Stampa 3D multicolore di tumori intracranici complessi in neurochirurgia

L'obiettivo di questa procedura è dimostrare i passaggi della creazione di modelli anatomici stampati in 3D, completamente colorati e specifici del paziente utilizzando dati provenienti da diverse modalità di imaging. Utilizzando l'esempio dei condrosarcomi dell'apice petrous, viene dimostrato l'intero processo di fusione e segmentazione delle immagini, la generazione di un modello 3D virtuale e la fabbricazione della stampa 3D. Inoltre, viene descritta la colorazione volumetrica delle stampe 3D adatte alla simulazione chirurgica.

Una varietà di modalità di imaging, come la tomografia computerizzata e la risonanza magnetica, mostrano diversi aspetti del sito chirurgico, come ossa, tessuti molli, tumori e vasi. Le tecnologie di stampa 3D offrono la possibilità unica di combinare questi diversi aspetti in un unico oggetto compatto e tangibile in dimensioni reali che possono essere studiate e utilizzate per simulare l'approccio chirurgico. Soprattutto per la simulazione chirurgica, è importante produrre stampe 3D non solo colorate sulla superficie per fornire una colorazione volumetrica approfondita per visualizzare chiaramente le strutture nidificate l'una all'interno dell'altra, come un vaso sanguigno che attraversa un tumore.

Questo video offre una guida passo-passo per la fabbricazione di un modello anatomico completamente colorato basato sull'esempio di un chondrosarcoma dell'apice petroso. I passaggi cruciali di questa procedura sono la fusione e la segmentazione dei dati di imaging medico, seguita dalla creazione di un modello di superficie 3D virtuale. Come terzo passaggio, il modello virtuale è preparato per la stampa 3D multicolore, incluso un flusso di lavoro modificato per consentire la colorazione volumetrica di parti specifiche.

Infine, vengono descritte la stampa e la post-elaborazione. È importante utilizzare dati di imaging ad alta risoluzione spaziale, ad esempio uno spessore della fetta di un millimetro o meno. La TC è stata utilizzata per la segmentazione delle ossa.

Le immagini T1 MRI potenziate dal contrasto sono state utilizzate per la segmentazione di strutture tumorali e neurali e immagini TOF per i vasi. Scaricare i file DICOM nel computer e aprire Amira Software. Importare i file delle diverse modalità di imaging e selezionare la cartella dei dati di imaging.

Fare clic sulle immagini CT e collegarle al modulo Rendering volume. Scegliete Specular per un rendering più realistico e regolate il dispositivo di scorrimento del trasferimento del colore per visualizzare solo l'osso. Continuare importando le sequenze mri e collegarle anche a un modulo di rendering del volume.

Poiché le immagini MRI e CT non si sovrappongono, è necessario fondere i diversi dati di imaging. Pertanto, fare clic con il pulsante destro del mouse sul set di dati MRI e scegliere Calcola, Registrazione affine. Selezionate Riferimento (Reference), quindi dirigete il cursore verso il CT. Nelle proprietà del modulo registrazione lasciare tutte le impostazioni predefinite e fare clic su Allinea centri, quindi su Registra.

I due diversi set di dati di imaging sono ora fusi. Ripetere questo passaggio per tutti gli ulteriori set di dati di imaging. Controllare la precisione corrispondente nascondendo i rendering del volume e aggiungendo un modulo OrthoSlice alle immagini MR.

Selezionate Colorwash. Quindi fare clic su Dati e collegare questa porta con il CT trascinando il mouse su di essa. Regola il cursore del colore per visualizzare le strutture neurali sovrapposte alle strutture ossee del cranio.

Controlla eventuali disallineamenti aggrendo il cursore del fattore di peso e guardando sul bordo tra cranio e superficie cerebrale, così come i ventricoli. Ripetere questa procedura su diverse fette e in direzioni coronali e sagittali. Disattivare la visibilità del modulo OrthoSlice e riattivare il rendering del volume della TC. Passare ai dati CT e cercare il valore più basso in questo set di dati, in questo caso meno 2.048.

Aggiungere quindi un modulo Modifica volume, collegare il modulo Volren con i dati di output e impostare il valore di Spaziatura interna su meno 2.048. Fate clic su Taglia all'interno (Cut Inside) e segnate l'area da rimuovere nel riquadro di visualizzazione 3D. Nota, è importante evitare sovrapposizioni con parti non destinate a essere rimosse.

In questo esempio, parti dell'osso madibile e delle vertebre cervicali superiori sono state rimosse. Successivamente, l'osso rimanente verrà segmentato e convertito in una mesh di superficie. Pertanto, fate clic sull'Editor segmentazione e scegliete la sequenza di immagini CT modificata e aggiungete un nuovo set di etichette.

Ora scegliete Soglia come opzione di segmentazione. Impostare il dispositivo di scorrimento inferiore su un valore intorno a 250 in caso di TC. Assicura che nell'anteprima vengano selezionate strutture ossee sottili come l'osso temporale o la regione orbitale superiore. In caso contrario, regolare la soglia inferiore, ma evitare di selezionare eventuali tessuti molli.

Fare quindi clic su Seleziona. Infine, aggiungi la selezione al set di etichette. Tornare alla visualizzazione Piscina.

È stato creato un nuovo set di etichette per il CT. Fate clic con il pulsante destro del mouse e scegliete Calcola (Compute), Generazione superficie (Surface Gen), selezionate l'opzione Compatta (Compactify) e fate clic su Applica (Apply). Infine, aggiungete un modulo Vista superficie e regolate il colore della mesh generata. Aggiungere altre strutture rilevanti ripetendo i passaggi precedenti.

In caso di tumore, è stata utilizzata la segmentazione manuale piuttosto che l'operazione di soglia. Così, il tumore, il nervo ottico e i vasi intracranici sono stati segmentati e aggiunti al modello. Infine, esporta le mesh generate facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla mesh e cliccando su Salva.

Scegliere STL come formato di file. Aprire Netfabb e importare le mesh generate nei passaggi precedenti come nuove parti. Selezionare Ripristino automatico e fare clic su Importa.

Selezionare il cranio e dividerne i gusci in parti. Questo separa tutti gli oggetti sciolti non collegati all'osso crano. Selezionare l'osso del cranio e disattivarne la visibilità.

Ora seleziona tutte le altre parti ed eliminale. Ripetere questo passaggio per tutti gli altri oggetti. Si noti, in alcune regioni, come il tumore all'interno dell'apice petroso del cranio, le geometrie di entrambi gli oggetti si intersecano tra loro.

Per evitare errori di stampa, è necessario rimuovere tali intersezioni. Pertanto, selezionare i due oggetti intersecanti e fare clic su Operazioni booleane. Spostare l'oggetto da sottrarre dall'altro al lato rosso dell'elenco e fare clic su Applica.

Ora i due oggetti sono chiaramente separati, il che dovrebbe essere controllato aggregando la loro visibilità. Ripetendo questi passaggi, il tumore e l'arteria all'interno del tumore sono chiaramente separati l'uno dall'altro. In caso di arteria basilare, sono necessari supporti aggiuntivi per evitare che l'oggetto sia una parte sciolta dopo la stampa.

Aggiungete un nuovo oggetto, in questo caso un cilindro, e regolatene le dimensioni e le suddivisioni in base alle esigenze. Posizionare il cilindro per intersecarsi completamente con il cranio e la geometria del vaso. Ora eseguire di nuovo l'operazione booleana per sottrarre le parti all'interno dell'osso e del vaso sanguigno.

Ripetere questo passaggio per aggiungere altri supporti dove necessario. Per consentire la colorazione volumetrica di alcune parti, è necessario generare non solo un guscio di superficie ma molti sottoshell all'interno dell'oggetto. Seleziona il tumore e genera un nuovo guscio da esso.

Impostare uno spessore del guscio di 3 millimetri nella modalità offset interno con una precisione di 15 millimetri e applicare. Questo genera un guscio interno con una distanza di 3 millimetri dalla superficie originale. Selezionate il guscio esterno e generate da esso una nuova shell.

Selezionare lo spessore del guscio di 25 millimetri in modalità cava con una precisione di 15 millimetri. Selezionare inoltre la casella di controllo Rimuovi parte originale. Questo genera uno spazio di 05 millimetri tra i due gusci adiacenti.

Ripetendo questi passaggi, vengono creati più gusci interni con spessori costanti e offset invarianti. Si consiglia di utilizzare uno spessore del guscio da 35 a 25 millimetri, nonché un offset da 1 a 05 millimetri per ottenere una colorazione volumetrica liscia. Ripetere questi passaggi con tutti gli altri oggetti, ad esempio i vasi sanguigni.

Nell'ultimo passaggio, il colore di stampa di ogni oggetto deve essere impostato. Pertanto, selezionare una parte da colorare. Fate doppio clic su Texture e Mesh colore e scegliete un colore.

Fate clic sull'icona Dipingi su conchiglie (Paint on Shells), quindi fate clic sul modello visualizzato nel centro dello schermo. Infine, applicate le modifiche e assicuratevi di confermare la finestra di dialogo Rimuovi parte vecchia (Remove Old Part). Ripetere questi passaggi rispettivamente con tutti gli altri oggetti e shell.

Infine, esportare tutti gli oggetti da stampare, inclusi supporti e shell interne, ed esportarli come singoli file. Assicurati di scegliere il formato VRML poiché il formato STL non è in grado di trasportare le informazioni sul colore. Aprire il software di stampa 3D del sistema 3D e importare i file VRML creati nel passaggio precedente.

Scegli millimetri come unità. Selezionare Mantieni posizione e applicare a tutti i file. E impostare il tipo di materiale su ZP151.

Ora posiziona il modello 3D nel volume di stampa regolandone la posizione e la rotazione. Nel caso del modello del cranio, assicurarsi che l'apertura sia rivolta verso l'alto. Passare a Imposta, selezionare ZP151 come tipo di materiale e impostare lo spessore del livello su 1 millimetro.

Controlla compensazione smarimenti e conferma. Fare quindi clic su Genera e lasciare tutte le impostazioni predefinite. Infine, controllare lo stato della stampante e fare clic su Stampa.

Al termine della stampa, disimballare il modello rimuovendo con cura la polvere sciolta con un aspirapolvere. È importante non contattare direttamente il modello con il tubo di aspirazione per evitare che le strutture sottili si rompano. Rimuovere il modello e pulirlo applicando con cura aria pressurizzata e pulerlo con una spazzola morbida.

In questo stato, il modello è ancora molto fragile. Per aumentare la stabilità e la situazione del colore, mettere il modello all'interno di una vasca di plastica e infiltrarlo con una soluzione di indurimento. La soluzione in eccesso deve essere rimossa con aria pressurizzata per mantenere tutti i dettagli della superficie mantenuti.

Lasciare che il modello curi per diverse ore fino a quando non è completamente asciutto. Sono state create diverse stampe 3D multicolori di pazienti con chondrosarcoma. La tecnica di stampa 3D multicolore consente di fondere diversi aspetti anatomici come strutture ossee e tessuti molli, ognuna derivata da diverse modalità di imaging, da are in un unico oggetto.

In una configurazione di simulazione chirurgica, il materiale in gesso della stampa multicolore mostrava proprietà simili a ossa e poteva essere facilmente forato e tagliato. Questa tecnica offre anche la possibilità di colorare la struttura interna di un oggetto, come l'arteria carotide interna che viaggia attraverso il tumore. Rimuovendo strati di tumore con il trapano, l'arteria rossa viene rivelata durante la simulazione chirurgica.

Per dimostrare l'accuratezza della tecnica, i modelli 3D sono stati scansionati nel tomografo calcolato. I modelli creati per la stampa sono stati sovrapposti a queste scansioni. È stata creata una mappatura della deviazione e la precisione è stata determinata in 50 punti di superficie scelti casualmente.

Una deviazione media di 21 micron dimostra l'elevata conformità della stampa 3D rispetto ai dati originali. È stato dimostrato come combinare diverse modalità di imaging clinico in un'unica stampa 3D multicolore. Inoltre, è stata presentata la modifica del flusso di lavoro di stampa 3D standard per consentire la produzione di modelli volumetricamente colorati.

Inoltre, la precisione sovrapposta delle stampe 3D rispetto ai dati di imaging originali ha mostrato un'alta precisione. In conclusione, questi modelli completamente colorati consentono la simulazione chirurgica di situazioni anche complesse e anatomiche, come i tumori a base cranica, che è stata presentata in una serie di casi di studio.