Voxel Printing Anatomy: Conception et fabrication de modèles de planification réalistes et préchirurgicaux grâce à l’impression bitmap
Summary
Cette méthode démontre un flux de travail d’impression 3D basé sur le voxel, qui imprime directement à partir d’images médicales avec une fidélité spatiale exacte et une résolution spatiale / contrastée. Cela permet le contrôle précis et gradué des distributions de matériaux à travers des matériaux morphologiquement complexes et gradués corrélés à la radiodensité sans perte ni altération des données.
Abstract
La plupart des applications de l’impression 3dimensionnelle (3D) pour la planification préchirurgicale ont été limitées aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes complexes en raison des limites fondamentales de précision, de qualité et d’efficacité du paradigme de modélisation actuel. Cela a largement ignoré les tissus mous critiques pour la plupart des spécialités chirurgicales où l’intérieur d’un objet compte et les limites anatomiques se déplacent progressivement. Par conséquent, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions matérielles variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation.
Voici une nouvelle technique pour créer des modèles 3D directement à partir d’images médicales, qui sont supérieures en résolution spatiale et de contraste aux méthodes de modélisation 3D actuelles et contiennent une fidélité spatiale et une différenciation des tissus mous auparavant irréalisables. Sont également présentées des mesures empiriques de nouveaux composites fabriqués de manière additive qui couvrent toute la gamme des rigidités des matériaux observées dans les tissus biologiques mous par IRM et tomodensitométrie. Ces méthodes uniques de conception volumétrique et d’impression permettent un ajustement déterministe et continu de la rigidité et de la couleur du matériau. Cette capacité permet une application entièrement nouvelle de la fabrication additive à la planification préchirurgicale : le réalisme mécanique. En complément naturel des modèles existants qui permettent de faire correspondre l’apparence, ces nouveaux modèles permettent également aux professionnels de la santé de « sentir » les propriétés matérielles spatialement variables d’un simulant tissulaire – un ajout essentiel à un domaine dans lequel la sensation tactile joue un rôle clé.
Introduction
Actuellement, les chirurgiens étudient de nombreuses modalités d’imagerie discrète en 2 dimensions (2D) affichant des données distinctes pour planifier les opérations sur les patients 3D. De plus, la visualisation de ces données sur un écran 2D n’est pas entièrement capable de communiquer toute l’étendue des données collectées. À mesure que le nombre de modalités d’imagerie augmente, la capacité de synthétiser davantage de données à partir de modalités distinctes, qui présentent de multiples échelles d’organisation, nécessite de nouvelles formes de représentation numérique et physique pour condenser et organiser l’information pour une planification chirurgicale plus efficace et efficiente.
Des modèles imprimés en 3D et spécifiques au patient sont apparus comme un nouvel outil de diagnostic pour la planification chirurgicale dont il a été démontré qu’il réduisait le temps d’opération et les complications chirurgicales1. Cependant, le processus prend beaucoup de temps en raison de la méthode de stéréolithographie standard (STL) d’impression 3D, qui montre une perte visible de données et rend les objets imprimés sous forme de matériaux solides, homogènes et isotropes. En conséquence, l’impression 3D pour la planification chirurgicale a été limitée aux structures osseuses et aux descriptions morphologiques simples d’organes complexes2. Cette limitation est le résultat d’un paradigme de fabrication dépassé guidé par les produits et les besoins de la révolution industrielle, où les objets manufacturés sont entièrement décrits par leurs limites extérieures3. Cependant, les besoins de l’industrie biomédicale pour reproduire le tissu humain, qui présente de multiples échelles d’organisation et des distributions de matériaux variables, nécessitent de nouvelles formes de représentation qui représentent les variations sur l’ensemble du volume, qui changent point par point.
Pour résoudre ce problème, une technique de visualisation et de modélisation 3D (Figure 1) a été développée et associée à un nouveau procédé de fabrication additive qui permet un meilleur contrôle sur le mélange et le dépôt des résines en ultra haute résolution. Cette méthode, appelée impression bitmap, reproduit l’anatomie humaine par impression 3D directement à partir d’images médicales à un niveau de fidélité spatiale et de résolution spatiale /contraste d’une technologie d’imagerie avancée approchant 15 μm. Cela permet le contrôle précis et gradué requis pour reproduire les variations des tissus mous morphologiquement complexes sans perte ni altération des données des images sources diagnostiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le cadre de représentation actuel que la majorité, sinon la totalité, des outils de modélisation numérique utilisent aujourd’hui aboutit au format de fichier STL8. Néanmoins, la nature spécifique de ce paradigme s’est avérée inadéquate pour tenter d’exprimer la structure granulaire ou hiérarchique de matériaux naturels plus complexes. Avec l’arrivée des techniques récentes de fabrication additive telles que l’impression 3D multimatériaux, des objets hautement réglés et h…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions AB Nexus et l’État du Colorado pour leur généreux soutien à nos recherches scientifiques sur l’impression voxel pour la planification préchirurgicale. Nous remercions L. Browne, N. Stence et S. Sheridan d’avoir fourni des ensembles de données utilisés dans cette étude. Cette étude a été financée par l’AB Nexus Grant et la State of Colorado Advanced Industries Grant.
Materials
| 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 |
Riferimenti
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