Summary
ここでは、甲状腺手術の術前評価のためにパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立する新しい方法が提案されています。術前の話し合いに役立ち、甲状腺手術の難易度を軽減します。
Abstract
甲状腺がんの手術領域の解剖学的構造は複雑です。手術前に、腫瘍の位置と、カプセル、気管、食道、神経、血管との関係を包括的かつ慎重に評価することが非常に重要です。本稿では,コンピュータ断層撮影(CT)DICOM画像に基づく革新的な3Dプリントモデル確立手法を紹介する.甲状腺手術が必要な患者ごとに、頸部甲状腺手術野のパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立し、臨床医が手術の要点と難しさを評価し、主要部分の手術方法を選択できるようにしました。その結果,本モデルは術前の議論や手術戦略の策定に資することが示された。特に、甲状腺手術野において反回神経や副甲状腺の位置を鮮明に表示した結果、手術中の損傷を回避でき、甲状腺手術の難易度が軽減され、術後副甲状腺機能低下症や反回神経損傷に伴う合併症の発生率も減少しました。さらに、この3Dプリントモデルは直感的で、手術前の患者によるインフォームドコンセントの署名のためのコミュニケーションを支援します。
Introduction
甲状腺結節は最も一般的な内分泌疾患の1つであり、その中で甲状腺がんは14%〜21%1を占めています。甲状腺がんの好ましい治療法は手術です。しかし、甲状腺は前頸部に位置するため、手術領域には副甲状腺、気管、食道、頸部大血管や神経など、甲状腺に近い重要な組織や臓器があり2,3、手術は比較的困難で危険です。最も一般的な外科的合併症は、副甲状腺機能障害によって引き起こされる副甲状腺機能の低下、または反回神経損傷によって引き起こされる切除ミスと嗄声です4。上記の外科的合併症の減少は、常に外科医の目的でした。甲状腺手術前の最も一般的な画像診断方法は超音波画像ですが、副甲状腺と神経の表示は非常に限られています5。さらに、甲状腺手術領域における副甲状腺と反回神経の位置の変動は非常に大きく、識別を妨げています6,7。手術中に各患者の解剖学的位置をモデルを通じてリアルタイムで外科医に明確に表示できれば、甲状腺手術の運用リスクを減らし、合併症の発生率を減らし、甲状腺手術の効率を向上させます。
また、手術前に患者さんに手術過程を徹底的に説明することも困難です。経験の浅い外科医の中には、特に甲状腺とその周囲の構造が複雑なため、手術の正確な詳細を患者に説明して伝えるのが難しいと感じる人もいます。各患者は独自の解剖学的構造と個人的なニーズを持っています8.したがって、患者の実際の解剖学的構造に基づいてパーソナライズされた3D甲状腺モデルは、患者と臨床医を効果的に支援できます。現在、市場に出回っている製品の大部分は、平面図に基づいて大量生産されています。3D印刷技術を利用して、各患者の個々の医療ニーズを反映した患者固有のモデルを作成することにより、このモデルを使用して甲状腺がん患者の実際の状態を評価し、外科医が病気の性質を患者とよりよく伝えるのに役立ちます。
3D印刷(または積層造形)は、コンピュータ支援設計モデルまたはデジタル3Dモデル9から構築された3次元構造です。医療機器、解剖学的モデル、薬物製剤など、多くの医療用途で使用されています10。従来のイメージングと比較して、3D印刷モデルはより見やすく、読みやすくなります。したがって、3D印刷は現代の外科手術でますます使用されています。一般的に使用される3D印刷技術には、バット重合ベースの印刷、粉末ベースの印刷、インクジェットベースの印刷、および押出ベースの印刷が含まれます11。バット重合ベースの印刷では、特定の波長の光が光硬化性樹脂のバレルに照射され、樹脂が一度に1層ずつ局所的に硬化します。材料の節約と高速印刷という利点があります。粉末ベースの印刷は、局所加熱に依存して粉末材料を融合させてより緻密な構造にしますが、印刷時間とコストの大幅な増加にもつながり、現在使用が制限されています12。インクジェットベースの印刷では、層ごとのプロセスで基板に液滴を正確に噴霧します。この技術は最も成熟しており、高い材料適合性、制御可能なコスト、および高速印刷時間という利点があります13。押し出しベースの印刷は、溶液や懸濁液などの材料をノズルから押し出します。この技術は細胞を利用しているため、軟部組織を模倣する能力が最も高いです。コストとバイオアフィニティが高いため、主に組織工学の分野で使用され、外科用臓器モデルではあまり使用されません14。
その結果、甲状腺とその周囲の構造の複雑さと手術スケジュールに基づいて、「ホワイトジェットプロセス」印刷技術を選択しました。この技術は、バット重合ベースの印刷とインクジェットベースの印刷の利点を兼ね備えており、高精度、高速印刷、低コストを提供し、甲状腺手術に適しています。このプロトコルの目的は、3Dプリントされた甲状腺がんモデルを作成し、患者の解剖学的構造とバリエーションに関する十分な情報を提供することにより患者の予後を改善し、医師と患者に手術プロセスに関連するすべての状態についてよりよく知らせることです。
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Protocol
この研究とビデオのすべてのデータと情報は匿名化されているため、この研究の実施に承認や患者からのいかなる種類の同意も必要ありませんでした。
1. 画像データの収集
- 強化されたコンピューター断層撮影(CT)によって患者の甲状腺をスキャンし、DICOM形式の画像データを取得します。このプロセスが手術前の1週間以内に行われることを確認し、スライスの厚さが≤1mmになるように制御します。
2. DICOMデータの処理
- スキャンした患者の画像データをソフトウェアにインポートし( 材料表を参照)、甲状腺と周囲の組織や臓器とのグレー値の差に応じて適切なしきい値を設定します。異なるグレー値は人体の異なる領域の密度の違いの反射であるため、 グレースケールしきい値 (単位:hu、ソフトウェア上)を 226〜1,500 に設定してボーン画像を表示します。 閾値を -200-226 に設定して、甲状腺画像を表示します。ソフトウェアにボックス化された領域を自動的に識別させるか、認識が満足のいくものでない場合はターゲット領域の境界を手動で概説します。
注:Mimicsは自動的に甲状腺領域を選択し、3D領域成長技術を使用して画像をセグメント化し、3D再構成を計算します。同時に、3D画像は、粗さやステップ感を減らすように最適化され、自然で滑らかで本物の3Dデジタル視覚化モデルを取得し、外科医にとって3Dモデルのより簡単な観察を可能にします。 - 再構築されたデータモデルからSTLファイルを生成します。ソフトウェアで再構築されたモデルを選択し、ファイルドックで[エクスポート]をクリックして、エクスポートファイル形式としてSTLを選択します。最後に、STLファイルを正常に生成します。
3. 医工連携
- 再構築された3Dモデルのプレビューを医師に送信し、医師は3Dモデルの適用要件と解剖学的構造を確認し、変更が必要な場合はモデリングエンジニアにフィードバックを提供します。医師から確認を受けた後、生産準備段階に進みます。
4.3D 印刷(補足ファイル1)
- STLファイルデータをカラフルな素材の3Dプリンターに転送し、サポートする3D印刷スライスソフトウェアを使用して、パラメータープリセット(印刷モード、スライスストロークの太さ、サポート方法、モデルの色付けなど)を完了します。
- 完成品の種類に応じて印刷モデルを選択します(カラー印刷モデルは通常ホワイトジェットプロセス技術を使用し、感光性樹脂は通常デジタルライト行列を使用します)。
- 製品の厚さに応じて スライスストロークの厚さ パラメータを選択します(ここでは、 24 μmから36 μm)。
- 印刷モデルの細かさに応じて、全体的なサポート(保護を強化し、細部への損傷が少ない)または部分的なサポート(材料を節約する)のサポート方法を選択します。
- プリンターのカラーパレット機能を使用してモデルの色を選択します。動脈を赤色255で、静脈を青色255で統一します。
注:腫瘍病変などの他の部分は厳密には標準的ではないため、外科医はニーズや好みに応じて色を選択できます。
- 3Dプリンターに硬質光硬化樹脂を充填し( 補足表S1を参照)、印刷プラットフォームをデバッグし、ホワイトジェットプロセス技術を使用して印刷します。印刷後、予備印刷された甲状腺モデルを取り出します。
注:ホワイトジェットプロセス技術は、インクジェット印刷の原理に基づいており、感光性樹脂の薄層を1回のジェットで印刷し、特定の波長のUV光を照射して、感光性樹脂の急速な重合反応と硬化を引き起こします。このプロセスは、印刷が完了するまでレイヤーごとに完了します。
5.後処理
- 予備印刷された甲状腺モデルのサポート構造を差し引きます。半製造製品を粉砕、ニス塗り、硬化させて、個別の1:1アイソメトリック3Dプリント甲状腺モデルを取得します。
- サポート構造の減算
- 手袋を着用し、予備モデルの周りのラッピングサポートを分解し、支持構造の本体の大部分を取り外します。
- モデルをCa(OH)2 アルカリ溶液を含む超音波洗浄機に入れて、15分間洗浄します。
- モデルを湿ったサンドブラスターに入れ、表面の残りの支持構造が洗い流されるまですすぎます。
- 研削
- 電動グラインダー、ヤスリ、または砥石でモデルを研削します。
- ニス
注意: このプロセスは、スプレーと手動塗装で構成されています。- モデルの表面の半分にある大面積のカラーブロックにワニスをスプレーします。小さな領域のカラーブロックにワニスを手動でペイントします。
- 硬化
- モデルをUV硬化機に入れて30秒間硬化させます。
- モデルを取り出し、95%アルコールで清掃します。
注:アルコールが完全に揮発した後、生産は終了します。
- サポート構造の減算
6. 配送
- 甲状腺モデルをパッケージ化し、手術前に外科医への納品を完了します。
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Representative Results
この論文は、患者の甲状腺のパーソナライズされた3Dプリントモデルを構築するためのプロトコルを提示します。 図1 は、患者の甲状腺についてパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立するためのフローチャートを示す。 図2 は、患者の甲状腺用にパーソナライズされた3Dプリントモデル印刷装置を示しています。 図3 は、甲状腺患者向けにパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立するためのソフトウェアインターフェイスを示しています。示されているインターフェースはビデオで詳しく説明されています。 図4 は、患者の甲状腺のパーソナライズされた3Dプリントモデルの完成品を示しています。同じ患者の3Dモデルの異なる解剖学的レベルと状態を示します。左側は筋肉摘出後の甲状腺手術部位です。右側は胸鎖乳突筋で包まれた甲状腺手術部位です。 図5 は、手術前に強化されたCTによって甲状腺領域の完全な3Dプリントモデルが構築された甲状腺がん患者の症例を示しています。Aは冠状断面、Bは横断断面、Cは患者のCTスキャンの矢状断面である。 Dは、CTに基づいて構築および印刷された3Dモデルを示しています。 CTに基づいて、各CTスキャンの横断セクションを重ね合わせて3Dモデルを確立します。従来のCTと比較して、より立体的で直感的であり、360°回転で観察できます。
図1:甲状腺がん患者向けにパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立するためのフローチャート。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:甲状腺がん患者向けのパーソナライズされた3Dプリント モデルデバイス。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:甲状腺がん患者向けにパーソナライズされた3Dプリント モデルを確立するためのソフトウェアインターフェイス。示されているインターフェースはビデオで詳しく説明されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:甲状腺がん患者のパーソナライズされた3Dプリント モデルの完成品(左右の部分が同じモデル)。左側は筋肉摘出後の甲状腺手術部位です。右側は胸鎖乳突筋で包まれた甲状腺手術部位です。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:手術前にCT強化により甲状腺領域の3Dプリント モデルを完成させた甲状腺がん患者の症例。Aは患者のCTスキャンの冠状断面です。 Bは患者のCTスキャンの横断面です。 Cは患者のCTスキャンの矢状断面です。 Dは、CTスキャンに基づいて構築および印刷された3Dモデルを示しています。CTに基づいて、各CTスキャンの横断面を重ね合わせて3Dモデルを確立します。従来のCTと比較して、より立体的で直感的であり、360°回転で観察できます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:カスタム3Dプリントされたフルカラー甲状腺モデルの各モデルの製造とパッケージ。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表S1:カラーマルチマテリアル3Dプリンターの技術仕様。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
超音波は、甲状腺手術を受けているほとんどの患者にとって唯一の術前画像診断手順である可能性があります15。しかし、いくつかの高分化型の症例は、周囲の組織や臓器に侵入して手術を妨げる進行性疾患に苦しむ可能性があります16。このモデルは、はるかに進行した甲状腺がんの患者により適している可能性があります。病気が進行すると、追加のCTスキャンがさらなる診断に役立ちます。このモデルはCTスキャンに基づいており、現在アクセス可能なバッチ生成の甲状腺ファントムよりも多くの解剖学的および形態学的情報を提供します。また、甲状腺腫瘍と甲状腺の関係、および甲状腺腫瘍と周辺組織の関係を明確に示すことができます。
得られたモデルは、手術前に主要な構造変化と奇形を予測するために使用できます。臨床診療では、さまざまな患者に対する医師による個別の外科的評価の効率が大幅に向上します。外科医の経験は、このモデルが手術の予測不可能性を減らし、手術時間を短縮することを示しました。このモデルの重要性は、患者自身の解剖学的構造と変動に関する十分な情報を提供し、手術の自然なプロセスに関連する可能性のある合併症を含む術後の結果をよりよく理解し、CTベースの解剖学的構造を反映した実際の甲状腺ファントムを作成することにより、患者の予後を改善することです。
さらに、3Dプリントされた甲状腺がんモデルを作成することは、患者が自分の健康関連の問題をよりよく理解するのに役立ち、医師が最良の治療計画を提案するのに役立ちます。以前の研究では、医学教育で3Dプリントモデルを使用すると、教育の効果が向上することが示されました17,18,19。ある研究では、3D印刷技術を使用して寛骨臼骨折の分類を教え、これらの複雑な骨解剖学的構造には正確な外科的計画と確認が必要であるため17。以前の研究では、術前の計画に3Dプリントされた半骨盤を使用し、経験の浅い外科医を訓練することで肯定的な結果を達成しました18。別の研究では、3Dプリントされた口唇口蓋裂モデルを教材として使用しており、さまざまな患者のシナリオをよりよく理解することができます19。甲状腺がん患者の場合、手術前の患者の3Dプリントモデルは、患者が手術に伴うものをよりよく理解するのに役立つ可能性があります。さらに、このモデルはまた、甲状腺疾患に対する経験の浅い臨床医の関心を高め、臨床医が患者に状態と手順を説明する前に自己教育して、治療の質と手術計画を改善するのに役立ちました。
アンケートを使用して、パーソナライズされた3Dプリント甲状腺モデルの有用性を評価しました。3Dプリントされた甲状腺モデルの使用についてどのように感じているかを患者に尋ねました。「病気を理解する」(71.7%)が最も高く、次いで「総合満足度」(17.0%)、「手術を理解する」(11.3%)、「価値がない」(0%)と続いた。これらの結果は、3Dモデリング技術が解剖学教育に価値がある可能性があることを示しました。腫瘍と甲状腺の位置関係を示すことは、この3Dプリントモデルの最大の利点かもしれません。
3D印刷が現代の医療行為に統合されているにもかかわらず、モデリングと印刷時間を含む3D印刷モデルの作成に必要な時間は、主な制限の1つです。肺動脈複製モデルの設計プロセスには8時間かかり、印刷プロセスには97時間14分かかりました。したがって、患者固有の(すなわち、個別化された)モデリング技術に関する多数の研究が、さまざまな解剖学的部位または目的(手術ガイドラインや臨床トレーニングなど)に対して実施されているにもかかわらず20,21,22,23、臨床現場でのそれらの価値は、少数の研究で実証されているだけです16,24,25。.この点で、このモデルの利点は、パーソナライズされた3Dモデルを作成する時間を短縮できることでした。甲状腺のモデルは、構築に3時間、印刷に8時間しかかかりませんでした。
この研究の限界は、モデルがこの研究に参加した甲状腺がん患者の頭頸部CTスキャンに基づいていたことであり、追加費用がかかります。同時に、3Dプリントされたモデルにも追加コストがかかります。したがって、将来の研究では、個々の甲状腺および周囲の組織情報を含む固有の患者症例に対して、患者固有のパーソナライズされた印刷モデルを作成し、各患者に合わせた手順とこの3Dモデルの利点を説明するために使用できます。さらに、患者が支払う必要のある追加費用も考慮する必要があります。このコストは、モデルの実際の利点と患者が支払う追加コストと比較検討する必要があります。
結論として、甲状腺手術の術前評価のためのパーソナライズされた3Dプリントモデルを確立する新しい方法が提案されており、これは術前の議論を助長し、甲状腺手術の難易度を軽減します。
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Disclosures
著者は利益相反を宣言しません。
Acknowledgments
この研究は、四川省衛生委員会(助成金番号20PJ061)、中国国家自然科学基金会(助成金番号32101188)、および中国の四川省科学技術局の一般プロジェクト(助成金番号2021YFS0102)の支援を受けました。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D color printer | Zhuhai Sina 3D Technology Co | J300PLUS | Function support: automatic optimized placement, automatic model typesetting, automatic generation support, real-time layered edge cutting and printing, slice export, custom color thickness, custom placement / scaling, man hour evaluation, material consumption evaluation, print status monitoring, material remaining display, changing materials and colors, managing work queues, full / semi enclosed printing, automatic detection of model interference, layer preview, automatic pause of ink shortage, power failure to resume printing Automatic cleaning nozzle, automatic channel adaptation, ink change, automatic cleaning pipeline, follow-up laying. Range of optional materials: RGD series transparent molding materials, RGD series opaque molding materials, FLX series soft molding materials, ABS like series molding materials, high temperature resistant molding materials, Med series molding materials (first-class medical record certification), ordinary supporting materials, water-soluble supporting materials. |
| Mimics 21.0 software | Materialise, Belgium | DICOM data processing |
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