Summary
이 프로토콜은 외과 시뮬레이션에 사용되는 환자 별 해부학 적 두개골 모델의 완전히 착색 된 3 차원 인쇄물의 제작을 설명합니다. 다양한 이미징 양식, 이미지 세분화, 3차원 모델 추출 및 인쇄 생산을 결합하는 중요한 단계가 설명되어 있습니다.
Abstract
3차원(3D) 프린팅 기술은 올바른 차원의 물리적 모델에서 환자 별 병리학을 시각화할 수 있는 가능성을 제공합니다. 이 모델은 수술 접근법의 중요한 단계를 계획하고 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 종양 내부의 혈관과 같은 해부학 적 구조를 표면뿐만 아니라 전체 부피전체에 색칠되도록 인쇄 할 수 있어야합니다. 시뮬레이션 중에 특정 부품(예: 고속 드릴 포함)을 제거하고 내부에 다른 색상의 구조를 노출할 수 있습니다. 따라서, 다양한 이미징 양식(예를 들어, CT, MRI)으로부터의 진단 정보는 단일 컴팩트하고 유형적인 개체로 결합될 수 있다.
그러나, 준비 및 완전히 착색 해부학 모델의 인쇄는 어려운 작업 남아있다. 따라서 다양한 단면 이미징 데이터 세트의 융합, 해부학 적 구조의 세분화 및 가상 모델 생성을 보여주는 단계별 가이드가 제공됩니다. 두 번째 단계에서 가상 모델은 석고 기반 의 컬러 3D 바인더 제팅 기술을 사용하여 체적 색상의 해부학 적 구조로 인쇄됩니다. 이 방법은 일련의 3D 인쇄 된 석유 정점 연골 육종에 표시된 바와 같이 환자 별 해부학의 매우 정확한 재현을 할 수 있습니다. 또한, 생성 된 모델을 절단및 드릴 링 할 수 있으며, 수술 절차의 시뮬레이션을 허용하는 내부 구조를 드러낼 수 있습니다.
Introduction
두개골 기지 종양의 외과 적 치료는 정확한 수술 전 계획이 필요한 도전적인작업입니다 1. 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 및 자기 공명 화상 진찰 (MRI)를 사용하여 다중 모달 화상 진찰은 환자의 개별 적인 해부학에 관하여 정보를 외과 의사에게 제공합니다. 임상 사례에서, 이 진단 정보는 해부학의 다른 양상을 나타내는 일련의 2 차원 (2D) 단면을 표시하여 시각화됩니다 (예를 들어, 뼈의 시각화를위한 CT, 혈관용 CT 혈관 조영술, 연조직용 MRI).
그러나, 특히 초보자, 의대생 및 환자에게 는 서로 다른 3D 구조의 복잡한 관계를 단면 이미지에 이해하는 것은 어려운 일입니다. 시체 연구2외에,이 문제는 다른 색상의 해부학 구조를 표시, 개별 병리학의 실제 크기의 해부학 모델을 설정하여 해결 될 수있다3.
지난 몇 년 동안의 기술 발전 덕분에 3D 프린팅 기술은 복잡한모양4,5의비용 효율적인 구성을 가능하게 합니다. 따라서이 기술은 가시적이고 명확하게 공간 관계를 묘사하며 수술 계획 및 시뮬레이션에 사용할 수있는 환자 별 해부학 모델을 구성 할 수있는 가능성을 제공합니다. 특히 석유 정점 연골 육종과 같은 희귀하고 복잡한 경우, 개별 사례에서 종양 제거의 수술 전 시뮬레이션은 외과 의사와 환자의 결과에 대한 자신감을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
일반적인 FDM 프린팅(필라멘트 증착 모델링) 기술은 하나 또는 제한된 다양한 색상의 닫힌 표면을 가진 객체를 만드는 데만허용한다 6. 주로 서로 내부에 중첩된 다양한 복잡한 모양의 해부학 적 구조를 포함하는 수술 시뮬레이션 모델을 제공하려면 완전히 체적 색의 3D 인쇄가 필요합니다. 이것은 내부 구조가 드러나지 때까지 조직 층을 연속하여 제거 할 수 있습니다.
석고 계 색 3D 바인더 제팅은 필요한 다색 모델7을생산할 수 있는 기술이다. 표준 구성에서 객체의 표면만 착색될 수 있는 반면, 본 명세서에서는 내부 해부학적 구조에 색상의 체적 적용을 보장하기 위해 변형된 기법을 기술한다.
이 기술을 입증하기 위해 두개골 염기 연골 육종을 가진 환자의 사례를 예로 선택했습니다. Chondrosarcomas는 골격 계통에 있는 모든 신생물의 20%를 차지합니다, 주로 긴 뼈에 있는. 1 차적인 두개골 기지 chondrosarcomas는 모든 두개내 종양의 0.1-0.2%에 책임 있는 희소한 상태입니다8. 주로 석유 정점에 위치한 이 종양은 내부 경동맥, 광학 및 기타 두개골 신경뿐만 아니라 뇌하수체와 같은 중추적 인 구조를 포함하는 복잡한 해부학 적 환경에서 자랍니다. 이러한 신 생물의 치료는 주로 전체 외과 절제술에 초점을 맞추고, 보조 요법 단독 (예를 들어, 방사선)이 충분히 효과적이지 않기 때문에9.
이 종양 엔티티의 복잡성과 희귀성으로 인해 3D 인쇄 된 두개골 모델의 수술 전 수술 시뮬레이션은 해부학을 더 잘 시각화하고 이해하고 외과 의사가 완전한 절제술을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다른 사람에 의해 도시 된 바와 같이10,11 환자 특정 모델의11 3D 인쇄는 복잡한 신경 해부학의 주민과 경험 신경 외과 의사의 이해를 모두 향상.
그러나 의료 영상 데이터에서 이러한 개별화된 모델을 만들려면 특히 해부학 적 구조를 다른 색상으로 인쇄해야 하는 경우 이미지 세분화, 3D 모델링 및 3D 프린팅 기술이 필요합니다. 이 원고는 의료 영상 데이터를 가상 3D 모델로 변환하고 다색 3D 개체의 제작을 위한 상세한 프로토콜을 제공하여 설명된 해부학 적 모델을 다른 사람이 보다 쉽게 사용할 수 있도록 하려고 합니다.
워크플로우는 주로 4개의 부분으로 구성됩니다: 1) 의료 영상 데이터의 세분화 및 가상 3D 모델 생성; 2) 다중 컬러 3D 프린팅을위한 가상 3D 모델의 제조; 3) 선택한 부품의 체적 착색을위한 준비; 4) 3D 프린팅 및 사후 처리.
Protocol
이 프로토콜은 책임있는 지역 윤리위원회 (에티크코크 미션 데르 란데슈테캄머 린란드-팔츠, 도이치하우스 플라츠 3, 55116 마인츠, 독일)에 의해 승인되었다. 환자 데이터의 치료 및 사용에 대한 모든 제도적 지침이 준수되었습니다.
1. 의료 영상 데이터의 세분화 및 가상 3D 모델 생성
참고: 세분화에 사용한 소프트웨어는 Amira 5.4.5였습니다. 분할 프로세스는 오픈 소스 소프트웨어(예: 3D 슬라이서, https://www.slicer.org/)를사용하여 수행할 수도 있습니다.
- 높은 공간 해상도(예: 슬라이스 두께 1mm 이하)로 이미징 데이터를 사용합니다. 여기서, 슬라이스 두께가 0.5 mm인 두개골 CT 데이터 세트와 1 mm의 슬라이스 두께를 가진 추가 MRI 데이터가 사용되었다. 뼈의 세분화를 위해 CT 데이터를 사용하고, 종양 및 신경 구조의 세분화를 위한 향상된 T1 MRI 이미지와 혈관용 비행 시간(TOF) 이미지를 사용합니다.
- 컴퓨터에서 DICOM 파일을 다운로드하고 세분화 소프트웨어를 엽니다. 다른 이미징 양식의 파일을 가져오고 이미징 데이터로 폴더를 선택합니다.
- CT 이미지를 클릭하고 볼륨 렌더링 모듈 (Volren)와 연결합니다. 보다 사실적인 렌더링을 위해 스페큘러를 선택하고 색상 전송 슬라이더를 조정하여 골격만 시각화합니다. MRI 시퀀스를 가져와서 계속하고 볼륨 렌더링 모듈에도 연결합니다.
- 등록
- MRI와 CT 이미지가 겹치지 않기 때문에 상이한 이미징 데이터를 융합할 필요가 있습니다. 따라서 MRI 데이터 집합을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 계산 및 Affine 등록을 선택합니다. 모듈의 흰색 사각형을 클릭하여 참조를 선택한 다음 커서를 CT로 끕니다.
- 등록 모듈의 속성에서 모든 설정을 기본값으로 두고 [정렬 중심]을클릭한 다음 등록을클릭합니다. 이제 두 개의 서로 다른 이미징 데이터 집합이 융합됩니다. 추가 데이터 집합에 대해 이 단계를 반복합니다.
- 일치 정확도 검증:
- 볼륨 렌더링을 숨기고(모듈의 주황색 사각형을 클릭) MR 이미지에 OrthoSlice 모듈을 추가하여 일치하는 정확도를 확인합니다. 흰색 삼각형을 클릭하고 컬러 워시를선택합니다. 다음으로 흰색 사각형을 클릭하고 데이터를 선택하고 마우스를 드래그하여 이 포트를 CT 데이터와 연결합니다.
- 색상 슬라이더를 조정하여 뼈 두개골 구조에 중첩된 신경 구조를 시각화합니다. 두개골과 뇌 표면과 심실 사이의 경계를 보면서 체중 계수 슬라이더를 전환하여 정렬 불량이 있는지 확인합니다. 관상 방향과 시상 방향의 다른 조각에서이 절차를 반복하십시오.
- 체적 편집
- OrthoSlice 모듈의 가시성을 비활성화하고 CT의 볼륨 렌더링을 다시 활성화합니다. CT 데이터로 이동하여 데이터 집합에서 가장 낮은 값을 찾습니다(이 경우 -2,048).
- 다음으로 볼륨 편집 모듈을 추가하고 Volren 모듈을 출력 데이터와 연결하고 패딩 값을 -2,048로 설정합니다.
- 내부 절단을 클릭하고 3D 뷰포트에서 제거할 영역을 표시합니다.
참고: 제거할 의도가 없는 부품과 겹치지 않도록 하는 것이 중요합니다. - 이 예에서는 하악골과 위자궁경추의 일부를 제거하였습니다.
- 뼈의 분할
- 다음으로 나머지 골격을 분할하여 표면 메시로 변환해야 합니다. 이렇게 하려면 세분화 편집기를클릭하고 수정된 CT 이미지 시퀀스를 선택하고 새을 클릭하여 새 레이블 집합을 추가합니다.
- 이제 임계값을 세분화 옵션으로 선택합니다. CT의 경우 아래쪽 슬라이더를 ~250값으로 설정합니다. 그렇지 않으면 하부 임계값을 조정하지만 연조직 선택을 피하십시오.
- 다음으로 선택을 클릭하고 마지막으로 빨간색 플러스 아이콘을 클릭하여 레이블 집합에 선택 항목을 추가합니다.
- 풀 뷰로돌아갑니다. CT에 대한 새 레이블 집합이 만들어졌습니다. 오른쪽 버튼으로 클릭하고 [계산 > 표면 세대]를선택하고 압축 옵션을 선택하고 적용을클릭합니다.
- 마지막으로 SurfaceView 모듈을 추가하고 생성된 메시의 색상을 조정합니다.
- 다른 구조물의 세분화
- 이전 단계를 반복하여 다른 관련 구조를 추가합니다. 종양의 경우, 수동 세분화는 임계값 조작보다는 사용되었다.
- 수동 세분화를 수행하려면 세분화 편집기로이동하여 수동 세분화 옵션(브러시 아이콘)을 선택하여 모든 조각에서 종양과 같은 구조를 표시합니다. 마지막으로 더하기 아이콘을 클릭하여 선택 영역을 다시 추가합니다. 따라서 종양, 시신경 및 두개내 혈관이 분할되어 모델에 추가됩니다.
- 메시 내보내기
- 마지막으로 메시를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 저장을클릭하여 STL 형식으로 생성된 메시를 내보냅니다. 이진 STL을 파일 형식으로 선택합니다.
2. 다중 컬러 인쇄를위한 가상 3D 모델의 준비
참고 : 이 프로토콜의 인쇄 준비에 사용되는 소프트웨어는 Netfabb 프리미엄 2019.0입니다. 오토 데스크는 교육 프로그램에서이 소프트웨어를 무료로 사용할 수 있습니다.
- 데이터를 가져오고 자동 복구를 수행합니다.
- 인쇄 준비 프로그램을 열고 이전 단계에서 생성된 메시스를 새 부품으로 가져옵니다. 자동 복구를 확인하고 가져오기를클릭합니다.
- 작은 느슨한 부품 삭제
- 두개골을 선택하고 수정을 클릭하여 쉘을 부분으로 분할합니다. 이렇게 하면 두개골 뼈에 연결되지 않은 느슨한 오브젝트가 분리됩니다.
- 두개골 뼈를 선택하고 가시성을 전환합니다.
- 이제 다른 모든 부품을 선택하고 삭제합니다.
- 두개골의 시야를 다시 켜십시오.
- 다른 모든 개체에 대해 이 단계를 반복합니다.
- 겹치는 영역을 제거합니다.
참고 : 두개골의 석유 정점 내부의 종양과 같은 일부 지역에서는 두 개체의 기하학이 서로 교차합니다. 인쇄 오류를 방지하려면 이러한 교차를 제거해야 합니다.- 교차하는 두 개체를 선택하고 부울 작업을 클릭합니다.
- 빼기 오브젝트를 다른 개체에서 목록의 빨간색 쪽으로 이동하고 적용을클릭합니다. 이제 두 개체가 명확하게 분리됩니다. 이것은 가시성을 전환하여 확인해야 합니다.
- 종양 안쪽에 동맥이 명확하게 서로 분리되는 것을 허용하기 위하여 이 단계를 반복합니다.
- 필요한 경우 지원 구조를 추가합니다.
- 바실라 동맥의 경우, 인쇄 후 물체가 느슨한 부분이 되는 것을 방지하기 위해 추가 지지대가 필요합니다.
- 이 경우원통(파일 > 파트 라이브러리)을추가하고 필요에 따라 치수와 세분화를 조정합니다.
- 원통을 배치하여 두개골 및 선박 형상과 완전히 교차합니다.
- 이제 부울 작업을 다시 수행하여 뼈와 혈관 내의 부품을 뺍니다.
- 이 단계를 반복하여 필요한 경우(예: 시신경) 더 많은 지지대를 추가합니다.
3. 선택한 부품의 체적 착색 준비
참고: 특정 부품의 체적 채색을 허용하려면 하나의 표면 쉘뿐만 아니라 오브젝트 내부에 많은 하위 쉘(추가 곡면)을 생성해야 합니다.
- 이 경우 종양을 선택하고 종양에서 새 껍질을 생성합니다(오른쪽 클릭 > 수정 > 쉘 생성).
- 내부 오프셋 모드에서 쉘 두께를 0.15mm의 정확도로 설정하고 적용합니다. 원래 부품 유지 확인란을 선택합니다. 이렇게 하면 원래 서피스까지 거리가 0.3mm인 내부 쉘이 생성됩니다.
- 두 셸의 외부 서피스를 선택하고 쉘에서 새 셸을 생성합니다. 중공 모드에서 0.15mm의 정확도로 쉘 두께를 선택합니다. 또한 원래 부품 제거 확인란을 선택합니다. 이렇게 하면 인접한 두 셸 사이에 0.05mm의 공간이 생성됩니다.
- 3.1-3.3 단계를 반복하여 일정한 두께와 고정 간격띄우기의 여러 내부 쉘이 작성되도록 합니다.
참고: 매끄러운 체적 착색을 위해 0.35-0.25mm의 쉘 두께와 0.1-0.05mm의 오프셋을 사용하는 것이 좋습니다. - 3.1-3.4 단계를 혈관과 같은 다른 모든 물체와 함께 반복합니다.
4. 3D 모델의 색칠 및 내보내기
참고: 고유한 중첩 쉘을 포함하여 모델의 모든 부분의 색상은 Netfabb 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다.
- 왼쪽의 부품 메뉴에서 색칠할 부품을 선택합니다. 텍스처 및 색상 메시 아이콘을 두 번 클릭합니다. 오른쪽에 있는 색상 막대를 클릭하여 색상을 선택합니다. 상단 메뉴에서 껍질에 페인트 아이콘을 클릭 왼쪽. 그 후 화면 중앙에 표시된 모델을 클릭합니다. 마지막으로 왼쪽 오른쪽 하단에 있는 변경 내용 적용 상자를 클릭합니다. 이전 부품 제거 선택을 확인해야 합니다.
- 이 단계를 다른 모든 개체및 셸과 함께 각각 반복합니다.
- 모든 객체를 내보냅니다. 지지및 내부 쉘을 포함하여 인쇄할 모든 객체를 선택하고 개별 파일로 내보냅니다. STL 형식은 색상 정보를 전송할 수 없으므로 VRML(WRL) 형식을 선택해야 합니다.
5. 3D 모델의 인쇄 및 사후 처리
- 3D 프린터 설정
참고: 3DPrint 소프트웨어(버전 1.03)는 ZPrinter 450 바인더 제팅 머신을 제어하는 데 사용되었습니다.- 소프트웨어를 열고 열기를 클릭하고 모든 관련 데이터를 선택하여 컬러 VRML 파일을 가져옵니다. 오른쪽 하단 창 모서리에 있는 열기 버튼을 클릭합니다. 후속 창에서 밀리미터를 단위로 선택합니다. 위치 및 방향 유지와 모든 파일에 설정 적용 상자를 선택하십시오. 마지막으로 재료 유형으로 Z151을 선택합니다. 다음 버튼을 클릭합니다.
- 빌드 볼륨 내부에 3D 객체를 배치하기 위해
+A 키를 눌러 모든 오브젝트에 표시합니다.- 왼쪽 위 창에서 빌드 볼륨의 XY 뷰를 나타내는 클릭하고 표시된 객체를 가운데로 끕니다. 왼쪽 아래 창에서 빌드 볼륨의 XZ 뷰를 나타내는 경우 아래쪽 부분의 중간에 있는 개체를 노란색 선 위로 클릭하고 드래그합니다.
- 전체 두개골 모델이 인쇄된 경우 개구부가 위쪽을 향하고 있는지 확인합니다. 격리된 소형 모델이 인쇄되는 경우 이 방향은 각 부품의 강도를 높이기 때문에 용기와 같은 섬세한 부품을 XY 평면과 정렬해야 합니다.
- 오른쪽의 창에서 모델의 방향을 클릭하고 이동하여 모델의 올바른 방향을 확인합니다.
- 빌드 프로세스를 준비하려면 위쪽 메뉴의 설치 아이콘을 클릭합니다. 올바른 재질 유형을 선택하고 레이어 두께가 0.1mm로 설정되어 있는지 확인합니다. 도련 보정을 확인하고 흑백 인쇄 옵션을 선택 취소해야 합니다.
- 인쇄 프로세스를 시작하려면 위 쪽 메뉴의 빌드 아이콘을 클릭합니다. 후속 창에서 전체 빌드를 선택하고 확인 단추를 클릭합니다. 다음 프린터 상태 대화에서 나열된 모든 항목이 올바르게 설정되어 있고 프린터가 온라인 상태인지 확인합니다. 그런 다음 대화 상자 아래쪽에 있는 인쇄 단추를 클릭합니다.
- 모델의 사후 처리
참고: 느슨한 분말과 경화 용액을 취급하는 동안 항상 실험실 코트, 장갑, 눈 보호 및 마스크를 착용하십시오. 항상 통풍이 잘되는 곳에서 작업하십시오.- 풀고
- 인쇄가 끝나면 통합 진공 청소기로 느슨한 분말을 조심스럽게 제거하여 모델의 포장을 풀십시오. 얇은 구조물이 부서지는 것을 방지하기 위해 흡입 튜브와 모델에 직접 접촉하지 않는 것이 중요합니다.
- 모델을 제거하고 가압 공기를 바르고 부드러운 브러시로 청소하여 청소하십시오. 더 두껍고 안정적이며 모델의 일부가 더 단단한 브러시로 접지될 수 있습니다. 이 선택적 단계는 더 매끄러운 표면 마무리를 허용합니다. 이 상태에서 모델은 여전히 매우 취약합니다.
- 침투
- 모델을 플라스틱 욕조 안에 넣습니다.
- 희끄무레한 영역이 보이지 않을 때까지 경화 용액으로 조심스럽게 침투하십시오.
- 잉여 용액은 모든 표면 세부 사항을 유지하기 위해 가압 공기와 일회용 종이 타월로 제거해야합니다.
- 모델이 완전히 건조 될 때까지 몇 시간 동안 치료하십시오.
- 풀고
Representative Results
석유 정점의 연골 육종을 가진 8명의 환자가 연구를 위해 선택되었고 가상 3D 모델이 생성되었으며, 각각 뼈, 종양, 혈관, 뇌하수체 및 시신경 교차를 함유하고 있었다. 세 가지 모델은 석고 기반의 컬러 3D 바인더 제팅 기술을 사용하여 여러 가지 빛깔의 3D 프린팅을 거쳤습니다(그림 1A1, A2). 부가적으로, 내부 동맥을 가진 단일 종양이 생성되었다(그림 1B1)표면 착색에 비해 체적 착색의 이점을 보여주기 위해(그림 1B2,B3).
이러한 모델은 외과적 접근법(예를 들어, 버 홀 생성) 및 종양 절제술의 시뮬레이션을 입증하는 데 사용되었다. 이 인쇄 기술은 다른 이미징 양식에서 파생 된 해부학 적 구조를 하나의 개체로 결합 할 수있었습니다.
석고 재료는 뼈와 같은 특성을 가지고 있으며 녹지 않고 쉽게 드릴 링 할 수 있습니다. 따라서, 수술 접근 경로를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있었다. 경화 시술 후 내측 혈관 트리와 같은 깨지기 쉬운 구조물도 재현할 수 있을 정도로 안정적이였다.
모델의 전체 부피를 색칠하는 능력은 종양을 통해 이동하는 내부 경동맥과 같은 개체의 내부 구조를 명확하게 시각화 할 수있었습니다. 드릴로 종양 층을 제거함으로써, 적색 동맥은 수술 시뮬레이션 중에 점차적으로 밝혀졌습니다.
기술의 정확성을 증명하기 위해 컴퓨터 단열법에서 3D 모델을 스캔했습니다. 인쇄를 위해 만든 모델이 이러한 스캔에 중첩되었습니다. 편차 매핑이 작성되었으며, 정확도는 임의로 선택된 50개의 지표면에서 결정되었습니다. 0.021 mm의 평균 편차는 원래 데이터에 비해 3D 인쇄의 높은 하고를 보여줍니다.
그림 1: 체적 과 표면 색상의 3D 인쇄. A1. 오른쪽 석유 정점에 연골 육종을 가진 환자의 예시 풀 컬러 3D 인쇄. A2. 해부학 적 구조의 상세한 보기 (화살표 = 내부 경동맥 분기; O= 시신경 치아즘; T=종양)을. B1. 종양 부피 및 단면 수준 (점선)을 교차하는 혈관. B2. 기존의 다색 인쇄 기술은 표면에서만 색상을 보여줍니다. B3. 수정된 기술은 고급 수술 시뮬레이션에 적합한 체적 색의 물체를 생성합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 3D 인쇄의 볼륨 색상에 대한 워크플로우입니다. A. 내부 껍질없이 부피를 교차하는 혈관을 가진 종양의 가상 3D 모델. B. 종양 및 다중 내부 포탄을 가진 혈관 (거리 0.05 mm). C. 높은 쉘 거리(1mm)의 예. 컬러 및 흰색 쉘의 단일 레이어는 여전히 볼 수 있습니다. D. 작은 쉘 거리(0.1 mm)의 예입니다. 오브젝트의 내부 볼륨이 완전히 착색됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
두개내 연골 육종의 치료는 주로 완전한 외과 적 제거를 기반으로합니다. 종종 석유 정점에 위치한이 종양은 내부 경동맥, 시신경 및 뇌하수체와 같은 중요한 구조에 가깝습니다. 따라서 수술 궤적을 계획하는 것은 수술 전에 중요한 단계입니다. 다색 3D 프린팅을 사용하면 서로 다른 이미징 양식에서 파생된 이러한 구조를 단일 개체로 융합할 수 있습니다.
3D 프린팅을 준비하는 동안 적절한 이미징 데이터를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 슬라이스 두께가 작은 고해상도 이미지는 3D 재구성 및 부드러운 전환에 적합하지만 높은 슬라이스 두께는 거칠고 고르지 않은 물체를 생성합니다. 이 방법의 또 다른 중요한 단계는 종양및 두개골 뼈와 같은 두 개의 인접한 개체의 교차를 피하는 것입니다. 따라서 한 개체를 다른 개체에서 빼려면 부울 작업을 수행해야 합니다.
체적 착색을 허용하려면 오브젝트 내부에 양파 껍질과 같은 곡면을 만들어야합니다(그림 2A,B). 매끄럽게 착색된 물체를 얻으려면 인접한 두 표면 사이의 최소 거리가 0.1 mm 이상입니다(그림2D). 선택한 거리가 이 값보다 높으면 오브젝트 내부의 개별 셸이 표시될 수있습니다(그림 2C). 볼륨 색상 을 사용할 때 3D 프린터의 증가 된 색상 소비에주의를 기울여야한다. 또한 모델이 느슨한 부품에 대해 확인하고 필요한 경우 지지대를 추가하는 것도 중요합니다(예: 바실라 동맥).
이 방법은 내구성이 매우 높지 않은 딱딱한 석고 와 같은 재료만 생산할 수 있습니다. 특히 경화 절차없이, 모델은 쉽게 압축을 풀기 과정에서 파괴 될 수있다. 따라서 혈관과 같은 깨지기 쉬운 요소는 종종 분해되는 경향이 있습니다.
이 기술은 연조직의 시뮬레이션에도 적합하지 않습니다. 예를 들어, 뇌 조직을 시뮬레이션하기 위해서는12,13, 13, 또는 실리콘고무(14)와같은 부드러운 물체를 캐스팅하는데 사용될 수 있는 금형을 직접 생성할 수 있는 방법으로 인쇄해야 할 수도 있다. 한 테스트 사례에서, 후자의 방법은 연약한 종양을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 이 마지막 절차의 한계는 실리콘 종양이 매우 유연하더라도 3D 인쇄 모델에 삽입 할 수있는 충분한 공간이 필요하다는 것이었습니다. 더욱이, 혈관과 같은 내부 구조를 만드는 것은 불가능하였다.
3D 바인더 제팅은 석고 분말의 얇은 층을 부분적으로 경화하고 착색하여 물체를 조립하는 적층 제조 기술입니다. 따라서 단일 프로세스에서 개체의 볼륨 내부에 거의 무제한범위의 색상, 색상 전환 및 컬러 구조를 인쇄할 수 있습니다.
필라멘트 프린터와 같은 다른 인쇄 기술과 비교하여 가장 낮은 비용은 있지만 한 번에 두 개 또는 세 개의 색상만 허용하고 다중 색상, 다중 재료 객체를 생산하지만 매우 비싼 폴리 제트 프린터는 저렴한 가격으로 타협할 수 있습니다. 인쇄 된 두개골의 평균 재료 비용은 약 150 유로였습니다.
이 방법을 사용하면 MRI 섬유 추적 서열 또는 기능적 이미징 묘사, 예를 들어, 뇌 음성 영역(예를 들어, Broca%s 영역)으로부터 유래된 필라멘트 섬유와 같은 보다 추상적인 데이터를 시각화할 수 있다.
외과 시뮬레이션 외에도 실제 환자 해부학의 3D 인쇄, 완전히 색이 지정된 모델은 의대 생 또는 젊은 의사의 교육을 개선하여 복잡한 해부학 적 관계를 더 잘 이해할 수 있도록 도울 수 있습니다. 그것은 또한 환자 교육에 있는 중요한 공구입니다.
Disclosures
이 연구는 M.K.에 마인츠의 요하네스 구텐베르크 대학에서 의료 교수의 보조금에 의해 지원되었다 ("바이오 매틱스 - 스튜프 1 Förderung").
Acknowledgments
이 작품의 일부는 독일 뷔르츠부르크에서 열린 독일 신경외과 학회(DGNC) 2019 연례 회의에서 포스터로 제시되었으며, 2019년 독일 컴퓨터 및 로봇 보조 수술 학회(CURAC)의 연례 회의에서 짧은 프레젠테이션으로 발표되었습니다. 로이클링겐, 독일.
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).
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