Spersonalizowany model wydrukowany w 3D do oceny przedoperacyjnej w chirurgii tarczycy

Summary

Tutaj zaproponowano nową metodę tworzenia spersonalizowanego modelu drukowanego w 3D do przedoperacyjnej oceny operacji tarczycy. Sprzyja to rozmowie przedoperacyjnej, zmniejszając trudność operacji tarczycy.

Abstract

Struktura anatomiczna obszaru operacyjnego raka tarczycy jest złożona. Bardzo ważne jest, aby przed operacją kompleksowo i dokładnie ocenić lokalizację guza i jego związek z torebką, tchawicą, przełykiem, nerwami i naczyniami krwionośnymi. W artykule przedstawiono innowacyjną metodę tworzenia modeli drukowanych w 3D w oparciu o obrazy DICOM z tomografii komputerowej (CT). Stworzyliśmy spersonalizowany, wydrukowany w 3D model chirurgii tarczycy szyjki macicy dla każdego pacjenta, który potrzebował operacji tarczycy, aby pomóc klinicystom ocenić kluczowe punkty i trudności operacji oraz wybrać metody operacji kluczowych części jako podstawę. Wyniki pokazały, że model ten sprzyja dyskusji przedoperacyjnej i formułowaniu strategii operacyjnych. W szczególności, w wyniku wyraźnego uwidocznienia lokalizacji nerwu krtaniowego wstecznego i przytarczyc w polu operacyjnym tarczycy, można uniknąć ich uszkodzenia podczas operacji, zmniejszyć trudność operacji tarczycy, a także zmniejszyć częstość występowania pooperacyjnej niedoczynności przytarczyc i powikłań związanych z nawracającym uszkodzeniem nerwu krtaniowego. Co więcej, ten wydrukowany w 3D model jest intuicyjny i pomaga w komunikacji w celu podpisania świadomej zgody przez pacjentów przed operacją.

Introduction

Guzki tarczycy są jedną z najczęstszych chorób endokrynologicznych, wśród których rak tarczycy stanowi 14%-21%¹. Preferowanym sposobem leczenia raka tarczycy jest operacja. Ponieważ jednak tarczyca znajduje się w przedniej części szyjki macicy, w obszarze operacji znajdują się ważne tkanki i narządy w pobliżu tarczycy, takie jak przytarczyce, tchawica, przełyk oraz wielkie naczynia i nerwy szyjki macicy^2,3, co sprawia, że operacja jest stosunkowo trudna i ryzykowna. Najczęstsze powikłania chirurgiczne to pogorszenie funkcji przytarczyc spowodowane uszkodzeniem funkcji przytarczyc lub błędną resekcją oraz chrypka spowodowana nawrotnym uszkodzeniem nerwu krtaniowego⁴. Zmniejszenie liczby wyżej wymienionych powikłań chirurgicznych zawsze było celem chirurgów. Najczęstszą metodą obrazowania przed operacją tarczycy jest obrazowanie ultrasonograficzne, chociaż jego wyświetlanie przytarczyc i nerwu jest bardzo ograniczone⁵. Ponadto zmienność położenia przytarczyc i nerwu krtaniowego wstecznego w obszarze operacji tarczycy jest bardzo duża, co utrudnia identyfikację^6,7. Jeśli pozycja anatomiczna każdego pacjenta może być wyraźnie wyświetlana chirurgowi za pośrednictwem modelu w czasie rzeczywistym podczas operacji, zmniejszy to ryzyko operacyjne operacji tarczycy, zmniejszy częstość występowania powikłań i poprawi skuteczność operacji tarczycy.

Ponadto, dokładne wyjaśnienie pacjentom procesu chirurgicznego przed operacją jest również trudne. Niektórzy niedoświadczeni chirurdzy mają trudności z wyjaśnieniem i przekazaniem pacjentom dokładnych szczegółów operacji, zwłaszcza ze względu na złożoność tarczycy i otaczających ją struktur. Każdy pacjent ma swoją unikalną budowę anatomiczną i osobiste potrzeby⁸. Dlatego spersonalizowany model 3D tarczycy oparty na rzeczywistej anatomii pacjenta może skutecznie pomóc pacjentom i klinicystom. Obecnie większość produktów na rynku jest produkowana masowo w oparciu o schematy płaskie. Wykorzystując technologię druku 3D do stworzenia modelu specyficznego dla pacjenta, który odzwierciedla indywidualne potrzeby medyczne każdego pacjenta, model ten może być wykorzystany do oceny rzeczywistego stanu pacjentów z rakiem tarczycy i pomóc chirurgom lepiej komunikować się z pacjentami o naturze choroby.

Druk 3D (lub produkcja addytywna) to trójwymiarowa konstrukcja zbudowana z modelu projektowania wspomaganego komputerowo lub cyfrowego modelu 3D⁹. Jest używany w wielu zastosowaniach medycznych, takich jak urządzenia medyczne, modele anatomiczne i formulacje leków¹⁰. W porównaniu z tradycyjnym obrazowaniem, model drukowany w 3D jest bardziej widoczny i czytelny. Dlatego druk 3D jest coraz częściej stosowany w nowoczesnych zabiegach chirurgicznych. Powszechnie stosowane technologie druku 3D obejmują druk oparty na polimeryzacji, druk proszkowy, druk atramentowy i druk oparty na wytłaczaniu¹¹. W druku opartym na polimeryzacji kadziowej określona długość fali światła jest napromieniowywana na beczkę z żywicy światłoutwardzalnej, która miejscowo utwardza żywicę jedna warstwa na raz. Ma zalety w postaci oszczędności materiału i szybkiego drukowania. Druk proszkowy opiera się na miejscowym podgrzewaniu w celu stopienia materiału proszkowego w celu uzyskania gęstszej struktury, ale prowadzi również do znacznego wydłużenia czasu i kosztów drukowania, a obecnie jest w ograniczonym użyciu¹². Druk atramentowy polega na precyzyjnym natryskiwaniu kropelek na podłoże w procesie warstwa po warstwie. Ta technologia jest najbardziej dojrzała i ma zalety wysokiej kompatybilności materiałowej, kontrolowanych kosztów i szybkiego czasu drukowania¹³. Druk oparty na ekstruzji wytłacza materiały, takie jak roztwory i zawiesiny, przez dysze. Technika ta wykorzystuje komórki i dlatego ma najwyższe możliwości naśladowania tkanek miękkich. Ze względu na wyższy koszt i powinowactwo biologiczne jest stosowany głównie w dziedzinie inżynierii tkankowej, a rzadziej w modelach narządów chirurgicznych¹⁴.

W rezultacie wybraliśmy technologię druku "White Jet Process", opierając się na złożoności tarczycy i otaczających ją struktur oraz harmonogramie operacji. Technologia ta łączy w sobie zalety druku opartego na polimeryzacji kadziowej i druku atramentowego oraz oferuje wysoką precyzję, szybkie drukowanie i niski koszt, dzięki czemu dobrze nadaje się do chirurgii tarczycy. Celem tego protokołu jest stworzenie wydrukowanego w 3D modelu raka tarczycy, poprawa rokowania pacjentów poprzez dostarczenie wystarczających informacji na temat struktury anatomicznej i zmienności pacjentów oraz lepsze informowanie lekarzy i pacjentów o wszystkich stanach związanych z procesem chirurgicznym.

Protocol

To badanie nie wymagało zgody na przeprowadzenie ani żadnej zgody od pacjentów na wykorzystanie i opublikowanie ich danych, ponieważ wszystkie dane i informacje w tym badaniu i filmie były anonimowe.

1. Zbieranie danych graficznych

1. Zeskanuj tarczycę pacjenta za pomocą ulepszonej tomografii komputerowej (CT), aby uzyskać dane obrazu w formacie DICOM. Upewnij się, że proces ten został wykonany w ciągu 1 tygodnia przed operacją i kontroluj grubość plastra tak, aby wynosiła ≤1 mm.

2. Przetwarzanie danych DICOM

1. Zaimportuj zeskanowane dane obrazu pacjenta do oprogramowania (patrz tabela materiałów) i ustaw odpowiedni próg zgodnie z różnicą wartości szarości między tarczycą a otaczającymi tkankami lub narządami. Ponieważ różne wartości szarości są odzwierciedleniem różnic w gęstości różnych obszarów ludzkiego ciała, ustaw próg skali szarości (jednostka: hu; w oprogramowaniu) na 226-1,500, aby przedstawić obraz kości; Ustaw próg na -200-226, aby wyświetlić obraz tarczycy. Pozwól oprogramowaniu automatycznie zidentyfikować obszar w ramce lub ręcznie nakreśl granicę obszaru docelowego, jeśli rozpoznawanie nie jest zadowalające.
   UWAGA: Naśladownicy automatycznie wybierają obszar tarczycy i wykorzystują technologię wzrostu regionu 3D do segmentacji obrazu i obliczenia rekonstrukcji 3D. Jednocześnie obraz 3D jest zoptymalizowany w celu zmniejszenia chropowatości i wyczucia kroków, aby uzyskać naturalny, płynny i autentyczny cyfrowy model wizualizacji 3D, który umożliwia prostszą obserwację modelu 3D dla chirurgów.
2. Generuj pliki STL na podstawie zrekonstruowanego modelu danych. Wybierz zrekonstruowany model w oprogramowaniu, kliknij przycisk Eksportuj w stacji dokującej plików i wybierz STL jako format pliku eksportu. Na koniec pomyślnie wygeneruj pliki STL.

3. Interakcja medyczno-inżynieryjna

1. Wyślij podgląd zrekonstruowanego modelu 3D do lekarzy, którzy potwierdzą zastosowane wymagania i strukturę anatomiczną modelu 3D oraz przekażą informację zwrotną inżynierowi modelowania, jeśli potrzebna jest modyfikacja. Po otrzymaniu potwierdzeń od lekarzy przejdź do etapu przygotowania produkcji.

4. 3D drukowanie (Plik uzupełniający 1)

1. Przenieś dane pliku STL do drukarki 3D z kolorowym materiałem i uzupełnij ustawienia parametrów wstępnych (takie jak tryb drukowania, grubość obrysu plasterka, metoda podparcia i kolorowanie modelu) za pomocą pomocniczego oprogramowania do krojenia druku 3D.
   1. Wybierz model druku w zależności od rodzaju gotowych produktów (modele drukujące w kolorze zwykle wykorzystują technologię White Jet Process, podczas gdy żywica światłoczuła zwykle wykorzystuje Digital Light Procession).
   2. Wybierz parametr grubości obrysu plastra w zależności od grubości produktów (tutaj od 24 μm do 36 μm).
   3. Wybierz metodę podparcia w zależności od precyzji modelu druku: ogólne wsparcie (lepsza ochrona i mniejsze uszkodzenia drobnych szczegółów) lub częściowe wsparcie (które oszczędza materiały).
   4. Wybierz kolorowanie modelu za pomocą funkcji palety kolorów w drukarce. Zunifikuj tętnice kolorem czerwonym 255 i żyły kolorem niebieskim 255,
      UWAGA: Ponieważ inne części, takie jak zmiana nowotworowa, nie są ściśle standardowe, chirurdzy mogą wybrać kolor zgodnie ze swoimi potrzebami lub preferencjami.
2. Wypełnij twardą żywicę utwardzalną światłem w drukarce 3D (patrz tabela uzupełniająca S1), debuguj platformę drukującą i drukuj przy użyciu technologii White Jet Process. Po wydrukowaniu wyjmij wstępnie wydrukowany model tarczycy.
   UWAGA: Technologia White Jet Process opiera się na zasadzie druku atramentowego, w którym cienka warstwa żywicy światłoczułej jest drukowana w jednym strumieniu, a następnie naświetlana określoną długością fali światła UV, powodując szybką reakcję polimeryzacji i utwardzanie żywicy światłoczułej. Proces ten jest wykonywany warstwa po warstwie, aż do zakończenia drukowania.

5. Leczenie końcowe

1. Odejmij strukturę podporową wstępnie wydrukowanego modelu tarczycy. Zmielić, polakierować i utwardzić półprodukt, aby uzyskać zindywidualizowany izometryczny model tarczycy wydrukowany w 3D w skali 1:1.
   1. Odejmowanie konstrukcji podporowej
      1. Zakładając rękawice, rozbij wsporniki owijające wokół wstępnego modelu i usuń większość głównego korpusu konstrukcji nośnej.
      2. Umieść model w myjce ultradźwiękowej z alkalicznym roztworem Ca(OH)₂ na 15 minut czyszczenia.
      3. Włóż model do mokrej piaskarki i spłucz go, aż reszta struktury nośnej na powierzchni zostanie zmyta.
   2. Szlifowania
      1. Szlifuj model za pomocą szlifierki elektrycznej, pilnika lub ściernicy.
   3. Lakierowanie
      UWAGA: Proces ten składa się z natryskiwania i ręcznego malowania.
      1. Rozpyl lakier na wielkopowierzchniowe kolorowe bloki na połowie powierzchni modelu. Ręcznie pomaluj kolorowe bloki o małej powierzchni lakierem.
   4. Utwardzania
      1. Umieść model w maszynie do utwardzania UV na 30 s utwardzania.
      2. Wyjmij model i wyczyść go 95% alkoholem.
         UWAGA: Po całkowitym ulotnieniu się alkoholu produkcja jest zakończona.

6. Dostawa

1. Zapakuj model tarczycy i zakończ dostawę do chirurgów przed operacją.

Results

Ten artykuł przedstawia protokół budowy spersonalizowanych modeli tarczycy pacjentów drukowanych w 3D. Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy do tworzenia spersonalizowanego modelu wydrukowanego w 3D dla tarczycy pacjentów. Rysunek 2 przedstawia spersonalizowane urządzenie do drukowania modeli 3D tarczycy pacjentów. Rysunek 3 pokazuje interfejs oprogramowania do tworzenia spersonalizowanego modelu drukowanego w 3D dla pacjentów z tarczy...

Discussion

Ultrasonografia może być jedynym zabiegiem obrazowania przedoperacyjnego dla większości pacjentów poddawanych operacji tarczycy¹⁵. Jednak kilka dobrze zróżnicowanych przypadków może cierpieć na zaawansowane choroby, które atakują otaczające tkanki lub narządy i utrudniają operację¹⁶. Model ten może być bardziej odpowiedni dla pacjentów z zaawansowanym rakiem tarczycy. W miarę postępu choroby pomocne w dalszej diagnozie jest dodatkowe badanie TK. Model ten opiera się na tomo...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Kolorowa drukarka 3D	Zhuhai Sina 3D Technology Co	J300PLUS	Obsługa funkcji: automatyczne zoptymalizowane rozmieszczenie, automatyczny skład modelu, obsługa automatycznego generowania, warstwowe cięcie i drukowanie krawędzi w czasie rzeczywistym, eksport plasterków, niestandardowa grubość koloru, niestandardowe rozmieszczenie / skalowanie, ocena roboczogodziny, ocena zużycia materiału, monitorowanie stanu drukowania, wyświetlanie pozostałego materiału, zmiana materiałów i kolorów, zarządzanie kolejkami pracy, pełne / częściowo zamknięte drukowanie, automatyczne wykrywanie zakłóceń modelu, podgląd warstw, automatyczna przerwa w przypadku braku atramentu, awaria zasilania w celu wznowienia drukowania Automatyczna dysza czyszcząca, automatyczna adaptacja kanałów, zmiana atramentu, automatyczny rurociąg czyszczenia, dalsze układanie. Zakres opcjonalnych materiałów: przezroczyste materiały do formowania serii RGD, nieprzezroczyste materiały do formowania serii RGD, miękkie materiały do formowania serii FLX, materiały do formowania podobne do ABS, materiały do formowania odporne na wysokie temperatury, materiały do formowania z serii Med (pierwszorzędny certyfikat dokumentacji medycznej), zwykłe materiały nośne, rozpuszczalne w wodzie materiały pomocnicze.
Oprogramowanie Mimics 21.0	Materialise, Belgia		Przetwarzanie danych DICOM