Impressão 3D multicolorida de tumores intracranianos complexos na neurocirurgia

O objetivo deste procedimento é demonstrar as etapas da criação de modelos anatômicos impressos em 3D, totalmente coloridos e específicos do paciente, utilizando dados de diferentes modalidades de imagem. Utilizando o exemplo de condrosarcomas do ápice petrous, todo o processo de fusão e segmentação de imagem, geração de um modelo 3D virtual e fabricação da impressão 3D são demonstrados. Além disso, é descrita a coloração volumosa de impressões 3D adequadas para simulação cirúrgica.

Uma variedade de modalidades de imagem, como tomografia computadorizada e ressonância magnética, mostram diferentes aspectos do local cirúrgico, como osso, tecido mole, tumor e vasos. As tecnologias de impressão 3D oferecem a possibilidade única de combinar esses diferentes aspectos em um único objeto, compacto e tangível em dimensões de tamanho real que podem ser estudadas e usadas para simular a abordagem cirúrgica. Especialmente para simulação cirúrgica, é importante produzir impressões 3D não apenas coloridas na superfície para fornecer coloração volumosa em profundidade para visualizar claramente estruturas aninhadas dentro uma da outra, como um vaso sanguíneo atravessando um tumor.

Este vídeo oferece um guia passo-a-passo para a fabricação de um modelo anatômico totalmente colorido baseado no exemplo de um condromesrcoma do ápice petrous. Os passos cruciais neste procedimento são a fusão e segmentação de dados de imagem médica, seguida pela criação de um modelo de superfície 3D virtual. Como terceiro passo, o modelo virtual é preparado para impressão 3D multicolorida, incluindo um fluxo de trabalho modificado para permitir a coloração volumosa de peças específicas.

Finalmente, são descritas a impressão e o pós-processamento. É importante usar dados de imagem com alta resolução espacial, por exemplo, uma espessura de fatia de um milímetro ou menos. A tomografia computadorizada foi utilizada para segmentação de ossos.

Foram utilizadas imagens de ressonância magnética T1 aprimoradas em contraste para segmentação de estruturas tumorais e neurais e imagens TOF para vasos. Baixe os arquivos DICOM em seu computador e abra o Software Amira. Importe os arquivos das diferentes modalidades de imagem e selecione a pasta dos dados de imagem.

Clique nas imagens CT e conecte-as com o módulo renderização de volume. Escolha Specular para uma renderização mais realista e ajuste o controle deslizante de transferência de cores para visualizar apenas osso. Continue importando as sequências de ressonância magnética e conecte-as a um módulo de renderização de volume também.

Como as imagens de ressonância magnética e tomografia não estão se sobrepondo, é necessário fundir os diferentes dados de imagem. Portanto, clique com o botão direito do mouse no conjunto de dados da ressonância magnética e escolha Compute, Affine Registration. Escolha Referência e direcione o cursor para a tomografia computadorizada. Nas propriedades do módulo De registro, deixe todas as configurações por padrão e clique em Centros de Alinhamento, seguido de clique em Registrar.

Os dois diferentes conjuntos de dados de imagem estão agora fundidos. Repita esta etapa para todos os conjuntos de dados de imagem adicionais. Verifique a precisão de correspondência ocultando as renderizações de volume e adicionando um módulo OrthoSlice às imagens MR.

Escolha colorwash. Em seguida, clique em Data e conecte esta porta com a CT arrastando o mouse para ele. Ajuste o controle deslizante de cor para visualizar as estruturas neurais sobrepostas às estruturas do crânio ósseo.

Verifique se há desalinhamentos, toggling o controle deslizante do fator de peso e olhando para a borda entre crânio e superfície cerebral, bem como os ventrículos. Repita este procedimento em diferentes fatias e em direções coronais e sagitas. Desative a visibilidade do módulo OrthoSlice e reative a renderização do volume da tomografia computadorizada. Vá para os dados da CT e procure o menor valor neste conjunto de dados, neste caso, menos 2.048.

Em seguida, adicione um módulo de edição de volume, conecte o módulo Volren com os dados de saída e defina o valor de preenchimento para menos 2.048. Clique em Cut Inside e marque a região a ser removida na viewport 3D. Note que é importante evitar a sobreposição com peças não destinadas a serem removidas.

Neste exemplo, partes do osso da mandíbula e das vértebras cervicais superiores foram removidas. Em seguida, o osso restante será segmentado e convertido em uma malha superficial. Portanto, clique no Editor de Segmentação e escolha a sequência de imagem CT modificada e adicione um novo conjunto de rótulos.

Agora escolha Limiar como opção de segmentação. Defina o controle deslizante inferior a um valor em torno de 250 em caso de tomografia computadorizada. Certifique-se de estruturas ósseas finas, como o osso temporal ou a região orbital superior a serem selecionadas na pré-visualização. Caso contrário, ajuste o limiar inferior, mas evite selecionar qualquer tecido mole.

Em seguida, clique em Selecionar. E, finalmente, adicione a seleção ao conjunto de rótulos. Volte para a Vista da Piscina.

Um novo conjunto de etiquetas foi criado para o CT. Clique com o botão direito do mouse e escolha Compute, Surface Gen, verifique a opção Compactar e clique em Aplicar. Por fim, adicione um módulo Surface View e ajuste a cor da malha gerada. Adicione outras estruturas relevantes repetindo as etapas anteriores.

No caso do tumor, utilizou-se a segmentação manual e não a operação de limiar. Assim, o tumor, o nervo óptico e os vasos intracranianos foram segmentados e adicionados ao modelo. Finalmente, exporte as malhas geradas clicando com o botão direito do mouse na malha e clicando em Salvar.

Escolha STL como formato de arquivo. Abra a Netfabb e importe as malhas geradas nas etapas anteriores como novas peças. Verifique o reparo automático e clique em Importar.

Selecione o crânio e divida suas conchas em partes. Isso separa todos os objetos soltos não conectados ao osso do crânio. Selecione o osso do crânio e alterne sua visibilidade.

Agora selecione todas as outras partes e exclua-as. Repita este passo para todos os outros objetos. Note que, em algumas regiões, como o tumor dentro do ápice petroso do crânio, as geometrias de ambos os objetos se cruzam entre si.

Para evitar erros de impressão, é necessário remover tais intersecções. Portanto, selecione os dois objetos interseccionais e clique em Operações Booleanas. Mova o objeto para ser subtraído do outro para o lado vermelho da lista e clique em Aplicar.

Agora, os dois objetos estão claramente separados, o que deve ser verificado, diminuindo sua visibilidade. Repetindo esses passos, o tumor, bem como a artéria dentro do tumor, são claramente separados um do outro. No caso da artéria basilar, são necessários suportes adicionais para evitar que o objeto seja uma peça solta após a impressão.

Adicione um novo objeto, neste caso, um cilindro, e ajuste suas dimensões e subdivisões conforme necessário. Coloque o cilindro para se cruzar completamente com o crânio e a geometria do vaso. Agora realize a operação booleana novamente para subtrair as partes dentro do osso e do vaso sanguíneo.

Repita esta etapa para adicionar mais suportes quando necessário. Para permitir a coloração volumosa de certas peças, é necessário gerar não apenas uma concha de superfície, mas muitas subshells dentro do objeto. Selecione o tumor e gere uma nova concha a partir dele.

Defina uma espessura de concha de 3 milímetros no modo de deslocamento interno com uma precisão de 15 milímetros e aplique. Isso gera uma concha interna com uma distância de 3 milímetros até a superfície original. Selecione a camada externa e gere uma nova concha a partir dela.

Selecione a espessura da casca de 25 milímetros no Modo Oco com uma precisão de 15 milímetros. Além disso, selecione a caixa de seleção Remover peça original. Isso gera um espaço de 05 milímetros entre as duas conchas adjacentes.

Repetindo esses passos, são criadas várias conchas internas com espessuras constantes e deslocamentos invariantes. Recomenda-se o uso de uma espessura de concha de 35 a 25 milímetros, bem como um deslocamento de 1 a 05 milímetros para alcançar uma coloração volumétrica suave. Repita esses passos com todos os outros objetos, como os vasos sanguíneos.

Na última etapa, a cor de impressão de cada objeto deve ser definida. Portanto, selecione uma peça para ser colorida. Clique duas vezes em Textura e Malha de Cores, e escolha uma cor.

Clique no ícone Pintura em Conchas, seguido de clique no modelo exibido no centro de tela. Por fim, aplique alterações e certifique-se de confirmar o diálogo Remover parte antiga. Repita estes passos com todos os outros objetos e conchas, respectivamente.

Finalmente, exporte todos os objetos a serem impressos, incluindo suportes e conchas internas, e exporte-os como arquivos individuais. Certifique-se de escolher o formato VRML, já que o formato STL não é capaz de transportar as informações de cor. Abra o software de impressão 3D do sistema 3D e importe os arquivos VRML criados na etapa anterior.

Escolha milímetros como unidade. Verifique manter posição e aplique em todos os arquivos. E defina o tipo de material para ZP151.

Agora coloque o modelo 3D no volume de impressão ajustando sua posição e rotação. No caso do modelo do crânio, certifique-se de que a abertura está voltada para cima. Vá para Configuração, selecione ZP151 como um tipo de material e defina a espessura da camada para 1 milímetro.

Verifique a compensação de sangria e confirme. Em seguida, clique em Criar e deixe todas as configurações como predefinidas. Finalmente, verifique o status da impressora e clique em Imprimir.

Depois que a impressão estiver concluída, desempacote o modelo removendo cuidadosamente pó solto com um aspirador de pó. É importante não entrar em contato direto com o modelo com o tubo de sucção para evitar que estruturas finas se separem. Retire o modelo e limpe-o aplicando cuidadosamente o ar pressurizado, bem como limpe-o com uma escova macia.

Neste estado, o modelo ainda é muito frágil. Para aumentar a estabilidade e a situação de cores, coloque o modelo dentro de uma banheira de plástico e infiltre-o com uma solução de endurecimento. A solução excedente deve ser removida com ar pressurizado para manter todos os detalhes da superfície mantidos.

Deixe o modelo curar por várias horas até que esteja completamente seco. Foram criadas diferentes impressões 3D multicoloridas de pacientes com condrorcoma. A técnica de impressão 3D multicolorida permite fundir diferentes aspectos anatômicos, como estruturas ósseas e de tecidos moles, cada um derivado de diferentes modalidades de imagem, a serem combinados em um único objeto.

Em uma configuração de simulação cirúrgica, o material de gesso da impressão multicoloria mostrou propriedades semelhantes a ossos e poderia ser facilmente perfurado e cortado. Essa técnica também oferece a possibilidade de colorir a estrutura interna de um objeto, como a artéria carótida interna que viaja pelo tumor. Ao remover camadas de tumor com a broca, a artéria vermelha é revelada durante a simulação cirúrgica.

Para provar a precisão da técnica, os modelos 3D foram escaneados no tomógrafo computado. Os modelos criados para impressão foram sobrepostos a esses exames. Um mapeamento de desvio foi criado, e a precisão foi determinada em 50 pontos de superfície escolhidos aleatoriamente.

Um desvio médio de 21 mícrons demonstra a alta conformidade da impressão 3D em comparação com os dados originais. Foi demonstrado como combinar diferentes modalidades de imagem clínica em uma única impressão 3D multicolorida. Além disso, foi apresentada modificação do fluxo de trabalho de impressão 3D padrão para permitir a produção de modelos cor-de-volumetricamente.

Além disso, a precisão sobreposta das impressões 3D em comparação com os dados originais de imagem mostrou uma alta precisão. Em conclusão, esses modelos totalmente coloridos permitem simulação cirúrgica até mesmo de situações complexas e anatômicas, como tumores baseados no crânio, que tem sido apresentado em uma série de estudos de caso.