Summary
여기에서는 갑상선 수술의 수술 전 평가를 위한 개인화된 3D 프린팅 모델을 구축하는 새로운 방법을 제안합니다. 수술 전 논의에 도움이 되어 갑상선 수술의 어려움을 줄여줍니다.
Abstract
갑상선암 수술 부위의 해부학적 구조는 복잡합니다. 수술 전에 종양 위치와 캡슐, 기관, 식도, 신경 및 혈관과의 관계를 종합적이고 신중하게 평가하는 것이 매우 중요합니다. 이 논문은 컴퓨터 단층 촬영(CT) DICOM 이미지를 기반으로 한 혁신적인 3D 프린팅 모델 설정 방법을 소개합니다. 갑상선 수술이 필요한 환자 한 명 한 명당 자궁경부 갑상선 수술 분야의 맞춤형 3D 프린팅 모델을 구축하여 임상의가 수술의 요점과 난이도를 평가하고 핵심 부분의 수술 방법을 기준으로 선택할 수 있도록 지원했습니다. 결과는 이 모델이 수술 전 논의와 수술 전략 수립에 도움이 되는 것으로 나타났습니다. 특히, 갑상선 수술 부위에서 재발성 후두신경과 부갑상선 위치가 명확하게 표시되기 때문에 수술 중 손상을 피할 수 있고, 갑상선 수술의 어려움이 감소하며, 수술 후 부갑상선기능저하증 및 재발성 후두신경 손상과 관련된 합병증의 발생률도 감소합니다. 또한 이 3D 프린팅 모델은 직관적이며 수술 전에 환자가 정보에 입각한 동의서에 서명하기 위한 의사 소통을 돕습니다.
Introduction
갑상선 결절은 가장 흔한 내분비 질환 중 하나이며 그 중 갑상선암이 14%-21%를 차지합니다1. 갑상선암에 대한 선호되는 치료법은 수술입니다. 그러나 갑상선은 전방 경추 부위에 위치하기 때문에 부갑상선, 기관, 식도, 경추 대혈관 및 신경과 같은 수술 부위의 갑상선 가까이에 중요한 조직과 기관이 있습니다 2,3 수술이 상대적으로 어렵고 위험합니다. 가장 흔한 수술 합병증은 부갑상선 기능 손상 또는 잘못된 절제술로 인한 부갑상선 기능 저하와 재발성 후두 신경 손상으로 인한 쉰 목소리이다4. 위에서 언급 한 수술 합병증의 감소는 항상 외과 의사의 목표였습니다. 갑상선 수술 전 가장 일반적인 영상 방법은 초음파 영상이지만 부갑상선과 신경의 표시는 매우 제한적입니다5. 또한, 갑상선 수술 부위의 부갑상선과 재발 성 후두 신경의 위치 변화가 매우 커서 식별을 방해합니다 6,7. 수술 중 실시간으로 모델을 통해 각 환자의 해부학적 위치를 외과의에게 명확하게 표시할 수 있다면 갑상선 수술의 수술 위험을 줄이고 합병증 발생률을 줄이며 갑상선 수술의 효율성을 높일 수 있습니다.
또한 수술 전에 환자에게 수술 과정을 철저히 설명하는 것도 어렵습니다. 경험이 부족한 일부 외과 의사는 특히 갑상선과 그 주변 구조의 복잡성 때문에 수술의 정확한 세부 사항을 환자에게 설명하고 전달하는 데 어려움을 겪습니다. 환자마다 고유한 해부학적 구조와 개인적 필요가 있다8. 따라서 환자의 실제 해부학을 기반으로 한 개인화된 3D 갑상선 모델은 환자와 임상의를 효과적으로 도울 수 있습니다. 현재 시장에 나와있는 대부분의 제품은 평면 다이어그램을 기반으로 대량 생산됩니다. 3D 프린팅 기술을 활용하여 각 환자의 개별 의학적 요구를 반영하는 환자별 모델을 생성함으로써 이 모델은 갑상선암 환자의 실제 상태를 평가하고 외과의가 환자와 질병의 특성을 더 잘 전달하는 데 사용할 수 있습니다.
3D 프린팅(또는 적층 제조)은 컴퓨터 지원 설계 모델 또는 디지털 3D 모델(digital 3D model)9을 기반으로 구축된 3차원 구조이다. 이는 의료 기기, 해부학적 모델 및 약물 제형과 같은 많은 의료 응용 분야에서 사용되어 왔다10. 기존 이미징에 비해 3D 프린팅 모델은 더 잘 보이고 읽기 쉽습니다. 따라서 3D 프린팅은 현대 외과 수술에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 기술에는 통 중합 기반 프린팅, 분말 기반 프린팅, 잉크젯 기반 프린팅 및 압출 기반 프린팅이 포함됩니다 11. 통 중합 기반 인쇄에서는 특정 파장의 빛이 광경화 수지 배럴에 조사되어 수지를 한 번에 한 층씩 국부적으로 경화시킵니다. 그것은 재료 절약과 빠른 인쇄의 장점이 있습니다. 분말 기반 인쇄는 더 조밀한 구조를 위해 분말 재료를 융합하기 위해 국부적 가열에 의존하지만, 인쇄 시간과 비용의 상당한 증가로 이어지며 현재 제한적으로 사용되고 있다12. 잉크젯 기반 인쇄는 층별 공정으로 기판에 물방울을 정밀하게 분사합니다. 이 기술은 가장 성숙하고 높은 재료 호환성, 제어 가능한 비용 및 빠른 인쇄 시간의 장점이 있습니다13. 압출 기반 인쇄는 노즐을 통해 용액 및 현탁액과 같은 재료를 압출합니다. 이 기술은 세포를 활용하므로 가장 높은 연조직 모방 능력을 가지고 있습니다. 높은 비용과 생체 친화력으로 인해 주로 조직 공학 분야에서 사용되며 수술 장기 모델에서는 덜 사용된다14.
그 결과, 우리는 갑상선과 그 주변 구조의 복잡성과 수술 일정에 따라 "White Jet Process"인쇄 기술을 선택했습니다. 이 기술은 통 중합 기반 인쇄와 잉크젯 기반 인쇄의 장점을 결합하여 고정밀, 빠른 인쇄 및 저렴한 비용을 제공하여 갑상선 수술에 적합합니다. 이 프로토콜의 목적은 3D 프린팅된 갑상선암 모델을 만들고, 환자의 해부학적 구조와 변이에 대한 충분한 정보를 제공하여 환자의 예후를 개선하고, 의사와 환자에게 수술 과정과 관련된 모든 상태에 대해 더 잘 알리는 것입니다.
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Protocol
이 연구와 비디오의 모든 데이터와 정보가 익명으로 처리되었기 때문에 이 연구는 수행에 대한 승인이나 환자의 데이터 사용 및 게시에 대한 동의가 필요하지 않았습니다.
1. 이미지 데이터 수집
- 향상된 컴퓨터 단층 촬영(CT)으로 환자의 갑상선을 스캔하여 DICOM 형식의 이미지 데이터를 얻습니다. 이 과정은 작업 전 1주일 이내에 완료되었는지 확인하고 슬라이스 두께를 ≤1mm로 조절하십시오.
2. DICOM 데이터 처리
- 스캔한 환자 이미지 데이터를 소프트웨어로 가져오고( 재료 표 참조) 갑상선과 주변 조직 또는 기관 간의 회색 값 차이에 따라 적절한 임계값을 설정합니다. 다른 회색 값은 인체의 다른 영역의 밀도 차이를 반영하므로 회색조 임계값 (단위: hu, 소프트웨어에서)을 226-1,500 으로 설정하여 뼈 이미지를 표시합니다. 임계값 을 -200-226 으로 설정하여 갑상선 이미지를 표시합니다. 소프트웨어가 박스형 영역을 자동으로 식별하도록 하거나 인식이 만족스럽지 않은 경우 대상 영역의 경계를 수동으로 설명합니다.
참고: 모방은 갑상선 영역을 자동으로 선택하고 3D 영역 성장 기술을 사용하여 이미지를 분할하고 3D 재구성을 계산합니다. 동시에 3D 이미지는 거칠기와 계단 감각을 줄이도록 최적화되어 자연스럽고 매끄럽고 사실적인 3D 디지털 시각화 모델을 얻을 수 있어 외과의가 3D 모델을 보다 간단하게 관찰할 수 있습니다. - 재구성된 데이터 모델에서 STL 파일을 생성합니다. 소프트웨어에서 재구성된 모델을 선택하고 파일 도크에서 내보내기를 클릭한 다음 내보내기 파일 형식으로 STL을 선택합니다. 마지막으로 STL 파일을 성공적으로 생성합니다.
3. 의료-공학 상호 작용
- 재구성된 3D 모델 미리보기를 의사에게 보내면 의사는 3D 모델의 적용된 요구 사항과 해부학적 구조를 확인하고 수정이 필요한 경우 모델링 엔지니어에게 피드백을 제공합니다. 의사로부터 확인을받은 후 생산 준비 단계로 진행하십시오.
4.3D 인쇄(보충 파일 1)
- STL 파일 데이터를 다채로운 재료 3D 프린터로 전송하고 지원 3D 프린팅 슬라이싱 소프트웨어를 통해 매개변수 사전 설정(예: 인쇄 모드, 슬라이스 스트로크 두께, 지원 방법 및 모델 색상)을 완료합니다.
- 완제품 유형에 따라 인쇄 모델을 선택하십시오 (컬러 인쇄 모델은 일반적으로 White Jet Process 기술을 사용하는 반면 감광성 수지는 일반적으로 Digital Light Procession을 사용합니다).
- 제품의 두께에 따라 슬라이스 스트로크 두께 매개변수를 선택합니다(여기서는 24μm에서 36μm까지).
- 인쇄 모델의 섬세함에 따라 지원 방법을 선택하십시오 : 전체 지원 (더 나은 보호 및 미세한 세부 사항에 대한 손상 감소) 또는 부분 지원 (재료 절약).
- 프린터의 컬러 팔레트 기능을 사용하여 모델 컬러링을 선택합니다. 동맥을 붉은 색 255로, 정맥을 푸른 색 255로 통일하십시오.
참고: 종양 병변과 같은 다른 부분은 엄격하게 표준이 아니므로 외과의는 필요나 선호도에 따라 색상을 선택할 수 있습니다.
- 3D 프린터에서 경질 경화 수지를 채우고( 보충 표 S1 참조), 인쇄 플랫폼을 디버그하고, White Jet Process 기술을 사용하여 인쇄합니다. 인쇄 후 예비 인쇄된 갑상선 모델을 꺼냅니다.
참고: 화이트 젯 공정 기술은 감광성 수지의 얇은 층을 한 번에 인쇄한 다음 특정 파장의 자외선을 조사하여 감광성 수지의 빠른 중합 반응과 경화를 일으키는 잉크젯 프린팅 원리를 기반으로 합니다. 이 프로세스는 인쇄가 완료될 때까지 레이어별로 완료됩니다.
5. 후처리
- 예비 인쇄 갑상선 모델의 지지 구조를 뺍니다. 반제품 제품을 분쇄, 광택 처리 및 경화하여 개별화된 1:1 아이소메트릭 3D 프린팅 갑상선 모델을 얻습니다.
- 서포트 구조 빼기
- 장갑을 끼고 예비 모델 주위의 포장 지지대를 분해하고지지 구조물의 본체 대부분을 제거합니다.
- 모델을 Ca(OH)2 알칼리성 용액이 있는 초음파 세척기에 넣어 15분 동안 청소합니다.
- 모델을 젖은 샌드 블라스터에 넣고 표면의지지 구조의 나머지 부분이 씻겨 나갈 때까지 헹굽니다.
- 연 삭
- 전기 그라인더로 모델을 연마하고, file, 또는 연삭 휠.
- 니스 로 칠하기
알림: 이 과정은 스프레이와 수동 페인팅으로 구성됩니다.- 모델 표면의 절반에 있는 대면적 색상 블록에 바니시를 뿌립니다. 작은 면적의 색상 블록을 바니시로 수동으로 칠하십시오.
- 치료
- 모델을 UV 경화기에 넣고 30초 동안 경화합니다.
- 모델을 꺼내 95% 알코올로 청소하십시오.
알림: 알코올이 완전히 휘발되면 생산이 완료됩니다.
- 서포트 구조 빼기
6. 납품
- 갑상선 모델을 포장하고 수술 전에 외과의에게 전달을 완료하십시오.
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Representative Results
이 논문은 환자 갑상선의 개인화된 3D 프린팅 모델 구축을 위한 프로토콜을 제시합니다. 그림 1 은 환자의 갑상선에 대한 개인화된 3D 프린팅 모델을 구축하기 위한 흐름도를 보여줍니다. 그림 2 는 환자의 갑상선을 위한 개인화된 3D 프린팅 모델 프린팅 장치를 보여줍니다. 그림 3 은 갑상선 환자를 위한 개인화된 3D 프린팅 모델을 구축하기 위한 소프트웨어 인터페이스를 보여줍니다. 표시된 인터페이스는 비디오에 자세히 설명되어 있습니다. 그림 4 는 환자의 갑상선에 대한 개인화된 3D 프린팅 모델의 완성품을 보여줍니다. 동일한 환자의 3D 모델의 다양한 해부학적 수준과 상태를 보여줍니다. 왼쪽은 근육 제거 후 갑상선 수술 부위입니다. 오른쪽은 흉쇄유돌근으로 감싼 갑상선 수술 부위입니다. 그림 5 는 수술 전 증강 CT를 통해 갑상선 부위의 완전한 3D 프린팅 모델을 구축한 갑상선암 환자의 경우를 보여줍니다. A는 관상 단면, B는 횡단면, C는 환자의 CT 스캔의 시상 단면입니다. D는 CT를 기반으로 구축 및 인쇄된 3D 모델을 보여줍니다. CT를 기반으로 각 CT 스캔의 횡단면을 중첩하여 3D 모델을 설정합니다. 기존 CT에 비해 입체적이고 직관적이며 360° 회전으로 관찰할 수 있습니다.
그림 1: 갑상선암 환자를 위한 개인화된 3D 프린팅 모델을 구축하기 위한 순서도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 갑상선암 환자를 위한 맞춤형 3D 프린팅 모델 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 갑상선암 환자를 위한 개인화된 3D 프린팅 모델 구축을 위한 소프트웨어 인터페이스. 표시된 인터페이스는 비디오에 자세히 설명되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 갑상선암 환자의 개인화된 3D 프린팅 모델의 완제품(왼쪽과 오른쪽 부분의 동일한 모델). 왼쪽은 근육 제거 후 갑상선 수술 부위입니다. 오른쪽은 흉쇄유돌근으로 감싼 갑상선 수술 부위입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 수술 전 증강 CT를 통해 갑상선 부위의 3D 프린팅 모델을 완성한 갑상선암 환자의 경우. A는 환자의 CT 스캔의 관상 단면입니다. B는 환자의 CT 스캔의 횡단면입니다. C는 환자의 CT 스캔의 시상 부분입니다. D는 CT 스캔을 기반으로 구축 및 인쇄된 3D 모델을 보여줍니다. CT를 기반으로 각 CT 스캔의 횡단면을 중첩하여 3D 모델을 설정합니다. 기존 CT에 비해 입체적이고 직관적이며 360° 회전으로 관찰할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 맞춤형 3D 프린팅 풀 컬러 갑상선 모델의 각 모델 생산 및 패키지. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 S1 : 컬러 복합 재료 3D 프린터의 기술 사양. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
초음파는 갑상선 수술을 받는 대부분의 환자들에게 유일한 수술 전 영상 시술일 수 있다15. 그러나, 잘 분화된 몇몇 사례는 주변 조직이나 장기를 침범하여 수술을 방해하는 진행성 질환을 앓고 있을 수 있다16. 이 모델은 진행성 갑상선암 환자에게 더 적합할 수 있습니다. 질병이 진행되면 추가 CT 스캔이 추가 진단에 도움이 됩니다. 이 모델은 CT 스캔을 기반으로 하며, 현재 접근 가능한 일괄 생산 갑상선 팬텀보다 더 많은 해부학적 및 형태학적 정보를 제공합니다. 또한 갑상선 종양과 갑상선 사이의 관계뿐만 아니라 갑상선 종양과 주변 조직 사이의 관계를 명확하게 보여줄 수 있습니다.
결과 모델은 수술 전에 주요 구조적 변화와 기형을 예측하는 데 사용할 수 있습니다. 임상 실습에서는 다양한 환자에 대한 의사의 맞춤형 수술 평가의 효율성을 크게 향상시킵니다. 외과 의사의 경험에 따르면 이 모델은 수술의 예측 불가능성을 줄이고 수술 시간을 단축했습니다. 이 모델의 의의는 환자 자신의 해부학적 구조와 변이에 대한 충분한 정보를 제공하고 자연스러운 수술 과정과 관련될 수 있는 합병증을 포함하여 수술 후 결과를 더 잘 이해함으로써 환자의 예후를 개선하고 CT 기반 해부학적 구조를 반영하는 실제 갑상선 팬텀을 만드는 것입니다.
또한 3D 프린팅된 갑상선암 모델을 만드는 것은 환자가 자신의 건강 관련 문제를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있으며 의사가 최상의 치료 계획을 제안하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이전 연구에서는 의학 교육에서 3D 프린팅 모델을 사용하면 교육 효과가 향상되는 것으로 나타났습니다17,18,19. 한 연구에서는 비구 골절의 분류를 가르치기 위해 3D 프린팅 기술을 사용했는데, 이러한 복잡한 뼈 해부학적 구조는 정확한 수술 계획과 확인이 필요하기 때문이다17. 이전 연구에서는 수술 전 계획을 세우기 위해 3D 프린팅된 반 골반을 사용했으며, 경험이 부족한 외과의를 훈련시켜 긍정적인 결과를 얻었다18. 또 다른 연구에서는 3D 프린팅된 구순구개열 모델을 교육 보조 도구로 사용하여 다양한 환자 시나리오를 더 잘 이해할 수 있도록 했습니다19. 갑상선암 환자의 경우 수술 전 환자의 3D 프린팅 모델이 환자가 수술에 수반되는 내용을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 이 모델은 갑상선 질환에 대한 경험이 없는 임상의의 관심을 높여 환자에게 상태와 절차를 설명하기 전에 임상의가 스스로 교육하여 치료 및 수술 계획의 질을 향상시키는 데 도움이 되었습니다.
개인화된 3D 프린팅 갑상선 모델의 유용성을 평가하기 위해 설문지를 사용했다. 우리는 환자들에게 3D 프린팅 갑상선 모델을 사용하는 것에 대해 어떻게 생각하는지 물었습니다. 환자들은 '병에 대한 이해'(71.7%)에서 가장 높은 점수를 보였고, '전반적인 만족도'(17.0%), '수술에 대한 이해'(11.3%), '무가치'(0%) 순이었다. 이러한 결과는 3D 모델링 기술이 해부학 교육에 유용할 수 있음을 보여주었습니다. 종양과 갑상선 사이의 위치 관계를 보여주는 것이 이 3D 프린팅 모델의 가장 큰 장점일 수 있습니다.
모델링 및 프린팅 시간을 포함하여 3D 프린팅 모델을 제작하는 데 필요한 시간은 3D 프린팅이 현대 의료 행위에 통합되었음에도 불구하고 주요 제한 사항 중 하나입니다. 폐동맥 복제 모델의 설계 과정은 8시간이 걸렸고, 프린팅 과정은 97시간 14분이 걸렸습니다. 따라서 다양한 해부학적 부위 또는 목적(예: 수술 지침 또는 임상 훈련)에 대해 환자 특정(즉, 개인화된) 모델링 기술에 대한 수많은 연구가 수행되었지만20,21,22,23, 임상 환경에서의 그 가치는 소수의 연구에서만 입증되었습니다 16,24,25 . 이와 관련하여이 모델의 장점은 개인화 된 3D 모델을 만드는 시간을 줄일 수 있다는 것입니다. 우리의 갑상선 모델은 제작하는 데 3시간, 인쇄하는 데 8시간밖에 걸리지 않았습니다.
이 연구의 한계는 모델이 이 연구에 참여하는 갑상선암 환자의 두경부 CT 스캔을 기반으로 했기 때문에 추가 비용이 발생한다는 것입니다. 동시에 3D 프린팅 모델에는 추가 비용이 발생합니다. 따라서 향후 연구에서는 개별 갑상선 및 주변 조직 정보가 포함된 고유한 환자 사례에 대해 환자별 맞춤형 프린팅 모델을 생성할 수 있으며, 이를 통해 각 환자에 맞는 절차와 이 3D 모델의 이점을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 환자가 지불해야 하는 추가 비용도 고려해야 합니다. 이 비용은 모델의 실제 이점과 환자가 지불하는 추가 비용과 비교해야 합니다.
결론적으로 갑상선 수술의 수술 전 평가를 위한 개인화된 3D 프린팅 모델을 구축하는 새로운 방법이 제안되어 수술 전 논의에 도움이 되고 갑상선 수술의 어려움을 줄여줍니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 연구는 중국 쓰촨성 보건 위원회(보조금 번호 20PJ061), 중국 국립 자연 과학 재단(보조금 번호 32101188) 및 중국 쓰촨성 과학 기술부 일반 프로젝트(보조금 번호 2021YFS0102)의 지원을 받았습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D color printer | Zhuhai Sina 3D Technology Co | J300PLUS | Function support: automatic optimized placement, automatic model typesetting, automatic generation support, real-time layered edge cutting and printing, slice export, custom color thickness, custom placement / scaling, man hour evaluation, material consumption evaluation, print status monitoring, material remaining display, changing materials and colors, managing work queues, full / semi enclosed printing, automatic detection of model interference, layer preview, automatic pause of ink shortage, power failure to resume printing Automatic cleaning nozzle, automatic channel adaptation, ink change, automatic cleaning pipeline, follow-up laying. Range of optional materials: RGD series transparent molding materials, RGD series opaque molding materials, FLX series soft molding materials, ABS like series molding materials, high temperature resistant molding materials, Med series molding materials (first-class medical record certification), ordinary supporting materials, water-soluble supporting materials. |
| Mimics 21.0 software | Materialise, Belgium | DICOM data processing |
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