복셀 인쇄 해부학 : 비트 맵 인쇄를 통해 사실적이고 사전 수술 계획 모델의 설계 및 제작
Summary
이 방법은 복셀 기반의 3D 프린팅 워크플로우를 보여 주며, 이는 정확한 공간 충실도 와 공간/대비 해상도로 의료 이미지에서 직접 인쇄됩니다. 이를 통해 데이터의 손실이나 변경 없이 방사선 밀도와 상관관계가 있는 형태학적으로 복잡하고 졸업된 재료를 통해 재료 분포를 정밀하고 졸업할 수 있습니다.
Abstract
수술 전 계획을 위한 3차원(3D) 프린팅의 대부분의 응용 분야는 현재 모델링 패러다임의 정확성, 품질 및 효율성의 근본적인 한계로 인해 복잡한 장기의 뼈 구조와 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다. 이것은 주로 개체의 내부가 중요하고 해부학 경계가 점차적으로 전이 대부분의 외과 전문에 중요한 연조직을 무시했습니다. 따라서, 조직의 여러 척도와 다양한 재료 분포를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위해 생물 의학 산업의 요구는 새로운 형태의 표현을 필요로한다.
여기에 제시된 새로운 기술은 현재 의학적 이미지에서 직접 3D 모델을 생성하여 현재 의3D 모델링 방법에 대한 공간 및 대비 해상도가 우수하며 이전에는 달성할 수 없었던 공간 충실도 및 연조직 분화를 포함하는 새로운 기술입니다. 또한 MRI 및 CT의 연생물학적 조직에서 볼 수 있는 재료 강성의 영역을 가로지르는 새로운 첨가제 제조 복합재료의 경험적 측정도 제시된다. 이러한 독특한 볼륨 설계 및 인쇄 방법을 통해 재료 강성과 색상을 결정적이고 지속적으로 조정할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 사전 수술 계획에 적기 제조를 완전히 새로운 적용 할 수 있습니다: 기계적 리얼리즘. 외관 매칭을 제공하는 기존 모델에 대한 자연스러운 보완으로, 이러한 새로운 모델은 또한 의료 전문가가 촉각 감각이 중요한 역할을하는 분야에 중요한 추가 조직 시뮬레이션의 공간적으로 다양한 재료 특성을 “느낄”수 있습니다.
Introduction
현재 외과 의사는 3D 환자에 대한 수술을 계획하기 위해 뚜렷한 데이터를 표시하는 수많은 이산 2 차원 (2D) 이미징 양식에 대해 연구합니다. 또한 2D 화면에서 이 데이터를 보는 것은 수집된 데이터의 전체 범위를 완전히 전달할 수 없습니다. 이미징 양식의 수가 증가함에 따라 조직의 여러 척도를 나타내는 고유한 양식에서 더 많은 데이터를 합성하는 기능은 보다 효과적이고 효율적인 수술 계획을 위해 정보를 응축하고 큐레이트하기 위해 새로운 형태의 디지털 및 물리적 표현을 필요로 합니다.
3D 인쇄, 환자 특정 모델은 수술 시간과 수술 합병증을 줄이기 위해 보여 진 수술 계획을위한 새로운 진단 도구로 등장했다1. 그러나, 이 과정은 3D 프린팅의 표준 스테레오소그래피(STL) 방법으로 인해 시간이 많이 소요되며, 이는 데이터의 눈에 보이는 손실을 나타내고 인쇄된 물체를 고체, 균일성 및 이소트로픽 재료로 렌더링합니다. 그 결과, 외과 계획을 위한 3D 프린팅은 뼈 구조와 복잡한 장기의 간단한 형태학적 설명으로 제한되었습니다2. 이러한 제한은 제조된 물체가 외부 경계에 의해 완전히 설명되는 산업 혁명의 제품과 요구에 의해 인도되는 오래된 제조 패러다임의 결과입니다3. 그러나, 조직및 다양한 물질 분포의 다중 규모를 표시하는 인간 조직을 복제하기 위하여 생물 의학 산업의 필요는, 점별로 점을 바꾸는 전체 부피에 걸쳐 변이를 나타내는 표현의 새로운 양식을 필요로 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 3D 시각화 및 모델링 기술(그림 1)이 개발되어 초고해상도의 수지의 혼합 및 증착을 보다 잘 제어할 수 있는 새로운 적정 제조 공정과 결합되었습니다. 비트맵 인쇄라고 하는 이 방법은 15μm에 접근하는 첨단 이미징 기술의 공간 충실도 및 공간/대비 해상도 수준에서 의료 이미지에서 직접 3D 프린팅으로 인체 해부학을 복제합니다. 이를 통해 진단 소스 이미지에서 데이터를 손실하거나 변경하지 않고 형태학적으로 복잡한 연조직의 변이를 복제하는 데 필요한 정밀하고 졸업된 제어를 가능하게 합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
디지털 모델링 도구의 대부분이 오늘날 사용하는 현재의 표현 프레임워크는 STL 파일 format8을 초래합니다. 그럼에도 불구하고, 이 패러다임의 특정 특성은 더 복잡하고 천연 소재의 세분화또는 계층구조를 표현하려고 할 때 부적절하다는 것이 입증되었습니다. 다중 재료 3D 프린팅과 같은 최근 적층 제조 기술이 등장함에 따라 고도로 조정되고 최적화된 물체를 생산할 수 있어 부…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 수술 전 계획에 대한 복셀 인쇄에 대한 우리의 과학적 연구의 관대 한 지원에 대한 AB 넥서스와 콜로라도 주 감사합니다. 이 연구에 사용된 데이터 세트를 제공한 L. 브라운, N. Stence 및 S. 셰리던에게 감사드립니다. 이 연구는 AB 넥서스 그랜트와 콜로라도 고급 산업 보조금의 상태에 의해 투자되었다.
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).
