Een gepersonaliseerd 3D-geprint model voor preoperatieve evaluatie bij schildklierchirurgie

Samenvatting

Hier wordt een nieuwe methode voorgesteld om een gepersonaliseerd 3D-geprint model voor preoperatieve evaluatie van schildklierchirurgie op te stellen. Het is bevorderlijk voor preoperatieve discussie, waardoor de moeilijkheid van schildklierchirurgie wordt verminderd.

Samenvatting

De anatomische structuur van het chirurgische gebied van schildklierkanker is complex. Het is erg belangrijk om de tumorlocatie en de relatie met de capsule, luchtpijp, slokdarm, zenuwen en bloedvaten vóór de operatie uitgebreid en zorgvuldig te evalueren. Dit artikel introduceert een innovatieve 3D-geprinte modelvestigingsmethode op basis van computertomografie (CT) DICOM-afbeeldingen. We hebben een gepersonaliseerd 3D-geprint model van het veld cervicale schildklierchirurgie opgesteld voor elke patiënt die een schildklieroperatie nodig had om clinici te helpen de belangrijkste punten en moeilijkheden van de operatie te evalueren en de operatiemethoden van belangrijke onderdelen als basis te selecteren. De resultaten toonden aan dat dit model bevorderlijk is voor preoperatieve discussie en het formuleren van operationele strategieën. In het bijzonder, als gevolg van de duidelijke weergave van de terugkerende larynxzenuw- en bijschildklierlocaties op het gebied van schildklieroperaties, kan letsel aan hen tijdens de operatie worden vermeden, de moeilijkheid van schildklierchirurgie worden verminderd en de incidentie van postoperatieve hypoparathyreoïdie en complicaties gerelateerd aan recidiverende larynxzenuwbeschadiging ook worden verminderd. Bovendien is dit 3D-geprinte model intuïtief en helpt het de communicatie voor het ondertekenen van geïnformeerde toestemming door patiënten vóór de operatie.

Inleiding

Schildklierknobbels zijn een van de meest voorkomende endocriene ziekten, waaronder schildklierkanker goed is voor 14% -21%¹. De voorkeursbehandeling voor schildklierkanker is chirurgie. Omdat de schildklier zich echter in het voorste cervicale gebied bevindt, zijn er belangrijke weefsels en organen dicht bij de schildklier in het operatiegebied, zoals de bijschildklier, luchtpijp, slokdarm en cervicale grote bloedvaten en zenuwen^2,3, waardoor de operatie relatief moeilijk en riskant is. De meest voorkomende chirurgische complicaties zijn een afname van de bijschildklierfunctie veroorzaakt door bijschildklierfunctieletsel of misresectie en heesheid veroorzaakt door recidiverend larynxzenuwletsel⁴. Het verminderen van de bovengenoemde chirurgische complicaties is altijd een doel geweest voor chirurgen. De meest voorkomende beeldvormingsmethode vóór schildklierchirurgie is echografie, hoewel de weergave van de bijschildklier en zenuw zeer beperkt is⁵. Bovendien is de variatie in de positie van de bijschildklier en de terugkerende larynxzenuw in het schildklieroperatiegebied zeer hoog, wat identificatie belemmert ^6,7. Als de anatomische positie van elke patiënt tijdens de operatie in realtime via het model aan de chirurg kan worden weergegeven, zal dit het operationele risico van schildklierchirurgie verminderen, de incidentie van complicaties verminderen en de efficiëntie van schildklierchirurgie verbeteren.

Daarnaast is het ook een uitdaging om het chirurgische proces voor de operatie grondig uit te leggen aan patiënten. Sommige onervaren chirurgen vinden het moeilijk om de precieze details van de operatie uit te leggen en over te brengen aan patiënten, vooral vanwege de complexiteit van de schildklier en de omliggende structuren. Elke patiënt heeft zijn eigen unieke anatomische structuur en persoonlijke behoeften⁸. Daarom kan een gepersonaliseerd 3D-schildkliermodel op basis van de echte anatomie van de patiënt patiënten en clinici effectief helpen. Momenteel worden de meeste producten op de markt in massa geproduceerd op basis van vlakdiagrammen. Door gebruik te maken van 3D-printtechnologie om een patiëntspecifiek model te produceren dat de individuele medische behoeften van elke patiënt weerspiegelt, kan dit model worden gebruikt om de werkelijke toestand van patiënten met schildklierkanker te evalueren en chirurgen te helpen de aard van de ziekte beter met patiënten te communiceren.

3D-printen (of additive manufacturing) is een driedimensionale constructie die is opgebouwd uit een computerondersteund ontwerpmodel of digitaal 3D-model⁹. Het is gebruikt in vele medische toepassingen, zoals medische hulpmiddelen, anatomische modellen en medicijnformulering¹⁰. In vergelijking met traditionele beeldvorming is een 3D-printmodel beter zichtbaar en beter leesbaar. Daarom wordt 3D-printen steeds vaker gebruikt in moderne chirurgische ingrepen. Veelgebruikte 3D-geprinte technologieën zijn onder meer printen op basis van vatpolymerisatie, printen op basis van poeder, printen op basis van inkjet en printen op basis van extrusie¹¹. Bij op vatpolymerisatie gebaseerd printen wordt een specifieke golflengte van licht bestraald op een vat lichtuithardende hars, dat de hars lokaal laag voor laag uithardt. Het heeft de voordelen van materiaalbesparing en snel printen. Afdrukken op basis van poeder is afhankelijk van gelokaliseerde verwarming om het poedermateriaal te fuseren voor een dichtere structuur, maar het leidt ook tot een aanzienlijke toename van de afdruktijd en -kosten en wordt momenteel beperkt gebruikt¹². Afdrukken op basis van inkjet maakt gebruik van een nauwkeurige spuit van druppels op het substraat in een laag-voor-laag proces. Deze technologie is het meest volwassen en heeft de voordelen van een hoge materiaalcompatibiliteit, beheersbare kosten en een snelle afdruktijd¹³. Afdrukken op basis van extrusie extrudeert materialen zoals oplossingen en suspensies door spuitmonden. Deze techniek maakt gebruik van cellen en heeft daarom de hoogste mogelijkheden om zacht weefsel na te bootsen. Vanwege de hogere kosten en bio-affiniteit wordt het voornamelijk gebruikt op het gebied van tissue engineering en minder vaak in chirurgische orgaanmodellen¹⁴.

Als gevolg hiervan kozen we voor de "White Jet Process" printtechnologie, gebaseerd op de complexiteit van de schildklier en de omliggende structuren en het chirurgische schema. Deze technologie combineert de voordelen van afdrukken op basis van vatpolymerisatie en afdrukken op basis van inkjet, en biedt hoge precisie, snel afdrukken en lage kosten, waardoor het geschikt is voor schildklierchirurgie. Het doel van dit protocol is om een 3D-geprint schildklierkankermodel te maken, de prognose van patiënten te verbeteren door voldoende informatie te geven over de anatomische structuur en variatie van patiënten, en artsen en patiënten beter te informeren over alle aandoeningen die verband houden met het chirurgische proces.

Protocol

Deze studie had geen toestemming nodig om uit te voeren of enige vorm van toestemming van de patiënten om hun gegevens te gebruiken en te publiceren, omdat alle gegevens en informatie in deze studie en video geanonimiseerd waren.

1. Verzameling van beeldgegevens

1. Scan de schildklier van de patiënt door verbeterde computertomografie (CT) om de beeldgegevens in DICOM-formaat te verkrijgen. Zorg ervoor dat dit proces binnen 1 week voor de operatie wordt uitgevoerd en controleer de plakdikte zodat deze ≤1 mm is.

2. Verwerking van DICOM-gegevens

1. Importeer de gescande patiëntbeeldgegevens in de software (zie Materiaaltabel) en stel de juiste drempel in op basis van het verschil in grijswaarde tussen de schildklier en omliggende weefsels of organen. Omdat verschillende grijswaarden reflecties zijn van verschillen in de dichtheid van verschillende delen van het menselijk lichaam, stelt u de grijswaardendrempel (eenheid: hu; op de software) in op 226-1.500 om het botbeeld te presenteren; Stel de drempel in op -200-226 om het beeld van de schildklier weer te geven. Laat de software automatisch het verpakte gebied identificeren of handmatig de grens van het doelgebied schetsen als de herkenning niet bevredigend is.
   OPMERKING: Mimics selecteert automatisch het schildkliergebied en gebruikt de 3D-regiogroeitechnologie om het beeld te segmenteren en de 3D-reconstructie te berekenen. Tegelijkertijd is het 3D-beeld geoptimaliseerd om de ruwheid en het gevoel van stappen te verminderen om een natuurlijk, soepel en authentiek 3D digitaal visualisatiemodel te verkrijgen, dat een meer eenvoudige observatie van het 3D-model voor chirurgen mogelijk maakt.
2. Genereer STL-bestanden op basis van het gereconstrueerde gegevensmodel. Kies het gereconstrueerde model in de software, klik op Exporteren in het bestandsdock en kies STL als de exporterende bestandsindeling. Genereer ten slotte de STL-bestanden met succes.

3. Medisch-technische interactie

1. Stuur het gereconstrueerde 3D-modelvoorbeeld naar de artsen, die de toegepaste vereisten en anatomische structuur van het 3D-model bevestigen en feedback geven aan de modelleringsingenieur als een wijziging nodig is. Na het ontvangen van bevestigingen van de artsen, gaat u verder met de productievoorbereidingsfase.

4.3D afdrukken (aanvullend bestand 1)

1. Breng de STL-bestandsgegevens over naar de kleurrijke materiaal 3D-printer en voltooi de parametervoorinstellingen (zoals afdrukmodus, dikte van segmentlijn, ondersteuningsmethode en modelkleuring) via de ondersteunende 3D-afdruksnijsoftware.
   1. Selecteer het afdrukmodel op basis van het type eindproduct (kleurenafdrukmodellen gebruiken meestal White Jet Process-technologie, terwijl lichtgevoelige hars meestal Digital Light Procession gebruikt).
   2. Selecteer de dikte van de segmentlijn op basis van de dikte van de producten (hier van 24 μm tot 36 μm).
   3. Kies de ondersteuningsmethode op basis van de fijnheid van het afdrukmodel: algemene ondersteuning (betere bescherming en minder schade aan fijne details) of gedeeltelijke ondersteuning (die materialen bespaart).
   4. Selecteer modelkleuren met de kleurenpaletfunctie op de printer. Verenig de slagaders met rode kleur 255 en de aderen met blauwe kleur 255.
      OPMERKING: Omdat andere delen zoals de tumorlaesie niet strikt standaard zijn, kunnen chirurgen een kleur selecteren op basis van hun behoeften of voorkeur.
2. Vul hardlichthardende hars in de 3D-printer in (zie aanvullende tabel S1), debug het afdrukplatform en print met White Jet Process-technologie. Verwijder na het afdrukken het voorlopig afgedrukte schildkliermodel.
   OPMERKING: De White Jet Process-technologie is gebaseerd op het principe van inkjetprinten, waarbij een dunne laag lichtgevoelige hars in één straal wordt afgedrukt en vervolgens wordt bestraald met een specifieke golflengte van UV-licht, waardoor een snelle polymerisatiereactie en uitharding van de lichtgevoelige hars ontstaat. Dit proces wordt laag voor laag voltooid totdat de afdruk is voltooid.

5. Nabehandeling

1. Trek de ondersteuningsstructuur van het voorlopig afgedrukte schildkliermodel af. Slijp, vernis en harden het halffabricaat uit om een geïndividualiseerd 1:1 isometrisch 3D-geprint schildkliermodel te verkrijgen.
   1. Ondersteuningsstructuur aftrekken
      1. Draag handschoenen, breek de wikkelsteunen rond het voorlopige model uit elkaar en verwijder het grootste deel van het hoofdgedeelte van de ondersteunende structuur.
      2. Plaats het model in een ultrasone reiniger met Ca (OH) ₂ alkalische oplossing voor een reiniging van 15 minuten.
      3. Plaats het model in een natte zandstraalmachine en spoel het af totdat de rest van de draagstructuur op het oppervlak is weggespoeld.
   2. Slijpen
      1. Slijp het model met een elektrische slijpmachine, vijl of slijpschijf.
   3. Lakken
      OPMERKING: Dit proces bestaat uit spuiten en handmatig schilderen.
      1. Spuit de vernis in kleurblokken met een groot oppervlak op de helft van het oppervlak van het model. Schilder de kleurblokken met een klein oppervlak handmatig met vernis.
   4. Genezen
      1. Plaats het model in een UV-uithardingsmachine voor 30 s uitharding.
      2. Haal het model eruit en maak het schoon met 95% alcohol.
         OPMERKING: Nadat de alcohol volledig vervluchtigd is, is de productie voltooid.

6. Levering

1. Verpak het schildkliermodel en voltooi de levering aan de chirurgen vóór de operatie.

Resultaten

Dit artikel presenteert een protocol voor de constructie van gepersonaliseerde 3D-geprinte modellen van de schildklieren van patiënten. Figuur 1 toont een stroomschema voor het opstellen van een gepersonaliseerd 3D-geprint model voor schildklieren van patiënten. Figuur 2 toont het gepersonaliseerde 3D-geprinte modelprintapparaat voor schildklieren van patiënten. Figuur 3 toont de software-interface voor het opzetten van een geperson...

Discussie

Echografie kan de enige preoperatieve beeldvormingsprocedure zijn voor de meeste patiënten die een schildklieroperatie ondergaan¹⁵. Een paar goed gedifferentieerde gevallen kunnen echter lijden aan gevorderde ziekten, die de omliggende weefsels of organen binnendringen en de operatie belemmeren¹⁶. Dit model kan meer geschikt zijn voor patiënten met vergevorderde schildklierkanker. Wanneer de ziekte vordert, is extra CT-scans nuttig voor verdere diagnose. Dit model is gebase...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
3D-kleurprinter	Zhuhai Sina 3D Technology Co	J300PLUS	Functieondersteuning: automatisch geoptimaliseerd plaatsen, automatisch modelvormgeving, automatisch generatieondersteuning, real-time gelaagde randsnijden en afdrukken, export van plakjes, aangepaste kleurduidikte, aangepaste plaatsing/schaling, manuur evaluatie, materiaalverbruik evaluatie, afdrukstatusbewaking, materiaalrestweergave, materiaal- en kleurverandering, werkwachtrijen beheren, volledig/half besloten afdrukken, automatische detectie van modelinterferentie, laagvoorbeeld, automatische pauze bij inktgebrek, hervatten van afdrukken na stroomuitval Automatisch reinigingsmondstuk, automatische kanaalaanpassing, inktverversing, automatische reinigingsleiding, vervolgloze plaatsing. Bereik van optionele materialen: RGD-serie transparante vormmaterialen, RGD-serie ondoorzichtige vormmaterialen, FLX-serie zachte vormmaterialen, ABS-achtige serie vormmaterialen, hittebestendige vormmaterialen, Med-serie vormmaterialen (eersteklas medische recordcertificering), gewone ondersteunende materialen, wateroplosbare ondersteunende materialen.
Mimics 21.0 software	Materialise, België		DICOM-gegevensverwerking