Anatomia de Impressão Voxel: Design e Fabricação de Modelos realistas de planejamento pré-cirúrgico através da impressão bitmap

Resumo

Este método demonstra um fluxo de trabalho de impressão 3D baseado em voxel, que imprime diretamente de imagens médicas com fidelidade espacial exata e resolução espacial/contraste. Isso permite o controle preciso e graduado das distribuições de materiais através de materiais morfologicamente complexos e graduados correlacionados à radiodensidade sem perda ou alteração de dados.

Resumo

A maioria das aplicações de impressão tridimensional (3D) para planejamento pré-cirúrgico tem sido limitada a estruturas ósseas e simples descrições morfológicas de órgãos complexos devido às limitações fundamentais em precisão, qualidade e eficiência do paradigma de modelagem atual. Isso tem ignorado em grande parte o tecido mole crítico para a maioria das especialidades cirúrgicas onde o interior de um objeto importa e fronteiras anatômicas transitam gradualmente. Portanto, as necessidades da indústria biomédica de replicar tecido humano, que exibe múltiplas escalas de organização e distribuições de materiais variadas, exigem novas formas de representação.

Apresentada aqui é uma nova técnica para criar modelos 3D diretamente a partir de imagens médicas, que são superiores em resolução espacial e contraste aos métodos atuais de modelagem 3D e contêm fidelidade espacial inalcançável e diferenciação de tecido mole. Também são apresentadas medidas empíricas de compósitos novos e manufaturados que abrangem a gama de rigidezs materiais vistas em tecidos biológicos moles da ressonância magnética e da TC. Estes métodos exclusivos de design e impressão volumosas permitem ajuste determinístico e contínuo da rigidez e cor do material. Essa capacidade permite uma aplicação totalmente nova da fabricação aditiva ao planejamento pré-cirúrgico: realismo mecânico. Como um complemento natural aos modelos existentes que proporcionam correspondência de aparência, esses novos modelos também permitem que os profissionais médicos "sintam" as propriedades materiais espacialmente variadas de um simulador de tecido - uma adição crítica a um campo no qual a sensação tátil desempenha um papel fundamental.

Introdução

Atualmente, os cirurgiões estudam inúmeras modalidades de imagem 2-dimensional (2D) discretas exibindo dados distintos para planejar operações em pacientes 3D. Além disso, visualizar esses dados em uma tela 2D não é totalmente capaz de comunicar toda a extensão dos dados coletados. À medida que o número de modalidades de imagem cresce, a capacidade de sintetizar mais dados de modalidades distintas, que exibem múltiplas escalas de organização, exige novas formas de representação digital e física para condensar e fazer a curadoria de informações para um planejamento cirúrgico mais eficaz e eficiente.

Modelos impressos em 3D e específicos do paciente surgiram como uma nova ferramenta de diagnóstico para o planejamento cirúrgico que tem se mostrado para reduzir o tempo de operação e complicações ^cirúrgicas1. No entanto, o processo é demorado devido ao método de estereotipografia padrão (STL) de impressão 3D, que mostra uma perda visível de dados e torna objetos impressos como materiais sólidos, homogêneos e isotrópicos. Como resultado, a impressão 3D para planejamento cirúrgico tem sido limitada a estruturas ósseas e simples descrições morfológicas de órgãos ^complexos2. Essa limitação é resultado de um paradigma de fabricação ultrapassado guiado pelos produtos e necessidades da revolução industrial, onde os objetos fabricados são totalmente descritos por suas fronteiras ^externas3. No entanto, as necessidades da indústria biomédica de replicar tecido humano, que exibe múltiplas escalas de organização e distribuições de materiais variadas, exigem novas formas de representação que representam as variações em todo o volume, que mudam ponto a ponto.

Para abordar essa questão, foi desenvolvida uma técnica de visualização e modelagem 3D (Figura 1) e acoplado a um novo processo de fabricação aditiva que permite maior controle sobre a mistura e deposição de resinas em resolução ultra-alta. Este método, chamado de impressão bitmap, replica a anatomia humana por impressão 3D diretamente de imagens médicas a um nível de fidelidade espacial e resolução espacial/contraste da tecnologia avançada de imagem que se aproxima de 15 μm. Isso permite o controle preciso e graduado necessário para replicar variações no tecido mole morfologicamente complexo sem perda ou alteração de dados de imagens de origem diagnóstica.

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Protocolo

NOTA: ^{O Software de} Computação de Imagem Médica 3D (ver a Tabela de Materiais) foi utilizado para o trabalho concluído nas seções 1 a 3.

1. Entrada de dados

1. Abra o software de computação de imagem médica, clique no botão Arquivo e DICOM no menu suspenso e aguarde a janela do Navegador DICOM abrir.
   1. Na janela NAVEGADOR DICOM , selecione Importação. Aguarde que os arquivos de importação DICOM da janela popup do diretório apareçam.
   2. Navegue até a pilha de arquivos DICOM e clique no botão Importar .
   3. Certifique-se de que a pilha selecionada de arquivos DICOM seja carregada no navegador DICOM. Certifique-se de que os dados foram preenchidos corretamente e corresponde ao estudo desejado nas seguintes categorias: Paciente, Estudo, Série e Instância.
      1. Clique na caixa de seleção Advanced para ativar metadados adicionais. Selecione o número da série desejado e clique no botão Examinar . Certifique-se de que a sequência desejada não está exibindo avisos. Clique na caixa de seleção ao lado do arquivo DICOM Data desejado | Carrega, carrega.
         NOTA: Selecione as imagens de maior resolução com a aquisição de fatias mais fina, pois este método é capaz de imprimir a 15 μm e 27 μm de espessura de fatia.
2. Para renderização de volume, uma vez que a sequência é carregada no software de computação de imagem médica, navegue até módulos e selecione o Módulo de Renderização de Volume no menu suspenso.
   1. No módulo renderização de volume , selecione o nome da sequência no menu suspenso do volume para ativar a pilha de imagens e traduzir os dados em um volume voxelizado. Certifique-se de que o nome do módulo ativo corresponda à sequência desejada selecionada na etapa 1.1.3.1.
   2. Clique no ícone Eye Ball ao lado da queda de volume para visualizar o volume selecionado em 3D. Certifique-se de que a janela de exibição 3D esteja aberta e que uma representação 3D em escala de cinza seja visível.
   3. Em seguida, clique na seta ao lado do Advanced para abrir as Ferramentas Avançadas. Selecione a guia Propriedade de Volume para abrir um conjunto de controles para modificar o canal de cores do modelo voxel.
   4. Navegue até o menu de mapeamento de opacidade scalar . Clique esquerdo no campo para criar pontos onde os valores de intensidade serão definidos por opacidade. Coloque pontos ao longo desta escala para visualizar a anatomia do interesse.
      NOTA: A localização direita-esquerda do ponto está correlacionada com o alcance dos valores de intensidade da imagem, e o local de cima para baixo refere-se à opacidade.
   5. Navegue até o menu Scalar Color Mapping . Clique à esquerda no campo para criar pontos e especificar cores correlacionadas a valores de intensidade. Clique duas vezes no campo para abrir uma janela Selecionar cores para modificar informações de cores.

2. Manipulações

NOTA: É necessário um passo de mascaramento se a anatomia for suficientemente complexa, ao ponto de tecidos circundantes e dados ímuos estarem presentes após modificações nas Propriedades de Volume.

1. Navegue até módulos e selecione o Editor de segmentos no menu suspenso. Certifique-se de que as barras de ferramentas do Editor de segmentos apareçam.
   1. Navegue até o dropdown de segmentação e selecione Criar nova segmentação como. Digite um nome personalizado para a segmentação da janela popup 'Rename Segmentation ' e clique em OK.
   2. Navegue até a queda do Volume Mestre e selecione o volume ativo, que terá o mesmo nome da Renderização de Volume. Em seguida, clique no botão Adicionar diretamente abaixo do dropdown. Certifique-se de que o recipiente do segmento seja criado no campo abaixo.
   3. Navegue até o painel da ferramenta de efeitos abaixo e selecione a ferramenta Tesoura . Navegue até o menu Tesoura e selecione Fill Inside, Free-form e Unlimited. Em seguida, passe o mouse sobre a janela 3D, clique com o botão direito do mouse e segure enquanto desenha ao redor da área a ser apagada. Certifique-se de que uma faixa colorida apareça, mostrando o que foi coberto. Repita este processo até que todas as áreas a serem excluídas sejam cobertas.
      NOTA: Existem extensões, como efeitos extras do Editor de Segmento, que podem ser baixadas no software de computação de imagem médica, contendo ferramentas para criar essa segmentação.
   4. Em seguida, selecione a ferramenta Volume de máscara no menu Efeitos . Verifique selecionar dentro para excluir todos os dados de imagem cobertos pelo segmento. Em seguida, modifique o Valor de Preenchimento para ser -1000, que é igual ao ar, ou vazio, na escala da unidade Hounsfield. Por fim, clique em aplicar e clique no Eye Ball ao lado do Volume de Saída para mostrar o novo volume mascarado.
      1. Navegue até módulos e selecione Renderização de volume no menu suspenso. Clique no Eye Ball ao lado do volume ativo para desativar a visualização.
      2. Em seguida, no menu suspenso, selecione o volume mascarado recém-criado. Clique no Eye Ball para ativar o volume.
      3. Por fim, navegue até o menu Entradas e abra o menu suspenso propriedades . Selecione a Propriedade de Volume criada na etapa 1.2.5. Certifique-se de que o volume na exibição 3D esteja mascarado e codificado por cores.

3. Fatiamento

NOTA: Este processo contorna o método tradicional de impressão 3D enviando os arquivos de fatia diretamente para a impressão 3D em vez de um arquivo de malha STL. Nas etapas seguintes, as fatias serão criadas a partir da renderização de volume. O módulo Gerador Bitmap é uma extensão personalizada. Isso pode ser baixado do Extensions Manager.

1. Navegue até os Módulos, selecione Slicerfab a partir do dropdown. Certifique-se de que os menus Parâmetros de impressão e parâmetros de saída estão presentes.
   1. De acordo com a retirada dos parâmetros da impressora , certifique-se de que a resolução X esteja definida como 600 DPI e a resolução Y esteja definida como 300 DPI. Certifique-se de que a espessura da camada está definida em 27 μm.
   2. Em seguida, abra o menu Parâmetros de Saída e modifique a escala do modelo final conforme necessário.
   3. Finalmente, selecione um local de arquivo para que as fatias sejam salvas e clique em Gerar.
      NOTA: Este passo pode levar vários minutos para ser concluído.

4. Dithering

NOTA: O Adobe Photoshop (ver a Tabela de Materiais) foi utilizado para o trabalho concluído na seção 4.

1. Abra o software de edição de imagens e clique em Arquivo e selecione Abrir no menu suspenso. Navegue até a primeira imagem da pilha de arquivos PNG criada na etapa anterior e clique no botão Abrir .
2. Navegue até a janela e selecione Ações no menu suspenso. No menu Ações , clique em Nova Ação, digite um nome personalizado e selecione OK. Certifique-se de que a ação está sendo gravada verificando se o botão Gravar está ativo e vermelho.
   1. Uma vez que a imagem tenha carregado, navegue até a imagem | Modo | Cor indexada. Na janela Índice , selecione no menu suspenso Local Perceptual e especifique o número de cores a ser 8.
   2. No menu Forçada , selecione Personalizado. Clique nos dois primeiros quadrados, aguarde que a janela Custom Color apareça e selecione um palete de cores personalizado. Selecione 100% Magenta e garanta que C, Y e K estejam definidos para 0.
      1. Repita este processo e garanta que haja dois quadrados dedicados a 100% C, Y e K.
   3. No menu Opções , para Matte, selecione Personalizado no menu suspenso. Para Dither, selecione Difusão e, para Quantidade, selecione 100%. Por fim, clique em OK.
   4. Navegue até o menu Ação e clique no botão quadrado para parar de gravar. Feche a janela ativa e clique em Não na janela de salvamento . .
3. Navegar para | de arquivos Automatizar | O lote. Na janela popup Batch , navegue até o dropdown do Action e selecione a ação criada na etapa anterior. Em seguida, no menu Fonte , clique no botão Escolher e navegue até a pasta de imagens exportadas na etapa 3.1.3. No menu Destino , clique no botão Escolher , selecione um local de pasta de destino para os novos arquivos e clique em OK.

5. Impressão Voxel

NOTA: Stratasys ^GrabCAD5 foi utilizado para o trabalho concluído na seção 5.

1. Abra o software de impressão, clique em Aplicativos e inicie o Voxel Print Utility no menu suspenso.
   1. Na caixa de texto Prefixo dos Arquivos de fatia , digite o prefixo da pilha de arquivos PNG. Em seguida, clique no botão Selecionar e navegue até a pasta onde a pilha de arquivos PNG está localizada e clique em OK.
   2. Em Slice Range, certifique-se de que a Primeira Fatia e o Número de Fatias correspondam ao número de arquivos na pasta criada.
   3. Nos Parâmetros de Fatiamento, certifique-se de que a espessura fatiada (mm) corresponda às configurações especificadas na etapa 3.1.1.1 e largura de fatia (pixels) e a altura da fatia (pixels) correspondem à largura e altura dos arquivos PNG.
   4. Em Coloração de Fundo, certifique-se de que o fundo corresponde à cor de fundo, definido para não imprimir. Uma vez concluída, clique no botão Seguir .
2. Na página Ferramentas em Mapeamento de Materiais, selecione o material do menu suspenso a ser mapeado para a cor associada, derivada dos arquivos PNG. Repita este processo para cada cor no menu. Em seguida, clique em Concluir | OK na janela pop-up A criação do Info Gcvf foi bem sucedida.
3. No software de impressão do computador host, clique em Arquivo | Arquivo de importação do menu suspenso. Navegue até o arquivo Gcvf e clique em Carregar. Na tela principal, selecione Imprimir.

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Resultados

Um resultado positivo, como mostrado na Figura 2 e Figura 3, será uma tradução direta da renderização de volume definida nas etapas 1.2.5 ou 2.1.1.4. O modelo final deve combinar visualmente a renderização de volume em tamanho, forma e cor. Ao longo desse processo, existem inúmeras etapas onde pode ocorrer um erro, o que afetará uma ou mais das propriedades listadas acima.

Problemas relacionados ao dimensiona...

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Discussão

O quadro representativo atual de que a maioria, se não todas, das ferramentas de modelagem digital empregam hoje resulta no formato de arquivo ^STL8. No entanto, a natureza específica desse paradigma tem se mostrado inadequada ao tentar expressar a estrutura granular ou hierárquica de materiais naturais mais complexos. Com a chegada de técnicas recentes de fabricação aditiva, como impressão 3D multimaterial, podem ser produzidos objetos altamente sintonizados e altamente otimizados, que exib...

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Slicer Image Computing Platform	Slicer.org	Version 4.10.2–4.11.2
GrabCAD	Stratasys	1.35
J750 Polyjet 3D Printer	Stratasys
Photoshop	Adobe	2021