Protokollen beskriver fabrikasjon av fullt fargede tredimensjonale utskrifter av pasientspesifikke, anatomiske hodeskallen modeller som skal brukes til kirurgisk simulering. De avgjørende trinnene for å kombinere ulike Imaging modaliteter, bilde segmentering, tredimensjonal modell utvinning, og produksjon av utskrifter er forklart.
Tredimensjonale (3D) utskrifts teknologier gir mulighet for visualisering av pasientspesifikke patologi i en fysisk modell av korrekte dimensjoner. Modellen kan brukes til å planlegge og simulere kritiske trinn i en kirurgisk tilnærming. Derfor er det viktig at anatomiske strukturer som blodkar inne i en svulst kan skrives ut til å være farget ikke bare på overflaten, men gjennom hele volumet. Under simulering dette gir mulighet for fjerning av visse deler (f. eks, med en høy hastighet Drill) og avslørende internt plassert strukturer av en annen farge. Diagnostisk informasjon fra ulike bildebehandlings metoder (f.eks. CT, MRI) kan dermed kombineres i ett enkelt kompakt og håndgripelig objekt.
Men forberedelser og utskrift av en slik fullt farget anatomisk modell er fortsatt en vanskelig oppgave. Derfor er en steg-for-steg guide gitt, demonstrere fusjon av ulike tverrsnitt Imaging datasett, segmentering av anatomiske strukturer, og etablering av en virtuell modell. I et andre trinn den virtuelle modellen er trykt med volumetrically fargede anatomiske strukturer ved hjelp av en gips-basert farge 3D bindemiddel spyling teknikk. Denne metoden gir svært nøyaktig gjengivelse av pasient spesifikk anatomi som vist i en serie med 3D-trykte Petrosa Apex hondrosarkomy. Videre modellene opprettet kan kuttes og bores, avslørende interne strukturer som gjør det mulig for simulering av kirurgiske prosedyrer.
Kirurgisk behandling av hodeskallen base svulster er en utfordrende oppgave som krever presis preoperativ planlegging1. Multimodal avbildning ved hjelp av beregnede tomografi (CT) og magnetisk resonans imaging (MRI) gir kirurgen informasjon om pasientens individuelle anatomi. I klinisk praksis er denne diagnostiske informasjonen vist ved å vise en rekke todimensjonale (2D) tverrsnitt som representerer ulike aspekter av anatomien (f. eks CT for visualisering av bein, CT angiografi for fartøy, Mr for bløtvev).
Men spesielt for nybegynnere, medisinstudenter og pasienter, forstå komplekse relasjoner av ulike 3D-strukturer til tverrsnitt bilder er utfordrende. Foruten avdød studier2, kan dette problemet løses ved å etablere ekte-størrelse anatomiske modeller av individuelle patologi, viser anatomiske strukturer i forskjellige farger3.
Takket være tekniske fremskritt de siste årene, teknologi for 3D-utskrift tillate kostnadseffektiv bygging av komplekse former4,5. Derfor gir denne teknikken muligheten til å konstruere pasientspesifikke anatomiske modeller som er konkrete, tydelig skildre romlige forhold, og kan brukes til kirurgisk planlegging og simulering. Spesielt i sjeldne og komplekse tilfeller som Petrosa Apex hondrosarkomy, preoperativ simulering av tumor fjerning i et enkelt tilfelle kan bidra til å forbedre selvtilliten til kirurgen og pasientens utfall.
Common FDM-utskrift (filament deponering modellering) teknikker bare tillate oppretting av objekter med en lukket overflate i ett eller et begrenset utvalg av farger6. For å gi en modell for kirurgisk simulering som inneholder ulike komplekse formede anatomiske strukturer hovedsakelig nestet inni hverandre, fullt volumetrically fargede 3D-utskrifter er nødvendig. Dette gir en påfølgende fjerning av vev lag til en intern struktur er avslørt.
Plaster-basert farge 3D bindemiddel spyling er en teknikk i stand til å produsere de nødvendige flerfarget modeller7. Mens i sin standardkonfigurasjoner bare overflaten av et objekt kan være farget, her en modifisert teknikk er beskrevet for å sikre volum anvendelse av farge til interne anatomiske strukturer.
For å demonstrere denne teknikken, tilfeller av pasienter med hodeskallen base hondrosarkomy ble valgt som et eksempel. Hondrosarkomy står for 20% av alle neoplasi i skjelettsystemet, for det meste plassert i de lange beina. Primære hodeskallen base hondrosarkomy er en sjelden tilstand ansvarlig for 0,1-0,2% av alle intrakraniell svulster8. Hovedsakelig ligger på Petrosa Apex, disse tumorer vokse i et komplekst anatomisk miljø som involverer sentrale strukturer som intern hals puls arterien, den optiske og andre skallen nerver, samt hypofysen. Behandling av disse svulster er i hovedsak fokusert på en total kirurgisk reseksjon, fordi adjuvant behandling alene (for eksempel stråling) ikke er effektive nok9.
På grunn av kompleksiteten og sjeldenhet av denne tumor enhet, preoperativ kirurgisk simulering i en 3D trykt hodeskalle modellen kan bidra til å bedre visualisere og forstå anatomi og å bistå kirurgen oppnå fullstendig reseksjon. Som vist av andre10,11 3D-utskrift av pasientspesifikke modeller forbedrer både beboere og erfarne neurosurgeons forståelse av komplekse nevroanatomi.
Men å skape slike individualisert modeller fra medisinsk imaging data krever ferdigheter i bildet segmentering, 3D-modellering, og 3D-utskrift, spesielt når anatomiske strukturer skal skrives ut i forskjellige farger. Dette manuskriptet har til hensikt å gjøre fabrikasjon av de beskrevne anatomiske modeller mer tilgjengelig for andre ved å gi en detaljert protokoll for konvertering av medisinsk imaging data til virtuelle 3D-modeller og for fabrikasjon av flerfarget 3D-objekter.
Arbeidsflyten består hovedsakelig av fire deler: 1) segmentering av medisinsk bildebehandling data og etablering av en virtuell 3D-modell; 2) utarbeidelse av den virtuelle 3D-modellen for flerfarget 3D-utskrift; 3) forberedelse for volum farging av utvalgte deler; og 4) 3D-utskrift og etterbehandling.
Behandlingen av intrakraniell chondrosarcoma er i hovedsak basert på fullstendig kirurgisk fjerning. Ofte ligger på Petrosa Apex, denne svulsten er nær viktige strukturer som den interne hals puls arterien, den optiske nerven, og hypofysen. Derfor planlegger kirurgisk baner er et avgjørende skritt før kirurgi. Flerfarget 3D-utskrift muliggjør fusjon av disse strukturene, som hver er avledet fra ulike bildebehandlings metoder, til ett enkelt objekt.
Under forberedelsene til 3D-utskrift er det viktig å nøye velge tilstrekkelig bildedata. Høyoppløselige bilder med en liten skive tykkelse er godt egnet for 3D-rekonstruksjon og glatte overganger, mens høy skive tykkelser vil produsere grove, ujevne gjenstander. Et annet kritisk trinn i metoden er å unngå kryss av to nabokommunene objekter som tumor og skallen bein. Derfor må boolske operasjoner utføres for å trekke ett objekt fra den andre.
For å tillate volum farging er det nødvendig å lage løk skall-lignende undergrunnens inne i et objekt (figur 2a,B). Det er nødvendig å ha en minimumsavstand mellom to tilstøtende flater på minst 0,1 mm for å få jevnt fargede objekter (figur 2D). Hvis avstanden som er valgt, er over denne verdien, kan det hende at de individuelle skjellene inne i objektet blir synlige (figur 2C). Oppmerksomhet bør rettes mot et økt farge forbruk av 3D-skriveren når du brukervolum coloring. Videre er det også viktig å sjekke modellen for eventuelle løse deler og legge til støtte når det er nødvendig (f. eks, basilar arterien).
Metoden kan bare produsere stiv, plaster-lignende materiale som ikke er veldig holdbar. Spesielt uten herding prosedyren, kan modellen enkelt ødelegges under utpakking prosedyren. Dermed skjøre elementer som blodkar ofte en tendens til å bryte fra hverandre.
Teknikken er heller ikke egnet for simulering av bløtvev. Å simulere hjernevev, for eksempel, kan det være nødvendig å enten skrive den ut med en metode som er i stand til å produsere myke og harde materialer direkte12,13 eller å skrive ut muggsopp som kan brukes til å kaste myke gjenstander, for eksempel silikon gummi14. I en test tilfellet ble sistnevnte metoden brukes til å simulere en myk svulst. Begrensningen av denne siste prosedyren var at selv om silikon svulsten var svært fleksibel, var det nødvendig å ha nok plass til å sette den inn i 3D trykt modell. Videre var det ikke mulig å skape indre strukturer, slik som et blod fartøy.
3D bindemiddel spyling er en additiv produksjon teknikk som monterer objekter av delvis herding og fargelegger tynne lag av pulver. Således, den innrømmer for trykking en nær ubegrenset omfang av fargene, fargen overgang, og farget strukturer innenfor det kvantum av emner inne ettall enkelt forarbeide.
Sammenlignet med andre utskrift teknikker som filament skrivere, som produserer de laveste kostnadene, men bare tillate to eller tre farger på en gang, og Poly jet skrivere som produserer flerfarget, multi-materielle objekter, men er svært kostbart, tilbyr denne teknikken en kompromiss til en rimelig pris. Gjennomsnittlig materialkostnad for en trykt hodeskalle var om €150.
Med denne metoden er det mulig å visualisere enda mer abstrakte data som filament fibre avledet fra Mr fiber sporing sekvenser eller funksjonell Imaging skildrer, for eksempel hjernen tale-området (f. eks Broca% s område).
Bortsett fra kirurgisk simulering, 3D trykt, fullt farget modeller av ekte pasient anatomi kan bidra til å forbedre utdanningen av medisinske studenter eller unge leger slik at de bedre kan forstå komplekse anatomiske relasjoner. Det er også et viktig verktøy i pasientens utdanning.
The authors have nothing to disclose.
Deler av dette arbeidet har blitt presentert som en plakat på det årlige møtet i den tyske Nevrokirurgisk Society (DGNC) 2019 i Würzburg, Tyskland og som en kort presentasjon på det årlige møtet i det tyske Society for computer and robot assistert kirurgi (CURAC) 2019 i Reutlingen, Tyskland.
3D printer | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | Zprinter Z450 |
3D printing software | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | 3DPrint Software (Version 1.03) |
Binder solution for cartridge | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0100-7001 | VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Liter |
Infiltration solution | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0250-1090 | Color-Bond 90, 1 bottle, 454 g |
Modeling Software for 3D print preparation | Autodesk, San Rafael, CA, USA | x | Netfabb Premium (Version 2019.0) |
Print head for binder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2010 | HP 11 print head (C4810A) |
Print head for color | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2011 | HP 57 printhead C 6657 AE Tricolor |
Printing powder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0050-2061 | VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg – ca. 11,47 L |
Segmentation software | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | x | Amira 5.4.5 |