Un modello personalizzato stampato in 3D per la valutazione preoperatoria nella chirurgia della tiroide

Riepilogo

Qui viene proposto un nuovo metodo per stabilire un modello personalizzato stampato in 3D per la valutazione preoperatoria della chirurgia tiroidea. È favorevole alla discussione preoperatoria, riducendo la difficoltà della chirurgia della tiroide.

Abstract

La struttura anatomica dell'area chirurgica del cancro della tiroide è complessa. È molto importante valutare in modo completo e attento la posizione del tumore e la sua relazione con la capsula, la trachea, l'esofago, i nervi e i vasi sanguigni prima dell'operazione. Questo documento introduce un innovativo metodo di creazione del modello stampato in 3D basato su immagini DICOM di tomografia computerizzata (CT). Abbiamo stabilito un modello personalizzato stampato in 3D del campo della chirurgia tiroidea cervicale per ogni paziente che necessitava di chirurgia tiroidea per aiutare i medici a valutare i punti chiave e le difficoltà della chirurgia e selezionare i metodi operativi delle parti chiave come base. I risultati hanno mostrato che questo modello favorisce la discussione preoperatoria e la formulazione di strategie operative. In particolare, a causa della chiara visualizzazione delle posizioni ricorrenti del nervo laringeo e della ghiandola paratiroidea nel campo operativo tiroideo, è possibile evitare lesioni durante l'intervento chirurgico, ridurre la difficoltà della chirurgia tiroidea e ridurre anche l'incidenza di ipoparatiroidismo postoperatorio e complicanze correlate a lesioni ricorrenti del nervo laringeo. Inoltre, questo modello stampato in 3D è intuitivo e aiuta la comunicazione per la firma del consenso informato da parte dei pazienti prima dell'intervento chirurgico.

Introduzione

I noduli tiroidei sono una delle malattie endocrine più comuni, tra cui il cancro della tiroide rappresenta il 14%-21%¹. Il trattamento preferito per il cancro della tiroide è la chirurgia. Tuttavia, poiché la ghiandola tiroidea si trova nella zona cervicale anteriore, ci sono importanti tessuti e organi vicini alla ghiandola tiroidea nell'area operativa, come la ghiandola paratiroidea, la trachea, l'esofago e i grandi vasi e nervi cervicali^2,3, rendendo l'operazione relativamente difficile e rischiosa. Le complicanze chirurgiche più comuni sono una diminuzione della funzione paratiroidea causata da lesioni della funzione paratiroidea o errata resezione e raucedine causata da lesioni ricorrenti del nervo laringeo⁴. La riduzione delle complicanze chirurgiche sopra menzionate è sempre stata un obiettivo per i chirurghi. Il metodo di imaging più comune prima della chirurgia della tiroide è l'ecografia, sebbene la sua visualizzazione della ghiandola paratiroidea e del nervo sia molto limitata⁵. Inoltre, la variazione nella posizione della ghiandola paratiroidea e del nervo laringeo ricorrente nell'area della chirurgia tiroidea è molto elevata, il che ostacola l'identificazione ^6,7. Se la posizione anatomica di ciascun paziente può essere chiaramente visualizzata al chirurgo attraverso il modello in tempo reale durante l'operazione, ridurrà il rischio operativo della chirurgia tiroidea, ridurrà l'incidenza delle complicanze e migliorerà l'efficienza della chirurgia tiroidea.

Inoltre, è anche difficile spiegare a fondo il processo chirurgico ai pazienti prima dell'intervento chirurgico. Alcuni chirurghi inesperti trovano difficile spiegare e trasmettere i dettagli precisi dell'operazione ai pazienti, soprattutto a causa della complessità della ghiandola tiroidea e delle sue strutture circostanti. Ogni paziente ha la propria struttura anatomica unica e le proprie esigenze personali⁸. Pertanto, un modello tiroideo 3D personalizzato basato sull'anatomia reale del paziente può aiutare efficacemente pazienti e medici. Attualmente, la maggior parte dei prodotti sul mercato sono prodotti in serie sulla base di diagrammi piani. Utilizzando la tecnologia di stampa 3D per produrre un modello specifico per il paziente che rifletta le esigenze mediche individuali di ciascun paziente, questo modello può essere utilizzato per valutare le condizioni effettive dei pazienti con cancro alla tiroide e aiutare i chirurghi a comunicare meglio la natura della malattia con i pazienti.

La stampa 3D (o produzione additiva) è una costruzione tridimensionale costruita da un modello di progettazione assistita da computer o modello 3D digitale⁹. È stato utilizzato in molte applicazioni mediche, come dispositivi medici, modelli anatomici e formulazione di farmaci¹⁰. Rispetto all'imaging tradizionale, un modello di stampa 3D è più visibile e più leggibile. Pertanto, la stampa 3D viene sempre più utilizzata nelle moderne procedure chirurgiche. Le tecnologie di stampa 3D comunemente utilizzate includono la stampa basata sulla polimerizzazione in vasca, la stampa a polvere, la stampa a getto d'inchiostro e la stampa basata sull'estrusione¹¹. Nella stampa basata sulla polimerizzazione in vasca, una specifica lunghezza d'onda della luce viene irradiata su un barile di resina fotopolimerizzante, che polimerizza localmente la resina uno strato alla volta. Ha i vantaggi del risparmio di materiale e della stampa veloce. La stampa a base di polvere si basa sul riscaldamento localizzato per fondere il materiale in polvere per una struttura più densa, ma porta anche a un aumento significativo dei tempi e dei costi di stampa ed è attualmente in uso limitato¹². La stampa a getto d'inchiostro utilizza una spruzzatura precisa di goccioline sul substrato in un processo strato per strato. Questa tecnologia è la più matura e presenta i vantaggi di un'elevata compatibilità dei materiali, costi controllabili e tempi di stampa rapidi¹³. La stampa basata sull'estrusione estrude materiali come soluzioni e sospensioni attraverso ugelli. Questa tecnica utilizza le cellule e, quindi, ha le più alte capacità di imitazione dei tessuti molli. A causa del costo più elevato e della bioaffinità, viene utilizzato principalmente nel campo dell'ingegneria tissutale e meno frequentemente nei modelli di organi chirurgici¹⁴.

Di conseguenza, abbiamo scelto la tecnologia di stampa "White Jet Process", basata sulla complessità della tiroide e delle sue strutture circostanti e sul programma chirurgico. Questa tecnologia combina i vantaggi della stampa basata sulla polimerizzazione in vasca e della stampa a getto d'inchiostro e offre alta precisione, stampa rapida e basso costo, rendendola una buona soluzione per la chirurgia della tiroide. Lo scopo di questo protocollo è quello di realizzare un modello di cancro alla tiroide stampato in 3D, migliorare la prognosi dei pazienti fornendo informazioni sufficienti sulla struttura anatomica e sulla variazione dei pazienti e informare meglio medici e pazienti su tutte le condizioni relative al processo chirurgico.

Protocollo

Questo studio non ha avuto bisogno di approvazione per eseguire o alcun tipo di consenso da parte dei pazienti per utilizzare e pubblicare i loro dati, perché tutti i dati e le informazioni in questo studio e video sono stati resi anonimi.

1. Raccolta dei dati dell'immagine

1. Scansione della tiroide del paziente mediante tomografia computerizzata avanzata (TC) per ottenere i dati dell'immagine in formato DICOM. Assicurarsi che questo processo venga eseguito entro 1 settimana prima dell'operazione e controllare lo spessore della fetta in modo che sia ≤1 mm.

2. Trattamento dei dati DICOM

1. Importare i dati dell'immagine del paziente scansionati nel software (vedere Tabella dei materiali) e impostare la soglia appropriata in base alla differenza di valore di grigio tra la ghiandola tiroidea e i tessuti o gli organi circostanti. Poiché diversi valori di grigio sono riflessi di differenze nella densità di diverse aree del corpo umano, impostare la soglia della scala di grigi (unità: hu; sul software) su 226-1.500 per presentare l'immagine ossea; Impostare la soglia su -200-226 per mostrare l'immagine della ghiandola tiroidea. Lascia che il software identifichi automaticamente l'area riposta o delinei manualmente il confine dell'area di destinazione se il riconoscimento non è soddisfacente.
   NOTA: i mimi selezionano automaticamente la regione tiroidea e utilizzano la tecnologia di crescita della regione 3D per segmentare l'immagine e calcolare la ricostruzione 3D. Allo stesso tempo, l'immagine 3D è ottimizzata per ridurre la rugosità e il senso dei passi per ottenere un modello di visualizzazione digitale 3D naturale, fluido e autentico, che consente un'osservazione più diretta del modello 3D per i chirurghi.
2. Generare file STL dal modello di dati ricostruito. Scegli il modello ricostruito nel software, fai clic su Esporta nel dock dei file e scegli STL come formato di file di esportazione. Infine, genera correttamente i file STL.

3. Interazione medico-ingegneristica

1. Invia l'anteprima del modello 3D ricostruito ai medici, che confermeranno i requisiti applicati e la struttura anatomica del modello 3D e forniranno un feedback all'ingegnere modellista se è necessaria una modifica. Dopo aver ricevuto conferme dai medici, procedere alla fase di preparazione della produzione.

4.3D stampa (file supplementare 1)

1. Trasferisci i dati del file STL alla stampante 3D del materiale colorato e completa i preset dei parametri (come la modalità di stampa, lo spessore del tratto di sezione, il metodo di supporto e la colorazione del modello) tramite il software di slicing di stampa 3D di supporto.
   1. Selezionare il modello di stampa in base al tipo di prodotti finiti (i modelli di stampa a colori utilizzano solitamente la tecnologia White Jet Process, mentre la resina fotosensibile utilizza solitamente Digital Light Procession).
   2. Selezionare il parametro dello spessore della traccia della fetta in base allo spessore dei prodotti (qui, da 24 μm a 36 μm).
   3. Scegli il metodo di supporto in base alla finezza del modello di stampa: supporto generale (migliore protezione e meno danni ai dettagli fini) o supporto parziale (che consente di risparmiare materiali).
   4. Selezionare la colorazione del modello utilizzando la funzione tavolozza dei colori sulla stampante. Unificare le arterie con il colore rosso 255 e le vene con il colore blu 255.
      NOTA: Poiché altre parti come la lesione tumorale non sono strettamente standard, i chirurghi possono selezionare un colore in base alle loro esigenze o preferenze.
2. Riempire la resina fotopolimerizzabile nella stampante 3D (vedere la tabella supplementare S1), eseguire il debug della piattaforma di stampa e stampare utilizzando la tecnologia White Jet Process. Dopo la stampa, estrarre il modello tiroideo stampato preliminare.
   NOTA: La tecnologia White Jet Process si basa sul principio della stampa a getto d'inchiostro, in cui un sottile strato di resina fotosensibile viene stampato in un getto e quindi irradiato con una specifica lunghezza d'onda della luce UV, causando una rapida reazione di polimerizzazione e polimerizzazione della resina fotosensibile. Questo processo viene completato strato per strato fino al completamento della stampa.

5. Post-trattamento

1. Sottrarre la struttura di supporto del modello tiroideo stampato preliminare. Macinare, verniciare e polimerizzare il prodotto semilavorato per ottenere un modello tiroideo personalizzato stampato in 3D isometrico 1: 1.
   1. Sottrazione della struttura di supporto
      1. Indossando i guanti, rompere i supporti di avvolgimento attorno al modello preliminare e rimuovere la maggior parte del corpo principale della struttura di supporto.
      2. Mettere il modello in un pulitore ad ultrasuoni con soluzione alcalina Ca(OH)₂ per una pulizia di 15 minuti.
      3. Mettere il modello in una sabbiatrice bagnata e sciacquarlo fino a quando il resto della struttura di supporto sulla superficie viene lavato via.
   2. Macinatura
      1. Rettificare il modello con una smerigliatrice elettrica, una lima o una mola.
   3. Verniciatura
      NOTA: Questo processo consiste nella spruzzatura e nella verniciatura manuale.
      1. Spruzzare la vernice in blocchi di colore di grandi dimensioni su metà della superficie del modello. Dipingi manualmente i blocchi di colore di piccole dimensioni con vernice.
   4. Curativo
      1. Mettere il modello in una macchina di polimerizzazione UV per 30 secondi di polimerizzazione.
      2. Tirare fuori il modello e pulirlo con alcool al 95%.
         NOTA: Dopo che l'alcol si volatilizza completamente, la produzione è terminata.

6. Consegna

1. Imballare il modello tiroideo e completare la consegna ai chirurghi prima dell'intervento chirurgico.

Risultati

Questo documento presenta un protocollo per la costruzione di modelli personalizzati stampati in 3D delle tiroide dei pazienti. La figura 1 mostra un diagramma di flusso per stabilire un modello personalizzato stampato in 3D per le tiroide dei pazienti. La figura 2 mostra il dispositivo di stampa modello personalizzato stampato in 3D per tiroide dei pazienti. La Figura 3 mostra l'interfaccia software per la creazione di un modello p...

Discussione

L'ecografia può essere l'unica procedura di imaging preoperatoria per la maggior parte dei pazienti sottoposti a chirurgia tiroidea¹⁵. Tuttavia, alcuni casi ben differenziati possono soffrire di malattie avanzate, che invadono i tessuti o gli organi circostanti e ostacolano l'operazione¹⁶. Questo modello può essere più adatto per i pazienti con carcinoma tiroideo molto avanzato. Quando la malattia progredisce, un'ulteriore scansione TC è utile per un'ulteriore diagnosi....

Materiali

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