Анатомия печати Voxel: проектирование и изготовление реалистичных, предхирургических моделей планирования с помощью растровой печати
Summary
Этот метод демонстрирует рабочий процесс 3D-печати на основе вокселя, который печатает непосредственно из медицинских изображений с точной пространственной точностью и пространственным / контрастным разрешением. Это позволяет осуществлять точный, градуированный контроль распределения материалов с помощью морфологически сложных, градуированных материалов, коррелирующих с радиоплотностью, без потери или изменения данных.
Abstract
Большинство применений 3-мерной (3D) печати для предхирургического планирования были ограничены костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных органов из-за фундаментальных ограничений в точности, качестве и эффективности текущей парадигмы моделирования. Это в значительной степени игнорирует мягкие ткани, критически важные для большинства хирургических специальностей, где внутренняя часть объекта имеет значение, а анатомические границы постепенно переходят. Поэтому потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует множественные масштабы организации и различные материальные распределения, требуют новых форм представления.
Здесь представлена новая методика создания 3D-моделей непосредственно из медицинских изображений, которые превосходят по пространственному и контрастному разрешению современные методы 3D-моделирования и содержат ранее недостижимую пространственную точность и дифференцировку мягких тканей. Также представлены эмпирические измерения новых, аддитивно изготовленных композитов, которые охватывают гамму жесткости материала, наблюдаемой в мягких биологических тканях с помощью МРТ и КТ. Эти уникальные объемные конструкции и методы печати позволяют детерминированно и непрерывно регулировать жесткость и цвет материала. Эта возможность позволяет совершенно новое применение аддитивного производства к предхирургическому планированию: механический реализм. В качестве естественного дополнения к существующим моделям, которые обеспечивают соответствие внешнего вида, эти новые модели также позволяют медицинским работникам «чувствовать» пространственно изменяющиеся материальные свойства тканевого имитатора — критическое дополнение к области, в которой тактильные ощущения играют ключевую роль.
Introduction
В настоящее время хирурги изучают многочисленные дискретные 2-мерные (2D) методы визуализации, отображающие различные данные для планирования операций на 3D-пациентах. Кроме того, просмотр этих данных на 2D-экране не полностью способен передавать весь объем собранных данных. По мере роста числа методов визуализации способность синтезировать больше данных из различных модальностей, которые демонстрируют несколько масштабов организации, требует новых форм цифрового и физического представления для конденсации и курирования информации для более эффективного и действенного хирургического планирования.
3D-печатные модели, специфичные для пациента, стали новым диагностическим инструментом для хирургического планирования, который, как было показано, сокращает время операции и хирургические осложнения1. Однако процесс занимает много времени из-за стандартного метода стереолитографии (STL) 3D-печати, который показывает видимую потерю данных и отображает напечатанные объекты как твердые, однородные и изотропные материалы. В результате 3D-печать для хирургического планирования была ограничена костными структурами и простыми морфологическими описаниями сложных органов2. Это ограничение является результатом устаревшей производственной парадигмы, руководствующейся продуктами и потребностями промышленной революции, где производимые объекты полностью описываются их внешними границами3. Однако потребности биомедицинской промышленности в воспроизведении человеческой ткани, которая демонстрирует несколько масштабов организации и различных материальных распределений, требуют новых форм представления, которые представляют собой вариации по всему объему, которые меняются пункт за пунктом.
Для решения этой проблемы был разработан метод 3D-визуализации и моделирования (рисунок 1) в сочетании с новым процессом аддитивного производства, который позволяет лучше контролировать смешивание и осаждение смол в сверхвысоком разрешении. Этот метод, называемый растровой печатью, воспроизводит анатомию человека путем 3D-печати непосредственно из медицинских изображений на уровне пространственной точности и пространственного / контрастного разрешения передовой технологии визуализации, приближающейся к 15 мкм. Это обеспечивает точный и градуированный контроль, необходимый для репликации изменений в морфологически сложных мягких тканях без потери или изменения данных из диагностических исходных изображений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Нынешняя репрезентативная структура, которую сегодня использует большинство, если не все, инструменты цифрового моделирования, приводит к формату файла STL8. Тем не менее, специфика этой парадигмы оказалась неадекватной при попытке выразить детальную или иерархическую стр…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим AB Nexus и штат Колорадо за их щедрую поддержку наших научных исследований в области воксельной печати для предоперационного планирования. Мы благодарим Л. Брауна, Н. Стенса и С. Шеридана за предоставление наборов данных, используемых в этом исследовании. Это исследование финансировалось ab Nexus Grant и 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 |
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).
