En metodik beskrivs häri för att representera anatomiska avbildningsdata inom kristaller. Vi skapar skalas tredimensionella modeller av biomedicinska avbildningsdata för användning i Sub-Surface lasergravyr (SSLE) av kristallglas. Detta verktyg erbjuder ett bra komplement till beräknings display eller tre-dimensionellt tryckta modeller som används inom klinisk eller utbildningsmiljöer.
Biomedicinska avbildningsmetoder såsom datortomografi (CT) och magnetisk resonans (MR) ger utmärkta plattformar för uppsamling tredimensionella datauppsättningar av patienten eller preparat anatomi i kliniska eller prekliniska inställningar. Men användningen av en virtuell, på skärmen begränsar möjligheterna för dessa tomografiska bilder till fullo förmedla anatomisk information inbäddad i. En lösning är att samverka en biomedicinsk avbildning datauppsättning med 3D-utskriftsteknik för att skapa en fysisk kopia. Här har vi detaljerat en kompletterande metod för att visualisera tomografiska avbildningsdata med en handhållen modell: Sub Surface lasergravyr (SSLE) av kristallglas. SSLE erbjuder flera unika fördelar inklusive: den enkla förmåga att inkludera anatomiska etiketter samt en skala bar; strömlinjeformad flerdelad montering av komplexa strukturer i ett medium; hög upplösning i X, Y, och Z-planen; och semitransparenta skal för visualisering av inre anatomiska understrukturer. här we demonstrera processen enligt SSLE med CT datauppsättningar erhållna från prekliniska och kliniska källor. Detta protokoll kommer att fungera som en kraftfull och billig nytt verktyg för att visualisera komplexa anatomiska strukturer för forskare och studenter i ett antal utbildnings- och forskningsmiljöer.
Biomedicinska avbildningsmetoder såsom datortomografi (CT) eller magnetisk resonanstomografi (MRT) används rutinmässigt av den medicinska, forskning, och akademiska världen till icke-invasivt undersöka de interna strukturerna av humana eller biologiska objekt 1, 2, 3. I modern medicin, denna teknik möjliggör mer välgrundade diagnoser och därmed förbättrad patientbehandling 4. I synnerhet tillhandahåller CT en utmärkt möjlighet för 3-D rekonstruktion grund av dess höga upplösning och isotropiska voxel egenskaper (identisk längd av varje kubkant). 5 Vidare är mjukvarupaket finns tillgängliga som gör biomedicinska bildinformationen i tre dimensioner (3D) för högre ordningens funktioner som datorstödd kirurgi och virtuell endoskopi 6. Inom preklinisk forskning, ger icke-förstörande bild en translationell plattformsom att studera sjukdomsmodeller hos möss och råttor 7. Digitala bibliotek, såsom den biologiska databasen Digital morfologi (http://digimorph.org), har befolkat med CT-data som härrör från olika prover eller kliniska sjukdomstillstånd för lätt åtkomst av de bredare vetenskapliga och medicinska samfund 8.
För närvarande har biomedicinsk avbildning uppgifter har visualiseras i virtuella rymden på datorskärmar eller i det fysiska rummet med handhållna modeller. Även programvara tillåter användare att dissekera och manipulera data, fysiska repliker är ett trevligt komplement med utmärkt pedagogiskt fördel 9, 10. Traditionella modeller har alstrats med användning av en låg kostnad gjutningsprocess i vilken basiska formarna är fyllda med harts som hårdnar till den önskade strukturen 11. Gjutna modeller är mottagliga för billig masstillverkning, men är begränsade till grundläggandestrukturer som inte är härledda från patientens datamängder. Under de senaste fem åren har 3D tryckta kopior av människans anatomi blivit allt vanligare på grund av den höga komplexitet och ofta patientspecifika, föremål som kan genereras och visas. Dessa modeller är skapade av maskiner som deposition flytande eller smält plast i tillsatsskikt, och har bistått läkare med diagnosen, komplexa operationer, behandling av sjukdomar, protesdesign, och patient kommunikation 12, 13. Vidare omfattande tillgång till konsument kvalitet 3D-skrivare i primära, sekundära och kollegiala skolmiljöer tjänar till att öka den pedagogiska effekten av delad anatomisk modell filer 14, 15.
Sammantaget har 3D-utskrifter betydligt avancerade utvecklingen av anatomiska modeller inom medicin, men det har begränsningar. För det första skapandet av multi-delen anatomiska modeller kan vara en utmaning, eftersom ytterligare arbete krävs ofta att digitalt binda separata delar tillsammans som annars kan falla isär 16. Också, opaciteten för många 3D tryckt material, i synnerhet för konsument-grade maskiner, förhindrar visualisering av interna understrukturer som ger ytterligare insikt om ett prov på ben och mjukvävnad. Vidare, flytande eller smälta plast extrudrar begränsa upplösningen av 3D utskrifter. Extrudrarna av professionella skrivare är ungefär 50 pm i diameter och möjliggöra en skikttjocklek av 14 ^ m, med en upplösning på upp till 600 punkter per tum (DPI) i X- och Y-axlarna och 1600 DPI i Z-axeln 17, 18 . I jämförelse, konsument-grade 3D-skrivare har extrudrar som är runt 400 pm i diameter och ger en skikttjocklek av 100 ^ m och en upplösning ungefär motsvarar 42 DPI 19, <supp class = "xref"> 20. Priset varierar också avsevärt från konsument-klass till professionella skrivare 20, 21. Dessutom, höga materialkostnader förhindra industriell massproduktion från att uppnå stordriftsfördelar 22.
Sub Surface lasergravyr (SSLE), eller 3D-kristall gravyr, utnyttjar en laserstråle för att bilda små "bubblor" eller punkter med hög precision vid tusentals X, Y, koordinater Z i en styv, hög renhet, kubisk, glasmatris 23. Varje punkt är 20-40 um, vilket ger upplösning mellan 800-1200 DPI 24. Vidare varje punkt är semitransparent, vilket möjliggör visualisering av interna underordnade strukturer. Multipla, frånkopplade delar är representerade i samma kristall och ytterligare material erfordras inte för stora, intrikata strukturer. Eftersom matrisen är fast, kan anatomiska etiketter och storleksskal barer sättas för att förbättraden pedagogiska potentialen hos bilddata som visas inom. Här presenterar vi en process i vilken röntgenberäknad tomografi data (CT) är formaterade för kristall SSLE. Först kan data samlas in från kommersiella prekliniska microCT system, kliniska skannrar från röntgenavdelningar / unis, eller kommer från online-arkiv som National Biomedical Imaging Archive (https://imaging.nci.nih.gov/ncia/login.jsf ) 25 här kan vi visa detta tillvägagångssätt med får ben kärna, brutna handleden, märkt fot, och märkta benet kristaller för att illustrera förmågan att införliva både prekliniska och kliniska data anpassa storleken av anatomiska strukturer, och samordna ett strukturens geometri med kristallstorlek. Med tanke på den enkla karaktären av SSLE och redan utbredda användningen av STL-filer i 3D-utskrifter, tillverkning av märkta anatomiska kristaller ger en spännande hand handhållna visualiseringsverktyg för användning inom den akademiska och utbildnings samhällen.
Prekliniska och kliniska datamängder som förvärvats genom biomedicinska avbildningsmetoder har varit avgörande för modern forskning och medicinska framsteg. Tidigare medel för biomedicinsk datavisualisering ingår datorns bildskärm och fysiska modeller som genererats från traditionell gjutning eller modern 3D-utskrift metoder. Här beskriver vi en 3D kristall gravyr metod som ett alternativt sätt för att visualisera tomografiska biomedicinska uppgifter eftersom den genererar väldefinierade, märkta modeller på ett enkelt sätt. Dessa relativt billiga modeller kan i stor utsträckning används som pedagogiska verktyg. Utnyttjandet av kristall gravyr att korrekt representera anatomiska uppgifter ger stor potential i kliniska och utbildningsmiljöer. Förmågan att visualisera data i en fysisk, tredimensionell format övervinner begränsningarna hos traditionella utbildningsformer som använder platta bilder eller virtuella återgivningar 9. Hög upplösning av graverade strukturer och fastsättningen avetiketter till specifika synliga detaljer underlätta användningen av dessa modeller för patienten eller elev utbildning. Dessutom erbjuder denna modalitet förmåga att identifiera och observera orsaker och aspekter av sjukdomstillstånd inom ett prov. Till exempel, klassificering och lokalisering av en benfraktur, liksom den brutna handleden noteras i fig 2, ger en mer omfattande förståelse av förhållandet av sjukdomstillstånd och andra fysiskt uppenbara tecken och / eller patientsymtom.
Genom 3D kristall gravyr, ades prekliniska och kliniska CT dataset representerade som fysiska strukturer inskrivna inom kristaller. Prekliniska CT-data förvärvades med hjälp av en microCT scanner, medan kliniska CT-bilder samlades från kliniska radiologiska källor. Innan ytterligare bearbetning är klinisk bilddata konverteras till dekomprimerade DICOM-filer via bildbehandlingsprogram. Efterföljande program omvandla rekonstruerade DICOM-filer till kartor ytan. Ändring av dessa ytor kartor och generering av anatomiska etiketter och skalstänger uppnås med data förberedelse programvara och datorstödd konstruktion (CAD). Genomförda STL-filer reduceras och omvandlas till SCAX filer. Efter kristallstorleken och lasereffekt ställs in, är filer läses av en 3D-lasergravyr maskin som skapar fri form anatomiska strukturer i kristall.
Den process som beskrivs ovan kan tillämpas på olika kliniska och prekliniska datauppsättningar. Medan CT datauppsättningar genomfördes i detta projekt är det möjligt att data erhållna från andra avbildningsmetoder kan visualiseras i kristall, inklusive 3D-ultraljud (US), Magnetic Resonance Imaging (MRI), och positronemissionstomografi (PET). Likaså kan andra humana anatomiska strukturer och biologiska prov skall avbildas och representerade i detta medium. Dock kommer kristallerna kommer i förutbestämda storlekar och strukturer måste skäras eller skalas därefter. Det är lämpligt att matcha the geometrin hos den anatomiska delen med storleken hos kristallen. Till exempel, passar ett ben bäst i en 5 cm x 5 cm x 8 cm rektangulär fast (Figur 4), medan en fot är lämpad för en 8 cm kub (Figur 3). Ändringar i storlek, typsnitt, och tjockleken på text kan utföras i CAD-program. Dessutom är det bäst att placera etiketter på en eller två plan för att tydligt läsa etiketter utan att hindra utsikten av anatomin vid rotation kristallen till andra ansikten.
två ytterligare faktorer måste beaktas när man utför SSLE av anatomiska data: antalet ytor inom en yta karta, och storleken av varje punkt som är lasergraverad i kristallen. Dessa faktorer påverkar antalet och storleken på de punkter som kommer att absorbera infallande ljus och därmed potentiellt förbättra eller försämra en viss SSLE visualisering. Först antalet ansikten som är direkt proportionell mot antalet punkter i 3D-rymden,kommer att påverka både den totala upplösning och "ljusstyrka / kontrast" för den visade modellen. I vart och ett av de exempel som presenteras häri, var den färdiga STL-fil reduceras till 100.000 ansikten utan synbar nedbrytning av den resulterande kristallprodukten, oavsett storlek eller förstoring. Den totala ljusstyrka / kontrast var också acceptabelt att använda denna metod. 100.000 värdet är det säkra området för gravören som inte överbelasta den mjukvara och hårdvara. Men i vissa fall, ytterligare ansikten kan behövas för att kunna visa en viss datamängd, och dessa filer kan anses experimentell tills slutförts. Dessutom kan storleken på varje punkt som är "bränd" in i kristallen avstämmas via spänningen och "densitet" ingångsvärden på gravören för att förbättra den utgående ljushetskontrast. I förevarande fall, standardvärden av Spänning: 8,5 och densitet: var 0,2 valts. Även om dessa värden representerar en startpunkt, kan de förändras i entrial and error sätt att förbättra datavisualisering som behövs.
Det finns ett antal fördelar med att använda 3D kristall gravyr för visning av prekliniska och kliniska bilddata. Kristaller framställs vanligtvis på under 30 minuter, medan 3D tryckta strukturer kan kräva flera timmar, beroende på deras storlek och komplexitet 16, 20, 22. Lasergravering kan användas för att representera suspenderade strukturer utan användning av stöd, vilket underlättar produktionen av intrikata eller hängande funktioner av anatomin utan att minska noggrannhet med ytterligare material 16. Med en upplösning på 800-1200 DPI och en noggrannhet på mindre än 10 um, dessa modeller liknar nära medicinska data 24. Även professionell kvalitet 3D-skrivare har en liknande upplösning på ungefär 600 DPI i XY och 1600 DPI i Z, är de i allmänhet mindre accurate (20-200 ^ m) 17, 19, 20 (tabell 1).
3D kristall gravyr har stor potential, men är begränsad i några områden. Eftersom data är ingraverat inuti kristallen, kan användarna inte har en taktil upplevelse med anatomiska delar. Att skala representationer är svåra att producera eftersom data vanligtvis skalas upp eller ner för att passa in i kristallerna. Vidare kan lasern endast gravera i gråskala med minimal kontrast. Densiteten för strukturen begränsas också av lasern förmåga att bearbeta data. Den övergripande stabiliteten av kristaller är en fördel att potentiell användning under flera år, men det fasta glaset kan inte stå emot släppa på hårda ytor (Tabell 1).
Trots dessa begränsningar har 3D kristall gravyr betydande värde som ett medium för visualisering av biomedicinska data. vid startmaterial och stöd måste beaktas med 3D-skrivare, dessa aspekter behöver inte komma ifråga för lasergravyr. Mer komplexa delar, såsom den mänskliga foten, kan representeras som ett resultat. Medan produktionen tid ökar något med mer intrikata strukturer är inget ytterligare material som krävs och kostnaden för modellen är densamma. Lasern förmåga att bränna glas i en punkt-för-punkt mode producerar höggradigt definierade strukturer som uppvisar de fina detaljerna i biomedicinska uppgifter, såsom noteras i den brutna radie i figur 2. Dessutom placeringen av dessa strukturer inuti kristaller gör dem motståndskraftiga mot yttre skador. Till skillnad från fasta plaster som utnyttjas vid många 3D tryck plattformar, de genomskinliga glasytorna tillåter interna strukturer som skall visualiseras på ett rättframt sätt. En av de mest kraftfulla verktygen för 3D kristall gravyr är dess förmåga att märka enskilda delar, och även lägga till en skala bar för storlek referens. Dettateknik tillför betydande pedagogiskt värde till kristallerna som studenter på alla nivåer kan lära anatomi och interagera med kliniska data, två värdefulla komponenter av biologisk och medicinsk utbildning i en modell. I kombination med förmågan att hålla dem i en handflata och granska strukturer på en mängd olika vinklar, märkning ökar kraftigt pedagogiska värdet av dessa modeller. Som ett resultat, 3D graverad kristaller har bred tillämpbarhet för användning i anatomi kurser, klinisk praxis, och allmän utbildning.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar College of Science Summer Grundutbildning Research Fellowship (SURF) för deras ekonomiska stöd för detta projekt. Författarna vill också tacka Prof. Glen Niebur, University of Notre Dame, för att ge benprover (beskrivs ovan) som används i denna 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 |