Srinagarind Medical Journal

The Three-Dimensional Modeling from Computed Tomography Images by Three-Dimensional Printing

การสร้างโมเดล 3 มิติ จากภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

Por. Nopparat Thedpitak (ป.นพรัตน์ เทศพิทักษ์) 1

หลักการและวัตถุประสงค์: การพิมพ์ 3 มิติ สามารถใช้งานได้ในหลายสาขา ในการศึกษาครั้งนี้ โมเดล 3 มิติ ถูกสร้างและพิมพ์ให้ได้ตามขนาดและรูปร่างอะคริลิกแฟนทอม (Acrylic phantom) การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบความถูกต้องของการสร้างโมเดล 3 มิติ สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ

วิธีการศึกษา: สแกนอะคริลิกแฟนทอมด้วยเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์เพื่อให้ได้ข้อมูลภาพไดคอม แล้วสร้างโมเดล 3 มิติ เพื่อนำไปพิมพ์ 3 มิติ ประเมินผลโดยนำโมเดล 3 มิติ ที่พิมพ์ออกมาไปเปรียบเทียบกับอะคริลิกแฟนทอม โดยประเมินรูปร่างและขนาดด้วยสายตา และวัดความกว้าง ความยาว และความสูงของแต่ละชั้น เพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างด้วย ค่าร้อยละความคลาดเคลื่อน

ผลการศึกษา: โมเดล 3 มิติ กับอะคริลิกแฟนทอม เมื่อประเมินด้วยสายตามีขนาดและรูปร่างเหมือนกัน และผลการวัดความกว้าง ความยาว และความสูงของแต่ละชั้น มีร้อยละความคลาดเคลื่อน น้อยกว่าร้อยละ 2

สรุป: จากการศึกษาในครั้งนี้การสร้างและพิมพ์โมเดล 3 มิติ มีความคลาดเคลื่อนของขนาดและรูปร่างน้อยกว่าร้อยละ 2

Background and Objective: The 3D printing could be applicable in many fields. In this study, 3D models were constructed and printed according to size and shape of acrylic phantom. This study aimed to test the accuracy of 3D modeling for 3D printing.

Methods: The acrylic phantom was scanned by CT equipment storing data in a DICOM image format. Then the 3D model was created for 3D printing. Evaluate the results from the 3D model printed against the acrylic phantom, by assessing shape and size with sighting and measuring the width, length and height of each layer, and compare the differences by percent error.

Results: When visual assessment was performed, the 3D model and acrylic phantom, had the same size and shape. And the width, length, and height of each layer had a percent error less than 2 percent.

Conclusion: In this study, to create and print 3D models had a size and shape expectation of less than 2 percent, error.

บทนำ

การพิมพ์ 3 มิติ (3D printing) ซึ่ง Schubert และคณะ¹ ได้กล่าวไว้ว่าเริ่มแรกได้ออกแบบโดย Charles Hull แล้วได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้งานได้ในหลายสาขาวิชา²^,3 และสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในทางการแพทย์ ซึ่งใช้ข้อมูลภาพทางการแพทย์ เช่น ภาพซีที หรือเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (Computed Tomography) สามารถใช้ซอฟต์แวร์⁴^-6 แปลงจากข้อมูลภาพไดคอม (Digital Imaging and Communications in Medicine: DICOM) ไปเป็นข้อมูลภาพ 3 มิติ มีรูปแบบไฟล์ Standard Tessellation Language (STL) ซึ่งสามารถนำไปพิมพ์เป็นโมเดล 3 มิติ⁷^-10 โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printing)³

การสร้างโมเดล 3 มิติ จากภาพซีที เพื่อนำไปพิมพ์เป็นอวัยวะ 3 มิติ เพื่อใช้วางแผนสำหรับการผ่าตัด ตัวอย่างเช่น ผู้ป่วยมีความผิดปกติตรงบริเวณขากรรไกรด้านขวา บทบาทของรังสีแพทย์สามารถใช้ซอฟต์แวร์สร้างโมเดล 3 มิติ ตามกายวิภาคศาสตร์จริงจากผู้ป่วยคนนั้น เช่น ใช้ซอฟต์แวร์วาดขากรรไกรด้านขวาให้เหมือนเป็นปกติ โดยใช้ขากรรไกรด้านซ้ายที่ปกติเป็นต้นแบบในการวาด เมื่อนำไปพิมพ์เป็นอวัยวะ 3 มิติ ทำให้แพทย์ที่ทำการผ่าตัดใช้วางแผนการผ่าตัดได้ ดังนั้นปัญหาของการวิจัยในครั้งนี้ นั่นคือ เพื่อทดสอบความถูกต้องว่าโมเดล 3 มิติ ที่จะพิมพ์ออกมามีความเหมือนและเท่ากับอวัยวะจริงของผู้ป่วยหรือไม่

วัตถุประสงค์ของการศึกษาเพื่อทดสอบความถูกต้องของการสร้างโมเดล 3 มิติ สำหรับพิมพ์ 3 มิติ

วิธีการศึกษา

1. อะคริลิกแฟนทอม (Acrylic phantom) ที่ใช้เป็นตัวแทนอวัยวะผู้ป่วย สร้างขึ้นจากแผ่นอะคริลิก ความหนา 2 ซม. รูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสนำมาวางทับซ้อนกัน 4 ชั้น ชั้นฐาน ขนาด 12 x 12 ซม. ชั้นที่ 2 ขนาด 10 x 10 ซม. ชั้นที่ 3 ขนาด 8 x 8 ซม. และชั้นที่ 4 ขนาด 6 x 6 ซม. (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 อะคริลิกแฟนทอม

2. สแกนด้วยเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ เนื่องจากอะคริลิกแฟนทอมที่ใช้ศึกษามีขนาดใกล้เคียงกับศีรษะจึงใช้เทคนิค CT brain (GE Healthcare Optima CT660, ใช้ Protocol CT Brain NC, ตั้งค่า 120 kVp, 370 mAs, 1 mm thickness และใช้ technique auto scan) (รูปที่ 2)

รูปที่ 2 สแกนด้วยเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์

3. ใช้ซอฟต์แวร์แปลงภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ที่เป็นข้อมูลภาพ DICOM ให้เป็นโมเดล 3 มิติ มีรูปแบบไฟล์ .STL

4. นำไฟล์ข้อมูลรูปแบบไฟล์ .STL พิมพ์เป็นโมเดล 3 มิติ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3 เครื่องพิมพ์ 3 มิติ

5. โมเดล 3 มิติ ที่ได้จากการพิมพ์นำไปเปรียบเทียบกับอะคริลิกแฟนทอม โดยประเมินรูปร่างและขนาดด้วยสายตา และใช้เวอร์เนียร์คาลิปเปอร์วัดความกว้าง ความยาว และความสูงตรงกึ่งกลางของส่วนที่วัดของแต่ละชั้นจนครบทั้ง 4 ชั้น ทำการวัดโดยรังสีแพทย์ ขั้นตอนทั้งหมดในการทดสอบจำนวน 3 ครั้ง เพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างโดย ค่าร้อยละความคลาดเคลื่อนซึ่งคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

ผลการศึกษา

โมเดล 3 มิติ ที่ได้จากกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ กับอะคริลิกแฟนทอม เมื่อประเมินด้วยสายตาพบว่ามีขนาดและรูปร่างเหมือนกัน (รูปที่ 4)

รูปที่ 4 เปรียบเทียบโมเดล 3 มิติ กับอะคริลิกแฟนทอม

ผลการวัดความกว้าง ความยาว และความสูง ของโมเดล 3 มิติ ที่ได้จากกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ เปรียบเทียบกับอะคริลิกแฟนทอม (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1 ร้อยละความคลาดเคลื่อนของโมเดล 3 มิติ เปรียบเทียบกับอะคริลิกแฟนทอม

	โมเดล 3 มิติ (cm)					อะคริลิก แฟนทอม (cm)	ร้อยละความคลาดเคลื่อน
	ครั้งที่ 1	ครั้งที่ 2	ครั้งที่ 3	เฉลี่ย (cm)	sd	อะคริลิก แฟนทอม (cm)	ร้อยละความคลาดเคลื่อน
ชั้นฐาน
ความกว้าง	11.95	11.97	11.93	11.95	0.02	12.00	0.42
ความยาว	11.95	11.95	11.98	11.96	0.02	12.00	0.33
ความสูง	2.04	2.02	2.04	2.03	0.01	2.00	1.50
ชั้นที่ 2
ความกว้าง	9.92	9.95	9.98	9.98	0.03	10.00	0.20
ความยาว	9.93	9.96	9.94	9.94	0.02	10.00	0.60
ความสูง	1.97	1.98	1.98	1.98	0.01	2.00	1.00
ชั้นที่ 3
ความกว้าง	7.92	7.94	7.92	7.93	0.01	8.00	0.88
ความยาว	7.90	7.90	7.92	7.92	0.01	8.00	1.00
ความสูง	2.04	2.02	2.02	2.02	0.01	2.00	1.00
ชั้นที่ 4
ความกว้าง	5.96	5.98	5.94	5.94	0.02	6.00	1.00
ความยาว	5.98	5.95	5.95	5.95	0.02	6.00	0.83
ความสูง	2.04	2.02	2.01	2.01	0.02	2.00	0.50

จากตารางที่ 1 มีร้อยละความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 2 ซึ่งความถูกต้องจากกระบวนการพิมพ์อวัยวะ 3 มิติ ที่ได้จากการศึกษาในครั้งนี้ ทำให้มีความเชื่อมั่นในการใช้วางแผนการผ่าตัดทางการแพทย์ให้กับผู้ป่วย

วิจารณ์

การศึกษานี้ได้ทดสอบความถูกต้องของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้อะคริลิกแฟนทอมเป็นวัตถุต้นแบบ โดยใช้ขั้นตอนสำหรับพิมพ์โมเดล 3 มิติ พบว่ามีร้อยละความคลาดเคลื่อนน้อยกว่าร้อยละ 2 และจากการประเมินด้วยสายตา การพิมพ์โมเดล 3 มิติ มีขนาดและรูปร่างเหมือนกับอะคริลิกแฟนทอม

รูปที่ 5 ภาพโมเดล 3 มิติ

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติ ในทางการแพทย์ (รูปที่ 5) ภาพที่ได้จากการแปลงภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ให้เป็นภาพโมเดล 3 มิติ พบว่าขากรรไกรล่างด้านขวาของผู้ป่วยถูกทำลาย

รูปที่ 6 โมเดล 3 มิติ ที่ประมวลผลภาพแก้ไขให้เหมือนเป็นปกติ

จากรูปที่ 6 ใช้ซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพแก้ไขให้เป็นปกติตามกายวิภาคศาสตร์ของผู้ป่วย โดยใช้เทคนิคการทำ Mirror จากการคัดลอกขากรรไกล่างซ้ายที่ปกติแล้วพลิกภาพ นำไปแทนด้านขวาส่วนที่ผิดปกติ หรืออาจจะใช้วิธีการลบส่วนที่ผิดปกติออกก่อน แล้วทำการวาดขึ้นมาใหม่โดยใช้ด้านซ้ายเป็นต้นแบบสำหรับวาด แล้วสามารถนำไปพิมพ์เป็นอวัยวะ 3 มิติ เพื่อใช้เป็นแม่แบบสำหรับการวางแผนการผ่าตัดต่อไป

รูปที่ 7 โมเดล 3 มิติ ที่ประมวลผลภาพแยกเป็นชิ้นส่วนตามต้องการ

จากรูปที่ 7 สามารถใช้ซอฟต์แวร์ประมวลผลภาพเป็นโมเดล 3 มิติ ตามต้องการ เช่น ต้องการสร้างโมเดล 3 มิติ อวัยวะบางชิ้นที่ต้องการ แล้วสามารถนำไปพิมพ์เป็นอวัยวะ 3 มิติ เพื่อใช้สำหรับศึกษาหรือนำไปวางแผนในการรักษาผู้ป่วยต่อไป

สรุป

การศึกษานี้ขั้นตอนการสร้างและพิมพ์โมเดล 3 มิติ มีร้อยละความคลาดเคลื่อนของขนาดและรูปร่างกับอะคริลิกแฟนทอมแตกต่างไม่เกินร้อยละ 2 และจากข้อจำกัดบางประการทำให้การศึกษาครั้งนี้ได้แบบจำลองที่ยังมีขนาดใหญ่และได้แสดงเฉพาะรูปทรงสี่เหลี่ยมเท่านั้น แต่ยังไม่มีการเปรียบเทียบรูปร่างอื่นที่มีความโค้ง ความบิดเบี้ยว มีโพรง หรือทรงกลม ดังนั้นหากมีการศึกษาและพัฒนาต่อไปให้มีลักษณะที่ใกล้เคียงกับการเป็นตัวแทนของอวัยวะผู้ป่วยจริงจะทำให้ได้ผลงานที่มีคุณภาพดีขึ้น

เอกสารอ้างอิง

1. Schubert C, Van Langeveld MC, Donoso LA. Innovations in 3D printing: a 3D overview from optics to organs. Br J Ophthalmol 2014; 98: 159–61.

2. Ventola CL. Medical Applications for 3D Printing: Current and Projected Uses. Pharmacy and Therapeutics 2014; 39: 704-11.

3. Gross BC, Erkal JL, Lockwood SY, Chen C, Spence DM. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem 2014; 86: 3240–53.

4. Ciuffolo F, Epifania E, Duranti G, De Luca V, Raviglia D, Rezza S, et al. Rapid prototyping: a new method of preparing trays for indirect bonding. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2006; 129: 75–7.

5. Lipson H. New world of 3-D printing offers “completely new ways of thinking:” Q&A with author, engineer, and 3-D printing expert Hod Lipson. Institute of Electrical and Electronics Engineers Pulse 2013; 4: 12–4.

6. Hieu LC, Zlatov N, Vander Sloten J, et al. Medical rapid prototyping applications and methods. Assemb Autom 2005; 25: 284–92.

7. Banks J. Adding value in additive manufacturing: Researchers in the United Kingdom and Europe look to 3D printing for customization. IEEE Pulse 2013; 4: 22–6.

8. Ursan I, Chiu L, Pierce A. Three-dimensional drug printing: a structured review. J Am Pharm Assoc 2013; 53: 136–44.

9. Cui X, Boland T, D’Lima DD, Lotz MK. Thermal inkjet printing in tissue engineering and regenerative medicine. Recent Pat Drug Deliv Formul 2012; 6: 149–55.

10. Rengier F, Mehndiratta A, Von Tengg-Kobligk H, et al. 3D printing based on imaging data: Review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol Surg 2010; 5: 335-41.

The Three-Dimensional Modeling from Computed Tomography Images by Three-Dimensional Printingการสร้างโมเดล 3 มิติ จากภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

The Three-Dimensional Modeling from Computed Tomography Images by Three-Dimensional Printing

การสร้างโมเดล 3 มิติ จากภาพเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ