Eine Methodik wird hier zur Darstellung anatomischer Bildgebungsdaten innerhalb von Kristallen. Wir schaffen skalierten dreidimensionale Modelle der biomedizinischen Bilddaten zur Verwendung in Sub-Oberflächen Lasergravieren (ssle) aus Kristallglas. Dieses Tool bietet eine sinnvolle Ergänzung zu Rechen Anzeige oder dreidimensional gedruckten Modelle innerhalb der klinischen oder pädagogischen Einstellungen verwendet.
Biomedical Imaging-Modalitäten wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanz (MR) bieten hervorragende Plattformen für das Sammeln von dreidimensionalen Datensatz von Patienten oder Objektanatomie in klinischen oder präklinischen Einstellungen. Jedoch ist die Verwendung eines virtuellen On-Screen-Display begrenzt die Fähigkeit dieser tomographischen Bilder vollständig die anatomischen Informationen zu vermitteln darin eingebettet. Eine Lösung ist eine biomedizinische Bildgebungsdaten mit 3D-Drucktechnologie auf eine physikalische Schnittstelle Replik zu erzeugen. Hier wir detailliert eine ergänzende Methode zur Visualisierung tomographischen Bilddaten mit einem Handmodell: Sub Oberflächenlasergravur (ssle) aus Kristallglas. Ssle bietet einige einzigartige Vorteile, darunter: die leichte Fähigkeit anatomische Etiketten enthalten, sowie eine Skala bar; rationalisieren mehrteiliger Aufbau komplexer Strukturen in einem Medium; hohe Auflösung in der X, Y, und Z-Ebene; und semi-transparent Schalen zur Visualisierung der inneren anatomischen Substrukturen. hier we den Prozess der ssle mit CT-Datensatz abgeleitet von vorklinischen und klinischen Quellen demonstrieren. Dieses Protokoll wird als leistungsfähiges und kostengünstiges neues Werkzeug dienen, mit der komplexen anatomischen Strukturen für Wissenschaftler und Studenten in einer Reihe von Bildungs- und Forschungseinstellungen zu visualisieren.
Biomedical Imaging – Modalitäten wie Computertomographie (CT) oder Magnetresonanztomographie (MRI) werden routinemäßig von den Bereichen Medizin, der Forschung, und Wissenschaft nicht-invasiv untersuchen , die internen Strukturen des menschlichen oder biologischen Probanden 1, 2, 3. In der modernen Medizin ermöglicht diese Technologie fundiertere Diagnosen und damit 4 Patientenbehandlung verbessert. Insbesondere stellt CT eine ausgezeichnete Möglichkeit für die 3-D-Rekonstruktion aufgrund seiner hohen Auflösung und isotropen Voxel Eigenschaften (identische Länge jeder Würfelkante). 5 Ferner sind Software – Pakete verfügbar , die biomedizinische Bilddaten in drei Dimensionen (3D) für die Funktionen höherer Ordnung , wie computergestützte Chirurgie und virtuellen Endoskopie 6 machen. Innerhalb der präklinischen Forschung, nicht-destruktive Bildgebung bietet eine TranslationsplattformKrankheitsmodelle bei Mäusen und Ratten , auf denen 7 zu studieren. Digitale Bibliotheken, wie die biologische Datenbank Digital Morphology (http://digimorph.org) wurden mit CT Daten gefüllt , die aus verschiedenen Proben oder klinischen Krankheitszuständen für einen leichten Zugang durch den breiteren wissenschaftlichen und medizinischen Gemeinschaften 8.
Derzeit biomedizinischen Bildgebung Daten im virtuellen Raum auf Computerbildschirmen sichtbar gemacht worden ist, oder im physischen Raum mit Hand-Modellen. Während Computer – Software ermöglicht es Benutzern , Daten zu sezieren und zu manipulieren, sind physikalische Repliken eine nette Ergänzung mit hervorragenden pädagogischen Nutzen 9, 10. Traditionelle Modelle wurden , ist eine kostengünstige Gießprozesses erzeugt werden , in dem Grundformen mit Harz gefüllt , die 11 in die gewünschten Struktur aushärtet. Gegossene Modelle sind zugänglich für eine kostengünstige Massenfertigung, sondern sind Grund begrenztStrukturen, die nicht abgeleitet von Sätzen von Patientendaten sind. In den letzten fünf Jahren, 3D-Druck Nachbildungen der menschlichen Anatomie zunehmend vorherrschend geworden der hohen Komplexität wegen und oft patientenspezifische Objekte, die erzeugt und angezeigt werden können. Diese Modelle werden von Maschinen geschaffen, die Ablagerung flüssige oder geschmolzener Kunststoff in additiven Schichten und unterstützt haben Ärzte mit Diagnosen, komplexen Operationen, die Behandlung von Krankheiten, prosthetische Design und Patientenkommunikation 12, 13. Ferner dient die weit verbreitete Verfügbarkeit von Consumer-3D – Drucker innerhalb des primären, sekundären und Stiftsschule Einstellungen die pädagogische Wirkung des gemeinsamen anatomischen Modells 14 zu erhöhen Dateien, 15.
Insgesamt hat sich das 3D-Drucken voran erheblich die Entwicklung der anatomischen Modelle innerhalb der Medizin, aber es tut Grenzen. Erstens, die Schaffung von Mehr-Teil anatomische Modelle kann schwierig sein , da zusätzliche Arbeit oft digital erforderlich ist , getrennte Teile miteinander zu verbinden , die sonst auseinander 16 fallen kann. Auch die Opazität von vielen 3D-Druckmaterialien, speziell für Consumer-Maschinen, verhindert, dass die Visualisierung von internen Unterstrukturen, die zusätzlichen Einblicke über ein Exemplar der Knochen und Weichgewebe liefern. Ferner beschränkt flüssiger oder geschmolzener Kunststoff Extruder die Auflösung des 3D-Drucks. Die Extruder von professionellen Druckern sind ungefähr 50 & mgr; m im Durchmesser und ermöglichen eine Schichtdicke von 14 um, mit einer Auflösung von bis zu 600 Punkten pro Zoll (dpi) in der X- und Y – Achse und 1.600 dpi in der Z – Achse 17, 18 . Im Vergleich dazu Consumer-3D – Drucker hat Extrudern , die etwa 400 um im Durchmesser sind und eine Schichtdicke von 100 um und eine Auflösung von ungefähr äquivalent zu 42 DPI 19, geben , <sup class = "xref"> 20. Preis variiert auch erheblich von Consumer-zu professionellen Druckern 20, 21. Zusätzlich verhindern hohen Materialkosten der industriellen Massenproduktion von 22 Skaleneffekte erreicht werden .
Unteroberflächen Lasergravieren (ssle) oder 3D – Kristall gravieren, der einen Laserstrahl nutzen mit hohen Präzision bei tausenden von X, Y, Z – Koordinaten innerhalb eines starren, hochreinen, kubisch, Glasmatrix 23 kleine „Blasen“ oder Punkte zu bilden. Jeder Punkt ist 20-40 um, die 24 DPI Auflösung zwischen 800-1.200 ergibt. Ferner ist jeder Punkt halbtransparent, um die Visualisierung der inneren Unterstrukturen ermöglicht. Mehrere, getrennte Teile sind im gleichen Kristall dargestellt und zusätzliches Material ist nicht für große, komplizierte Strukturen erforderlich. Da die Matrix fest ist, können anatomische Etikett und Größe Maßstabsbalken hinzugefügt werden, zu verbessern,das Bildungspotential der Bilddaten angezeigt innerhalb. Hier stellen wir ein Verfahren, bei dem Röntgenstrahlen-Computertomographie (CT) Daten für die Kristall ssle formatiert. Erstens können die Daten aus kommerziellen präklinischen microCT Systemen, klinischen Scanner von Radiologieabteilungen / unis, oder als Quelle von Online-Repositories wie die National Biomedical Imaging Archiv (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf gesammelt werden ) 25 Hier zeigen wir diesen Ansatz mit Schafen Knochenkern, gebrochenem Handgelenk, markiertem Fuß und markiertem Bein Kristalle die Fähigkeit zu zeigen , sowohl die präklinische und klinische Daten zu übernehmen, um das Ausmaß der anatomischen Strukturen, anpassen und eine Struktur , Geometrie mit Kristallgröße zu koordinieren. die leichte Art von ssle und bereits weit verbreiteten Verwendung von STL-Dateien in 3D-Druck, die Herstellung von markierter anatomischer Kristalle bietet einen spannenden, handHandVisualisierungsWerkzeug für den Einsatz in den akademischen Ausbildung und Gemeinden gegeben.
Präklinische und klinische Datensätze durch biomedizinische Bildgebungsverfahren erworben haben in der modernen Forschung und medizinischen Fortschritt beigetragen. Vor Einrichtung der biomedizinischen Datenvisualisierung enthielt Computer-Display und physikalische aus traditionellem Guss generierten Modelle oder modernen 3D-Druck Ansätzen. Hier beschreiben wir ein 3D-Kristall Gravur Verfahren als alternatives Mittel für tomographische biomedizinische Visualisierung von Daten, da es erzeugt wohldefinierte, markierte Modelle auf einfache Art und Weise. Diese relativ kostengünstigen Modelle in großem Umfang als Lehrmittel verwendet werden können. Die Verwendung von Kristall Gravur genau anatomischen Daten zu repräsentieren gibt ihm hohe Potential in der klinischen und pädagogischen Einrichtungen. Die Fähigkeit , Daten in einem physischen, dreidimensionalen Format zu visualisieren überwindet die Grenzen der traditionellen Formen der Bildung mit flachen Bildern oder virtuelle Renderings 9. Hohe Auflösung von gravierten Strukturen und die BefestigungEtiketten auf bestimmte sichtbare Merkmale erleichtern die Verwendung dieser Modelle für die Patienten oder die Ausbildung der Studierenden. Darüber hinaus bietet diese Modalität die Fähigkeit, Ursachen und Aspekte von Krankheitszuständen innerhalb einer Probe zu identifizieren und zu beobachten. Zum Beispiel ist die Klassifizierung und den Ort eines Knochenbruchs, wie die gebrochenen Handgelenk in Abbildung 2 angemerkt, liefert ein umfassenderes Verständnis der Beziehung von Krankheitszuständen und anderen physikalisch offensichtlichen Anzeichen und / oder Symptome des Patienten.
Durch 3D-Kristall Gravur, präklinische und klinische CT-Datensätze wurden als physikalische Strukturen dargestellt innerhalb der Kristalle eingeschrieben. Präklinische CT-Daten wurden unter Verwendung eines microCT Scanner erworben, während der klinischen CT-Bilder aus klinischen Strahlenquellen gesammelt wurden. Vor der Weiterverarbeitung wird die klinische Bildgebung Daten dekomprimiert DICOM-Dateien über Imaging-Software konvertiert. Nachfolgende Softwareprogramme Transformation rekonstruieren DICOM-Dateien in Oberflächenkarten. Änderung dieser Oberflächenkarten und die Erzeugung von anatomischen Etikett und Maßstabsbalken sind mit Datenaufbereitung Software und Computer-Aided Design (CAD) erreicht. Abgeschlossene STL-Dateien werden reduziert und konvertiert Dateien SCAX. Nachdem die Kristallgröße und die Laserleistung eingestellt sind, werden die Dateien von einer 3D-Lasergravur-Maschine gelesen, dass die Freiform anatomische Strukturen in Kristall erzeugt.
Das oben beschriebene Verfahren kann auf verschiedene präklinische und klinische Datensätze angewendet werden. Während CT-Datensätze in diesem Projekt durchgeführt wurde, ist es möglich, dass aus anderen Bildgebungsverfahren gewonnenen Daten in Kristall sichtbar gemacht werden können, einschließlich 3D-Ultraschall (US), Magnetresonanztomographie (MRT) und Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Auch andere menschliche anatomische Strukturen und biologische Proben können in diesem Medium abgebildet und wiedergegeben werden. Allerdings müssen die Kristalle kommen in vorgegebenen Größen und Strukturen entsprechend geschnitten oder skaliert werden. Es ist ratsam, anzupassen the Geometrie des anatomischen Teils mit der Größe des Kristalls. Beispielsweise paßt ein Bein am besten in einer 5 cm x 5 cm x 8 cm Quader (Figur 4), während ein Fuß für einen 8 cm – Würfel (Figur 3) geeignet ist . Änderungen an der Größe, Schriftart und einer Dicke von Text kann in CAD-Software durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es am besten, Etiketten, um auf einer oder zwei Ebenen zu platzieren, um klar Etiketten zu lesen, ohne den Blick auf die Anatomie zu behindern, wenn der Kristall auf andere Gesichter zu drehen.
Zwei weitere Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn ssle anatomischer Daten durchführen: die Anzahl der Flächen in einer Oberfläche der Karte, und die Größe eines jeden Punktes, den Laser in den Kristall eingraviert ist. Diese Faktoren beeinflussen die Anzahl und Größe der Punkte, die einfallendes Licht absorbieren und somit potenziell erhöhen oder aus einer bestimmten ssle Visualisierung beeinträchtigen. Erstens ist die Anzahl der Flächen, die zu der Anzahl von Punkten im 3D-Raum direkt proportional ist,sowohl die Gesamtauflösung beeinflussen und „Helligkeit / Kontrast“ des angezeigten Modells. In jedem der hier vorgestellten Beispiele wurde die abgeschlossene STL-Datei ohne erkennbare Verschlechterung des resultierenden Kristallproduktes zu 100.000 Flächen verringert, und zwar unabhängig von der Größe oder Vergrößerung. Der Gesamt-Helligkeit / Kontrast war auch akzeptabel, diesen Ansatz. Der 100.000-Wert ist der sichere Bereich für den Graveur verwendet nicht die Software und Hardware zu überlasten. Jedoch in einigen Fällen können zusätzliche Flächen benötigt werden, um richtig einen bestimmten Datensatz angezeigt werden, und diese Dateien experimentell angesehen werden können, bis erfolgreich abgeschlossen. Darüber hinaus ist die Größe von jedem Punkt, der „verbrannt“ wird in den Kristall kann über die Spannung und „Dichte“ Eingangswerte des Stechers den Ausgangshelligkeitskontrast verbessern abgestimmt werden. In den vorliegenden Fällen Standardwerte von Spannung: 8,5 und Dichte: 0,2, wurden ausgewählt. Während diese Werte, um einen Ausgangspunkt darstellen, können sie in einen verändert werdenVersuch und Irrtum Mode Visualisierung von Daten zu verbessern, wie gebraucht.
Es gibt eine Reihe von Vorteilen der 3D-Kristall Gravur für die Anzeige von präklinischen und klinischen Bilddaten verwendet. Kristalle erzeugt typischerweise weniger als 30 Minuten in, während 3D – gedruckten Strukturen mehr Stunden erfordern können, abhängig von ihrer Größe und Komplexität 16, 20, 22. Die Lasergravierung , können verwendet werden , suspendierte Strukturen darzustellen , ohne die Verwendung der Unterstützung, die Erleichterung der Herstellung von komplizierten oder hängende Merkmale der Anatomie ohne 16 mit zusätzlichem Material Genauigkeit verringert wird . Mit einer Auflösung von 800-1.200 DPI und einer Genauigkeit von weniger als 10 um, diese Modelle ähneln medizinische Daten 24. Während professionelle 3D-Drucker eine ähnliche Auflösung von etwa 600 dpi in der XY und 1.600 DPI in Z haben, sind sie in der Regel weniger accurate (20-200 um) 17, 19, 20 (Tabelle 1).
3D Kristall Gravur besitzt starkes Potenzial, ist aber in einigen Bereichen eingeschränkt. Da die Daten innerhalb Kristall eingraviert ist, können Benutzer nicht eine taktile Erfahrung mit den Körperteilen haben. To-Skala sind Darstellungen schwierig zu erzeugen, wie Daten in der Regel skaliert oben oder unten in den Kristallen zu passen. Darüber hinaus kann der Laser nur in Graustufen mit minimalem Kontrast gravieren. Die Dichte der Struktur wird ebenfalls durch den Laser in der Lage ist gezwungen, die Daten zu verarbeiten. Die Gesamtstabilität der Kristalle ist ein Vorteil für potenzielle Verwendung über mehrere Jahre, aber das massive Glas auf harte Oberflächen (Tabelle 1) fällt , nicht standhalten kann.
Trotz dieser Einschränkungen 3D-Kristall Gravur hält bedeutenden Wert als Medium zur Visualisierung von biomedizinischen Daten. Beim StartMaterial und Unterstützung benötigen berücksichtigen in mit 3D-Druckern werden, diese Aspekte müssen nicht für die Lasergravur in Betracht gezogen werden. Komplexere Teile, wie der menschliche Fuß, können als Ergebnis dargestellt werden. Während die Produktionszeit erhöht sich leicht mit komplexeren Strukturen, wird kein zusätzliches Material erforderlich, und die Kosten des Modells bleibt gleich. Der Lasers Fähigkeit Glas in einer Punkt- für -Punkt – Weise zu verbrennen erzeugt Strukturen hoch definiert , dass die feinen Details der biomedizinischen Daten angezeigt werden , wie in dem gebrochenen Radius in Abbildung 2 angegeben ist . Darüber hinaus macht die Platzierung dieser Strukturen innerhalb Kristalle beständig sie nach außen Schaden. Im Gegensatz zu Feststoff auf vielen 3D-Druck-Plattformen verwendeten Kunststoffe erlauben die transluzente Glasoberflächen interne Strukturen auf einfache Art und Weise visualisiert werden. Eines der mächtigsten Werkzeuge des 3D-Kristall Gravur ist seine Fähigkeit, einzelne Teile zu bezeichnen, und auch eine Maßstabsleiste für Größe Referenz hinzuzufügen. DiesTechnik fügt wesentlichen Bildungswert zu dem Kristallen als Schüler aller Ebenen Anatomie lernen und mit klinischen Daten, zwei wertvollen Bestandteilen der biologischen und medizinischen Ausbildung, in einem Modell interagieren. In Kombination mit der Fähigkeit, sie in der Handfläche einer Hand und Sichtstrukturen in einer Vielzahl von Winkeln zu halten, verbessert die Kennzeichnung stark den pädagogischen Wert dieser Modelle. Als Ergebnis 3D gravierte Kristalle haben eine breite Anwendbarkeit für den Einsatz in der Anatomie-Kurse, die klinische Praxis und allgemeine Bildung.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken dem College of Science Sommer Wissenschaftliche Fellowship (SURF) für die finanzielle Unterstützung dieses Projekts. Die Autoren danken Prof. Glen Niebur, University of Notre Dame, für die Bereitstellung von Knochenproben (detailliert oben) in dieser Studie.
3D Laser Engraving Machine | Wuhan Synpny Laser Co., Ltd. | STNP-801AB4 | 3D Laser Engraver |
3D Slicer | Slicer | Version 4.3.1 | Surface Map Generator Program |
Albira micro CT | Bruker Corporation | Alternatively, a PET/SPECT/CT scanner can be utilized | |
Autodesk Inventor Professional 2013 | Autodesk, Inc. | 64bit edition, 2013 RTM, Build 138 | CAD program |
Clinical CT data sets | Saint Joseph Regional Medical Center | ||
MeshLab | Institute of the National Research Council of Italy (ISTI-CNR) | Volume 1.3.4 BETA | 3D Mesh Processing Program |
Netfabb Studio Basic | netfabb GmbH | Version 4.9.0 | 3D Data Prepartion Software |
Netfabb Studio Professional | netfabb GmbH | Version 5.2.1 64bit | 3D Data Prepartion Software-Professional |
OsiriX Lite Imaging Software | Pixmeo | Version 7.0.3 | DICOM Imaging Software |
PMOD | PMOD Technologies LLC | Version 3.306 | Image Processing Software |