Voxel Baskı Anatomisi: Bitmap Baskı Ile Gerçekçi, Presurgical Planlama Modellerinin Tasarımı ve İmalatı

Şu anda cerrahlar, 3D hastalara yönelik operasyonları planlamak için farklı veriler gösteren çok sayıda ayrık 2 boyutlu (2D) görüntüleme yöntemlerini inceliyorlar. Ayrıca, bu verileri bir 2D ekranda görüntülemek, toplanan verilerin tam kapsamını tam olarak iletebilir değildir. Görüntüleme yöntemlerinin sayısı arttıkça, birden fazla organizasyon ölçeği sergileyen farklı yöntemlerden daha fazla veri sentezleyebilme yeteneği, daha etkili ve verimli cerrahi planlama için bilgileri yoğunlaştırmak ve küratörlüğünü yapmak için yeni dijital ve fiziksel temsil biçimleri gerektirir.

3D baskılı, hastaya özel modeller, ameliyat süresini ve cerrahi komplikasyonları azalttığı gösterilen cerrahi planlama için yeni bir tanı aracı olarak ortaya ^{çıkmıştır1}. Bununla birlikte, 3D baskının standart stereolitografi (STL) yöntemi nedeniyle işlem zaman alıcıdır, bu da görünür bir veri kaybı gösterir ve yazdırılan nesneleri katı, homojen ve izotropik malzemeler olarak işler. Sonuç olarak, cerrahi planlama için 3D baskı kemikli yapılar ve karmaşık organların basit morfolojik tanımları ile ^{sınırlıdır2}. Bu sınırlama, üretilen nesnelerin dış sınırlarıyla tam olarak tanımlandığı sanayi devriminin ürünleri ve ihtiyaçları tarafından yönlendirilen eski bir üretim paradigmasının bir ^sonucudur3. Bununla birlikte, biyomedikal endüstrisinin birden fazla organizasyon ölçeği ve değişen malzeme dağılımları gösteren insan dokusunu çoğaltma ihtiyacı, tüm hacimdeki varyasyonları temsil eden ve nokta nokta değişen yeni temsil biçimleri gerektirir.

Bu sorunu gidermek için, bir 3D görselleştirme ve modelleme tekniği (Şekil 1) geliştirildi ve reçinelerin ultra yüksek çözünürlükte karıştırılması ve birikmesi üzerinde daha fazla kontrol sağlayan yeni, katkılı bir üretim süreci ile birleştirilmiştir. Bitmap baskı adı verilen bu yöntem, 15 μm'ye yaklaşan ileri görüntüleme teknolojisinin mekansal doğruluğu ve mekansal/kontrast çözünürlüğü düzeyinde doğrudan tıbbi görüntülerden 3D baskı ile insan anatomisini çoğaltır. Bu, morfolojik olarak karmaşık yumuşak dokudaki varyasyonları, tanısal kaynak görüntülerden veri kaybı veya değişikliği olmadan çoğaltmak için gereken hassas ve dereceli kontrolü sağlar.

NOT: 1 ile 3 arasında bölümlerde tamamlanan çalışmalar için 3D Dilimleyici Tıbbi Görüntü Hesaplama ^Yazılımı4 ( Bkz. Malzeme Tablosu) kullanılmıştır.

1. Veri girişi

1. Tıbbi görüntü hesaplama yazılımını açın, açılır menüden Dosya düğmesini ve DICOM'a tıklayın ve DICOM Tarayıcı penceresinin açılmasını bekleyin.
   1. DICOM Tarayıcı penceresinde İçeri Aktar'ı seçin. DICOM Dosyalarını Dizinden al açılır penceresinin görüntülenmesini bekleyin.
   2. DICOM dosya yığınına gidin ve İçeri Aktar düğmesini tıklatın.
   3. Seçili DICOM dosyası yığınının DICOM Tarayıcısına yüklendiğinden emin olun. Verilerin doğru şekilde doldurulmasını ve aşağıdaki kategorilerde istenen çalışmayla eşleştiğinden emin olun: Hasta, Çalışma, Seri ve Örnek.
      1. Ek meta verileri etkinleştirmek için Gelişmiş onay kutusunu tıklatın. İstediğiniz Seri Numarasını seçin ve İncele düğmesini tıklatın. İstenen sıranın uyarıları görüntülemediğine emin olun. İstediğiniz DICOM Veri dosyası | yanındaki onay kutusunu tıklatın Yükleyin.
         NOT: Bu yöntem 15 μm ve 27 μm dilim kalınlığında baskı yapabildiğinden, en ince dilim alımına sahip en yüksek çözünürlüklü görüntüleri seçin.
2. Ses düzeyi oluşturma için, sıra tıbbi görüntü hesaplama yazılımına yüklendikten sonra Modüller'e gidin ve açılır menüden Ses Düzeyi Oluşturma Modülü'nü seçin.
   1. Ses Düzeyi Oluşturma modülünde, görüntü yığınını etkinleştirmek ve verileri vokselize edilmiş bir birime çevirmek için Birim açılır menüsünden sıranın adını seçin. Etkin modülün adının 1.1.3.1 adımında seçilen istenen sırayla eşleştiğinden emin olun.
   2. Seçili birimi 3D olarak görselleştirmek için Ses Düzeyi açılır menüsünün yanındaki Göz Topu simgesini tıklatın. 3D ekran penceresinin açık olduğundan ve gri tonlamalı 3D gösteriminin görünür olduğundan emin olun.
   3. Ardından, Gelişmiş Araçlar'ı açmak için Gelişmiş'in yanındaki oku tıklatın. Voxel modelinin renk kanalını değiştirmek üzere bir denetim kümesi açmak için Birim Özelliği sekmesini seçin.
   4. Skaler Opaklık Eşleme menüsüne gidin. Yoğunluk değerlerinin opaklık tarafından tanımlanacağı noktalar oluşturmak için alanı sol tıklatın. İlginin anatomisini görselleştirmek için bu ölçek boyunca noktalar yerleştirin.
      NOT: Noktanın sağ-sol konumu görüntünün yoğunluk değerlerinin aralığıyla ilişkilidir ve yukarı-aşağı konumu opaklığı ifade eder.
   5. Skaler Renk Eşleme menüsüne gidin. Noktalar oluşturmak ve yoğunluk değerleriyle ilişkili renkleri belirtmek için alanı sol tıklatın. Renk bilgilerini değiştirmek üzere Renk Seç penceresini açmak için alanı çift tıklatın.

2. Manipülasyonlar

NOT: Anatomi yeterince karmaşıksa, Hacim Özelliklerinde yapılan değişikliklerden sonra çevredeki dokuların ve yabancı verilerin bulunduğu noktaya kadar bir maskeleme adımı gereklidir.

1. Modüller'e gidin ve açılır menüden Segment Düzenleyicisi'ni seçin. Segment Düzenleyicisi araç çubuklarının göründüğüne emin olun.
   1. Segmentasyon açılan menüsüne gidin ve Farklı Yeni Segmentasyon Oluştur'u seçin. Segmentasyonu Yeniden Adlandır açılır penceresinde segmentasyon için özel bir ad yazın ve Tamam'ı tıklatın.
   2. Ana Birim açılan menüsüne gidin ve Birim oluşturma ile aynı ada sahip olacak etkin birimi seçin. Ardından, açılan mendinin hemen altındaki Ekle düğmesini tıklatın. Segment kapsayıcısının aşağıdaki alanda oluşturulduğundan emin olun.
   3. Aşağıdaki efekt aracı paneline gidin ve Makas aracını seçin. Makas menüsüne gidin ve İçini Doldur, Serbest Biçimli ve Sınırsız'ı seçin. Ardından, 3D Pencere'nin üzerine gelin, silinecek alanın etrafını çizerken sağ tıklatın ve basılı tutun. Nelerin kaplandığını gösteren renkli bir alan göründüğüne emin olun. Silinecek tüm alanlar kapsanana kadar bu işlemi yineleyin.
      NOT: Segment Editörü Ekstra Efektleri gibi, bu segmentasyonu oluşturmak için araçlar içeren tıbbi görüntü hesaplama yazılımına indirilebilen Uzantılar vardır.
   4. Ardından, Efektler menüsünden Maske Sesi aracını seçin. Segment tarafından kapsanan tüm görüntü verilerini silmek için İçeriyi Seç'i kontrol edin. Ardından, Hounsfield birim ölçeğinde Doldurma Değerini havaya eşit veya geçersiz olan -1000 olarak değiştirin. Son olarak, uygula tuşuna bastı ve yeni maskelenmiş ses seviyesini göstermek için Çıkış Hacminin yanındaki Göz Topu'nu tıklatın.
      1. Modüller'e gidin ve açılır menüden Ses Düzeyi oluşturma'yı seçin. Görselleştirmeyi kapatmak için etkin birimin yanındaki Göz Topu'nu tıklatın.
      2. Ardından, açılır menüden yeni oluşturulan maskelenmiş birimi seçin. Ses seviyesini etkinleştirmek için Göz Topu'nu tıklatın.
      3. Son olarak, Girişler menüsüne gidin ve Özellikler açılır menüsünü açın. 1.2.5 adımında oluşturulan Birim Özelliği'ni seçin. 3D Görünümdeki birimin maskeli ve renk kodlu olduğundan emin olun.

3. Dilimleme

NOT: Bu işlem, dilim dosyalarını bir STL ağ dosyası yerine doğrudan 3B yazdırmaya göndererek geleneksel 3B yazdırma yöntemini atlar. Aşağıdaki adımlarda, birim işlemeden dilimler oluşturulacaktır. Bitmap Generator modülü özel olarak oluşturulmuş bir uzantıdır. Bu , Uzantı Yöneticisi'nden indirilebilir.

1. Modüller'e gidin, açılır menüden Slicerfab'ı seçin. Yazdırma Parametreleri ve Çıktı Parametreleri menülerinin bulunduğundan emin olun.
   1. Yazıcı Parametreleri açılan menüsü altında, X çözünürlüğünün 600 DPI'ya ve Y çözünürlüğünün 300 DPI'ye ayarlı olduğundan emin olun. Katman kalınlığının 27 μm olarak ayarlı olduğundan emin olun.
   2. Ardından, Çıktı Parametreleri menüsünü açın ve son modelin ölçeğini gerektiği gibi değiştirin.
   3. Son olarak, kaydedilecek dilimler için bir dosya konumu seçin ve Oluştur'u tıklatın.
      NOT: Bu adımın tamamlanması birkaç dakika sürebilir.

4. Titreme

NOT: Bölüm 4'te tamamlanan çalışma için Adobe Photoshop ( Bkz. Malzeme Tablosu) kullanılmıştır.

1. Görüntü düzenleme yazılımını açın ve Dosya'yı tıklatın ve açılır menüden Aç'ı seçin. Önceki adımda oluşturulan PNG dosya yığınının ilk görüntüsüne gidin ve Aç düğmesini tıklatın.
2. Pencere'ye gidin ve açılır menüden Eylemler'i seçin. Eylemler menüsünde Yeni Eylem'i tıklatın, özel bir ad girin ve Tamam'ı seçin. Kayıt düğmesinin etkin ve kırmızı 0'ı denetleyerek eylemin kaydedildiğine emin olun.
   1. Görüntü yüklendikten sonra Görüntü |'ne gidin Mod | Dizinlenmiş Renk. Dizin penceresinde, Yerel Algısal açılır menüsünden seçim yapın ve 8 olacak renk sayısını belirtin.
   2. Zorunlu menüsünde Özel'i seçin. İlk iki kareyi tıklatın, Özel Renk penceresinin açmasını bekleyin ve özel bir renk paleti seçin. %100 Macenta'yı seçin ve C, Y ve K'nin 0 olarak ayarlandığından emin olun.
      1. Bu işlemi tekrarlayın ve %100 C, Y ve K'ye ayrılmış iki kare olduğundan emin olun.
   3. Seçenekler menüsünde, Örtü için açılır menüden Özel'i seçin. Renk Taklidi için Difüzyon'u seçin ve Tutar için %100'ü seçin. Son olarak Tamam'ı tıklatın.
   4. Eylem menüsüne gidin ve kaydı durdurmak için kare düğmesini tıklatın. Etkin pencereyi kapatın ve değişiklikleri kaydet açılır penceresinde Hayır'ı tıklatın.
3. Dosya | gitme | otomatikleştirme Toplu iş. Toplu İş açılır penceresinde, Eylem açılan menüsüne gidin ve önceki adımda oluşturulan eylemi seçin. Ardından, Kaynak menüsünün altında Seç düğmesine tıklayın ve 3.1.3 adımında dışa aktarılan görüntüler klasörüne gidin. Hedef menüsünün altında Seç düğmesini tıklatın, yeni dosyalar için bir hedef klasör konumu seçin ve Tamam'ı tıklatın.

5. Voxel baskı

NOT: Bölüm ^5'te tamamlanan çalışmalar için Stratasys GrabCAD5 kullanılmıştır.

1. Yazdırma yazılımını açın, Uygulamalar'ı tıklatın ve açılır menüden Voxel Yazdırma Yardımcı Programını Başlatın .
   1. Dilim Dosyalarının Öneki metin kutusuna PNG dosya yığınının önekini girin. Ardından, Seç düğmesini tıklatın ve PNG dosyaları yığınının bulunduğu klasöre gidin ve Tamam'ı tıklatın.
   2. Dilim Aralığı altında, İlk Dilim ve Dilim Sayısı'nın oluşturulan klasördeki dosya sayısıyla eşleştiklerinden emin olun.
   3. Dilimleme Parametreleri altında, Dilimlenmiş kalınlığın (mm) 3.1.1.1 adımında belirtilen ayarlarla eşleştiğinden ve Dilim genişliği (piksel) ve Dilim yüksekliğinin (piksel) PNG dosyalarının genişliği ve yüksekliğiyle eşleştiğinden emin olun.
   4. Arka Plan Rengi'nin altında, arka planın yazdırmayacak şekilde ayarlanmış arka plan rengiyle eşleştiğinden emin olun. Tamamlandığında, İleri düğmesini tıklatın.
2. Malzeme Eşleme altındaki Araçlar sayfasında, PNG dosyalarından türetilen ilişkili renge eşlenecek açılır menüden malzemeyi seçin. Menüdeki her renk için bu işlemi yineleyin. Ardından, Son | Açılan pencerede Tamam Bilgi Gcvf oluşturma başarılı oldu.
3. Ana bilgisayar yazdırma yazılımında Dosya | Dosyayı açılan menüden içeri aktarın . Gcvf dosyasına gidin ve Yükle'yi tıklatın. Ana ekranda Yazdır'ı seçin.

Şekil 2 ve Şekil 3'te gösterildiği gibi olumlu bir sonuç, 1.2.5 veya 2.1.1.4 adımlarında tanımlandığı gibi birim işlemenin doğrudan çevirisi olacaktır. Son model, birim işlemeyi boyut, şekil ve renk olarak görsel olarak eşleştirmelidir. Bu işlem boyunca, yukarıda listelenen özelliklerden birini veya daha fazlasını etkileyecek bir hatanın oluşabileceği çok sayıda adım vardır.

Yazdırılan modellerin Şekil 4'te gösterildiği gibi tekdüze ölçeklendirmeyle ilgili sorunlar görüntüleme, bilgisayar donanımı ve/veya varsayılan yazılım ayarlarının bir sonucu olabilir. Hastaneler, çeşitli olası tarayıcılardan görüntüler üretmek ve oluşturmak için çeşitli teknikler kullanır. Bu yöntem doğrudan kaynak görüntülerden çalıştığından, genellikle kullanılmayan meta verileri açığa çıkarabilir, görüntüleme iş akışının nüanslarına aşina olmak önemlidir. Ölçek sorunları, katman yüksekliğini ve dönüşünü yapay olarak ayarlayabilen meta verilere 'dönüşüm' pişirildiğinde ortaya çıkabilir.

Ölçek sorunları bilgisayar monitörü boyutunun bir sonucu da olabilir. Slicerfab'ın bazı sürümleri, birim işlemeyi dilimleyip elde ettiği PNG'yi etkin ekran boyutuna kaydedecek şekilde ayarlanmıştır. Slicerfab'ın bu sürümlerinde, monitörden daha büyük görüntüler kesilecektir. Son olarak, Photoshop'taki çeşitli güncellemeler, güncelleştirmeler varsayılanları görüntü içe aktarma çözünürlüğünde değiştirdiğinde ölçek sorunlarına neden oldu. Varsayılan değer 600 DPI dışında bir değere ayarlandığında, görüntüler tıbbi görüntü hesaplama yazılımı tarafından üretilen görüntülerin aynı ölçeğini korumaz. Modelin z yüksekliği doğru kalırken X-Y boyutunda bozulmalara neden olurlar.

Düzensiz şekiller ve beklenmeyen geometrilerle ilgili sorunlar, tıbbi görüntü hesaplama yazılımında opaklıkla çalışırken ortaya çıkabilir. Birim özellikleri sekmesi, hem renk hem de opaklık kanallarını değiştirme yeteneğini içerir. Opaklık kanalı P'nin altına ayarlandığında, işleme algoritmaları, özellikle karmaşık yapıları çevreleyen kullanıcının algılaması zor görselleştirmeler üretir. Bu işlemde ek verilerin ayrıştırılmasına neden olabilir ve istenmeyen verilerin 3D yazdırılmasına neden olabilir.

Renkle ilgili sorunlar, hem görüntü düzenleme yazılımındaki hem de yazdırma yazılımındaki yazılım grafiklerinden ve kullanıcı hatalarından neden olabilir. Tıbbi görüntü hesaplama yazılımı, ses işlemeyi ayarlamak için çok sayıda seçeneğe sahiptir. Slicerfab'ın geçerli sürümünde sabit kodlanmış işleme ayarları olsa da, değişiklikler hala yapılabilir. Işık ve gölge ayarlarının yanı sıra GPU işleme ayarlarının etkinleştirilmesi beklenmedik ve üretilemez sonuçlar doğurabilir. Son olarak, 4.1.2.3 adımından başlayan renk taklidi adımları, yazıcıdaki mevcut temel malzemelerin sayısına ve göreli konsantrasyonlarına göre belirlenen renk sentezi seçeneklerine göre rengi etkileyebilir.

'Yerel algısal' renk taklidi algoritması, 'renk seçici'de tanımlanan kullanılabilir renklerden kaynak rengin görsel bir yaklaşıkını üretmeye çalışır. Temel malzemelerin sayısını ve rengini değiştirmek, yazdırılan modelin elde ettiği tonu ve renk doğruluğunu değiştirir. Ayrıca, Şekil 5'te gösterildiği gibi, net bir temel malzeme olarak kullanılırsa, yüzey ve yeraltı ışığının yazdırılan modele saçılmasıyla ilgili sorunlar genellikle dijital işlemeden yazdırılan modele sadakatsiz renk çevirilerine neden olur6.

Şekil 1: Akış diyagramı. Bu şeklin daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Voxel dijitalden fiziksel renk taklidine. (A) kardiyak modelin bir kesit, anatominin yoğunluk aralıkları 2, 4 ve 10 renge bölünerek gösterilir. (B) Her modelin bir kısmının genişlemesi, 3D baskı işlemindeki malzemelerin damlacıklarına işlenecek olan tek tek pikselleri gösteren bir genişleme çağrılır. (C) Burada voksel tekniğini kullanan kesitsel 3D baskılı modeller gösterilmektedir ve bir görüntüden modele çeviriyi gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Voxel temsili sonuçları. Başarılı bir yöntemin temsili sonuçlarını görüntüleyen iki model. (A) Berrak hücreli karsinomlu bir yetişkinin kesitsel böbrek modeli. Sağ taraftaki tümör, böbrek ve tümör arasındaki arayüzü göstermek için çıkarıldı. Bu, bir cerrahın tümörün morfolojisini ve kritik elementler ile ilişkisini daha iyi anlamasını sağlar. (B) Doku yoğunluğundaki değişimi gösteren bölümlenmiş bir kardiyak model. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Voxel ölçeği sorunu. Ölçekleme sorununun sonucunu gösteren aynı modelin iki görüntüsü. (A) Böbreğin kesitsel görüntüsü. X-Y çözünürlüğü orantılı olarak gösterilir, ancak böbreğin amaçlanan ürün (B) Profil görünümünün% 50'dir. X çözünürlüğü kaynak verilerden doğru kalır ve X yönünde uzatılmış görünen bir modelle sonuçlanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Potansiyel sorunlar. İki farklı modelin iki görüntüsü, yarı saydam malzemelerle çalışmanın netliği etrafındaki sorunları göstermektedir. (A) Bu model, yazıcı tarafından bir 'destek' malzemesi ile doldurulmuş model içindeki kapalı boşlukların sonucunu gösterir. Bu modelde, boşluklar optik özelliklerde bir varyasyon oluşturmak için kasıtlı olarak oluşturulmuştur. (B) Bu model, modelin derinliklerine inen açık boşlukları gösterir. Boşluklar işkenceli, bu da yüzeyi parlatan standart postprocessing tekniklerini imkansız hale getiriyor. Ortaya çıkan optik bozulma, modeli klinik uygulamalar için kullanılamaz hale getirdi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Voxel işleme iş akışı ve görüntü kalitesi karşılaştırması. Giriş DICOM verilerinden, (A) ilgi alanını yalıtmak ve yoğunluk değerleri aralıklarını ayrıştırmak için bir histogramın analiz edildiği 3D Ses İşleme (B) olarak yeniden oluşturmak için bir maske oluşturulur. Voksel tabanlı ses işlemenin şekil kanalı, elde edilen maskeli DICOM'un formunu görselleştirmek için etkinleştirilir. Voksel tabanlı birim işlemenin malzeme kanalı, rengi belirtilen yoğunluk aralıklarına (C) eşleyen arama tabloları aracılığıyla değiştirilir. Birim işleme, yazıcının (D) gerekli kısıtlamalarına ve çözünürlüğüne tam renkli PNG dosyaları olarak dilimlenir. Her PNG dilimi, tıbbi verileri uydurmak için gereken malzeme açıklamalarına titretilir. (E) Eldeki renk kompozit PNG'ler yazıcıya gönderilir. (F) En yüksek kaliteli kaynak veriye olan ihtiyacı göstermek için aynı tekniği kullanan düşük çözünürlüklü veri kümesine (G) kıyasla yüksek çözünürlüklü bir veri kümesinin görselleştirilmesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

N.J., Colorado Regents Üniversitesi tarafından yapılan ve bu çalışmada açıklananlar gibi yöntemleri açıklayan bir patent başvurusunda yazardır (başvuru no. US16/375,132; yayın no. US20200316868A1; 04 Nisan 2019 tarihleri arasında dosyalanmıştır; yayınlanan 08 Ekim 2020). Diğer tüm yazarlar rakip çıkarları olmadığını beyan ederler.