Name: Impressão 3D multicolorida de tumores intracranianos complexos na neurocirurgia (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-11T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 15 s
Description: Aprenda a criar modelos anatômicos multicoloridos em 3D para simulação cirúrgica usando fusão de imagens de CT e MRI. Este método permite visualizar estruturas internas como tumores e vasos sanguíneos com coloração volumétrica.

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Partes deste trabalho foram apresentados como um cartaz na reunião anual da Sociedade Alemã de Neurocirurgia (DGNC) 2019 em Würzburg, Alemanha e como uma breve apresentação na reunião anual da Sociedade Alemã de Cirurgia Assistida por Computador e Robô (CUV) 2019 em Reutlingen, Alemanha.

O protocolo foi aprovado pelo comitê de ética local responsável (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Alemanha). Todas as diretrizes institucionais para o atendimento e uso de dados do paciente foram seguidas.
1. Segmentação de dados de imagem médica e criação de um modelo 3D virtual
NOTA: O software que usamos para segmentação foi Amira 5.4.5. O processo de segmentação também pode ser realizado usando software de código aberto (por exemplo, cortador 3D, <a href="https://www.slicer.org/" target="_blank">https://www.slicer.org/)</a>
<ol><li>Use dados de imagem com alta resolução espacial (por exemplo, uma espessura de fatia de 1 mm ou menos). Aqui, um conjunto de dados de TC craniano com uma espessura de fatia de 0,5 mm e dados adicionais de ressonância magnética com uma espessura de fatia de 1 mm foram usados. Use dados de TC para a segmentação de imagens de Ressonância Magnética T1 aprimoradas por contraste para a segmentação de estruturas tumorais e neurais, bem como imagens no tempo de voo (TOF) para embarcações.</li>
	<li>Baixe os arquivos DICOM no computador e abra o software de segmentação. Importe os arquivos das diferentes modalidades de imagem e selecione a pasta com os dados de imagem.</li>
	<li>Clique nas imagens de TC e conecte-as com um módulo de renderização de volume (Volren). Escolha specular para uma renderização mais realista e ajustar o controle deslizante de transferência de cor para visualizar osso apenas. Continue importando as sequências de ressonância magnética e conectá-las a um módulo de renderização de volume também.</li>
	<li>Registo<ol>
<li>Como as imagens de RESSONÂNCIA magnética e TC não se sobrepõem, é necessário fundir os diferentes dados de imagem. Portanto, clique direito no conjunto de dados de ressonância magnética e escolha Compute > Affine Registration. Escolha referência clicando no quadrado branco do módulo, em seguida, arraste o cursor para o CT.</li>
		<li>Nas propriedades do Módulo de Registro deixam todas as configurações padrão e cliqueem nos Align Centers,seguidos por clicar no Register. Os dois conjuntos de dados de imagem diferentes agora são fundidos. Repita esta etapa para todos os conjuntos de dados de imagem.</li>
	</ol></li>
	<li>Verificação da precisão correspondente:<ol>
<li>Verifique a precisão correspondente, escondendo as renderizações de volume (clique no quadrado laranja do módulo) e adicionando um módulo OrthoSlice às imagens de RM. Clique no triângulo branco e escolha Colorwash. Em seguida, clique no quadrado branco, escolha dados e conecte esta porta com os dados de TC, arrastando o mouse para ele.</li>
		<li>Ajuste o controle deslizante de cor para visualizar as estruturas neurais sobrepostas às estruturas ósseas do crânio. Verifique se há desalinhamentos alternando o fator de peso deslizante ao olhar para a fronteira entre o crânio e as superfícies do cérebro, bem como os ventrículos. Repita este procedimento em diferentes fatias em direções coronais e softal.</li>
	</ol></li>
	<li>Edição volutrica<ol>
<li>Desativar a visibilidade do módulo OrthoSlice e reativar a renderização de volume do CT. Vá para os dados de TC e procure o menor valor no conjunto de dados, neste caso -2.048.</li>
		<li>Em seguida, adicione um módulo Volume Edit, conecte o módulo Volren com os dados de saída e defina o Valor do Estofamento para -2.048.</li>
		<li>Clique no Cut Inside e marque a região a ser removida no porto de visualização 3D. NOTA: É importante evitar a sobreposição com peças não destinadas a serem removidas.</li>
		<li>Neste exemplo, partes do osso da mandíbula e das vértebras cervicais superiores foram removidas.</li>
	</ol></li>
	<li>Segmentação de osso<ol>
<li>Em seguida, o osso restante deve ser segmentado e convertido em uma malha de superfície. Para fazer isso, clique no Editor de Segmentação,escolha a sequência de imagem de TC modificada e adicione um novo Labelset clicando no Novo.</li>
		<li>Agora escolha o Threshold como uma opção de segmentação. Defina o controle deslizante inferior a um valor de ~250 em caso de TC. Certifique-se de que estruturas ósseas finas, como o osso temporal ou a região orbital superior, sejam selecionadas na pré-visualização. Caso contrário, ajustar o limiar mais baixo, mas evitar a seleção de qualquer tecido mole.</li>
		<li>Em seguida, clique no Select e, finalmente, adicione a seleção ao conjunto de rótulos (clicando no ícone vermelho plus).</li>
		<li>Voltar para a vista da piscina. Um novo conjunto de etiquetas foi criado para o CT. Clique certo e escolha Compute > Surface Gen,verifique a opção Compactify e clique em Aplicar.</li>
		<li>Finalmente, adicione um módulo SurfaceView e ajuste a cor da malha gerada.</li>
	</ol></li>
	<li>Segmentação de outras estruturas<ol>
<li>Adicione outras estruturas relevantes, repetindo as etapas anteriores. Em caso de tumor, a segmentação manual foi utilizada em vez de uma operação de limiar.</li>
		<li>Para realizar segmentação manual, acesse o Editor de Segmentaçãoe escolha a opção de segmentação manual (ícone da escova) para marcar estruturas como o tumor em cada fatia. Finalmente adicione a seleção novamente clicando no ícone plus. Assim, o tumor, o nervo óptico e os vasos intracranianos serão segmentados e adicionados ao modelo.</li>
	</ol></li>
	<li>Exportando malinas<ol>
<li>Finalmente exportar as malhas geradas no formato STL, clicando na malha e clicando em Save. Escolha STL binário como o formato de arquivo.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Preparação do modelo 3D virtual para impressão multicolor
NOTA: O software usado para a preparação de impressão neste protocolo é Netfabb Premium 2019.0. Autodesk oferece o uso livre deste software em seu programa educacional.
<ol><li>Importar dados e realizar reparo automático.</li>
	<li>Abra o programa de preparação de impressão e importe as malinas geradas nas etapas anteriores como novas peças. Verifique o reparo automático e clique na importação.</li>
	<li>Excluindo pequenas peças soltas<ol>
<li>Selecione o crânio e divida suas conchas em partes clicando em Modificar > dividir conchas em partes. Isso separa quaisquer objetos soltos não conectados ao osso do crânio.</li>
		<li>Selecione o osso do crânio e alternar sua visibilidade fora.</li>
		<li>Agora selecione todas as outras partes e excluí-las.</li>
		<li>Alterne a visibilidade do crânio novamente.</li>
		<li>Repita este passo para todos os outros objetos.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Remova regiões sobrepostas. NOTA: Em algumas regiões, como o tumor dentro do ápice petrous do crânio, as geometrias de ambos os objetos se cruzam. Para evitar erros de impressão, é necessário remover tais cruzamentos.<ol>
<li>Selecione os dois objetos que se cruzam e clique em Operações Boolean.</li>
		<li>Mova o objeto para ser subtraído do outro para o lado vermelho da lista e clique em Aplicar. Agora os dois objetos estão claramente separados. Isso deve ser verificado alternando sua visibilidade.</li>
		<li>Repita estas etapas para permitir que o tumor assim como a artéria dentro do tumor torne-se separado claramente de se.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Adicione estruturas de suporte quando necessário.<ol>
<li>Em caso de artéria basilar, suportes adicionais são necessários para evitar que o objeto seja uma peça solta após a impressão.</li>
		<li>Adicione um novo objeto, neste caso, um cilindro(File > Parte Biblioteca),e ajuste suas dimensões e subdivisões, conforme necessário.</li>
		<li>Coloque o cilindro para se cruzar completamente com o crânio e a geometria do vaso.</li>
		<li>Agora realize a operação Boolean novamente para subtrair as partes dentro do osso e do vaso sanguíneo.</li>
		<li>Repita esta etapa para adicionar mais suportes quando necessário (por exemplo, o nervo óptico).</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Preparação para coloração volumétrica de peças selecionadas
NOTA: Para permitir coloração volumétrica de certas partes, é necessário gerar não apenas uma casca de superfície, mas muitas subconchas (superfícies adicionais) dentro do objeto.
<ol><li>Selecione o tumor, neste caso, e gere uma nova concha a partir dele (clique direito > Modificar > Gerar Shell).</li>
	<li>Defina uma espessura de concha de 0,3 mm no modo de compensação interna com uma precisão de 0,15 mm e aplique. Selecione a caixa de seleção da parte original do sustento. Isso gera uma concha interna com uma distância de 0,3 mm até a superfície original.</li>
	<li>Selecione a superfície externa de ambas as conchas e gere uma nova concha a partir dele. Selecione uma espessura de projétil de 0,25 mm no Modo Hollow com uma precisão de 0,15 mm. Selecione também a caixa de seleção da parte original do remoção. Isso gera um espaço de 0,05 mm entre as duas conchas adjacentes.</li>
	<li>Repita os passos 3.1-3.3 para que várias conchas internas com espessuras constantes e compensações invariáveis sejam criadas. NOTA: Recomenda-se usar uma espessura de casca de 0,35-0,25 mm, bem como uma compensação de 0,1-0,05 mm para alcançar coloração volumétrica suave.</li>
	<li>Repita os passos 3.1-3.4 com todos os outros objetos, como os vasos sanguíneos.</li>
</ol>4. Coloração e exportação do modelo 3D
NOTA: A coloração de todas as partes do modelo, incluindo as conchas distintas aninhadas, é feita usando o software Netfabb.
<ol><li>Selecione uma peça para ser colorida no menu de peças no lado esquerdo. Clique duas vezes no ícone textura e malha de cor. Escolha uma cor clicando na barra de cores do lado direito. No menu superior à esquerda clique no ícone Paint on Shells. Posteriormente, deixou clique no modelo exibido no centro de tela. Finalmente à esquerda clique na caixa de alterações de aplicar no canto inferior direito. Certifique-se de confirmar a seleção remove a parte antiga.</li>
	<li>Repita esses passos com todos os outros objetos e conchas, respectivamente.</li>
	<li>Exportar todos os objetos. Selecione todos os objetos para serem impressos, incluindo suportes e conchas internas, e exporte-os como arquivos individuais. Certifique-se de escolher o formato VRML (WRL), porque o formato STL não é capaz de transportar as informações de cores.</li>
</ol>5. Impressão e pós-processamento do modelo 3D
<ol><li>Configure a impressora 3D NOTA: O Software 3DPrint (Versão 1.03) foi usado para controlar a máquina de jatozprinter 450.<ol>
<li>Abra o software e importe os arquivos VRML coloridos clicando no Open e escolhendo todos os dados relevantes. Clique no botão Open no canto inferior direito da janela. Na janela subseqüente escolha milímetros como unidades. Certifique-se de verificar a posição de manter e orientação, bem como as configurações de aplicar para todas as caixas de arquivos. Finalmente escolha Z151 como o tipo de material. Clique no botão Next.</li>
		<li>Para posicionar os objetos 3D dentro do volume de construção, marque todos os objetos pressionando a chave <STRG>+A.<ol>
<li>Na janela superior esquerda, representando a visão XY do volume de compilação, clique e arraste os objetos marcados para o centro. Na janela inferior esquerda, representando a visão XZ do volume de construção, clique e arraste os objetos no meio da parte inferior acima da linha amarela.</li>
			<li>Se um modelo inteiro do crânio é impresso, seja certo que a abertura está virada para cima. Se pequenos modelos isolados são impressos, não se esqueça de partes delicadas, como embarcações com o avião XY, porque esta orientação irá aumentar a força das respectivas partes.</li>
			<li>Verifique a orientação correta dos modelos clicando e movendo-os na janela do lado direito.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Para se preparar para o processo de compilação, clique no ícone de configuração no menu superior. Certifique-se de que o tipo material correto é selecionado e que a espessura da camada está definida como 0,1 mm. A Compensação bleed deve ser verificada e a opção Impressão em Monocromático não é controlada.</li>
		<li>Para iniciar o processo de impressão, clique no ícone Build no menu superior. Na janela subsequente escolha Whole Build e clique no botão OK. Certifique-se de que, no seguinte diálogo de status da impressora, todos os itens listados sejam definidos corretamente e que a impressora esteja on-line. Em seguida, clique no botão Print na parte inferior da caixa de diálogo.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Pós-processamento do modelo NOTA: Use sempre um casaco de laboratório, luvas, proteção ocular e uma máscara enquanto manusea o pó solto e a solução de endurecimento. Sempre trabalhe em uma área bem ventilada.<ol>
<li>Desembalar<ol>
<li>Depois que a cópia é terminada, descompacte o modelo removendo com cuidado o pó frouxo com o aspirador de p30 integrado. É importante não entrar em contato diretamente com o modelo com o tubo de sucção para evitar que estruturas finas se sequetrem.</li>
			<li>Retire o modelo e limpe-o aplicando ar pressurizado, bem como limpá-lo com um pincel macio. Mais espessa, mais estável, partes do modelo podem adicionalmente ser moídas com um pincel mais duro. Esta etapa opcional permite um acabamento de superfície mais suave. Tenha em mente que neste estado o modelo ainda é muito frágil.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Infiltração<ol>
<li>Coloque o modelo dentro de uma banheira de plástico.</li>
			<li>Infiltrá-lo cuidadosamente com a solução de endurecimento até que nenhuma área esbranquiçada seja visível.</li>
			<li>A solução excedente tem que ser removida com o ar pressurizado e as toalhas de papel descartáveis para manter todos os detalhes da superfície.</li>
			<li>Deixe o modelo curar por várias horas até que esteja completamente seco.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Frank, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+endoscopic+transnasal+transsphenoidal+approach+for+the+treatment+of+cranial+base+chordomas+and+chondrosarcomas%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas.</a> Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).</li>
<li>Wu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+different+far+lateral+approaches+to+the+cranio-vertebral+junction+using+the+microscope+and+the+endoscope%3A+a+cadaveric+study+using+a+tumor+model%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Neurochirurgica%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of different far lateral approaches to the cranio-vertebral junction using the microscope and the endoscope: a cadaveric study using a tumor model.</a> Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).</li>
<li>Huang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+small+3D-printing+model+of+macroadenomas+for+endoscopic+endonasal+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Pituitary%22%5BJournal%5D)">A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery.</a> Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).</li>
<li>Stone, J. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preoperative+Planning+Using+3-Dimensional+Printing+for+Complex+Paraspinal+Schwannoma+Resection%3A+2-Dimensional+Operative+Video%5BTitle%5D)+AND+%22Operative+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video.</a> Operative Neurosurgery. 16 (3), 80(2018).</li>
<li>Scerrati, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+workflow+to+generate+physical+3D+models+of+cerebral+aneurysms+applying+open+source+freeware+for+CAD+modeling+and+3D+printing%5BTitle%5D)+AND+%22Interdisciplinary+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing.</a> Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).</li>
<li>Kamio, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utilizing+a+low-cost+desktop+3D+printer+to+develop+a+%22one-stop+3D+printing+lab%22+oral+and+maxillofacial+surgery+and+dentistry+fields%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" oral and maxillofacial surgery and dentistry fields.</a> 3D Printing in Medicine. 4, 6(2018).</li>
<li>Kondo, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+neurosurgical+simulation+of+skull+base+tumors+using+a+3D+printed+rapid+prototyping+model+containing+mesh+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Neurochirurgica%22%5BJournal%5D)">A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures.</a> Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).</li>
<li>Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Skull+base+chondrosarcoma%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+clinical+Neuroscience%3A+Official+Journal+of+the+Neurosurgical+Society+of+Australasia%22%5BJournal%5D)">Skull base chondrosarcoma.</a> Journal of clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 24, 1-5 (2016).</li>
<li>Jones, P. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Outcomes+and+patterns+of+care+in+adult+skull+base+chondrosarcomas+from+the+SEER+database%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Clinical+Neuroscience%3A+Official+Journal+of+the+Neurosurgical+Society+of+Australasia%22%5BJournal%5D)">Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database.</a> Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).</li>
<li>Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Brain+Imaging+in+Vascular+Segmentation+of+Cerebral+Venous+Sinuses%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Digital+Imaging%22%5BJournal%5D)">3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses.</a> Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).</li>
<li>Dong, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+brain+arteriovenous+malformation+models+for+clinical+use+and+resident+training%5BTitle%5D)+AND+%22Medicine%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training.</a> Medicine. 97, 9516(2018).</li>
<li>Dolinski, N. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solution+Mask+Liquid+Lithography+%28SMaLL%29+for+One-Step%2C+Multimaterial+3D+Printing%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing.</a> Advanced Materials. 30, 1800364(2018).</li>
<li>Coelho, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multimaterial+3D+printing+preoperative+planning+for+frontoethmoidal+meningoencephalocele+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Child%27s+Nervous+System%3A+ChNS%3A+Official+Journal+of+the+International+Society+for+Pediatric+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery.</a> Child's Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).</li>
<li>Javan, R., Cho, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Assembled+Prototype+Multimaterial+Three-Dimensional-Printed+Model+of+the+Neck+for+Computed+Tomography-+and+Ultrasound-Guided+Interventional+Procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Computer+Assisted+Tomography%22%5BJournal%5D)">An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures.</a> Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).</li>
</ol>

Este estudo foi apoiado por uma bolsa da faculdade de medicina da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz para M.K. ("Biomatics - Stufe 1 Förderung").

A terapia do condrosarcoma intracraniano é baseada principalmente na remoção cirúrgica completa. Muitas vezes localizado no ápice petroso, este tumor está próximo a estruturas importantes, como a artéria carótida interna, o nervo óptico e a glândula pituitária. Portanto, planejar as trajetórias cirúrgicas é um passo crucial antes da cirurgia. A impressão 3D multicolorida permite a fusão dessas estruturas, cada uma derivada de diferentes modalidades de imagem, em um único objeto.
Durante a preparação para a impressão 3D, é importante selecionar cuidadosamente os dados de imagem adequados. Imagens de alta resolução com uma pequena espessura de fatia são bem adequadas para reconstrução 3D e transições suaves, enquanto espessuras de fatias altas produzirão objetos grosseiros e irregulares. Outra etapa crítica do método é evitar cruzamentos de dois objetos vizinhos, como tumor e osso do crânio. Portanto, as operações boolean tem que ser realizada para subtrair um objeto do outro.
Para permitir coloração volumétrica é necessário criar subsuperfícies semelhantes a cascas de cebola dentro de um objeto (Figura 2A,B). É necessário ter uma distância mínima entre duas superfícies adjacentes de pelo menos 0,1 mm para obter objetos de cores lisas (Figura 2D). Se a distância escolhida estiver acima desse valor, as conchas individuais dentro do objeto podem se tornar visíveis(Figura 2C). A atenção deve ser dada a um aumento do consumo de cores da impressora 3D ao usar coloração volumétrica. Além disso, também é importante verificar o modelo para quaisquer peças soltas e adicionar suportes quando necessário (por exemplo, a artéria basilar).
O método só pode produzir material rígido, semelhante a gesso, que não é muito durável. Especialmente sem o procedimento de endurecimento, o modelo pode ser facilmente destruído durante o procedimento de desembalagem. Assim, elementos frágeis, como os vasos sanguíneos, muitas vezes tendem a quebrar.
A técnica também não é adequada para simulação de tecidomole. Para simular o tecido cerebral, por exemplo, pode ser necessário imprimi-lo com um método que é capaz de produzir materiais macios e duros diretamente12,13 ou para imprimir moldes que podem ser usados para lançar objetos macios, como borracha de silicone14. Em um caso de teste, o último método foi usado para simular um tumor macio. A limitação deste último procedimento era que embora o tumor do silicone fosse muito flexível, era necessário ter bastante espaço para introduzi-lo no modelo impresso 3D. Além disso, não foi possível criar estruturas internas, como um vaso sanguíneo.
O aperto de pasta 3D que jorra é uma técnica de fabricação aditiva que monte objetos por endurecimento parcial e colorindo camadas finas de pó de gesso. Assim, permite imprimir uma escala quase ilimitada das cores, das transições da cor, e das estruturas coloridas dentro do volume dos objetos em um único processo.
Em comparação com outras técnicas de impressão, como impressoras de filamento, que produzem os custos mais baixos, mas só permitem duas ou três cores ao mesmo tempo, e impressoras Poly Jet que produzem objetos multicoloridos e multimateriais, mas são muito caras, esta técnica oferece um compromisso a um preço acessível. O custo médio do material para um crânio impresso era aproximadamente 150 €.
Com este método, é possível visualizar dados ainda mais abstratos, como fibras de filamento derivadas de sequências de rastreamento de fibra de ressonância magnética ou imagens funcionais que retratam, por exemplo, a área da fala cerebral (por exemplo, área de Broca%).
Além da simulação cirúrgica, modelos impressos em 3D e totalmente coloridos de anatomia real do paciente podem ajudar a melhorar a educação de estudantes de medicina ou médicos jovens para que possam entender melhor as relações anatômicas complexas. É também uma ferramenta importante na educação do paciente.

O tratamento cirúrgico de tumores de base do crânio é uma tarefa desafiadora que requer planejamento pré-operatório preciso1. A imagem latente multimodal usando a tomografia computada (CT) e a imagem latente da ressonância magnética (MRI) fornece o cirurgião a informação sobre a anatomia individual do paciente. Na prática clínica, essas informações diagnósticas são visualizadas avistando uma série de seções transversais bidimensionais (2D) representando diferentes aspectos da anatomia (por exemplo, TC para visualização de angiografia óssea, CT para vasos, RM para tecidos moles).
No entanto, especialmente para iniciantes, estudantes de medicina e pacientes, entender as relações complexas das diferentes estruturas 3D com as imagens transversais é um desafio. Ao lado de estudos cadavéricos2,esse problema poderia ser abordado apartir modelos anatômicos de patologias individuais em tamanho real, exibindo estruturas anatômicas em diferentes cores3.
Graças aos avanços técnicos nos últimos anos, as tecnologias de impressão 3D permitem a construção econômica de formas complexas4,5. Portanto, essa técnica oferece a possibilidade de construir modelos anatômicos específicos do paciente que sejam tangíveis, retratem claramente as relações espaciais e possam ser usados para planejamento cirúrgico e simulação. Especialmente em casos raros e complexos, como condrosarcomas de ápice petroso, simulação pré-operatória da remoção do tumor em um caso individual pode ajudar a melhorar a autoconfiança do cirurgião e do resultado do paciente.
As técnicas comuns de impressão FDM (modelagem de deposição de filamento) só permitem a criação de objetos com uma superfície fechada em uma ou uma variedade limitada de cores6. Para fornecer um modelo para simulação cirúrgica que contém várias estruturas anatômicas em forma complexa, principalmente aninhadas entre si, são necessárias impressões 3D totalmente coloridas em volume. Isto permite uma remoção sucessiva de camadas do tecido até que uma estrutura interna esteja revelada.
Cor à base de gesso 3D pasta de pastagem é uma técnica capaz de produzir os modelos multicolor necessários7. Considerando que em suas configurações padrão apenas a superfície de um objeto pode ser colorida, aqui uma técnica modificada é descrita para garantir a aplicação volumétrica de cor para estruturas anatômicas internas.
Para demonstrar essa técnica, os casos de pacientes com condrosarcomas de base craniana foram selecionados como exemplo. Os chondrosarcomas são responsáveis por 20% de toda a neoplasia no sistema esquelético, principalmente localizado nos ossos longos. Os condrosarcomas primários da base do crânio são uma condição rara responsável por 0,1-0,2% de todos os tumores intracrananos8. Localizados principalmente no ápice petrous, esses tumores crescem em um ambiente anatômico complexo envolvendo estruturas fundamentais, como a artéria carótida interna, a ótica e outros nervos cranianos, bem como a glândula pituitária. O tratamento desses neoplasias é focado principalmente em uma ressecção cirúrgica total, pois as terapias adjuvantes sozinhas (por exemplo, radiação) não são eficazes o suficiente9.
Devido à complexidade e raridade desta entidade tumoral, a simulação cirúrgica pré-operatória em um modelo de crânio impresso em 3D pode ajudar a visualizar e entender melhor a anatomia e ajudar o cirurgião a alcançar a ressecção completa. Como mostrado por outros10,11 impressão 3D de modelos específicos do paciente melhora a compreensão dos neurocirurgiões residentes e experientes de neuroanatomia complexa.
No entanto, a criação desses modelos individualizados a partir de dados de imagem médica requer habilidades na segmentação de imagens, modelagem 3D e impressão 3D, especialmente quando as estruturas anatômicas devem ser impressas em cores diferentes. Este manuscrito pretende tornar a fabricação dos modelos anatômicos descritos mais acessível para outros, fornecendo um protocolo detalhado para a conversão de dados de imagens médicas em modelos 3D virtuais e para a fabricação de objetos 3D multicoloridos.
O fluxo de trabalho consiste principalmente em quatro partes: 1) segmentação de dados de imagem médica e criação de um modelo 3D virtual; 2) preparação do modelo 3D virtual para impressão 3D multicolor; 3) preparação para coloração volumétrica de peças selecionadas; e 4) impressão 3D e processamento pós.

<table><tbody><tr><td>Impressora</td><td>3D 3D Systems (anteriormente Zcorp)</td><td>x</td><td>Zprinter Z450</td></tr><tr><td>Software de impressão 3D</td><td>3D Systems (anteriormente Zcorp)</td><td>x</td><td>3DPrint Software (Versão 1.03)</td></tr><tr><td>Solução de encadernação para cartucho</td><td>4D Concepts GmbH, Gro&szlig;-Gerau, Alemanha</td><td>42-0100-7001</td><td>VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Litro</td></tr><tr><td>Solução</td> <td>de infiltração4D Concepts GmbH, Gro&szlig;-Gerau, Alemanha</td><td>42-0250-1090</td><td>Color-Bond 90, 1 frasco, 454 g</td></tr><tr><td>Software de modelagem para preparação de impressão 3D</td><td>Autodesk, San Rafael, CA, EUA</td><td>x</td><td>Netfabb Premium (Versão 2019.0)</td></tr><tr><td>Cabeça de impressão para encadernador</td><td>4D Concepts GmbH, Gro&szlig;-Gerau, Alemanha</td><td>42-0150-2010 Cabeça de</td><td>impressão HP 11 (C4810A)</td></tr><tr><td>Cabeça de impressão para cores</td><td>4D Concepts GmbH, Cabeça de</td><td></td><td>impressão HP 57 C 6657 AE Pó</td></tr><tr><td>de impressão</td> tricolor <td>4D Concepts GmbH, Cor de fábrica, Alemanha</td><td>42-0050-2061</td><td>VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg - ca. 11,47 L</td></tr><tr><td>Software de segmentação</td><td>Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA</td><td>x</td><td>Amira 5.4.5</td></tr></tbody></table>

impressão 3d multicolorida de tumores intracranianos complexos na neurocirurgia

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

As tecnologias tridimensionais (3D) de impressão oferecem a possibilidade de visualizar patologias específicas do paciente em um modelo físico de dimensões corretas. O modelo pode ser usado para planejar e simular etapas críticas de uma abordagem cirúrgica. Portanto, é importante que estruturas anatômicas, como vasos sanguíneos dentro de um tumor podem ser impressas para serem coloridas não apenas em sua superfície, mas em todo o seu volume. Durante a simulação, isso permite a remoção de certas partes (por exemplo, com uma broca de alta velocidade) e revelar estruturas localizadas internamente de uma cor diferente. Assim, informações diagnósticas de várias modalidades de imagem (por exemplo, TC, RM) podem ser combinadas em um único objeto compacto e tangível.
No entanto, a preparação e impressão de um modelo anatômico totalmente colorido continua a ser uma tarefa difícil. Portanto, um guia passo a passo é fornecido, demonstrando a fusão de diferentes conjuntos de dados de imagem transversal, segmentação de estruturas anatômicas e criação de um modelo virtual. Em uma segunda etapa, o modelo virtual é impresso com estruturas anatômicas de cor volumicamente usando uma técnica de aglutinação 3D à base de gesso. Este método permite uma reprodução altamente precisa da anatomia específica do paciente, como mostrado em uma série de condrosarcomas de ápice petroscóculo impresso em 3D. Além disso, os modelos criados podem ser cortados e perfurados, revelando estruturas internas que permitem a simulação de procedimentos cirúrgicos.

Foram criados oito pacientes com condrosarcoma do ápice petroso para o estudo e foram criados modelos 3D virtuais, cada um contendo osso, tumor, vasos, glândula pituitária e cruzamento óptico do nervo. Três modelos foram submetidos a impressão 3D multicolorida usando a técnica de azema 3D baseada em gesso(Figura 1A1,A2). Além disso, um único tumor com artéria interna foi criado(Figura 1B1)para mostrar os benefícios da coloração volumétrica em comparação com a coloração da superfície (Figura 1B2,B3).
Esses modelos foram utilizados para demonstrar a simulação de uma abordagem cirúrgica (por exemplo, criação de buracos de burr) e ressecção tumoral. Esta técnica de impressão permitiu a combinação de estruturas anatômicas derivadas de diferentes modalidades de imagem em um único objeto.
O material de gesso tinha propriedades semelhantes a ossos e poderia ser facilmente perfurado sem derreter. Assim, era viável utilizá-la para simular uma rota de acesso cirúrgico. Após o procedimento de endurecimento, foi estável o suficiente para reproduzir até mesmo estruturas frágeis, como a árvore do vaso intracerebral.
A capacidade de colorir todo o volume do modelo permitiu que a estrutura interna de um objeto, como a artéria carótida interna que viaja através do tumor, fosse claramente visualizada. Ao remover camadas de tumor com a broca, a artéria vermelha foi gradualmente revelada durante a simulação cirúrgica.
Para provar a precisão da técnica, os modelos 3D foram digitalizados em um tomógrafo de computador. Os modelos criados para impressão foram sobrepostos a esses exames. Um mapeamento de desvio foi criado, e a precisão foi determinada em 50 pontos de superfície escolhidos aleatoriamente. Um desvio médio de 0,021 mm demonstra o alto deacordo da impressão 3D em comparação com os dados originais.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig01.jpg"> Figura 1: Impressões 3D coloridas em volume vs. superfície. A1. Exemplar de cor 3D impressão colorida de um paciente com condrosarcoma no ápice petroso direito. A2. Visão detalhada das estruturas anatômicas (seta = bifurcação interna da artéria carótida; O = chiasm óptico do nervo; T = tumor). B1. Vaso sanguíneo cruzando o volume do tumor e nível transversal (linha pontilhada). B2, b2. A técnica convencional de impressão multicolorida revela cor apenas na superfície. B3, b3. A técnica modificada produz objetos volumicamente coloridos adequados para simulação cirúrgica avançada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste número.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig02.jpg"> Figura 2: Fluxo de trabalho para coloração volumétrica de impressões 3D. R. Modelo 3D virtual de um tumor com um vaso sanguíneo cruzando seu volume sem conchas internas. B. Um tumor e um vaso sanguíneo com múltiplas conchas internas (distância 0,05 mm). C. Um exemplo de uma distância de alta concha (1 mm). As únicas camadas de conchas coloridas e brancas ainda são visíveis. D. Um exemplo de distância de conchapequena (0,1 mm). O volume interno do objeto é completamente colorido. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior deste número.</a>

O protocolo descreve a fabricação de impressões tridimensionais totalmente coloridas de modelos de crânio anatômico específicos do paciente para serem usados para simulação cirúrgica. Os passos cruciais da combinação de diferentes modalidades de imagem, segmentação de imagem, extração de modelotridimensional e produção das impressões são explicados.

Impressão 3D multicolorida de tumores intracranianos complexos na neurocirurgia

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

O objetivo deste procedimento é demonstrar as etapas da criação de modelos anatômicos impressos em 3D, totalmente coloridos e específicos do paciente, utilizando dados de diferentes modalidades de imagem. Utilizando o exemplo de condrosarcomas do ápice petrous, todo o processo de fusão e segmentação de imagem, geração de um modelo 3D virtual e fabricação da impressão 3D são demonstrados. Além disso, é descrita a coloração volumosa de impressões 3D adequadas para simulação cirúrgica.Uma variedade de modalidades de imagem, como tomografia computadorizada e ressonância magnética, mostram diferentes aspectos do local cirúrgico, como osso, tecido mole, tumor e vasos. As tecnologias de impressão 3D oferecem a possibilidade única de combinar esses diferentes aspectos em um único objeto, compacto e tangível em dimensões de tamanho real que podem ser estudadas e usadas para simular a abordagem cirúrgica. Especialmente para simulação cirúrgica, é importante produzir impressões 3D não apenas coloridas na superfície para fornecer coloração volumosa em profundidade para visualizar claramente estruturas aninhadas dentro uma da outra, como um vaso sanguíneo atravessando um tumor.Este vídeo oferece um guia passo-a-passo para a fabricação de um modelo anatômico totalmente colorido baseado no exemplo de um condromesrcoma do ápice petrous. Os passos cruciais neste procedimento são a fusão e segmentação de dados de imagem médica, seguida pela criação de um modelo de superfície 3D virtual. Como terceiro passo, o modelo virtual é preparado para impressão 3D multicolorida, incluindo um fluxo de trabalho modificado para permitir a coloração volumosa de peças específicas.Finalmente, são descritas a impressão e o pós-processamento. É importante usar dados de imagem com alta resolução espacial, por exemplo, uma espessura de fatia de um milímetro ou menos. A tomografia computadorizada foi utilizada para segmentação de ossos.Foram utilizadas imagens de ressonância magnética T1 aprimoradas em contraste para segmentação de estruturas tumorais e neurais e imagens TOF para vasos. Baixe os arquivos DICOM em seu computador e abra o Software Amira. Importe os arquivos das diferentes modalidades de imagem e selecione a pasta dos dados de imagem.Clique nas imagens CT e conecte-as com o módulo renderização de volume. Escolha Specular para uma renderização mais realista e ajuste o controle deslizante de transferência de cores para visualizar apenas osso. Continue importando as sequências de ressonância magnética e conecte-as a um módulo de renderização de volume também.Como as imagens de ressonância magnética e tomografia não estão se sobrepondo, é necessário fundir os diferentes dados de imagem. Portanto, clique com o botão direito do mouse no conjunto de dados da ressonância magnética e escolha Compute, Affine Registration. Escolha Referência e direcione o cursor para a tomografia computadorizada. Nas propriedades do módulo De registro, deixe todas as configurações por padrão e clique em Centros de Alinhamento, seguido de clique em Registrar.Os dois diferentes conjuntos de dados de imagem estão agora fundidos. Repita esta etapa para todos os conjuntos de dados de imagem adicionais. Verifique a precisão de correspondência ocultando as renderizações de volume e adicionando um módulo OrthoSlice às imagens MR.Escolha colorwash. Em seguida, clique em Data e conecte esta porta com a CT arrastando o mouse para ele. Ajuste o controle deslizante de cor para visualizar as estruturas neurais sobrepostas às estruturas do crânio ósseo.Verifique se há desalinhamentos, toggling o controle deslizante do fator de peso e olhando para a borda entre crânio e superfície cerebral, bem como os ventrículos. Repita este procedimento em diferentes fatias e em direções coronais e sagitas. Desative a visibilidade do módulo OrthoSlice e reative a renderização do volume da tomografia computadorizada. Vá para os dados da CT e procure o menor valor neste conjunto de dados, neste caso, menos 2.048.Em seguida, adicione um módulo de edição de volume, conecte o módulo Volren com os dados de saída e defina o valor de preenchimento para menos 2.048. Clique em Cut Inside e marque a região a ser removida na viewport 3D. Note que é importante evitar a sobreposição com peças não destinadas a serem removidas.Neste exemplo, partes do osso da mandíbula e das vértebras cervicais superiores foram removidas. Em seguida, o osso restante será segmentado e convertido em uma malha superficial. Portanto, clique no Editor de Segmentação e escolha a sequência de imagem CT modificada e adicione um novo conjunto de rótulos.Agora escolha Limiar como opção de segmentação. Defina o controle deslizante inferior a um valor em torno de 250 em caso de tomografia computadorizada. Certifique-se de estruturas ósseas finas, como o osso temporal ou a região orbital superior a serem selecionadas na pré-visualização. Caso contrário, ajuste o limiar inferior, mas evite selecionar qualquer tecido mole.Em seguida, clique em Selecionar. E, finalmente, adicione a seleção ao conjunto de rótulos. Volte para a Vista da Piscina.Um novo conjunto de etiquetas foi criado para o CT. Clique com o botão direito do mouse e escolha Compute, Surface Gen, verifique a opção Compactar e clique em Aplicar. Por fim, adicione um módulo Surface View e ajuste a cor da malha gerada. Adicione outras estruturas relevantes repetindo as etapas anteriores.No caso do tumor, utilizou-se a segmentação manual e não a operação de limiar. Assim, o tumor, o nervo óptico e os vasos intracranianos foram segmentados e adicionados ao modelo. Finalmente, exporte as malhas geradas clicando com o botão direito do mouse na malha e clicando em Salvar.Escolha STL como formato de arquivo. Abra a Netfabb e importe as malhas geradas nas etapas anteriores como novas peças. Verifique o reparo automático e clique em Importar.Selecione o crânio e divida suas conchas em partes. Isso separa todos os objetos soltos não conectados ao osso do crânio. Selecione o osso do crânio e alterne sua visibilidade.Agora selecione todas as outras partes e exclua-as. Repita este passo para todos os outros objetos. Note que, em algumas regiões, como o tumor dentro do ápice petroso do crânio, as geometrias de ambos os objetos se cruzam entre si.Para evitar erros de impressão, é necessário remover tais intersecções. Portanto, selecione os dois objetos interseccionais e clique em Operações Booleanas. Mova o objeto para ser subtraído do outro para o lado vermelho da lista e clique em Aplicar.Agora, os dois objetos estão claramente separados, o que deve ser verificado, diminuindo sua visibilidade. Repetindo esses passos, o tumor, bem como a artéria dentro do tumor, são claramente separados um do outro. No caso da artéria basilar, são necessários suportes adicionais para evitar que o objeto seja uma peça solta após a impressão.Adicione um novo objeto, neste caso, um cilindro, e ajuste suas dimensões e subdivisões conforme necessário. Coloque o cilindro para se cruzar completamente com o crânio e a geometria do vaso. Agora realize a operação booleana novamente para subtrair as partes dentro do osso e do vaso sanguíneo.Repita esta etapa para adicionar mais suportes quando necessário. Para permitir a coloração volumosa de certas peças, é necessário gerar não apenas uma concha de superfície, mas muitas subshells dentro do objeto. Selecione o tumor e gere uma nova concha a partir dele.Defina uma espessura de concha de 3 milímetros no modo de deslocamento interno com uma precisão de 15 milímetros e aplique. Isso gera uma concha interna com uma distância de 3 milímetros até a superfície original. Selecione a camada externa e gere uma nova concha a partir dela.Selecione a espessura da casca de 25 milímetros no Modo Oco com uma precisão de 15 milímetros. Além disso, selecione a caixa de seleção Remover peça original. Isso gera um espaço de 05 milímetros entre as duas conchas adjacentes.Repetindo esses passos, são criadas várias conchas internas com espessuras constantes e deslocamentos invariantes. Recomenda-se o uso de uma espessura de concha de 35 a 25 milímetros, bem como um deslocamento de 1 a 05 milímetros para alcançar uma coloração volumétrica suave. Repita esses passos com todos os outros objetos, como os vasos sanguíneos.Na última etapa, a cor de impressão de cada objeto deve ser definida. Portanto, selecione uma peça para ser colorida. Clique duas vezes em Textura e Malha de Cores, e escolha uma cor.Clique no ícone Pintura em Conchas, seguido de clique no modelo exibido no centro de tela. Por fim, aplique alterações e certifique-se de confirmar o diálogo Remover parte antiga. Repita estes passos com todos os outros objetos e conchas, respectivamente.Finalmente, exporte todos os objetos a serem impressos, incluindo suportes e conchas internas, e exporte-os como arquivos individuais. Certifique-se de escolher o formato VRML, já que o formato STL não é capaz de transportar as informações de cor. Abra o software de impressão 3D do sistema 3D e importe os arquivos VRML criados na etapa anterior.Escolha milímetros como unidade. Verifique manter posição e aplique em todos os arquivos. E defina o tipo de material para ZP151.Agora coloque o modelo 3D no volume de impressão ajustando sua posição e rotação. No caso do modelo do crânio, certifique-se de que a abertura está voltada para cima. Vá para Configuração, selecione ZP151 como um tipo de material e defina a espessura da camada para 1 milímetro.Verifique a compensação de sangria e confirme. Em seguida, clique em Criar e deixe todas as configurações como predefinidas. Finalmente, verifique o status da impressora e clique em Imprimir.Depois que a impressão estiver concluída, desempacote o modelo removendo cuidadosamente pó solto com um aspirador de pó. É importante não entrar em contato direto com o modelo com o tubo de sucção para evitar que estruturas finas se separem. Retire o modelo e limpe-o aplicando cuidadosamente o ar pressurizado, bem como limpe-o com uma escova macia.Neste estado, o modelo ainda é muito frágil. Para aumentar a estabilidade e a situação de cores, coloque o modelo dentro de uma banheira de plástico e infiltre-o com uma solução de endurecimento. A solução excedente deve ser removida com ar pressurizado para manter todos os detalhes da superfície mantidos.Deixe o modelo curar por várias horas até que esteja completamente seco. Foram criadas diferentes impressões 3D multicoloridas de pacientes com condrorcoma. A técnica de impressão 3D multicolorida permite fundir diferentes aspectos anatômicos, como estruturas ósseas e de tecidos moles, cada um derivado de diferentes modalidades de imagem, a serem combinados em um único objeto.Em uma configuração de simulação cirúrgica, o material de gesso da impressão multicoloria mostrou propriedades semelhantes a ossos e poderia ser facilmente perfurado e cortado. Essa técnica também oferece a possibilidade de colorir a estrutura interna de um objeto, como a artéria carótida interna que viaja pelo tumor. Ao remover camadas de tumor com a broca, a artéria vermelha é revelada durante a simulação cirúrgica.Para provar a precisão da técnica, os modelos 3D foram escaneados no tomógrafo computado. Os modelos criados para impressão foram sobrepostos a esses exames. Um mapeamento de desvio foi criado, e a precisão foi determinada em 50 pontos de superfície escolhidos aleatoriamente.Um desvio médio de 21 mícrons demonstra a alta conformidade da impressão 3D em comparação com os dados originais. Foi demonstrado como combinar diferentes modalidades de imagem clínica em uma única impressão 3D multicolorida. Além disso, foi apresentada modificação do fluxo de trabalho de impressão 3D padrão para permitir a produção de modelos cor-de-volumetricamente.Além disso, a precisão sobreposta das impressões 3D em comparação com os dados originais de imagem mostrou uma alta precisão. Em conclusão, esses modelos totalmente coloridos permitem simulação cirúrgica até mesmo de situações complexas e anatômicas, como tumores baseados no crânio, que tem sido apresentado em uma série de estudos de caso.

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Research

JoVE Journal

Medicine

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