L’objectif de cette procédure est de démontrer les étapes de création de modèles anatomiques imprimés en 3D, entièrement colorés et spécifiques au patient à l’aide de données provenant de différentes modalités d’imagerie. En utilisant l’exemple des chondrosarcomes du petrous apex, tout le processus de fusion et de segmentation de l’image, la génération d’un modèle 3D virtuel et la fabrication de l’impression 3D sont démontrés. En outre, la coloration volumétrique des impressions 3D adaptées à la simulation chirurgicale est décrite.
Une variété de modalités d’imagerie, telles que la tomographie calculée et l’imagerie par résonance magnétique, montrent différents aspects du site chirurgical, tels que l’os, les tissus mous, la tumeur et les vaisseaux. Les technologies d’impression 3D offrent la possibilité unique de combiner ces différents aspects dans un objet unique, compact et tangible dans des dimensions de taille réelle qui peuvent être étudiées et utilisées pour simuler l’approche chirurgicale. En particulier pour la simulation chirurgicale, il est important de produire des impressions 3D non seulement colorées à la surface pour fournir une coloration volumétrique en profondeur pour visualiser clairement les structures imbriquées les unes dans les autres, comme un vaisseau sanguin traversant une tumeur.
Cette vidéo offre un guide étape par étape pour la fabrication d’un modèle anatomique entièrement coloré basé sur l’exemple d’un chondrosarcome du petrous apex. Les étapes cruciales de cette procédure sont la fusion et la segmentation des données d’imagerie médicale, suivies de la création d’un modèle de surface 3D virtuel. Dans un troisième temps, le modèle virtuel est préparé pour l’impression 3D multicolore, y compris un flux de travail modifié pour permettre la coloration volumétrique de pièces spécifiques.
Enfin, l’impression et le post-traitement sont décrits. Il est important d’utiliser des données d’imagerie à haute résolution spatiale, par exemple, une épaisseur de tranche d’un millimètre ou moins. CT a été employé pour la segmentation des os.
Des images de MRI T1 contrastées ont été employées pour segmentation des structures tumorales et neurales et des images de TOF pour des navires. Téléchargez les fichiers DICOM sur votre ordinateur et ouvrez Amira Software. Importez les fichiers des différentes modalités d’imagerie et sélectionnez le dossier des données d’imagerie.
Cliquez sur les images CT et connectez-les avec le module de rendu de volume. Choisissez Specular pour un rendu plus réaliste, et ajustez le curseur de transfert de couleur pour visualiser l’os seulement. Continuez en important les séquences IRM et connectez-les également à un module de rendu de volume.
Comme les images IRM et CT ne se chevauchent pas, il est nécessaire de fusionner les différentes données d’imagerie. Par conséquent, cliquez à droite sur l’ensemble de données IRM, et choisissez Compute, Affine Registration. Choisissez Référence, puis dirigez le curseur vers le CT. Dans les propriétés du module d’enregistrement, laissez tous les paramètres par défaut et cliquez sur Align Centers, puis cliquez sur Inscrivez-vous.
Les deux ensembles de données d’imagerie différents sont maintenant fusionnés. Répétez cette étape pour tous les autres ensembles de données d’imagerie. Vérifiez la précision correspondante en cachant les rendus de volume et en ajoutant un module OrthoSlice aux images MR.
Choisissez Colorwash. Ensuite, cliquez ensuite sur les données, et connectez ce port avec le CT en faisant glisser la souris sur elle. Ajustez le curseur de couleur pour visualiser les structures neurales superposées aux structures osseuses du crâne.
Vérifiez tout désalignement en basculant le curseur de facteur de poids et en regardant sur la frontière entre le crâne et la surface du cerveau, ainsi que les ventricules. Répétez cette procédure sur différentes tranches et dans des directions coronale et sagittale. Désactivez la visibilité du module OrthoSlice et réactivez le rendu de volume de la CT. Allez aux données CT, et recherchez la valeur la plus basse dans cet ensemble de données, dans ce cas, moins 2 048.
Ensuite, ajoutez un module d’édition de volume, connectez le module Volren avec les données de sortie et réglez la valeur rembourrage à moins 2 048. Cliquez sur Couper à l’intérieur et marquez la région à supprimer dans le viewport 3D. Notez qu’il est important d’éviter de se chevaucher avec des pièces qui ne sont pas destinées à être enlevées.
Dans cet exemple, des parties de l’os mandibule et des vertèbres cervicales supérieures ont été enlevées. Ensuite, l’os restant sera segmenté et converti en maille de surface. Par conséquent, cliquez sur l’éditeur de segmentation, et choisissez la séquence d’image CT modifiée et ajoutez un nouvel ensemble d’étiquettes.
Choisissez maintenant Threshold comme option de segmentation. Réglez le curseur inférieur à une valeur d’environ 250 en cas de CT. Assurez-vous que les structures osseuses minces telles que l’os temporal ou la région orbitale supérieure doivent être sélectionnées dans l’aperçu. Sinon, ajustez le seuil inférieur, mais évitez de sélectionner les tissus mous.
Ensuite, cliquez sur Sélectionnez. Et enfin, ajoutez la sélection à l’ensemble d’étiquettes. Retour à la vue piscine.
Un nouvel ensemble d’étiquettes a été créé pour le CT. Cliquez à droite et choisissez Compute, Surface Gen, vérifiez l’option Compactify et cliquez sur Appliquer. Enfin, ajoutez un module Surface View et ajustez la couleur du maillage généré. Ajoutez d’autres structures pertinentes en répétant les étapes précédentes.
Dans le cas de la tumeur, la segmentation manuelle a été employée plutôt que l’opération de seuil. Ainsi, la tumeur, le nerf optique, et les vaisseaux intracrâniens ont été segmentés et ajoutés au modèle. Enfin, exportez les mailles générées en cliquant à droite sur le maillage et en cliquant sur Enregistrer.
Choisissez STL comme format de fichier. Ouvrez Netfabb et importez les mailles générées dans les étapes précédentes sous forme de nouvelles pièces. Vérifiez la réparation automatique et cliquez sur Importation.
Sélectionnez le crâne et divisez ses coquilles en parties. Cela sépare tous les objets lâches non connectés à l’os du crâne. Sélectionnez l’os du crâne, et basculez sa visibilité.
Sélectionnez maintenant toutes les autres pièces et supprimez-les. Répétez cette étape pour tous les autres objets. Notez que dans certaines régions, comme la tumeur à l’intérieur du petrous apex du crâne, les géométries des deux objets se croisent.
Pour éviter les erreurs d’impression, il est nécessaire de supprimer ces intersections. Par conséquent, sélectionnez les deux objets qui se croisent et cliquez sur Boolean Operations. Déplacez l’objet à soustraire de l’autre vers le côté rouge de la liste, et cliquez sur Appliquer.
Maintenant, les deux objets sont clairement séparés, ce qui doit être vérifié en gglant leur visibilité. En répétant ces étapes, la tumeur aussi bien que l’artère à l’intérieur de la tumeur sont clairement séparées les unes des autres. Dans le cas de l’artère basilaire, des supports supplémentaires sont nécessaires pour empêcher l’objet d’être une pièce lâche après impression.
Ajoutez un nouvel objet, dans ce cas, un cylindre, et ajustez ses dimensions et subdivisions au besoin. Placez le cylindre pour croiser complètement avec le crâne et la géométrie du vaisseau. Effectuez maintenant l’opération Boolean à nouveau pour soustraire les parties dans l’os et le vaisseau sanguin.
Répétez cette étape pour ajouter plus de supports si nécessaire. Pour permettre la coloration volumétrique de certaines parties, il est nécessaire de générer non seulement une coquille de surface, mais de nombreux sous-coquilles à l’intérieur de l’objet. Sélectionnez la tumeur, et de générer une nouvelle coquille à partir de lui.
Réglez une épaisseur de coquille de 3 millimètres en mode offset intérieur avec une précision de 15 millimètres et appliquez. Cela génère une coquille intérieure avec une distance de 3 millimètres à la surface d’origine. Sélectionnez la coque extérieure et générez-en une nouvelle coquille.
Sélectionnez l’épaisseur de la coque de 25 millimètres en mode creux avec une précision de 15 millimètres. Sélectionnez également la case à cocher Supprimer la pièce originale. Cela génère un espace de 05 millimètres entre les deux coquilles adjacentes.
En répétant ces étapes, plusieurs coquilles intérieures avec des épaisseurs constantes et des décalages invariants sont créées. Il est recommandé d’utiliser une épaisseur de coquille de 35 à 25 millimètres, ainsi qu’un décalage de 1 à 05 millimètres pour obtenir une coloration volumétrique lisse. Répétez ces étapes avec tous les autres objets, tels que les vaisseaux sanguins.
Dans la dernière étape, la couleur d’impression de chaque objet doit être réglée. Par conséquent, sélectionnez une pièce à colorer. Double-cliquez sur texture et maille de couleur, et choisissez une couleur.
Cliquez sur l’icône Paint on Shells, puis cliquez sur le modèle affiché au centre de l’écran. Enfin, appliquez des modifications et assurez-vous de confirmer le dialogue Supprimer la vieille pièce. Répétez ces étapes avec tous les autres objets et obus, respectivement.
Enfin, exportez tous les objets à imprimer, y compris les supports et les coquilles intérieures, et exportez-les sous forme de fichiers individuels. Assurez-vous de choisir le format VRML puisque le format STL n’est pas en mesure de transporter les informations sur les couleurs. Ouvrez le logiciel d’impression 3D du système 3D et importez les fichiers VRML créés à l’étape précédente.
Choisissez des millimètres comme unité. Vérifiez la position de garde, et appliquez à tous les fichiers. Et réglez le type de matériau à ZP151.
Placez maintenant le modèle 3D dans le volume d’impression en ajustant sa position et sa rotation. Dans le cas du modèle de crâne, assurez-vous que l’ouverture est orientée vers le haut. Passez à Setup, sélectionnez ZP151 comme type de matériau et réglez l’épaisseur de la couche à 1 millimètre.
Vérifiez la compensation de saignement, et confirmez. Ensuite, cliquez sur Build et laissez tous les paramètres prédéfinis. Enfin, vérifiez l’état de l’imprimante et cliquez sur Imprimer.
Une fois l’impression terminée, déballer le modèle en enlevant soigneusement la poudre lâche à l’incontr’air libre. Il est important de ne pas entrer en contact direct avec le modèle avec le tube d’aspiration pour empêcher les structures minces de se briser. Retirez le modèle et nettoyez-le en appliquant soigneusement de l’air pressurisé et nettoyez-le à l’aide d’une brosse souple.
Dans cet état, le modèle est encore très fragile. Pour augmenter la stabilité et la situation de couleur, mettez le modèle à l’intérieur d’une baignoire en plastique, et infiltrez-le avec une solution de durcissement. La solution excédentaire doit être enlevée avec de l’air pressurisé pour maintenir tous les détails de surface.
Laissez le modèle guérir pendant plusieurs heures jusqu’à ce qu’il soit complètement sec. Différentes impressions 3D multicolores des patients présentant le chondrosarcoma ont été créées. La technique d’impression 3D multicolore permet de fusionner différents aspects anatomiques tels que les structures osseuses et les tissus mous, chacun dérivé de différentes modalités d’imagerie, à combiner en un seul objet.
Dans une configuration de simulation chirurgicale, le matériau de plâtre de l’impression multicolore a montré des propriétés osseuses et pourrait être facilement foré et coupé. Cette technique offre également la possibilité de colorier la structure interne d’un objet, comme l’artère carotide interne voyageant à travers la tumeur. En enlevant des couches de tumeur avec la perceuse, l’artère rouge est indiquée pendant la simulation chirurgicale.
Pour prouver l’exactitude de la technique, des modèles 3D ont été scannés dans le tomograph calculé. Les modèles créés pour l’impression ont été superposés à ces scans. Une cartographie de déviation a été créée, et la précision a été déterminée dans 50 points de surface choisis au hasard.
Un écart moyen de 21 microns démontre la haute conformité de l’impression 3D par rapport aux données d’origine. Il a été démontré comment combiner différentes modalités d’imagerie clinique en une seule impression 3D multicolore. En outre, la modification du workflow d’impression 3D standard a été présentée pour permettre la production de modèles de couleur volumétrique.
En outre, la précision qui se chevauche des impressions 3D par rapport aux données d’imagerie d’origine a montré une grande précision. En conclusion, ces modèles entièrement colorés permettent la simulation chirurgicale des situations même complexes et anatomiques, telles que des tumeurs crâne-basées, qui a été présentée dans une série d’études de cas.
