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요약

이 방법은 복셀 기반의 3D 프린팅 워크플로우를 보여 주며, 이는 정확한 공간 충실도 와 공간/대비 해상도로 의료 이미지에서 직접 인쇄됩니다. 이를 통해 데이터의 손실이나 변경 없이 방사선 밀도와 상관관계가 있는 형태학적으로 복잡하고 졸업된 재료를 통해 재료 분포를 정밀하고 졸업할 수 있습니다.

초록

수술 전 계획을 위한 3차원(3D) 프린팅의 대부분의 응용 분야는 현재 모델링 패러다임의 정확성, 품질 및 효율성의 근본적인 한계로 인해 복잡한 장기의 뼈 구조와 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다. 이것은 주로 개체의 내부가 중요하고 해부학 경계가 점차적으로 전이 대부분의 외과 전문에 중요한 연조직을 무시했습니다. 따라서, 조직의 여러 척도와 다양한 재료 분포를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위해 생물 의학 산업의 요구는 새로운 형태의 표현을 필요로한다.

여기에 제시된 새로운 기술은 현재 의학적 이미지에서 직접 3D 모델을 생성하여 현재 의3D 모델링 방법에 대한 공간 및 대비 해상도가 우수하며 이전에는 달성할 수 없었던 공간 충실도 및 연조직 분화를 포함하는 새로운 기술입니다. 또한 MRI 및 CT의 연생물학적 조직에서 볼 수 있는 재료 강성의 영역을 가로지르는 새로운 첨가제 제조 복합재료의 경험적 측정도 제시된다. 이러한 독특한 볼륨 설계 및 인쇄 방법을 통해 재료 강성과 색상을 결정적이고 지속적으로 조정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 사전 수술 계획에 적기 제조를 완전히 새로운 적용 할 수 있습니다: 기계적 리얼리즘. 외관 매칭을 제공하는 기존 모델에 대한 자연스러운 보완으로, 이러한 새로운 모델은 또한 의료 전문가가 촉각 감각이 중요한 역할을하는 분야에 중요한 추가 조직 시뮬레이션의 공간적으로 다양한 재료 특성을 "느낄"수 있습니다.

서문

현재 외과 의사는 3D 환자에 대한 수술을 계획하기 위해 뚜렷한 데이터를 표시하는 수많은 이산 2 차원 (2D) 이미징 양식에 대해 연구합니다. 또한 2D 화면에서 이 데이터를 보는 것은 수집된 데이터의 전체 범위를 완전히 전달할 수 없습니다. 이미징 양식의 수가 증가함에 따라 조직의 여러 척도를 나타내는 고유한 양식에서 더 많은 데이터를 합성하는 기능은 보다 효과적이고 효율적인 수술 계획을 위해 정보를 응축하고 큐레이트하기 위해 새로운 형태의 디지털 및 물리적 표현을 필요로 합니다.

3D 인쇄, 환자 특정 모델은 수술 시간과 수술 합병증을 줄이기 위해 보여 진 수술 계획을위한 새로운 진단 도구로 등장했다1. 그러나, 이 과정은 3D 프린팅의 표준 스테레오소그래피(STL) 방법으로 인해 시간이 많이 소요되며, 이는 데이터의 눈에 보이는 손실을 나타내고 인쇄된 물체를 고체, 균일성 및 이소트로픽 재료로 렌더링합니다. 그 결과, 외과 계획을 위한 3D 프린팅은 뼈 구조와 복잡한 장기의 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다2. 이러한 제한은 제조된 물체가 외부 경계에 의해 완전히 설명되는 산업 혁명의 제품과 요구에 의해 인도되는 오래된 제조 패러다임의 결과입니다3. 그러나, 조직및 다양한 물질 분포의 다중 규모를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위하여 생물 의학 산업의 필요는, 점별로 점을 바꾸는 전체 부피에 걸쳐 변이를 나타내는 표현의 새로운 양식을 필요로 합니다.

이 문제를 해결하기 위해 3D 시각화 및 모델링 기술(그림 1)이 개발되어 초고해상도의 수지의 혼합 및 증착을 보다 잘 제어할 수 있는 새로운 적정 제조 공정과 결합되었습니다. 비트맵 인쇄라고 하는 이 방법은 15μm에 접근하는 첨단 이미징 기술의 공간 충실도 및 공간/대비 해상도 수준에서 의료 이미지에서 직접 3D 프린팅으로 인체 해부학을 복제합니다. 이를 통해 진단 소스 이미지에서 데이터를 손실하거나 변경하지 않고 형태학적으로 복잡한 연조직의 변이를 복제하는 데 필요한 정밀하고 졸업된 제어를 가능하게 합니다.

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프로토콜

참고: 3D 슬라이서 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어4 ( 재료 표 참조)는 1부에서 3절에 완료된 작업에 사용되었다.

1. 데이터 입력

  1. 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어를 열고 드롭다운 메뉴에서 파일 버튼과 DICOM 을 클릭하고 DICOM 브라우저 창이 열릴 때까지 기다립니다.
    1. DICOM 브라우저 창에서 가져오기를 선택합니다. 디렉터리 팝업 창에서 DICOM 가져오기 파일이 나타날 때까지 기다립니다.
    2. DICOM 파일 스택으로 이동하여 가져오기 단추를 클릭합니다.
    3. 선택한 DICOM 파일 스택이 DICOM 브라우저에 로드되어 있는지 확인합니다. 데이터가 올바르게 채워지고 환자, 연구, 시리즈 및 인스턴스와 같은 다음 범주에서 원하는 연구와 일치하는지 확인합니다.
      1. 고급 확인란을 클릭하여 추가 메타데이터를 활성화합니다. 원하는 시리즈 번호를 선택하고 검사 단추를 클릭합니다. 원하는 시퀀스가 경고를 표시하지 않았는지 확인합니다. 원하는 DICOM 데이터 파일 | 옆의 확인란을 클릭합니다. 로드합니다.
        참고: 이 방법은 15 μm 및 27 μm 슬라이스 두께로 인쇄할 수 있기 때문에 가장 얇은 슬라이스 획득으로 가장 높은 해상도의 이미지를 선택합니다.
  2. 볼륨 렌더링의 경우 시퀀스가 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에 로드되면 모듈 로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 볼륨 렌더링 모듈 을 선택합니다.
    1. 볼륨 렌더링 모듈에서 볼륨 드롭다운 메뉴에서 시퀀스 이름을 선택하여 이미지 스택을 활성화하고 데이터를 복셀화된 볼륨으로 변환합니다. 활성 모듈의 이름이 1.1.3.1 단계에서 선택한 원하는 순서와 일치하는지 확인합니다.
    2. 볼륨 드롭다운 옆의 아이볼 아이콘을 클릭하여 선택한 볼륨을 3D로 시각화합니다. 3D 디스플레이 창이 열려 있고 회색 배율 3D 표현이 표시되는지 확인합니다.
    3. 다음으로 고급 단계 옆의 화살표를 클릭하여 고급 도구를 엽니다. 복셀 모델의 색상 채널을 수정하기 위한 컨트롤 집합을 열도록 볼륨 속성 탭을 선택합니다.
    4. 스칼라 불투명도 매핑 메뉴로 이동합니다. 필드를 왼쪽 단추로 클릭하여 강도 값이 불투명도에 의해 정의되는 지점을 만듭니다. 관심있는 해부학을 시각화하려면이 축척을 따라 포인트를 배치합니다.
      참고: 점의 오른쪽 왼쪽 위치는 이미지의 강도 값의 범위와 상관관계가 있으며 업다운 위치는 불투명도를 나타냅니다.
    5. 스칼라 색상 매핑 메뉴로 이동합니다. 필드를 왼쪽 단추로 클릭하여 점을 만들고 강도 값과 관련된 색상을 지정합니다. 필드를 두 번 클릭하여 색상 정보 선택 창을 엽니다.

2. 조작

참고: 해부학이 충분히 복잡할 경우 볼륨 속성을 수정한 후 주변 조직 및 외부 데이터가 존재하는 지점까지 마스킹 단계가 필요합니다.

  1. 모듈로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 세그먼트 편집기를 선택합니다. 세그먼트 편집기 도구 모음이 표시되도록 합니다.
    1. 세분화 드롭다운으로 이동하여 새 세분화 만들기를 선택합니다. 이름 바꾸기 팝업 창에서 분할에 대한 사용자 지정 이름을 입력하고 확인을 클릭합니다.
    2. 마스터 볼륨 드롭다운으로 이동하여 볼륨 렌더링과 이름이 같은 활성 볼륨을 선택합니다. 다음으로 드롭다운 바로 아래에 추가 단추를 클릭합니다. 세그먼트 컨테이너가 아래 필드에 생성되었는지 확인합니다.
    3. 아래 의 효과 도구 패널로 이동하여 가위 도구를 선택합니다. 가위 메뉴로 이동하여 채우기 내부, 자유 형식 및 무제한을 선택합니다. 다음으로 , 3D 창 위로 마우스를 가져가서 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 지울 영역 을 그리는 동안 길게 누를 수 있습니다. 덮인 내용을 보여 주어 컬러 스와트가 나타나는지 확인합니다. 삭제할 모든 영역이 다커버될 때까지 이 프로세스를 반복합니다.
      참고: 세그먼트 편집기 추가 효과와 같은 확장에는 이 세분화를 만들기 위한 도구가 포함된 의료 이미지 컴퓨팅 소프트웨어에 다운로드할 수 있습니다.
    4. 다음으로 효과 메뉴에서 마스크 볼륨 도구를 선택합니다. 내부 선택 선택을 선택하여 세그먼트에서 다루는 모든 이미지 데이터를 삭제합니다. 다음으로, Hounsfield 단위 척도에서 공기 또는 보이드와 동일한 채우기 값을 -1000으로 수정합니다. 마지막으로 출력 볼륨 옆에 있는 아이볼을 적용하고 클릭하여 새 마스크 볼륨을 표시합니다.
      1. 모듈로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 볼륨 렌더링을 선택합니다. 활성 볼륨 옆의 아이 볼을 클릭하여 시각화를 끕니다.
      2. 다음으로 드롭다운 메뉴에서 새로 만든 마스크 볼륨을 선택합니다. 눈공을 클릭하여 볼륨을 활성화합니다.
      3. 마지막으로 입력 메뉴로 이동하여 속성 드롭다운 메뉴를 엽니다. 1.2.5 단계에서 만든 볼륨 속성을 선택합니다. 3D 뷰 의 볼륨이 마스크되고 색상인인 코딩되었는지 확인합니다.

3. 슬라이스

참고: 이 프로세스는 STL 메시 파일 대신 슬라이스 파일을 3D 프린팅으로 직접 전송하여 기존의 3D 프린팅 방법을 무시합니다. 다음 단계에서는 볼륨 렌더링에서 조각이 생성됩니다. 비트맵 생성기 모듈은 사용자 지정 빌드된 확장입니다. 이 확장 관리자에서 다운로드할 수 있습니다.

  1. 모듈로 이동하여 드롭다운에서 슬라이서팹을 선택합니다. 인쇄 매개 변수 및 출력 매개 변수 메뉴가 있는지 확인합니다.
    1. 프린터 매개 변수 드롭다운에서 X 해상도가 600 DPI로 설정되어 있고 Y 해상도가 300 DPI로 설정되어 있는지 확인합니다. 레이어 두께가 27 μm으로 설정되어 있는지 확인합니다.
    2. 다음으로 출력 매개 변수 메뉴를 열고 필요에 따라 최종 모델의 배율을 수정합니다.
    3. 마지막으로 슬라이스를 저장할 파일 위치를 선택하고 생성을 클릭 합니다.
      참고: 이 단계를 완료하는 데 몇 분 정도 걸릴 수 있습니다.

4. 디더링

참고: 어도비 포토샵( 자료 표 참조)이 섹션 4에서 완료된 작업에 사용되었습니다.

  1. 이미지 편집 소프트웨어를 열고 파일을 클릭하고 드롭다운 메뉴에서 열기 를 선택합니다. 이전 단계에서 만든 PNG 파일 스택의 첫 번째 이미지로 이동하여 열기 단추를 클릭합니다.
  2. 창으로 이동하여 드롭다운 메뉴에서 작업을 선택합니다. 작업 메뉴에서 새 작업을 클릭하고 사용자 지정 이름을 입력하고 확인을 선택합니다. 레코드 버튼이 활성 상태이고 빨간색인지 확인하여 작업이 기록되고 있는지 확인합니다.
    1. 이미지가 로드되면 이미지 | 모드 | 색인. 인덱스 창에서 드롭다운 메뉴 로컬 지각 에서 선택하고 8인 색상 수를 지정합니다.
    2. 강제 메뉴에서 사용자 지정을 선택합니다. 처음 두 사각형을 클릭하고 사용자 지정 색상 창이 팝업될 때까지 기다렸다가 사용자 지정 색상 팔레트를 선택합니다. 100% 마젠타를 선택하고 C, Y 및 K가 0으로 설정되어 있는지 확인합니다.
      1. 이 과정을 반복하고 100% C, Y 및 K에 전념하는 두 개의 사각형이 있는지 확인합니다.
    3. 옵션 메뉴에서 Matte의 경우 드롭다운 메뉴에서 사용자 지정을 선택합니다. 디더의 경우 확산을 선택하고 양에 대해 100%를 선택합니다. 마지막으로 확인을 클릭합니다.
    4. 작업 메뉴로 이동하여 정사각형 버튼을 클릭하여 녹화를 중지합니다. 활성 창을 닫고 저장 변경 팝업 창에서 아니오를 클릭합니다.
  3. 파일 | 로 이동 | 자동화 일괄 처리. 일괄 처리 팝업 창에서 작업 드롭다운으로 이동하여 이전 단계에서 만든 작업을 선택합니다. 다음으로 소스 메뉴 에서 선택 버튼을 클릭하고 3.1.3 단계에서 내보낸 이미지 폴더로 이동합니다. 대상 메뉴에서 선택 단추를 클릭하고 새 파일에 대한 대상 폴더 위치를 선택하고 확인을 클릭합니다.

5. 복셀 인쇄

참고: Stratasys GrabCAD5 는 섹션 5에서 완료된 작업에 사용되었습니다.

  1. 인쇄 소프트웨어를 열고 드롭다운 메뉴에서 앱을 클릭하고 복셀 인쇄 유틸리티를 시작합니다 .
    1. 슬라이스 파일의 접두사 텍스트 상자에 PNG 파일 스택의 접두사를 입력합니다. 다음으로 선택 단추를 클릭하고 PNG 파일 스택이 있는 폴더로 이동하여 확인을 클릭합니다.
    2. 슬라이스 범위 아래에서 첫 번째 슬라이스와 슬라이스 수가 생성된 폴더의 파일 수와 일치하는지 확인합니다.
    3. 슬라이싱 매개변수에서 슬라이스 두께(mm)가 3.1.1.1 단계에서 지정된 설정과 일치하는지 확인하고 슬라이스 너비(픽셀) 및 슬라이스 높이(픽셀)가 PNG 파일 너비와 높이와 일치합니다.
    4. 배경 색상 아래에서 배경이 인쇄되지 않도록 설정된 배경 색상과 일치하는지 확인합니다. 완료되면 다음 단추를 클릭합니다.
  2. 재질 매핑 아래 도구 페이지에서 드롭다운 메뉴에서 PNG 파일에서 파생된 관련 색상으로 매핑할 재질을 선택합니다. 메뉴의 각 색상에 대해 이 프로세스를 반복합니다. 그런 다음 완료 | 클릭합니다. 팝업 창에 확인 정보 Gcvf 생성 성공.
  3. 호스트 컴퓨터 인쇄 소프트웨어에서 파일 | 클릭합니다. 드롭다운 메뉴에서 파일을 가져옵니다. Gcvf 파일 로 이동하여 로드를 클릭합니다. 메인 화면에서 인쇄를 선택합니다.

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결과

그림 2 및 그림 3에 도시된 것과 같이 긍정적인 결과는 1.2.5 또는 2.1.1.4 단계에 정의된 볼륨 렌더링을 직접 변환하는 것입니다. 최종 모델은 크기, 모양 및 색상의 볼륨 렌더링과 시각적으로 일치해야 합니다. 이 프로세스에는 오류가 발생할 수 있는 여러 단계가 있으며, 이는 위에 나열된 하나 이상의 속성에 영향을 미칩니다.

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토론

디지털 모델링 도구의 대부분이 오늘날 사용하는 현재의 표현 프레임워크는 STL 파일 format8을 초래합니다. 그럼에도 불구하고, 이 패러다임의 특정 특성은 더 복잡하고 천연 소재의 세분화또는 계층구조를 표현하려고 할 때 부적절하다는 것이 입증되었습니다. 다중 재료 3D 프린팅과 같은 최근 적층 제조 기술이 등장함에 따라 고도로 조정되고 최적화된 물체를 생산할 수 있어 부...

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공개

N.J.는 콜로라도 리젠트 대학이 이 작품에 설명된 것과 같은 방법을 설명하는 특허 출원에 대한 저자입니다(출원 안 됩니다. US16/375,132; 게시 번호 US20200316868A1; 2019년 4월 04일 제출; 게시 08 10월 2020). 다른 모든 저자는 경쟁적인 이해관계가 없다고 선언합니다.

감사의 말

우리는 수술 전 계획에 대한 복셀 인쇄에 대한 우리의 과학적 연구의 관대 한 지원에 대한 AB 넥서스와 콜로라도 주 감사합니다. 이 연구에 사용된 데이터 세트를 제공한 L. 브라운, N. Stence 및 S. 셰리던에게 감사드립니다. 이 연구는 AB 넥서스 그랜트와 콜로라도 고급 산업 보조금의 상태에 의해 투자되었다.

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자료

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

참고문헌

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  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).
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  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).
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  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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