Voxel Printing Anatomy: Design und Herstellung realistischer, vorchirurgischer Planungsmodelle durch Bitmap-Druck
Summary
Diese Methode demonstriert einen voxelbasierten 3D-Druck-Workflow, der direkt aus medizinischen Bildern mit exakter räumlicher Wiedergabetreue und räumlicher /kontrastreicher Auflösung druckt. Dies ermöglicht die präzise, abgestufte Kontrolle von Materialverteilungen durch morphologisch komplexe, abgestufte Materialien, die mit der Radiodichte korreliert sind, ohne Verlust oder Veränderung von Daten.
Abstract
Die meisten Anwendungen des 3-dimensionalen (3D) Drucks für die voroperative Planung waren auf knöcherne Strukturen und einfache morphologische Beschreibungen komplexer Organe beschränkt, da die Genauigkeit, Qualität und Effizienz des aktuellen Modellierungsparadigmas grundlegend eingeschränkt sind. Dies hat das Weichgewebe weitgehend ignoriert, das für die meisten chirurgischen Fachgebiete entscheidend ist, wo das Innere eines Objekts wichtig ist und anatomische Grenzen allmählich übergehen. Daher erfordern die Bedürfnisse der biomedizinischen Industrie, menschliches Gewebe zu replizieren, das mehrere Organisationsskalen und unterschiedliche Materialverteilungen aufweist, neue Formen der Repräsentation.
Vorgestellt wird hier eine neuartige Technik zur Erstellung von 3D-Modellen direkt aus medizinischen Bildern, die in räumlicher und kontrastreicher Auflösung den aktuellen 3D-Modellierungsmethoden überlegen sind und bisher unerreichbare räumliche Genauigkeit und Weichteildifferenzierung enthalten. Ebenfalls vorgestellt werden empirische Messungen neuartiger, additiv hergestellter Verbundwerkstoffe, die die Bandbreite der Materialsteifigkeiten abdecken, die in weichen biologischen Geweben aus MRT und CT beobachtet werden. Diese einzigartigen volumetrischen Design- und Druckverfahren ermöglichen eine deterministische und kontinuierliche Anpassung der Materialsteifigkeit und Farbe. Diese Fähigkeit ermöglicht eine völlig neue Anwendung der additiven Fertigung auf die vorchirurgische Planung: den mechanischen Realismus. Als natürliche Ergänzung zu bestehenden Modellen, die ein Erscheinungsbild bieten, ermöglichen diese neuen Modelle auch Medizinern, die räumlich variierenden Materialeigenschaften eines Gewebesimulanzlösemittels zu “fühlen” – eine entscheidende Ergänzung zu einem Bereich, in dem die taktile Empfindung eine Schlüsselrolle spielt.
Introduction
Derzeit untersuchen Chirurgen zahlreiche diskrete 2-dimensionale (2D) Bildgebungsmodalitäten, die unterschiedliche Daten anzeigen, um Operationen an 3D-Patienten zu planen. Darüber hinaus ist die Anzeige dieser Daten auf einem 2D-Bildschirm nicht in der Lage, den vollen Umfang der gesammelten Daten zu kommunizieren. Da die Anzahl der Bildgebungsmodalitäten zunimmt, erfordert die Fähigkeit, mehr Daten aus verschiedenen Modalitäten zu synthetisieren, die mehrere Organisationsskalen aufweisen, neue Formen der digitalen und physischen Repräsentation, um Informationen für eine effektivere und effizientere chirurgische Planung zu verdichten und zu kuratieren.
3D-gedruckte, patientenspezifische Modelle haben sich als neues Diagnosewerkzeug für die Operationsplanung herausgestellt, das nachweislich die Operationszeit und chirurgische Komplikationen reduziert1. Der Prozess ist jedoch aufgrund der Standard-Stereolithographie-Methode (STL) des 3D-Drucks zeitaufwendig, die einen sichtbaren Datenverlust zeigt und gedruckte Objekte als feste, homogene und isotrope Materialien darstellt. Infolgedessen beschränkte sich der 3D-Druck für die chirurgische Planung auf knöcherne Strukturen und einfache morphologische Beschreibungen komplexer Organe2. Diese Einschränkung ist das Ergebnis eines veralteten Fertigungsparadigmas, das sich an den Produkten und Bedürfnissen der industriellen Revolution orientiert, bei der hergestellte Objekte vollständig durch ihre äußeren Grenzen beschrieben werden3. Die Bedürfnisse der biomedizinischen Industrie, menschliches Gewebe zu replizieren, das mehrere Organisationsskalen und unterschiedliche Materialverteilungen aufweist, erfordern jedoch neue Darstellungsformen, die die Variationen über das gesamte Volumen darstellen, die sich Punkt für Punkt ändern.
Um dieses Problem anzugehen, wurde eine 3D-Visualisierungs- und Modellierungstechnik (Abbildung 1) entwickelt und mit einem neuartigen, additiven Fertigungsverfahren gekoppelt, das eine bessere Kontrolle über das Mischen und Abscheiden von Harzen in ultrahoher Auflösung ermöglicht. Diese Methode, Bitmap-Druck genannt, repliziert die menschliche Anatomie durch 3D-Druck direkt aus medizinischen Bildern auf einer Ebene der räumlichen Genauigkeit und räumlichen / Kontrastauflösung der fortschrittlichen Bildgebungstechnologie von fast 15 μm. Dies ermöglicht die präzise und abgestufte Kontrolle, die erforderlich ist, um Variationen in morphologisch komplexem Weichgewebe ohne Verlust oder Veränderung von Daten aus diagnostischen Quellbildern zu replizieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der aktuelle Repräsentationsrahmen, den die Mehrheit, wenn nicht alle, der digitalen Modellierungswerkzeuge heute verwenden, ergibt das STL-Dateiformat8. Dennoch hat sich die spezifische Natur dieses Paradigmas als unzureichend erwiesen, wenn versucht wird, die granulare oder hierarchische Struktur komplexerer, natürlicher Materialien auszudrücken. Mit dem Aufkommen neuerer additiver Fertigungstechniken wie dem Multimaterial-3D-Druck können hochgradig abgestimmte und hochoptimierte Objekte her…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken AB Nexus und dem Bundesstaat Colorado für ihre großzügige Unterstützung unserer wissenschaftlichen Forschung zum Voxeldruck für die vorchirurgische Planung. Wir danken L. Browne, N. Stence und S. Sheridan für die Bereitstellung von Datensätzen, die in dieser Studie verwendet wurden. Diese Studie wurde durch den AB Nexus Grant und den State of Colorado Advanced Industries Grant finanziert.
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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