Protokollet beskriver tillverkningen av helt färgade tredimensionella utskrifter av patientspecifika, anatomiska skalle modeller som ska användas för kirurgisk simulering. De avgörande stegen för att kombinera olika Imaging modaliteter, bild segmentering, tredimensionell modell utvinning, och produktion av utskrifter förklaras.
Tredimensionell (3D) tryckteknik erbjuder möjligheten att visualisera patientspecifika sjukdomar i en fysisk modell av korrekta dimensioner. Modellen kan användas för att planera och simulera kritiska steg i en kirurgisk metod. Därför är det viktigt att anatomiska strukturer såsom blodkärl inuti en tumör kan tryckas för att färgas inte bara på deras yta, men under hela sin volym. Under simulering Detta möjliggör avlägsnande av vissa delar (t. ex. med en höghastighets borr) och avslöja internt placerade strukturer av en annan färg. Därför kan diagnostisk information från olika avbildningsmetoder (t. ex. CT, MRI) kombineras i ett enda kompakt och påtagligt objekt.
Men förberedelse och tryckning av en sådan helt färgad anatomisk modell är fortfarande en svår uppgift. Därför tillhandahålls en steg-för-steg-guide som demonstrerar fusion av olika tvärsnittsdata uppsättningar, segmentering av anatomiska strukturer och skapandet av en virtuell modell. I ett andra steg den virtuella modellen trycks med volumetriskt färgade anatomiska strukturer med hjälp av en gips-baserad färg 3D bindemedel Jetting teknik. Denna metod möjliggör mycket noggrann reproduktion av patientspecifik anatomi som visas i en serie av 3D-tryckt stenfri Apex chondrosarcomas. Dessutom, de modeller som skapats kan klippas och borras, avslöjar interna strukturer som möjliggör simulering av kirurgiska ingrepp.
Kirurgisk behandling av skallbas tumörer är en utmanande uppgift som kräver exakt preoperativ planering1. Multimodal avbildning med hjälp av datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRI) förser kirurgen med information om patientens individuella anatomi. I klinisk praxis visualiseras denna diagnostiska information genom att visa en serie tvådimensionella (2D) tvärsnitt som representerar olika aspekter av anatomin (t. ex. CT för visualisering av ben, CT-angiografi för fartyg, MRT för mjuk vävnad).
Men, särskilt för nybörjare, läkarstudenter, och patienter, förstå de komplexa relationerna mellan de olika 3D-strukturer till tvärsnittsbilder är utmanande. Bredvid från döda Studies2, detta problem kan åtgärdas genom att etablera verkliga storlek anatomiska modeller av enskilda patologier, visar anatomiska strukturer i olika färger3.
Tack vare tekniska framsteg under de senaste åren, 3D tryckteknik möjliggör kostnadseffektiv konstruktion av komplexa former4,5. Därför erbjuder denna teknik möjligheten att konstruera patientspecifika anatomiska modeller som är påtagliga, tydligt skildra rumsliga relationer, och kan användas för kirurgisk planering och simulering. Särskilt i sällsynta och komplexa fall som stenös Apex chondrosarcomas, preoperativ simulering av tumör avlägsnande i ett enskilt fall kan bidra till att förbättra självförtroendet hos kirurgen och patientens resultat.
Gemensamma FDM-tryck (glöd tråds modellering) tekniker kan endast skapa objekt med en sluten yta i en eller en begränsad mängd färger6. För att ge en modell för kirurgisk simulering som innehåller olika komplexa formade anatomiska strukturer huvudsakligen kapslade inuti varandra, är helt volumetriskt färgade 3D-utskrifter behövs. Detta möjliggör en successiv borttagning av vävnads lagren tills en intern struktur avslöjas.
Gips-baserade färg 3D bindemedel Jetting är en teknik som kan producera de nödvändiga Multicolor modeller7. Medan i dess standardkonfigurationer endast ytan av ett objekt kan färgas, häri en modifierad teknik beskrivs för att säkerställa volymetriska tillämpning av färg till interna anatomiska strukturer.
För att demonstrera denna teknik, fall av patienter med skallbasen chondrosarcomas valdes som ett exempel. Chondrosarcomas står för 20% av alla neoplasi i skelettsystemet, mestadels placerad i långa ben. Primär skallbasen chondrosarcomas är ett sällsynt tillstånd som ansvarar för 0,1 – 0,2% av alla intrakraniella tumörer8. Huvudsakligen ligger vid stenös Apex, dessa tumörer växer i en komplex anatomisk miljö med centrala strukturer som den inre halspulsådern, den optiska och andra kranialnerver, liksom hypofysen. Behandling av dessa neoplasmer är främst inriktad på en total kirurgisk resektion, eftersom adjuvant terapier ensam (t. ex. strålning) är inte tillräckligt effektiva9.
På grund av komplexiteten och sällsynthet av denna tumör enhet, preoperativ kirurgisk simulering i en 3D-tryckt skalle modell kan bidra till att bättre visualisera och förstå anatomin och hjälpa kirurgen uppnå fullständig resektion. Som framgår av andra10,11 3D-utskrifter av patientspecifika modeller förbättrar både invånarnas och erfarna neurokirurger förståelse av komplexa neuroanatomi.
Men att skapa sådana individualiserade modeller från medicinska avbildningsdata kräver färdigheter i bildsegmentering, 3D-modellering och 3D-utskrifter, särskilt när anatomiska strukturer ska tryckas i olika färger. Detta manuskript avser att göra tillverkningen av de beskrivna anatomiska modellerna mer tillgängliga för andra genom att tillhandahålla ett detaljerat protokoll för omvandling av medicinska avbildningsdata till virtuella 3D-modeller och för tillverkning av mångfärgade 3D-objekt.
Arbetsflödet består huvudsakligen av fyra delar: 1) segmentering av medicinska avbildningsdata och skapandet av en virtuell 3D-modell; 2) beredning av den virtuella 3D-modellen för Multicolor 3D-utskrifter; 3) förberedelser för volymetrisk färgning av utvalda delar; och 4) 3D-utskrifter och efter bearbetning.
Terapin av intrakraniell kondrosarkom är huvudsakligen baserad på fullständig kirurgiskt avlägsnande. Ofta ligger på stenös Apex, denna tumör är nära viktiga strukturer såsom den inre halspulsådern, synnerven, och hypofysen. Därför är planering av kirurgiska banor ett avgörande steg före operationen. Multicolor 3D-utskrifter möjliggör fusion av dessa strukturer, var och en härrör från olika Imaging modaliteter, till ett enda objekt.
Under förberedelserna för 3D-utskrifter är det viktigt att noggrant välja lämpliga bild data. Högupplösta bilder med en liten tjocklek är väl lämpade för 3D-rekonstruktion och mjuka övergångar, medan hög segment tjocklekar kommer att producera grova, ojämna objekt. En annan kritisk steg i metoden är att undvika korsningar av två angränsande objekt såsom tumör och skallbenet. Därför måste booleska åtgärder utföras för att subtrahera ett objekt från den andra.
För att möjliggöra volymetrisk färgning är det nödvändigt att skapa lök Shell-liknande under ytor inuti ett objekt (figur 2A,B). Det är nödvändigt att ha ett minsta avstånd mellan två intilliggande ytor på minst 0,1 mm för att få smidigt färgade objekt (figur 2D). Om det valda avståndet ligger över detta värde kan de enskilda skalen inuti objektet bli synliga (figur 2C). Uppmärksamhet bör ägnas åt en ökad färg konsumtion av 3D-skrivare när du använder volumetrisk färg. Dessutom är det också viktigt att kontrollera modellen för alla lösa delar och lägga till stöd vid behov (t. ex. basilaris artär).
Metoden kan bara producera stela, gips-liknande material som inte är mycket tålig. Speciellt utan härdning förfarande, kan modellen lätt förstöras under uppackning förfarandet. Således tenderar ömtåliga element som blodkärl ofta att bryta isär.
Tekniken lämpar sig inte heller för simulering av mjuk vävnad. För att simulera hjärnvävnad, till exempel, kan det vara nödvändigt att antingen skriva ut den med en metod som kan producera mjuka och hårda material direkt12,13 eller för att skriva ut formar som kan användas för att kasta mjuka föremål, såsom silikon gummi14. I ett testfall användes den senare metoden för att simulera en mjuk tumör. Begränsningen av detta sista förfarande var att även om silikon tumören var mycket flexibel, var det nödvändigt att ha tillräckligt med utrymme för att infoga den i 3D tryckt modell. Dessutom var det inte möjligt att skapa inre strukturer, såsom ett blodkärl.
3D binder Jetting är en tillsats tillverkningsteknik som monterar objekt genom partiell härdning och färgning tunna lager av pulver. Sålunda, den Tillåt för tryckningen en nästan obegränsad omfång av Cologne, Cologne övergångar, och Cologne strukturen insida volymen av syfte i en enkel förlopp.
Jämfört med andra trycktekniker såsom glödlampor skrivare, som producerar de lägsta kostnaderna, men bara tillåta två eller tre färger på en gång, och Poly Jet skrivare som producerar Multicolor, multi-material objekt men är mycket dyra, denna teknik erbjuder en kompromiss till ett överkomligt pris. Den genomsnittliga materialkostnaden för en tryckt skalle var cirka €150.
Med denna metod är det möjligt att visualisera ännu mer abstrakta data såsom filament fibrer som härrör från MRI fiber tracking sekvenser eller funktionell avbildning som skildrar, till exempel, hjärnan talområdet (t. ex., Broca% s område).
Bortsett från kirurgisk simulering, 3D tryckta, helt färgade modeller av verkliga patientens anatomi kan bidra till att förbättra utbildningen av medicinska studenter eller unga läkare så att de bättre kan förstå komplexa anatomiska relationer. Det är också ett viktigt verktyg i patientundervisningen.
The authors have nothing to disclose.
Delar av detta arbete har presenterats som en affisch vid det årliga mötet i det tyska Neurokirurgiska sällskapet (DGNC) 2019 i Würzburg, Tyskland och som en kort presentation vid det årliga mötet i det tyska sällskapet för dator-och Robotassisterad kirurgi (CURAC) 2019 i Reutlingen, Tyskland.
3D printer | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | Zprinter Z450 |
3D printing software | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | 3DPrint Software (Version 1.03) |
Binder solution for cartridge | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0100-7001 | VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Liter |
Infiltration solution | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0250-1090 | Color-Bond 90, 1 bottle, 454 g |
Modeling Software for 3D print preparation | Autodesk, San Rafael, CA, USA | x | Netfabb Premium (Version 2019.0) |
Print head for binder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2010 | HP 11 print head (C4810A) |
Print head for color | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2011 | HP 57 printhead C 6657 AE Tricolor |
Printing powder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0050-2061 | VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg – ca. 11,47 L |
Segmentation software | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | x | Amira 5.4.5 |