Impressão 3D de pré-clínica de raios-X tomografia computadorizada de Conjuntos de Dados

O objetivo geral deste procedimento é criar modelos anatômicos de conjuntos de dados de TC de raios-X pré-clínicos usando a tecnologia de impressão de plástico 3D. Isso é feito colocando primeiro um rato ou camundongo em uma estação de imagem e digitalizando um modo de tomografia computadorizada de raios-x. Em seguida, os dados são reconstruídos e formatados para entrada em um dispositivo de impressão 3D comercial.

Na etapa final, a impressora extruda um modelo físico complexo de dados esqueléticos ou de tecidos moles em plástico. Em última análise, a tecnologia de impressão 3D é usada para tirar os dados da tela do computador e colocá-los na palma da mão. Tive a ideia desse método pela primeira vez quando estava trabalhando com conjuntos de dados de tomografia computadorizada de raios-x no laboratório e tomei conhecimento da tecnologia de impressão 3D em minhas aulas de engenharia aqui em Notre Dame.

A principal vantagem desta técnica em relação a outros métodos existentes, como a moldagem por injeção de plástico, é que a impressão 3D permite a criação de modelos extremamente complexos que, de outra forma, não seriam possíveis de produzir. Embora esse método possa ser usado para imprimir dados 3D de estruturas esqueléticas, ele também pode ser aplicado a sistemas de tecidos moles, como os pulmões, dando um produto final como este. Todas as imagens in vivo e ex vivo realizadas para esta demonstração de protocolo foram adquiridas usando o sistema de tomografia computadorizada de raios-X Albea, as imagens foram reconstruídas usando o algoritmo de retroprojeção filtrado via reconstrução Albea Suite 5.0 para as imagens in vivo vistas neste protocolo, um macho com rato estrela de 10 meses de idade foi escaneado enquanto totalmente anestesiado usando flúor ISO para imagens ex vivo.

Uma amostra de crânio de coelho branco da Nova Zelândia preservada em 10% de formalina foi escaneada. Essas configurações combinadas de aquisição e reconstrução produzem uma imagem final com voxels isotrópicos de 0,125 milímetros, que é considerada suficiente para análise de animais inteiros e impressão 3D de estruturas anatômicas. Observe que as características esqueléticas das tomografias computadorizadas podem ser impressas a partir dos dados brutos sem realizar segmentação.

No entanto, a segmentação de tecidos moles é necessária antes de processar esses dados para impressão 3D. Aqui um exemplo com tecido pulmonar pode ser visto A seguir, os dados devem ser convertidos do formato micro PET para DICOM. Usando o software de análise PMOD, os dados DICOM contêm valores de densidade volumétrica para cada voxel.

Então, para preparar os dados DICOM para impressão, os dados devem ser processados como uma superfície contígua em vez de uma imagem de volume, o software J versão 1.43 U pode ser usado para obter renderizações de superfície para processamento posterior. Finalmente, dois programas, o mesh lab versão 1.31 e o net fab studio basic 4.9 podem ser usados simultaneamente para remover qualquer excesso de malha, unir, desconectar malhas, reparar furos e, em seguida, suavizar a malha final. As principais diferenças entre esses dois programas são os conjuntos de ferramentas disponibilizados ao usuário e alguns aspectos do controle de navegação da interface.

Ambos são programas de software de edição de malha 3D e usá-los juntos fornece a abordagem mais fácil para editar o modelo. Certifique-se de salvar o tipo de arquivo como STL ao usar o laboratório de malha. Para imprimir o modelo de TC usando o bot do fabricante, comece abrindo o arquivo STL que foi gerado nas etapas anteriores no software replicador G.

O Replicator G é um programa de indústrias de bot de criação usado para se comunicar com a impressora no canto inferior direito do menu do software. Clique na opção de escala e selecione Preencher o espaço de construção. Em seguida, selecione girar e clique em colocar plano.

Em seguida, clique no centro para modelos com detalhes finos. Selecione também a opção de plataforma de build de preenchimento para escalar verticalmente o modelo. Em seguida, no mesmo menu, clique em mover e selecione colocar na plataforma.

Depois que a orientação adequada for alcançada, selecione gerar código G na barra de menu superior. Uma janela com opções de impressão agora aparecerá na tela. Agora selecione a extrusora que fornecerá o filamento para imprimir o objeto à esquerda ou à direita.

Use o suporte de jangada no menu suspenso intitulado Usar material de suporte. Certifique-se de selecionar a opção de suporte completo.

Em seguida, selecione gerar código G, uma caixa pop-up mostrando o progresso do código G aparecerá agora. Depois que o código G for concluído, selecione criar para file para uso com um cartão SD e salve arraste file gerado neste stage em um cartão de memória SD. Para transferência, coloque este cartão SD no bot maker.

Em seguida, use o teclado do bot maker para selecionar imprimir do SD e selecione o nome do arquivo desejado. Neste ponto, o bot maker começará automaticamente a aquecer para imprimir o objeto. Aqui podemos ver um vídeo de lapso de tempo do bot maker imprimindo o modelo 3D de um conjunto de dados CT Para realizar a impressão.

Usando o serviço online shapeways, comece criando uma conta gratuita no site da Shapeways. Em seguida, o arquivo STL gerado anteriormente pode ser carregado diretamente. Selecione um título para o arquivo carregado.

Em seguida, selecione uma unidade de medida no menu suspenso que aparece. Agora selecione o modelo de upload. Depois que o arquivo for carregado, o site levará alguns minutos para processá-lo para garantir que ele possa ser impresso.

O modelo estará disponível para impressão na página Meus modelos após cerca de 10 minutos. Na cena de exemplo aqui, a seleção flexível forte branca foi usada para imprimir estruturas esqueléticas e a seleção flexível forte roxa foi usada para imprimir o tecido pulmonar. O arquivo STL também pode ser impresso usando uma impressora tridimensional comercial de alta resolução, como a Projet HD 3000.

Para usar esse sistema, o arquivo STL precisa primeiro ser carregado no formato proprietário do sistema 3D para definir o trabalho na plataforma. Isso requer a alteração da orientação do modelo para minimizar o uso de suporte de cera e o tempo de impressão. Salve este arquivo e envie-o eletronicamente para a impressora e carregue uma plataforma de alumínio na impressora.

O projeto HD 3000 começará então a imprimir o objeto 3D como visto aqui. Depois de impresso, retire o modelo da plataforma e coloque-o em um forno a aproximadamente 73 graus Celsius. Isso derreterá a cera de suporte do modelo.

Por fim, remova cuidadosamente o objeto do forno enquanto ainda está quente e limpe-o com um lenço Kim. Isso removerá qualquer cera restante da superfície do objeto. Aqui podemos ver os produtos finais para três métodos de impressão do mesmo conjunto de dados de TC de ratos in vivo.

Todos os três modelos consistem em uma estrutura esquelética recortada e pulmões removíveis, que foram impressos de forma independente e reunidos. O modelo visto aqui é o resultado da impressora de alta resolução proje HD 3000 criada com plástico acrílico translúcido. Enquanto este objeto foi produzido usando uma empresa terceirizada, a Shapeways Incorporated, na qual a estrutura esquelética foi impressa em plástico branco de nylon 12, enquanto as estruturas respiratórias foram fabricadas em roxo, esses modelos foram impressos em escala medindo aproximadamente 11 centímetros de comprimento.

Este objeto foi feito usando o MakerBot devido aos limites de resolução do MakerBot. Este modelo foi ampliado resultando em um objeto de 21 centímetros de comprimento. Aqui vemos os produtos finais de cada método de impressão para o conjunto de dados de TC de crânio de coelho ex vivo.

Todos os três objetos foram impressos em escala e medem aproximadamente 8,5 centímetros de comprimento, e aqui vemos os produtos finais para dois métodos de impressão. Um conjunto de dados completo de TC in vivo do rato. Ambos os modelos consistem em uma estrutura esquelética completa menos a cauda e pulmões removíveis.

Esses dois modelos foram impressos em escala real. Observe que, devido aos detalhes intrincados necessários, o esqueleto completo não pôde ser impresso com o replicador de bot do fabricante. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma sólida compreensão de como usar a tecnologia de impressão 3D para criar modelos anatômicos complexos derivados de conjuntos de dados de tomografia computadorizada de raios-X.