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要約

この方法は、正確な空間忠実度と空間/コントラスト解像度で医用画像から直接印刷するボクセルベースの3D印刷ワークフローを示しています。これにより、形態学的に複雑で目盛りのある材料を介して、データの損失や変更なしに放射密度に相関する材料分布の正確で段階的な制御が可能になります。

要約

手術前計画のための3次元(3D)印刷のほとんどのアプリケーションは、現在のモデリングパラダイムの精度、品質、効率の基本的な制限のために、骨構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されてきました。これは、物体の内部が重要であり、解剖学的境界が徐々に変化するほとんどの外科的専門分野にとって重要な軟部組織をほとんど無視してきた。したがって、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を複製する生物医学産業のニーズは、新しい形態の表現を必要とする。

ここでは、現在の3Dモデリング手法よりも空間分解能とコントラスト分解能に優れ、これまで達成できなかった空間忠実度と軟部組織の分化を含む、医用画像から直接3Dモデルを作成する新しい技術を紹介します。また、MRIおよびCTから軟部生体組織に見られる材料剛性の範囲にまたがる新規の付加的に製造された複合材料の経験的測定も提示される。これらのユニークな体積設計と印刷方法は、材料の剛性と色の決定論的かつ継続的な調整を可能にします。この機能により、手術前計画への積層造形のまったく新しいアプリケーション、すなわち機械的リアリズムが可能になります。外観マッチングを提供する既存のモデルを自然に補完するものとして、これらの新しいモデルは、医療専門家が組織模擬体の空間的に変化する材料特性を「感じる」ことを可能にする - 触覚が重要な役割を果たす分野への重要な追加。

概要

現在、外科医は、3D患者の手術を計画するために異なるデータを表示する多数の離散2次元(2D)イメージングモダリティを研究しています。さらに、このデータを 2D 画面で表示しても、収集されたデータの全範囲を完全には通信できません。イメージングモダリティの数が増えるにつれて、複数の規模の組織を示す異なるモダリティからより多くのデータを合成する能力は、より効果的で効率的な外科的計画のために情報を凝縮およびキュレーションするための新しい形態のデジタルおよび物理的表現を必要とする。

3Dプリントされた患者固有のモデルは、手術計画のための新しい診断ツールとして登場し、手術時間と外科的合併症を軽減することが示されています1。しかし、標準的な光造形(STL)方式の3Dプリンティングでは、目に見えるデータ損失を示し、印刷されたオブジェクトを固体、均質、等方性材料としてレンダリングするため、このプロセスには時間がかかります。その結果、手術計画のための3Dプリンティングは、骨の構造と複雑な臓器の単純な形態学的記述に限定されていました2。この制限は、産業革命の製品とニーズに導かれた時代遅れの製造パラダイムの結果であり、製造されたオブジェクトは外部の境界によって完全に記述されます3。しかし、複数の規模の組織とさまざまな物質分布を表示するヒト組織を再現する生物医学産業のニーズは、ポイントごとに変化するボリューム全体の変化を表す新しい表現形式を必要とします。

この問題に対処するために、3Dビジュアライゼーションおよびモデリング技術(図1)が開発され、超高解像度での樹脂の混合と堆積をより詳細に制御できる斬新な積層造形プロセスと組み合わされました。ビットマップ印刷と呼ばれるこの方法は、15μmに近づく高度なイメージング技術の空間忠実度と空間/コントラスト分解能のレベルで、医用画像から直接3D印刷によって人間の解剖学を複製します。これにより、診断ソース画像からのデータの損失や変更なしに、形態学的に複雑な軟部組織の変動を再現するために必要な正確で段階的な制御が可能になります。

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プロトコル

注:3Dスライサー医用画像コンピューティングソフトウェア4 ( 材料表を参照)は、セクション1から3で完了した作業に使用されました。

1. データ入力

  1. 医用画像コンピューティングソフトウェアを開き、ドロップダウンメニューから[ ファイル ]ボタンと DICOM をクリックし、 DICOMブラウザ ウィンドウが開くのを待ちます。
    1. 「DICOM ブラウザー」ウィンドウで、「インポート」を選択します。「ディレクトリーからの DICOM ファイルのインポート」ポップアップ・ウィンドウが表示されるまで待ちます。
    2. DICOM ファイル・スタックに移動し、「インポート」ボタンをクリックします。
    3. 選択した DICOM ファイルのスタックが DICOM ブラウザーにロードされていることを確認します。データが正しく入力され、次のカテゴリ(患者、研究、系列、およびインスタンス)の目的の研究と一致していることを確認します。
      1. 「 詳細」 チェック・ボックスをクリックして、追加のメタデータをアクティブ化します。目的の シリーズ番号 を選択し、[ 検査] ボタンをクリックします。目的のシーケンスに警告が表示されていないことを確認します。目的の DICOMデータ ・ファイルの横にあるチェック・ボックスをクリック| 読み込みます。
        メモ: この方法は 15 μm および 27 μm のスライス厚で印刷できるため、最も薄いスライス取得で最高解像度の画像を選択します。
  2. ボリュームレンダリングの場合、シーケンスが医用画像コンピューティングソフトウェアにロードされたら、[モジュール ] に移動し、ドロップダウンメニューから [ボリュームレンダリングモジュール ]を選択します。
    1. ボリュームレンダリングモジュールで、「ボリューム 」 ドロップダウンメニューからシーケンスの名前を選択して、イメージスタックをアクティブにし、データをボクセル化された ボリューム に変換します。アクティブなモジュールの名前が、ステップ 1.1.3.1 で選択した目的のシーケンスと一致していることを確認します。
    2. 「ボリューム」ドロップダウンの横にある 「アイボール」 アイコンをクリックして、選択した ボリューム を 3D で視覚化します。3D 表示ウィンドウが開いていて、グレースケールの 3D 表示が表示されていることを確認します。
    3. 次に、[詳細 設定 ]の横にある矢印をクリックして、[ 詳細ツール]を開きます。「 ボリュームプロパティ」 タブを選択して、ボクセルモデルのカラーチャンネルを変更するためのコントロールのセットを開きます。
    4. 「スカラー不透明度マッピング」メニューに移動します。フィールド内を左クリックして、強度値が不透明度で定義されるポイントを作成します。このスケールに沿ってポイントを配置して、目的の解剖学を視覚化します。
      メモ: ポイントの左右の位置はイメージの強度値の範囲に関連付けられ、上下の位置は不透明度を示します。
    5. スカラーマッピングメニューに移動します。フィールド内を左クリックしてポイントを作成し、強度値に相関する色を指定します。フィールド内をダブルクリックして「色の選択」ウィンドウを開き、色情報を変更します。

2. 操作

注:解剖学が十分に複雑で、 ボリュームプロパティの変更後に周囲の組織や無関係なデータが存在する点まで、マスキングステップが必要です。

  1. 「 モジュール」 に移動し、ドロップダウンメニューから 「セグメントエディタ」 を選択します。 セグメントエディタの ツールバーが表示されていることを確認します。
    1. [セ グメンテーション] ドロップダウンに移動し、[ 新しいセグメンテーションの作成] を選択します。「セグメンテーション名の変更」ポップアップ ウィンドウからセグメンテーション のカスタム名を入力し、「 OK」をクリックします。
    2. [マスターボリューム]ドロップダウンに移動し、ボリュームレンダリングと同じ名前のアクティブなボリュームを選択します。次に、ドロップダウンのすぐ下にある[追加]ボタンをクリックします。セグメントコンテナが下のフィールドに作成されていることを確認します。
    3. 下のエフェクトツールパネルに移動し、はさみツールを選択します。はさみメニューに移動し、[内部に入力]、[自由形式]、[無制限] を選択します。次に、3Dウィンドウにカーソルを合わせ、右クリックしたまま、消去する領域の周りを描画します。色付きの帯が表示され、カバーされているものが示されていることを確認します。削除するすべての領域がカバーされるまで、このプロセスを繰り返します。
      メモ: セグメントエディタのエクストラエフェクトなどの拡張機能は、医用画像コンピューティングソフトウェアにダウンロードでき、このセグメンテーションを作成するためのツールが含まれています。
    4. 次に、エフェクトメニューからボリュームのマスクツールを選択します。[内部を選択]をオンにして、セグメントでカバーされているすべての画像データを削除します。次に、塗りつぶし値を -1000 に変更します。これは、ハウンズフィールドの単位スケールで空気または空隙に等しくなります。最後に、[適用]を押して[出力ボリューム]の横にある[アイボール]をクリックして、マスクされた新しいボリュームを表示します。
      1. [モジュール]に移動し、ドロップダウンメニューから[ボリュームレンダリング]を選択します。アクティブなボリュームの横にある [アイ ボール] をクリックして、ビジュアライゼーションをオフにします。
      2. 次に、ドロップダウンメニューから、新しく作成した マスクされたボリュームを選択します。 アイボール をクリックしてボリュームをアクティブにします。
      3. 最後に、[入力] メニューに移動し、[プロパティ] ドロップダウン メニューを開きます。手順 1.2.5 で作成したボリュームプロパティを選択します。3D ビューのボリュームがマスクされ、色分けされていることを確認します。

3. スライス

メモ: このプロセスは、スライスファイルを STL メッシュファイルではなく 3D 印刷に直接送信することで、従来の 3D 印刷方法をバイパスします。次の手順では、ボリュームレンダリングからスライスが作成されます。 ビットマップジェネレータ モジュールは、カスタムビルドの拡張機能です。これは拡張機能 マネージャーからダウンロードできます。

  1. モジュールに移動し、ドロップダウンから Slicerfab を選択します。「印刷パラメーター」メニューと「出力パラメーター」メニューがあることを確認します。
    1. [プリンタパラメータ]ドロップダウンで、[X]解像度が600 DPIに設定され、Y解像度が300 DPIに設定されていることを確認します。層の厚さが 27 μm に設定されていることを確認します。
    2. 次に、[ 出力パラメータ] メニューを開き、必要に応じて最終モデルのスケールを変更します。
    3. 最後に、保存するスライスのファイルの場所を選択し、「 生成」をクリックします。
      メモ: この手順は、完了するまでに数分かかる場合があります。

4. ディザリング

注: Adobe Photoshop ( 資料表を参照) は、セクション 4 で完了した作業に使用されました。

  1. 画像編集ソフトウェアを開き、[ ファイル ]をクリックし、ドロップダウンメニューから[ 開く ]を選択します。前の手順で作成したPNGファイルスタックの最初の画像に移動し、[ 開く ]ボタンをクリックします。
  2. ウィンドウに移動し、ドロップダウンメニューから[アクション]を選択します。「アクション」メニューで、「新規アクション」をクリックし、カスタム名を入力して「OK」を選択します。[記録] ボタンがアクティブで赤色であることを確認して、アクションが記録されていることを確認します。
    1. イメージが読み込まれたら、[ イメージ |モード|インデックスカラー。「 インデックス」 ウィンドウで、ドロップダウンメニューから 「ローカル知覚」 を選択し、色数を 8 に指定します。
    2. [強制] メニューで、[カスタム] を選択します。最初の 2 つの正方形をクリックし、[カスタムカラー] ウィンドウがポップアップするのを待って、カスタムカラーパレットを選択します。100% マゼンタを選択し、C、Y、K が 0 に設定されていることを確認します。
      1. このプロセスを繰り返し、 100%C、 Y、 およびKに捧げられた2つの正方形があることを確認します。
    3. オプションメニューのマットで、ドロップダウンメニューから「カスタム」を選択します。[ディザ]で[拡散]を選択し、[金額]で[100%]を選択します。最後に、[OK]をクリックします。
    4. [アクション]メニューに移動し、四角ボタンをクリックして録音を停止します。アクティブなウィンドウを閉じ、変更の保存ポップアップウィンドウで「いいえ」をクリックします。
  3. [ファイルの|] に移動します。|の自動化バッチ。「バッチ」ポップアップ・ウィンドウで、「アクション」ドロップダウンに移動し、前のステップで作成したアクションを選択します。次に、[ソース]メニューの[選択]ボタンをクリックし、手順3.1.3でエクスポートした画像のフォルダに移動します。「保存先」メニューの「選択」ボタンをクリックし、新しいファイルの保存先フォルダの場所を選択して、「OK」をクリックします。

5. ボクセル印刷

注:Stratasys GrabCAD5は、セクション5で完了した作業に使用されました。

  1. 印刷ソフトウェアを開き、[ アプリ ]をクリックし、ドロップダウンメニューから [Voxel印刷ユーティリティを起動し ます]をクリックします。
    1. スライスファイルの接頭辞テキストボックスに、PNG ファイルスタックの接頭辞を入力します。次に、[選択] ボタンをクリックし、PNG ファイル スタックがあるフォルダーに移動し、[OK] をクリックします。
    2. 「スライス 範囲」で、「最初のスライス」と 「スライス 数 」が 、作成したフォルダ内のファイル数と一致していることを確認します。
    3. 「スライスパラメータ」で、「スライスされた厚さ」(mm)が手順 3.1.1.1 で指定した設定と一致し、「スライスの幅」(ピクセル)と「スライスの高さ」(ピクセル)が PNG ファイルの幅と高さと一致することを確認します。
    4. [ 背景色] で、背景が背景色と一致していることを確認します。[印刷しないように設定] をクリックします。完了したら、[ 次へ ]ボタンをクリックします。
  2. [ ツール ]ページの [マテリアル マッピング]で、ドロップダウン メニューから、PNG ファイルから派生した関連する色にマップするマテリアルを選択します。メニューの各色について、このプロセスを繰り返します。次に、[ |の完了]をクリックします。 ポップアップウィンドウでOK 情報Gcvfの作成に成功しました。
  3. ホスト コンピューターの印刷ソフトウェアで、[ファイル |] をクリックします。 ドロップダウンメニューからファイルをインポート します。 Gcvf ファイル に移動し、「 ロード」をクリックします。メイン画面で、[ 印刷] を選択します。

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結果

図 2 と図 3 に示すように、肯定的な結果は、手順 1.2.5 または 2.1.1.4 で定義されているボリューム レンダリングの直接変換になります。最終的なモデルは、サイズ、形状、および色においてボリューム レンダリングと視覚的に一致している必要があります。このプロセスに沿って、エラーが発生し、上記の 1 つ以上のプロパティに影?...

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ディスカッション

デジタルモデリングツールのすべてではないにしても、大多数が今日採用している現在の表現フレームワークは、STLファイル形式になります8。それにもかかわらず、このパラダイムの特定の性質は、より複雑で自然な材料の粒状または階層的な構造を表現しようとすると不十分であることが証明されています。マルチマテリアル3Dプリンティングなどの最近のアディティブ?...

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開示事項

N.J.はコロラド大学リージェンツ校が提出した特許出願の著者であり、この作品に記載されているような方法を記述しています(出願番号。US16/375,132;発行番号US20200316868A1;2019年4月4日提出。公開08 10月2020)。他のすべての著者は、競合する利害関係はないと宣言しています。

謝辞

AB Nexusとコロラド州が、手術前計画のためのボクセル印刷に関する科学的研究を寛大に支援してくれたことに感謝します。我々は、この研究で使用されたデータセットを提供してくれたL. Browne、N. Stence、およびS. Sheridanに感謝する。この研究は、AB Nexus GrantとState of Colorado Advanced Industries Grantから資金提供を受けた。

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資料

NameCompanyCatalog NumberComments
3D Slicer Image Computing PlatformSlicer.orgVersion 4.10.2–4.11.2
GrabCADStratasys1.35
J750 Polyjet 3D PrinterStratasys
PhotoshopAdobe2021

参考文献

  1. Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24(2020).
  2. Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13(2020).
  3. Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
  4. Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  5. Guide to Voxel Printing. GrabCAD. , Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021).
  6. Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
  7. Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108(2019).
  8. Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , Springer. New York, NY. 47-54 (1998).
  9. Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
  10. Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).

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