Summary
Protokol, cerrahi simülasyon için kullanılacak hastaya özgü, anatomik kafatası modellerinin tam renkli üç boyutlu baskılarının imalatını açıklamaktadır. Farklı görüntüleme yöntemlerini birleştirmenin önemli adımları, görüntü segmentasyonu, üç boyutlu model çıkarma ve baskı ların üretimi açıklanmıştır.
Abstract
Üç boyutlu (3D) baskı teknolojileri, doğru boyutlarda fiziksel bir modelde hastaya özgü patolojileri görselleştirme olanağı sunar. Model planlama ve cerrahi bir yaklaşımın kritik adımları simüle etmek için kullanılabilir. Bu nedenle, bir tümörün içindeki kan damarları gibi anatomik yapıların sadece yüzeylerinde değil, tüm hacimleri boyunca renklendirilebilmek için yazdırılması önemlidir. Simülasyon sırasında bu, belirli parçaların (örn. yüksek hızlı matkapla) çıkarılmasına ve farklı renkte dahili olarak konumlanmış yapıların ortaya çıkarılmasına olanak tanır. Böylece, çeşitli görüntüleme yöntemleri (örneğin, BT, MRG) tanısal bilgiler tek bir kompakt ve somut nesne kombine edilebilir.
Ancak, böyle tam renkli anatomik bir modelhazırlanması ve baskı zor bir görev olmaya devam etmektedir. Bu nedenle, farklı kesitsel görüntüleme veri kümelerinin birleşmesi, anatomik yapıların segmentasyonu ve sanal bir modeloluşturulmasını gösteren adım adım bir kılavuz sağlanır. İkinci adımda sanal model, alçı tabanlı renkli 3D bağlayıcı püskürtme tekniği kullanılarak hacimsel renkli anatomik yapılarla basılır. Bu yöntem, 3D baskılı petros apeks kondrosarkomserisinde gösterildiği gibi hastaya özgü anatominin son derece doğru bir şekilde çoğaltılmasına olanak sağlar. Ayrıca, oluşturulan modeller kesilebilir ve delinebilir, cerrahi prosedürlerin simülasyonu için izin iç yapıları ortaya.
Introduction
Kafatası baz tümörlerinin cerrahi tedavisi hassas preoperatif planlama gerektiren zorlu bir görevdir1. Bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kullanılarak multimodal görüntüleme, cerraha hastanın bireysel anatomisi hakkında bilgi sağlar. Klinik uygulamada bu tanısal bilgiler, anatominin farklı yönlerini temsil eden bir dizi iki boyutlu (2D) kesitler (örn. kemik görüntüleme için BT, damarlar için BT anjiyografi, yumuşak doku için MRG) görüntülenmesi ile görselleştirilmiştir.
Ancak, özellikle yeni başlayanlar, tıp öğrencileri ve hastalar için, kesitsel görüntüler için farklı 3D yapıların karmaşık ilişkilerini anlamak zordur. Kadavraçalışmalarınınyanı sıra 2 , bu sorun bireysel patolojilerin gerçek boyutlu anatomik modelleri oluşturularak, farklı renklerde anatomik yapılar gösterilerek ele alınabilir3.
Son yıllarda teknik gelişmeler sayesinde, 3D baskı teknolojileri karmaşık şekiller4,5maliyet-etkin inşaat sağlar. Bu nedenle, bu teknik, somut, mekansal ilişkileri açıkça betimleyen ve cerrahi planlama ve simülasyon için kullanılabilecek hastaya özgü anatomik modeller oluşturma olanağı sunmaktadır. Özellikle petrous apeksi kondrosarkomgibi nadir ve karmaşık vakalarda, bireysel bir olguda tümör çıkarılmasının ameliyat öncesi simülasyonu cerrahın özgüvenini ve hastanın sonucunu iyileştirmeye yardımcı olabilir.
Ortak FDM yazdırma (filament biriktirme modelleme) teknikleri yalnızca kapalı yüzeyli nesnelerin bir veya sınırlı renk çeşitliliğinde oluşturulmasına olanak sağlar6. Çeşitli karmaşık şekilli anatomik yapılar içeren cerrahi simülasyon için bir model sağlamak için ağırlıklı olarak birbirleri içinde iç içe, tam hacimli renkli 3D baskılar gereklidir. Bu bir iç yapı ortaya çıkana kadar doku katmanlarının ardışık kaldırılması için izin verir.
Alçı tabanlı renk 3D bağlayıcı püskürtme gerekli çok renkli modelleri üretmek mümkün bir tekniktir7. Standart konfigürasyonlarında sadece bir nesnenin yüzeyi renklendirilebilirken, burada iç anatomik yapılara rengin hacimsel uygulanmasını sağlamak için değiştirilmiş bir teknik tanımlanmıştır.
Bu tekniği göstermek için, kafatası baz kondrosarkomlu hastaların olguları örnek olarak seçilmiştir. Kondrosarkomlar iskelet sistemindeki tüm neoplazilerin %20'sini, çoğunlukla uzun kemiklerde bulunurlar. Primer kafa tabanı kondrosarkomları tüm intrakranial tümörlerin %0.1-0.2'sini oluşturan nadir bir durumdur8. Esas olarak petrous apeks bulunan, Bu tümörler iç karotis arter gibi önemli yapıları içeren karmaşık bir anatomik ortamda büyümek, optik ve diğer kranial sinirler, yanı sıra hipofiz bezi. Adjuvan tedaviler tek başına (örneğin, radyasyon) yeterince etkili olmadığından bu neoplazmların tedavisi esas olarak toplam cerrahi rezeksiyon odaklanmıştır9.
Bu tümör varlığının karmaşıklığı ve nadirliği nedeniyle, 3Boyutlu baskılı kafatası modelindeki ameliyat öncesi cerrahi simülasyon, anatominin daha iyi görüntülenmeve anlaşılmasına ve cerrahın tam rezeksiyon elde edilmesine yardımcı olabilir. Diğerleri tarafından gösterildiği gibi10,hastaya özel modellerin11 3D baskı karmaşık nöroanatomi hem sakinlerinin ve deneyimli beyin cerrahlarının anlayışını geliştirir.
Ancak, tıbbi görüntüleme verilerinden bu tür bireyselleştirilmiş modeller oluşturmak, görüntü segmentasyonu, 3D modelleme ve 3D yazdırma becerileri gerektirir, özellikle anatomik yapılar farklı renklerde basılması için. Bu makale, tıbbi görüntüleme verilerinin sanal 3D modellere dönüştürülmesi ve çok renkli 3B nesnelerin üretilmesi için ayrıntılı bir protokol sağlayarak açıklanan anatomik modellerin imalatını diğerleri için daha erişilebilir hale getirmek amacını amaçlamaktadır.
İş akışı esas olarak dört bölümden oluşur: 1) tıbbi görüntüleme verilerinin segmentasyonu ve sanal bir 3D modelin oluşturulması; 2) çok renkli 3D baskı için sanal 3D modelhazırlanması; 3) seçilen parçaların hacimsel boyama için hazırlık; ve 4) 3D baskı ve post processing.
Protocol
Protokol sorumlu yerel etik komitesi (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Almanya) tarafından onaylanmıştır. Hasta verilerinin bakımı ve kullanımına ilişkin tüm kurumsal yönergeler takip edilebildi.
1. Tıbbi görüntüleme verilerinin segmentasyonu ve sanal bir 3D modeloluşturulması
NOT: Segmentasyon için kullandığımız yazılım Amira 5.4.5 idi. Segmentasyon işlemi, açık kaynak kodlu yazılım (örneğin, 3D Slicer, https://www.slicer.org/)kullanılarak da gerçekleştirilebilir.
- Yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip görüntüleme verilerini kullanın (örn. 1 mm veya daha az bir dilim kalınlığı). Burada, dilim kalınlığı 0,5 mm olan kranial BT veri seti ve 1 mm dilim kalınlığına sahip ek MR Verileri kullanılmıştır. Kemik segmentasyonu için CT verilerini, tümör ve nöral yapıların segmentasyonu için kontrast gelişmiş T1 MRI görüntülerinin yanı sıra damarlar için uçuş zamanı (TOF) görüntüleri kullanın.
- Bilgisayardaki DICOM dosyalarını indirin ve segmentasyon yazılımını açın. Farklı görüntüleme yöntemlerinin dosyalarını içe aktarın ve görüntüleme verileri içeren klasörü seçin.
- CT görüntüleri tıklayın ve bir ses işleme modülü (Volren) ile bağlayın. Daha gerçekçi bir görüntüleme için Specular'ı seçin ve yalnızca kemiği görselleştirmek için renk aktarım kaydırıcısını ayarlayın. MRI dizilerini alarak devam edin ve bunları bir ses işleme modülüne de bağlayın.
- Kayıt
- MR Ve CT görüntüleri örtüşmedığından, farklı görüntüleme verilerini birleştirmek gerekir. Bu nedenle, MRI veri setine sağ tıklayın ve Bilgi İşlem > Affine Kaydı'nıseçin. Modülün beyaz karesini tıklatarak Başvuru'yu seçin ve imleci CT'ye sürükleyin.
- Kayıt Modülü'nün özelliklerinde tüm ayarları varsayılan olarak bırakın ve Hizalama Merkezleri'netıklayın, ardından Kaydet'itıklatın. İki farklı görüntüleme veri kümesi şimdi erimiş. Diğer tüm görüntüleme veri kümeleri için bu adımı yineleyin.
- Eşleşen doğruluğun doğrulanması:
- Ses görüntülerini gizleyerek (modülün turuncu karesine tıklayın) ve MR görüntülerine bir OrthoSlice modülü ekleyerek eşleşen doğruluğu kontrol edin. Beyaz üçgen tıklayın ve Colorwashseçin. Sonraki beyaz kare üzerine tıklayın, Veri seçin ve üzerine fare sürükleyerek CT verileri ile bu bağlantı noktası bağlayın.
- Kemikli kafatası yapılarına yerleştirilmiş sinirsel yapıları görselleştirmek için renk kaydırıcısını ayarlayın. Kafatası ve beyin yüzeyleri ile ventriküller arasındaki sınıra bakarken ağırlık faktörü kaydırıcısını değiştirerek herhangi bir yanlış hizalama olup olmadığını kontrol edin. Koronal ve sagital yönlerde farklı dilimler üzerinde bu işlemi tekrarlayın.
- Hacimsel düzenleme
- OrthoSlice modülünün görünürlüğünü devre dışı bırakın ve CT'nin ses işlemesini yeniden etkinleştirin. CT verilerine gidin ve bu durumda -2.048 veri kümesindeki en düşük değeri arayın.
- Sonraki bir Birim Edit modülü ekleyin, Volren modülünü çıktı verilerine bağlayın ve Dolgu Değerini -2.048'e ayarlayın.
- İçi Kes'e tıklayın ve 3B viewport'ta kaldırılacak bölgeyi işaretleyin.
NOT: Kaldırılmaması amaçlanmayan parçalarla örtüşmemek önemlidir. - Bu örnekte, mandibula kemiğinin ve üst servikal vertebranın bazı kısımları çıkarıldı.
- Kemiğin segmentasyonu
- Daha sonra, kalan kemik segmente edilmeli ve bir yüzey örgü dönüştürülmelidir. Bunu yapmak için SegmentasyonDüzenleyicisi'ne tıklayın, değiştirilmiş CT görüntü dizisini seçin ve Yeni'yetıklayarak yeni bir Labelset ekleyin.
- Şimdi bir segmentasyon seçeneği olarak Eşik'i seçin. Bir CT durumunda alt kaydırıcıyı ~250 değerine ayarlayın. Aksi takdirde, alt eşiği ayarlayın ama herhangi bir yumuşak doku seçme kaçının.
- Sonraki Tıklayın Seç ve son olarak etiket kümesine seçim eklemek (kırmızı artı simgesine tıklayarak).
- Havuz Görünümünedön. CT için yeni bir etiket kümesi oluşturuldu. Sağ tıklayın ve Bilgi İşlem > Surface Gen'iseçin, Kompaktlat seçeneğini işaretleyin ve Uygula'yıtıklatın.
- Son olarak, bir SurfaceView modülü ekleyin ve oluşturulan kafesin rengini ayarlayın.
- Diğer yapıların segmentasyonu
- Önceki adımları yineleyerek diğer ilgili yapıları ekleyin. Tümör durumunda eşik operasyonu yerine manuel segmentasyon kullanılmıştır.
- Manuel segmentasyon gerçekleştirmek için SegmentasyonDüzenleyicisi'ne gidin ve her dilimdeki tümör gibi yapıları işaretlemek için manuel segmentasyon seçeneğini (fırça simgesi) seçin. Son olarak artı simgesine tıklayarak seçimi yeniden ekleyin. Böylece tümör, optik sinir ve intrakranial damarlar parçalanacak ve modele eklenecektir.
- Meshes verme
- Son olarak, kafese sağ tıklayarak ve Kaydet'e tıklayarak oluşturulan kafesleri STL biçiminde dışa aktarın. Dosya biçimi olarak ikili STL'yi seçin.
2. Çok renkli baskı için sanal 3D modelin hazırlanması
NOT: Bu protokolde baskı hazırlığı için kullanılan yazılım Netfabb Premium 2019.0'dır. Autodesk eğitim programında bu yazılımın ücretsiz kullanımını sunmaktadır.
- Veri aktarın ve otomatik onarım gerçekleştirin.
- Yazdırma hazırlama programını açın ve önceki adımlarda oluşturulan meshes'i yeni parçalar olarak aktarın. Otomatik Onarım'ı denetleyin ve İçe Aktar'ıtıklatın.
- Küçük gevşek parçaları silme
- Kafatasını seçin ve Kabukları Değiştir > Parçalara Böl'etıklayarak kabuklarını parçalara bölün. Bu kafatası kemiğine bağlı olmayan gevşek nesneleri ayırır.
- Kafatası kemiğini seçin ve görünürlüğünü kapatın.
- Şimdi diğer tüm parçaları seçin ve silin.
- Kafatasının görünürlüğünü tekrar titretin.
- Diğer tüm nesneler için bu adımı yineleyin.
- Çakışan bölgeleri kaldırın.
NOT: Kafatasının petrous apeksindeki tümör gibi bazı bölgelerde her iki cismin geometrileri birbiriyle kesişir. Yazdırma hatalarını önlemek için bu tür kesişimleri kaldırmak gerekir.- Kesişen iki nesneyi seçin ve Boolean İşlemleri'nitıklatın.
- Diğerinden çıkarılacak nesneyi listenin kırmızı tarafına taşıyın ve Uygula'yıtıklatın. Şimdi iki nesne açıkça ayrılmış. Bu onların görünürlük değiştirerek kontrol edilmelidir.
- Tümörün ve tümörün içindeki atardamarın birbirinden net bir şekilde ayrılmasını sağlamak için bu adımları tekrarlayın.
- Gerektiğinde destek yapıları ekleyin.
- Baziler arter durumunda, baskı dan sonra nesnenin gevşek bir parçası olmasını önlemek için ek destekler gereklidir.
- Yeni bir nesne ekleyin, bu durumda bir silindir(Dosya > Parça Kitaplığı),ve gerektiğinde boyutlarını ve alt bölümlerini ayarlayın.
- Tamamen kafatası ve damar geometrisi ile kesişecek silindir yerleştirin.
- Şimdi kemik ve kan damarı içindeki parçaları çıkarmak için tekrar Boolean operasyonu gerçekleştirin.
- Gerektiğinde (örn. optik sinir) daha fazla destek eklemek için bu adımı tekrarlayın.
3. Seçilen parçaların hacimsel renklendirmesi için hazırlık
NOT: Belirli parçaların hacimsel renklendirmesine izin vermek için, nesnenin içinde sadece bir yüzey kabuğu değil, birçok alt kabuk (ek yüzeyler) oluşturmak gerekir.
- Bu durumda tümörü seçin ve ondan yeni bir kabuk oluşturun (sağ tıklayın > Değiştir > Kabuk Oluştur).
- İç Ofset Modunda 0,3 mm'lik bir kabuk kalınlığını 0,15 mm hassasiyetle ayarlayın ve uygulayın. Orijinal Part'ı Koru onay kutusunu seçin. Bu orijinal yüzeye 0,3 mm mesafe ile bir iç kabuk oluşturur.
- Her iki merminin dış yüzeyini seçin ve ondan yeni bir kabuk oluşturun. İçi Boş Mod'da 0,15 mm hassasiyetle 0,25 mm'lik bir kabuk kalınlığı seçin. Ayrıca Orijinal Part onay kutusunu kaldır'ı seçin. Bu, bitişik iki kabuk arasında 0,05 mm'lik bir boşluk oluşturur.
- Sabit kalınlıklara ve değişmez uzaklıklara sahip birden fazla iç kabuk oluşturulacak şekilde 3.1-3.3 adımlarını tekrarlayın.
NOT: Düzgün hacimsel boyama elde etmek için 0,35-0,25 mm kabuk kalınlığının yanı sıra 0,1-0,05 mm'lik bir ofset kullanılması önerilir. - Kan damarları gibi diğer tüm nesnelerle 3.1-3.4 adımlarını tekrarlayın.
4. 3B modelin renklendirme ve dışa aktarımı
NOT: Farklı iç içe kabukları da dahil olmak üzere modelin tüm parçalarının boyama, Netfabb yazılımı kullanılarak yapılır.
- Sol taraftaki Parçalar Menüsünde renklenecek bir parça seçin. Doku ve Renk Kafesi simgesine çift tıklayın. Sağ taraftaki renk çubuğunu tıklatarak bir renk seçin. Sol üst menüde Kabuklar üzerindeki Boya simgesine tıklayın. Daha sonra ekran merkezinde görüntülenen modele sol tıklayın. Son olarak sağ alt köşedeki Değişiklikleri Uygula kutusuna sol tıklayın. Eski Parçayı Kaldır seçimini doğruladık.
- Bu adımları sırasıyla diğer tüm nesneler ve kabuklarla yineleyin.
- Tüm nesneleri dışa aktarın. Destekler ve iç kabuklar da dahil olmak üzere yazdırılacak tüm nesneleri seçin ve bunları tek tek dosya olarak dışa aktarın. STL biçimi renk bilgilerini taşıyamadığından VRML (WRL) biçimini seçtiğinizden emin olun.
5. 3B modelin yazdırıl ve işlenmesi
- 3B yazıcıyı ayarlama
NOT: 3DPrint Yazılımı (Sürüm 1.03) ZPrinter 450 bağlayıcı püskürtme makinesini kontrol etmek için kullanılmıştır.- Yazılımı açın ve Açık'a tıklayarak ve ilgili tüm verileri seçerek renkli VRML dosyalarını içe aktarın. Sağ alt pencere köşesindeki Aç düğmesine tıklayın. Sonraki pencerede birim olarak milimetre seçin. Konum ve Yönlendirmeyi ve Tüm Dosyalar aparatlarına Ayar Yap'ı kontrol ettiğinizden emin olun. Son olarak malzeme türü olarak Z151'i seçin. İleri düğmesine tıklayın.
- Yapı hacminin içindeki 3B nesneleri konumlandırmak için
+A tuşuna basarak tüm nesneleri işaretleyin.- Yapı hacminin XY görünümünü temsil eden sol üst pencerede, işaretli nesneleri tıklatın ve merkeze sürükleyin. Yapı hacminin XZ görünümünü temsil eden sol alt pencerede, sarı çizginin üzerindeki alt kısmın ortasındaki nesneleri tıklatın ve sürükleyin.
- Tüm kafatası modeli basılmışsa, açıklığın yukarı ya doğru baktığından emin olun. İzole edilmiş küçük modeller yazdırılırsa, bu yönlendirme ilgili parçaların mukavemetini artıracağı için, gemiler gibi hassas parçaları XY düzlemiyle hizaladığından emin olun.
- Sağ taraftaki pencereye tıklayıp taşıyarak modellerin doğru yönünü kontrol edin.
- Oluşturma işlemine hazırlanmak için üst menüdeki Kurulum simgesine tıklayın. Doğru Malzeme Türünün seçildiğinden ve Katman Kalınlığının 0,1 mm olarak ayarlandıklarına emin olun. Taşma Payı işaretlenmeli ve Tek Renkli Yazdırma seçeneği işaretlenmemelidir.
- Yazdırma işlemini başlatmak için üst menüdeki Oluştur simgesine tıklayın. Sonraki pencerede Tüm Yapı'yı seçin ve Tamam düğmesini tıklatın. Aşağıdaki Yazıcı Durumu diyaloğunda listelenen tüm öğelerin doğru ayarlandıkdığından ve yazıcının çevrimiçi olduğundan emin olun. Ardından, diyalog kutusunun alt kısmındaki Yazdır düğmesine tıklayın.
- Modelin işlenmesi sonrası
NOT: Gevşek tozu ve sertleşme çözeltisini kullanırken her zaman bir laboratuvar paltosu, eldiven, göz koruması ve maske takın. Her zaman iyi havalandırılan bir alanda çalışın.- Açma
- Baskı bittikten sonra, entegre elektrikli süpürge ile gevşek tozu dikkatlice çıkararak modeli boşaltın. İnce yapıların parçalanmasını önlemek için modele emme tüpü ile doğrudan temas etmemek önemlidir.
- Modeli çıkarın ve basınçlı hava uygulayarak ve yumuşak bir fırça ile temizleyerek temizleyin. Daha kalın, daha kararlı, modelin parçaları ayrıca daha sert bir fırça ile zemin olabilir. Bu isteğe bağlı adım daha pürüzsüz bir yüzey kaplaması sağlar. Bu durumda modelhala çok kırılgan olduğunu unutmayın.
- Infiltrasyon
- Modeli plastik bir küvetin içine koy.
- Beyazımsı alanlar görünmeyene kadar sertleştirme solüsyonu ile dikkatlice sızın.
- Fazla çözelti, tüm yüzey detaylarını korumak için basınçlı hava ve tek kullanımlık kağıt havlularla çıkarılmalıdır.
- Tamamen kuruyana kadar model tedavi birkaç saat bekleyin.
- Açma
Representative Results
Çalışma için petrouç apeksinin kondrosarkomu olan sekiz hasta seçildi ve her biri kemik, tümör, damarlar, hipofiz bezi ve optik sinir geçişi içeren sanal 3D modeller oluşturuldu. Üç model, alçı tabanlı renkli 3D bağlayıcı püskürtme tekniği kullanılarak çok renkli 3D baskıdan geçti (Şekil 1A1,A2). Ayrıca, yüzey boyama ile karşılaştırıldığında hacimsel renklendirmenin faydalarını göstermek için internal arterli tek bir tümör(Şekil 1B1)oluşturulmuştur (Şekil 1B2,B3).
Bu modeller cerrahi bir yaklaşımın simülasyonu (örneğin, çapak deliği oluşturma) ve tümör rezeksiyonu göstermek için kullanılmıştır. Bu baskı tekniği, farklı görüntüleme yöntemlerinden elde edilen anatomik yapıların tek bir nesneyle birleştirilmesine olanak sağladı.
Alçı malzemesi kemik benzeri özelliklere sahipti ve erimeden kolayca delinebiliyordu. Böylece, bir cerrahi erişim yolu simüle etmek için kullanmak mümkün oldu. Sertleştirme işleminden sonra intraserebral damar ağacı gibi kırılgan yapıları bile çoğaltacak kadar kararlıydı.
Modelin tüm hacmini renklendirme yeteneği, bir cismin iç yapısının, örneğin tümörün içinden geçen iç karotis arterin inanCa açıkça görselleştirilmesine olanak sağladı. Matkap ile tümör katmanları kaldırarak, kırmızı arter yavaş yavaş cerrahi simülasyon sırasında ortaya çıktı.
Tekniğin doğruluğunu kanıtlamak için 3D modeller bir bilgisayar tomografında tarandı. Yazdırmak için oluşturulan modeller bu taramalar için eksponedildi. Bir sapma eşleme oluşturuldu ve doğruluğu rastgele seçilen 50 yüzey noktasında belirlendi. Ortalama 0,021 mm sapma, 3B baskının orijinal verilere göre yüksek bir şekilde uygunluğunu gösterir.
Şekil 1: Hacimsel vs yüzey renkli 3D baskılar. A1' e göre. Sağ petrous apex de kondrosarkom olan bir hastanın örnek tam renkli 3D baskı. A2' ye göre. Anatomik yapıların ayrıntılı görünümü (ok = internal karotis arter çatallanma; O = optik sinir kiazma; T = tümör). B1' e göre. Kan damarı tümör hacmi ve kesit düzeyi (noktalı çizgi) geçiş. B2'ye göre. Geleneksel çok renkli baskı tekniği sadece yüzeyde renk ortaya çıkarır. B3' e göre. Modifiye tekniği, ileri cerrahi simülasyon için uygun hacimsel renkli nesneler üretir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: 3B baskıların hacimsel renklendirmesi için iş akışı. A. Bir kan damarı iç kabukları olmadan hacmini geçen bir tümörün Sanal 3D modeli. B. Birden fazla iç kabuklu tümör ve bir kan damarı (mesafe 0.05 mm). C. Yüksek kabuk mesafesi (1 mm) örneği. Renkli ve beyaz kabukların tek katmanları hala görülebilir. D. Küçük kabuk mesafesi (0,1 mm) örneği. Nesnenin iç hacmi tamamen renklidir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Discussion
İntrakranial kondrosarkom tedavisi esas olarak tam cerrahi çıkarma üzerine kuruludur. Genellikle petroz apeks üzerinde bulunan, Bu tümör iç karotis arter gibi önemli yapılara yakındır, optik sinir, ve hipofiz bezi. Bu nedenle, cerrahi yörüngelerin planlanması ameliyat öncesinde önemli bir adımdır. Çok renkli 3D baskı, her biri farklı görüntüleme yöntemlerinden elde edilen bu yapıların tek bir nesneye kaynatımı sağlar.
3D yazdırma için hazırlık sırasında yeterli görüntüleme verilerini dikkatle seçmek önemlidir. Küçük bir dilim kalınlığı ile yüksek çözünürlüklü görüntüler de 3D rekonstrüksiyon ve pürüzsüz geçişler için uygundur, yüksek dilim kalınlıkları kaba, düzensiz nesneler üretecek ise. Yöntemin bir diğer kritik adımı tümör ve kafatası kemiği gibi iki komşu nesnelerin herhangi bir kesişme önlemektir. Bu nedenle, Boolean işlemleri diğer bir nesne çıkarmak için gerçekleştirilmelidir.
Hacimsel boyama için bir nesnenin içinde soğan kabuğu benzeri yüzeyler oluşturmak gerekir(Şekil 2A,B). Düzgün renkli nesneler elde etmek için en az 0,1 mm'lik iki bitişik yüzey arasında minimum mesafe olması gerekir(Şekil 2D). Seçilen uzaklık bu değerin üzerindeyse, nesnenin içindeki tek tek kabuklar görünür hale gelebilir(Şekil 2C). Hacimsel boyama kullanırken 3D yazıcının artan renk tüketimine dikkat edilmelidir. Ayrıca, herhangi bir gevşek parçalar için modeli kontrol etmek ve gerektiğinde destek eklemek önemlidir (örneğin, baziler arter).
Yöntem sadece çok dayanıklı olmayan sert, alçı benzeri malzeme üretebilir. Özellikle sertleştirme işlemi olmadan, model açma işlemi sırasında kolayca yok edilebilir. Böylece, kan damarları gibi kırılgan unsurlar genellikle ayrı kırmak eğilimindedir.
Teknik aynı zamanda yumuşak doku simülasyonu için uygun değildir. Beyin dokusu simüle etmek için, örneğin, ya doğrudan yumuşak ve sert malzemeler üretmek mümkün bir yöntem ile yazdırmak için gerekli olabilir12,13 veya silikon kauçuk gibi yumuşak nesneleri döküm için kullanılabilecek kalıpları yazdırmak için14. Bir test olguda, ikinci yöntem yumuşak bir tümör simüle etmek için kullanılmıştır. Bu son işlemin sınırlaması silikon tümör çok esnek olmasına rağmen, 3D baskılı model içine eklemek için yeterli alana sahip olması gerekli olduğu. Ayrıca, bir kan damarı gibi iç yapılar oluşturmak mümkün değildi.
3D bağlayıcı püskürtme, nesneleri kısmi sertleştirme ve ince alçı tozu tabakalarını renklendirerek biraraya getiren bir katkı maddesi üretim tekniğidir. Böylece, tek bir işlemde nesnelerin hacmi içinde renk, renk geçişleri ve renkli yapıların neredeyse sınırsız bir dizi yazdırmak için izin verir.
En düşük maliyetleri üreten ancak aynı anda sadece iki veya üç renge izin veren filament yazıcılar ve çok renkli, çok malzemeli nesneler üreten ancak çok pahalı olan Poly Jet yazıcılar gibi diğer baskı teknikleri ile karşılaştırıldığında, bu teknik uygun bir fiyata uzlaşma. Bir baskılı kafatası için ortalama malzeme maliyeti yaklaşık 150 € oldu.
Bu yöntemle, MRI lif izleme dizilerinden elde edilen filament lifleri veya örneğin beyin konuşma alanını (örneğin Broca%s area) gösteren fonksiyonel görüntüleme gibi daha soyut verileri görselleştirmek mümkündür.
Cerrahi simülasyon dışında, gerçek hasta anatomisi 3D baskılı, tam renkli modelleri daha iyi karmaşık anatomik ilişkileri anlamak böylece tıp öğrencileri veya genç hekimlerin eğitimini geliştirmeye yardımcı olabilir. Aynı zamanda hasta eğitiminde de önemli bir araçtır.
Disclosures
Bu çalışma Johannes Gutenberg-University of Mainz'den M.K.'ya ("Biyomatik - Stufe 1 Förderung") tıp fakültesinden gelen bir hibe ile desteklenmiştir.
Acknowledgments
Bu çalışmanın bazı bölümleri, Almanya'nın Würzburg kentinde düzenlenen Alman Nöroşirürji Derneği (DGNC) 2019 yıllık toplantısında poster olarak ve Alman Bilgisayar ve Robot Destekli Cerrahi Derneği'nin (CURAC) 2019 yıllık toplantısında kısa bir sunum olarak sunulmuştur. Reutlingen, Almanya.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
- Wu, P., et al. Quantitative evaluation of different far lateral approaches to the cranio-vertebral junction using the microscope and the endoscope: a cadaveric study using a tumor model. Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).
- Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).
- Stone, J. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video. Operative Neurosurgery. 16 (3), 80 (2018).
- Scerrati, A., et al. A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing. Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).
- Kamio, T., et al. Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" oral and maxillofacial surgery and dentistry fields. 3D Printing in Medicine. 4, 6 (2018).
- Kondo, K., et al. A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures. Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).
- Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H.
- Jones, P. S., et al. Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database. Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).
- Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. 3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses. Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).
- Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. Medicine. 97, 9516 (2018).
- Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
- Coelho, G., et al. Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery. Child's Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).
- Javan, R., Cho, A. L. An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures. Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).
