אנטומיה של הדפסת Voxel: עיצוב וייצור של מודלים מציאותיים של תכנון פרה-כירורגי באמצעות הדפסת מפת סיביות
Summary
שיטה זו מדגימה זרימת עבודה של הדפסה תלת-ממדית מבוססת voxel, המודפסת ישירות מתמונות רפואיות עם נאמנות מרחבית מדויקת ורזולוציה מרחבית/ניגודית. זה מאפשר שליטה מדויקת, מדורגת של הפצות חומר באמצעות חומרים מורכבים מורפולוגית, מדורגים בקורלציה רדיוטנציה ללא אובדן או שינוי של נתונים.
Abstract
רוב היישומים של הדפסה תלת-ממדית (תלת-ממדית) לתכנון פרה-כירורגי הוגבלו למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים בשל המגבלות הבסיסיות של דיוק, איכות ויעילות של פרדיגמת הדוגמנות הנוכחית. זה התעלם במידה רבה מהרקמה הרכה הקריטית לרוב ההתמחויות הכירורגיות שבהן הפנים של אובייקט חשוב וגבולות אנטומיים עוברים בהדרגה. לכן, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג.
מוצגת כאן טכניקה חדשנית ליצירת מודלים תלת-ממדיים ישירות מתמונות רפואיות, אשר עדיפים ברזולוציה מרחבית וניגודית לשיטות הדוגמנות התלת-ממדיות הנוכחיות ומכילים נאמנות מרחבית בלתי ניתנת להשגה בעבר ובידול רקמות רכות. כמו כן מוצגים מדידות אמפיריות של רומן, מרוכבים המיוצרים בתוסף המשתרעים על מכלול הנוקשות החומריות הנראות ברקמות ביולוגיות רכות מ- MRI ו- CT. שיטות עיצוב והדפסה נפחיות ייחודיות אלה מאפשרות התאמה דטרמיניסטית ומתמשכת של נוקשות וצבע החומר. יכולת זו מאפשרת יישום חדש לחלוטין של ייצור תוספים לתכנון טרום-כירורגי: ריאליזם מכני. כהשלמה טבעית למודלים קיימים המספקים התאמת מראה, מודלים חדשים אלה מאפשרים גם לאנשי מקצוע רפואיים “להרגיש” את התכונות החומריות השונות מבחינה מרחבית של סימולציה של רקמה – תוספת קריטית לתחום שבו תחושת המישוש משחקת תפקיד מפתח.
Introduction
נכון לעכשיו, מנתחים חוקרים מספר רב של שיטות הדמיה דו-ממדיות נפרדות (2D) המציגות נתונים ברורים לתכנון פעולות על חולים תלת-ממדיים. יתר על כן, צפייה בנתונים אלה במסך דו-ממדי אינה מסוגלת באופן מלא לתקשר את מלוא היקף הנתונים שנאספו. ככל שמספר שיטות ההדמיה גדל, היכולת לסנתז יותר נתונים משיטות שונות, המציגות סולמות ארגון מרובים, מחייבת צורות חדשות של ייצוג דיגיטלי ופיזי כדי לדחוס ולאצור מידע לתכנון כירורגי יעיל ויעיל יותר.
מודלים המודפסים בתלת-ממד, ספציפיים למטופל, התגלו ככלי אבחון חדש לתכנון כירורגי שהוכח כמפחית את זמן ההפעלה והסיבוכים הניתוחיים1. עם זאת, התהליך גוזל זמן רב בשל שיטת הסטרייאוליטוגרפיה הסטנדרטית (STL) של הדפסה בתלת-ממד, המציגה אובדן גלוי של נתונים ומעבדת אובייקטים מודפסים כחומרים מוצקים, הומוגניים ואיזוטרופיים. כתוצאה מכך, הדפסה בתלת-ממד לתכנון כירורגי הוגבלה למבנים גרמיים ולתיאורים מורפולוגיים פשוטים של איברים מורכבים2. מגבלה זו היא תוצאה של פרדיגמת ייצור מיושנת המונחת על ידי המוצרים והצרכים של המהפכה התעשייתית, שבה חפצים מיוצרים מתוארים במלואם על ידי הגבולות החיצוניים שלהם3. עם זאת, הצרכים של התעשייה הביו-רפואית לשכפל רקמה אנושית, המציגה קשקשים מרובים של ארגון והפצות חומרים משתנות, מחייבים צורות חדשות של ייצוג המייצגות את הווריאציות על פני הנפח כולו, המשתנות נקודה אחר נקודה.
כדי לטפל בבעיה זו, פותחה טכניקת הדמיה ומודל תלת-ממדית (איור 1) בשילוב עם תהליך ייצור חדשני ותוסף המאפשר שליטה רבה יותר על הערבוב והתצהיר של שרפים ברזולוציה גבוהה במיוחד. שיטה זו, הנקראת הדפסת מפת סיביות, משכפלת את האנטומיה האנושית על ידי הדפסת תלת-ממד ישירות מתמונות רפואיות ברמה של נאמנות מרחבית ורזולוציה מרחבית/ניגודית של טכנולוגיית הדמיה מתקדמת המתקרבת ל-15 מיקרומטר. זה מאפשר את השליטה המדויקת והמדרגת הנדרשת כדי לשכפל וריאציות ברקמה רכה מורכבת מורפולוגית ללא אובדן או שינוי של נתונים מתמונות מקור אבחון.
Protocol
Representative Results
Discussion
המסגרת הייצוגית הנוכחית שרוב כלי הדוגמנות הדיגיטליים, אם לא כולם, משתמשים בה כיום, גורמת לתבנית הקובץ STL8. עם זאת, האופי הספציפי של פרדיגמה זו הוכח כבלתי מספק כאשר מנסים לבטא את המבנה הגרעיני או ההיררכי של חומרים טבעיים מורכבים יותר. עם הגעתן של טכניקות ייצור התוסף האחרונות כגו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים ל-AB נקסוס ולמדינת קולורדו על תמיכתם הנדיבה במחקר המדעי שלנו בהדפסת ווקסל לתכנון טרום-כירורגי. אנו מודים לל. בראון, נ. סטנס וס. שרידן על מתן ערכות נתונים המשמשות במחקר זה. מחקר זה מומן על ידי מענק AB נקסוס ומענק התעשיות המתקדמות של מדינת קולורדו.
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 |
References
- 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).
