement de fichier pour les tranches à enregistrer et cliquez sur Générer.
      REMARQUE : cette étape peut prendre plusieurs minutes.

4. Tergiversation

REMARQUE : Adobe Photoshop (voir la table des matériaux) a été utilisé pour le travail effectué à la section 4.

1. Ouvrez le logiciel de retouche d’image, cliquez sur Fichier et sélectionnez Ouvrir dans le menu déroulant. Accédez à la première image de la pile de fichiers PNG créée à l’étape précédente et cliquez sur le bouton Ouvrir .
2. Accédez à Fenêtre et sélectionnez Actions dans le menu déroulant. Dans le menu Actions , cliquez sur Nouvelle action, entrez un nom personnalisé, puis sélectionnez OK. Assurez-vous que l’action est enregistrée en vérifiant que le bouton Enregistrer est actif et rouge.
   1. Une fois l’image chargée, accédez à Image | Mode | Couleur indexée. Dans la fenêtre Index , sélectionnez dans le menu déroulant Perceptuel local et spécifiez le nombre de couleurs à 8.
   2. Dans le menu Forcé , sélectionnez Personnalisé. Cliquez sur les deux premiers carrés, attendez que la fenêtre Couleur personnalisée apparaisse et sélectionnez une palette de couleurs personnalisée. Sélectionnez 100% Magenta et assurez-vous que C, Y et K sont réglés sur 0.
      1. Répétez ce processus et assurez-vous qu’il y a deux carrés consacrés à 100% C, Y et K.
   3. Dans le menu Options , pour Matte, sélectionnez Personnalisé dans le menu déroulant. Pour Dither, sélectionnez Diffusion, et pour Amount, sélectionnez 100 %. Enfin, cliquez sur OK.
   4. Accédez au menu Action et cliquez sur le bouton carré pour arrêter l’enregistrement. Fermez la fenêtre active et cliquez sur Non dans la fenêtre contextuelle Enregistrer les modifications .
3. Accédez à | de fichiers Automatiser | Lot. Dans la fenêtre contextuelle Batch , accédez à la liste déroulante Action et sélectionnez l’action créée à l’étape précédente. Ensuite, dans le menu Source , cliquez sur le bouton Choisir et accédez au dossier des images exportées à l’étape 3.1.3. Dans le menu Destination , cliquez sur le bouton Choisir , sélectionnez un emplacement de dossier de destination pour les nouveaux fichiers, puis cliquez sur OK.

5. Impression Voxel

REMARQUE : Stratasys ^GrabCAD5 a été utilisé pour les travaux effectués à la section 5.

1. Ouvrez le logiciel d’impression, cliquez sur Applications et lancez Voxel Print Utility dans le menu déroulant.
   1. Dans la zone de texte Préfixe des fichiers de tranches, entrez le préfixe de la pile de fichiers PNG. Ensuite, cliquez sur le bouton Sélectionner et accédez au dossier où se trouve la pile de fichiers PNG, puis cliquez sur OK.
   2. Sous Plage de tranches, assurez-vous que la première tranche et le nombre de tranches correspondent au nombre de fichiers dans le dossier créé.
   3. Sous Paramètres de découpage, assurez-vous que l’épaisseur découpée (mm) correspond aux paramètres spécifiés à l’étape 3.1.1.1 et que la largeur de tranche (pixels) et la hauteur de tranche (pixels) correspondent à la largeur et à la hauteur des fichiers PNG.
   4. Sous Couleur d’arrière-plan, assurez-vous que l’arrière-plan correspond à la couleur d’arrière-plan, définie pour ne pas imprimer. Une fois terminé, cliquez sur le bouton Suivant .
2. Dans la page Outils , sous Mappage des matériaux, sélectionnez le matériau dans le menu déroulant à mapper à la couleur associée, dérivée des fichiers PNG. Répétez ce processus pour chaque couleur du menu. Ensuite, cliquez sur Terminer | OK dans la fenêtre contextuelle Info Gcvf création réussie.
3. Sur le logiciel d’impression de l’ordinateur hôte, cliquez sur Fichier | Importer un fichier à partir du menu déroulant. Accédez au fichier Gcvf et cliquez sur Charger. Sur l’écran principal, sélectionnez Imprimer.

Representative Results

Un résultat positif, comme le montrent les figures 2 et 3, sera une traduction directe du rendu du volume tel que défini aux étapes 1.2.5 ou 2.1.1.4. Le modèle final doit correspondre visuellement au rendu du volume en taille, forme et couleur. Tout au long de ce processus, il existe de nombreuses étapes où une erreur peut se produire, ce qui affectera une ou plusieurs des propriétés répertoriées ci-dessus.

Les problèmes liés à la mise à l’échelle uniforme, comme illustré à la figure 4, des modèles imprimés peuvent être dus à l’imagerie, au matériel informatique et/ou aux paramètres logiciels par défaut. Les hôpitaux utilisent une variété de techniques pour produire et rendre des images à partir d’une gamme de scanners possibles. Comme cette méthode fonctionne directement à partir des images sources, qui peuvent exposer des métadonnées qui ne sont généralement pas utilisées, il est important de connaître les nuances du flux de travail d’imagerie. Des problèmes d’échelle peuvent survenir lorsque la « transformation » est intégrée aux métadonnées, ce qui peut ajuster artificiellement la hauteur et la rotation de la couche.

Les problèmes d’échelle peuvent également être dus à la taille de l’écran de l’ordinateur. Certaines versions de Slicerfab ont été définies pour découper le rendu du volume et enregistrer le PNG résultant à la taille de l’écran actif. Dans ces versions de Slicerfab, les images plus grandes que le moniteur seront coupées. Enfin, diverses mises à jour dans Photoshop ont entraîné des problèmes d’échelle lorsque les mises à jour modifient les valeurs par défaut de la résolution d’importation d’image. Lorsque la valeur par défaut est définie sur autre chose que 600 DPI, les images ne conserveront pas la même échelle d’images produites par le logiciel de calcul d’images médicales. Ils entraîneront des distorsions de la dimension X-Y tandis que la hauteur z du modèle restera correcte.

Des problèmes liés à des formes irrégulières et à des géométries inattendues peuvent survenir lors de l’utilisation de l’opacité dans le logiciel d’informatique d’images médicales. L’onglet Des propriétés du volume permet de modifier les couches de couleur et d’opacité. Lorsque le canal d’opacité est défini en dessous de 50 %, les algorithmes de rendu produisent des visualisations difficiles à percevoir pour l’utilisateur, en particulier autour des structures complexes. Cela peut entraîner l’analyse de données supplémentaires dans le processus et peut entraîner l’impression 3D de données indésirables.

Les problèmes liés à la couleur peuvent résulter de graphiques logiciels et d’erreurs utilisateur dans les logiciels de retouche d’image et les logiciels d’impression. Le logiciel d’informatique d’images médicales a de nombreux choix pour ajuster le rendu du volume. Bien que la version actuelle de Slicerfab ait des paramètres de rendu codés en dur, des modifications peuvent toujours être apportées. L’activation des paramètres de lumière et d’ombre, ainsi que des paramètres de rendu GPU, peut produire des résultats inattendus et irreproductibles. Enfin, les étapes de tramage à partir de l’étape 4.1.2.3 peuvent avoir un impact sur la couleur en fonction des options de synthèse des couleurs, qui sont déterminées par le nombre et les concentrations relatives des matériaux de base disponibles dans l’imprimante.

L’algorithme de tramage « perceptuel local » tente de produire une approximation visuelle de la couleur source à partir des couleurs disponibles définies dans le « sélecteur de couleurs ». La modification du nombre et de la couleur des matériaux de base modifiera la teinte et la précision des couleurs résultantes du modèle imprimé. De plus, si le clair est utilisé comme matériau de base, comme le montre la figure 5, les problèmes liés à la diffusion de la lumière de surface et souterraine à travers le modèle imprimé entraînent souvent des traductions de couleurs infidèles du rendu numérique au modèle ^imprimé6.

Figure 1 : Organigramme. Cliquez ici pour l’agrandir.

Figure 2 : Voxel numérique à la trame physique de la couleur. (A) une coupe transversale d’un modèle cardiaque est montrée en divisant les plages de densité de l’anatomie en 2, 4 et 10 couleurs. (B) Un agrandissement d’une partie de chaque modèle est appelé, montrant les pixels individuels, qui seront traités en gouttelettes de matériaux dans le processus d’impression 3D. (C) Sont présentés ici des modèles imprimés en coupe 3D en utilisant la technique du voxel, démontrant la traduction d’une image au modèle. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Résultats représentatifs du Voxel. Deux modèles affichant les résultats représentatifs d’une méthode réussie. (A) Un modèle rénal en coupe transversale d’un adulte atteint d’un carcinome à cellules claires. La tumeur du côté droit a été enlevée pour montrer l’interface entre le rein et la tumeur. Cela permet au chirurgien de mieux comprendre la morphologie de la tumeur et sa relation avec les éléments critiques à éviter. (B) Un modèle cardiaque en coupe montrant la variation de la densité tissulaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Problème d’échelle voxel. Deux images du même modèle montrant le résultat d’un problème de mise à l’échelle. (A) Image transversale du rein. La résolution X-Y est indiquée proportionnellement mais correspond à 50% du produit prévu (B) Vue de profil du rein. La résolution X reste précise à partir des données sources et donne un modèle qui semble étiré dans la direction X. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Problèmes potentiels. Deux images de deux modèles différents illustrent les problèmes liés à la clarté du travail avec des matériaux translucides. (A) Ce modèle montre le résultat des vides enfermés dans le modèle qui ont été remplis avec un matériau « support » par l’imprimante. Dans ce modèle, les vides ont été créés intentionnellement pour créer une variation des propriétés optiques. (B) Ce modèle montre des vides ouverts qui s’enfoncent profondément dans le modèle. Les vides sont tortueux, ce qui rend impossibles les techniques de post-traitement standard, qui polissent la surface. La distorsion optique qui en a résulté a rendu le modèle inutilisable pour des applications cliniques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Flux de travail de traitement Voxel et comparaison de la qualité d’image. À partir des données DICOM d’entrée, (A) un masque est créé pour isoler la zone d’intérêt et la reconstruire en un rendu de volume 3D, (B) à partir duquel un histogramme est analysé pour analyser les plages de valeurs d’intensité. Le canal de forme du rendu de volume basé sur le voxel est activé pour visualiser la forme du DICOM masqué résultant. Le canal de matériau du rendu de volume basé sur le voxel est modifié, par le biais de tables de choix, qui mappent la couleur aux plages d’intensité spécifiées (C). Le rendu du volume est découpé sous forme de fichiers PNG couleur en fonction des contraintes et de la résolution requises de l’imprimante (D). Chaque tranche PNG est insérée dans les descriptions de matériaux nécessaires à la fabrication des données médicales. (E) Les PNG composites couleur qui en résultent sont envoyés à l’imprimante. (F) Une visualisation d’un ensemble de données à haute résolution par rapport à un ensemble de données à basse résolution (G) utilisant la même technique pour démontrer la nécessité de données sources de la plus haute qualité. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Le cadre de représentation actuel que la majorité, sinon la totalité, des outils de modélisation numérique utilisent aujourd’hui aboutit au format de fichier ^STL8. Néanmoins, la nature spécifique de ce paradigme s’est avérée inadéquate pour tenter d’exprimer la structure granulaire ou hiérarchique de matériaux naturels plus complexes. Avec l’arrivée des techniques récentes de fabrication additive telles que l’impression 3D multimatériaux, des objets hautement réglés et hautement optimisés peuvent être produits, qui affichent des transitions progressives de matériaux tout au long de leur volume. Cet article suggère qu’un processus basé sur le voxel ou le bitmap est plus adapté aux représentations de matériaux complexes et fournit une technique pour traduire la radiodensité et la complexité morphologique à partir d’images radiologiques. Les avantages de ce flux de travail comprennent i) un contrôle précis et progressif de la distribution des matériaux à plusieurs échelles au sein d’un volume imprimé en 3D et ii) la puissance d’augmenter les techniques de traitement d’images 2D existantes sur les champs de voxel 3D et de produire de nouvelles avenues créatives dans la conception et l’ingénierie d’objets dont les qualités esthétiques et l’organisation des matériaux sont fortement modulées en fonction de leurs performances structurelles.

Chaque étape de ce processus est essentielle pour obtenir une impression 3D finale précise, et il y a peu de place pour l’erreur. En cours de route, il y a de nombreux points où une attention particulière est requise, et des vérifications doivent être effectuées pour assurer l’exactitude. Tout d’abord, la sélection des bonnes images pour cette méthode a un impact direct sur le modèle final imprimé en 3D, comme le montre la figure 6F, G. Cette méthode vise à maintenir la pureté des images sources; toute modification visant à améliorer la résolution ou à lisser les contours pourrait introduire ou éliminer des données. Le produit final de cette méthode est seulement aussi bon que les données d’entrée. Cette méthode permet une résolution de gouttelettes de 15 μm et une épaisseur de couche de 27 μm. Par conséquent, il est essentiel de travailler en étroite collaboration avec un radiologue pour obtenir les images de la plus haute résolution avec le nombre de tranches le plus fin.

Deuxièmement, les étapes d’édition du modèle décrites dans les étapes de protocole 1.1, 2 et Figure 6A nécessitent une entrée utilisateur pour masquer et modifier les tables de choix afin d’extraire et de restituer le résultat souhaité. En raison du haut niveau de résolution, plusieurs échelles d’une structure anatomique sont modifiables. Une compréhension approfondie des structures de données d’images médicales et de leur relation avec les tissus biologiques est essentielle pour extraire les données souhaitées. L’attention portée à cette étape peut permettre d’obtenir des modèles hautement réglés qui reproduisent plusieurs échelles d’organisation dans les tissus biologiques.

Troisièmement, l’étape de tramage décrite à l’étape 4 du protocole détermine comment les matériaux seront gradués des couleurs sources. Il est essentiel de s’assurer que les couleurs sources sont liées aux couleurs de l’imprimante. Si les couleurs de l’imprimante ne correspondent pas aux couleurs de l’étape de tramage, des variations de couleur inattendues peuvent se produire dans le modèle final. De plus, de nombreuses techniques de tramage produiront une variété de résultats. Il est essentiel que cela soit examiné de près pour s’assurer qu’aucune donnée n’est perdue et que les informations appropriées sont affichées de manière cohérente.

Nous fournissons des solutions de dépannage aux problèmes définis dans les résultats représentatifs. Tout d’abord, les questions liées à l’échelle sont généralement liées à une transformation intégrée dans les métadonnées d’image médicale reçues d’un service de radiologie. Ce problème peut être corrigé dans le logiciel de calcul d’images médicales en supprimant toutes ces « transformations » héritées. La première étape consiste à ouvrir le menu Transformation et à sélectionner Supprimer la transformation active dans le menu déroulant. Répétez ce processus pour toutes les transformations héritées ; cela devrait immédiatement corriger le problème.

Deuxièmement, les problèmes liés à la géométrie sont généralement liés à l’activation du canal d’opacité à l’étape 1.2.4 du protocole. Lorsque le canal d’opacité est défini en dessous de 50%, les algorithmes de rendu produisent des visualisations difficiles à percevoir pour l’utilisateur, en particulier autour des structures complexes. La solution à ce problème consiste à définir le canal d’opacité à 100%, créant ainsi une couleur unie qui peut être définie comme un matériau « clair » à l’étape 5 du protocole.

Troisièmement, les problèmes liés au découpage dans le programme Slicerfab sont souvent le résultat de plusieurs « volumes » et de l’outil de région d’intérêt (ROI) chargé dans le logiciel de calcul d’images médicales. Si plusieurs 'Volumes' sont chargés, sélectionnez les volumes superflus dans le menu déroulant Volume du module Rendu des volumes afin qu’il soit actif. Ensuite, dans le même menu déroulant, sélectionnez Supprimer le volume actuel. Répétez cette étape pour obtenir un retour sur investissement supplémentaire qui a peut-être été créé. Lorsqu’un 'Volume' et un 'ROI' sont présents, Slicerfab devrait fonctionner sans avoir besoin d’un redémarrage.

En règle générale, toutes les limitations de ce protocole sont liées à la disponibilité du matériel et du matériel associé. Les imprimantes 3D actuelles utilisées dans cette méthode sont limitées à une résolution de hauteur X-Y de 15 μm et z de 25 μm. Cette limitation est pertinente lorsque vous travaillez avec des données d’imagerie à très haute résolution, telles que Micro CT, où la résolution d’image peut approcher 5 mm et entraînerait l’introduction d’une ^erreur7 par cette méthode. Cette imprimante est également limitée à l’impression de 7 matériaux de base à la fois, ce qui peut limiter la gamme de couleurs disponibles.

Le mélange au niveau des gouttelettes se produit, ce qui permet le potentiel de 25 000 000 de combinaisons de couleurs possibles qui peuvent être créées par co-dépôt. Cependant, le mécanisme exact de mélange des matériaux au niveau des gouttelettes avant le durcissement UV n’est pas bien connu. De plus, le matériel imprimé nécessite un post-traitement important, ce qui conduit à des artefacts visuels avec des vides intérieurs et des caractéristiques difficiles à atteindre. Par conséquent, il est essentiel d’évaluer la géométrie avant la fabrication pour assurer la clarté visuelle souhaitée lorsque les vides intérieurs et la géométrie complexe ne permettent pas le post-traitement.

L’impression tridimensionnelle est actuellement utilisée pour fabriquer des modèles pour la planification chirurgicale, l’implantation et la navigation opératoire, améliorant ainsi les soins aux patients pendant les interventions chirurgicales et dans l’ensemble de l’environnement ^{hospitalier9,10}. Cependant, l’adoption actuelle des modèles imprimés en 3D pour la planification préchirurgicale a été lente, en partie en raison de la gamme limitée d’applications disponibles avec la méthode STL actuelle pour l’impression 3D. Cette méthode produit une perte de données et des inexactitudes visibles par rapport à l’ensemble de données sources, des niveaux de complexité sévèrement limités par rapport à la morphologie anatomique réelle et des gradients volumétriques des données originales qui ne peuvent pas être reproduits.

Bien que les données morphologiques d’impression 3D à elles seules se soient avérées efficaces, la gamme d’applications de cette méthode se limite aux applications osseuses et aux représentations géométriques simples de caractéristiques anatomiques complexes. Dans ce processus, des données volumétriques précieuses sont perdues, ce qui compromet la cohérence et l’intégrité des données sources. Inversement, cette méthode d’extraction de la composition matérielle du modèle imprimé en 3D sans déviation des images médicales évite ces problèmes. Cette méthode peut reproduire des images médicales avec une plus grande précision avec des avantages connus pour les procédures chirurgicales où la précision morphologique est essentielle. Le protocole de cet article décrit la visualisation tactile des données médicales grâce à une résolution submillimétrique, multimatériau, impression voxel 3D. L’incorporation de résines souples, avec des duromètres dans la gamme analogue aux tissus humains, pourrait vraisemblablement permettre la reconstitution de tissus mous scannés radiologiquement à utiliser avec des méthodes de planification tactile pendant la préparation chirurgicale.

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