Name: multicolor 3d printing of complex intracranial tumors in neurosurgery
Uploaded: 2020-01-11T14:00:00
Duration: 14 min 15 s
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Certaines parties de ces travaux ont été présentées sous forme d'affiche lors de la réunion annuelle de la Société allemande de neurochirurgie (DGNC) 2019 à Wurtzbourg, en Allemagne, et comme une courte présentation à la réunion annuelle de la Société allemande de chirurgie assistée par ordinateur et robot (CURAC) 2019 à Reutlingen, Allemagne.

Le protocole a été approuvé par le comité d'éthique local responsable (Ethikkommission der Landes-rztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mayence, Allemagne). Toutes les lignes directrices institutionnelles pour les soins et l'utilisation des données sur les patients ont été suivies.
1. Segmentation des données d'imagerie médicale et création d'un modèle 3D virtuel
REMARQUE: Le logiciel que nous avons utilisé pour la segmentation était Amira 5.4.5. Le processus de segmentation peut également être réalisé en utilisant un logiciel open source (par exemple, 3D Slicer, <a href="https://www.slicer.org/" target="_blank">https://www.slicer.org/</a>)
<ol><li>Utiliser des données d'imagerie à haute résolution spatiale (p. ex., une épaisseur de tranche de 1 mm ou moins). Ici, un jeu de données cT crânien avec une épaisseur de tranche de 0,5 mm et des données d'IRM supplémentaires avec une épaisseur de tranche de 1 mm ont été utilisés. Utilisez des données de CT pour la segmentation de l'os, contrastez les images améliorées d'IRM T1 pour la segmentation des structures tumorales et neurales, aussi bien que des images de temps de vol (TOF) pour des navires.</li>
	<li>Téléchargez les fichiers DICOM sur l'ordinateur et ouvrez le logiciel de segmentation. Importer les fichiers des différentes modalités d'imagerie et sélectionner le dossier avec les données d'imagerie.</li>
	<li>Cliquez sur les images CT et connectez-les avec un module de rendu de volume (Volren). Choisissez Specular pour un rendu plus réaliste et ajustez le curseur de transfert de couleur pour visualiser l'os seulement. Continuez en important les séquences D'IRM et connectez-les à un module de rendu de volume.</li>
	<li>Enregistrement<ol>
<li>Étant donné que les images D'IRM et de ToN ne se chevauchent pas, il est nécessaire de fusionner les différentes données d'imagerie. Par conséquent, cliquez à droite sur le jeu de données IRM et choisissez Compute 'gt; Affine Registration. Choisissez Référence en cliquant sur le carré blanc du module, puis faites glisser le curseur sur le CT.</li>
		<li>Dans les propriétés du module d'enregistrement laisser tous les paramètres par défaut et cliquez sur Les centres align, suivie en cliquant sur Enregistrer. Les deux ensembles de données d'imagerie différents sont maintenant fusionnés. Répétez cette étape pour tous les ensembles de données d'imagerie supplémentaires.</li>
	</ol></li>
	<li>Vérification de la précision correspondante :<ol>
<li>Vérifiez la précision correspondante en cachant les rendus de volume (cliquez sur le carré orange du module) et en ajoutant un module OrthoSlice aux images MR. Cliquez sur le triangle blanc et choisissez Colorwash. Cliquez ensuite sur le carré blanc, choisissez Données et connectez ce port avec les données CT en faisant glisser la souris sur elle.</li>
		<li>Ajuster le curseur de couleur pour visualiser les structures neuronales superposées aux structures osseuses du crâne. Vérifiez s'il y a des désalignements en toggling le curseur de facteur de poids tout en regardant la frontière entre le crâne et les surfaces de cerveau ainsi que les ventricules. Répétez cette procédure sur différentes tranches dans les directions coronales et sagittales.</li>
	</ol></li>
	<li>Montage volumeriel<ol>
<li>Désactiver la visibilité du module OrthoSlice et réactiver le rendu de volume du CT. Aller aux données CT et rechercher la valeur la plus faible dans le jeu de données, dans ce cas -2 048.</li>
		<li>Ajoutez ensuite un module d'édition de volume, connectez le module Volren aux données de sortie et fixez la valeur de remplissage à -2 048.</li>
		<li>Cliquez sur Couper à l'intérieur et marquer la région à supprimer dans le port d'œil 3D. REMARQUE : Il est important d'éviter de se chevaucher avec des pièces qui ne sont pas destinées à être enlevées.</li>
		<li>Dans cet exemple, des parties de l'os mandibule et des vertèbres cervicales supérieures ont été enlevées.</li>
	</ol></li>
	<li>Segmentation de l'os<ol>
<li>Ensuite, l'os restant doit être segmenté et converti en maille de surface. Pour ce faire, cliquez sur l'éditeur de segmentation, choisissez la séquence d'image CT modifiée, et ajoutez un nouveau labelset en cliquant sur New.</li>
		<li>Maintenant, choisissez Threshold comme option de segmentation. Définir le curseur inférieur à une valeur de 250 euros en cas de CT. Assurez-vous que les structures osseuses minces telles que l'os temporal ou la région orbitale supérieure sont sélectionnées dans l'aperçu. Sinon, ajustez le seuil inférieur mais évitez de sélectionner des tissus mous.</li>
		<li>Cliquez ensuite sur Sélectionnez et enfin ajouter la sélection à l'étiquette (en cliquant sur l'icône rouge plus).</li>
		<li>Retour à la vue de la piscine. Un nouveau labelale a été créé pour le CT. Cliquez à droite et choisissez Compute 'gt; Surface Gen, vérifiez l'option Compactify, et cliquez sur Appliquer.</li>
		<li>Enfin, ajoutez un module SurfaceView et ajustez la couleur du maillage généré.</li>
	</ol></li>
	<li>Segmentation d'autres structures<ol>
<li>Ajoutez d'autres structures pertinentes en répétant les étapes précédentes. Dans le cas de la tumeur, la segmentation manuelle a été employée plutôt qu'une opération de seuil.</li>
		<li>Pour effectuer la segmentation manuelle, allez à l'éditeur de segmentation, et choisissez l'option de segmentation manuelle (icône de pinceau) pour marquer des structures telles que la tumeur dans chaque tranche. Enfin ajouter la sélection à nouveau en cliquant sur l'icône plus. Ainsi, la tumeur, le nerf optique, et les vaisseaux intracrâniens seront segmentés et ajoutés au modèle.</li>
	</ol></li>
	<li>L'exportation de mailles<ol>
<li>Enfin exporter les mailles générées dans le format STL en cliquant à droite sur le maillage et en cliquant sur Enregistrer. Choisissez le STL binaire comme format de fichier.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Préparation du modèle 3D virtuel pour l'impression multicolore
REMARQUE: Le logiciel utilisé pour la préparation d'impression dans ce protocole est Netfabb Premium 2019.0. Autodesk offre l'utilisation gratuite de ce logiciel dans son programme éducatif.
<ol><li>Importer des données et effectuer des réparations automatiques.</li>
	<li>Ouvrez le programme de préparation d'impression et importez les maillage générés dans les étapes précédentes sous forme de nouvelles pièces. Vérifiez la réparation automatique et cliquez sur Import.</li>
	<li>Suppression de petites pièces détachées<ol>
<li>Sélectionnez le crâne et diviser ses coquilles en parties en cliquant sur Modifier 'gt; Split Shells en parties. Cela sépare tous les objets en vrac non reliés à l'os du crâne.</li>
		<li>Sélectionnez l'os du crâne et basculer sa visibilité.</li>
		<li>Sélectionnez maintenant toutes les autres parties et supprimez-les.</li>
		<li>Reggle la visibilité du crâne à nouveau.</li>
		<li>Répétez cette étape pour tous les autres objets.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Supprimer les régions qui se chevauchent. REMARQUE : Dans certaines régions, comme la tumeur à l'intérieur du sommet pétrous du crâne, les géométries des deux objets se croisent. Pour éviter les erreurs d'impression, il est nécessaire de supprimer ces intersections.<ol>
<li>Sélectionnez les deux objets qui se croisent et cliquez sur Boolean Operations.</li>
		<li>Déplacez l'objet à soustraire de l'autre vers le côté rouge de la liste et cliquez sur Appliquer. Maintenant, les deux objets sont clairement séparés. Cela doit être vérifié en réduisant leur visibilité.</li>
		<li>Répétez ces étapes pour permettre à la tumeur ainsi que l'artère à l'intérieur de la tumeur de devenir clairement séparés les uns des autres.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ajouter des structures de soutien au besoin.<ol>
<li>Dans le cas de l'artère basilaire, des supports supplémentaires sont nécessaires pour empêcher l'objet d'être une pièce lâche après l'impression.</li>
		<li>Ajoutez un nouvel objet, dans ce cas un cylindre (Fichier -gt; Part Library), et ajustez ses dimensions et subdivisions au besoin.</li>
		<li>Placez le cylindre pour qu'il se croise complètement avec le crâne et la géométrie du navire.</li>
		<li>Maintenant, effectuez l'opération Booléenàen à nouveau pour soustraire les parties dans l'os et le vaisseau sanguin.</li>
		<li>Répétez cette étape pour ajouter plus de soutiens au besoin (p. ex., le nerf optique).</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Préparation pour la coloration volumétrique des parties sélectionnées
REMARQUE : Pour permettre la coloration volumétrique de certaines parties, il est nécessaire de générer non seulement une coque de surface, mais de nombreuses sous-coquilles (surfaces supplémentaires) à l'intérieur de l'objet.
<ol><li>Sélectionnez la tumeur, dans ce cas, et de générer une nouvelle coquille à partir de lui (cliquez à droite 'gt; Modifier 'gt; Générer Shell).</li>
	<li>Définir une épaisseur de coquille de 0,3 mm dans le mode offset intérieur avec une précision de 0,15 mm et appliquer. Sélectionnez la case à cocher Keep Original Part. Cela génère une coquille intérieure avec une distance de 0,3 mm à la surface d'origine.</li>
	<li>Sélectionnez la surface extérieure des deux coquilles et en générez une nouvelle coquille. Sélectionnez une épaisseur de coquille de 0,25 mm en mode Hollow avec une précision de 0,15 mm. Sélectionnez également la case à cocher Supprimer la partie originale. Cela génère un espace de 0,05 mm entre les deux coquilles adjacentes.</li>
	<li>Répétez les étapes 3.1-3.3 de sorte que plusieurs coquilles intérieures avec des épaisseurs constantes et des décalages invariants sont créées. REMARQUE : Il est recommandé d'utiliser une épaisseur de coquille de 0,35 à 0,25 mm ainsi qu'un décalage de 0,1 à 0,05 mm pour obtenir une coloration volumétrique lisse.</li>
	<li>Répétez les étapes 3.1-3.4 avec tous les autres objets, tels que les vaisseaux sanguins.</li>
</ol>4. Coloriage et exportation du modèle 3D
REMARQUE : La coloration de toutes les parties du modèle, y compris les coquilles nichelées distinctes, se fait à l'aide du logiciel Netfabb.
<ol><li>Sélectionnez une pièce à colorer dans le menu Pièces sur le côté gauche. Double cliquez sur l'icône Texture et Color Mesh. Choisissez une couleur en cliquant sur la barre de couleur sur le côté droit. Dans le menu supérieur, cliquez à gauche sur l'icône Peinture sur coquillages. Par la suite, cliquez à gauche sur le modèle affiché dans le centre d'écran. Enfin, cliquez à gauche sur la case Apply Changes dans le coin inférieur droit. Assurez-vous de confirmer la sélection Supprimer la vieille partie.</li>
	<li>Répétez ces étapes avec tous les autres objets et coquillages, respectivement.</li>
	<li>Exporter tous les objets. Sélectionnez tous les objets à imprimer, y compris les supports et les coquilles intérieures, et exportez-les sous forme de fichiers individuels. Assurez-vous de choisir le format VRML (WRL), car le format STL n'est pas en mesure de transporter les informations de couleur.</li>
</ol>5. Impression et post-traitement du modèle 3D
<ol><li>Configurer l'imprimante 3D REMARQUE : Le logiciel 3DPrint (version 1.03) a été utilisé pour contrôler la machine à reliure ZPrinter 450.<ol>
<li>Ouvrez le logiciel et importez les fichiers VRML colorés en cliquant sur Open et en choisissant toutes les données pertinentes. Cliquez sur le bouton Open dans le coin inférieur droit de la fenêtre. Dans la fenêtre suivante choisir millimètres comme unités. Assurez-vous de vérifier la position et l'orientation keep ainsi que les paramètres d'application à toutes les cases de fichiers. Enfin choisir Z151 comme type de matériau. Cliquez sur le bouton Suivant.</li>
		<li>Pour positionner les objets 3D à l'intérieur du volume de construction, marquez tous les objets en appuyant sur la touche 'lt;STRG'gt.A.<ol>
<li>Dans la fenêtre supérieure gauche, représentant la vue XY du volume de construction, cliquez et faites glisser les objets marqués vers le centre. Dans la fenêtre inférieure gauche, représentant la vue XZ du volume de construction, cliquez et faites glisser les objets au milieu de la partie inférieure au-dessus de la ligne jaune.</li>
			<li>Si un modèle de crâne entier est imprimé, assurez-vous que l'ouverture est orientée vers le haut. Si de petits modèles isolés sont imprimés, assurez-vous d'aligner des pièces délicates telles que les navires avec le plan XY, car cette orientation augmentera la force des pièces respectives.</li>
			<li>Vérifiez l'orientation correcte des modèles en cliquant et en les déplaçant dans la fenêtre sur le côté droit.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Pour préparer le processus de construction, cliquez sur l'icône De configuration dans le menu supérieur. Assurez-vous que le type de matériau correct est sélectionné et que l'épaisseur de la couche est réglé à 0,1 mm. La compensation Bleed doit être vérifiée et l'option Imprimer en Monochrome non contrôlée.</li>
		<li>Pour démarrer le processus d'impression, cliquez sur l'icône Construire dans le menu supérieur. Dans la fenêtre suivante, choisissez Entire Build et cliquez sur le bouton OK. Assurez-vous que dans le dialogue suivant Sur l'état de l'imprimante, tous les éléments répertoriés sont réglés correctement et que l'imprimante est en ligne. Ensuite, cliquez sur le bouton Imprimer dans la partie inférieure de la boîte de dialogue.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Post-traitement du modèle REMARQUE : Portez toujours un manteau de laboratoire, des gants, une protection oculaire et un masque tout en manipulant la poudre lâche et la solution de durcissement. Travaillez toujours dans un endroit bien aéré.<ol>
<li>Déballage<ol>
<li>Une fois l'impression terminée, déballer le modèle en enlevant soigneusement la poudre lâche avec l'aspirateur intégré. Il est important de ne pas entrer directement en contact avec le modèle avec le tube d'aspiration pour empêcher les structures minces de se briser.</li>
			<li>Retirez le modèle et nettoyez-le en appliquant de l'air sous pression et en le nettoyant à l'aide d'une brosse souple. Plus épais, plus stable, les parties du modèle peuvent en outre être broyées avec une brosse plus dure. Cette étape facultative permet une finition de surface plus lisse. Gardez à l'esprit que dans cet état, le modèle est encore très fragile.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Infiltration<ol>
<li>Placez le modèle dans une baignoire en plastique.</li>
			<li>Infiltrez-le soigneusement avec la solution de durcissement jusqu'à ce qu'aucune zones blanchâtres ne soient visibles.</li>
			<li>La solution excédentaire doit être enlevée avec de l'air sous pression et des serviettes en papier jetables pour maintenir tous les détails de surface.</li>
			<li>Laisser le modèle guérir pendant plusieurs heures jusqu'à ce qu'il soit complètement sec.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Frank, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+endoscopic+transnasal+transsphenoidal+approach+for+the+treatment+of+cranial+base+chordomas+and+chondrosarcomas.">The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas.</a> Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).</li><li>Wu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+evaluation+of+different+far+lateral+approaches+to+the+cranio-vertebral+junction+using+the+microscope+and+the+endoscope:+a+cadaveric+study+using+a+tumor+model.">Quantitative evaluation of different far lateral approaches to the cranio-vertebral junction using the microscope and the endoscope: a cadaveric study using a tumor model.</a> Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).</li><li>Huang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+small+3D-printing+model+of+macroadenomas+for+endoscopic+endonasal+surgery.">A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery.</a> Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).</li><li>Stone, J. 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Cette étude a été soutenue par une subvention de la faculté de médecine de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence à M.K. ("Biomatics - Stufe 1 F'rderung").

La thérapie du chondrosarcome intracrânien est principalement basée sur le déplacement chirurgical complet. Souvent située sur le sommet pétrous, cette tumeur est proche de structures importantes telles que l'artère carotide interne, le nerf optique, et la glande pituitaire. Par conséquent, la planification des trajectoires chirurgicales est une étape cruciale avant la chirurgie. L'impression 3D multicolore permet la fusion de ces structures, chacune dérivée de différentes modalités d'imagerie, en un seul objet.
Pendant la préparation de l'impression 3D, il est important de sélectionner soigneusement des données d'imagerie adéquates. Les images haute résolution avec une petite épaisseur de tranche sont bien adaptées pour la reconstruction 3D et les transitions lisses, tandis que les épaisseurs élevées de tranche produiront des objets grossiers et inégaux. Une autre étape critique de la méthode est d'éviter les intersections de deux objets voisins tels que la tumeur et l'os du crâne. Par conséquent, les opérations Boolean doivent être effectuées pour soustraire un objet de l'autre.
Pour permettre la coloration volumétrique, il est nécessaire de créer des sous-surfaces en forme de coquille d'oignon à l'intérieur d'un objet (Figure 2A,B). Il est nécessaire d'avoir une distance minimale entre deux surfaces adjacentes d'au moins 0,1 mm pour obtenir des objets de couleur en douceur (Figure 2D). Si la distance choisie est supérieure à cette valeur, les coquillages individuels à l'intérieur de l'objet peuvent devenir visibles (Figure 2C). L'attention devrait être accordée à une consommation accrue de couleur de l'imprimante 3D lors de l'utilisation de colorant sulitreux. En outre, il est également important de vérifier le modèle pour les pièces lâches et ajouter des supports si nécessaire (par exemple, l'artère basilaire).
La méthode ne peut produire que des matériaux rigides ressemblant à du plâtre qui ne sont pas très durables. Surtout sans la procédure de durcissement, le modèle peut être facilement détruit au cours de la procédure de déballage. Ainsi, les éléments fragiles tels que les vaisseaux sanguins ont souvent tendance à se briser.
La technique n'est pas non plus adaptée à la simulation des tissus mous. Pour simuler le tissu cérébral, par exemple, il pourrait être nécessaire de l'imprimer avec une méthode qui est capable de produire des matériaux mous et durs directement12,13 ou d'imprimer des moules qui peuvent être utilisés pour lancer des objets mous, tels que le caoutchouc de silicone14. Dans un cas d'essai, cette dernière méthode a été employée pour simuler une tumeur molle. La limitation de cette dernière procédure était que bien que la tumeur de silicone ait été très flexible, il était nécessaire d'avoir assez d'espace pour l'insérer dans le modèle imprimé 3D. En outre, il n'a pas été possible de créer des structures internes, comme un vaisseau sanguin.
Le jetting 3D de liant est une technique de fabrication additive qui assidu les objets par le durcissement partiel et la coloration des couches minces de poudre de plâtre. Ainsi, il permet d'imprimer une gamme presque illimitée de couleurs, de transitions de couleurs et de structures colorées à l'intérieur du volume d'objets en un seul processus.
Par rapport à d'autres techniques d'impression telles que les imprimantes filament, qui produisent les coûts les plus bas, mais ne permettent que deux ou trois couleurs à la fois, et les imprimantes Poly Jet qui produisent des objets multicolores, multi-matériaux, mais sont très coûteux, cette technique offre un compromis à un prix abordable. Le coût matériel moyen d'un crâne imprimé était d'environ 150 euros.
Avec cette méthode, il est possible de visualiser des données encore plus abstraites telles que les fibres filamentées dérivées de séquences de suivi des fibres IRM ou l'imagerie fonctionnelle représentant, par exemple, la zone de la parole du cerveau (par exemple, la zone broca%s).
Outre la simulation chirurgicale, des modèles imprimés en 3D et entièrement colorés d'anatomie réelle du patient peuvent aider à améliorer l'éducation des étudiants en médecine ou des jeunes médecins afin qu'ils puissent mieux comprendre les relations anatomiques complexes. C'est aussi un outil important dans l'éducation des patients.

Le traitement chirurgical des tumeurs de base de crâne est une tâche provocante exigeant la planification préopératoire précise1. La formation image multimodale utilisant la tomographie calculée (CT) et la formation image de résonance magnétique (MRI) fournit au chirurgien l'information au sujet de l'anatomie individuelle du patient. Dans la pratique clinique, cette information diagnostique est visualisée en affichant une série de sections transversales bidimensionnelles (2D) représentant différents aspects de l'anatomie (par exemple, CT pour la visualisation de l'os, angiographie de CT pour des navires, MRI pour le tissu mou).
Cependant, en particulier pour les débutants, les étudiants en médecine et les patients, il est difficile de comprendre les relations complexes des différentes structures 3D avec les images transversales. A côté des études cadavériques2, ce problème pourrait être résolu en établissant des modèles anatomiques de taille réelle des pathologies individuelles, affichant des structures anatomiques dans différentes couleurs3.
Grâce aux progrès techniques réalisés ces dernières années, les technologies d'impression 3D permettent une construction rentable de formes complexes4,5. Par conséquent, cette technique offre la possibilité de construire des modèles anatomiques spécifiques au patient qui sont tangibles, dépeignent clairement les relations spatiales, et peuvent être utilisés pour la planification chirurgicale et la simulation. Particulièrement dans les cas rares et complexes tels que les chondrosarcomes d'apex de petrous, la simulation préopératoire de l'ablation de tumeur dans un cas individuel pourrait aider à améliorer la confiance en soi du chirurgien et les résultats patients.
Les techniques communes d'impression FDM (modélisation des dépôts de filament) ne permettent de créer des objets avec une surface fermée en une ou une variété limitée de couleurs6. Pour fournir un modèle pour la simulation chirurgicale qui contient diverses structures anatomiques complexes formées principalement nichées à l'intérieur de l'autre, des impressions 3D entièrement volumétriques sont nécessaires. Cela permet d'enlever successivement les couches tissulaires jusqu'à ce qu'une structure interne soit révélée.
Le jetting 3D de liant de couleur de plâtre-basé est une technique capable de produire les modèles multicoloresexigés 7. Alors que dans ses configurations standard, seule la surface d'un objet peut être colorée, une technique modifiée est décrite dans le cas pour assurer l'application volumétrique de la couleur aux structures anatomiques internes.
Pour démontrer cette technique, des cas des patients présentant des chondrosarcomas de base de crâne ont été choisis comme exemple. Les chondrosarcomes représentent 20% de toute la néoplasie dans le système squelettique, principalement situé dans les os longs. Les chondrosarcomes primaires de base de crâne sont une condition rare responsable de 0.1-0.2% de toutes les tumeurs intracrâniennes8. Principalement situées au sommet pétrous, ces tumeurs se développent dans un environnement anatomique complexe impliquant des structures pivots telles que l'artère carotide interne, l'optique et d'autres nerfs crâniens, ainsi que la glande pituitaire. Le traitement de ces néoplasmes est principalement axé sur une résection chirurgicale totale, parce que les thérapies adjuvantes seules (par exemple, rayonnement) ne sont pas assez efficaces9.
En raison de la complexité et de la rareté de cette entité de tumeur, la simulation chirurgicale préopératoire dans un modèle imprimé 3D de crâne pourrait aider à mieux visualiser et comprendre l'anatomie et pour aider le chirurgien à réaliser la résection complète. Comme le montrent d'autres10,11 l'impression 3D de modèles spécifiques aux patients améliore à la fois les résidents et les neurochirurgiens expérimentés de la compréhension de la neuroanatomie complexe.
Cependant, la création de tels modèles individualisés à partir de données d'imagerie médicale nécessite des compétences dans la segmentation de l'image, la modélisation 3D et l'impression 3D, en particulier lorsque les structures anatomiques doivent être imprimées dans différentes couleurs. Ce manuscrit vise à rendre la fabrication des modèles anatomiques décrits plus accessible pour d'autres en fournissant un protocole détaillé pour convertir les données d'imagerie médicale en modèles 3D virtuels et pour la fabrication d'objets 3D multicolores.
Le flux de travail se compose principalement de quatre parties : 1) la segmentation des données d'imagerie médicale et la création d'un modèle 3D virtuel ; 2) préparation du modèle 3D virtuel pour l'impression 3D multicolore ; 3) préparation pour la coloration volumétrique des parties sélectionnées ; et 4) impression 3D et post-traitement.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D printer</td>
			<td>3D Systems (formerly Zcorp)</td>
			<td>x</td>
			<td>Zprinter Z450</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D printing software</td>
			<td>3D Systems (formerly Zcorp)</td>
			<td>x</td>
			<td>3DPrint Software (Version 1.03)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Binder solution for cartridge</td>
			<td>4D Concepts GmbH, Gro&#223;-Gerau, Germany</td>
			<td>42-0100-7001</td>
			<td>VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Liter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infiltration solution</td>
			<td>4D Concepts GmbH, Gro&#223;-Gerau, Germany</td>
			<td>42-0250-1090</td>
			<td>Color-Bond 90, 1 bottle, 454 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modeling Software for 3D print preparation</td>
			<td>Autodesk, San Rafael, CA, USA</td>
			<td>x</td>
			<td>Netfabb Premium (Version 2019.0)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Print head for binder</td>
			<td>4D Concepts GmbH, Gro&#223;-Gerau, Germany</td>
			<td>42-0150-2010</td>
			<td>HP 11 print head (C4810A)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Print head for color</td>
			<td>4D Concepts GmbH, Gro&#223;-Gerau, Germany</td>
			<td>42-0150-2011</td>
			<td>HP 57 printhead C 6657 AE Tricolor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printing powder</td>
			<td>4D Concepts GmbH, Gro&#223;-Gerau, Germany</td>
			<td>42-0050-2061</td>
			<td>VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg - ca. 11,47 L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Segmentation software</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td>
			<td>x</td>
			<td>Amira 5.4.5</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

multicolor 3d printing of complex intracranial tumors in neurosurgery

Les technologies d'impression tridimensionnelles (3D) offrent la possibilité de visualiser des pathologies spécifiques au patient dans un modèle physique de dimensions correctes. Le modèle peut être utilisé pour la planification et la simulation des étapes critiques d'une approche chirurgicale. Par conséquent, il est important que les structures anatomiques telles que les vaisseaux sanguins à l'intérieur d'une tumeur peuvent être imprimés pour être colorés non seulement sur leur surface, mais tout au long de leur volume entier. Pendant la simulation, cela permet d'enlever certaines pièces (par exemple, avec une perceuse à grande vitesse) et de révéler des structures situées à l'intérieur d'une couleur différente. Ainsi, l'information diagnostique provenant de diverses modalités d'imagerie (p. ex., CT, IRM) peut être combinée en un seul objet compact et tangible.
Cependant, la préparation et l'impression d'un tel modèle anatomique entièrement coloré reste une tâche difficile. Par conséquent, un guide étape par étape est fourni, démontrant la fusion de différents ensembles de données d'imagerie transversale, la segmentation des structures anatomiques et la création d'un modèle virtuel. Dans une deuxième étape, le modèle virtuel est imprimé avec des structures anatomiques de couleur volumétrique à l'aide d'une couleur à base de plâtre 3D liant technique de jetting. Cette méthode permet une reproduction très précise de l'anatomie spécifique au patient, comme le montre une série de chondrosarcomes pétrous apex imprimés en 3D. En outre, les modèles créés peuvent être coupés et forés, révélant des structures internes qui permettent la simulation des procédures chirurgicales.

Huit patients présentant le chondrosarcoma du sommet de petrous ont été choisis pour l'étude et des modèles 3D virtuels ont été créés, chacun contenant l'os, la tumeur, les vaisseaux, la glande pituitaire, et le croisement optique de nerf. Trois modèles ont subi l'impression 3D multicolore utilisant la technique de jetting 3D de liant de couleur de plâtre -basée (figure 1A1,A2). En outre, une seule tumeur avec une artère interne a été créée (Figure 1B1) pour montrer les avantages de la coloration volumétrique par rapport à la coloration de surface (Figure 1B2,B3).
Ces modèles ont été utilisés pour démontrer la simulation d'une approche chirurgicale (p. ex., création de trou de bavure) et d'une résection tumorale. Cette technique d'impression a permis de combiner des structures anatomiques dérivées de différentes modalités d'imagerie en un seul objet.
Le matériau de plâtre avait des propriétés osseuses et pouvait être facilement foré sans fondre. Ainsi, il était possible de l'utiliser pour simuler une voie d'accès chirurgicale. Après la procédure de durcissement, il était assez stable pour reproduire même des structures fragiles telles que l'arbre de vaisseau intracérébral.
La capacité de colorer l'ensemble du volume du modèle a permis à la structure interne d'un objet, telle que l'artère carotide interne voyageant à travers la tumeur, d'être clairement visualisée. En enlevant des couches de tumeur avec la perceuse, l'artère rouge a été graduellement indiquée pendant la simulation chirurgicale.
Pour prouver la précision de la technique, les modèles 3D ont été numérisés dans une tomographe informatique. Les modèles créés pour l'impression ont été superposés à ces scans. Une cartographie de déviation a été créée, et la précision a été déterminée en 50 points de surface choisis au hasard. Un écart moyen de 0,021 mm démontre la haute conformité de l'impression 3D par rapport aux données d'origine.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig01.jpg"> Figure 1 : Impressions 3D de couleur volumétrique ou surface. A1. Impression 3D de couleur complète exemplaire d'un patient présentant le chondrosarcoma au apex droit de petrous. A2. Vue détaillée des structures anatomiques (flèche et bifurcation interne de l'artère carotide; O et le chiasme du nerf optique; T et tumeur). Le B1. Vaisseau sanguin traversant le volume de tumeur et le niveau transversal (ligne pointillée). Le B2. La technique d'impression multicolore conventionnelle ne révèle la couleur qu'à la surface. Le B3. La technique modifiée produit des objets de couleur volumétrique adaptés à la simulation chirurgicale avancée. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig02.jpg"> Figure 2 : Flux de travail pour la coloration volumétrique des impressions 3D. A. Modèle 3D virtuel d'une tumeur avec un vaisseau sanguin traversant son volume sans coquilles intérieures. B. Une tumeur et un vaisseau sanguin avec plusieurs coquilles intérieures (distance de 0,05 mm). C. Exemple d'une distance de coque élevée (1 mm). Les couches simples de coquilles colorées et blanches sont encore visibles. D. Exemple de petite distance de la coquille (0,1 mm). Le volume intérieur de l'objet est complètement coloré. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

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Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

Le protocole décrit la fabrication d'impressions tridimensionnelles entièrement colorées de modèles de crâne anatomiques spécifiques au patient qui seront utilisés pour la simulation chirurgicale. Les étapes cruciales de la combinaison de différentes modalités d'imagerie, la segmentation de l'image, l'extraction du modèle tridimensionnel et la production des impressions sont expliquées.

Impression 3D multicolore des tumeurs intracrâniennes complexes en neurochirurgie

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

L’objectif de cette procédure est de démontrer les étapes de création de modèles anatomiques imprimés en 3D, entièrement colorés et spécifiques au patient à l’aide de données provenant de différentes modalités d’imagerie. En utilisant l’exemple des chondrosarcomes du petrous apex, tout le processus de fusion et de segmentation de l’image, la génération d’un modèle 3D virtuel et la fabrication de l’impression 3D sont démontrés. En outre, la coloration volumétrique des impressions 3D adaptées à la simulation chirurgicale est décrite.Une variété de modalités d’imagerie, telles que la tomographie calculée et l’imagerie par résonance magnétique, montrent différents aspects du site chirurgical, tels que l’os, les tissus mous, la tumeur et les vaisseaux. Les technologies d’impression 3D offrent la possibilité unique de combiner ces différents aspects dans un objet unique, compact et tangible dans des dimensions de taille réelle qui peuvent être étudiées et utilisées pour simuler l’approche chirurgicale. En particulier pour la simulation chirurgicale, il est important de produire des impressions 3D non seulement colorées à la surface pour fournir une coloration volumétrique en profondeur pour visualiser clairement les structures imbriquées les unes dans les autres, comme un vaisseau sanguin traversant une tumeur.Cette vidéo offre un guide étape par étape pour la fabrication d’un modèle anatomique entièrement coloré basé sur l’exemple d’un chondrosarcome du petrous apex. Les étapes cruciales de cette procédure sont la fusion et la segmentation des données d’imagerie médicale, suivies de la création d’un modèle de surface 3D virtuel. Dans un troisième temps, le modèle virtuel est préparé pour l’impression 3D multicolore, y compris un flux de travail modifié pour permettre la coloration volumétrique de pièces spécifiques.Enfin, l’impression et le post-traitement sont décrits. Il est important d’utiliser des données d’imagerie à haute résolution spatiale, par exemple, une épaisseur de tranche d’un millimètre ou moins. CT a été employé pour la segmentation des os.Des images de MRI T1 contrastées ont été employées pour segmentation des structures tumorales et neurales et des images de TOF pour des navires. Téléchargez les fichiers DICOM sur votre ordinateur et ouvrez Amira Software. Importez les fichiers des différentes modalités d’imagerie et sélectionnez le dossier des données d’imagerie.Cliquez sur les images CT et connectez-les avec le module de rendu de volume. Choisissez Specular pour un rendu plus réaliste, et ajustez le curseur de transfert de couleur pour visualiser l’os seulement. Continuez en important les séquences IRM et connectez-les également à un module de rendu de volume.Comme les images IRM et CT ne se chevauchent pas, il est nécessaire de fusionner les différentes données d’imagerie. Par conséquent, cliquez à droite sur l’ensemble de données IRM, et choisissez Compute, Affine Registration. Choisissez Référence, puis dirigez le curseur vers le CT. Dans les propriétés du module d’enregistrement, laissez tous les paramètres par défaut et cliquez sur Align Centers, puis cliquez sur Inscrivez-vous.Les deux ensembles de données d’imagerie différents sont maintenant fusionnés. Répétez cette étape pour tous les autres ensembles de données d’imagerie. Vérifiez la précision correspondante en cachant les rendus de volume et en ajoutant un module OrthoSlice aux images MR.Choisissez Colorwash. Ensuite, cliquez ensuite sur les données, et connectez ce port avec le CT en faisant glisser la souris sur elle. Ajustez le curseur de couleur pour visualiser les structures neurales superposées aux structures osseuses du crâne.Vérifiez tout désalignement en basculant le curseur de facteur de poids et en regardant sur la frontière entre le crâne et la surface du cerveau, ainsi que les ventricules. Répétez cette procédure sur différentes tranches et dans des directions coronale et sagittale. Désactivez la visibilité du module OrthoSlice et réactivez le rendu de volume de la CT. Allez aux données CT, et recherchez la valeur la plus basse dans cet ensemble de données, dans ce cas, moins 2 048.Ensuite, ajoutez un module d’édition de volume, connectez le module Volren avec les données de sortie et réglez la valeur rembourrage à moins 2 048. Cliquez sur Couper à l’intérieur et marquez la région à supprimer dans le viewport 3D. Notez qu’il est important d’éviter de se chevaucher avec des pièces qui ne sont pas destinées à être enlevées.Dans cet exemple, des parties de l’os mandibule et des vertèbres cervicales supérieures ont été enlevées. Ensuite, l’os restant sera segmenté et converti en maille de surface. Par conséquent, cliquez sur l’éditeur de segmentation, et choisissez la séquence d’image CT modifiée et ajoutez un nouvel ensemble d’étiquettes.Choisissez maintenant Threshold comme option de segmentation. Réglez le curseur inférieur à une valeur d’environ 250 en cas de CT. Assurez-vous que les structures osseuses minces telles que l’os temporal ou la région orbitale supérieure doivent être sélectionnées dans l’aperçu. Sinon, ajustez le seuil inférieur, mais évitez de sélectionner les tissus mous.Ensuite, cliquez sur Sélectionnez. Et enfin, ajoutez la sélection à l’ensemble d’étiquettes. Retour à la vue piscine.Un nouvel ensemble d’étiquettes a été créé pour le CT. Cliquez à droite et choisissez Compute, Surface Gen, vérifiez l’option Compactify et cliquez sur Appliquer. Enfin, ajoutez un module Surface View et ajustez la couleur du maillage généré. Ajoutez d’autres structures pertinentes en répétant les étapes précédentes.Dans le cas de la tumeur, la segmentation manuelle a été employée plutôt que l’opération de seuil. Ainsi, la tumeur, le nerf optique, et les vaisseaux intracrâniens ont été segmentés et ajoutés au modèle. Enfin, exportez les mailles générées en cliquant à droite sur le maillage et en cliquant sur Enregistrer.Choisissez STL comme format de fichier. Ouvrez Netfabb et importez les mailles générées dans les étapes précédentes sous forme de nouvelles pièces. Vérifiez la réparation automatique et cliquez sur Importation.Sélectionnez le crâne et divisez ses coquilles en parties. Cela sépare tous les objets lâches non connectés à l’os du crâne. Sélectionnez l’os du crâne, et basculez sa visibilité.Sélectionnez maintenant toutes les autres pièces et supprimez-les. Répétez cette étape pour tous les autres objets. Notez que dans certaines régions, comme la tumeur à l’intérieur du petrous apex du crâne, les géométries des deux objets se croisent.Pour éviter les erreurs d’impression, il est nécessaire de supprimer ces intersections. Par conséquent, sélectionnez les deux objets qui se croisent et cliquez sur Boolean Operations. Déplacez l’objet à soustraire de l’autre vers le côté rouge de la liste, et cliquez sur Appliquer.Maintenant, les deux objets sont clairement séparés, ce qui doit être vérifié en gglant leur visibilité. En répétant ces étapes, la tumeur aussi bien que l’artère à l’intérieur de la tumeur sont clairement séparées les unes des autres. Dans le cas de l’artère basilaire, des supports supplémentaires sont nécessaires pour empêcher l’objet d’être une pièce lâche après impression.Ajoutez un nouvel objet, dans ce cas, un cylindre, et ajustez ses dimensions et subdivisions au besoin. Placez le cylindre pour croiser complètement avec le crâne et la géométrie du vaisseau. Effectuez maintenant l’opération Boolean à nouveau pour soustraire les parties dans l’os et le vaisseau sanguin.Répétez cette étape pour ajouter plus de supports si nécessaire. Pour permettre la coloration volumétrique de certaines parties, il est nécessaire de générer non seulement une coquille de surface, mais de nombreux sous-coquilles à l’intérieur de l’objet. Sélectionnez la tumeur, et de générer une nouvelle coquille à partir de lui.Réglez une épaisseur de coquille de 3 millimètres en mode offset intérieur avec une précision de 15 millimètres et appliquez. Cela génère une coquille intérieure avec une distance de 3 millimètres à la surface d’origine. Sélectionnez la coque extérieure et générez-en une nouvelle coquille.Sélectionnez l’épaisseur de la coque de 25 millimètres en mode creux avec une précision de 15 millimètres. Sélectionnez également la case à cocher Supprimer la pièce originale. Cela génère un espace de 05 millimètres entre les deux coquilles adjacentes.En répétant ces étapes, plusieurs coquilles intérieures avec des épaisseurs constantes et des décalages invariants sont créées. Il est recommandé d’utiliser une épaisseur de coquille de 35 à 25 millimètres, ainsi qu’un décalage de 1 à 05 millimètres pour obtenir une coloration volumétrique lisse. Répétez ces étapes avec tous les autres objets, tels que les vaisseaux sanguins.Dans la dernière étape, la couleur d’impression de chaque objet doit être réglée. Par conséquent, sélectionnez une pièce à colorer. Double-cliquez sur texture et maille de couleur, et choisissez une couleur.Cliquez sur l’icône Paint on Shells, puis cliquez sur le modèle affiché au centre de l’écran. Enfin, appliquez des modifications et assurez-vous de confirmer le dialogue Supprimer la vieille pièce. Répétez ces étapes avec tous les autres objets et obus, respectivement.Enfin, exportez tous les objets à imprimer, y compris les supports et les coquilles intérieures, et exportez-les sous forme de fichiers individuels. Assurez-vous de choisir le format VRML puisque le format STL n’est pas en mesure de transporter les informations sur les couleurs. Ouvrez le logiciel d’impression 3D du système 3D et importez les fichiers VRML créés à l’étape précédente.Choisissez des millimètres comme unité. Vérifiez la position de garde, et appliquez à tous les fichiers. Et réglez le type de matériau à ZP151.Placez maintenant le modèle 3D dans le volume d’impression en ajustant sa position et sa rotation. Dans le cas du modèle de crâne, assurez-vous que l’ouverture est orientée vers le haut. Passez à Setup, sélectionnez ZP151 comme type de matériau et réglez l’épaisseur de la couche à 1 millimètre.Vérifiez la compensation de saignement, et confirmez. Ensuite, cliquez sur Build et laissez tous les paramètres prédéfinis. Enfin, vérifiez l’état de l’imprimante et cliquez sur Imprimer.Une fois l’impression terminée, déballer le modèle en enlevant soigneusement la poudre lâche à l’incontr’air libre. Il est important de ne pas entrer en contact direct avec le modèle avec le tube d’aspiration pour empêcher les structures minces de se briser. Retirez le modèle et nettoyez-le en appliquant soigneusement de l’air pressurisé et nettoyez-le à l’aide d’une brosse souple.Dans cet état, le modèle est encore très fragile. Pour augmenter la stabilité et la situation de couleur, mettez le modèle à l’intérieur d’une baignoire en plastique, et infiltrez-le avec une solution de durcissement. La solution excédentaire doit être enlevée avec de l’air pressurisé pour maintenir tous les détails de surface.Laissez le modèle guérir pendant plusieurs heures jusqu’à ce qu’il soit complètement sec. Différentes impressions 3D multicolores des patients présentant le chondrosarcoma ont été créées. La technique d’impression 3D multicolore permet de fusionner différents aspects anatomiques tels que les structures osseuses et les tissus mous, chacun dérivé de différentes modalités d’imagerie, à combiner en un seul objet.Dans une configuration de simulation chirurgicale, le matériau de plâtre de l’impression multicolore a montré des propriétés osseuses et pourrait être facilement foré et coupé. Cette technique offre également la possibilité de colorier la structure interne d’un objet, comme l’artère carotide interne voyageant à travers la tumeur. En enlevant des couches de tumeur avec la perceuse, l’artère rouge est indiquée pendant la simulation chirurgicale.Pour prouver l’exactitude de la technique, des modèles 3D ont été scannés dans le tomograph calculé. Les modèles créés pour l’impression ont été superposés à ces scans. Une cartographie de déviation a été créée, et la précision a été déterminée dans 50 points de surface choisis au hasard.Un écart moyen de 21 microns démontre la haute conformité de l’impression 3D par rapport aux données d’origine. Il a été démontré comment combiner différentes modalités d’imagerie clinique en une seule impression 3D multicolore. En outre, la modification du workflow d’impression 3D standard a été présentée pour permettre la production de modèles de couleur volumétrique.En outre, la précision qui se chevauche des impressions 3D par rapport aux données d’imagerie d’origine a montré une grande précision. En conclusion, ces modèles entièrement colorés permettent la simulation chirurgicale des situations même complexes et anatomiques, telles que des tumeurs crâne-basées, qui a été présentée dans une série d’études de cas.

Research

JoVE Journal

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