Протокол описывает изготовление полностью цветных трехмерных отпечатков конкретных анатомических моделей черепа, которые будут использоваться для хирургического моделирования. Объясняются важнейшие этапы объединения различных методов визуализации, сегментации изображений, трехмерной добычи модели и производства отпечатков.
Технологии трехмерной (3D) печати предлагают возможность визуализации специфических патологий пациента в физической модели правильных размеров. Модель может быть использована для планирования и имитации критических шагов хирургического подхода. Поэтому важно, чтобы анатомические структуры, такие как кровеносные сосуды внутри опухоли, могли быть напечатаны для того, чтобы быть окрашены не только на их поверхности, но и на протяжении всего их объема. Во время моделирования это позволяет удалить определенные детали (например, с высокоскоростной дрелью) и выявить внутренне расположенные структуры другого цвета. Таким образом, диагностическую информацию из различных методов визуализации (например, КТ, МРТ) можно комбинировать в один компактный и осязаемый объект.
Однако подготовка и печать такой полностью цветной анатомической модели остается сложной задачей. Поэтому предоставляется пошаговое руководство, демонстрирующее слияние различных наборов поперечных изображений, сегментацию анатомических структур и создание виртуальной модели. На втором этапе виртуальная модель печатается с объемно окрашенными анатомическими структурами с использованием штукатурки на основе цвета 3D-технологии. Этот метод позволяет высокоточное воспроизведение специфической анатомии пациента, как показано в серии 3D-печати petrous apex chondrosarcomas. Кроме того, созданные модели могут быть вырезаны и пробурены, открывая внутренние структуры, которые позволяют моделирование хирургических процедур.
Хирургическое лечение опухолей основания черепа является сложной задачей, требующей точного предоперационного планирования1. Мультимодальная визуализация с использованием компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) дает хирургу информацию об индивидуальной анатомии пациента. В клинической практике эта диагностическая информация визуализирована путем отображения ряда двухмерных (2D) поперечных сечений, представляющих различные аспекты анатомии (например, КТ для визуализации костей, КТ ангиографии для сосудов, МРТ для мягких тканей).
Тем не менее, особенно для начинающих, студентов-медиков и пациентов, понимание сложных отношений различных 3D структур к поперечным изображениям является сложной задачей. Помимо трупных исследований2, эта проблема может быть решена путем создания реальных размеров анатомических моделей отдельных патологий, отображение анатомических структур в различных цветах3.
Благодаря техническим достижениям последних лет технологии 3D-печати позволяют рентабельно строить сложные формы4,5. Таким образом, этот метод дает возможность построить пациента конкретных анатомических моделей, которые являются ощутимыми, четко изображают пространственные отношения, и могут быть использованы для хирургического планирования и моделирования. Особенно в редких и сложных случаях, таких как petrous apex chondrosarcomas, предоперационное моделирование удаления опухоли в отдельном случае может помочь улучшить уверенность в себе хирурга и исход пациента.
Общие FDM-печати (моделирование осаждения филе) методы позволяют создавать объекты с закрытой поверхностью в одном или ограниченном разнообразии цветов6. Чтобы обеспечить модель для хирургического моделирования, которая содержит различные сложные анатомические структуры формы, в основном вложенные друг в друга, необходимы полностью объемно окрашенные 3D-принты. Это позволяет последовательное удаление слоев тканей до тех пор, пока не будет выявлена внутренняя структура.
Штукатурка на основе цвета 3D-связующего струи является метод, способный производить необходимые многоцветные модели7. В то время как в стандартных конфигурациях только поверхность объекта может быть окрашена, здесь описана модифицированная техника для обеспечения объемного применения цвета к внутренним анатомическим структурам.
Для демонстрации этой техники, случаи пациентов с черепом базы хондросаркомы были выбраны в качестве примера. На хондросаркому приходится 20% всей неоплазии в скелетной системе, в основном расположенных в длинных костях. Первичные основы черепа хондросаркомы являются редким заболеванием, ответственным за 0,1-0,2% всех внутричерепных опухолей8. В основном расположенные на вершине петруса, эти опухоли растут в сложной анатомической среде с участием ключевых структур, таких как внутренняя сонная артерия, оптические и другие черепные нервы, а также гипофиза. Лечение этих неоплазм в основном сосредоточено на общей хирургической резекции, потому что адъювантная терапия сама по себе (например, радиация) не являются достаточно эффективными9.
Из-за сложности и редкости этой опухоли лица, предоперационное хирургическое моделирование в 3D печатных модель черепа может помочь лучше визуализировать и понять анатомию и помочь хирургу достичь полной резекции. Как показали другие10,11 3D-печать конкретных моделей пациента улучшает понимание как жителей, так и опытных нейрохирургов сложной нейроанатомии.
Однако создание таких индивидуальных моделей из медицинских данных изображений требует навыков сегментации изображений, 3D-моделирования и 3D-печати, особенно когда анатомические структуры должны быть напечатаны в разных цветах. Данная рукопись призвана сделать изготовление описанных анатомических моделей более доступными для других, предоставив подробный протокол для преобразования данных медицинской визуализации в виртуальные 3D-модели и для изготовления разноцветных 3D-объектов.
Рабочий процесс состоит главным образом из четырех частей: 1) сегментация медицинских изображений данных и создание виртуальной 3D-модели; 2) подготовка виртуальной 3D-модели для многоцветной 3D-печати; 3) подготовка к объемной окраске отдельных деталей; и 4) 3D-печать и постобработка.
Протокол был одобрен ответственным местным комитетом по этике (Ethikkommission der Landes'rztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Германия). Соблюдались все институциональные руководящие принципы по уходу и использованию данных о пациентах.
1. Сегментация медицинских изображений и создание виртуальной 3D-модели
ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение, мы использовали для сегментации был Amira 5.4.5. Процесс сегментации также может быть осуществлен с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом (например, 3D Slicer, https://www.slicer.org/)
2. Подготовка виртуальной 3D-модели для многоцветной печати
ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение, используемое для подготовки печати в этом протоколе Netfabb Premium 2019.0. Autodesk предлагает бесплатное использование этого программного обеспечения в своей образовательной программе.
3. Подготовка к объемной окраске отдельных деталей
ПРИМЕЧАНИЕ: Для того, чтобы объемная окраска некоторых частей необходимо генерировать не только одну поверхностную оболочку, но и множество подshells (дополнительные поверхности) внутри объекта.
4. Окраска и экспорт 3D-модели
ПРИМЕЧАНИЕ: Окраска всех частей модели, включая различные вложенные оболочки, осуществляется с помощью программного обеспечения Netfabb.
5. Печать и послеобработка 3D-модели
Восемь пациентов с хондросаркомой петрос вершины были отобраны для исследования и виртуальные 3D модели были созданы, каждый из которых содержит кости, опухоли, сосуды, гипофиза, и зрительного нерва пересечения. Три модели прошли разноцветную 3D-печать с использованием штукатурки на основе цвета 3D связующего метода струи(Рисунок 1A1,A2). Кроме того, была создана одна опухоль с внутренней артерией(рисунок 1B1),чтобы показать преимущества объемной окраски по сравнению с окраской поверхности(рисунок 1B2,B3).
Эти модели были использованы для демонстрации моделирования хирургического подхода (например, создание заусенных дыр) и резекции опухоли. Этот метод печати позволил объединить анатомические структуры, полученные из различных методов визуализации, в один объект.
Гипсовый материал имел костно-подобные свойства и мог быть легко просверлен без плавления. Таким образом, было возможно использовать его для имитации хирургического маршрута доступа. После процедуры затвердевания он был достаточно стабилен, чтобы воспроизвести даже хрупкие структуры, такие как внутримозговое сосудовое дерево.
Способность окрасить весь объем модели позволила четко визуализировать внутреннюю структуру объекта, такую как внутренняя сонная артерия, протекающая через опухоль. Удалив слои опухоли с помощью сверла, красная артерия постепенно была выявлена в ходе хирургического моделирования.
Чтобы доказать точность техники, 3D-модели были отсканированы в компьютерном томографе. Модели, созданные для печати, были наложены на эти сканы. Было создано отображение отклонений, и точность была определена в 50 случайно выбранных точках поверхности. Среднее отклонение 0,021 мм демонстрирует высокое соответствие 3D-печати по сравнению с исходными данными.
Рисунок 1: Объемный против поверхности цветные 3D принты. A1. Образцовый полный цвет 3D-печати пациента с хондросаркомой на правой вершине petrous. A2. Детальный вид анатомических структур (стрелка и внутренняя бифуркация сонной артерии; O - зрительный нерв chiasm; T и опухоль). B1. Кровеносный сосуд, пересекающий объем опухоли и поперечный уровень (пунктирная линия). B2. Обычная техника разноцветной печати показывает цвет только на поверхности. B3. Модифицированный метод производит объемно окрашенные объекты, пригодные для продвинутого хирургического моделирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Рабочий процесс для объемной окраски 3D-принтов. A. Виртуальная 3D-модель опухоли с кровеносным сосудом, пересекающим ее объем без внутренних оболочек. B. Опухоль и кровеносный сосуд с несколькими внутренними оболочками (расстояние 0,05 мм). C. Пример высокого расстояния оболочки (1 мм). Одиночные слои цветных и белых оболочек все еще видны. D. Пример небольшого расстояния оболочки (0,1 мм). Внутренний объем объекта полностью окрашен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Терапия внутричерепной хондросаркомы в основном основана на полном хирургическом удалении. Часто расположен на вершине петруса, эта опухоль близка к важным структурам, таким как внутренняя сонная артерия, зрительный нерв и гипофиз. Таким образом, планирование хирургических траекторий является важным шагом перед операцией. Многоцветная 3D печать позволяет сливить эти структуры, каждая из которых получена из различных методов визуализации, в один объект.
При подготовке к 3D-печати важно тщательно отбирать адекватные данные изображений. Изображения высокого разрешения с небольшой толщиной ломтика хорошо подходят для 3D-реконструкции и плавных переходов, в то время как высокие толщины срезов будут производить грубые, неравномерные объекты. Другим важным шагом метода является предотвращение пересечений двух соседних объектов, таких как опухоль и кость черепа. Таким образом, boolean операции должны быть выполнены, чтобы вычесть один объект из другого.
Для обеспечения объемной окраски необходимо создать луковые оболочки, как подповерхности внутри объекта(рисунок 2A,B). Для получения гладкоцветных объектов(рисунок 2D)необходимо иметь минимальное расстояние между двумя смежными поверхностями не менее 0,1 мм. Если выбранное расстояние превышает это значение, отдельные оболочки внутри объекта могут стать видимыми(рисунок 2C). Следует обратить внимание на повышенное потребление цвета 3D принтера при использовании объемной окраски. Кроме того, важно также проверить модель на наличие свободных деталей и добавить опоры, когда это необходимо (например, базилярную артерию).
Метод может производить только жесткий, штукатурка, как материал, который не очень прочный. Особенно без процедуры закаливания, модель может быть легко уничтожена во время процедуры распаковки. Таким образом, хрупкие элементы, такие как кровеносные сосуды, часто имеют тенденцию распадаться.
Техника также не подходит для моделирования мягких тканей. Для имитации ткани мозга, например, может быть необходимо либо распечатать его с помощью метода, который способен производить мягкие и твердые материалы непосредственно12,13 или печатать формы, которые могут быть использованы для отливки мягких объектов, таких как силиконоваярезина 14. В одном тестовом случае, последний метод был использован для имитации мягкой опухоли. Ограничение этой последней процедуры было то, что, хотя силиконовая опухоль была очень гибкой, необходимо было иметь достаточно места, чтобы вставить его в 3D печатной модели. Кроме того, не было возможности создать внутренние структуры, такие как кровеносный сосуд.
3D связующего струи является аддитивная техника производства, которая собирает объекты путем частичного затвердевания и окраски тонких слоев гипсового порошка. Таким образом, он позволяет печатать почти неограниченный диапазон цветов, цветовых переходов и цветных структур внутри объема объектов в одном процессе.
По сравнению с другими методами печати, такими как нити принтеры, которые производят самые низкие затраты, но только позволяют два или три цвета одновременно, и Poly Jet принтеры, которые производят многоцветные, многоматериальные объекты, но очень дорого, этот метод предлагает компромисс по доступной цене. Средняя стоимость материала для печатного черепа составила около 150 евро.
С помощью этого метода можно визуализировать еще более абстрактные данные, такие как волокна нити, полученные из последовательностей отслеживания МРТ волокна или функциональной визуализации, изображающие, например, область речи мозга (например, область Broca%s).
Помимо хирургического моделирования, 3D печатные, полностью цветные модели реальной анатомии пациента может помочь улучшить образование студентов-медиков или молодых врачей, чтобы они могли лучше понять сложные анатомические отношения. Это также важный инструмент в обучении пациентов.
Это исследование было поддержано грантом от медицинского факультета от Иоганнеса Гутенберга-Университета Майнца до М.К. ("Биоматика - Stufe 1 Фердерунг").
Часть этой работы была представлена в качестве плаката на ежегодном собрании Немецкого нейрохирургического общества (DGNC) 2019 в Вюрцбурге, Германия, и в качестве краткой презентации на ежегодном собрании Немецкого общества компьютерной и роботизированной хирургии (CURAC) 2019 в Ройтлинген, Германия.
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены