Summary
يصف البروتوكول تلفيق المطبوعات ثلاثية الابعاد الملونة بالبالكامل لنماذج الجمجمة التشريحية الخاصة بالمريض لاستخدامها في المحاكاة الجراحية. يتم شرح الخطوات الحاسمة للجمع بين طرائق التصوير المختلفة ، وتجزئه الصور ، واستخراج النماذج ثلاثية الابعاد ، وإنتاج المطبوعات.
Abstract
توفر تقنيات الطباعة ثلاثية الابعاد (3D) امكانيه تصور الامراض الخاصة بالمريض في نموذج فيزيائي من الابعاد الصحيحة. ويمكن استخدام هذا النموذج للتخطيط ومحاكاة الخطوات الحاسمة للنهج الجراحي. ولذلك ، من المهم ان الهياكل التشريحية مثل الاوعيه الدموية داخل الورم يمكن طباعتها لتكون ملونه ليس فقط علي سطحها ، ولكن في جميع انحاء حجمها كله. اثناء المحاكاة هذا يسمح لأزاله أجزاء معينه (علي سبيل المثال ، مع الحفر عاليه السرعة) والكشف عن الهياكل الموجودة داخليا من لون مختلف. التالي ، يمكن الجمع بين المعلومات التشخيصية من مختلف طرائق التصوير (علي سبيل المثال ، CT ، MRI) في جسم واحد مدمج وملموس.
ومع ذلك ، فان اعداد وطباعه هذا النموذج التشريحي الملون بالبالكامل يظل مهمة صعبه. ولذلك ، يتم توفير دليل خطوه بخطوه ، مما يدل علي انصهار مختلف مجموعات البيانات التصويرية عبر المقطعية ، وتقسيم الهياكل التشريحية ، وإنشاء نموذج ظاهري. في الخطوة الثانية يتم طباعه النموذج الظاهري مع الهياكل التشريحية الملونة بشكل متناظر باستخدام الجص القائم علي تقنيه 3D الموثق النفث. تسمح هذه الطريقة بالاستنساخ الدقيق للغاية لتشريح المريض الخاص كما هو موضح في سلسله من المواد المطبوعة الثلاثية الابعاد. وعلاوة علي ذلك ، يمكن قطع النماذج التي تم إنشاؤها وحفر ، والكشف عن الهياكل الداخلية التي تسمح لمحاكاة العمليات الجراحية.
Introduction
العلاج الجراحي لأورام قاعده الجمجمة مهمة صعبه تتطلب تخطيطا دقيقا قبل الجراحة1. التصوير متعدد الوسائط باستخدام التصوير المقطعي المحوسب (CT) والرنين المغناطيسي (MRI) يزود الجراح بمعلومات عن التشريح الفردي للمريض. في الممارسة السريرية ، يتم تصور هذه المعلومات التشخيصية عن طريق عرض سلسله من ثنائي الابعاد (2D) المقاطع العرضية التي تمثل جوانب مختلفه من التشريح (علي سبيل المثال ، CT لتصور العظام ، تصوير الاوعيه المقطعية للسفن ، التصوير بالرنين المغناطيسي للانسجه الرخوة).
ومع ذلك ، وخاصه بالنسبة للمبتدئين ، وطلاب الطب ، والمرضي ، فهم العلاقات المعقدة للهياكل 3D مختلفه إلى الصور المقطعية صعبه. بجانب الدراسات تاكل2، يمكن معالجه هذه المشكلة عن طريق إنشاء نماذج تشريحيه حقيقية الحجم من الامراض الفردية ، وعرض الهياكل التشريحية في ألوان مختلفه3.
وبفضل التطورات التقنية في السنوات الاخيره ، تسمح تقنيات الطباعة ثلاثية الابعاد ببناء فعال من حيث التكلفة للاشكال المعقدة4و5. ولذلك ، فان هذه التقنية توفر امكانيه لبناء نماذج تشريحيه خاصه بالمريض والتي هي ملموسه ، تصور بوضوح العلاقات المكانية ، ويمكن استخدامها للتخطيط الجراحي والمحاكاة. وخاصه في الحالات النادرة والمعقدة مثل الذبابة الغضروفية العليا ، قد تساعد المحاكاة قبل الجراحة لأزاله الورم في حاله فرديه علي تحسين ثقة الجراح بنفسه ونتيجة المريض.
الشائعة FDM الطباعة (النمذجة ترسب الخيوط) التقنيات تسمح فقط لخلق الكائنات مع سطح مغلق في واحده أو مجموعه محدوده من ألوان6. لتوفير نموذج للمحاكاة الجراحية التي تحتوي علي مختلف الهياكل التشريحية علي شكل معقده بشكل رئيسي متداخلة داخل بعضها البعض ، وهناك حاجه إلى مطبوعات ثلاثية الابعاد الملونة بشكل متماثل تماما. وهذا يسمح لأزاله متعاقبة من طبقات الانسجه حتى يتم الكشف عن هيكل داخلي.
الجص القائم علي اللون 3d الموثق نفث هو تقنيه قادره علي إنتاج النماذج متعددة ألوان المطلوبة7. بينما في تكويناته القياسية فقط سطح كائن يمكن ان تكون ملونه ، هنا يتم وصف تقنيه معدله لضمان تطبيق الحجمي من اللون إلى الهياكل التشريحية الداخلية.
لإثبات هذه التقنية ، تم اختيار حالات المرضي الذين يعانون من قاعده الجمجمة الغضروفية كمثال. وتمثل نسبه 20 في المائة من جميع الأورام الغضروفية في النظام الهيكلي ، ومعظمها موجود في العظام الطويلة. قاعده الجمجمة الاساسيه الغضروفية هي حاله نادره مسؤوله عن 0.1-0.2 ٪ من جميع الأورام داخل الجمجمة8. تقع هذه الأورام أساسا في قمة البترووس ، وتنمو في بيئة تشريحيه معقده تنطوي علي هياكل محوريه مثل الشريان السباتي الداخلي ، والعصب البصري وغيرها من الأعصاب القحفيه ، فضلا عن الغدة النخامية. ويتركز علاج هذه الأورام أساسا علي استئصال الجراحية الكلي ، لان العلاجات المساعد وحدها (علي سبيل المثال ، الإشعاع) ليست فعاله بما فيه الكفاية9.
نظرا لتعقيد وندره هذا الكيان الورم ، المحاكاة الجراحية قبل الجراحة في نموذج الجمجمة المطبوعة 3D قد تساعد علي تحسين تصور وفهم التشريح ومساعده الجراح تحقيق استئصال كامل. كما هو مبين من قبل الآخرين10،11 الطباعة ثلاثية الابعاد من النماذج الخاصة بالمريض يحسن كل من المقيمين وذوي الخبرة من الأطباء الأعصاب فهم التشريح العصبي المعقدة.
ومع ذلك ، فان إنشاء مثل هذه النماذج الفردية من بيانات التصوير الطبي يتطلب مهارات في تجزئه الصور ، والنمذجة ثلاثية الابعاد ، والطباعة ثلاثية الابعاد ، وخاصه عندما تكون الهياكل التشريحية مطبوعه بألوان مختلفه. تهدف هذه المخطوطة إلى جعل تصنيع النماذج التشريحية الموصوفة أكثر سهوله للآخرين من خلال توفير بروتوكول مفصل لتحويل بيانات التصوير الطبي إلى نماذج افتراضيه ثلاثية الابعاد ولتصنيع كائنات ثلاثية الابعاد متعددة ألوان.
ويتكون سير العمل أساسا من أربعه أجزاء: 1) تقسيم بيانات التصوير الطبي وإنشاء نموذج 3D الظاهري; 2) اعداد نموذج 3D الظاهري للطباعة متعددة ألوان 3D ؛ 3) التحضير لتلوين الحجمي من أجزاء مختاره ؛ و 4) 3D الطباعة ومعالجه ما بعد.
Protocol
تمت الموافقة علي البروتوكول من قبل لجنه الأخلاق المحلية المسؤولة (Ethikkommission der Landesärztekammer راينلاند-بفالز ، ديودويهاوسبلاتز 3 ، 55116 ماينز ، ألمانيا). وقد اتبعت جميع المبادئ التوجيهية المؤسسية لرعاية واستخدام بيانات المرضي.
1-تجزئه بيانات التصوير الطبي وإنشاء نموذج افتراضي ثلاثي الابعاد
ملاحظه: البرنامج الذي استخدمناه للتجزئة كانت أميره 5.4.5. كما يمكن إنجاز عمليه التجزئة باستخدام برمجيات المصدر المفتوح (علي سبيل المثال ، تقطيع اللحم ثلاثي الابعاد ، https://www.slicer.org/)
- استخدم بيانات التصوير ذات الدقة المكانية العالية (علي سبيل المثال ، سمك الشريحة 1 مم أو اقل). هنا ، استخدمت مجموعه البيانات CT الجمجمة مع سماكه شريحة من 0.5 ملم والتصوير بالرنين المغناطيسي اضافيه مع شريحة سمك 1 ملم. استخدام البيانات المقطعية لتقسيم العظام ، والتباين المحسن T1 صور التصوير بالرنين المغناطيسي لتقسيم الأورام والهياكل العصبية ، فضلا عن وقت الرحلة (توف) صور للسفن.
- قم بتنزيل ملفات DICOM علي الكمبيوتر وافتح برنامج التجزئة. قم باستيراد ملفات أساليب التصوير المختلفة وحدد المجلد مع بيانات التصوير.
- انقر علي الصور المقطعية وقم بتوصيلها بوحدة تقديم وحده التخزين (Volren). اختيار Specular لتقديم أكثر واقعيه وضبط المنزلق نقل اللون لتصور العظام فقط. المتابعة عن طريق استيراد تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي وربطها بوحدة تقديم وحده التخزين أيضا.
- التسجيل
- لان التصوير بالرنين المغناطيسي والصور المقطعية لا تتداخل ، فمن الضروري لدمج البيانات التصويرية المختلفة. لذلك ، انقر بزر الماوس الأيمن علي مجموعه بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي واختر حساب ≫ Affine التسجيل. اختر المرجع عن طريق النقر علي المربع الأبيض من الوحدة النمطية ، ثم اسحب المؤشر إلى CT.
- في خصائص الوحدة النمطية للتسجيل ترك كافة الإعدادات علي الافتراضي وانقر علي محاذاة المراكز، متبوعا بالنقر فوق تسجيل. يتم الآن تنصهر مجموعتي بيانات التصوير المختلفة. كرر هذه الخطوة لكافة مجموعات بيانات التصوير الاضافيه.
- التحقق من دقه مطابقه:
- تحقق من دقه مطابقه عن طريق إخفاء الأداءات وحده التخزين (انقر علي المربع البرتقالي من وحده) وأضافه وحده العظام للصور MR. انقر علي المثلث الأبيض واختر Colorwash. التالي انقر علي مربع ابيض ، واختيار البيانات وربط هذا المنفذ مع البيانات CT عن طريق سحب الماوس علي ذلك.
- اضبط منزلق اللون لتصور الهياكل العصبية التي يتم فرضها علي هياكل الجمجمة العظمية. تحقق من وجود اي اختلالات من خلال تبديل منزلق عامل الوزن اثناء النظر إلى الحدود بين أسطح الجمجمة والمخ وكذلك البطينات. كرر هذا الاجراء علي شرائح مختلفه في الاتجاات الاكليليه والسهميه.
- التحرير الحجمي
- إلغاء تنشيط رؤية الوحدة النمطية لقمل العظام وأعاده تنشيط عرض وحده التخزين المقطعية. الانتقال إلى البيانات المقطعية والبحث عن ادني قيمه في ورقه المعلومات ، في هذه الحالة-2,048.
- المقبل أضافه وحده التخزين تحرير وحدات ، والاتصال وحده volren مع بيانات الإخراج ، وتعيين الحشو القيمة إلى-2,048.
- انقر علي قطع داخل ووضع علامة علي المنطقة التي سيتم ازالتها في عرض 3d.
ملاحظه: من المهم تجنب التداخل مع الأجزاء غير المقصود ازالتها. - في هذا المثال ، تمت أزاله أجزاء من عظم الفك السفلي والفقرات العلوية من عنق الرحم.
- تقسيم العظام
- بعد ذلك ، يجب ان تكون العظام المتبقية مجزاه وتحويلها إلى شبكه سطح. للقيام بذلك ، انقر علي محرر تجزئه، واختيار تسلسل الصورة المقطعية المعدلة ، وأضافه Labelset جديده من خلال النقر علي جديد.
- الآن اختر العتبة كخيار تجزئه. تعيين شريط التمرير السفلي إلى قيمه ~ 250 في حاله التصوير المقطعي المحوسب. تاكد من تحديد الهياكل العظمية الرفيعة مثل العظم الصدغي أو المنطقة المدارية العليا في المعاينة. خلاف ذلك ، ضبط عتبه اقل ولكن تجنب اختيار اي الانسجه الرخوة.
- التالي انقر علي تحديد وأخيرا أضافه التحديد إلى labelset (عن طريق النقر علي أيقونه الأحمر زائد).
- العودة إلى عرض حمام السباحة. وقد تم إنشاء labelset جديده لل CT. انقر بزر الماوس الأيمن واختر حساب > سطح الجيل، تحقق من الخيار Compactify ، وانقر فوق تطبيق.
- وأخيرا ، أضافه وحده نمطيه سورفاسيفيو وضبط لون الشبكة التي تم إنشاؤها.
- تجزئه الهياكل الأخرى
- أضافه الهياكل الأخرى ذات الصلة عن طريق تكرار الخطوات السابقة. في حاله الورم ، تم استخدام التجزئة اليدوية بدلا من عمليه الدرس.
- لاجراء التجزئة اليدوية ، انتقل إلى محرر التجزئة، واختر خيار التجزئة اليدوي (أيقونه الفرشاة) لوضع علامة علي الهياكل مثل الورم في كل شريحة. وأخيرا أضافه التحديد مره أخرى عن طريق النقر علي أيقونه زائد. التالي ، فان الورم ، والعصب البصري ، والاوعيه داخل الجمجمة ستكون مجزاه وتضاف إلى النموذج.
- تصدير شبكات
- وأخيرا تصدير الشبكات التي تم إنشاؤها في شكل STL عن طريق النقر بزر الأيمن علي شبكيه والنقر علي حفظ. اختر الثنائية STL كتنسيق الملف.
2. اعداد نموذج 3D الظاهري للطباعة متعددة ألوان
ملاحظه: البرنامج المستخدم لاعداد الطباعة في هذا البروتوكول هو Netfabb بريميوم 2019.0. اوتوديسك يوفر الاستخدام المجاني لهذا البرنامج في برنامجها التعليمي.
- استيراد البيانات واجراء الإصلاح التلقائي.
- افتح برنامج اعداد الطباعة واستورد الشبكات التي تم إنشاؤها في الخطوات السابقة كاجزاء جديده. تحقق من الإصلاح التلقائي وانقر فوق استيراد.
- حذف أجزاء صغيره فضفاضة
- حدد الجمجمة وتقسيم قذائفها إلى أجزاء من خلال النقر علي تعديل ≫ تقسيم قذائف إلى أجزاء. وهذا يفصل اي كائنات فضفاضة غير متصلة بعظم الجمجمة.
- حدد عظم الجمجمة وقم بتبديل الرؤية.
- الآن حدد جميع الأجزاء الأخرى وحذفها.
- تبديل رؤية الجمجمة مره أخرى.
- كرر هذه الخطوة لكافة الكائنات الأخرى.
- أزاله المناطق المتراكبه.
ملاحظه: في بعض المناطق ، مثل الورم داخل قمة رومانوس من الجمجمة ، هندسي كلا الكائنين تتقاطع بعضها البعض. لتجنب أخطاء الطباعة ، من الضروري أزاله مثل هذه التقاطعات.- حدد الكائنين المتقاطعة وانقر علي عمليات منطقيه.
- انقل الكائن الذي سيتم طرحه من الآخر إلى الجانب الأحمر من القائمة وانقر علي تطبيق. الآن يتم فصل الكائنين بوضوح. وينبغي التحقق من ذلك عن طريق تبديل الرؤية الخاصة بهم.
- كرر هذه الخطوات للسماح للورم وكذلك الشريان داخل الورم لتصبح مفصوله بوضوح عن بعضها البعض.
- أضافه هياكل الدعم عند الحاجة.
- في حاله الشريان بأزيار ، هناك حاجه إلى دعم إضافي لمنع الكائن من ان يكون جزءا فضفاضا بعد الطباعة.
- أضافه كائن جديد ، في هذه الحالة اسطوانه (ملف ≫ مكتبه جزء) ، وضبط ابعاده والتقسيمات الفرعية حسب الحاجة.
- وضع الاسطوانه لتتقاطع تماما مع الجمجمة وهندسه السفينة.
- الآن تنفيذ عمليه منطقيه مره أخرى لطرح أجزاء داخل العظم والاوعيه الدموية.
- كرر هذه الخطوة لأضافه المزيد من الدعم عند الحاجة (علي سبيل المثال ، العصب البصري).
3. التحضير لتلوين الحجمي من أجزاء مختاره
ملاحظه: للسماح التلوين الحجمي من أجزاء معينه فمن الضروري لتوليد ليس فقط قذيفة سطح واحد ولكن العديد من القذائف الفرعية (أسطح اضافيه) داخل الكائن.
- حدد الورم ، في هذه الحالة ، وتوليد قذيفة جديده منه (انقر بزر الماوس الأيمن > تعديل ≫ توليد شل).
- تعيين سمك قذيفة من 0.3 مم في وضع الازاحه الداخلية بدقه 0.15 مم وتطبيق. حدد خانه الاختيار الاحتفاظ بالجزء الأصلي . هذا يولد قذيفة الداخلية مع مسافة 0.3 مم إلى السطح الأصلي.
- حدد السطح الخارجي لكلا القذيفتين وقم بإنشاء قذيفة جديده منه. حدد سمك قذيفة من 0.25 مم في وضع جوفاء مع دقه 0.15 مم. حدد أيضا خانه الاختيار أزاله الجزء الأصلي . وهذا يولد مساحة 0.05 مم بين القذيفتين المتجاورتين.
- كرر الخطوات 3.1 – 3.3 بحيث يتم إنشاء عده قذائف داخلية مع سمك ثابت وإزاحات ثابته.
ملاحظه: من المستحسن استخدام سمك قذيفة من 0.35-0.25 مم ، فضلا عن أزاحه 0.1-0.05 ملم لتحقيق التلوين الحجمي السلس. - كرر الخطوات 3.1 – 3.4 مع كافة الكائنات الأخرى ، مثل الاوعيه الدموية.
4. تلوين وتصدير نموذج 3D
ملاحظه: التلوين لجميع أجزاء من النموذج ، بما في ذلك قذائف متداخلة متميزة ، يتم باستخدام برنامج Netfabb.
- حدد جزءا ليتم تلوينه في قائمه الأجزاء علي الجانب الأيسر. انقر نقرا مزدوجا فوق الملمس ورمز شبكه اللون . اختر لونا بالنقر علي شريط ألوان علي الجانب الأيمن. في القائمة العلوية اليسار انقر علي الطلاء علي أيقونه قذائف . ثم غادر انقر علي النموذج المعروض في مركز الشاشة. وأخيرا غادر انقر علي مربع تطبيق التغييرات في الزاوية اليمني السفلي. تاكد من تاكيد أزاله تحديد الجزء القديم .
- كرر هذه الخطوات مع كافة الكائنات الأخرى وقذائف ، علي التوالي.
- تصدير كافة الكائنات. حدد كافة الكائنات التي ستتم طباعتها ، بما في ذلك الدعامات والأصداف الداخلية ، وقم بتصديرها كملفات فرديه. تاكد من اختيار تنسيق VRML (WRL) ، لان تنسيق STL غير قادر علي نقل معلومات اللون.
5. الطباعة ومرحله ما بعد التجهيز للنموذج 3D
- اعداد الطابعة ثلاثية الابعاد
ملاحظه: تم استخدام البرنامج 3dprint (الإصدار 1.03) للتحكم في جهاز نفث الموثق 450 zprinter.- فتح البرنامج واستيراد الملفات VRML الملونة عن طريق النقر علي فتح واختيار جميع البيانات ذات الصلة. انقر علي زر فتح في الزاوية السفلية اليمني من النافذة. في الإطار التالي اختيار ملليمتر كوحدات. تاكد من التحقق من موقع الاحتفاظ والاتجاه بالاضافه إلى تطبيق الإعدادات إلى كافة الملفات مربعات . وأخيرا اختيار Z151 كنوع المواد. انقر علي زر التالي .
- لتحديد موضع الكائنات الثلاثية الابعاد داخل وحده تخزين البنية ، ضع علامة علي كافة الكائنات بالضغط علي مفتاح < STRG > + A .
- في الإطار العلوي الأيسر ، والذي يمثل طريقه عرض XY لوحده تخزين البنية ، انقر فوق الكائنات التي تم وضع علامة عليها واسحبها إلى المركز. في الإطار السفلي الأيسر ، الذي يمثل طريقه عرض XZ لوحده تخزين البنية ، انقر واسحب الكائنات في منتصف الجزء السفلي فوق الخط الأصفر.
- إذا تمت طباعه نموذج الجمجمة بأكمله ، تاكد من ان الفتحة تواجه صعودا. إذا تم طباعه نماذج صغيره معزولة ، تاكد من محاذاة أجزاء حساسة مثل السفن مع الطائرة XY ، لان هذا الاتجاه سوف تزيد من قوه الأجزاء المعنية.
- تحقق من الاتجاه الصحيح للنماذج عن طريق النقر ونقلها في النافذة علي الجانب الأيمن.
- للتحضير لعمليه البناء ، انقر فوق أيقونه الاعداد في القائمة العلوية. تاكد من تحديد نوع المادة الصحيح ومن تعيين سمك الطبقة إلى 0.1 مم. يجب التحقق من التعويض التسييل والطباعة في أحاديه اللون الخيار دون رادع.
- لبدء عمليه الطباعة ، انقر فوق أيقونه البناء في القائمة العلوية. في الإطار التالي اختر البناء بأكمله ثم انقر فوق OK زر. تاكد من انه في "حوار حاله الطابعة " التالية يتم تعيين كافة العناصر المسرودة بشكل صحيح ومن ان الطابعة متصلة. ثم انقر علي زر الطباعة في الجزء السفلي من مربع الحوار.
- مرحله ما بعد تجهيز النموذج
ملاحظه: دائما ارتداء معطف المختبر ، والقفازات ، وحماية العين ، وقناع اثناء التعامل مع مسحوق فضفاض وحل تصلب. العمل دائما في منطقه جيده التهوية.- تفريغ
- بعد الانتهاء من الطباعة ، فك النموذج عن طريق أزاله بعناية مسحوق فضفاض مع مكنسة كهربائيه متكاملة. من المهم عدم الاتصال مباشره النموذج مع أنبوب الشفط لمنع الهياكل رقيقه من كسر إربا.
- أزاله النموذج وتنظيفه عن طريق تطبيق الهواء المضغوط وكذلك تنظيفه مع فرشاه ناعمه. أكثر سمكا ، وأكثر استقرارا ، وأجزاء من النموذج يمكن ان تكون بالاضافه إلى ذلك الأرض مع فرشاه أصعب. تسمح هذه الخطوة الاختيارية بالانتهاء من السطح بسلاسة. نضع في اعتبارنا ان في هذه الحالة النموذج لا يزال هشا للغاية.
- تسلل
- وضع النموذج داخل حوض من البلاستيك.
- التسلل بعناية مع حل تصلب حتى لا المناطق البيضاء مرئية.
- يجب أزاله الحل الفائض مع الهواء المضغوط والمناشف الورقية المتاح للحفاظ علي جميع التفاصيل السطحية.
- السماح للنموذج علاج لعده ساعات حتى يجف تماما.
- تفريغ
Representative Results
تم اختيار ثمانيه مرضي مصابين بغيبوبة من القمه البترويه للدراسة وتم إنشاء نماذج افتراضيه ثلاثية الابعاد ، تحتوي كل منها علي عظم وورم وأوعيه وغده نخامية ومعبر العصب البصري. خضعت ثلاثه نماذج الطباعة ثلاثية الابعاد متعددة ألوان باستخدام الجص القائم علي تقنيه المستندات 3D الموثق النفث (الشكل 1A1 ، A2). بالاضافه إلى ذلك ، تم إنشاء ورم واحد مع شريان داخلي (الشكل 1B1) لإظهار فوائد التلوين الحجمي مقارنه بالتلوين السطحي (الشكل 1B2 ، B3).
وقد استخدمت هذه النماذج لإثبات محاكاة النهج الجراحي (علي سبيل المثال ، خلق ثقب لدغ) واستئصال الورم. سمحت هذه التقنية الطباعة للجمع بين الهياكل التشريحية المستمدة من طرائق التصوير المختلفة في كائن واحد.
كانت المواد الجص خصائص مثل العظام ويمكن حفر بسهوله دون ذوبان. التالي ، كان من الممكن استخدامه لمحاكاة طريق الوصول الجراحي. بعد تصلب الاجراء كان مستقرا بما فيه الكفاية لإنتاج حتى الهياكل الهشة مثل شجره الاوعيه داخل السفينة.
القدرة علي تلوين حجم كامل من النموذج يسمح بنيه الجسم الداخلية ، مثل الشريان السباتي الداخلي السفر من خلال الورم ، ليكون تصور بوضوح. عن طريق أزاله طبقات من الورم مع الحفر ، تم الكشف عن الشريان الأحمر تدريجيا اثناء المحاكاة الجراحية.
لإثبات دقه التقنية ، تم مسح النماذج ثلاثية الابعاد في جهاز كمبيوتر. النماذج التي تم إنشاؤها للطباعة تم فرضها علي هذه المسح. تم إنشاء تعيين انحراف ، وتم تحديد الدقة في 50 النقاط السطحية التي تم اختيارها عشوائيا. ويدل الانحراف المتوسط ل0.021 مم علي المطابقة العالية للطباعة ثلاثية الابعاد مقارنه بالبيانات الاصليه.
الشكل 1: الحجمي مقابل السطح الملون 3D يطبع. A1. مثالي طباعه ثلاثية الابعاد بألوان الكاملة للمريض المصاب بغيبوبة الغضروفية في القمه التي بترو الحق. A2. عرض مفصل للهياكل التشريحية (السهم = التشعب الشريان السباتي الداخلي; O = chiasm العصب البصري; T = الورم). B1. الاوعيه الدموية عبور حجم الورم ومستوي المقطعية (خط منقط). باء 2- تقنيه الطباعة متعددة ألوان التقليدية يكشف اللون فقط علي السطح. B3. تقنيه تعديل تنتج الكائنات الملونة بشكل متناظر مناسبه للمحاكاة الجراحية المتقدمة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: سير العمل للتلوين الحجمي للطباعة ثلاثية الابعاد. ا. نموذج 3d الظاهري للورم مع الاوعيه الدموية عبور حجمه دون قذائف الداخلية. B. ورم والاوعيه الدموية مع قذائف داخلية متعددة (المسافة 0.05 مم). C. مثال علي مسافة قذيفة عاليه (1 ملم). ولا تزال الطبقات الوحيدة من القذائف الملونة والبيضاء مرئية. D. مثال علي مسافة قذيفة صغيره (0.1 مم). الحجم الداخلي للكائن ملون بالبالكامل. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Discussion
يعتمد علاج الورم الغضروفي داخل الجمجمة أساسا علي الازاله الجراحية الكاملة. في كثير من الأحيان تقع علي قمة رومانوس ، وهذا الورم هو علي مقربه من الهياكل الهامه مثل الشريان السباتي الداخلي ، والعصب البصري ، والغدة النخامية. ولذلك ، فان التخطيط للمسارات الجراحية هو خطوه حاسمه قبل الجراحة. الطباعة ثلاثية الابعاد متعددة ألوان تسمح لانصهار هذه الهياكل ، كل مشتقه من طرائق التصوير المختلفة ، في كائن واحد.
اثناء التحضير للطباعة ثلاثية الابعاد من المهم اختيار بيانات التصوير المناسبة بعناية. الصور عاليه الدقة مع سمك شريحة صغيره هي مناسبه تماما لأعاده الاعمار 3D والتحولات السلس ، في حين ان شريحة سمك عاليه سوف تنتج الخشنة ، والكائنات غير المتكافئة. خطوه حاسمه أخرى من الأسلوب هو تجنب اي تقاطعات من الكائنات المجاورة اثنين مثل الورم وعظم الجمجمة. لذلك ، يجب تنفيذ عمليات منطقيه لطرح كائن واحد من الآخر.
للسماح للتلوين الحجمي فمن الضروري لخلق البصل قذيفة مثل السطوح الفرعية داخل كائن (الشكل 2A،B). فمن الضروري ان يكون الحد الأدنى من المسافة بين اثنين من السطوح المجاورة علي الأقل 0.1 مم للحصول علي الكائنات الملونة بسلاسة (الشكل 2D). وإذا كانت المسافة المختارة اعلي من هذه القيمة ، فقد تصبح القذائف الفردية الموجودة داخل الجسم مرئية (الشكل 2 ج). وينبغي إيلاء الاهتمام لزيادة استهلاك اللون من الطابعة 3D عند استخدام التلوين الحجمي. وعلاوة علي ذلك ، فمن المهم أيضا للتحقق من نموذج لأي أجزاء فضفاضة وأضافه دعم عند الضرورة (علي سبيل المثال ، الشريان باسيار).
الأسلوب يمكن ان تنتج فقط قاسيه ، الجص مثل المواد التي ليست دائمة جدا. خصوصا دون اجراء تصلب ، يمكن تدمير النموذج بسهوله اثناء اجراء تفريغ. وهكذا ، غالبا ما تميل العناصر الهشة مثل الاوعيه الدموية إلى الانفصال.
هذه التقنية هي أيضا غير مناسبه لمحاكاة الانسجه الرخوة. لمحاكاة انسجه المخ ، علي سبيل المثال ، قد يكون من الضروري اما طباعته مع الطريقة التي هي قادره علي إنتاج المواد اللينة والصلبة مباشره12،13 أو لطباعه قوالب التي يمكن استخدامها للقاء الأشياء الناعمة ، مثل سيليكون المطاط14. في حاله اختبار واحده ، استخدمت الطريقة الاخيره لمحاكاة ورم رخو. وكان الحد من هذا الاجراء الأخير انه علي الرغم من ان ورم السيليكون كان مرنا جدا ، كان من الضروري ان يكون مساحة كافيه لادراجه في النموذج المطبوع 3D. وعلاوة علي ذلك ، لم يكن من الممكن إنشاء هياكل داخلية ، مثل الاوعيه الدموية.
3d الموثق نفث هو تقنيه التصنيع المضافة التي تجمع الكائنات عن طريق تصلب جزئي وتلوين طبقات رقيقه من مسحوق الجص. وهكذا ، فانه يسمح للطباعة مجموعه غير محدوده تقريبا من ألوان ، والتحولات اللون ، والهياكل الملونة داخل حجم الكائنات في عمليه واحده.
بالمقارنة مع غيرها من تقنيات الطباعة مثل الطابعات خيوط ، والتي تنتج اقل التكاليف ولكن السماح فقط اثنين أو ثلاثه ألوان في وقت واحد ، والطابعات النفاثة بولي التي تنتج متعددة ألوان ، والكائنات ذات المواد المختلفة ولكنها مكلفه للغاية ، وتقدم هذه التقنية تسويه بأسعار معقولة. كانت التكلفة المادية المتوسطة لجمجمة مطبوعه حوالي €150.
مع هذا الأسلوب فمن الممكن لتصور المزيد من البيانات مجرده مثل خيوط ألياف المستمدة من الرنين المغناطيسي تتبع تسلسل ألياف أو التصوير الوظيفي تصور ، علي سبيل المثال ، منطقه خطاب الدماغ (مثلا ، Broca% s منطقه).
وبصرف الفضل عن المحاكاة الجراحية ، 3D المطبوعة ، نماذج ملونه بالبالكامل من تشريح المريض الحقيقي يمكن ان تساعد في تحسين تعليم طلاب الطب أو الأطباء الشباب حتى يتمكنوا من فهم أفضل العلاقات التشريحية المعقدة. وهو أيضا أداه هامه في تعليم المرضي.
Disclosures
ساندت هذا دراسة كان بمنحه من الكلية طبية من يوهانس [غوتنبرغ]-جامعه [مينز] إلى M.K. ("[بيوتيكس-ستثف] 1 [فورسدرنغ]").
Acknowledgments
وقد قدمت أجزاء من هذا العمل كملصق في الاجتماع السنوي للجمعية المانيه لجراحه الأعصاب (DGNC) 2019 في فورتسبورغ, ألمانيا وكعرض قصير في الاجتماع السنوي للجمعية المانيه للكمبيوتر والروبوت جراحه بمساعده (CURAC) 2019 في ريتلينجن ، ألمانيا.
Materials
| 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 |
References
- Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
- Wu, P., et al. 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. Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).
- Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).
- Stone, J. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video. Operative Neurosurgery. 16 (3), 80 (2018).
- Scerrati, A., et al. A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing. Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).
- Kamio, T., et al. Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" oral and maxillofacial surgery and dentistry fields. 3D Printing in Medicine. 4, 6 (2018).
- Kondo, K., et al. A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures. Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).
- Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H.
- Jones, P. S., et al. Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database. Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).
- Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. 3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses. Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).
- Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. Medicine. 97, 9516 (2018).
- Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
- Coelho, G., et al. Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery. Child's Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).
- Javan, R., Cho, A. L. An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures. Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).
