A metodologia é aqui descrito, para a representação de dados de imagem anatómicos dentro de cristais. Criamos escalado modelos tridimensionais de dados de imagens biomédicas para utilização em Sub-Surface Laser Engraving (SSLE) de vidro de cristal. Esta ferramenta oferece um complemento útil para visualização computacional ou tridimensional modelos impressos utilizados dentro de ambientes clínicos ou educacionais.
modalidades de imagens biomédicas, como a tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) fornecem excelentes plataformas para recolher tridimensionais conjuntos de dados de paciente ou espécime anatomia em ambientes clínicos ou pré-clínicos. No entanto, o uso de um virtual, exibição na tela limita a capacidade dessas imagens tomográficas para transmitir integralmente a informações anatômicas incorporado dentro. Uma solução é a interface de dados de imagens biomédicas definidos com tecnologia de impressão a 3D para gerar uma réplica física. Aqui detalhamos um método complementar para visualizar dados de imagens tomográficas com um modelo de mão: Sub Superfície Laser Engraving (SSLE) de vidro de cristal. SSLE oferece vários benefícios exclusivos, incluindo: a capacidade fácil para incluir etiquetas anatômicas, bem como uma barra de escala; a montagem de várias partes simplificada de estruturas complexas numa forma; alta resolução no plano X, Y, Z e aviões; e conchas semi-transparentes para visualização de subestruturas anatômicas internas. aqui we demonstrar o processo de SSLE com conjuntos de dados CT derivados de fontes pré-clínicos e clínicos. Este protocolo vai servir como um poderoso e barato nova ferramenta com a qual a visualização de estruturas anatômicas complexas para cientistas e estudantes em uma série de ambientes educacionais e de pesquisa.
Modalidades biomédicas de imagem, como tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM) são rotineiramente utilizadas pelas comunidades médica, de pesquisa e acadêmicas para examinar de forma não invasiva as estruturas internas de seres humanos ou biológicos 1 , 2 , 3 . Na medicina moderna, esta tecnologia possibilita diagnósticos mais esclarecidos e, conseqüentemente, melhora o tratamento do paciente 4 . Em particular, a CT proporciona uma excelente oportunidade para a reconstrução 3-D devido à sua alta resolução e propriedades de voxel isotrópico (comprimento idêntico de cada borda de cubo). Além disso, estão disponíveis pacotes de software que fornecem dados biomédicos de imagem em três dimensões (3D) para funções de ordem superior, como cirurgia assistida por computador e endoscopia virtual 6 . Dentro da pesquisa pré-clínica, a imagem não destrutiva fornece uma plataforma de translaçãoem que a estudar modelos de doença em ratinhos e ratos 7. Bibliotecas digitais, tais como o banco de dados biológica Morfologia Digital (http://digimorph.org), foram preenchidos com dados CT derivadas de diferentes amostras ou estados de doença clínicos para pronto acesso pelas comunidades científicas e médicas mais amplas 8.
Neste momento, os dados de imagens biomédicas foi visualizado no espaço virtual em telas de computador, ou no espaço físico com modelos portáteis. Embora o software de computador permite que os usuários para dissecar e manipular dados, réplicas físicas são um bom complemento com excelente benefício educacional 9, 10. Os modelos tradicionais foram gerados utilizando um processo de fundição de baixo custo em que moldes básicos são preenchidos com resina, que endurece na estrutura desejada 11. modelos fundidos são passíveis de produção em massa barato, mas estão limitados a básicoestruturas que não são derivados a partir de conjuntos de dados dos pacientes. Nos últimos cinco anos, 3D impressa réplicas da anatomia humana tornaram-se cada vez mais predominante devido à alta complexidade, e muitas vezes específicas do paciente, de objectos que podem ser gerados e exibidos. Estes modelos são criados por máquinas que o depósito de líquido ou de plástico fundido em camadas de aditivo, e têm assistido médicos com diagnósticos, cirurgias complexas, o tratamento de doenças, desenho protético, e comunicação com o paciente 12, 13. Além disso, a ampla disponibilidade de impressoras 3D consumidor da classe em contextos do ensino primário, secundário e colegial serve para aumentar o impacto pedagógico do modelo anatômico arquivos compartilhados 14, 15.
No geral, a impressão 3D tem avançado consideravelmente o desenvolvimento de modelos anatômicos dentro da medicina, mas ele tem limitações. Em primeiro lugar, a criação de múltiplosmodelos anatômicos -parte pode ser um desafio desde o trabalho adicional é muitas vezes necessária para ligar digitalmente peças separadas juntos que de outra forma desmoronar 16. Além disso, a opacidade de muitos materiais impressos em 3D, em especial para máquinas de grau consumidor, impede a visualização de sub-estruturas internas adicionais que proporcionam uma visão sobre o osso de um espécime e dos tecidos moles. Além disso, extrusoras de plástico líquido ou fundido restringir a resolução de impressão em 3D. As extrusoras de impressoras profissionais são de aproximadamente 50 mm de diâmetro e permitir uma espessura de camada de 14? M, com uma resolução de até 600 pontos por polegada (DPI) no eixo X e Y e 1,600 de PPP no eixo Z 17, 18 . Em comparação, as impressoras 3D nível consumidor tem extrusores que são cerca de 400 um de diâmetro e dão uma espessura de camada de 100 um e uma resolução de mais ou menos equivalente a 42 DPI 19, <s-se class = "xref"> 20. O preço também varia substancialmente de consumidor-grade para impressoras profissionais 20, 21. Além disso, os custos de material elevados evitam a produção industrial em massa de realizar economias de escala 22.
Sub superfície gravação a laser (SSLE), ou gravura de cristal em 3D, utiliza um feixe de laser para formar pequenas "bolhas" ou pontos com alta precisão em milhares de X, Y, Z coordenadas dentro de um rígida de elevada pureza,, matriz cúbico, de vidro 23. Cada ponto é de 20-40? M, que produz resolução entre 800-1200 DPI 24. Além disso cada ponto é semitransparente, permitindo a visualização de sub-estruturas internas. Várias partes desconexas, estão representados na mesma cristal e material adicional não é necessária para grandes estruturas, intrincadas. Uma vez que a matriz é sólido, marcadores anatómicos e barras de escala de tamanho podem ser adicionados para melhoraro potencial educativo dos dados de imagem exibidos dentro. Aqui apresentamos um processo no qual a tomografia computadorizada por raios X de dados (gp) são formatado para SSLE cristal. Primeiro, os dados podem ser recolhidos a partir de sistemas microCT pré-clínicos comerciais, scanners clínicos de departamentos de radiologia / unis, ou provenientes de repositórios online, como a Imagem Biomédica Arquivo Nacional (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 Aqui demonstramos esta abordagem com núcleo ovelhas osso, pulso fracturado, pé marcado, e cristais de pernas marcadas para ilustrar a capacidade de incorporar ambos os dados pré-clínicos e clínicos, ajustar a escala de estruturas anatómicas, e coordenar a geometria de uma estrutura com a dimensão do cristal. Dada a natureza facile de SSLE e uso já disseminado de arquivos STL em impressão 3D, a fabricação de cristais anatômicas rotuladas fornece uma, segurava a mão mão ferramenta de visualização emocionante para uso dentro das comunidades acadêmicas e de educação.
conjuntos de dados pré-clínicos e clínicos adquiridos através de modalidades de imagens biomédicas têm sido fundamentais para a pesquisa moderna e avanços médicos. meios anteriores de visualização de dados biomédica incluído tela do computador e modelos físicos gerados a partir de fundição tradicional ou modernas abordagens de impressão 3D. Aqui nós descrevemos um método de cristal gravura 3D como um meio alternativo para a visualização de dados biomédicos tomográficas uma vez que gera bem definidos modelos, rotulados de uma forma simples. Estes modelos relativamente baratos podem ser amplamente utilizados como ferramentas educacionais. A utilização de gravura de cristal para representar com precisão dados anatômicos lhe confere um elevado potencial em ambientes clínicos e educacionais. A capacidade de visualizar dados em um formato físico, tridimensional supera as limitações das formas tradicionais de educação usando imagens planas ou representações virtuais 9. Alta resolução de estruturas gravadas e a fixação deetiquetas para características visíveis específicas facilitar o uso desses modelos para a educação do paciente ou estudante. Além disso, essa modalidade oferece a capacidade de identificar e observar causas e aspectos de estados de doença dentro de um espécime. Por exemplo, a classificação e a localização de uma fractura óssea, tal como o pulso fracturado observado na Figura 2, proporciona uma compreensão mais completa da relação de estados de doença e outros sinais aparentes fisicamente e / ou sintomas do paciente.
Através de gravura de cristal 3D, conjuntos de dados CT pré-clínicos e clínicos foram representados como estruturas físicas inscritas dentro de cristais. Dados pré-clínicos CT foram adquiridos usando um scanner microCT, enquanto as imagens clínicos CT foram recolhidas a partir de fontes radiológicos clínicos. Antes de mais processamento, os dados de imagem clínica é convertido para arquivos DICOM descompactados via software de imagem. programas de software posteriores transformar arquivos DICOM reconstruídas em mapas de superfície. Alteração destes mapas de superfície e geração de rótulos e barras de escala anatômica são realizadas com software de preparação de dados e desenho assistido por computador (CAD). arquivos STL concluídas são reduzidos e convertidos para SCAX arquivos. Depois do tamanho do cristal e potência do laser são definidos, os arquivos são lidos por uma máquina de gravação a laser 3D que cria as estruturas anatômicas de forma livre em cristal.
O processo descrito acima pode ser aplicado a vários conjuntos de dados clínicos e pré-clínicos. Embora os conjuntos de dados de CT foram implementadas neste projecto, é possível que os dados obtidos a partir de outras modalidades de imagem podem ser visualizados em cristal, incluindo a ultra-som 3D (EUA), Imagem por Ressonância Magnética (MRI), e Positron Emission Tomography (PET). Além disso, outras estruturas anatómicas humanas e espécimes biológicos pode ser representada por imagem e representadas neste meio. No entanto, os cristais têm tamanhos e estruturas predeterminadas terá de ser cortado ou dimensionado em conformidade. É aconselhável para coincidir com the geometria da peça anatômica com o tamanho do cristal. Por exemplo, uma perna melhor se encaixa numa atmosfera de 5 cm x 5 cm x 8 cm sólido rectangular (Figura 4), enquanto que um pé é adequado para um cubo de 8 centímetros (Figura 3). Alterações no tamanho, fonte, ea espessura do texto pode ser realizado em software CAD. Além disso, é melhor colocar rótulos em um ou dois planos, a fim de ler claramente rótulos sem obstruir a visão da anatomia quando girar o cristal para outros rostos.
Dois outros factores devem ser considerados quando se realiza SSLE de dados anatómica: o número de caras dentro de um mapa da superfície, e o tamanho de cada ponto que é gravada a laser no cristal. Esses fatores afetam o número eo tamanho dos pontos que irão absorver a luz incidente e, portanto, potencialmente aumentam ou diminuem a partir de uma dada visualização SSLE. Primeiro, o número de faces, que é diretamente proporcional ao número de pontos no espaço 3D,vai influenciar tanto a resolução global e "Brilho / Contraste" do modelo apresentado. Em cada um dos exemplos aqui apresentados, o ficheiro STL completada foi reduzida para 100.000 rostos sem aparente degradação do produto cristal resultante, independentemente do seu tamanho ou ampliação. O brilho / contraste geral também era aceitável utilizando esta abordagem. O valor 100.000 é o intervalo seguro para o gravador usado para não sobrecarregar o software e hardware. No entanto, em alguns casos, rostos adicionais podem ser necessários para exibir corretamente um determinado conjunto de dados, e estes arquivos podem ser considerados experimentais até concluída com êxito. Além disso, o tamanho de cada ponto que é "queimado" para o cristal pode ser ajustado através da voltagem e "densidade" valores de entrada do gravador para melhorar o contraste de brilho de saída. Nos presentes processos, os valores padrão de Voltagem: foram seleccionados 0,2: 8,5 e densidade. Embora estes valores representam um ponto de partida, que pode ser alterado de umaTentativa e erro para melhorar a visualização de dados conforme necessário.
Há uma série de vantagens da utilização de gravura de cristal 3D para a exibição de dados de imagens pré-clínicas e clínicas. Cristais são normalmente produzidos em menos de 30 minutos, enquanto 3D estruturas impressas podem exigir várias horas, dependendo do seu tamanho e complexidade 16 , 20 , 22 . A gravação a laser pode ser usada para representar estruturas suspensas sem o uso de suporte, facilitando a produção de características intrincadas ou pendentes da anatomia sem reduzir a precisão com material adicional 16 . Com uma resolução de 800-1.200 DPI e uma precisão inferior a 10 μm, estes modelos assemelham-se aos dados médicos 24 . Enquanto as impressoras 3D de grau profissional têm uma resolução semelhante de aproximadamente 600 DPI no XY e 1.600 DPI no Z, elas são geralmente menos accura (20-200 pm) 17, 19, 20 (Tabela 1).
gravura cristal 3D possui forte potencial, mas é limitada em algumas áreas. Como os dados são gravados dentro de cristal, os usuários não podem ter uma experiência tátil com as partes anatômicas. Para escala representações são difíceis de produzir como os dados são tipicamente ajustados para cima ou para baixo para se encaixar nos cristais. Além disso, o laser só pode gravar em escala de cinza com um contraste mínimo. A densidade da estrutura também é limitada pela capacidade do laser para processar os dados. A estabilidade global de cristais é uma vantagem para o uso potencial durante vários anos, mas o vidro sólido pode não resistir a cair em superfícies duras (Tabela 1).
Apesar destas limitações, gravura de cristal 3D mantem um valor significativo como um meio para a visualização de dados biomédicos. Apesar de começarapoio material e precisam ser levados em conta com impressoras 3D, esses aspectos não precisa ser considerado para gravação a laser. peças complexas mais, como o pé humano, pode ser representado como um resultado. Embora o tempo de produção aumenta ligeiramente com estruturas mais complexas, sem material adicional é necessário e o custo do modelo permanece o mesmo. A capacidade do laser para queimar vidro de uma maneira ponto-a-ponto produz estruturas que mostrar os detalhes de dados biomédicos, como observado no raio quebrado na Figura 2 de alta definição. Além disso, a colocação destas estruturas no interior dos cristais torna resistente aos danos do lado de fora. Ao contrário de plásticos sólidos utilizados em muitas plataformas de impressão em 3D, as superfícies de vidro translúcido permitir estruturas internas a ser visualizada de uma forma simples. Uma das mais poderosas ferramentas de gravura 3D de cristal é a sua capacidade para identificar partes individuais, e também adicionar uma barra de escala para referência de tamanho. estetécnica adiciona valor educativo substancial para os cristais como estudantes de todos os níveis podem aprender anatomia e interagir com dados clínicos, dois componentes valiosos da educação biológica e médica, em um modelo. Combinado com a capacidade de mantê-los na palma de uma mão e visualizar estruturas em uma variedade de ângulos, rotulagem reforça significativamente o valor educacional destes modelos. Como resultado, cristais 3D gravado tem ampla aplicabilidade para uso em cursos de anatomia, prática clínica e educação geral.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos ao College of Science Verão Graduação Research Fellowship (SURF) pelo apoio financeiro deste projecto. Os autores também agradecer ao Prof. Glen Niebur, da Universidade de Notre Dame, para fornecer amostras de osso (detalhado acima) utilizados neste estudo.
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 |