Impresión 3D multicolor de tumores intracraneales complejos en neurocirugía

El objetivo de este procedimiento es demostrar los pasos de la creación de modelos anatómicos impresos en 3D, totalmente coloreados y específicos del paciente utilizando datos de diferentes modalidades de imagen. Mediante el uso del ejemplo de condrosarcomas del ápice petroso, se demuestra todo el proceso de fusión y segmentación de imágenes, generación de un modelo 3D virtual y fabricación de la impresión 3D. Además, se describe la coloración volumétrica de impresiones 3D adecuadas para la simulación quirúrgica.

Una variedad de modalidades de diagnóstico por imágenes, como la tomografía computarizada y la resonancia magnética, muestran diferentes aspectos del sitio quirúrgico, como hueso, tejido blando, tumor y vasos. Las tecnologías de impresión 3D ofrecen la posibilidad única de combinar estos diferentes aspectos en un objeto único, compacto y tangible en dimensiones de tamaño real que se pueden estudiar y utilizar para simular el enfoque quirúrgico. Especialmente para la simulación quirúrgica, es importante producir impresiones 3D no sólo coloreadas en la superficie para proporcionar coloración volumétrica en profundidad para visualizar claramente las estructuras anidadas dentro de cada uno, como un vaso sanguíneo que cruza un tumor.

Este video ofrece una guía paso a paso para la fabricación de un modelo anatómico totalmente coloreado basado en el ejemplo de un condrosarcoma del ápice petroso. Los pasos cruciales en este procedimiento son la fusión y segmentación de datos de imágenes médicas, seguidos de la creación de un modelo de superficie 3D virtual. Como tercer paso, el modelo virtual está preparado para la impresión 3D multicolor, incluido un flujo de trabajo modificado para permitir el coloración volumétrica de piezas específicas.

Por último, se describen la impresión y el postprocesamiento. Es importante utilizar datos de imágenes con alta resolución espacial, por ejemplo, un grosor de corte de un milímetro o menos. La tomografía computarizada se utilizó para la segmentación de los huesos.

Las imágenes de RMN T1 mejoradas por contraste se utilizaron para la segmentación de las estructuras tumorales y neuronales y las imágenes TOF para los vasos. Descargue los archivos DICOM en su ordenador y abra Amira Software. Importe los archivos de las diferentes modalidades de creación de imágenes y seleccione la carpeta de los datos de imagen.

Haga clic en las imágenes CT y conéctelas con el módulo de representación de volumen. Elija Especular para un renderizado más realista y ajuste el control deslizante de transferencia de color para visualizar solo el hueso. Continúe importando las secuencias de RMN y conéctelas a un módulo de representación de volumen también.

Como las imágenes por resonancia magnética y TC no se superponen, es necesario fusionar los diferentes datos de imagen. Por lo tanto, haga clic con el botón derecho en el conjunto de datos de RMN y elija Compute, Affine Registration. Elija Referencia y, a continuación, dirija el cursor a la TC. En las propiedades del módulo Registro, deje todos los ajustes de forma predeterminada y haga clic en Alinear centros, seguido de hacer clic en Registrar.

Los dos datasets de imágenes diferentes ahora están fusionados. Repita este paso para todos los conjuntos de datos de imágenes adicionales. Compruebe la precisión de coincidencia ocultando las representaciones de volumen y agregando un módulo OrthoSlice a las imágenes DE MR.

Elija Colorwash. A continuación, haga clic en Datos y conecte este puerto con la TC arrastrando el ratón sobre él. Ajuste el control deslizante de color para visualizar las estructuras neuronales superpuestas a las estructuras óseas del cráneo.

Compruebe si hay desalineaciones alternando el control deslizante del factor de peso y mirando al borde entre el cráneo y la superficie del cerebro, así como los ventrículos. Repita este procedimiento en diferentes rodajas y en direcciones coronales y sagitales. Desactive la visibilidad del módulo OrthoSlice y reactive la representación de volumen de la TC. Vaya a los datos ct y busque el valor más bajo en este conjunto de datos, en este caso, menos 2, 048.

A continuación, agregue un módulo de edición de volumen, conecte el módulo Volren con los datos de salida y establezca el valor de Relleno en menos 2, 048. Haga clic en Cortar dentro y marque la región que desea eliminar en la ventana gráfica 3D. Tenga en cuenta que es importante evitar la superposición con piezas no diseñadas para ser eliminadas.

En este ejemplo, se extirparon partes del hueso de la mandíbula y de las vértebras cervicales superiores. A continuación, el hueso restante se segmentará y se convertirá en una malla de superficie. Por lo tanto, haga clic en el Editor de segmentación y elija la secuencia de imágenes CT modificada y agregue un nuevo conjunto de etiquetas.

Ahora elija Umbral como opción de segmentación. Establezca el control deslizante inferior en un valor alrededor de 250 en caso de una TC. Asegúrese de que las estructuras óseas delgadas, como el hueso temporal o la región orbital superior, se seleccionen en la vista previa. De lo contrario, ajuste el umbral inferior, pero evite seleccionar cualquier tejido blando.

A continuación, haga clic en Seleccionar. Y, por último, agregue la selección al conjunto de etiquetas. Vuelva a la vista de grupo.

Se ha creado un nuevo conjunto de etiquetas para la TC. Haga clic con el botón derecho y elija Calcular, Surface Gen, active la opción Compactar y haga clic en Aplicar. Por último, agregue un módulo Vista de superficie y ajuste el color de la malla generada. Agregue otras estructuras relevantes repitiendo los pasos anteriores.

En caso del tumor, se utilizó la segmentación manual en lugar de la operación de umbral. Así, el tumor, el nervio óptico y los vasos intracraneales fueron segmentados y añadidos al modelo. Por último, exporte las mallas generadas haciendo clic con el botón derecho en la malla y haciendo clic en Guardar.

Elija STL como formato de archivo. Abra Netfabb e importe las mallas generadas en los pasos anteriores como piezas nuevas. Compruebe Reparación automática y haga clic en Importar.

Seleccione el cráneo y divida sus conchas en partes. Esto separa los objetos sueltos no conectados al hueso del cráneo. Seleccione el hueso del cráneo y desactive su visibilidad.

Ahora seleccione todas las demás partes y elimínelas. Repita este paso para todos los demás objetos. Tenga en cuenta que en algunas regiones, como el tumor dentro del ápice petroso del cráneo, las geometrías de ambos objetos se intersecan entre sí.

Para evitar errores de impresión, es necesario eliminar dichas intersecciones. Por lo tanto, seleccione los dos objetos que se intersecan y haga clic en Operaciones booleanas. Mueva el objeto que desea restar del otro al lado rojo de la lista y haga clic en Aplicar.

Ahora los dos objetos están claramente separados, lo que debe comprobarse alternando su visibilidad. Al repetir estos pasos, el tumor, así como la arteria dentro del tumor se separan claramente entre sí. En el caso de la arteria basilar, se necesitan soportes adicionales para evitar que el objeto sea una pieza suelta después de la impresión.

Agregue un nuevo objeto, en este caso, un cilindro, y ajuste sus dimensiones y subdivisiones según sea necesario. Coloque el cilindro para intersecar completamente con el cráneo y la geometría del recipiente. Ahora realice la operación booleana de nuevo para restar las partes dentro del hueso y el vaso sanguíneo.

Repita este paso para agregar más soportes donde sea necesario. Para permitir la coloración volumétrica de ciertas partes, es necesario generar no sólo un vaciado de superficie, sino muchos subcontratos dentro del objeto. Seleccione el tumor y genere una nueva cáscara a partir de él.

Establezca un grosor de vaciado de 3 milímetros en el modo de desfase interno con una precisión de 15 milímetros y aplique. Esto genera un vaciado interno con una distancia de 3 milímetros a la superficie original. Seleccione el vaciado externo y genere un nuevo shell a partir de él.

Seleccione el espesor del vaciado de 25 milímetros en el modo hueco con una precisión de 15 milímetros. Además, active la casilla Eliminar pieza original. Esto genera un espacio de 05 milímetros entre los dos vaciados adyacentes.

Al repetir estos pasos, se crean varios vaciados internos con espesores constantes y desfases invariables. Se recomienda utilizar un espesor de vaciado de 35 a 25 milímetros, así como un desplazamiento de 1 a 05 milímetros para lograr un coloración volumétrica suave. Repita estos pasos con todos los demás objetos, como los vasos sanguíneos.

En el último paso, se debe establecer el color de impresión de cada objeto. Por lo tanto, seleccione una pieza que desee colorear. Haga doble clic en Textura y Malla de color y elija un color.

Haga clic en el icono Pintar en vaciados, seguido de hacer clic en el modelo que se muestra en el centro de la pantalla. Por último, aplique los cambios y asegúrese de confirmar el cuadro de diálogo Eliminar pieza antigua. Repita estos pasos con todos los demás objetos y vaciados, respectivamente.

Por último, exporte todos los objetos que se van a imprimir, incluidos los soportes y los vaciados internos, y expórtelos como archivos individuales. Asegúrese de elegir el formato VRML ya que el formato STL no puede transportar la información de color. Abra el software de impresión 3D del sistema 3D e importe los archivos VRML creados en el paso anterior.

Elija milímetros como unidad. Marque Mantener posición y aplique a todos los archivos. Y establezca el tipo de material en ZP151.

Ahora coloque el modelo 3D en el volumen de impresión ajustando su posición y rotación. En el caso del modelo de cráneo, asegúrese de que la abertura está orientada hacia arriba. Vaya a Configuración, seleccione ZP151 como tipo de material y establezca el grosor de la capa en 1 milímetro.

Compruebe Compensación de sangrado y confirme. A continuación, haga clic en Compilar y deje todos los ajustes como predefinidos. Por último, compruebe el estado de la impresora y haga clic en Imprimir.

Una vez finalizada la impresión, desempaquete el modelo retirando cuidadosamente el polvo suelto con una aspiradora. Es importante no ponerse en contacto directamente con el modelo con el tubo de aspiración para evitar que las estructuras delgadas se rompan. Retire el modelo y límpielo aplicando cuidadosamente el aire presurizado, así como limpiándolo con un cepillo suave.

En este estado, el modelo sigue siendo muy frágil. Para aumentar la estabilidad y la situación de color, coloque el modelo dentro de una bañera de plástico e infírmese en él con una solución de endurecimiento. La solución excedente tiene que ser removida con aire presurizado para mantener todos los detalles de la superficie mantenidos.

Deje que el modelo se cure durante varias horas hasta que esté completamente seco. Se crearon diferentes impresiones 3D multicolores de pacientes con con condrosarcoma. La técnica de impresión 3D multicolor permite combinar diferentes aspectos anatómicos como estructuras óseas y de tejidos blandos, cada una derivada de diferentes modalidades de imagen, para combinarse en un solo objeto.

En una configuración de simulación quirúrgica, el material de yeso de la impresión multicolor mostraba propiedades óseas y podía ser fácilmente perforado y cortado. Esta técnica también ofrece la posibilidad de colorear la estructura interna de un objeto, como la arteria carótida interna que viaja a través del tumor. Al extraer capas de tumor con el taladro, la arteria roja se revela durante la simulación quirúrgica.

Para demostrar la precisión de la técnica, los modelos 3D fueron escaneados en el tomógrafo calculado. Los modelos creados para la impresión se superpusieron a estos escaneos. Se creó un mapeo de desviación y se determinó la precisión en 50 puntos de superficie elegidos aleatoriamente.

Una desviación media de 21 micras demuestra la alta conformidad de la impresión 3D en comparación con los datos originales. Se demostró cómo combinar diferentes modalidades de imagen clínica en una sola impresión 3D multicolor. Además, se presentó la modificación del flujo de trabajo de impresión 3D estándar para permitir la producción de modelos de color volumétrico.

Además, la precisión superpuesta de las impresiones 3D en comparación con los datos de imagen originales mostró una alta precisión. En conclusión, estos modelos totalmente coloreados permiten la simulación quirúrgica de situaciones incluso complejas y anatómicas, como tumores basados en cráneos, que se ha presentado en una serie de estudios de caso.