Анатомия печати Voxel: проектирование и изготовление реалистичных, предхирургических моделей планирования с помощью растровой печати

Резюме

Этот метод демонстрирует рабочий процесс 3D-печати на основе вокселя, который печатает непосредственно из медицинских изображений с точной пространственной точностью и пространственным / контрастным разрешением. Это позволяет осуществлять точный, градуированный контроль распределения материалов с помощью морфологически сложных, градуированных материалов, коррелирующих с радиоплотностью, без потери или изменения данных.

Аннотация

Большинство применений 3-мерной (3D) печати для предхирургического планирования были ограничены костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных органов из-за фундаментальных ограничений в точности, качестве и эффективности текущей парадигмы моделирования. Это в значительной степени игнорирует мягкие ткани, критически важные для большинства хирургических специальностей, где внутренняя часть объекта имеет значение, а анатомические границы постепенно переходят. Поэтому потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует множественные масштабы организации и различные материальные распределения, требуют новых форм представления.

Здесь представлена новая методика создания 3D-моделей непосредственно из медицинских изображений, которые превосходят по пространственному и контрастному разрешению современные методы 3D-моделирования и содержат ранее недостижимую пространственную точность и дифференцировку мягких тканей. Также представлены эмпирические измерения новых, аддитивно изготовленных композитов, которые охватывают гамму жесткости материала, наблюдаемой в мягких биологических тканях с помощью МРТ и КТ. Эти уникальные объемные конструкции и методы печати позволяют детерминированно и непрерывно регулировать жесткость и цвет материала. Эта возможность позволяет совершенно новое применение аддитивного производства к предхирургическому планированию: механический реализм. В качестве естественного дополнения к существующим моделям, которые обеспечивают соответствие внешнего вида, эти новые модели также позволяют медицинским работникам «чувствовать» пространственно изменяющиеся материальные свойства тканевого имитатора — критическое дополнение к области, в которой тактильные ощущения играют ключевую роль.

Введение

В настоящее время хирурги изучают многочисленные дискретные 2-мерные (2D) методы визуализации, отображающие различные данные для планирования операций на 3D-пациентах. Кроме того, просмотр этих данных на 2D-экране не полностью способен передавать весь объем собранных данных. По мере роста числа методов визуализации способность синтезировать больше данных из различных модальностей, которые демонстрируют несколько масштабов организации, требует новых форм цифрового и физического представления для конденсации и курирования информации для более эффективного и действенного хирургического планирования.

3D-печатные модели, специфичные для пациента, стали новым диагностическим инструментом для хирургического планирования, который, как было показано, сокращает время операции и хирургические ^{осложнения1}. Однако процесс занимает много времени из-за стандартного метода стереолитографии (STL) 3D-печати, который показывает видимую потерю данных и отображает напечатанные объекты как твердые, однородные и изотропные материалы. В результате 3D-печать для хирургического планирования была ограничена костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных ^{органов2}. Это ограничение является результатом устаревшей производственной парадигмы, руководствующейся продуктами и потребностями промышленной революции, где производимые объекты полностью описываются их внешними ^{границами3}. Однако потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует несколько масштабов организации и различных материальных распределений, требуют новых форм представления, которые представляют собой вариации по всему объему, которые меняются пункт за пунктом.

Для решения этой проблемы был разработан метод 3D-визуализации и моделирования (рисунок 1) в сочетании с новым процессом аддитивного производства, который позволяет лучше контролировать смешивание и осаждение смол в сверхвысоком разрешении. Этот метод, называемый растровой печатью, воспроизводит анатомию человека путем 3D-печати непосредственно из медицинских изображений на уровне пространственной точности и пространственного / контрастного разрешения передовой технологии визуализации, приближающейся к 15 мкм. Это обеспечивает точный и градуированный контроль, необходимый для репликации изменений в морфологически сложных мягких тканях без потери или изменения данных из диагностических исходных изображений.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение для вычисления медицинских изображений 3D ^Slicer4 (см. Таблицу материалов) использовалось для работы, выполненной в разделах с 1 по 3.

1. Ввод данных

1. Откройте программное обеспечение для вычисления медицинских изображений, нажмите кнопку Файл и DICOM в раскрывающемся меню и дождитесь открытия окна браузера DICOM .
   1. В окне браузера DICOM выберите Импорт. Дождитесь появления всплывающего окна Импорт файлов DICOM из каталога .
   2. Перейдите к стеку файлов DICOM и нажмите кнопку Импорт .
   3. Убедитесь, что выбранный стек файлов DICOM загружен в браузер DICOM. Убедитесь, что данные заполнены правильно и соответствуют требуемому исследованию в следующих категориях: Пациент, Исследование, Серия и Экземпляр.
      1. Установите флажок Дополнительно , чтобы активировать дополнительные метаданные. Выберите нужный номер серии и нажмите кнопку Изучить . Убедитесь, что нужная последовательность не отображает предупреждений. Установите флажок рядом с нужным файлом данных DICOM | Загрузка.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Выберите изображения с самым высоким разрешением с самым тонким захватом срезов, так как этот метод способен печатать при толщине среза 15 мкм и 27 мкм.
2. Для объемного рендеринга после загрузки последовательности в программное обеспечение для вычисления медицинских изображений перейдите в раздел Модули и выберите Модуль рендеринга томов в раскрывающемся меню.
   1. В модуле Отрисовка томов выберите имя последовательности в раскрывающемся меню Том , чтобы активировать стек изображений и перевести данные в вокселизированный том. Убедитесь, что имя активного модуля соответствует требуемой последовательности, выбранной на шаге 1.1.3.1.
   2. Щелкните значок Глазное яблоко рядом с раскрывающимся списком Громкость , чтобы визуализировать выбранный объем в 3D. Убедитесь, что окно 3D-дисплея открыто и отображается 3D-представление в градациях серого.
   3. Затем щелкните стрелку рядом с кнопкой Дополнительно , чтобы открыть расширенные инструменты. Выберите вкладку Свойство громкости , чтобы открыть набор элементов управления для изменения цветового канала модели voxel.
   4. Перейдите в меню Скалярное отображение непрозрачности . Щелкните поле левой кнопкой мыши, чтобы создать точки, где значения интенсивности будут определяться непрозрачностью. Поместите точки по этой шкале, чтобы визуализировать анатомию, представляющую интерес.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение точки вправо-влево коррелирует с диапазоном значений интенсивности изображения, а расположение вверх-вниз относится к непрозрачности.
   5. Перейдите в меню Скалярное цветовое сопоставление . Щелкните поле левой кнопкой мыши, чтобы создать точки и указать цвета, соответствующие значениям интенсивности. Дважды щелкните поле, чтобы открыть окно Выбор цвета , чтобы изменить информацию о цвете.

2. Манипуляции

ПРИМЕЧАНИЕ: Этап маскировки требуется, если анатомия достаточно сложна, до такой степени, что окружающие ткани и посторонние данные присутствуют после модификации объемных свойств.

1. Перейдите в раздел Модули и выберите Редактор сегментов в раскрывающемся меню. Убедитесь, что отображаются панели инструментов редактора сегментов .
   1. Перейдите к раскрывающемуся списку Сегментация и выберите Создать новую сегментацию как. Введите пользовательское имя сегментации во всплывающем окне «Переименовать сегментацию» и нажмите кнопку «ОК».
   2. Перейдите к раскрывающемуся списку Главный том и выберите активный том, имя которого будет совпадать с именем отрисовки тома. Затем нажмите кнопку Добавить непосредственно под раскрывающимся списком. Убедитесь, что контейнер сегмента создан в поле ниже.
   3. Перейдите на панель инструментов «Эффекты » ниже и выберите инструмент «Ножницы ». Перейдите в меню «Ножницы» и выберите «Заполнить внутри», «Свободная форма» и «Неограниченно». Затем наведите курсор на 3D-окно, щелкните правой кнопкой мыши и удерживайте во время рисования область, которую нужно стереть. Убедитесь, что отображается цветная полоса, показывающая, что было покрыто. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не будут покрыты все области, подлежащие удалению.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Существуют расширения, такие как Segment Editor Extra Effects, которые можно загрузить в программное обеспечение для вычисления медицинских изображений, содержащее инструменты для создания этой сегментации.
   4. Затем выберите инструмент « Громкость маски » в меню «Эффекты ». Установите флажок Выбрать внутри , чтобы удалить все данные изображения, охватываемые сегментом. Затем измените значение fill на -1000, что равно air или void в масштабе единиц Хаунсфилда. Наконец, нажмите «Применить» и щелкните Глазной шар рядом с выходным томом , чтобы отобразить новый замаскированный том.
      1. Перейдите в раздел Модули и выберите Отрисовка томов в раскрывающемся меню. Щелкните Глазное яблоко рядом с активной громкостью, чтобы отключить визуализацию.
      2. Далее в раскрывающемся меню выберите только что созданный замаскированный том. Щелкните Глазное яблоко , чтобы активировать громкость.
      3. Наконец, перейдите в меню «Ввод» и откройте раскрывающееся меню «Свойства ». Выберите свойство тома, созданное на шаге 1.2.5. Убедитесь, что громкость в 3D-представлении замаскирована и закодирована цветом.

3. Нарезка

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс обходит традиционный метод 3D-печати, отправляя файлы фрагментов непосредственно на 3D-печать вместо файла сетки STL. На следующих шагах фрагменты будут созданы из отрисовки тома. Модуль Генератор растровых изображений является специально созданным расширением. Его можно загрузить из диспетчера расширений.

1. Перейдите к модулям, выберите Slicerfab из раскрывающегося списка. Убедитесь, что меню Параметры печати и Выходные параметры присутствуют.
   1. В раскрывающемся списке Параметры принтера убедитесь, что для разрешения X установлено значение 600 DPI , а для разрешения Y — 300 DPI. Убедитесь, что толщина слоя установлена на 27 мкм.
   2. Затем откройте меню Выходные параметры и при необходимости измените масштаб конечной модели.
   3. Наконец, выберите расположение файла для сохраняемых фрагментов и нажмите кнопку Создать.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выполнение этого шага может занять несколько минут.

4. Дизеринг

ПРИМЕЧАНИЕ: Adobe Photoshop (см. Таблицу материалов) использовался для работы, выполненной в разделе 4.

1. Откройте программное обеспечение для редактирования изображений, нажмите Файл и выберите Открыть в раскрывающемся меню. Перейдите к первому изображению стека PNG-файлов, созданному на предыдущем шаге, и нажмите кнопку Открыть .
2. Перейдите в окно и выберите Действия в раскрывающемся меню. В меню Действия выберите команду Новое действие, введите пользовательское имя и нажмите кнопку ОК. Убедитесь, что действие записывается, проверив, что кнопка Запись активна и красна.
   1. После загрузки изображения перейдите в раздел Image | Режим | Индексированный цвет. В окне Индекс выберите из раскрывающегося меню Локальный восприятий и укажите количество цветов, которое должно быть 8.
   2. В меню Принудительный выберите Пользовательский. Щелкните первые два квадрата, дождитесь появления окна Пользовательский цвет и выберите пользовательскую цветовую палитру. Выберите 100% пурпурный и убедитесь, что C, Y и K установлены равны 0.
      1. Повторите этот процесс и убедитесь, что есть два квадрата, посвященных 100% C, Y и K.
   3. В меню Параметры для параметра Matte выберите Пользовательский в раскрывающемся меню. В поле Дизеринг выберите Диффузия, а в поле Количество выберите 100%. Наконец, нажмите кнопку ОК.
   4. Перейдите в меню Действие и нажмите квадратную кнопку, чтобы остановить запись. Закройте активное окно и нажмите Нет во всплывающем окне сохранения изменений .
3. Перейдите к | файлов Автоматизация | Пакет. Во всплывающем окне Пакетная обработка перейдите к раскрывающемуся списку Действие и выберите действие, созданное на предыдущем шаге. Затем в меню Источник нажмите кнопку Выбрать и перейдите к папке изображений, экспортированных на шаге 3.1.3. В меню Назначение нажмите кнопку Выбрать , выберите расположение папки назначения для новых файлов и нажмите кнопку ОК.

5. Воксельная печать

ПРИМЕЧАНИЕ: Stratasys ^GrabCAD5 использовался для работы, выполненной в разделе 5.

1. Откройте программное обеспечение для печати, щелкните Приложения и Запустите утилиту Voxel Print Utility из раскрывающегося меню.
   1. В текстовом поле Префикс файлов фрагментов введите префикс стека PNG-файлов. Затем нажмите кнопку Выбрать , перейдите в папку, в которой находится стек PNG-файлов, и нажмите кнопку ОК.
   2. В разделе Диапазон фрагментов убедитесь, что первый фрагмент и количество фрагментов соответствуют количеству файлов в созданной папке.
   3. В разделе Параметры нарезки убедитесь, что толщина фрагмента (мм) соответствует параметрам , указанным на шаге 3.1.1.1, а ширина фрагмента (пиксели) и высота фрагмента (пиксели) соответствуют ширине и высоте PNG-файлов.
   4. В разделе Цвет фона убедитесь, что фон соответствует цвету фона, а не печать. После завершения нажмите кнопку Далее .
2. На странице Инструменты в разделе Сопоставление материалов выберите материал из раскрывающегося меню, который будет сопоставлен с соответствующим цветом, полученным из PNG-файлов. Повторите эту процедуру для каждого цвета в меню. Затем нажмите кнопку Готово | OK во всплывающем окне Создание Info Gcvf выполнено успешно.
3. В программном обеспечении печати главного компьютера щелкните Файл | Импорт файла из раскрывающегося меню. Перейдите к файлу Gcvf и нажмите кнопку Загрузить. На главном экране выберите Печать.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Положительным результатом, как показано на рисунках 2 и 3, будет прямая трансляция объемного рендеринга, как это определено на этапах 1.2.5 или 2.1.1.4. Окончательная модель должна визуально соответствовать объемному рендерингу по размеру, форме и цв?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Нынешняя репрезентативная структура, которую сегодня использует большинство, если не все, инструменты цифрового моделирования, приводит к формату файла ^STL8. Тем не менее, специфика этой парадигмы оказалась неадекватной при попытке выразить детальную или иерархическую стр...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

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