Mehrfarbiger 3D-Druck komplexer intrakranieller Tumoren in der Neurochirurgie

Ziel dieses Verfahrens ist es, die Schritte zur Erstellung von 3D-gedruckten, vollständig farbigen, patientenspezifischen anatomischen Modellen anhand von Daten aus verschiedenen bildgebenden Modalitäten zu demonstrieren. Am Beispiel der Chondrosarkome der Petrousspitze wird der gesamte Prozess der Bildfusion und -segmentierung, die Erzeugung eines virtuellen 3D-Modells und die Fertigung des 3D-Drucks demonstriert. Darüber hinaus wird die volumetrische Färbung von 3D-Drucken beschrieben, die für die chirurgische Simulation geeignet sind.

Eine Vielzahl von bildgebenden Modalitäten, wie Computertomographie und Magnetresonanztomographie, zeigen verschiedene Aspekte der chirurgischen Stelle, wie Knochen, Weichgewebe, Tumor und Gefäße. 3D-Drucktechnologien bieten die einzigartige Möglichkeit, diese verschiedenen Aspekte in einem einzigen, kompakten und greifbaren Objekt in realen Größenzusbereichen zu kombinieren, die untersucht und verwendet werden können, um den chirurgischen Ansatz zu simulieren. Gerade für die chirurgische Simulation ist es wichtig, 3D-Drucke zu produzieren, die nicht nur auf der Oberfläche gefärbt sind, um eine tiefgehende volumetrische Färbung zu liefern, um Strukturen, die ineinander verschachtelt sind, wie z. B. ein Blutgefäß, das einen Tumor kreuzt, klar zu visualisieren.

Dieses Video bietet eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Herstellung eines vollständig farbigen anatomischen Modells basierend auf dem Beispiel eines Chondrosarkoms der Petrousspitze. Die entscheidenden Schritte in diesem Verfahren sind die Fusion und Segmentierung medizinischer Bildgebungsdaten, gefolgt von der Erstellung eines virtuellen 3D-Oberflächenmodells. In einem dritten Schritt wird das virtuelle Modell für den mehrfarbigen 3D-Druck vorbereitet, einschließlich eines geänderten Workflows, um die volumetrische Färbung bestimmter Teile zu ermöglichen.

Schließlich werden Druck und Nachbearbeitung beschrieben. Es ist wichtig, bildgebende Daten mit hoher räumlicher Auflösung zu verwenden, z. B. eine Schnittdicke von einem Millimeter oder weniger. CT wurde zur Segmentierung von Knochen verwendet.

Kontrastverstärkte T1-MRT-Bilder wurden zur Segmentierung von Tumor- und neuronalen Strukturen und TOF-Bilder für Gefäße verwendet. Laden Sie die DICOM-Dateien auf Ihren Computer herunter und öffnen Sie Amira Software. Importieren Sie die Dateien der verschiedenen Bildgebungsmodalitäten, und wählen Sie den Ordner der Bilddaten aus.

Klicken Sie auf die CT-Bilder, und verbinden Sie sie mit dem Volume Rendering-Modul. Wählen Sie Specular für ein realistischeres Rendering, und passen Sie den Farbübertragungsschieberegler an, um nur Knochen zu visualisieren. Fahren Sie fort, indem Sie die MRT-Sequenzen importieren, und verbinden Sie sie auch mit einem Volume-Rendering-Modul.

Da sich MRT- und CT-Bilder nicht überlappen, ist es notwendig, die verschiedenen Bilddaten zu verschmelzen. Klicken Sie daher mit der rechten Maustaste auf das MRT-Dataset, und wählen Sie Compute, Affine Registration. Wählen Sie Referenz, und richten Sie dann den Cursor zum CT. Lassen Sie in den Eigenschaften des Registrierungsmoduls alle Einstellungen in der Standardeinstellung belassen und klicken Sie auf Center ausrichten, gefolgt von Registrieren.

Die beiden verschiedenen Imaging-Datasets sind nun verschmolzen. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle weiteren Imaging-Datasets. Überprüfen Sie die Übereinstimmungsgenauigkeit, indem Sie die Volume-Renderings ausblenden und den MR-Images ein OrthoSlice-Modul hinzufügen.

Wählen Sie Colorwash. Klicken Sie dann als nächstes auf Daten, und verbinden Sie diesen Port mit dem CT, indem Sie die Maus darauf ziehen. Passen Sie den Farbschieber an, um die neuronalen Strukturen zu visualisieren, die den knöchernen Schädelstrukturen überlagert sind.

Überprüfen Sie Fehlausrichtungen, indem Sie den Gewichtsfaktor-Schieberegler umschalten und auf die Grenze zwischen Schädel- und Hirnoberfläche sowie die Ventrikel schauen. Wiederholen Sie diesen Vorgang auf verschiedenen Scheiben und in koronaler und sagittaler Richtung. Deaktivieren Sie die Sichtbarkeit des OrthoSlice-Moduls, und aktivieren Sie die Lautstärkewiedergabe des CT. Wechseln Sie zu den CT-Daten, und suchen Sie nach dem niedrigsten Wert in diesem Dataset, in diesem Fall minus 2, 048.

Fügen Sie als Nächstes ein Volume Edit-Modul hinzu, verbinden Sie das Volren-Modul mit den Ausgabedaten, und legen Sie den Padding-Wert auf minus 2, 048 fest. Klicken Sie auf Innerhalb ausschneiden, und markieren Sie den Bereich, der im 3D-Ansichtsfenster entfernt werden soll. Beachten Sie, dass es wichtig ist, Überlappungen mit Teilen zu vermeiden, die nicht entfernt werden sollen.

In diesem Beispiel wurden Teile des Unterkieferknochens und der oberen Halswirbel entfernt. Als Nächstes wird der verbleibende Bone segmentiert und in ein Flächennetz umgewandelt. Klicken Sie daher auf den Segmentierungs-Editor, und wählen Sie die geänderte CT-Bildsequenz aus, und fügen Sie einen neuen Beschriftungssatz hinzu.

Wählen Sie nun Schwellenwert als Segmentierungsoption aus. Stellen Sie den unteren Schieberegler auf einen Wert um 250 im Falle eines CT ein. Stellen Sie sicher, dass dünne Knochenstrukturen wie der zeitliche Knochen oder der obere Orbitalbereich in der Vorschau ausgewählt werden. Passen Sie andernfalls den unteren Schwellenwert an, vermeiden Sie jedoch die Auswahl von Weichgewebe.

Klicken Sie als Nächstes auf Auswählen. Und schließlich fügen Sie die Auswahl zum Beschriftungssatz hinzu. Kehren Sie zur Poolansicht zurück.

Für den CT wurde ein neuer Etikettensatz erstellt. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Berechnen, Oberflächengen, aktivieren Sie die Option Komprimieren, und klicken Sie auf Übernehmen. Fügen Sie schließlich ein Surface View-Modul hinzu, und passen Sie die Farbe des generierten Netzes an. Fügen Sie weitere relevante Strukturen hinzu, indem Sie die vorherigen Schritte wiederholen.

Im Falle des Tumors wurde die manuelle Segmentierung anstelle der Schwellenoperation verwendet. So wurden der Tumor, der Sehnerv und die intrakraniellen Gefäße segmentiert und dem Modell hinzugefügt. Exportieren Sie schließlich die generierten Netze, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Netz klicken und auf Speichern klicken.

Wählen Sie STL als Dateiformat. Öffnen Sie Netfabb, und importieren Sie die netze, die in den vorherigen Schritten als neue Teile generiert wurden. Aktivieren Sie Automatische Reparatur, und klicken Sie auf Importieren.

Wählen Sie den Schädel aus und teilen Sie seine Schalen in Teile. Dadurch werden lose Objekte getrennt, die nicht mit dem Schädelknochen verbunden sind. Wählen Sie den Schädelknochen aus, und schalten Sie seine Sichtbarkeit ab.

Wählen Sie nun alle anderen Teile aus, und löschen Sie sie. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle anderen Objekte. Beachten Sie, dass sich in einigen Regionen, wie z. B. dem Tumor innerhalb der Petrousspitze des Schädels, die Geometrien beider Objekte schneiden.

Um Druckfehler zu vermeiden, ist es notwendig, solche Schnittpunkte zu entfernen. Wählen Sie daher die beiden sich schneidenden Objekte aus, und klicken Sie auf Boolean Operations. Verschieben Sie das objekt, das von dem anderen subtrahiert werden soll, auf die rote Seite der Liste, und klicken Sie auf Anwenden.

Nun sind die beiden Objekte klar voneinander getrennt, was durch Einschalten ihrer Sichtbarkeit überprüft werden sollte. Durch die Wiederholung dieser Schritte werden der Tumor sowie die Arterie im Tumor deutlich voneinander getrennt. Im Falle der Basilararterie sind zusätzliche Stützen erforderlich, um zu verhindern, dass das Objekt nach dem Drucken ein loses Teil ist.

Fügen Sie ein neues Objekt, in diesem Fall einen Zylinder, hinzu, und passen Sie seine Abmessungen und Unterteilungen nach Bedarf an. Platzieren Sie den Zylinder, um sich vollständig mit dem Schädel und der Gefäßgeometrie zu schneiden. Führen Sie nun erneut die boolesche Operation durch, um die Teile im Knochen und im Blutgefäß zu subtrahieren.

Wiederholen Sie diesen Schritt, um bei Bedarf weitere Unterstützungen hinzuzufügen. Um die volumetrische Färbung bestimmter Teile zu ermöglichen, ist es notwendig, nicht nur eine Oberflächenhülle, sondern viele Unterschalen innerhalb des Objekts zu erzeugen. Wählen Sie den Tumor aus, und generieren Sie daraus eine neue Schale.

Stellen Sie im Inneren Versatzmodus eine Schalendicke von 3 Millimetern mit einer Genauigkeit von 15 Millimetern ein und wenden Sie sie an. Dadurch entsteht eine Innenschale mit einem Abstand von 3 Millimetern zur ursprünglichen Oberfläche. Wählen Sie die äußere Schale aus, und generieren Sie daraus eine neue Schale.

Wählen Sie die Schalendicke von 25 Millimetern im Hohlmodus mit einer Genauigkeit von 15 Millimetern aus. Aktivieren Sie außerdem das Kontrollkästchen Originalteil entfernen. Dadurch entsteht ein Abstand von 05 Millimetern zwischen den beiden angrenzenden Schalen.

Durch Wiederholen dieser Schritte werden mehrere innenschalen mit konstanten Dicken und invarianten Offsets erstellt. Es wird empfohlen, eine Schalendicke von 35 bis 25 Millimetern sowie einen Versatz von 1 bis 05 Millimetern zu verwenden, um eine glatte volumetrische Färbung zu erreichen. Wiederholen Sie diese Schritte mit allen anderen Objekten, wie z. B. den Blutgefäßen.

Im letzten Schritt muss die Druckfarbe jedes Objekts festgelegt werden. Wählen Sie daher ein zu färbendes Teil aus. Doppelklicken Sie auf Textur und Farbmasche, und wählen Sie eine Farbe aus.

Klicken Sie auf das Symbol Auf Shells malen, gefolgt von einem Klick auf das Modell, das in der Bildschirmmitte angezeigt wird. Wenden Sie schließlich Änderungen an, und stellen Sie sicher, dass Sie das Dialogfeld Altes Teil entfernen bestätigen. Wiederholen Sie diese Schritte mit allen anderen Objekten bzw. Shells.

Exportieren Sie schließlich alle zu druckenden Objekte, einschließlich Stützen und innen, und exportieren Sie sie als einzelne Dateien. Achten Sie darauf, das VRML-Format zu wählen, da das STL-Format nicht in der Lage ist, die Farbinformationen zu transportieren. Öffnen Sie die 3D-Drucksoftware des 3D-Systems, und importieren Sie die im vorherigen Schritt erstellten VRML-Dateien.

Wählen Sie Millimeter als Einheit aus. Aktivieren Sie Position beibehalten, und gelten Sie für alle Dateien. Und legen Sie den Materialtyp auf ZP151 fest.

Platzieren Sie nun das 3D-Modell im Druckvolumen, indem Sie seine Position und Drehung anpassen. Stellen Sie beim Schädelmodell sicher, dass die Öffnung nach oben zeigt. Wechseln Sie zu Setup, wählen Sie ZP151 als Materialtyp aus, und legen Sie die Schichtdicke auf 1 Millimeter fest.

Überprüfen Sie die Bleed Compensation, und bestätigen Sie sie. Klicken Sie als Nächstes auf Erstellen, und lassen Sie alle Einstellungen als vordefiniert. Überprüfen Sie schließlich den Druckerstatus, und klicken Sie auf Drucken.

Nachdem der Druck fertig ist, packen Sie das Modell aus, indem Sie loses Pulver vorsichtig mit einem Staubsauger entfernen. Es ist wichtig, das Modell nicht direkt mit dem Saugrohr in Kontakt zu setzen, um zu verhindern, dass dünne Strukturen auseinanderbrechen. Entfernen Sie das Modell, und reinigen Sie es, indem Sie sorgfältig Druckluft auftragen, sowie es mit einer weichen Bürste reinigen.

In diesem Zustand ist das Modell noch sehr zerbrechlich. Um die Stabilität und Farbsituation zu erhöhen, legen Sie das Modell in eine Kunststoffwanne und infiltrieren Sie es mit einer Härtelösung. Überschüssige Lösung muss mit Druckluft entfernt werden, um alle Oberflächendetails zu erhalten.

Lassen Sie das Modell mehrere Stunden aushärten, bis es vollständig trocken ist. Verschiedene bunte 3D-Drucke von Patienten mit Chondrosarkom wurden erstellt. Die Technik des mehrfarbigen 3D-Drucks ermöglicht es, verschiedene anatomische Aspekte wie knöcherne und Weichteilstrukturen, die jeweils aus unterschiedlichen bildgebenden Modalitäten abgeleitet sind, in einem einzigen Objekt zu verschmelzen.

In einem chirurgischen Simulations-Setup zeigte das Gipsmaterial des mehrfarbigen Drucks knochenähnliche Eigenschaften und konnte leicht gebohrt und geschnitten werden. Diese Technik bietet auch die Möglichkeit, die innere Struktur eines Objekts zu färben, wie die innere Halsschlagader, die durch den Tumor wandert. Durch das Entfernen von Tumorschichten mit dem Bohrer wird die rote Arterie während der chirurgischen Simulation aufgedeckt.

Um die Genauigkeit der Technik zu beweisen, wurden 3D-Modelle im Computertomographen gescannt. Die für den Druck erstellten Modelle wurden diesen Scans überlagert. Es wurde eine Abweichungszuordnung erstellt und die Genauigkeit in 50 zufällig ausgewählten Oberflächenpunkten ermittelt.

Eine mittlere Abweichung von 21 Mikrometern zeigt die hohe Übereinstimmung des 3D-Drucks im Vergleich zu den Originaldaten. Es wurde gezeigt, wie verschiedene klinische bildgebende Modalitäten in einem einzigen mehrfarbigen 3D-Druck kombiniert werden können. Darüber hinaus wurde eine Änderung des standardmäßigen 3D-Druck-Workflows vorgestellt, um die Produktion von volumentrisch gefärbten Modellen zu ermöglichen.

Darüber hinaus zeigte die überlappende Genauigkeit der 3D-Drucke im Vergleich zu den ursprünglichen Bilddaten eine hohe Präzision. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese vollständig farbigen Modelle eine chirurgische Simulation auch komplexer und anatomischer Situationen wie schädelbasierter Tumoren ermöglichen, die in einer Reihe von Fallstudien vorgestellt wurden.