Ringraziamo calorosamente la Nanovic Istituto di studi europei, la famiglia Glynn Honors Program, Notre Dame Integrated Facility Imaging (NDIIF) e Carestream Health per il sostegno finanziario per questo progetto. La ricerca sullo sviluppo coniglio cranica supportato da NSF BCS-1029149 a MJR.

1. Animali <ol><li> Per i risultati di seguito riportati, un maschio Lobund-ratto Wistar di dieci mesi di età è stato ottenuto dalla vita Freimann Science Center, University of Notre Dame (Notre Dame, Indiana, USA). Un ex vivo New Zealand White Rabbit (Uomo, età = 8 settimane) campione cranio, conservato in formalina al 10%, è stato ottenuto dal laboratorio del Prof. Matteo Ravosa, Università di Notre Dame. </li><li> Per imaging in vivo, il ratto è stato anestetizzato da isofluorano (portata 2,5%) con manutenzione tramite un naso-cone sistema. L&#39;animale è stato posizionato prono sul letto ratto standard (M2M Imaging Inc., Cleveland, Ohio) in dotazione con la stazione immagine Albira. Gli arti sono stati posizionati laterale dal tronco di una acquisizione uniforme CT. </li><li> Dopo l&#39;acquisizione dell&#39;immagine è stata completata, il ratto è stato rimosso dal cono e restituito alla gabbia recupero fino ambulatoriale. </li><li> Per le scansioni del cranio coniglio, il campione è stato collocato nel letto rattoin un sacchetto di plastica sigillato contenente formalina. </li></ol> 2. Acquisizione di immagini e la ricostruzione <ol><li> In vivo ed ex acquisizioni Immagine Vivo sono stati effettuati utilizzando il sistema Albira CT (Carestream Molecular Imaging, Woodbridge, CT). Il sistema è stato impostato per eseguire la scansione di un letto di 180 mm di lunghezza, eseguendo tre scansioni circolari (600 proiezioni per scansione), ognuna con un 65 mm FOV, che vengono poi cuciti insieme durante la ricostruzione. La sorgente di raggi X è stata impostata una corrente di 400 μA e tensione di 45 kVp, e usato un 0,5 mm Al filtro per indurire il fascio. Approssimativo equivalente dose di radiazioni profondo per le impostazioni TC è risultata di 660 mSv, e la dose equivalente bassa era 1.171 mSv. Queste dosi sono più di 10 volte inferiore a quello riportato valori della DL50. </li><li> Le immagini vengono ricostruite utilizzando il (proiezione di fondo filtrata) FBP algoritmo tramite la Suite Albira 5,0 Reconstructor con &quot;Standard&quot; parametri. Queste impostazioni di acquisizione combinata e produrre una ricostruzione final immagine con 0,125 millimetri voxel isotropico, ritenuto sufficiente per l&#39;analisi animale e la stampa 3D delle strutture anatomiche. </li></ol> 3. Elaborazione dei dati <ol><li> Caratteristiche scheletriche da TC possono essere stampati dai dati grezzi senza segmentazione. Tuttavia, la segmentazione dei tessuti molli è necessario prima di elaborare i dati per la stampa 3D. Qui vi mostriamo un esempio con tessuto polmonare. <ol><li> Apri MicroPET originale (formato dei dati per tutte le modalità relative al sistema Albira Imaging) file </li><li> Disegnare un volume di interesse (VOI) attorno al mouse in modo che tutto lo spazio esterno viene rimosso. </li><li> Sotto &#39;Maschera esterni selezionati VOI&#39; la &#39;VOI Strumenti&#39; scheda selezionare e impostare il valore di mascheramento di -1.000 unità Hounsfield (HU, scala radiodensity per CT), che effettivamente impostare lo spazio esterno al valore di densità CT dell&#39;aria. </li><li> Con tutto lo spazio esterno rimosso, nella scheda &quot;Strumenti&quot;, selezionare &#39;estero,&#39; quindi fare clic su discesafreccia e selezionare &#39;segmentazione&#39; </li><li> Imposta intervallo per -550 a -200 e fare clic su &#39;Ok&#39;. </li><li> Se il file è molto grande, selezionare la scheda &quot;Strumenti&quot;, selezionare &#39;Reduce&#39; ed eseguire il programma </li><li> Salva come analizzare il file </li></ol></li><li> I dati devono essere prima convertiti in formato DICOM utilizzando PMOD (PMOD Technologies LTD, Zurigo, Svizzera), il software di analisi. <ol><li> Aprire il pacchetto di elaborazione PMOD Software per immagini. </li><li> Lungo la riga superiore, selezionare la scheda Visualizza. </li><li> Nella barra degli strumenti in basso a destra mano, fare clic sulla freccia verso il basso Database etichettati sotto carico. </li><li> Selezionare MicroPET per i dati grezzi CT, o Analizza per il polmone segmentato. </li><li> Selezionare il file appropriato e fare clic su Aggiungi alla selezione. </li><li> Fare clic su Apri. </li><li> Nella barra degli strumenti in basso a destra mano, fare clic verso l&#39;altofreccia sotto Salva. </li><li> Da questo menu, selezionare il tipo di file DICOM. </li><li> Assegnare un nome al file e selezionare Salva. </li><li> Chiudere PMOD. </li></ol></li><li> DICOM dati contiene valori di densità volumetriche per ogni voxel. Per stampare questi dati, deve essere trattato in superficie contigua al posto di un volume. ImageJ v1.43u saranno utilizzati per ottenere rappresentazioni superficiali per un&#39;ulteriore elaborazione. <ol><li> Apri ImageJ Immagine software di elaborazione </li><li> Selezionare&gt; Importa file. </li><li> Selezionare Sequenza immagini. </li><li> Individuare il file che contiene il DICOM appena creato e selezionarlo. </li><li> Selezionare Plug-in&gt; 3D&gt; 3D Viewer. </li><li> Due finestre appariranno, il visualizzatore 3D apparirà una finestra e ADD. </li><li> In Visualizzazione come nel volume ADD finestra cambianoalla superficie. </li><li> Modificare il valore predefinito di Soglia a 210. </li><li> Fare clic su OK. </li><li> Nella barra del menu 3D Viewer, selezionare File&gt; Esporta come superfici WaveFront&gt;. </li><li> Assegnare un nome al file e fare clic su Salva. </li></ol></li><li> Due programmi, MeshLab v1.3.1 e Netfabb Studio di base 4.9, sarà contemporaneamente rimuovere eventuali maglie in eccesso, si uniscono reti sconnesse, fori di riparazione, e lisciare la mesh finale. Le principali differenze tra questi due programmi sono lo strumento imposta reso disponibile per l&#39;utente, e parte del controllo dell&#39;interfaccia di navigazione. Sono entrambi in mesh 3D programmi software di editing, e il loro uso fornisce insieme l&#39;approccio più semplice per la modifica del modello. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /> indica che queste azioni dovrebbero essere eseguite in MeshLab v1.3.1 <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /> indica che queste azioni dovrebbero essere eseguite in Netfabb Studio di base 4,9 <ol><li> Per importare maglie in software di editing: <ol><li> Aprire MeshLab v1.3.1 <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Dalla barra dei menu selezionare File&gt; Nuovo progetto vuoto. </li><li> SELCT File&gt; Importa Mesh. </li><li> Selezionare il file e fare clic su Apri. </li><li> Una volta che il file è caricato, una finestra di dialogo si aprirà. Mantenere Unificare vertici duplicati controllati, premere OK. <ol><li> Aprire Netfabb Studio di base 4.9. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Trascinare il file desiderato direttamente sullo schermo Netfabb Studio di base. </li></ol></li></ol></li><li> Per rimuovere maglia indesiderati dalla superficie: <ol><li> Dalla barra dei menu in MeshLab, selezionare Filtri&gt; Pulizia e manutenzione&gt; Rimuovi pezzi isolati (diametro WRT). <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Rimuovere isolate componenti collegati il ​​cui diametro è più piccolo del costante indicata. Inserisci un diametro massimo per questi componenti e fare clic su Applica. </li><li> A poco a poco, aumentare il diametro massimo per rimuovere grandi pezzi. Fare clic su Applica dopo ogni modifica diametro. </li></ol></li><li> Per partecipare a pezzi scollegati, i fori devono essere tagliate nelle maglie attuali nelle posizioni desiderate di un nuovo legame, e un ponte di rete must essere costruito tra. <ol><li> Utilizzare lo strumento di selezione, strumento settimo da sinistra nella barra dei menu, per selezionare i pezzi di rete che saranno tagliati fuori. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Elimina pezzi selezionati di rete con il pulsante Elimina Faces, lo strumento di terzo da sinistra nella barra dei menu. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. </li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina, Il quarto strumento da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, tredicesimo da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li></ol> Opzionale: alcuni triangoli creati può essere l&#39;orientamento errato. La seguente procedura può essere utilizzata per riorientare questi triangoli. <ol><li> Selezionare il pulsante selezionato flip Triangoli. </li><li> Clicca su una qualsiasi triangoli disorientati per ruotare tutti i triangoli nella direzione corretta. </li></ol></li><li> Acrateri riparazione e fori, fori intere e crateri devono essere rimossi e ponti devono essere costruiti su ciascun lato della maglia. <ol><li> Fare clic sullo strumento di selezione. <img alt="Icona 1" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg" /></li><li> Selezionare il cratere o un buco da riempire. </li><li> Fare clic sul pulsante Elimina Faces. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina </st<html> rong&gt;, lo strumento quarto da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, tredicesimo da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li></ol></li><li> Laplaciano smoothing, l&#39;algoritmo di livellamento in MeshLab, viene utilizzato per agevolare il oggetto preservando l&#39;integrità strutturale del modello. <ol><li> Naviga Filtri&gt; Smoothing&gt; Carena e deformazione&gt; laplaciano Smooth.iles/ftp_upload/50250/50250icon1.jpg &quot;/&gt; </li><li> Selezionare un numero di iterazioni lisciatura. Più iterazioni si tradurrà in un modello uniforme, ma ogni iterazione degrada lentamente il volume del modello, che può risultare in pezzi sconnessi e spigoli vivi. 1-5 iterazioni sono raccomandati. </li><li> Premere OK. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file e modificare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li><li> Trascina questo nuovo file in Netfabb. <img alt="Icon 2" fo:src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50250/50250icon2.jpg" /></li><li> Nel menu in alto, selezionare Ripristina, il quarto strumento da sinistra. </li><li> Selezionare lo strumento Aggiungi triangoli, thirteenth da sinistra. </li><li> Clicca su un bordo aperto (che sarà giallo) su un lato e poi su un bordo aperto sull&#39;altro pezzo. Creare ponti 5-10 tutto il divario. </li><li> Selezionare il pulsante di ripristino automatico in basso a destra </li><li> Evidenziare riparazione predefinito. </li><li> Fare clic su Esegui. </li><li> Premere Annulla dopo la riparazione è stata eseguita. </li><li> Dalla barra dei menu, selezionare File&gt; Esporta come mesh. </li><li> Assegnare un nome al file finale e cambiare il tipo di file STL. </li><li> Premere Salva. </li><li> Una finestra di dialogo con le opzioni di salvataggio apparirà, premere OK. </li></ol></li></ol></li></ol> 4. Stampa <ol><li> Stampa con la MakerBot <ol><li> Aprire il file STL in ReplicatorG. ReplicatorG è un programma MakerBot Industries utilizzato per comunicare con il MakerBot. </li><li> Fare clic su Scala nel menu in basso a destra e selezionare a mano riempire lo spazio di costruzione! </li><li> Selezionare Ruota e fare clic su Lay Flat. </li><li> Fare clic su Centro. </li><li> Per i modelli con dettagli, selezionare riempire costruire la piattaforma di scalare fino modello. </li><li> Dallo stesso menu, fare clic su Sposta e selezionare Mettere sulla piattaforma. </li><li> Una volta che il corretto orientamento è stato raggiunto, selezionare Genera gcode dalla barra dei menu in alto. * Una finestra con le opzioni di stampa apparirà. </li><li> Selezionare l&#39;estrusore che fornirà il filamento per stampare l&#39;oggetto (sinistra o destra). </li><li> Selezionare Usa Raft / Assistenza. </li><li> Dal menu a discesa Supporto dirittosostegno materiale e, selezionare Supporto completo. </li><li> Selezionare Genera gcode. Una finestra pop-up che mostra il progresso del gcode apparirà. </li><li> Una volta che il gcode è stata completata, selezionare Crea un file per l&#39;utilizzo con scheda SD. </li><li> Fare clic su Salva. </li><li> Trascinare il file su una scheda SD. </li><li> Inserire la scheda SD nel MakerBot e utilizzando il tastierino di selezione Stampa MakerBot da SD. </li><li> In Stampa da SD, selezionare il nome del file desiderato. Il MakerBot inizierà automaticamente a warm-up per stampare l&#39;oggetto. </li></ol></li><li> Shapeways stampa <ol><li> Dopo aver creato un account gratuito con Shapeways, il file STL possono essere caricati direttamente sul sito Shapeways: <a href="http://www.shapeways.com/upload/" target="_blank">http://www.shapeways.com/upload/</a> </li><li> Fare clic su Carica e selezionare il STLfile. </li><li> Selezionare un titolo per il file caricato. </li><li> Selezionare un&#39;unità di misura dal menu a discesa. </li><li> Fare clic su Carica modello. </li><li> Il file è ora pronto per la stampa attraverso Shapeways. Una volta che il file è stato caricato Shapeways richiederà qualche minuto per elaborare il file per essere sicuri che si può effettivamente essere stampato. Sarete in grado di stampare il modello dalla pagina &quot;I miei modelli&quot; dopo una decina di minuti. </li><li> Il &quot;bianco forte e flessibile&quot; selezione è stata utilizzata per stampare strutture scheletriche, mentre &quot;viola flessibile forte&quot; è stato usato per il tessuto polmonare. </li></ol></li><li> ProJet HD 3000 stampa <ol><li> Il file STL possono essere stampati anche utilizzando uno spot ad alta risoluzione tridimensionale della stampante, come la HD ProJet 3000 (Springboard Engineering Solutions LLC, Innovation Park, Notre Dame, IN, USA). </li><li> Il file STL viene caricato nel software 3D sistemi proprietari a disposizione il lavoro sulla piattaform. Questo richiede la modifica dell&#39;orientamento del modello intorno a minimizzare l&#39;uso del supporto cera e tempo di stampa. Questo file viene salvato. </li><li> Il lavoro viene poi elettronicamente inviato alla stampante. </li><li> Una piattaforma di alluminio viene caricato nella stampante e il ProJet HD 3000 inizia a stampare l&#39;oggetto. </li><li> Il modello viene quindi rimosso dalla piattaforma e messo in un forno a circa 73 ° C per sciogliere la cera supporto dal modello. </li><li> L&#39;oggetto viene rimosso caldo e pulito con un Kimwipe per rimuovere la cera rimanente superficie. </li></ol></li></ol>

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Matthew W. Leevy è consulente per Carestream Molecular Imaging. Brian Stamile è un tecnico di supporto per le industrie MakerBot.

X-ray CT set di dati di un topo vivo Lobund-Wistar e un ex vivo Nuova Zelanda cranio coniglio bianco sono state utilizzate per dimostrare la fattibilità della produzione di oggetti 3D da dati biologici pre-clinici. I modelli sono stati generati utilizzando tre fonti differenza: 1) Il popolare MakerBot Replicator, 2) La terza parte dell&#39;azienda Shapeways Inc, e 3) L&#39;alta qualità commerciale ProJet HD 3000. Ogni stampante è in grado di generare oggetti che soddisfatto l&#39;obiettivo principio di una maggiore visualizzazione dei dati. Durante il processo di stampa di dati pre-clinici CT, i vantaggi e gli svantaggi di ciascun metodo di stampa sono stati accertati e riassunti per l&#39;utente finale. Il MakerBot Replicator è un poco costoso ($ 1.750) soluzione di banco che è accessibile a qualsiasi laboratorio di tutto il mondo. E &#39;in grado di stampare in diversi colori con ingressi a basso costo (una TAC ratto con i polmoni utilizzati circa $ 3,50 in plastica). Tuttavia, il MakerBot è limitato dalla risoluzione,e quindi alcuni modelli dovranno essere ingrandite per estrusione corretta e visualizzazione di struttura intesa. Shapeways Inc. fornisce un numero eccezionale di selezioni in materia di colore e materiale. I modelli sono ad alta risoluzione, e robusto. Anche se i loro prezzi sono di circa 10 volte superiore alla MakerBot su base unitaria (TA ratto con polmoni era 41,61 dollari), un utente può eseguire un numero limitato di posti di lavoro ed evitare il costo iniziale per l&#39;acquisto di una stampante. Le due settimane di tempo di consegna da Shapeways è uno svantaggio minore. Il ProJet HD 3000 fornito modelli di punta in termini di risoluzione e la forza. Siamo stati fortunati a contrarre la stampa dei nostri oggetti in HD ProJet 3000 a Innovation Park a Notre Dame (circa $ 30 per un CT ratto con polmoni per manodopera e materiali). Gli utenti possono avere difficoltà con accesso a questo tipo di apparecchiature come espresso nella gamma di $ 80.000, ed è ingombrante per stampare con più colori pure. Dal momento che ogni strumento / produttorefornisce una metrica diversa per descrivere la risoluzione per la stampa di oggetti (livello minimo di dettaglio Shapeways = 0,2 mm, spessore minimo delle pareti = 0,7 mm, 5 spessore di strato MakerBot = 0,2-0,3 mm con un ugello di 0,4 mm, 6 ProJet HD 3000 DPI = 656 x 656 x 800 con una precisione di 0,025-0,05 mm), una valutazione qualitativa di risoluzioni relative tra ogni sistema suggerisce che entrambi Shapeways e il sistema ProJet HD in grado di stampare in alto dettaglio in scala, mentre alcuni oggetti devono essere ampliata per l&#39;utilizzo con successo la MakerBot. Collettivamente, tutti e tre i metodi sono ecologici e fornire un mezzo conveniente per raggiungere la produzione facile di estremamente dettagliate pre-clinici raggi X modelli CT. Conclusione A poco a poco, la tecnologia di stampa 3D è diventata più accessibile come i costi e la complessità sono stati ridotti al minimo. 8, 9 Ora, letteralmente chiunque può stampare ad alta risoluzione, oggetti tridimensionali a partire da scavofile ital. Queste modalità di oggetti tridimensionali possono essere strumenti utili sia per gli educatori e ricercatori. Inoltre, forniscono un mezzo di comunicazione visivo che consente di raggiungere una comprensione più chiara. 10 Per esempio, i ricercatori medici possono utilizzare campioni o paziente-specifici modelli per migliorare la comunicazione e la comprensione con i loro colleghi e pazienti 11. Anche se la rappresentazione sugli schermi 2D ha percorso una lunga strada, non c&#39;è assolutamente alcun sostituto per l&#39;esperienza visiva e sensoriale del possesso di un oggetto reale che è in grado si terrà, ruotato, esaminato e spostati. Un modello accoppiato con una rappresentazione di dati elettronico è ancora più potente in quanto permette ai ricercatori di esaminare l&#39;oggetto fisico per le regioni di interesse, e di trovare le aree su un modello al computer per ulteriori analisi quantitativa. Con un&#39;adeguata raccolta di dati, il rendering di superficie, e la modifica stereolitografica, è possibile produrre rapidamente dettagliata, relatiVely modelli economici da X-ray dati CT. Qui, forniamo una dettagliata, passo dopo passo metodo per la produzione di un modello tridimensionale di dati pre-clinici per piccoli animali raccolti con una radiografia micro-CT. Abbiamo acquisito la nostra in vivo e ex vivo CT set di dati utilizzando una stazione immagine Albira, ed eseguito successiva lavorazione con PMOD, ImageJ, MeshLab e pacchetti software Netfabb. Infine, si forniscono le istruzioni dettagliate per consentire la stampa tridimensionale modello con una vasta gamma di soluzioni commerciali. In ogni caso, il risultato finale è un modello che fornisce un unico, portatile, manifestazione fisica dei dati acquisiti tomografici che normalmente si limita ad un monitor.

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> Programmi obbligatori <ol><li> Albira Immagine Acquirer </li><li> PMOD </li><li> ImageJ </li><li> MeshLab </li><li> Netfabb </li><li> ReplicatorG </li></ol></td></tr></tbody></table>

3d printing of preclinical x-ray computed tomographic data sets

Tridimensionale permette la stampa per la produzione di oggetti altamente dettagliati attraverso un processo noto come produzione di additivi. Tradizionali, stampo iniezione metodi per creare modelli o parti hanno diverse limitazioni, il più importante dei quali è una difficoltà nella realizzazione di prodotti altamente complessi in modo tempestivo, economicamente efficace. 1 Tuttavia, il graduale miglioramento tridimensionale tecnologia di stampa hanno portato in entrambi gli strumenti di fascia alta e l&#39;economia che sono ora disponibili per la produzione di modelli personalizzati facile. 2 Queste stampanti sono in grado di estrudere gli oggetti ad alta risoluzione con dettaglio sufficiente a rappresentare con precisione le immagini in vivo generate da un X-ray preclinica scanner CT . Con una corretta raccolta dei dati, il rendering di superficie, e la modifica stereolitografica, è ora possibile e poco costoso da produrre rapidamente dettagliate strutture di tessuto scheletrico e morbido da X-ray dati CT. Anche nelle prime fasi di sviluppozione, i modelli anatomici prodotti da tridimensionale appello di stampa sia per gli educatori e ricercatori che possono utilizzare la tecnologia per migliorare le competenze di visualizzazione. 3, 4 I vantaggi reali di questo risultato metodo dall&#39;esperienza tangibile un ricercatore può avere con i dati che non possono essere adeguatamente convogliato attraverso un monitor. La traduzione di dati 3D pre-clinici a un oggetto fisico che è la copia esatta del soggetto del test è uno strumento potente per la visualizzazione e la comunicazione, in particolare per la ricerca di immagini relative a studenti, o quelli in altri campi. Qui, mettiamo a disposizione un metodo dettagliato per la stampa di modelli in plastica di strutture ossee e organi derivati ​​da raggi X TAC utilizzano raggi X Albira sistema CT in collaborazione con PMOD, ImageJ, MeshLab, Netfabb e ReplicatorG pacchetti software.

<img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig1.jpg" /> Figura 1. Modelli 3D stampati dei polmoni e le caratteristiche dello scheletro di un X-ray insieme ratto dati CT. Oggetti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), Shapeways Inc. (Centro) o di un replicatore di MakerBot (a destra). La barra della scala indica 2 cm. Notare che la barra di scala nel pannello C è inferiore a quella di A e B, che riflette che in alcuni casi il MakerBot deve stampare un oggetto allargata per dettaglio uscita sufficiente. La Figura 1 illustra i prodotti finali per tre metodi di stampa dello stesso in vivo CT ratto set di dati. Tutti e tre i modelli sono costituiti da una struttura scheletrica e ritagliata polmoni rimovibili che sono stati stampati indipendentemente e ricostruito. Il modello a sinistra è il risultato della HD 3000 ProJet stampante ad alta risoluzione, creata usando plastica traslucida acrilico. L&#39;oggetto al centroè stato prodotto utilizzando una società di terze parti, Shapeways Inc., in cui è stata stampata la struttura scheletrica con nylon 12 di plastica bianco, mentre le strutture respiratorie sono state fabbricate in viola. I primi due modelli sono stati stampati in scala reale, che misura circa 11 cm di lunghezza. L&#39;oggetto a destra è stata effettuata utilizzando il MakerBot. La struttura scheletrica è stato stampato con colore naturale ABS (acrilonitrile-butadiene-stirene), plastica ed i polmoni con verde lime ABS. A causa dei limiti di risoluzione della MakerBot, questo modello non può essere stampato in scala senza alterazioni della struttura fine, come la gabbia toracica. Al contrario, il modello è stato scalato da quasi 2X usando il &quot;riempire costruire spazio&quot; opzione per ottenere il dettaglio desiderato visiva, con conseguente in un oggetto di 21 cm di lunghezza. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig2.jpg" /> Figura 2. 3D modelli stampati di un un ex vivo coniglio skull set di dati. Gli oggetti esposti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), Shapeways Inc. (Centro) e di un replicatore di MakerBot (a destra). La barra della scala indica 1 cm. La figura 2 mostra i prodotti finali di ogni metodo di stampa per l&#39;ex vivo coniglio set cranio CT dati. Il modello a sinistra è il risultato della HD 3000 ProJet stampante ad alta risoluzione utilizzando plastica traslucida acrilico. Il modello al centro è stato stampato in plastica bianca con stampa nylon12 Shapeways. L&#39;oggetto a destra è stata stampata in plastica bianca con il MakerBot. Tutti e tre gli oggetti sono stati stampati in scala e misurare circa 8,5 cm di lunghezza. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50250/50250fig3.jpg" /> Figura 3. 3D modelli stampati di un pieno di ratto a raggi X set di dati CT. Oggetti sono stati stampati con un ProJet HD 3000 (a sinistra), e Shapeways Inc. (a destra). La scala bAr indica 1 cm. La figura 3 mostra i prodotti finali per due metodi di stampa di una completa in vivo set di dati CT di un topo. Entrambi i modelli sono costituiti da una struttura completa scheletrica (meno la coda) e polmoni rimovibili. Il modello a sinistra è la risultante di una stampante ad alta risoluzione, l&#39;HD ProJet 3000, stampato usando plastica traslucida acrilico. Il modello a destra è stata stampata con stampa Shapeways, con la struttura scheletrica creato con plastica bianca e nylon12 i polmoni in viola. Questi due modelli sono stati stampati in scala reale, che misura circa 19 cm di lunghezza. A causa del dettaglio intricato richiesto, lo scheletro completo non può essere stampato con il Replicator MakerBot. Durante l&#39;esplorazione del tridimensionali tecniche di stampa, vantaggi e svantaggi sono stati osservati e sono illustrate nella Tabella 1. <table border="1"><tbody><tr><td><strong&gt; Metodo di stampa </td><td> Vantaggi </td><td> Svantaggi </td></tr><tr><td> MakerBot </td><td> Estremamente veloce, la varietà di opzioni di colore, in grado di stampare in due colori, estremamente poco costoso </td><td> Più basso livello di dettaglio. Rimozione del materiale di supporto è lento (dell&#39;ordine di un paio d&#39;ore). </td></tr><tr><td> Shapeways </td><td> Varity di opzioni di colore, varietà di materiali per la stampa, ad alto livello di dettaglio, relativamente poco costoso </td><td> Due settimane di tempo per elaborare e ricevere un ordine </td></tr><tr><td> ProJet HD 3000 </td><td> Inversione di tendenza relativamente veloce, il più alto livello di dettaglio, l&#39;alto rendimento, facile da rimuovere materiali di supporto (cera). </td><td> I più cari costo in anticipo, solo una possibilità di colore durante l&#39;uso. </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Confrontodi tecnologie di stampa 3D disponibili per stampare CT set di dati.

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3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Utilizzo di estrusione di plastica e moderne tecnologie di stampa, è ora possibile produrre velocemente ea basso costo i modelli fisici di dati a raggi X CT prese in un laboratorio. Il tridimensionale stampa di tomografica dei dati è una visualizzazione potente, di ricerca e strumento didattico, che possono ora essere accessibili da parte della comunità di imaging preclinico.

La stampa 3D di preclinica X-tomografia computerizzata a raggi Data Set

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

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Research

JoVE Journal

Biology

40.3K Views.  University of Notre Dame. Utilizzo di estrusione di plastica e moderne tecnologie di stampa, è ora possibile produrre velocemente ea basso costo i modelli fisici di dati a raggi X CT prese in un laboratorio. Il tridimensionale stampa di tomografica dei dati è una visualizzazione potente, di ricerca e strumento didattico, che possono ora essere accessibili da parte della comunità di imaging preclinico.

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Non-invasive 3D-Visualization with Sub-micron Resolution Using Synchrotron-X-ray-tomography

Little is known about the internal organization of many micro-arthropods with body sizes below 1 mm. The reasons for that are the small size and the hard cuticle which makes it difficult to use protocols of classical histology. In addition, histological sectioning destroys the sample and can therefore not be used for unique material. Hence, a non-destructive method is desirable which allows to view inside small samples without the need of sectioning.
We used synchrotron X-ray tomography at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble (France) to non-invasively produce 3D tomographic datasets with a pixel-resolution of 0.7&micro;m. Using volume rendering software, this allows us to reconstruct the internal organization in its natural state without the artefacts produced by histological sectioning. These date can be used for quantitative morphology, landmarks, or for the visualization of animated movies to understand the structure of hidden body parts and to follow complete organ systems or tissues through the samples.

We used synchrotron X-ray tomography at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) to non-invasively produce 3D tomographic datasets with a pixel-resolution of 0.7&micro;m. Using volume rendering software, this allows the reconstruction of internal structures in their natural state without the artefacts produced by histological sectioning.

Non invasive di visualizzazione 3D con sub-micron Risoluzione Utilizzando sincrotrone a raggi-X, la tomografia

Little is known about the internal organization of many micro-arthropods with body sizes below 1 mm. The reasons for that are the small size and the hard ...

Ricerca

Biologia

Microcontact Printing of Proteins for Cell Biology

The ability to pattern proteins and other biomolecules onto substrates is important for capturing the spatial complexity of the extracellular environment. Development of microcontact printing by the Whitesides group (<a href="http://gmwgroup.harvard.edu/">http://gmwgroup.harvard.edu/</a>) in the mid-1990s revolutionalized this field by making microelectronics/microfabrication techniques accessible to laboratories focused on the life sciences. Initial implementations of this method used polydimethylsiloxane (PDMS) stamps to create patterns of functionalized chemicals on material surfaces1. Since then, a range of innovative approaches have been developed to pattern other molecules, including proteins2. This video demonstrates the basic process of creating PDMS stamps and uses them to pattern proteins, as these steps are difficult to accurately express in words. We focus on patterning the extracellular matrix protein fibronectin onto glass coverslips as a specific example of patterning.
An important component of the microcontact printing process is a topological master, from which the stamps are cast; the raised and lowered regions of the master are mirrored into the stamp and define the final pattern. Typically, a master consists of a silicon wafer coated with photoresist and then patterned by photolithography, as is done here. Creation of masters containing a specific pattern requires specialized equipment, and is best approached in consultation with a fabrication center or facility. However, almost any substrate with topology can be used as a master, such as plastic diffraction gratings (see Reagents for one example), and such serendipitous masters provide readily available, simple patterns. This protocol begins at the point of having a master in hand.

Microcontact printing is used extensively to pattern proteins and other molecules on material surfaces. We demonstrate the basic steps of this process, stamping patterns of fibronectin onto glass.

Stampa microcontatto di proteine ​​per Cell Biology

The ability to pattern proteins and other biomolecules onto substrates is important for capturing the spatial complexity of the extracellular environment. ...

Protein Crystallization for X-ray Crystallography

Using the three-dimensional structure of biological macromolecules to infer how they function is one of the most important fields of modern biology. The availability of atomic resolution structures provides a deep and unique understanding of protein function, and helps to unravel the inner workings of the living cell. To date, 86% of the Protein Data Bank (rcsb-PDB) entries are macromolecular structures that were determined using X-ray crystallography.
To obtain crystals suitable for crystallographic studies, the macromolecule (e.g. protein, nucleic acid, protein-protein complex or protein-nucleic acid complex) must be purified to homogeneity, or as close as possible to homogeneity. The homogeneity of the preparation is a key factor in obtaining crystals that diffract to high resolution (Bergfors, 1999; McPherson, 1999).
Crystallization requires bringing the macromolecule to supersaturation. The sample should therefore be concentrated to the highest possible concentration without causing aggregation or precipitation of the macromolecule (usually 2-50 mg/ mL). Introducing the sample to precipitating agent can promote the nucleation of protein crystals in the solution, which can result in large three-dimensional crystals growing from the solution. There are two main techniques to obtain crystals: vapor diffusion and batch crystallization. In vapor diffusion, a drop containing a mixture of precipitant and protein solutions is sealed in a chamber with pure precipitant. Water vapor then diffuses out of the drop until the osmolarity of the drop and the precipitant are equal (Figure 1A). The dehydration of the drop causes a slow concentration of both protein and precipitant until equilibrium is achieved, ideally in the crystal nucleation zone of the phase diagram. The batch method relies on bringing the protein directly into the nucleation zone by mixing protein with the appropriate amount of precipitant (Figure 1B). This method is usually performed under a paraffin/mineral oil mixture to prevent the diffusion of water out of the drop.
Here we will demonstrate two kinds of experimental setup for vapor diffusion, hanging drop and sitting drop, in addition to batch crystallization under oil.

The 3-D structure of a molecule provides a unique understanding of how the molecule functions. The principal method for structure determination at near-atomic resolution is X-ray crystallography. Here, we demonstrate the current methods for obtaining three-dimensional crystals of any given macromolecule that are suitable for structure determination by X-ray crystallography.

Cristallizzazione delle proteine ​​per la cristallografia a raggi X

Using the three-dimensional structure of biological macromolecules to infer how they function is one of the most important fields of modern biology. The ...

Do's and Don'ts of Cryo-electron Microscopy: A Primer on Sample Preparation and High Quality Data Collection for Macromolecular 3D Reconstruction

Cryo-electron microscopy (cryoEM) entails flash-freezing a thin layer of sample on a support, and then visualizing the sample in its frozen hydrated state by transmission electron microscopy (TEM). This can be achieved with very low quantity of protein and in the buffer of choice, without the use of any stain, which is very useful to determine structure-function correlations of macromolecules. When combined with single-particle image processing, the technique has found widespread usefulness for 3D structural determination of purified macromolecules. 
The protocol presented here explains how to perform cryoEM and examines the causes of most commonly encountered problems for rational troubleshooting; following all these steps should lead to acquisition of high quality cryoEM images. The technique requires access to the electron microscope instrument and to a vitrification device. Knowledge of the 3D reconstruction concepts and software is also needed for computerized image processing. Importantly, high quality results depend on finding the right purification conditions leading to a uniform population of structurally intact macromolecules. 
The ability of cryoEM to visualize macromolecules combined with the versatility of single particle image processing has proven very successful for structural determination of large proteins and macromolecular machines in their near-native state, identification of their multiple components by 3D difference mapping, and creation of pseudo-atomic structures by docking of x-ray structures. The relentless development of cryoEM instrumentation and image processing techniques for the last 30 years has resulted in the possibility to generate de novo 3D reconstructions at atomic resolution level.

Do&#039;s and Don&#039;ts of Cryo-electron Microscopy: A Primer on Sample Preparation and High Quality Data Collection for Macromolecular 3D Reconstruction

This paper describes the cryo-electron microscopy methodology, which is used to obtain high quality microscopic images of macromolecules in their near-native state. The method yields images suitable for further computerized processing using the single particle approach, devised to generate the 3D reconstruction of a macromolecule.

Cosa fare e cosa non fare di Cryo-microscopia elettronica: A Primer su preparazione del campione e raccolta dati di alta qualità per la ricostruzione macromolecolare 3D

Cryo-electron microscopy (cryoEM) entails flash-freezing a thin layer of sample on a support, and then visualizing the sample in its frozen hydrated state ...

SpOT the Correct Tissue Every Time in Multi-tissue Blocks

Multi-tissue paraffin blocks provide high throughput analysis with increased efficiency, experimental uniformity, and reduced time and cost. Tissue microarrays make up the majority of multi-tissue paraffin blocks, but increasingly, researchers are using non-arrayed blocks containing larger tissues from multiple individuals which can provide many of the advantages of tissue microarrays without substantial investment in planning and equipment. A critical component of any multi-tissue analysis is the orientation method used to identify each individual tissue. Although methods exist to maintain proper orientation and identification of tissues in multi-tissue blocks, most are not well-suited to non-arrayed blocks, may consume valuable space within an array and/or are difficult to produce in the standard histology laboratory. The Specimen Orientation Tag (SpOT) is a simple, low cost orientation tool that is clearly visible in paraffin blocks and all tissue sections for reliable specimen identification in arrayed and non-arrayed layouts. The SpOT provides advantages over existing orientation methods for non-arrayed blocks as it does not require any direct modification to the tissue and allows for flexibility in the arrangement of tissue pieces.

The purpose of the Specimen Orientation Tag (SpOT) is to function as an orientation tool to aid in individual tissue identification in multi-tissue paraffin blocks. These protocols demonstrate how it is constructed easily from common, low-cost histology materials and serves as a reliable visual marker in paraffin blocks and sections.

SPOT Tissue corretto ogni volta in blocchi multi-tessuto

Multi-tissue paraffin blocks provide high throughput analysis with increased efficiency, experimental uniformity, and reduced time and cost. Tissue ...

Production of Human Norovirus Protruding Domains in E. coli for X-ray Crystallography

The norovirus capsid is composed of a single major structural protein, termed VP1. VP1 is subdivided into a shell (S) domain and a protruding (P) domain. The S domain forms a contiguous scaffold around the viral RNA, whereas the P domain forms viral spikes on the S domain and contains determinants for antigenicity and host-cell interactions. The P domain binds carbohydrate structures, i.e., histo-blood group antigens, which are thought to be important for norovirus infections. In this protocol, we describe a method for producing high quality norovirus P domains in high yields. These proteins can then be used for X-ray crystallography and ELISA in order to study antigenicity and host-cell interactions.
The P domain is firstly cloned into an expression vector and then expressed in bacteria. The protein is purified using three steps that involve immobilized metal-ion affinity chromatography and size exclusion chromatography. In principle, it is possible to clone, express, purify, and crystallize proteins in less than four weeks, which makes this protocol a rapid system for analyzing newly emerging norovirus strains.

Production of Human Norovirus Protruding Domains in E. coli for X-ray Crystallography

Here, we describe a method to express and purify high quality norovirus protruding (P) domains in E. coli for use in X-ray crystallography studies. This method can be applied to other calicivirus P domains, as well as non-structural proteins, i.e., viral protein genome-linked (VPg), protease, and RNA dependent RNA polymerase (RdRp).

Produzione di Norovirus umani sporgenti Domini in<em&gt; E. coli</em&gt; Per la cristallografia a raggi X

The norovirus capsid is composed of a single major structural protein, termed VP1. VP1 is subdivided into a shell (S) domain and a protruding (P) domain. ...

High-throughput Measurement of Gut Transit Time Using Larval Zebrafish

Zebrafish are used as alternative model organisms for drug safety testing. The gastrointestinal (GI) tract of zebrafish has genetic, neuronal, and pharmacological similarities to that of the mammals. GI intolerance during clinical testing of drug candidates is common and may pose a serious threat to human health. Testing for GI toxicity in preclinical mammalian models can be expensive in terms of time, test compound, and labor. The high-throughput method presented here may be used to predict GI safety issues. Compared to mammalian models, this method allows for more expedient assessment of test compound effects on GI transit while using low quantities of compound. In this method, larval zebrafish (7 days post fertilization) are fed food containing a fluorescent label. After feeding, each larval fish is placed into a well of a 96-conical-bottom-well plate and dosed with test compound (dissolved in water) or the vehicle. As gut transit occurs, fecal matter accumulates on the bottom of the wells, and the rate at which this happens is monitored by measuring fluorescence from the bottom of the well repeatedly over time using a plate spectrophotometer. The fluorescence from larvae in a given treatment group are averaged and these values are graphed along with standard error, for each measurement time, yielding a curve representing average transit of food over time. Effects on gut transit time are identified by comparing the area under the curve for each treatment group to that of the vehicle-treated group. This method detected changes in zebrafish GI transit time induced by drugs with known clinical GI effects; it can be employed to interrogate dozens of treatments for GI effects per day. As such, safer compounds can be quickly prioritized for mammalian testing, which expedites discovery and proffers 3Rs advancement.

The goal of this protocol is to measure the transit time of fluorescently labeled food through the gut of larval zebrafish in a high throughput fashion.

High-throughput misurazione del tempo di transito dell'intestino utilizzando Zebrafish larvale

Zebrafish are used as alternative model organisms for drug safety testing. The gastrointestinal (GI) tract of zebrafish has genetic, neuronal, and ...

Micron-scale Phenotyping Techniques of Maize Vascular Bundles Based on X-ray Microcomputed Tomography

It is necessary to accurately quantify the anatomical structures of maize materials based on high-throughput image analysis techniques. Here, we provide a 'sample preparation protocol' for maize materials (i.e., stem, leaf, and root) suitable for ordinary microcomputed tomography (micro-CT) scanning. Based on high-resolution CT images of maize stem, leaf, and root, we describe two protocols for the phenotypic analysis of vascular bundles: (1) based on the CT image of maize stem and leaf, we developed a specific image analysis pipeline to automatically extract 31 and 33 phenotypic traits of vascular bundles; (2) based on the CT image series of maize root, we set up an image processing scheme for the three-dimensional (3-D) segmentation of metaxylem vessels, and extracted two-dimensional (2-D) and 3-D phenotypic traits, such as volume, surface area of metaxylem vessels, etc. Compared with traditional manual measurement of vascular bundles of maize materials, the proposed protocols significantly improve the efficiency and accuracy of micron-scale phenotypic quantification.

We provide a novel method to improve the X-ray absorption contrast of maize tissue suitable for ordinary microcomputed tomography scanning. Based on CT images, we introduce a set of image-processing workflows for different maize materials to effectively extract microscopic phenotypes of vascular bundles of maize.

Micron-scala Phenotyping tecniche di mais fasci vascolari basato su x-Ray Microcomputed Tomography

It is necessary to accurately quantify the anatomical structures of maize materials based on high-throughput image analysis techniques. Here, we provide a ...

Dosimetry for Cell Irradiation using Orthovoltage (40-300 kV) X-Ray Facilities

The importance of dosimetry protocols and standards for radiobiological studies is self-evident. Several protocols have been proposed for dose determination using low energy X-ray facilities, but depending on the irradiation configurations, samples, materials or beam quality, it is sometimes difficult to know which protocol is the most appropriate to employ. We, therefore, propose a dosimetry protocol for cell irradiations using low energy X-ray facility. The aim of this method is to perform the dose estimation at the level of the cell monolayer to make it as close as possible to real cell irradiation conditions. The different steps of the protocol are as follows: determination of the irradiation parameters (high voltage, intensity, cell container etc.), determination of the beam quality index (high voltage-half value layer couple), dose rate measurement with ionization chamber calibrated in air kerma conditions, quantification of the attenuation and scattering of the cell culture medium with EBT3 radiochromic films, and determination of the dose rate at the cellular level. This methodology must be performed for each new cell irradiation configuration as the modification of only one parameter can strongly impact the real dose deposition at the level of the cell monolayer, particularly involving low energy X-rays.

Dosimetry for Cell Irradiation using Orthovoltage 40-300 kV X-Ray Facilities

This document describes a new dosimetry protocol for cell irradiations using low energy X-ray equipment. Measurements are performed in conditions simulating real cell irradiation conditions as much as possible.

Dosimetria per l'irradiazione cellulare mediante impianti a raggi X ortovolta (40-300 kV)

The importance of dosimetry protocols and standards for radiobiological studies is self-evident. Several protocols have been proposed for dose ...

A 3D Cartographic Description of the Cell by Cryo Soft X-ray Tomography

Imaging techniques are fundamental in order to understand cell organization and machinery in biological research and the related fields. Among these techniques, cryo soft X-ray tomography (SXT) allows imaging whole cryo-preserved cells in the water window X-ray energy range (284-543 eV), in which carbon structures have intrinsically higher absorption than water, allowing the 3D reconstruction of the linear absorption coefficient of the material contained in each voxel. Quantitative structural information at the level of whole cells up to 10 &#181;m thick is then achievable this way, with high throughput and spatial resolution down to 25-30 nm half-pitch. Cryo-SXT has proven itself relevant to current biomedical research, providing 3D information on cellular infection processes (virus, bacteria, or parasites), morphological changes due to diseases (such as recessive genetic diseases) and helping us understand drug action at the cellular level, or locating specific structures in the 3D cellular environment. In addition, by taking advantage of the tunable wavelength at synchrotron facilities, spectro-microscopy or its 3D counterpart, spectro-tomography, can also be used to image and quantify specific elements in the cell, such as calcium in biomineralization processes. Cryo-SXT provides complementary information to other biological imaging techniques such as electron microscopy, X-ray fluorescence or visible light fluorescence, and is generally used as a partner method for 2D or 3D correlative imaging at cryogenic conditions in order to link function, location, and morphology.

Here, a protocol describing the sample preparation and data collection steps required in cryo soft X-ray tomography (SXT) to image the ultrastructure of whole cryo-preserved cells at a resolution of 25 nm half pitch, is presented.

Una descrizione cartografica 3D della cellula mediante tomografia a raggi X Cryo Soft

Imaging techniques are fundamental in order to understand cell organization and machinery in biological research and the related fields. Among these ...