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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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。

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 <a href="https://www.slicer.org/" target="_blank">、https://www.slicer.org/)</a>を使用して行うことができます。
<ol><li>高い空間分解能(例えば、スライス厚さ1mm以下)で画像データを使用します。ここでは、スライス厚が 0.5 mm の頭蓋 CT データセットと、スライスの厚さが 1 mm の追加の MRI データを使用しました。骨のセグメンテーションにはCTデータを使用し、腫瘍および神経構造のセグメンテーションのためのコントラスト強化されたT1 MRI画像、ならびに血管の飛行時間(TOF)画像を使用する。</li>
	<li>コンピュータに DICOM ファイルをダウンロードし、セグメンテーション 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を含むフォルダを選択します。</li>
	<li>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(Volren)に接続します。よりリアルなレンダリングを行うには[スペキュラ]を選択し、カラー転送スライダを調整してボーンのみを視覚化します。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。</li>
	<li>登録<ol>
<li>MRIとCT画像は重ならないので、異なる撮像データを融合する必要がある。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。モジュールの白い正方形をクリックして[参照]を選択し、カーソルを CT にドラッグします。</li>
		<li>登録モジュールのプロパティでは、すべての設定をデフォルトのままにし、[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。それ以降の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。</li>
	</ol></li>
	<li>マッチング精度の検証:<ol>
<li>ボリューム レンダリングを非表示にし(モジュールのオレンジ色の正方形をクリック)、MR イメージにOrthoSliceモジュールを追加して、マッチング精度を確認します。白い三角形をクリックし、[カラーウォッシュ] を選択します。次に白い正方形をクリックし、[データ]を選択し、マウスをその上にドラッグしてこのポートをCTデータに接続します。</li>
		<li>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。頭蓋骨と脳の表面と心室の間の境界を見ながら、重量係数スライダーを切り替えることによって、ミスアライメントをチェックします。コロナ方向と矢状方向の異なるスライスに対してこの手順を繰り返します。</li>
	</ol></li>
	<li>ボリューム編集<ol>
<li>OrthoSliceモジュールの表示設定を無効にし、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、データセット内の最小値 (この場合は -2,048) を探します。</li>
		<li>次に、ボリューム編集モジュールを追加し、Volrenモジュールを出力データと接続し、埋め込み値を -2,048 に設定します。</li>
		<li>[内側にカット]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。 注: 取り外すことを意図していないパーツと重ならないようにすることが重要です。</li>
		<li>この例では、下顎骨および上頸椎の一部を除去した。</li>
	</ol></li>
	<li>骨のセグメンテーション<ol>
<li>次に、残りのボーンをセグメント化し、サーフェス メッシュに変換する必要があります。これを行うには、セグメンテーション エディタをクリックし、変更した CT イメージ シーケンスを選択して、[新規作成] をクリックして新しいラベルセットを追加します。</li>
		<li>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、下側のスライダを ~250 に設定します。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。</li>
		<li>次に、[選択]をクリックし、最後に(赤いプラスアイコンをクリックして)選択をラベルセットに追加します。</li>
		<li>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/サーフェスジェンを選択し、[圧縮]オプションをオンにして、[適用]をクリックします。</li>
		<li>最後に、SurfaceView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。</li>
	</ol></li>
	<li>他の構造物のセグメンテーション<ol>
<li>前の手順を繰り返して、他の関連する構造を追加します。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用いた。</li>
		<li>手動セグメンテーションを実行するには、セグメンテーションエディタに移動し、手動セグメンテーションオプション(ブラシアイコン)を選択して、すべてのスライスの腫瘍などの構造をマークします。最後に、プラスアイコンをクリックして、もう一度選択を追加します。したがって、腫瘍、視神経、および頭蓋内血管がセグメント化され、モデルに追加されます。</li>
	</ol></li>
	<li>メッシュのエクスポート<ol>
<li>最後に、メッシュを右クリックし、[保存]をクリックして、生成されたメッシュを STL 形式でエクスポートします。ファイル形式としてバイナリ STL を選択します。</li>
	</ol></li>
</ol>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。
<ol><li>データをインポートし、自動修復を実行します。</li>
	<li>印刷準備プログラムを開き、前の手順で生成したメッシュを新しいパーツ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。</li>
	<li>小さな緩い部品の削除<ol>
<li>頭蓋骨を選択し、[修正]-[シェルをパーツに分割] をクリックしてシェルをパーツに分割します。これにより、頭蓋骨に接続されていない緩いオブジェクトが分離されます。</li>
		<li>頭蓋骨のボーンを選択し、その表示/非表示を切り替えます。</li>
		<li>次に、他のすべての部品を選択して削除します。</li>
		<li>頭蓋骨の表示/非表示を再びオンに切り替えます。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>重なり合う領域を削除します。 注:頭蓋骨のペトロ頂点内の腫瘍など、一部の領域では、両方のオブジェクトのジオメトリが交差します。印刷エラーを回避するには、このような交点を削除する必要があります。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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ます。これは、可視性を切り替えることによって確認する必要があります。</li>
		<li>腫瘍と腫瘍内の動脈が互いに明確に分離できるようにするために、これらの手順を繰り返します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>必要に応じてサポート構造を追加します。<ol>
<li>バジラー動脈の場合、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。</li>
		<li>新しいオブジェクト(この場合は円柱)を追加し、必要に応じて寸法とサブディビジョンを調整します。</li>
		<li>円柱を配置して、頭蓋骨および容器ジオメトリと完全に交差させます。</li>
		<li>次に、ブール演算を再度実行して、骨と血管内の部分を減算します。</li>
		<li>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(視神経など)。</li>
	</ol>
</li>
</ol>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。
<ol><li>この場合、腫瘍を選択し、そこから新しいシェルを生成します (右クリックして修正し、[シェルを生成]をクリックします)。</li>
	<li>内部オフセット モードでシェルの厚さを 0.15 mm の精度で設定し、[適用]をクリックします。[元のパーツを保持]チェックボックスをオンにします。これにより、元のサーフェスまでの距離が 0.3 mm の内側のシェルが生成されます。</li>
	<li>両方のシェルの外側サーフェスを選択し、そこから新しいシェルを生成します。0.15 mm の精度で中空モードでシェルの厚さを 0.25 mm に選択します。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 0.05 mm のスペースが生成されます。</li>
	<li>手順 3.1 ~ 3.3 を繰り返して、一定の厚さと不変オフセットを持つ複数の内部シェルが作成されるようにします。 注: 滑らかな体積着色を実現するには、シェルの厚さ 0.35 ~ 0.25 mm とオフセット 0.1 ~ 0.05 mm を使用することをお勧めします。</li>
	<li>血管などの他のすべてのオブジェクトに対して、手順 3.1 ~ 3.4 を繰り返します。</li>
</ol>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。
<ol><li>左側のパーツ メニューで色分けするパーツを選択します。[テクスチャとカラー メッシュ]アイコンをダブルクリックします。右側のカラーバーをクリックして色を選択します。左上のメニューで、[シェルにペイント]アイコンをクリックします。その後、画面中央に表示されているモデルを左クリックします。最後に、右下隅にある[変更の適用] ボックスを左クリックします。[古いパーツを削除]の選択を必ず確認してください。</li>
	<li>他のすべてのオブジェクトとシェルについても、これらの手順を繰り返します。</li>
	<li>すべてのオブジェクトをエクスポートします。サポートや内部シェルを含む、印刷するすべてのオブジェクトを選択し、個別のファイルとして書き出します。STL 形式はカラー情報を転送できないため、VRML (WRL) 形式を選択してください。</li>
</ol>5. 3Dモデルの印刷と後処理
<ol><li>3D プリンタを設定する メモ:3DPrintソフトウェア(バージョン1.03)は、ZPrinter 450バインダージェッティングマシンを制御するために使用されました。<ol>
<li>ソフトウェアを開き、[開く]をクリックし、関連するすべてのデータを選択して、色付きのVRMLファイルをインポートします。右下のウィンドウ隅にある [開く] ボタンをクリックします。後続のウィンドウで、単位としてミリメートルを選択します。[位置と方向を保持する] ボックスと [すべてのファイルに設定を適用] ボックスをオンにします。最後に、材料タイプとしてZ151を選択します。[次へ]ボタンをクリックします。</li>
		<li>ビルド ボリューム内に 3D オブジェクトを配置するには、<STRG>+Aキーを押してすべてのオブジェクトにマークを付けます。<ol>
<li>ビルド ボリュームの XY ビューを表す左上のウィンドウで、マークされたオブジェクトをクリックして中央にドラッグします。ビルド ボリュームの XZ ビューを表す左下のウィンドウで、黄色の線の上の下部の中央にあるオブジェクトをクリックしてドラッグします。</li>
			<li>頭蓋骨モデル全体が印刷されている場合は、開口部が上向きであることを確認してください。分離された小型モデルが印刷される場合は、船舶などの繊細な部品をXY平面に合わせるようにしてください。</li>
			<li>右側のウィンドウでモデルをクリックして移動し、モデルの正しい方向を確認します。</li>
		</ol>
</li>
		<li>ビルド処理を準備するには、上部メニューの[設定] アイコンをクリックします。正しい材料タイプが選択され、[レイヤの厚さ]が 0.1 mm に設定されていることを確認します。[ブリード補正]をオンにし、[モノクロで印刷]オプションをオフにする必要があります。</li>
		<li>印刷プロセスを開始するには、上部メニューの[ビルド]アイコンをクリックします。次のウィンドウで[ビルド全体]を選択し、[OK]ボタンをクリックします。次の[プリンタの状態]ダイアログで、一覧表示されているすべての項目が正しく設定され、プリンタがオンラインになっていることを確認します。次に、ダイアログ ボックスの下部にある [印刷] ボタンをクリックします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>モデルの後処理 メモ:緩い粉末と硬化溶液を取り扱う際は、必ず実験室用コート、手袋、目の保護、マスクを着用してください。常に換気の良い場所で作業します。<ol>
<li>解凍<ol>
<li>印刷が完了したら、内蔵の掃除機で緩い粉末を慎重に取り外してモデルを解凍します。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。</li>
			<li>モデルを取り外し、加圧空気を加え、柔らかいブラシで洗浄して清掃します。モデルの厚く、より安定した、モデルの一部は、さらに硬いブラシで接地することができます。この任意ステップは滑らかな表面の終わりを可能にする。この状態では、モデルはまだ非常に脆弱であることを念頭に置いてください。</li>
		</ol>
</li>
		<li>浸潤<ol>
<li>プラスチック製の浴槽の中にモデルを入れます。</li>
			<li>白っぽい領域が見えなくなるまで硬化溶液で慎重に浸透します。</li>
			<li>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と使い捨てペーパータオルで除去する必要があります。</li>
			<li>完全に乾燥するまで、モデルを数時間硬化させます。</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. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preoperative+Planning+Using+3-Dimensional+Printing+for+Complex+Paraspinal+Schwannoma+Resection:+2-Dimensional+Operative+Video.">Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video.</a> Operative Neurosurgery. 16 (3), 80 (2018).</li><li>Scerrati, A., 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+workflow+to+generate+physical+3D+models+of+cerebral+aneurysms+applying+open+source+freeware+for+CAD+modeling+and+3D+printing.">A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing.</a> Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).</li><li>Kamio, T., 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=Utilizing+a+low-cost+desktop+3D+printer+to+develop+a+"one-stop+3D+printing+lab"+oral+and+maxillofacial+surgery+and+dentistry+fields.">Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" oral and maxillofacial surgery and dentistry fields.</a> 3D Printing in Medicine. 4, 6 (2018).</li><li>Kondo, K., 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+neurosurgical+simulation+of+skull+base+tumors+using+a+3D+printed+rapid+prototyping+model+containing+mesh+structures.">A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures.</a> Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).</li><li>Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Skull+base+chondrosarcoma.">Skull base chondrosarcoma.</a> Journal of clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 24, 1-5 (2016).</li><li>Jones, P. S., 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=Outcomes+and+patterns+of+care+in+adult+skull+base+chondrosarcomas+from+the+SEER+database.">Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database.</a> Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).</li><li>Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Brain+Imaging+in+Vascular+Segmentation+of+Cerebral+Venous+Sinuses.">3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses.</a> Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).</li><li>Dong, M., 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=Three-dimensional+brain+arteriovenous+malformation+models+for+clinical+use+and+resident+training.">Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training.</a> Medicine. 97, 9516 (2018).</li><li>Dolinski, N. D., 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=Solution+Mask+Liquid+Lithography+(SMaLL)+for+One-Step,+Multimaterial+3D+Printing.">Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing.</a> Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).</li><li>Coelho, 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=Multimaterial+3D+printing+preoperative+planning+for+frontoethmoidal+meningoencephalocele+surgery.">Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery.</a> Child's Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).</li><li>Javan, R., Cho, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Assembled+Prototype+Multimaterial+Three-Dimensional-Printed+Model+of+the+Neck+for+Computed+Tomography-+and+Ultrasound-Guided+Interventional+Procedures.">An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures.</a> Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).</li></ol>

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」)。

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。

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。

<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

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。

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。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig01.jpg"> 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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig01large.jpg" target="_blank">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。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig02.jpg"> 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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig02large.jpg" target="_blank">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。</a>

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Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

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。

脳神経外科における複雑頭蓋内腫瘍の多色3D印刷

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

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。

Research

JoVE Journal

Medicine

Intracranial Implantation with Subsequent 3D In Vivo Bioluminescent Imaging of Murine Gliomas

Intracranial Implantation with Subsequent 3D In Vivo Bioluminescent Imaging of Murine Gliomas

その後の3Dと頭蓋内注入インビボでの</emマウス神経膠腫の>生物発光イメージング

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A Novel High-resolution In vivo Imaging Technique to Study the Dynamic Response of Intracranial Structures to Tumor Growth and Therapeutics

A Novel High-resolution In vivo Imaging Technique to Study the Dynamic Response of Intracranial Structures to Tumor Growth and Therapeutics

新規高分解能<em生体内で&gt;</em腫瘍増殖と治療に頭蓋内構造物の動的応答を研究する&gt;イメージング技術

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