Anatomia de Impressão Voxel: Design e Fabricação de Modelos realistas de planejamento pré-cirúrgico através da impressão bitmap
Summary
Este método demonstra um fluxo de trabalho de impressão 3D baseado em voxel, que imprime diretamente de imagens médicas com fidelidade espacial exata e resolução espacial/contraste. Isso permite o controle preciso e graduado das distribuições de materiais através de materiais morfologicamente complexos e graduados correlacionados à radiodensidade sem perda ou alteração de dados.
Abstract
A maioria das aplicações de impressão tridimensional (3D) para planejamento pré-cirúrgico tem sido limitada a estruturas ósseas e simples descrições morfológicas de órgãos complexos devido às limitações fundamentais em precisão, qualidade e eficiência do paradigma de modelagem atual. Isso tem ignorado em grande parte o tecido mole crítico para a maioria das especialidades cirúrgicas onde o interior de um objeto importa e fronteiras anatômicas transitam gradualmente. Portanto, as necessidades da indústria biomédica de replicar tecido humano, que exibe múltiplas escalas de organização e distribuições de materiais variadas, exigem novas formas de representação.
Apresentada aqui é uma nova técnica para criar modelos 3D diretamente a partir de imagens médicas, que são superiores em resolução espacial e contraste aos métodos atuais de modelagem 3D e contêm fidelidade espacial inalcançável e diferenciação de tecido mole. Também são apresentadas medidas empíricas de compósitos novos e manufaturados que abrangem a gama de rigidezs materiais vistas em tecidos biológicos moles da ressonância magnética e da TC. Estes métodos exclusivos de design e impressão volumosas permitem ajuste determinístico e contínuo da rigidez e cor do material. Essa capacidade permite uma aplicação totalmente nova da fabricação aditiva ao planejamento pré-cirúrgico: realismo mecânico. Como um complemento natural aos modelos existentes que proporcionam correspondência de aparência, esses novos modelos também permitem que os profissionais médicos “sintam” as propriedades materiais espacialmente variadas de um simulador de tecido – uma adição crítica a um campo no qual a sensação tátil desempenha um papel fundamental.
Introduction
Atualmente, os cirurgiões estudam inúmeras modalidades de imagem 2-dimensional (2D) discretas exibindo dados distintos para planejar operações em pacientes 3D. Além disso, visualizar esses dados em uma tela 2D não é totalmente capaz de comunicar toda a extensão dos dados coletados. À medida que o número de modalidades de imagem cresce, a capacidade de sintetizar mais dados de modalidades distintas, que exibem múltiplas escalas de organização, exige novas formas de representação digital e física para condensar e fazer a curadoria de informações para um planejamento cirúrgico mais eficaz e eficiente.
Modelos impressos em 3D e específicos do paciente surgiram como uma nova ferramenta de diagnóstico para o planejamento cirúrgico que tem se mostrado para reduzir o tempo de operação e complicações cirúrgicas1. No entanto, o processo é demorado devido ao método de estereotipografia padrão (STL) de impressão 3D, que mostra uma perda visível de dados e torna objetos impressos como materiais sólidos, homogêneos e isotrópicos. Como resultado, a impressão 3D para planejamento cirúrgico tem sido limitada a estruturas ósseas e simples descrições morfológicas de órgãos complexos2. Essa limitação é resultado de um paradigma de fabricação ultrapassado guiado pelos produtos e necessidades da revolução industrial, onde os objetos fabricados são totalmente descritos por suas fronteiras externas3. No entanto, as necessidades da indústria biomédica de replicar tecido humano, que exibe múltiplas escalas de organização e distribuições de materiais variadas, exigem novas formas de representação que representam as variações em todo o volume, que mudam ponto a ponto.
Para abordar essa questão, foi desenvolvida uma técnica de visualização e modelagem 3D (Figura 1) e acoplado a um novo processo de fabricação aditiva que permite maior controle sobre a mistura e deposição de resinas em resolução ultra-alta. Este método, chamado de impressão bitmap, replica a anatomia humana por impressão 3D diretamente de imagens médicas a um nível de fidelidade espacial e resolução espacial/contraste da tecnologia avançada de imagem que se aproxima de 15 μm. Isso permite o controle preciso e graduado necessário para replicar variações no tecido mole morfologicamente complexo sem perda ou alteração de dados de imagens de origem diagnóstica.
Protocol
Representative Results
Discussion
O quadro representativo atual de que a maioria, se não todas, das ferramentas de modelagem digital empregam hoje resulta no formato de arquivo STL8. No entanto, a natureza específica desse paradigma tem se mostrado inadequada ao tentar expressar a estrutura granular ou hierárquica de materiais naturais mais complexos. Com a chegada de técnicas recentes de fabricação aditiva, como impressão 3D multimaterial, podem ser produzidos objetos altamente sintonizados e altamente otimizados, que exib…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos à AB Nexus e ao Estado do Colorado pelo generoso apoio à nossa pesquisa científica sobre a impressão voxel para o planejamento pré-cirúrgico. Agradecemos a L. Browne, N. Stence e S. Sheridan por fornecerem conjuntos de dados usados neste estudo. Este estudo foi financiado pelo AB Nexus Grant e pelo 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
- Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24 (2020).
- Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13 (2020).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021)
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108 (2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , 47-54 (1998).
- Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
- Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).
