この手順の目的は、異なるイメージングモダリティのデータを使用して、3D プリントされた、完全に色付きの患者固有の解剖モデルを作成する手順を示すことにあります。ペトロウス頂点の軟骨肉腫の例を用いることによって、画像融合およびセグメンテーションの全過程、仮想3Dモデルの生成および3Dプリントの製作が実証される。また、手術シミュレーションに適した3Dプリントの容積色が記載されている。
コンピュータ断層撮影や磁気共鳴画像など、さまざまな画像のモダリティは、骨、軟部組織、腫瘍、血管などの外科部位のさまざまな側面を示しています。3Dプリンティング技術は、これらの異なる側面を、単一のコンパクトで有形のオブジェクトを、実際のサイズで組み合わせることができ、外科アプローチをシミュレートするために使用することができます。特に外科シミュレーションでは、表面に着色されただけでなく、深い容積着色を提供して、腫瘍を横切る血管など、互いに巣を作った構造を明確に可視化することが重要です。
このビデオは、ペトロウシの頂点の軟骨肉腫の例に基づいて、完全に着色された解剖学的モデルの製造のためのステップバイステップガイドを提供しています。この手順の重要なステップは、医療画像データの融合とセグメンテーション、続いて仮想3D表面モデルの作成です。3 番目のステップとして、仮想モデルは、特定の部品の容積カラーリングを可能にする変更されたワークフローを含む、マルチカラー 3D 印刷用に用意されています。
最後に、印刷と後処理について説明します。高い空間分解能を持つイメージングデータ(例えば、スライス厚さが1ミリメートル以下)を使用することが重要です。CTは骨のセグメンテーションに使用された。
対照的に強化されたT1 MRI画像は、血管の腫瘍および神経構造およびTOF画像のセグメンテーションに使用された。お使いのコンピュータ上のDICOMファイルをダウンロードし、Amiraソフトウェアを開きます。異なるイメージングモダリティのファイルをインポートし、イメージングデータのフォルダを選択します。
CT イメージをクリックし、ボリューム レンダリング モジュールに接続します。よりリアルなレンダリングを行うために[スペキュラ]を選択し、ボーンのみを視覚化するようにカラー転送スライダを調整します。MRI シーケンスをインポートして続行し、ボリューム レンダリング モジュールにも接続します。
MRIとCT画像が重なっていないため、異なる画像データを融合させる必要があります。したがって、MRI データセットを右クリックし、[計算]、[アフィン登録]を選択します。[参照]を選択し、カーソルを CT に移動します。登録モジュールのプロパティで、すべての設定をデフォルトのままにして、[中央揃え]をクリックし、[登録]をクリックします。
2 つの異なるイメージング データセットが融合されました。すべてのイメージング データセットに対してこの手順を繰り返します。ボリューム レンダリングを非表示にし、OrthoSlice モジュールを MR イメージに追加して、一致精度を確認します。
カラーウォッシュを選択します。次に[データ]をクリックし、マウスをCTにドラッグしてこのポートをCTに接続します。カラースライダーを調整して、骨の頭蓋骨構造に重ね合わせた神経構造を視覚化します。
重量因子スライダーを切り替え、頭蓋骨と脳表面の境界、心室を調べて、ずれをチェックします。異なるスライスとコロナ方向と矢状方向にこの手順を繰り返します。OrthoSlice モジュールの表示設定を非アクティブにし、CT のボリューム レンダリングを再アクティブ化します。CT データに移動し、このデータセットの最小値 (この場合はマイナス 2, 048) を探します。
次に、ボリューム編集モジュールを追加し、出力データを使用して Volren モジュールを接続し、Padding 値をマイナス 2, 048 に設定します。[内側をカット]をクリックし、3D ビューポートで削除する領域をマークします。削除する意図のないパーツと重ならないように注意してください。
この例では、下顎骨の部分と頸椎上部が除去された。次に、残りのボーンがセグメント化され、サーフェス メッシュに変換されます。したがって、セグメンテーション エディタをクリックし、変更された CT イメージ シーケンスを選択して、新しいラベル セットを追加します。
ここで、セグメンテーション オプションとして [しきい値] を選択します。CT の場合は、下側のスライダーを約 250 の値に設定します。プレビューで選択する側頭骨や上方軌道領域などの細い骨構造を確認します。それ以外の場合は、下限しきい値を調整しますが、軟部組織の選択は避けてください。
次に、[選択]をクリックします。最後に、選択した項目をラベル セットに追加します。プール ビューに戻ります。
CT 用に新しいラベル セットが作成されました。右クリックして[計算]、[サーフェス Gen]を選択し、[最適化]オプションをオンにして、[適用]をクリックします。最後に、サーフェス ビュー モジュールを追加し、生成されたメッシュの色を調整します。前の手順を繰り返して、関連する他の構造を追加します。
腫瘍の場合、閾値操作ではなく手動セグメンテーションを使用した。したがって、腫瘍、視神経、および頭蓋内血管をセグメント化し、モデルに追加した。最後に、メッシュを右クリックして[保存]をクリックして、生成されたメッシュをエクスポートします。
ファイル形式として STL を選択します。Netfabb を開き、前の手順で生成されたメッシュを新しい部品としてインポートします。[自動修復] をオンにし、[インポート] をクリックします。
頭蓋骨を選択し、そのシェルを部品に分割します。これは、頭蓋骨に接続されていないすべての緩いオブジェクトを分離します。頭蓋骨を選択し、その表示/非表示を切り替えます。
次に、他のすべてのパーツを選択し、削除します。他のすべてのオブジェクトに対してこの手順を繰り返します。頭蓋骨のペトロウス頂点内の腫瘍など、一部の領域では、両方のオブジェクトの幾何学が互いに交差していることに注意してください。
印刷エラーを回避するには、そのような交差を削除する必要があります。したがって、交差する 2 つのオブジェクトを選択し、ブール演算をクリックします。減算するオブジェクトをもう一方のオブジェクトからリストの赤い側に移動し、[適用] をクリックします。
これで、2 つのオブジェクトが明確に分離され、可視性を切り替えてチェックする必要があります。これらのステップを繰り返すことによって、腫瘍と腫瘍内の動脈が互いに明確に分離される。バジル動脈の場合、印刷後に物体が緩い部分にならないように、追加のサポートが必要です。
新しいオブジェクト (この場合は円柱) を追加し、必要に応じてその寸法とサブディビジョンを調整します。円柱を、頭蓋骨と容器の形状と完全に交差するように配置します。ここで、骨と血管内の部分を減算するために、ブール演算をもう一度実行します。
必要に応じてサポートを追加するには、この手順を繰り返します。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、オブジェクト内に多数のサブシェルを生成する必要があります。腫瘍を選択し、そこから新しいシェルを生成します。
15ミリメートルの精度でインナーオフセットモードで3ミリメートルのシェル厚さを設定し、適用します。これにより、元のサーフェスまでの距離が 3 ミリの内部シェルが生成されます。外部シェルを選択し、そこから新しいシェルを生成します。
15ミリメートルの精度で、ホローモードで25ミリメートルのシェル厚さを選択します。また、[元のパーツを削除]チェックボックスをオンにします。これにより、隣接する 2 つのシェル間に 05 ミリメートルのスペースが生成されます。
これらの手順を繰り返すことで、厚さと不変オフセットが一定の複数の内部シェルが作成されます。滑らかな容積色を達成するために、35〜25ミリメートルのシェル厚さだけでなく、1〜05ミリメートルのオフセットを使用することをお勧めします。血管などの他のすべてのオブジェクトでこれらの手順を繰り返します。
最後の手順では、すべてのオブジェクトの印刷色を設定する必要があります。したがって、色を付けるパーツを選択します。[テクスチャ]と[カラー メッシュ]をダブルクリックし、カラーを選択します。
[シェルにペイント]アイコンをクリックし、続いて画面中央に表示されるモデルをクリックします。最後に、変更を適用し、[古いパーツを削除]ダイアログを確認します。他のすべてのオブジェクトとシェルで、これらの手順を繰り返します。
最後に、サポートや内部シェルを含め、印刷するすべてのオブジェクトをエクスポートし、個別のファイルとしてエクスポートします。STL 形式はカラー情報を転送できないので、必ず VRML 形式を選択してください。3D システムの 3D プリント ソフトウェアを開き、前の手順で作成した VRML ファイルをインポートします。
単位としてミリメートルを選択します。[位置を保持] をオンにして、すべてのファイルに適用します。そして、材料タイプをZP151に設定します。
位置と回転を調整して、3D モデルを印刷ボリュームに配置します。頭蓋骨モデルの場合は、開口部が上向きであることを確認してください。[設定]に移動し、マテリアル タイプとして [ZP151] を選択し、レイヤの厚みを 1 ミリメートルに設定します。
ブリード補正を確認し、確認します。次に、[ビルド] をクリックし、すべての設定を定義済みのままにします。最後に、プリンタの状態を確認し、[印刷]をクリックします。
印刷が終了したら、掃除機で緩い粉末を慎重に取り除いてモデルを開梱します。薄い構造が分解するのを防ぐために、吸引管でモデルに直接接触しないことが重要です。モデルを取り外し、加圧空気を慎重に塗布し、柔らかいブラシで洗浄して清掃します。
この状態では、モデルはまだ非常に脆弱です。安定性と色の状況を高めるには、プラスチック製の浴槽の中にモデルを入れ、硬化液で浸潤させます。余剰溶液は、すべての表面の詳細を維持するために加圧空気で除去する必要があります。
完全に乾燥するまで、モデルを数時間硬化させます。軟骨肉腫患者の異なる多色3Dプリントが作成されました。多色3Dプリンティングの技術により、骨と軟部組織構造などの異なる解剖学的側面を融合させ、それぞれが異なるイメージングモダリティに由来し、単一のオブジェクトに結合することができます。
外科シミュレーションのセットアップでは、多色プリントの石膏材料は骨のような特性を示し、簡単に掘削および切断することができた。この技術はまた、腫瘍を通過する内頸動脈のような物体の内部構造を着色する可能性を提供する。ドリルで腫瘍の層を除去することにより、赤い動脈は外科シミュレーション中に明らかになる。
この技術の精度を証明するために、3Dモデルを計算された断線計でスキャンしました。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、50のランダムに選択されたサーフェスポイントで精度が決定されました。
21ミクロンの平均偏差は、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。異なる臨床イメージングモダリティを1つの多色3Dプリントに組み合わせる方法を実証した。さらに、標準的な3D印刷ワークフローの変更は、容積的に着色されたモデルの生産を可能にするために提示された。
また、3Dプリントの重なり精度は、元の撮像データと比較して高精度を示しました。結論として、これらの完全に着色されたモデルは、一連のケーススタディで提示されている頭蓋骨ベースの腫瘍のような複雑で解剖学的状況の外科的シミュレーションを可能にする。
