このプロトコルは、外科シミュレーションに使用される患者特有の解剖学的頭蓋骨モデルの完全に着色された3次元プリントの製造を記述する。異なるイメージングモダリティ、画像セグメンテーション、3次元モデル抽出、プリントの製造を組み合わせる重要なステップについて説明します。
三次元(3D)印刷技術は、患者固有の病理を正しい次元の物理モデルで可視化する可能性を提供します。モデルは外科アプローチの重要なステップを計画し、シミュレートするために使用することができる。したがって、腫瘍内の血管などの解剖学的構造は、表面だけでなく、その体積全体を通して着色するように印刷できることが重要です。シミュレーション中に、特定の部品(高速ドリルなど)を除去し、異なる色の内部に位置する構造を明らかにすることができます。したがって、種々の画像化モダリティからの診断情報(例えば、CT、MRI)を単一のコンパクトで有形物に組み合わせることができる。
しかしながら、このような完全に着色された解剖学的モデルの調製及び印刷は依然として困難な課題である。したがって、さまざまな断面イメージング データセットの融合、解剖学的構造のセグメンテーション、および仮想モデルの作成を示す、ステップ バイ ステップ ガイドが提供されます。第二のステップでは、仮想モデルは石膏ベースの色3Dバインダージェット技術を使用して容積的に着色された解剖学的構造で印刷されます。この方法は、一連の3Dプリントされたペトロス頂点軟骨肉腫に示すように、患者固有の解剖学を非常に正確に再現することができます。さらに、作成されたモデルは切断および掘削することができ、外科的処置のシミュレーションを可能にする内部構造を明らかにする。
頭蓋骨基底腫瘍の外科的治療は、正確な術前計画1を必要とする困難な作業である。コンピュータ断層撮影(CT)および磁気共鳴画像(MRI)を用いたマルチモーダルイメージングは、患者の個々の解剖学に関する情報を外科医に提供する。臨床現場では、この診断情報は、解剖学の異なる側面を表す一連の2次元(2D)断面を表示することによって可視化される(例えば、骨の可視化のためのCT、血管のためのCT血管造影、軟部組織のためのMRI)。
しかし、特に初心者、医学生、患者にとって、断面画像に対する異なる3D構造の複雑な関係を理解することは困難です。死体研究2の他に、この問題は、個々の病理の実サイズの解剖学的モデルを確立し、異なる色3で解剖学的構造を表示することによって対処することができる。
過去数年間の技術的な進歩のおかげで、3D印刷技術は複雑な形状4、5の費用対効果の高い構造を可能にします。したがって、この技術は、有形で、空間的関係を明確に描写し、外科的計画およびシミュレーションに使用することができる患者特異的解剖モデルを構築する可能性を提供する。特に、ペトロウス頂点軟骨肉腫のような稀で複雑な症例では、個々の症例における腫瘍除去の術前シミュレーションは、外科医の自信と患者の結果を改善するのに役立つかもしれない。
一般的な FDM 印刷(フィラメント堆積モデリング)技術では、1 つまたは制限された色6で閉じたサーフェスを持つオブジェクトを作成することしか可能です。主に互いにネストされた様々な複雑な形の解剖学的構造を含む外科シミュレーションのモデルを提供するためには、完全に容積的に着色された3Dプリントが必要である。これにより、内部構造が明らかになるまで組織層を連続的に除去することができる。
石膏ベースの色3Dバインダージェッティングは、必要な多色モデル7を製造することができる技術です。その標準構成では、オブジェクトの表面のみを着色することができるのに対し、本明細書では、内部解剖構造への色の体積適用を確実にするために改変された技術が記載されている。
この技術を実証するために、頭蓋骨基底軟骨肉腫を有する患者の症例を例として選択した。軟骨肉腫は、骨格系のすべての新生物の20%を占め、主に長い骨に位置する。原発性頭蓋骨基底軟骨肉腫は、頭蓋内腫瘍8の0.1〜0.2%を担う稀な状態である。主にペトロス頂点に位置し、これらの腫瘍は、内頸動脈、視神経および他の脳神経、ならびに下垂体などの極めて重要な構造を含む複雑な解剖学的環境で成長する。これらの新生物の治療は、主に全外科的切除に焦点を当てており、アジュバント療法単独(例えば、放射線)は十分に有効ではないので9。
この腫瘍実体の複雑さと希少性のために、3Dプリントされた頭蓋骨モデルの術前の外科的シミュレーションは、解剖学をよりよく視覚化し、理解し、外科医が完全な切除を達成するのを助けるのに役立つかもしれない。他の10、患者固有のモデルの11の3D印刷は、複雑な神経解剖学の居住者と経験豊富な神経外科医の理解の両方を改善します。
ただし、医療画像データからこのような個別化されたモデルを作成するには、特に解剖学的構造を異なる色で印刷する場合に、画像セグメンテーション、3D モデリング、および 3D 印刷のスキルが必要です。この原稿は、医療画像データを仮想3Dモデルに変換し、多色の3Dオブジェクトを作製するための詳細なプロトコルを提供することにより、記述された解剖モデルの製造をより身近なものにすることを意図しています。
ワークフローは、主に4つの部分で構成されています:1)医療画像データのセグメンテーションと仮想3Dモデルの作成。2)マルチカラー3D印刷のための仮想3Dモデルの準備。3)選択された部品の容積着色のための準備。そして4)3D印刷および後処理。
議定書は、責任ある地元の倫理委員会によって承認されました (エティクコムミッション・デア・ランデサエルツテカンマー ラインラント・プファルツ, ドイツドイツ3, 55116マインツ).患者データのケアと使用に関するすべての制度的ガイドラインに従った。
1. 医療画像データのセグメンテーションと仮想3Dモデルの作成
注:セグメンテーションに使用したソフトウェアはAmira 5.4.5でした。セグメンテーションプロセスは、オープンソースソフトウェア(例えば、3Dスライサー 、https://www.slicer.org/)を使用して行うことができます。
2. 多色印刷のための仮想3Dモデルの準備
注:このプロトコルで印刷準備に使用されるソフトウェアは、Netfabbプレミアム2019.0です。オートデスクは、教育プログラムでこのソフトウェアを無料で使用できます。
3. 選択部品の体積着色の準備
注: 特定のパーツの体積カラーリングを可能にするには、1 つのサーフェス シェルだけでなく、オブジェクト内の多数のサブシェル(追加サーフェス)を生成する必要があります。
4. 3Dモデルの着色とエクスポート
注: 個別のネストされたシェルを含む、モデルのすべての部分のカラーリングは、Netfabb ソフトウェアを使用して行われます。
5. 3Dモデルの印刷と後処理
試験用の軟骨肉腫を有する8人の患者が研究のために選択され、仮想3Dモデルが作成され、それぞれに骨、腫瘍、血管、下垂体、および視神経交差が含まれる。石膏ベースのカラー3Dバインダージェッティング技術を用いた3つのモデルが多色3Dプリントを行いました(図1A1,A2)。さらに、表面着色と比較した体積着色の利点を示すために、内動脈を有する単一の腫瘍(図1B1)が作成された(図1B2,B3)。
これらのモデルは、外科的アプローチ(例えば、バリ穴作成)および腫瘍切除のシミュレーションを実証するために使用された。この印刷技術により、異なるイメージングモダリティから得られる解剖学的構造を1つのオブジェクトに組み合わせることが可能でした。
石膏材料は骨のような特性を有し、溶融することなく容易に掘削することができる。したがって、外科的アクセス経路をシミュレートするためにそれを使用することが可能であった。硬化手順後は脳内血管の木などの壊れやすい構造物を再現するのに十分安定していた。
モデルの体積全体を着色する能力により、腫瘍を通過する内頸動脈などの物体の内部構造を明確に可視化することができた。ドリルで腫瘍の層を除去することにより、赤い動脈は外科的シミュレーションの間に徐々に明らかにされた。
技術の正確さを証明するために、3Dモデルをコンピュータ断層撮影でスキャンした。印刷用に作成されたモデルは、これらのスキャンに重ね合わされました。偏差マッピングが作成され、ランダムに選択された 50 個のサーフェス ポイントで精度が決定されました。0.021 mmの平均偏差は、元のデータと比較して3Dプリントの高い基準を示しています。
図 1: 体積と表面色の 3D プリントA1.右の石油頂点に軟骨肉腫を有する患者の例示的なフルカラー3Dプリント。A2.解剖学的構造の詳細なビュー(矢印=内頸動脈分岐;O = 視神経キアズム;T = 腫瘍)。B1.腫瘍体積および断断面レベル(点線)を横切る血管。B2.従来の多色印刷技術は、表面でのみ色を明らかにします。B3.変更された技術は高度の外科シミュレーションのために適した容積的に着色された物体を作り出す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: 3D プリントのボリュームカラーのワークフローA.血管が内側の殻なしで体積を横切る腫瘍の仮想3Dモデル。B.腫瘍と複数の内殻を有する血管(距離0.05mm)。C.高いシェル距離(1 mm)の例。色付きと白のシェルの単一のレイヤーは引き続き表示されます。D.シェル距離が小さい(0.1 mm)の例。オブジェクトの内側のボリュームは完全に色付きです。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
頭蓋内軟骨肉腫の治療は、主に完全な外科的除去に基づいている。多くの場合、ペトロウス頂点に位置し、この腫瘍は、内頸動脈、視神経、下垂体などの重要な構造に近いです。したがって、外科的軌道の計画は、手術前の重要なステップです。マルチカラー 3D 印刷では、異なるイメージング モダリティから派生したこれらの構造を 1 つのオブジェクトに融合させることができます。
3Dプリントの準備中には、適切な画像データを慎重に選択することが重要です。スライスの厚さが小さい高解像度の画像は、3D の再構築や滑らかな遷移に適していますが、スライスの厚さが高いと粗く不均一なオブジェクトが生成されます。この方法のもう一つの重要なステップは、腫瘍および頭蓋骨のような2つの隣接する物体の交差を避けることです。したがって、一方のオブジェクトをもう一方のオブジェクトから減算するには、ブール演算を実行する必要があります。
体積の着色を可能にするには、オブジェクト内にオニオンシェルのようなサブサーフェスを作成する必要があります(図2A、B)。滑らかに着色されたオブジェクトを得るためには、少なくとも0.1mmの隣接する2つのサーフェス間の最小距離を持つ必要があります(図2D)。選択した距離がこの値を超えると、オブジェクト内の個々のシェルが表示される可能性があります (図 2C)。ボリュームカラーを使用する場合は、3Dプリンタのカラー消費量の増加に注意する必要があります。さらに、緩い部品のモデルをチェックし、必要に応じて支持体(例えば、バジラール動脈)を追加することも重要です。
この方法は、非常に耐久性がない硬い石膏のような材料を生成することができます。特に硬化手順なしで、モデルは開梱手順の間に容易に破壊することができる。したがって、血管などの脆弱な要素はしばしば分解する傾向があります。
この技術は軟部組織のシミュレーションにも適していない。脳組織をシミュレートするために、例えば、柔らかく硬い材料を直接12、13で製造できる方法で印刷するか、シリコーンゴム14などの軟質物体を鋳造するために使用できる金型を印刷する必要がある場合がある。1つの試験例では、後者の方法を用い、軟腫瘍をシミュレートした。この最後の手順の制限は、シリコーン腫瘍は非常に柔軟であったが、3Dプリントモデルに挿入するのに十分なスペースが必要であった。さらに、血管などの内部構造を作り出すわけにはいきなかった。
3Dバインダージェットは、石膏粉末の薄い層を部分的に硬化し着色することによってオブジェクトを組み立てる添加剤製造技術です。したがって、1 つのプロセスでオブジェクトのボリューム内の色、色の切り替え、および色付きの構造のほぼ無制限の範囲を印刷できます。
最も低いコストを生成するが、一度に2つまたは3つの色しか許可しないフィラメントプリンタ、および多色、マルチマテリアルオブジェクトを生成するポリジェットプリンタなど、他の印刷技術と比較して、この技術は、非常に高価である、この技術を提供しています手頃な価格で妥協する。印刷された頭蓋骨の平均材料費は約150€でした。
この方法を用いることにより、MRI繊維追跡配列に由来するフィラメント繊維や機能画像描写、例えば脳音声領域(例えばBroca%s領域)などのさらに抽象的なデータを可視化することができる。
外科シミュレーションとは別に、3Dプリントされた、実際の患者解剖学の完全に着色されたモデルは、彼らが複雑な解剖学的関係をよりよく理解できるように、医学生や若い医師の教育を改善するのに役立ちます。また、患者教育においても重要なツールです。
この研究は、マインツのヨハネス・グーテンベルク大学からM.K.への医学部からの助成金によって支持されました(「バイオマティクス - ストゥーフ1フェルデルン」)。
この作品の一部は、ドイツのヴュルツブルクで開催されたドイツ神経外科学会(DGNC)2019年の年次総会でポスターとして発表され、2019年ドイツコンピュータロボット支援手術学会(CURAC)の年次総会で短いプレゼンテーションとして発表されました。ドイツ、ロイトリンゲン。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3D printer | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | Zprinter Z450 |
3D printing software | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | 3DPrint Software (Version 1.03) |
Binder solution for cartridge | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0100-7001 | VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Liter |
Infiltration solution | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0250-1090 | Color-Bond 90, 1 bottle, 454 g |
Modeling Software for 3D print preparation | Autodesk, San Rafael, CA, USA | x | Netfabb Premium (Version 2019.0) |
Print head for binder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2010 | HP 11 print head (C4810A) |
Print head for color | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2011 | HP 57 printhead C 6657 AE Tricolor |
Printing powder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0050-2061 | VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg - ca. 11,47 L |
Segmentation software | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | x | Amira 5.4.5 |
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