מודל מותאם אישית המודפס בתלת-ממד להערכה טרום ניתוחית בניתוחי בלוטת התריס

Summary

כאן מוצעת שיטה חדשה להקמת מודל מודפס תלת-ממדי מותאם אישית להערכה טרום ניתוחית של בלוטת התריס. זה תורם לדיון לפני הניתוח, הפחתת הקושי של ניתוח בלוטת התריס.

Abstract

המבנה האנטומי של האזור הכירורגי של סרטן בלוטת התריס הוא מורכב. חשוב מאוד להעריך באופן מקיף וזהיר את מיקום הגידול ואת הקשר שלו עם הקפסולה, קנה הנשימה, הוושט, העצבים וכלי הדם לפני הניתוח. מאמר זה מציג שיטה חדשנית להקמת מודל מודפס בתלת-ממד המבוסס על תמונות DICOM של טומוגרפיה ממוחשבת (CT). הקמנו מודל מודפס בתלת-ממד מותאם אישית של תחום ניתוחי בלוטת התריס הצווארית עבור כל מטופל שנזקק לניתוח בלוטת התריס כדי לסייע לרופאים להעריך את נקודות המפתח והקשיים של הניתוח ולבחור את שיטות הניתוח של חלקי מפתח כבסיס. התוצאות הראו כי מודל זה תורם לדיון טרום ניתוחי ולגיבוש אסטרטגיות פעולה. בפרט, כתוצאה מהתצוגה הברורה של מיקומי עצב הגרון ובלוטת יותרת התריס החוזרים בשדה ניתוחי בלוטת התריס, ניתן למנוע פגיעה בהם במהלך הניתוח, להפחית את הקושי בניתוח בלוטת התריס, ולהפחית גם את שכיחות ההיפופאראתירואידיזם לאחר הניתוח וסיבוכים הקשורים לפגיעה חוזרת בעצב הגרון. יתר על כן, מודל זה המודפס בתלת-ממד הוא אינטואיטיבי ומסייע בתקשורת לחתימה על הסכמה מדעת של מטופלים לפני הניתוח.

Introduction

קשריות בלוטת התריס הן אחת המחלות האנדוקריניות הנפוצות ביותר, ביניהן סרטן בלוטת התריס מהווה 14%-21%¹. הטיפול המועדף לסרטן בלוטת התריס הוא ניתוח. עם זאת, מכיוון שבלוטת התריס ממוקמת באזור צוואר הרחם הקדמי, ישנן רקמות ואיברים חשובים הקרובים לבלוטת התריס באזור הניתוח, כגון בלוטת יותרת התריס, קנה הנשימה, הוושט וכלי הדם הגדולים וצוואר הרחם ^2,3, מה שהופך את הניתוח לקשה ומסוכן יחסית. הסיבוכים הניתוחיים השכיחים ביותר הם ירידה בתפקוד יותרת התריס הנגרמת על ידי פגיעה בתפקוד יותרת התריס או כריתה שגויה וצרידות הנגרמת על ידי פגיעה חוזרת בעצב הגרון⁴. הפחתת הסיבוכים הכירורגיים הנ"ל תמיד הייתה מטרה עבור המנתחים. שיטת ההדמיה הנפוצה ביותר לפני ניתוח בלוטת התריס היא הדמיית אולטרסאונד, אם כי התצוגה של בלוטת יותרת התריס והעצב מוגבלת מאוד⁵. בנוסף, השונות במיקום בלוטת יותרת התריס ועצב הגרון החוזר באזור ניתוח בלוטת התריס גבוהה מאוד, מה שמעכב זיהוי ^6,7. אם ניתן להציג את המיקום האנטומי של כל מטופל בבירור למנתח באמצעות המודל בזמן אמת במהלך הניתוח, הדבר יפחית את הסיכון התפעולי לניתוח בלוטת התריס, יפחית את שכיחות הסיבוכים וישפר את יעילות ניתוח בלוטת התריס.

בנוסף, זה גם מאתגר להסביר ביסודיות את התהליך הכירורגי לחולים לפני הניתוח. חלק מהמנתחים חסרי הניסיון מתקשים להסביר ולהעביר את הפרטים המדויקים של הניתוח למטופלים, במיוחד בגלל מורכבות בלוטת התריס והמבנים הסובבים אותה. לכל מטופל מבנה אנטומי ייחודי משלו וצרכים אישיים⁸. לכן, מודל תלת ממדי מותאם אישית של בלוטת התריס המבוסס על האנטומיה האמיתית של המטופל יכול לעזור ביעילות למטופלים ולקלינאים. נכון לעכשיו, רוב המוצרים בשוק מיוצרים בייצור המוני על בסיס דיאגרמות מטוס. על ידי שימוש בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית כדי לייצר מודל ספציפי למטופל המשקף את הצרכים הרפואיים האישיים של כל מטופל, ניתן להשתמש במודל זה כדי להעריך את מצבם האמיתי של חולים עם סרטן בלוטת התריס ולעזור למנתחים לתקשר טוב יותר את אופי המחלה עם החולים.

הדפסה תלת מימדית (או ייצור תוספתי) היא בנייה תלת מימדית הבנויה ממודל תכנון בעזרת מחשב או מודל תלת מימד דיגיטלי⁹. נעשה בו שימוש ביישומים רפואיים רבים, כגון מכשירים רפואיים, מודלים אנטומיים ופורמולציה של תרופות¹⁰. בהשוואה להדמיה מסורתית, מודל הדפסה בתלת-ממד גלוי יותר וקריא יותר. לכן, הדפסה תלת מימדית משמשת יותר ויותר בהליכים כירורגיים מודרניים. טכנולוגיות נפוצות להדפסה בתלת-ממד כוללות הדפסה מבוססת פילמור מע"מ, הדפסה מבוססת אבקה, הדפסה מבוססת הזרקת דיו והדפסה מבוססת שחול¹¹. בהדפסה מבוססת פילמור מע"מ, אורך גל מסוים של אור מוקרן על חבית של שרף מרפא אור, אשר מרפא את השרף באופן מקומי שכבה אחר שכבה. יש לו את היתרונות של חיסכון בחומרים והדפסה מהירה. הדפסה מבוססת אבקה מסתמכת על חימום מקומי כדי להתיך את חומר האבקה למבנה צפוף יותר, אך היא גם מובילה לעלייה משמעותית בזמן ההדפסה ובעלותה, והיא נמצאת כיום בשימוש מוגבל¹². הדפסה מבוססת הזרקת דיו משתמשת בהתזה מדויקת של טיפות על המצע בתהליך שכבה אחר שכבה. טכנולוגיה זו היא הבוגרת ביותר ויש לה את היתרונות של תאימות חומרים גבוהה, עלות נשלטת וזמן הדפסה מהיר¹³. הדפסה מבוססת שחול מחלצת חומרים כגון תמיסות ומתלים דרך חריריים. טכניקה זו משתמשת בתאים, ולכן יש לה את יכולות חיקוי הרקמות הרכות הגבוהות ביותר. בשל העלות הגבוהה יותר והזיקה הביולוגית, הוא משמש בעיקר בתחום הנדסת רקמות ובתדירות נמוכה יותר במודלים של איברים כירורגיים¹⁴.

כתוצאה מכך, בחרנו בטכנולוגיית ההדפסה "תהליך סילון לבן", המבוססת על מורכבות בלוטת התריס והמבנים הסובבים אותה ולוח הזמנים הניתוחי. טכנולוגיה זו משלבת את היתרונות של הדפסה מבוססת פילמור מע"מ והדפסה מבוססת הזרקת דיו, ומציעה דיוק גבוה, הדפסה מהירה ועלות נמוכה, מה שהופך אותה למתאימה לניתוחי בלוטת התריס. מטרת פרוטוקול זה היא ליצור מודל סרטן בלוטת התריס המודפס בתלת-ממד, לשפר את הפרוגנוזה של החולים על ידי מתן מידע מספיק על המבנה האנטומי והשונות של החולים, וליידע טוב יותר רופאים וחולים על כל התנאים הקשורים לתהליך הניתוח.

Protocol

מחקר זה לא היה זקוק לאישור לביצוע או להסכמה כלשהי של המטופלים להשתמש ולפרסם את הנתונים שלהם, מכיוון שכל הנתונים והמידע במחקר ובסרטון זה היו אנונימיים.

1. איסוף נתוני תמונה

1. סרוק את בלוטת התריס של המטופל על ידי טומוגרפיה ממוחשבת משופרת (CT) כדי לקבל את נתוני התמונה בפורמט DICOM. ודא כי תהליך זה נעשה בתוך 1 שבוע לפני הפעולה ולשלוט על עובי הפרוסה כך שהוא ≤1 מ"מ.

2. עיבוד נתוני DICOM

1. ייבא את נתוני התמונה של המטופל הסרוק לתוכנה (ראה טבלת חומרים) והגדר את הסף המתאים בהתאם להפרש הערך האפור בין בלוטת התריס לבין הרקמות או האיברים הסובבים אותה. מכיוון שערכי אפור שונים משקפים הבדלים בצפיפות של אזורים שונים בגוף האדם, הגדר את סף גווני האפור (יחידה: hu; בתוכנה) ל- 226-1,500 כדי להציג את תמונת העצם; הגדר את הסף ל- -200-226 כדי להציג את תמונת בלוטת התריס. תן לתוכנה לזהות באופן אוטומטי את האזור הארוז, או שרטט ידנית את הגבול של אזור היעד אם הזיהוי אינו משביע רצון.
   הערה: חיקויים בוחרים באופן אוטומטי את אזור בלוטת התריס ומשתמשים בטכנולוגיית צמיחת האזור התלת-ממדי כדי לפלח את התמונה ולחשב את השחזור התלת-ממדי. יחד עם זאת, התמונה התלת-ממדית מותאמת כדי להפחית את החספוס ואת תחושת הצעדים לקבלת מודל הדמיה דיגיטלי תלת-ממדי טבעי, חלק ואותנטי, המאפשר התבוננות פשוטה יותר במודל התלת-ממדי עבור מנתחים.
2. צור קובצי STL ממודל הנתונים המשוחזר. בחר את הדגם המשוחזר בתוכנה, לחץ על יצא בתחנת העגינה של הקובץ ובחר STL כתבנית הקובץ המייצאת. לבסוף, צור את קבצי STL בהצלחה.

3. אינטראקציה רפואית-הנדסית

1. שלח את התצוגה המקדימה של המודל התלת-ממדי המשוחזר לרופאים, שיאשרו את הדרישות המיושמות ואת המבנה האנטומי של המודל התלת-ממדי ויתנו משוב למהנדס המידול אם יש צורך בשינוי. לאחר קבלת אישורים מהרופאים, המשך לשלב הכנת הייצור.

4.3D הדפסה (קובץ משלים 1)

1. העבר את נתוני קובץ STL למדפסת התלת-ממד של החומר הצבעוני והשלם את הגדרות הפרמטרים המוגדרות מראש (כגון מצב הדפסה, עובי קו פרוסה, שיטת תמיכה וצביעת דגם) באמצעות תוכנת החיתוך התומכת להדפסה בתלת-ממד.
   1. בחר את מודל ההדפסה בהתאם לסוג המוצרים המוגמרים (מודלים להדפסה בצבע משתמשים בדרך כלל בטכנולוגיית White Jet Process, בעוד ששרף רגיש לאור משתמש בדרך כלל בתהלוכת אור דיגיטלית).
   2. בחר פרמטר עובי קו פרוסה בהתאם לעובי המוצרים (כאן, מ 24 מיקרומטר ל 36 מיקרומטר).
   3. בחר את שיטת התמיכה בהתאם למידת העדינות של דגם ההדפסה: תמיכה כוללת (הגנה טובה יותר ופחות פגיעה בפרטים הקטנים) או תמיכה חלקית (החוסכת חומרים).
   4. בחרו צביעת דגם בעזרת פונקציית לוח הצבעים במדפסת. לאחד את העורקים עם צבע אדום 255 ואת הוורידים עם צבע כחול 255.
      הערה: מכיוון שחלקים אחרים כגון נגע הגידול אינם סטנדרטיים לחלוטין, מנתחים יכולים לבחור צבע בהתאם לצרכים או להעדפה שלהם.
2. מלא שרף מרפא אור קשה במדפסת התלת-ממד (ראה טבלה משלימה S1), אתר באגים בפלטפורמת ההדפסה והדפס באמצעות טכנולוגיית White Jet Process. לאחר ההדפסה, הוציאו את הדגם המודפס הראשוני של בלוטת התריס.
   הערה: טכנולוגיית תהליך הסילון הלבן מבוססת על העיקרון של הדפסת הזרקת דיו, שבה שכבה דקה של שרף רגיש לאור מודפסת בסילון אחד ולאחר מכן מוקרנת באורך גל מסוים של אור UV, מה שגורם לתגובת פילמור מהירה וריפוי של השרף הרגיש לאור. תהליך זה מסתיים שכבה אחר שכבה עד להשלמת ההדפסה.

5. לאחר הטיפול

1. החסר את מבנה התמיכה של מודל בלוטת התריס המודפס הראשוני. לטחון, לכה ולרפא את המוצר המיוצר למחצה כדי לקבל מודל בלוטת התריס איזומטרי 1:1 מודפס בתלת-ממד.
   1. חיסור מבנה התמיכה
      1. לובשים כפפות, מפרקים את תמיכות העטיפה סביב הדגם הראשוני ומסירים את רוב הגוף העיקרי של המבנה התומך.
      2. הכניסו את הדגם לשואב אולטראסוני עם תמיסת אלקליין Ca(OH)₂ לניקוי של 15 דקות.
      3. הכניסו את הדגם להתזת חול רטובה ושטפו אותו עד ששאר מבנה התמיכה על פני השטח נשטף.
   2. שחיקה
      1. טוחנים את הדגם עם מטחנה חשמלית, קובץ או גלגל השחזה.
   3. לכה
      הערה: תהליך זה מורכב מריסוס וצביעה ידנית.
      1. רססו את הלכה לגושי צבע בעלי שטח גדול על מחצית משטח הדגם. צבעו ידנית את גושי הצבע של האזור הקטן במבריק.
   4. ריפוי
      1. הכנס את המודל למכונת ריפוי UV למשך 30 שניות של ריפוי.
      2. הוציאו את הדגם ונקו אותו עם 95% אלכוהול.
         הערה: לאחר שהאלכוהול מתנודד לחלוטין, הייצור מסתיים.

6. משלוח

1. ארוז את מודל בלוטת התריס והשלם את המסירה למנתחים לפני הניתוח.

תוצאות

מאמר זה מציג פרוטוקול לבניית מודלים מותאמים אישית המודפסים בתלת-ממד של בלוטת התריס של מטופלים. איור 1 מציג תרשים זרימה לביסוס מודל מותאם אישית המודפס בתלת-ממד עבור בלוטת התריס של מטופלים. איור 2 מראה את התקן הדפסת המודל המותאם אישית בתלת-ממד עבור בלוטת התריס...

Discussion

אולטרסאונד עשוי להיות הליך ההדמיה היחיד לפני הניתוח עבור רוב החולים שעברו ניתוח בלוטת התריס¹⁵. עם זאת, כמה מקרים מובחנים היטב עלולים לסבול ממחלות מתקדמות, אשר פולשות לרקמות או לאיברים הסובבים ומעכבים את הפעולה¹⁶. מודל זה עשוי להתאים יותר לחולים עם סרטן בלוטת התריס ...

Materials

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