Summary
Den här metoden visar ett voxelbaserat 3D-utskriftsarbetsflöde, som skrivs ut direkt från medicinska bilder med exakt rumslig återgivning och rumslig/kontrastupplösning. Detta möjliggör exakt, graderad kontroll av materialfördelningar genom morfologiskt komplexa, graderade material korrelerade till radiodensitet utan förlust eller ändring av data.
Abstract
De flesta tillämpningar av 3-dimensionella (3D) utskrifter för presurgical planering har begränsats till beniga strukturer och enkla morfologiska beskrivningar av komplexa organ på grund av de grundläggande begränsningarna i noggrannhet, kvalitet och effektivitet i det nuvarande modelleringsparadigmet. Detta har till stor del ignorerat mjukvävnaden som är kritisk för de flesta kirurgiska specialiteter där insidan av ett objekt spelar roll och anatomiska gränser övergår gradvis. Därför kräver den biomedicinska industrins behov av att replikera mänsklig vävnad, som visar flera organisationsskalor och varierande materialfördelningar, nya former av representation.
Presenteras här är en ny teknik för att skapa 3D-modeller direkt från medicinska bilder, som är överlägsna i rumslig och kontrast upplösning till nuvarande 3D modelleringsmetoder och innehåller tidigare ouppnåeliga rumsliga återgivning och mjukvävnad differentiering. Också presenteras empiriska mätningar av nya, additivt tillverkade kompositer som spänner över skalan av materialstelhet som ses i mjuka biologiska vävnader från MRI och CT. Dessa unika volymetriska design- och tryckmetoder möjliggör deterministisk och kontinuerlig justering av materialstelhet och färg. Denna förmåga möjliggör en helt ny tillämpning av additiv tillverkning på presurgisk planering: mekanisk realism. Som ett naturligt komplement till befintliga modeller som ger utseendematchning, tillåter dessa nya modeller också medicinsk personal att "känna" de rumsligt varierande materialegenskaperna hos en vävnadsimulator-ett kritiskt tillägg till ett område där taktil känsla spelar en nyckelroll.
Introduction
För närvarande studerar kirurger många diskreta 2-dimensionella (2D) bildframställning modaliteter som visar distinkta data för att planera för operationer på 3D patienter. Dessutom kan visning av dessa data på en 2D-skärm inte fullt ut kommunicera den fulla omfattningen av de insamlade uppgifterna. När antalet bildframställning modaliteter växer, förmågan att syntetisera mer data från distinkta modaliteter, som uppvisar flera skalor av organisation, kräver nya former av digital och fysisk representation för att kondensera och kurera information för effektivare och effektivare kirurgisk planering.
3D-printade, patientspecifika modeller har dykt upp som ett nytt diagnostiskt verktyg för kirurgisk planering som har visat sig minska driftstiden och kirurgiska komplikationer1. Processen är dock tidskrävande på grund av standardsteroliografimetoden (STL) för 3D-utskrift, som visar en synlig förlust av data och återger tryckta objekt som fasta, homogena och isotropiska material. Som ett resultat har 3D-utskrift för kirurgisk planering begränsats till beniga strukturer och enkla morfologiska beskrivningar av komplexa organ2. Denna begränsning är ett resultat av ett föråldrat tillverkningsparadigm som styrs av den industriella revolutionens produkter och behov, där tillverkade föremål beskrivs fullt ut av sina yttre gränser3. Den biomedicinska industrins behov av att replikera mänsklig vävnad, som uppvisar flera organisationsskalor och varierande materialfördelningar, kräver dock nya former av representation som representerar variationerna över hela volymen, som ändras punkt för punkt.
För att lösa detta problem utvecklades en 3D-visualiserings- och modelleringsteknik (figur 1) och kopplades till en ny, additiv tillverkningsprocess som möjliggör större kontroll över blandning och deponering av hartser i ultrahög upplösning. Denna metod, kallad bitmappsutskrift, replikerar mänsklig anatomi genom 3D-utskrift direkt från medicinska bilder på en nivå av rumslig återgivning och rumslig/kontrastupplösning av avancerad bildteknik som närmar sig 15 μm. Detta möjliggör den exakta och graderade kontroll som krävs för att replikera variationer i morfologiskt komplex mjukvävnad utan förlust eller förändring av data från diagnostiska källbilder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (se tabellen över material) användes för det arbete som slutfördes i avsnitten 1 till 3.
1. Inmatning av uppgifter
- Öppna programvaran för medicinsk bildberäkning, klicka på knappen Arkiv och DICOM från den nedrullningsbara menyn och vänta tills DICOM Browser-fönstret öppnas.
- Välj Importera i fönstret DICOM-webbläsare. Vänta tills fönstret Importera DICOM-filer från popup-fönstret för katalog visas.
- Navigera till DICOM-filstacken och klicka på knappen Importera .
- Se till att den valda stacken med DICOM-filer läses in i DICOM Browser. Se till att data har fyllts i korrekt och matchar önskad studie i följande kategorier: Patient, Studie, Serie och Instans.
- Klicka på kryssrutan Avancerat om du vill aktivera ytterligare metadata. Välj önskat serienummer och klicka på knappen Undersök . Kontrollera att önskad sekvens inte visar varningar. Klicka på kryssrutan bredvid önskad DICOM-datafil | Ladda.
OBS: Välj bilder med högsta upplösning med det tunnaste segmentförvärvet eftersom den här metoden kan skrivas ut med 15 μm och 27 μm skivtjocklek.
- Klicka på kryssrutan Avancerat om du vill aktivera ytterligare metadata. Välj önskat serienummer och klicka på knappen Undersök . Kontrollera att önskad sekvens inte visar varningar. Klicka på kryssrutan bredvid önskad DICOM-datafil | Ladda.
- För volymåtergivning navigerar du till Moduler när sekvensen har lästs in i den medicinska bildberäkningsprogramvaran och väljer Volymåtergivningsmodul på den nedrullningsbara menyn.
- I volymåtergivningsmodulen väljer du namnet på sekvensen på rullgardinsmenyn Volym för att aktivera bildstacken och översätta data till en voxeliserad volym. Kontrollera att den aktiva modulens namn matchar den önskade sekvensen som valts i steg 1.1.3.1.
- Klicka på ikonen Ögonboll bredvid listrutan Volym om du vill visualisera den valda volymen i 3D. Kontrollera att 3D-visningsfönstret är öppet och att en 3D-representation i gråskala är synlig.
- Klicka sedan på pilen bredvid Avancerat för att öppna avancerade verktyg. Välj fliken Volymegenskap om du vill öppna en uppsättning kontroller för att ändra voxelmodellens färgkanal.
- Navigera till menyn Mappning av skalär opacitet . Vänsterklicka i fältet om du vill skapa punkter där intensitetsvärden definieras av opacitet. Placera punkter längs denna skala för att visualisera intressets anatomi.
Obs: Punktens högra vänstra plats är korrelerad till intervallet för bildens intensitetsvärden, och upp-och-ner-platsen refererar till opaciteten. - Navigera till menyn Skalär färgmappning . Vänsterklicka i fältet om du vill skapa punkter och ange färger som är korrelerade till intensitetsvärden. Dubbelklicka i fältet om du vill öppna ett fönstret Välj färg om du vill ändra färginformation.
2. Manipuleringar
OBS: Ett maskeringssteg krävs om anatomin är tillräckligt komplex, till den punkt där omgivande vävnader och främmande data finns efter ändringar av volymegenskaperna.
- Navigera till Moduler och välj Segmentredigeraren på den nedrullningsbara menyn. Kontrollera att verktygsfälten Segmentredigeraren visas.
- Navigera till listrutan Segmentering och välj Skapa ny segmentering som. Skriv ett anpassat namn för segmenteringen från popup-fönstret Byt namn på segmentering och klicka på OK.
- Navigera till listrutan Huvudvolym och välj den aktiva volymen, som har samma namn som volymåtergivningen. Klicka sedan på knappen Lägg till direkt under listrutan. Kontrollera att segmentbehållaren skapas i fältet nedan.
- Navigera till effektverktygspanelen nedan och välj saxverktyget . Navigera till saxmenyn och välj Fyll inuti, Fritt formulär och Obegränsat. Håll sedan muspekaren över 3D-fönstret, högerklicka och håll ned medan du ritar runt det område som ska raderas. Se till att en färgad swath visas som visar vad som har täckts. Upprepa den här processen tills alla områden som ska tas bort omfattas.
Det finns tillägg, till exempel Extraeffekter för Segment Editor, som kan laddas ner till den medicinska bildberäkningsprogramvaran, som innehåller verktyg för att skapa den här segmenteringen. - Välj sedan verktyget Maskvolym på Effekt -menyn. Markera Markera inuti om du vill ta bort alla bilddata som omfattas av segmentet. Ändra sedan fyllningsvärdet till -1000, vilket är lika med luft, eller ogiltigt, i Hounsfield-enhetsskalan. Slutligen trycker du på använd och klickar på ögonbollen bredvid utdatavolymen för att visa den nya maskerade volymen.
- Navigera till moduler och välj Volymåtergivning på den nedrullningsbara menyn. Klicka på ögonkulan bredvid den aktiva volymen för att stänga av visualiseringen.
- Välj sedan den nyskapade maskerade volymen på den nedrullningsbara menyn. Klicka på ögonbollen för att aktivera volymen.
- Slutligen navigerar du till menyn Indata och öppnar listrutan Egenskaper . Välj egenskapen Volym som skapades i steg 1.2.5. Kontrollera att volymen i 3D-vyn är maskerad och färgkodad.
3. Skivning
OBS: Den här processen kringgår den traditionella 3D-utskriftsmetoden genom att skicka segmentfilerna direkt till 3D-utskriften i stället för en STL-nätfil. I följande steg skapas segment från volymåtergivningen. Bitmap Generator-modulen är ett specialbyggt tillägg. Detta kan laddas ner från Extensions Manager.
- Navigera till modulerna och välj Slicerfab i listrutan. Kontrollera att menyerna Utskriftsparametrar och Utdataparametrar finns.
- Under listrutan Skrivarparametrar ser du till att X-upplösningen är inställd på 600 DPI och att Y-upplösningen är inställd på 300 DPI. Se till att lagertjockleken är inställd på 27 μm.
- Öppna sedan menyn Utdataparametrar och ändra skalan för den slutliga modellen efter behov.
- Slutligen väljer du en filplats för de segment som ska sparas och klickar på Generera.
Obs: Det här steget kan ta flera minuter att slutföra.
4. Gitter
Adobe Photoshop (se tabellen över material) användes för det arbete som slutfördes i avsnitt 4.
- Öppna bildredigeringsprogrammet och klicka på Arkiv och välj Öppna på den nedrullningsbara menyn. Navigera till den första bilden av PNG-filstacken som skapades i föregående steg och klicka på knappen Öppna .
- Navigera till Fönster och välj Åtgärder på den nedrullningsbara menyn. Klicka på Ny åtgärd på Åtgärd-menyn, ange ett anpassat namn och välj OK. Kontrollera att åtgärden spelas in genom att kontrollera att knappen Spela in är aktiv och röd.
- När bilden har lästs in navigerar du till Bild | Läge | Indexerad färg. I indexfönstret väljer du på den nedrullningsbara menyn Lokal perceptuell och anger antalet färger som ska vara 8.
- Välj Anpassad på menyn Tvingad. Klicka på de två första rutorna, vänta tills fönstret Anpassad färg ska dyka upp och välj en anpassad färgpall. Välj 100% Magenta och se till att C, Y och K är inställda på 0.
- Upprepa den här processen och se till att det finns två rutor som ägnas åt 100% C, Y och K.
- Välj Anpassad på den nedrullningsbara menyn för Matt på Alternativ-menyn. För Gitter väljer du Diffusion och väljer 100 %för Belopp. Klicka slutligen på OK.
- Navigera till Åtgärd-menyn och klicka på den fyrkantiga knappen för att stoppa inspelningen. Stäng det aktiva fönstret och klicka på Nej i popup-fönstret Spara ändringar .
- Navigera till Arkiv | Automatisera | Sats. I popup-fönstret Batch navigerar du till listrutan Åtgärd och väljer den åtgärd som skapades i föregående steg. Klicka sedan på knappen Välj under Källmenyn och navigera till mappen med bilder som exporteras i steg 3.1.3. Klicka på knappen Välj under Mål-menyn, välj en målmappsplats för de nya filerna och klicka på OK.
5. Voxel-utskrift
OBS: Stratasys GrabCAD5 användes för det arbete som slutfördes i avsnitt 5.
- Öppna utskriftsprogrammet, klicka på Appar och Starta Voxel Print Utility från den nedrullningsbarmenyn.
- Ange prefixet för PNG-filstacken i textrutan Segmentfiler . Klicka sedan på knappen Markera och navigera till mappen där PNG-filstacken finns och klicka på OK.
- Under Segmentområde ser du till att det första segmentet och antalet segment matchar antalet filer i den skapade mappen.
- Under Skivningsparametrar ser du till att den segmenterade tjockleken (mm) matchar de inställningar som anges i steg 3.1.1.1 och Segmentbredd (pixlar) och Segmenthöjd (pixlar) matchar PNG-filernas bredd och höjd.
- Kontrollera att bakgrunden matchar bakgrundsfärgen under Bakgrundsfärg. När du är klar klickar du på knappen Nästa .
- På sidan Verktyg under Materialmappning väljer du det material från den nedrullningsbara menyn som ska mappas till den associerade färgen, härledd från PNG-filerna. Upprepa den här processen för varje färg på menyn. Klicka sedan på Slutför | OK i popup-fönstret Lyckades Info Gcvf-skapandet.
- Klicka på Arkiv | i värddatorns utskriftsprogram Importera fil från den nedrullningsbar menyn. Navigera till Gcvf-filen och klicka på Läs in. Välj Skriv ut på huvudskärmen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ett positivt resultat, som visas i figur 2 och figur 3, blir en direkt översättning av volymåtergivningen enligt definitionen i steg 1.2.5 eller 2.1.1.4. Den slutliga modellen ska visuellt matcha volymåtergivningen i storlek, form och färg. Längs denna process finns det många steg där ett fel kan uppstå, vilket kommer att påverka en eller flera av egenskaperna som anges ovan.
Problem som rör den enhetliga skalningen, som visas i figur 4, av de utskrivna modellerna kan bero på avbildningen, datormaskinvaran och/eller standardinställningarna för programvara. Sjukhus använder en mängd olika tekniker för att producera och återge bilder från en rad möjliga skannrar. Eftersom den här metoden fungerar direkt från käll bilderna, som kan exponera metadata som vanligtvis inte används, är det viktigt att vara bekant med nyanserna i bild avbildnings arbetsflödet. Problem med skalan kan uppstå när "omvandling" bakas in i metadata, vilket artificiellt kan justera lagerhöjd och rotation.
Skalproblem kan också bero på datorskärmens storlek. Vissa versioner av Slicerfab har ställts in för att segmentera volymåtergivningen och spara den resulterande PNG till storleken på den aktiva skärmen. I dessa versioner av Slicerfab kommer bilder som är större än bildskärmen att skäras av. Slutligen har olika uppdateringar i Photoshop resulterat i skalproblem när uppdateringarna ändrar standardvärdena till bildimportupplösningen. När standardvärdet är inställt på något annat än 600 DPI kommer bilderna inte att behålla samma skala av bilder som produceras av den medicinska bildberäkningsprogramvaran. De kommer att resultera i förvrängningar av X-Y-dimensionen medan modellens z-höjd förblir korrekt.
Problem relaterade till oregelbundna former och oväntade geometrier kan uppstå när du arbetar med opacitet i den medicinska bildberäkningsprogramvaran. Fliken Volymegenskaper innehåller möjligheten att ändra både färg- och opacitetskanaler. När opacitetskanalen är inställd under 50 % skapar renderingsalgoritmerna visualiseringar som är svåra för användaren att uppfatta, särskilt kring komplexa strukturer. Detta kan leda till att ytterligare data tolkas i processen och kan leda till att oönskade data skrivs ut.
Problem relaterade till färg kan bero på programvarugrafik och användarfel i både bildredigeringsprogram och utskriftsprogram. Den medicinska bildberäkningsprogramvaran har många val för att justera volymåtergivningen. Även om den aktuella versionen av Slicerfab har hårdkodade renderingsinställningar kan ändringar fortfarande göras. Aktivering av ljus- och skugginställningar samt GPU-renderingsinställningar kan ge oväntade och irreproduktible resultat. Slutligen kan gitterstegen som börjar i steg 4.1.2.3 påverka färgen baserat på alternativen för färgsyntes, som bestäms av antalet och de relativa koncentrationerna av de tillgängliga basmaterialen i skrivaren.
Den "lokala perceptuella" gitteralgoritmen försöker producera en visuell approximation av källfärgen från de tillgängliga färgerna som definieras i "färgväljaren". Om du ändrar antalet och färgen på basmaterialen ändras den resulterande nyansen och färgnoggrannheten för den utskrivna modellen. Om clear används som basmaterial, vilket visas i figur 5, resulterar dessutom problem kring yt- och underytans ljusspridning genom den tryckta modellen ofta i otrogna färgöversättningar från den digitala renderingen till den tryckta modellen6.
Bild 1: Flödesdiagram. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 2: Voxel digital till fysisk gitter av färg. (A) Ett tvärsnitt av en hjärtmodell visas genom att anatomins densitetsområden delas upp i 2, 4 och 10 färger. (B) En utvidgning av en del av varje modell anropas, som visar de enskilda pixlarna, som kommer att bearbetas till droppar av material i 3D-utskriftsprocessen. (C) Här visas tvärsnittsbaserade 3D-utskrivna modeller som använder voxeltekniken, som visar översättningen från en bild till modellen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 3: Voxel representativa resultat. Två modeller som visar representativa resultat av en lyckad metod. (A) En tvärsnitts njurmodell av en vuxen med klarcellskarcinom. Tumören på höger sida har tagits bort för att visa gränssnittet mellan njure och tumör. Detta gör det möjligt för en kirurg att bättre förstå tumörens morfologi och dess förhållande till kritiska element som ska undvikas. B) En sektionerad hjärtmodell som visar variationen i vävnadstäthet. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 4: Voxel-skalutgåva. Två bilder av samma modell som visar resultatet av ett skalnings problem. A) Tvärsnittsbild av njuren. X-Y-upplösningen visas proportionellt men är 50% av den avsedda produkten (B) Profilvy av njuren. X-upplösningen förblir korrekt från källdata och resulterar i en modell som verkar sträckt i X-riktningen. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Figur 5: Potentiella problem. Två bilder av två olika modeller visar frågorna kring tydligheten i arbetet med genomskinliga material. (A) Denna modell visar resultatet av slutna tomrum i modellen som har fyllts med ett "stödmaterial" av skrivaren. I den här modellen skapades tomrummen avsiktligt för att skapa en variation i optiska egenskaper. (B) Den här modellen visar öppna tomrum som går djupt in i modellen. Hålrummen är skadliga, vilket gör standard efterbearbetningstekniker, som polerar ytan, omöjliga. Den resulterande optiska förvrängningen har gjort modellen oanvändbar för kliniska tillämpningar. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Bild 6: Voxel-bearbetningsarbetsflöde och jämförelse av bildkvalitet. Från indata DICOM-data skapas (A) en mask för att isolera intresseområdet och rekonstruera det till en 3D-volymåtergivning, (B) från vilken ett histogram analyseras för att tolka intensitetsvärdena. Formkanalen för den voxelbaserade volymåtergivningen aktiveras för att visualisera formen på den resulterande maskerade DICOM. Materialkanalen för den voxelbaserade volymåtergivningen ändras genom uppslagstabeller, som kartlägger färg till de angivna intensitetsintervallen (C). Volymåtergivningen är segmenterad som PNG-filer i fullfärg enligt de begränsningar och den upplösning som krävs för skrivaren (D). Varje PNG-skiva är inringad i de materialbeskrivningar som behövs för att fabricera medicinska data. (E) De resulterande färgkomposit-PNGs skickas till skrivaren. (F) En visualisering av en högupplöst datauppsättning jämfört med en lågupplöst datauppsättning (G) med samma teknik för att visa behovet av källdata av högsta kvalitet. Klicka här för att se en större version av den här figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Det nuvarande representationsramverk som majoriteten, om inte alla, av digitala modelleringsverktyg använder idag resulterar i STL-filformat8. Ändå har detta paradigms specifika karaktär visat sig vara otillräcklig när man försöker uttrycka den granulära eller hierarkiska strukturen hos mer komplexa, naturliga material. Med ankomsten av de senaste additiv tillverkningsteknikerna som multimaterial 3D-utskrift kan mycket trimmade och mycket optimerade objekt produceras, som visar gradvisa materialövergångar i hela volymen. Detta dokument föreslår att en voxel eller bitmap-baserad process är mer lämpad för komplexa material representationer och ger en teknik för att översätta radiodensitet och morfologisk komplexitet från radiologiska bilder. Fördelarna med detta arbetsflöde inkluderar i) en exakt, graderad kontroll över materialfördelningen på flera skalor inom en 3D-utskriven volym och ii) kraften att öka befintliga 2D-bildbehandlingstekniker på 3D voxel-fält och producera nya kreativa vägar inom design och teknik av objekt vars estetiska egenskaper och materialorganisation är mycket modulerade för att passa deras strukturella prestanda.
Varje steg i denna process är avgörande för att uppnå en korrekt slutlig 3D-utskrift, och det finns lite utrymme för fel. Längs vägen finns det många punkter där extra uppmärksamhet krävs, och kontroller bör utföras för att säkerställa noggrannhet. För det första har valet av rätt bilder för den här metoden en direkt inverkan på den slutliga 3D-utskrivna modellen, som visas i figur 6F,G. Denna metod syftar till att upprätthålla renheten hos källbilderna; eventuella ändringar för att förbättra upplösningen eller släta konturer kan introducera eller eliminera data. Slutprodukten i denna metod är bara så bra som indata. Denna metod möjliggör droppupplösning på 15 μm och 27 μm lagertjocklek. Därför är det viktigt att arbeta nära en radiolog för att källa de högsta upplösningsbilderna med det tunnaste segmentantalet.
För det andra kräver de modellredigeringssteg som beskrivs i protokollstegen 1.1, 2 och bild 6A att användarindata maskerar och ändrar uppslagstabellerna för att extrahera och återge önskat resultat. På grund av den höga upplösningsnivån är flera skalor av en anatomisk struktur redigerbara. En grundlig förståelse av medicinska bilddatastrukturer och deras relation till biologiska vävnader är avgörande för att extrahera önskade data. Uppmärksamhet under detta steg kan möjliggöra mycket stämda modeller som replikerar flera skalor av organisation i biologisk vävnad.
För det tredje avgör gittersteget som beskrivs i protokoll steg 4 hur material ska graderas från källfärgerna. Det är viktigt att se till att källfärgerna relaterar till färgerna i skrivaren. Om färgerna i skrivaren inte matchar färgerna i gittersteget kan oväntade färgvariationer uppstå i den slutliga modellen. Dessutom kommer många gittertekniker att ge en mängd olika resultat. Det är mycket viktigt att detta granskas noggrant för att se till att inga uppgifter går förlorade och att lämplig information visas på ett enhetligt sätt.
Vi tillhandahåller några felsökningslösningar på de problem som definieras i de representativa resultaten. För det första är frågor relaterade till skala i allmänhet relaterade till en omvandling som bakas in i de medicinska bildmetadata som mottagits från en radiologisk avdelning. Det här problemet kan korrigeras i den medicinska bildberäkningsprogramvaran genom att ta bort alla dessa ärvda "omvandlingar". Det första steget är att öppna menyn Omvandling och välja Ta bort aktiv transformering på den nedrullningsbara menyn. Upprepa den här processen för alla ärvda omvandlingar. Detta bör omedelbart rätta till problemet.
För det andra är problem relaterade till geometri i allmänhet relaterade till att aktivera opacitetskanalen i protokollsteg 1.2.4. När opacitetskanalen är inställd under 50 % producerar renderingsalgoritmerna visualiseringar, som är svåra för användaren att uppfatta, särskilt kring komplexa strukturer. Lösningen på det här problemet är att ställa in opacitetskanalen till 100%, vilket skapar en enfärgad färg som kan definieras som ett "klart" material i protokollsteg 5.
För det tredje är problem relaterade till skivning i Slicerfab-programmet ofta ett resultat av att flera "volymer" och regionen av intresseverktyg (ROI) laddas i den medicinska bildberäkningsprogramvaran. Om flera "volymer" läses in väljer du de främmande volymerna på rullgardinsmenyn Volym i volymåtergivningsmodulen så att den är aktiv. Välj Sedan Ta bort aktuell volym på samma listningsmeny. Upprepa det här steget för ytterligare avkastning som kan ha skapats. När det finns en "Volym" och en "ROI" bör Slicerfab fungera utan att behöva starta om.
I allmänhet är alla begränsningar i det här protokollet relaterade till maskinvara och relaterad materialtillgänglighet. De nuvarande 3D-skrivarna som används i denna metod är begränsade till 15 μm X-Y och 25 μm Z höjdupplösning. Denna begränsning är relevant när du arbetar med bilddata med ultrahög upplösning, till exempel Micro CT, där bildupplösning kan närma sig 5 mm och skulle orsaka att den här metoden introducerar fel7. Den här skrivaren är också begränsad till att skriva ut 7 basmaterial samtidigt, vilket kan begränsa utbudet av tillgängliga färger.
Blandning på droppnivå sker, vilket möjliggör potentialen för 25 000 000 möjliga färgkombinationer som kan skapas genom samdeposition. Den exakta mekanismen för materialblandning på droppnivå före UV-härdning är dock inte välkänd. Dessutom kräver det tryckta materialet betydande efterbearbetning, vilket leder till visuella artefakter med inre tomrum och svåråtkomliga funktioner. Därför är det viktigt att utvärdera geometrin före tillverkningen för att säkerställa önskad visuell klarhet när inre tomrum och komplex geometri inte tillåter efterbearbetning.
Tredimensionell utskrift används för närvarande för att tillverka modeller för kirurgisk planering, implantation och operativ navigering, förbättra patientvården under kirurgiska ingrepp och över hela sjukhusmiljön9,10. Den nuvarande användningen av 3D-printade modeller för presurgisk planering har dock varit långsam, delvis på grund av det begränsade utbudet av applikationer som finns tillgängliga med den nuvarande STL-metoden för 3D-utskrift. Den här metoden ger en förlust av data och synliga felaktigheter jämfört med källdatauppsättningen, allvarligt begränsade nivåer av komplexitet i förhållande till sann anatomisk morfologi och volymetriska gradienter av de ursprungliga data som inte kan reproduceras.
Även om 3D-utskrift morfologiska data ensam har visat sig vara framgångsrika, är utbudet av applikationer med denna metod begränsat till beniga applikationer och enkla geometriska representationer av komplexa anatomiska funktioner. I den här processen går värdefulla volymetriska data förlorade, vilket äventyrar konsekvensen och integriteten för källdata. Omvänt undviker denna metod för att extrahera materialsammansättningen i den 3D-utskrivna modellen utan avvikelse från medicinska bilder dessa problem. Denna metod kan reproducera medicinska bilder med större noggrannhet med kända fördelar för kirurgiska ingrepp där morfologiska noggrannhet är avgörande. Protokollet i detta dokument beskriver den taktila visualiseringen av medicinska data genom submillimeterupplösning, multimaterial, 3D voxel-utskrift. Införlivandet av mjuka hartser, med durometrar i intervallet analogt med mänsklig vävnad, kan förutsebart möjliggöra rekreation av radiologiskt skannad mjukvävnad att användas med taktila planeringsmetoder under kirurgiska beredning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
N.J. är författare till en patentansökan inlämnad av University of Colorado Regents som beskriver metoder som de som beskrivs i detta arbete (ansökan nr. US16/375,132; publikationsnr US20200316868A1; inlämnad den 4 april 2019, publicerad 08 oktober 2020). Alla andra författare förklarar att de inte har några konkurrerande intressen.
Acknowledgments
Vi tackar AB Nexus och delstaten Colorado för deras generösa stöd för vår vetenskapliga forskning om voxeltryck för presurgisk planering. Vi tackar L. Browne, N. Stence och S. Sheridan för att de tillhandahåller datauppsättningar som används i denna studie. Denna studie finansierades av AB Nexus Grant och 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
- 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).
