Voxel Printing Anatomy: Diseño y fabricación de modelos de planificación realistas y prequirúrgicos a través de la impresión de mapas de bits
Summary
Este método demuestra un flujo de trabajo de impresión 3D basado en vóxel, que imprime directamente a partir de imágenes médicas con fidelidad espacial exacta y resolución espacial / de contraste. Esto permite el control preciso y graduado de las distribuciones de materiales a través de materiales morfológicamente complejos y graduados correlacionados con la radiodensidad sin pérdida o alteración de datos.
Abstract
La mayoría de las aplicaciones de la impresión tridimensional (3D) para la planificación prequirúrgica se han limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos debido a las limitaciones fundamentales en precisión, calidad y eficiencia del paradigma de modelado actual. Esto ha ignorado en gran medida el tejido blando crítico para la mayoría de las especialidades quirúrgicas donde el interior de un objeto importa y los límites anatómicos se transicionan gradualmente. Por lo tanto, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y diferentes distribuciones de materiales, requieren nuevas formas de representación.
Aquí se presenta una técnica novedosa para crear modelos 3D directamente a partir de imágenes médicas, que son superiores en resolución espacial y de contraste a los métodos actuales de modelado 3D y contienen una fidelidad espacial y una diferenciación de tejidos blandos previamente inalcanzables. También se presentan mediciones empíricas de compuestos novedosos fabricados aditivamente que abarcan la gama de rigideces de materiales observadas en tejidos biológicos blandos de resonancia magnética y tomografía computarizada. Estos métodos únicos de diseño e impresión volumétrica permiten un ajuste determinista y continuo de la rigidez y el color del material. Esta capacidad permite una aplicación completamente nueva de la fabricación aditiva a la planificación prequirúrgica: el realismo mecánico. Como complemento natural de los modelos existentes que proporcionan coincidencia de apariencia, estos nuevos modelos también permiten a los profesionales médicos “sentir” las propiedades materiales espacialmente variables de un simulante tisular, una adición crítica a un campo en el que la sensación táctil juega un papel clave.
Introduction
Actualmente, los cirujanos estudian numerosas modalidades discretas de imágenes en 2 dimensiones (2D) que muestran datos distintos para planificar las operaciones en pacientes 3D. Además, ver estos datos en una pantalla 2D no es completamente capaz de comunicar el alcance total de los datos recopilados. A medida que crece el número de modalidades de imágenes, la capacidad de sintetizar más datos de distintas modalidades, que exhiben múltiples escalas de organización, requiere nuevas formas de representación digital y física para condensar y curar la información para una planificación quirúrgica más efectiva y eficiente.
Los modelos impresos en 3D y específicos del paciente han surgido como una nueva herramienta de diagnóstico para la planificación quirúrgica que ha demostrado reducir el tiempo de operación y las complicaciones quirúrgicas1. Sin embargo, el proceso requiere mucho tiempo debido al método estándar de estereolitografía (STL) de impresión 3D, que muestra una pérdida visible de datos y renderiza los objetos impresos como materiales sólidos, homogéneos e isótropos. Como resultado, la impresión 3D para la planificación quirúrgica se ha limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos2. Esta limitación es el resultado de un paradigma de fabricación obsoleto guiado por los productos y necesidades de la revolución industrial, donde los objetos fabricados se describen completamente por sus límites exteriores3. Sin embargo, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y distribuciones de materiales variables, requieren nuevas formas de representación que representen las variaciones en todo el volumen, que cambian punto por punto.
Para abordar este problema, se desarrolló una técnica de visualización y modelado 3D (Figura 1) y se combinó con un novedoso proceso de fabricación aditiva que permite un mayor control sobre la mezcla y deposición de resinas en resolución ultra alta. Este método, llamado impresión de mapa de bits, replica la anatomía humana mediante la impresión 3D directamente a partir de imágenes médicas a un nivel de fidelidad espacial y resolución espacial / de contraste de la tecnología de imagen avanzada que se acerca a 15 μm. Esto permite el control preciso y graduado requerido para replicar las variaciones en los tejidos blandos morfológicamente complejos sin pérdida o alteración de los datos de las imágenes de origen diagnóstico.
Protocol
Representative Results
Discussion
El marco de representación actual que la mayoría, si no todas, las herramientas de modelado digital emplean hoy en día da como resultado el formato de archivo STL8. Sin embargo, la naturaleza específica de este paradigma ha demostrado ser inadecuada cuando se trata de expresar la estructura granular o jerárquica de materiales naturales más complejos. Con la llegada de las recientes técnicas de fabricación aditiva, como la impresión 3D multimaterial, se pueden producir objetos altamente si…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a AB Nexus y al Estado de Colorado por su generoso apoyo a nuestra investigación científica sobre la impresión de vóxeles para la planificación prequirúrgica. Agradecemos a L. Browne, N. Stence y S. Sheridan por proporcionar conjuntos de datos utilizados en este estudio. Este estudio fue financiado por la AB Nexus Grant y 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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