Ein personalisiertes 3D-gedrucktes Modell für die präoperative Beurteilung in der Schilddrüsenchirurgie

Zusammenfassung

Hier wird eine neue Methode zur Erstellung eines personalisierten 3D-gedruckten Modells für die präoperative Beurteilung von Schilddrüsenoperationen vorgeschlagen. Es ist förderlich für präoperative Gespräche und verringert die Schwierigkeit einer Schilddrüsenoperation.

Zusammenfassung

Die anatomische Struktur des Operationsgebietes des Schilddrüsenkarzinoms ist komplex. Es ist sehr wichtig, die Lage des Tumors und seine Beziehung zu Kapsel, Luftröhre, Speiseröhre, Nerven und Blutgefäßen vor der Operation umfassend und sorgfältig zu beurteilen. In diesem Artikel wird eine innovative Methode zur Erstellung von 3D-gedruckten Modellen vorgestellt, die auf DICOM-Bildern der Computertomographie (CT) basiert. Wir erstellten ein personalisiertes 3D-gedrucktes Modell der zervikalen Schilddrüsenchirurgie für jede Patientin, die eine Schilddrüsenoperation benötigte, um den Ärzten zu helfen, die wichtigsten Punkte und Schwierigkeiten der Operation zu beurteilen und die Operationsmethoden der wichtigsten Teile als Grundlage auszuwählen. Die Ergebnisse zeigten, dass dieses Modell für die präoperative Diskussion und die Formulierung von Operationsstrategien förderlich ist. Insbesondere durch die deutliche Darstellung der rekurrenten Lage des Kehlkopfnervs und der Nebenschilddrüse im Schilddrüsenoperationsfeld können Verletzungen während der Operation vermieden, die Schwierigkeit der Schilddrüsenoperation verringert und auch die Inzidenz von postoperativem Hypoparathyreoidismus und Komplikationen im Zusammenhang mit rezidivierenden Larynxnervverletzungen verringert werden. Darüber hinaus ist dieses 3D-gedruckte Modell intuitiv und unterstützt die Kommunikation bei der Unterzeichnung der Einwilligungserklärung durch Patienten vor der Operation.

Einleitung

Schilddrüsenknoten sind eine der häufigsten endokrinen Erkrankungen, von denen Schilddrüsenkrebs 14 % bis 21 % ^ausmacht1. Die bevorzugte Behandlung von Schilddrüsenkrebs ist eine Operation. Da sich die Schilddrüse jedoch im vorderen Halsbereich befindet, befinden sich im Operationsbereich wichtige Gewebe und Organe in der Nähe der Schilddrüse, wie z. B. die Nebenschilddrüse, die Luftröhre, die Speiseröhre sowie die großen Gefäße und Nerven des Gebärmutterhalses ^2,3, was die Operation relativ schwierig und riskant macht. Die häufigsten chirurgischen Komplikationen sind eine Abnahme der Nebenschilddrüsenfunktion, die durch eine Verletzung der Nebenschilddrüsenfunktion oder eine Fehlresektion verursacht wird, und Heiserkeit, die durch eine rezidivierende Verletzung des Kehlkopfnervs^{verursacht wird 4}. Die Reduzierung der oben genannten chirurgischen Komplikationen ist seit jeher ein Ziel der Chirurgen. Das gebräuchlichste bildgebende Verfahren vor einer Schilddrüsenoperation ist die Ultraschallbildgebung, obwohl die Darstellung der Nebenschilddrüse und des Nervs sehr begrenzt ist⁵. Darüber hinaus ist die Variation in der Position der Nebenschilddrüse und des Nervus laryngeus recurrens im Bereich der Schilddrüsenchirurgie sehr hoch, was die Identifizierung behindert ^6,7. Wenn die anatomische Position jedes Patienten dem Chirurgen durch das Modell in Echtzeit während der Operation deutlich angezeigt werden kann, verringert dies das Operationsrisiko einer Schilddrüsenoperation, verringert die Häufigkeit von Komplikationen und verbessert die Effizienz der Schilddrüsenoperation.

Darüber hinaus ist es auch eine Herausforderung, den Patienten den chirurgischen Ablauf vor der Operation gründlich zu erklären. Einigen unerfahrenen Chirurgen fällt es schwer, den Patienten die genauen Details der Operation zu erklären und zu vermitteln, insbesondere wegen der Komplexität der Schilddrüse und ihrer umgebenden Strukturen. Jeder Patient hat seine eigene, einzigartige anatomische Struktur und seine persönlichen Bedürfnisse⁸. Daher kann ein personalisiertes 3D-Schilddrüsenmodell, das auf der realen Anatomie des Patienten basiert, Patienten und Ärzten effektiv helfen. Derzeit werden die meisten Produkte auf dem Markt auf der Grundlage von Plandiagrammen in Massenproduktion hergestellt. Durch den Einsatz der 3D-Drucktechnologie zur Erstellung eines patientenspezifischen Modells, das die individuellen medizinischen Bedürfnisse jedes Patienten widerspiegelt, kann dieses Modell verwendet werden, um den tatsächlichen Zustand von Patienten mit Schilddrüsenkrebs zu bewerten und Chirurgen dabei zu helfen, die Art der Krankheit besser mit den Patienten zu kommunizieren.

3D-Druck (oder additive Fertigung) ist eine dreidimensionale Konstruktion, die aus einem computergestützten Konstruktionsmodell oder einem digitalen 3D-Modell⁹ aufgebaut ist. Es wurde in vielen medizinischen Anwendungen verwendet, z. B. in medizinischen Geräten, anatomischen Modellen und Arzneimittelformulierungen¹⁰. Im Vergleich zur herkömmlichen Bildgebung ist ein 3D-Druckmodell besser sichtbar und besser lesbar. Daher wird der 3D-Druck zunehmend in modernen chirurgischen Eingriffen eingesetzt. Zu den häufig verwendeten 3D-Drucktechnologien gehören der Druck auf der Basis der Bottichpolymerisation, der Druck auf Pulverbasis, der Druck auf Tintenstrahlbasis und der Druck auf Extrusionsbasis¹¹. Beim Druck auf Basis der Bottichpolymerisation wird eine bestimmte Wellenlänge des Lichts auf einen Lauf mit lichthärtendem Harz gestrahlt, der das Harz Schicht für Schicht lokal aushärtet. Es hat die Vorteile der Materialeinsparung und des schnellen Drucks. Der pulverbasierte Druck beruht auf lokalisierter Erwärmung, um das Pulvermaterial für eine dichtere Struktur zu verschmelzen, führt aber auch zu einer deutlichen Erhöhung der Druckzeit und -kosten und wird derzeit nur begrenzt eingesetzt¹². Beim Inkjet-basierten Druck werden Tröpfchen Schicht für Schicht präzise auf das Substrat gesprüht. Diese Technologie ist die ausgereifteste und hat die Vorteile einer hohen Materialkompatibilität, kontrollierbarer Kosten und einer schnellen Druckzeit¹³. Beim extrusionsbasierten Druck werden Materialien wie Lösungen und Suspensionen durch Düsen extrudiert. Diese Technik nutzt Zellen und hat daher die höchsten Fähigkeiten zur Nachahmung von Weichgewebe. Aufgrund der höheren Kosten und der Bioaffinität wird es hauptsächlich im Bereich des Tissue Engineering und seltener in chirurgischen Organmodellen eingesetzt¹⁴.

Daher haben wir uns für die Drucktechnologie "White Jet Process" entschieden, basierend auf der Komplexität der Schilddrüse und ihrer umgebenden Strukturen sowie dem Operationsplan. Diese Technologie kombiniert die Vorteile des Drucks auf Basis der Bottichpolymerisation und des Tintenstrahldrucks und bietet hohe Präzision, schnellen Druck und niedrige Kosten, wodurch sie sich gut für die Schilddrüsenchirurgie eignet. Ziel dieses Protokolls ist es, ein 3D-gedrucktes Schilddrüsenkrebsmodell zu erstellen, die Prognose der Patienten zu verbessern, indem ausreichende Informationen über die anatomische Struktur und Variation der Patienten bereitgestellt werden, und Ärzte und Patienten besser über alle Bedingungen im Zusammenhang mit dem chirurgischen Prozess zu informieren.

Protokoll

Für diese Studie war weder eine Genehmigung noch eine Zustimmung der Patienten zur Verwendung und Veröffentlichung ihrer Daten erforderlich, da alle Daten und Informationen in dieser Studie und im Video anonymisiert wurden.

1. Erhebung von Bilddaten

1. Scannen Sie die Schilddrüse des Patienten mittels erweiterter Computertomographie (CT), um die Bilddaten im DICOM-Format zu erhalten. Stellen Sie sicher, dass dieser Vorgang innerhalb von 1 Woche vor der Operation durchgeführt wird, und kontrollieren Sie die Scheibendicke so, dass sie ≤1 mm beträgt.

2. Verarbeitung von DICOM-Daten

1. Importieren Sie die gescannten Patientenbilddaten in die Software (siehe Materialtabelle) und stellen Sie den entsprechenden Schwellenwert entsprechend der Differenz des Grauwerts zwischen der Schilddrüse und den umliegenden Geweben oder Organen ein. Da unterschiedliche Grauwerte Unterschiede in der Dichte verschiedener Bereiche des menschlichen Körpers widerspiegeln, stellen Sie den Graustufenschwellenwert (Einheit: hu; in der Software) auf 226-1.500 ein, um das Knochenbild darzustellen. Stellen Sie den Schwellenwert auf -200-226 ein, um das Schilddrüsenbild anzuzeigen. Lassen Sie die Software den eingerahmten Bereich automatisch identifizieren oder skizzieren Sie manuell die Grenze des Zielbereichs, wenn die Erkennung nicht zufriedenstellend ist.
   HINWEIS: Mimics wählt automatisch die Schilddrüsenregion aus und verwendet die 3D-Region-Wachstumstechnologie, um das Bild zu segmentieren und die 3D-Rekonstruktion zu berechnen. Gleichzeitig wird das 3D-Bild optimiert, um die Rauheit und das Gefühl von Schritten zu reduzieren, um ein natürliches, glattes und authentisches digitales 3D-Visualisierungsmodell zu erhalten, das eine einfachere Betrachtung des 3D-Modells für Chirurgen ermöglicht.
2. Generieren Sie STL-Dateien aus dem rekonstruierten Datenmodell. Wählen Sie das rekonstruierte Modell in der Software aus, klicken Sie im Dateidock auf Exportieren und wählen Sie STL als Exportdateiformat. Generieren Sie abschließend die STL-Dateien erfolgreich.

3. Wechselwirkung zwischen Medizintechnik und Medizintechnik

1. Senden Sie die Vorschau des rekonstruierten 3D-Modells an die Ärzte, die die angewandten Anforderungen und die anatomische Struktur des 3D-Modells bestätigen und dem Modellierungsingenieur Feedback geben, wenn eine Änderung erforderlich ist. Nachdem Sie die Bestätigungen der Ärzte erhalten haben, fahren Sie mit der Produktionsvorbereitungsphase fort.

4.3D Drucken (Zusatzdatei 1)

1. Übertragen Sie die STL-Dateidaten auf den farbigen Material-3D-Drucker und vervollständigen Sie die Parametervoreinstellungen (z. B. Druckmodus, Schnittstrichdicke, Stützmethode und Modellfärbung) über die unterstützende 3D-Druck-Slicing-Software.
   1. Wählen Sie das Druckmodell entsprechend der Art des Endprodukts aus (Farbdruckmodelle verwenden in der Regel die White-Jet-Prozesstechnologie, während lichtempfindliches Kunstharz in der Regel die digitale Lichtverarbeitung verwendet).
   2. Wählen Sie den Parameter für die Strichdicke entsprechend der Dicke der Produkte (hier von 24 μm bis 36 μm).
   3. Wählen Sie die Stützmethode entsprechend der Feinheit des Druckmodells: Gesamtstütze (besserer Schutz und weniger Beschädigung feiner Details) oder Teilstütze (die Material spart).
   4. Wählen Sie die Modellfarbe mit der Farbpalettenfunktion des Druckers aus. Vereinheitlichen Sie die Arterien mit roter Farbe 255 und die Venen mit blauer Farbe 255.
      HINWEIS: Da andere Teile, wie z. B. die Tumorläsion, nicht streng standardisiert sind, können Chirurgen eine Farbe nach ihren Bedürfnissen oder Vorlieben auswählen.
2. Füllen Sie hartes, lichthärtendes Harz in den 3D-Drucker ein (siehe Ergänzende Tabelle S1), debuggen Sie die Druckplattform und drucken Sie mit der White Jet Process-Technologie. Nehmen Sie nach dem Drucken das vorläufig gedruckte Schilddrüsenmodell heraus.
   HINWEIS: Die White-Jet-Prozesstechnologie basiert auf dem Prinzip des Tintenstrahldrucks, bei dem eine dünne Schicht lichtempfindlichen Harzes in einem Strahl ausgedruckt und dann mit einer bestimmten Wellenlänge von UV-Licht bestrahlt wird, was eine schnelle Polymerisationsreaktion und Aushärtung des lichtempfindlichen Harzes bewirkt. Dieser Prozess wird Schicht für Schicht abgeschlossen, bis der Druck abgeschlossen ist.

5. Nachbehandlung

1. Subtrahieren Sie die Stützstruktur des vorläufig gedruckten Schilddrüsenmodells. Schleifen, lackieren und härten Sie das Halbzeug aus, um ein individualisiertes isometrisches 3D-gedrucktes Schilddrüsenmodell im Verhältnis 1:1 zu erhalten.
   1. Subtrahieren der Stützstruktur
      1. Brechen Sie mit Handschuhen die Umhüllungsstützen um das vorläufige Modell auseinander und entfernen Sie den größten Teil des Hauptkörpers der Tragstruktur.
      2. Legen Sie das Modell für eine 15-minütige Reinigung in einen Ultraschallreiniger mit Ca(OH)2-Laugenlösung.
      3. Legen Sie das Modell in ein nasses Sandstrahlgerät und spülen Sie es ab, bis der Rest der Stützstruktur auf der Oberfläche abgewaschen ist.
   2. Reibend
      1. Schleifen Sie das Modell mit einer elektrischen Schleifmaschine, Feile oder Schleifscheibe.
   3. Lackierung
      Anmerkungen: Dieser Prozess besteht aus Sprühen und manuellem Lackieren.
      1. Sprühen Sie den Lack in großflächige Farbblöcke auf die Hälfte der Oberfläche des Modells. Streichen Sie die kleinflächigen Farbblöcke manuell mit Lack.
   4. Heilend
      1. Legen Sie das Modell für 30 s Aushärtung in eine UV-Härtungsmaschine.
      2. Nehmen Sie das Modell heraus und reinigen Sie es mit 95%igem Alkohol.
         HINWEIS: Nachdem sich der Alkohol vollständig verflüchtigt hat, ist die Produktion beendet.

6. Lieferung

1. Verpacken Sie das Schilddrüsenmodell und führen Sie die Lieferung an die Chirurgen vor der Operation durch.

Ergebnisse

In diesem Artikel wird ein Protokoll für die Erstellung personalisierter 3D-gedruckter Modelle der Schilddrüse von Patienten vorgestellt. Abbildung 1 zeigt ein Flussdiagramm zur Erstellung eines personalisierten 3D-gedruckten Modells für die Schilddrüse von Patienten. Abbildung 2 zeigt das personalisierte 3D-gedruckte Modelldruckgerät für die Schilddrüse von Patienten. Abbildung 3 zeigt die Softwareschnittstelle zur Erstellun...

Diskussion

Ultraschall ist für die meisten Patienten, die sich einer Schilddrüsenoperation unterziehen, möglicherweise das einzige präoperative bildgebende Verfahren¹⁵. In einigen gut differenzierten Fällen kann es jedoch zu fortgeschrittenen Erkrankungen kommen, die in das umliegende Gewebe oder Organe eindringen und die Operation behindern¹⁶. Dieses Modell ist möglicherweise besser für Patienten mit weit fortgeschrittenem Schilddrüsenkrebs geeignet. Wenn die Krankheit fortsc...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D color printer	Zhuhai Sina 3D Technology Co	J300PLUS	Function support: automatic optimized placement, automatic model typesetting, automatic generation support, real-time layered edge cutting and printing, slice export, custom color thickness, custom placement / scaling, man hour evaluation, material consumption evaluation, print status monitoring, material remaining display, changing materials and colors, managing work queues, full / semi enclosed printing, automatic detection of model interference, layer preview, automatic pause of ink shortage, power failure to resume printing Automatic cleaning nozzle, automatic channel adaptation, ink change, automatic cleaning pipeline, follow-up laying. Range of optional materials: RGD series transparent molding materials, RGD series opaque molding materials, FLX series soft molding materials, ABS like series molding materials, high temperature resistant molding materials, Med series molding materials (first-class medical record certification), ordinary supporting materials, water-soluble supporting materials.
Mimics 21.0 software	Materialise, Belgium		DICOM data processing