Summary
הפרוטוקול מתאר את הייצור של הדפסים תלת מימדיים בצבע מלא של המטופל ספציפי, הגולגולת מודלים אנטומיים לשמש לסימולציה כירורגית. השלבים הקריטיים של שילוב שיטות דימות שונות, פילוח תמונה, הפקת מודל תלת מימדי, וייצור הדפסים מוסברים.
Abstract
טכנולוגיות הדפסה תלת ממדיות (3D) מציעות את האפשרות להמחיש באופן מטופל את הפתווגיות ספציפיות לחולה במודל פיזי של ממדים נכונים. ניתן להשתמש במודל לתכנון ולהדמיית צעדים קריטיים בגישה כירורגית. לכן, חשוב כי מבנים אנטומיים כגון כלי דם בתוך הגידול ניתן להדפיס לא רק על פני השטח שלהם, אלא לאורך כל הנפח שלהם. במהלך סימולציה זה מאפשר הסרה של חלקים מסוימים (למשל, עם מקדחה במהירות גבוהה) וחשיפת מבנים ממוקמים באופן פנימי של צבע שונה. לפיכך, ניתן לשלב מידע אבחוני מתוך שיטות דימות שונות (לדוגמה, CT, MRI) באובייקט קומפקטי ומוחשי אחד.
עם זאת, הכנה והדפסה של מודל אנטומי כזה בצבע מלא נשאר משימה קשה. לכן, מדריך צעד אחר צעד מסופק, הוכחת את המיזוג של ערכות נתונים שונות הדמיה צולבות, פילוח של מבנים אנטומיים, ויצירת מודל וירטואלי. בשלב השני המודל הווירטואלי מודפס עם מבנים אנטומיים צבעוניים בצבע באמצעות גבס מבוססי צבע המבוסס 3D טכניקה באמצעות הקלסר. שיטה זו מאפשרת שכפול מדויק מאוד של אנטומיה ספציפית לחולה כפי שמוצג בסדרה של כונדרוסרקומות מודפסים של איפקס תלת-ממד. יתר על כן, המודלים שנוצרו ניתן לגזור ולקדוח, חשיפת מבנים פנימיים המאפשרים הדמיה של הליכים כירורגיים.
Introduction
טיפול כירורגי של גידולים בסיס הגולגולת היא משימה מאתגרת הדורשת תכנון טרום הניתוח מדויק1. הדמיה מרובת מודאליות בעזרת טומוגרפיה ממוחשבת (CT) ודימות תהודה מגנטית (MRI) מספקת למנתח מידע על האנטומיה האינדיבידואלית של המטופל. בפרקטיקה הקלינית, מידע אבחוני זה הוא דמיינו על ידי הצגת סדרה של דו מימדי (2D) צולבות סעיפים המייצגים היבטים שונים של האנטומיה (למשל, CT עבור ויזואליזציה של העצם, ה-CT אנגיוגרפיה עבור כלי, MRI עבור רקמה רכה).
עם זאת, במיוחד עבור מתחילים, סטודנטים לרפואה, וחולים, הבנת היחסים המורכבים של מבנים תלת-ממדיים שונים לתמונות צולבות החתך הוא מאתגר. לצד מחקרים מחזור2, בעיה זו יכול להיות ממוען על ידי הקמת מודלים אנטומיים בגודל אמיתי של הפתווגיות בודדים, הצגת מבנים אנטומיים בצבעים שונים3.
תודות להתקדמות טכנית בשנים האחרונות, טכנולוגיות הדפסה תלת מימד מאפשרות בנייה חסכונית של צורות מורכבות4,5. לכן, טכניקה זו מציעה את האפשרות לבנות מודלים אנטומיים ספציפיים למטופל, כי הם מוחשיים, ברור לתאר יחסים מרחביים, והוא יכול לשמש תכנון כירורגי וסימולציה. במיוחד במקרים נדירים ומורכבים כגון כונדרוסרקומות של הפיסגה, סימולציה מראש של הסרת הגידול במקרה בודד עשוי לסייע לשפר את הביטחון העצמי של המנתח ואת התוצאה החולה.
משותף FDM-הדפסה (דגמי הוראות פילמנט) מאפשרים רק ליצור אובייקטים עם משטח סגור במגוון מצומצם של צבעים6. כדי לספק מודל לסימולציה כירורגית המכילה מבנים אנטומיים שונים בצורת מורכבים בעיקר מקוננים בתוך זה, הדפסים תלת-ממדיים צבעוניים בצבע מלא. הדבר מאפשר הסרה רציפה של שכבות רקמות עד לגילוי מבנה פנימי.
טיח מבוסס צבע 3d מאגד קלסר הוא טכניקה מסוגל לייצר את הדגמים הדרושים ססגוניות7. לעומת זאת תצורות סטנדרטיות רק את פני השטח של האובייקט ניתן לצבוע, בזאת טכניקה שונה מתוארת כדי להבטיח יישום נפחי של צבע מבנים אנטומיים פנימיים.
כדי להדגים טכניקה זו, מקרים של חולים עם כונדרוסרקומות בסיס הגולגולת נבחרו כדוגמה. חשבון כונדרוסרקומות עבור 20% של כל neoplasia במערכת השלד, ממוקם בעיקר בעצמות הארוכות. ראשי הגולגולת בסיס כונדרוסרקומות הם מצב נדיר אחראי 0.1 – 0.2% של כל גידולים בתוך התוך התוך גולגולתי8. ממוקם בעיקר הפיסגה petrous, גידולים אלה גדלים בסביבה אנטומית מורכבת מעורבים מבנים מרכזי כגון עורק הראש הפנימי, האופטי ועצבי הגולגולת אחרים, כמו גם את בלוטת יותרת העורקים. הטיפול בניפלאמים אלה מתמקד בעיקר בניתוח כירורגי מוחלט, משום שלדון טיפולים בלבד (למשל, קרינה) אינם יעילים מספיק9.
בשל המורכבות והנדירות של ישות הגידול הזאת, הדמיה כירורגית מראש במודל הגולגולת 3D מודפס עשוי לסייע להמחיש טוב יותר ולהבין את האנטומיה ולסייע למנתח להשיג כריתה מלאה. כפי שמוצג על-ידי אחרים10,11 הדפסה תלת-ממדית של מודלים ספציפיים למטופל משפר את שני התושבים ' ומנוסים הבנה של מנתחים נוירואנטומיה מורכבים.
עם זאת, יצירת מודלים אינדיווידולים כגון מתוך נתונים הדמיה רפואית דורש כישורים פילוח תמונה, 3D d, ו 3D הדפסה, במיוחד כאשר מבנים אנטומיים הם להיות מודפסים בצבעים שונים. כתב יד זה מתכוון להפוך את הייצור של המודלים האנטומיים המתוארים נגיש יותר עבור אחרים על ידי מתן פרוטוקול מפורט להמרת נתונים הדמיה רפואית לתוך דגמי תלת-ממד וירטואליים ולייצור של עצמים תלת-ממדיים צבעוניים.
זרימת העבודה מורכבת בעיקר מארבעה חלקים: 1) פילוח של נתונים הדמיה רפואית ויצירת דגם תלת-ממד וירטואלי; 2) הכנת מודל 3D וירטואלי עבור הדפסה תלת-ממדית צבעונית; 3) הכנה לצביעה נפחי של חלקים נבחרים; ו-4) הדפסה תלת ממדית ועיבוד פוסט.
Protocol
הפרוטוקול אושר על-ידי ועדת האתיקה המקומית האחראית (Ethikkommission יסיון der לנדסברג הארץ-פפאלז, Deutschhausplatz 3, 55116 מיינץ, גרמניה). כל ההנחיות המוסדיות לטיפול ולשימוש בנתוני המטופל הופעלו.
1. פילוח של נתוני הדמיה רפואית ויצירת דגם תלת-ממד וירטואלי
הערה: התוכנה ששימשו לפילוח הייתה עמירה 5.4.5. תהליך פילוח יכול להתבצע גם באמצעות תוכנת קוד פתוח (למשל, מבצעה 3D, https://www.slicer.org/)
- השתמש בנתוני דימות עם רזולוציה מרחבית גבוהה (לדוגמה, עובי פרוסה של 1 מ"מ או פחות). כאן, ערכת נתונים של CT הגולגולת עם עובי פרוסה של 0.5 מ"מ ונתוני MRI נוספים עם עובי פרוסה של 1 מ"מ שימשו. שימוש בנתוני CT לפילוח של עצם, ניגודיות משופרת של תמונות MRI משופרים עבור פילוח של מבנים סרטניים ועצביים, כמו גם תמונות זמן הטיסה (תוף) עבור כלי שיט.
- הורד את קובצי DICOM במחשב ופתח את תוכנת פילוח. יבא את הקבצים של שיטות הדימות השונות ובחר את התיקיה עם נתוני ההדמיה.
- לחץ על תמונות ה-CT וחבר אותם עם מודול עיבוד אמצעי אחסון (Volren). בחרו ' משתקפים ' לעיבוד ריאליסטי יותר והתאימו את מחוון העברת הצבע לצורך המחש בעצם בלבד. המשך על-ידי ייבוא רצפי ה-MRI וחבר אותם למודול עיבוד אמצעי אחסון גם כן.
- רישום
- מכיוון שתמונות ה-MRI ו-CT אינן חופפות, יש צורך למזג את נתוני ההדמיה השונים. לכן, לחץ לחיצה ימנית על ערכת הנתונים של ה-MRI ובחר באפשרות חשב את הרישום > affine. בחר ' הפניה ' על-ידי לחיצה על הריבוע הלבן של המודול ולאחר מכן גרור את הסמן אל ה-CT.
- במאפייני מודול ההרשמה להשאיר את כל ההגדרות על ברירת המחדל ולחץ על ליישר מרכזים, ואחריו לחיצה על הירשם. שתי ערכות הנתונים השונות של ההדמיה התמזגו כעת. חזור על שלב זה עבור כל ערכות הנתונים הנוספות של ההדמיה.
- אימות של דיוק תואם:
- בדוק את הדיוק המתאים על-ידי הסתרת העיבודים באמצעי האחסון (לחץ על הריבוע הכתום של המודול) והוספת מודול אורתוslice לתמונות MR. לחצו על המשולש הלבן ובחרו ' שטיפת צבע'. לחץ הבא על הריבוע הלבן, בחר נתונים וחבר יציאה זו עם נתוני ה-CT על-ידי גרירת העכבר עליו.
- כוונן את מחוון הצבע כדי להמחיש את המבנים העצביים על גבי מבני הגולגולת הגרמי. בדוק אם כל המערכים על ידי החלפת מחוון גורם המשקל תוך התבוננות על הגבול בין הגולגולת ואת משטחי המוח כמו גם את החדרים. חזור על הליך זה על פרוסות שונות בכיוונים ילתית ו משונן.
- עריכה מרחבית
- בטל את הפעלת הניראות של המודול אורתוslice והפעל מחדש את עיבוד אמצעי האחסון של ה-CT. עבור אל נתוני ה-CT וחפש את הערך הנמוך ביותר בערכת הנתונים, במקרה זה-2,048.
- לאחר מכן הוסף מודול ' עריכת אמצעי אחסון ', חבר את מודול volren לנתוני הפלט והגדר את ערך הריווח ל-2,048.
- לחץ על חתוך פנימה וסמן את האזור שיוסר באשנב התלת-ממדית.
הערה: חשוב להימנע מחפיפה עם חלקים שאינם מיועדים להסרה. - בדוגמה זו, חלקים של עצם הלסת התחתונה ואת החוליה הצווארי העליון הוסרו.
- פילוח של עצם
- לאחר מכן, העצם הנותר חייב להיות מחולק והמרה לרשת משטח. לשם כך, לחץ על עורך פילוח, בחר את רצף תמונת ה-CT שהשתנה, והוסף תווית חדשה על-ידי לחיצה על חדש.
- כעת בחר ' סף ' כאפשרות מפלח. הגדר את המחוון התחתון לערך של ~ 250 במקרה של CT. ודא שמבני עצם דקים כגון עצם הרקה או אזור האורביטל העליון נבחרים בתצוגה המקדימה. אחרת, התאימו את הסף התחתון אך הימנעו מבחירה ברקמה הרכה.
- הקלק הבא על בחירה ולבסוף הוסף את הבחירה לערכת התוויות (על-ידי לחיצה על סמל הפלוס האדום).
- חזור לתצוגת המאגר. ערכת תוויות חדשה נוצרה עבור ה-CT. לחץ לחיצה ימנית ובחר ' חשב > שטח', בדוק את האפשרות compactify ולחץ על החל.
- לבסוף, להוסיף מודול Surfaceview ולהתאים את הצבע של רשת שינוי שנוצר.
- פילוח של מבנים אחרים
- הוסף מבנים רלוונטיים אחרים על-ידי חזרה על השלבים הקודמים. במקרה של הגידול, פילוח ידני שימש ולא פעולה סף.
- כדי לבצע פילוח ידני, עבור אל עורך פילוח, ובחר באפשרות פילוח ידני (סמל מברשת) כדי לסמן מבנים כגון הגידול בכל פרוסה. לבסוף להוסיף את הבחירה שוב על ידי לחיצה על סמל פלוס. כך, את הגידול, את העצב האופטי, ואת כלי התוך הגולגולתי יהיה מחולק והוסיף למודל.
- ייצוא רשתות שינוי
- לבסוף לייצא שינוי רשתות שנוצר בפורמט STL על ידי לחיצה ימנית על רשת השינוי ולחיצה על שמור. בחר STL בינארי כתבנית הקובץ.
2. הכנת דגם תלת-ממד וירטואלי להדפסה בצבעים מרובים
הערה: התוכנה המשמשת להכנת הדפסה בפרוטוקול זה היא Netfabb Premium 2019.0. Autodesk מציעה שימוש חופשי בתוכנה זו בתוכנית החינוכית שלה.
- יבא נתונים ובצע תיקון אוטומטי.
- פתח את תוכנית ההכנה להדפסה ויבא את הרשתות שנוצרו בשלבים הקודמים כחלקים חדשים. בדוק את התיקון האוטומטי ולחץ על יבא.
- מחיקת חלקים רופפים קטנים
- בחר את הגולגולת ופצל את הפגזים שלה לחלקים על ידי לחיצה על שינוי ≫ פצל פגזים לתוך חלקים. זה מפריד כל האובייקטים רופף לא מחובר לעצם הגולגולת.
- בחר את עצם הגולגולת והחלף את הניראות שלה.
- כעת בחר את כל החלקים האחרים ומחק אותם.
- . החלף שוב את ניראות הגולגולת
- חזור על שלב זה עבור כל שאר האובייקטים.
- הסרת אזורים חופפים.
הערה: באזורים מסוימים, כגון הגידול בתוך הקודקוד הפטלי של הגולגולת, הגאומטריות של שני העצמים מצטלבים זה את זה. כדי להימנע מהדפסת שגיאות, יש להסיר צמתים מסוג זה.- בחר בשני האובייקטים המצטלבים ולחץ על פעולות בוליאניות.
- הזז את האובייקט לחיסור מהשני לצד האדום של הרשימה ולחץ על החל. עכשיו שני החפצים. נפרדים בבירור זה צריך להיבדק על ידי החלפת הניראות שלהם.
- חזור על שלבים אלה כדי לאפשר את הגידול, כמו גם את העורק בתוך הגידול כדי להיות מופרדים בבירור אחד מהשני.
- הוסף מבנים תומכים במידת הצורך.
- במקרה של עורק בזיאר, יש צורך בתמיכה נוספת כדי למנוע מהאובייקט להיות חלק רופף לאחר ההדפסה.
- הוסף אובייקט חדש, במקרה זה גליל (קובץ >), והתאם את הממדים ואת החלוקות משנה לפי הצורך.
- מניחים את גליל לגמרי מצטלבים עם הגולגולת ואת הגיאומטריה כלי.
- עכשיו לבצע את הפעולה בוליאנית שוב כדי להפחית את החלקים בתוך העצם ואת כלי הדם.
- חזור על שלב זה כדי להוסיף תמיכה במידת הצורך (למשל, עצב הראייה).
3. הכנה לצביעה נפחי של חלקים נבחרים
הערה: כדי לאפשר צביעה נפחי של חלקים מסוימים יש צורך ליצור לא רק פגז משטח אחד אלא פגזים רבים (משטחים נוספים) בתוך האובייקט.
- בחר את הגידול, במקרה זה, וליצור מעטפת חדשה ממנו (לחץ לחיצה ימנית > לשנות > יצירת מעטפת).
- הגדר עובי מעטפת של 0.3 מ"מ במצב היסט פנימי עם דיוק של 0.15 מ"מ ולהחיל. בחר בתיבת הסימון שמור על החלק המקורי . זה יוצר פגז פנימי עם מרחק של 0.3 מ"מ לפני השטח המקורי.
- בחר את המשטח החיצוני של שני הפגזים וצור מעטפת חדשה ממנה. בחר עובי פגז של 0.25 מ"מ במצב חלול עם דיוק של 0.15 מ"מ. בחרו גם בתיבת הסימון ' הסר חלק מקורי '. זה מייצר שטח של 0.05 מ"מ בין שני הפגזים הסמוכים.
- חזור על שלבים 3.1 – 3.3 כך שנוצרו פגזים פנימיים מרובים עם עוביים קבועים והיסט קבוע.
הערה: מומלץ להשתמש בעובי פגז של 0.35 – 0.25 מ"מ, כמו גם היסט של 0.1 – 0.05 mm כדי להשיג צביעה נפחי החלקה. - חזור על שלבים 3.1 – 3.4 עם כל שאר האובייקטים, כגון כלי הדם.
4. צביעת וייצוא של דגם תלת-ממד
הערה: הצבע של כל חלקי הדגם, כולל הקונכיות המקוננות הנפרדות, נעשה באמצעות תוכנת Netfabb.
- בחר חלק שנצבע בתפריט ' חלקים ' בצד שמאל. לחצו פעמיים על הסמל ' מרקם ' ו'רשת שינוי צבע '. בחר צבע על-ידי לחיצה על סרגל הצבע בצד ימין. בתפריט העליון שמאל לחץ על הצבע על הסמל פגזים. לאחר מכן משמאל לחץ על הדגם המוצג במרכז המסך. לבסוף עזב לחץ על התיבה החל שינויים בפינה הימנית התחתונה. הקפד לאשר את הבחירה באפשרות ' הסר חלק ישן '.
- חזור על שלבים אלה עם כל האובייקטים והפגזים האחרים, בהתאמה.
- ייצוא כל האובייקטים. בחר את כל האובייקטים שיודפסו, כולל תמיכות וקונכיות פנימיות וייצא אותם כקבצים בודדים. הקפד לבחור את הפורמט VRML (WRL), מכיוון שפורמט STL אינו מסוגל להעביר את מידע הצבע.
5. הדפסה ורישום עיבוד של דגם תלת-ממד
- הגדרת המדפסת התלת-ממדית
הערה: תוכנת 3DPrint (גירסה 1.03) שימש לשליטה במכונת הקלסר של מכונת ZPrinter 450.- פתח את התוכנה ויבא את קבצי VRML בצבע על-ידי לחיצה על פתיחה ובחירה של כל הנתונים הרלוונטיים. לחצו על הלחצן ' פתח ' בפינת החלון הימני התחתון. בחלון הבא בחר מילימטרים כיחידות. הקפד לבדוק את שמור על המיקום והכיוון כמו גם את התיבות החל הגדרות על כל הקבצים . לבסוף לבחור Z151 כסוג החומר. לחץ על לחצן הבא .
- למיקום האובייקטים התלת-ממדיים בתוך אמצעי האחסון של המבנה, סמן את כל האובייקטים על-ידי לחיצה על המקש < STRG > + A .
- בחלון השמאלי העליון, המייצג את תצוגת ה-XY של נפח הבנייה, לחץ וגרור את האובייקטים המסומנים למרכז. בחלון השמאלי התחתון, המייצג את תצוגת XZ של נפח הבנייה, לחץ וגרור את האובייקטים באמצע החלק התחתון מעל הקו הצהוב.
- אם מודל הגולגולת השלם מודפס, ודא שהפתח פונה כלפי מעלה. אם מודפסים דגמים קטנים מבודדים, הקפידו ליישר חלקים עדינים כגון כלי קיבול עם מישור XY, משום שהכוונה זו תגדיל את חוזק החלקים המתאימים.
- בדוק את הכיוון הנכון של המודלים על-ידי לחיצה על והזזתו בחלון מצד ימין.
- כדי להתכונן לתהליך הבנייה, לחץ על סמל ההתקנה בתפריט העליון. ודא שנבחר סוג החומר הנכון ושעובי השכבה מוגדר כ-0.1 מ"מ. יש לבדוק את פיצוי הבליד והאפשרות הדפס בשחור-לבן לא מסומנת.
- כדי להתחיל את תהליך ההדפסה, לחץ על סמל הבנייה בתפריט העליון. בחלון הבא לבחור לבנות כל ולחץ על לחצן אישור . ודא שבדיאלוג של מצב המדפסת שלהלן כל הפריטים המפורטים מוגדרים כראוי ושהמדפסת מקוונת. לאחר מכן, לחץ על לחצן הדפס בחלק התחתון של תיבת הדו.
- לאחר עיבוד המודל
הערה: לובשים תמיד חלוק מעבדה, כפפות, הגנה מפני עיניים ומסכה תוך טיפול באבקה רופפת ופתרון התקשות. תמיד לעבוד באזור מאוורר היטב.- פרוק
- לאחר סיום ההדפסה, לפרוק את המודל על ידי הסרת בזהירות את האבקה רופף עם שואב אבק משולב. חשוב לא ליצור קשר ישיר עם הדגם עם שפופרת היניקה כדי למנוע מבנים דקים להתפרק.
- הסר את הדגם ונקה אותו על-ידי החלת אוויר בלחץ, כמו גם לנקות אותו עם מברשת רכה. עבה יותר, יציב יותר, חלקים של המודל יכול בנוסף להיות הקרקע עם מברשת קשה יותר. שלב אופציונלי זה מאפשר גימור חלק יותר של משטח. זכרו כי במצב זה המודל עדיין מאוד שברירי.
- חדירה
- . שים את הדוגמנית בתוך אמבט פלסטי
- לחדור אותו בזהירות עם פתרון התקשות עד שאין אזורים לבנים לעין.
- הפתרון העודף יש להסיר עם אוויר בלחץ ומגבות נייר חד פעמיות כדי לשמור על כל הפרטים פני השטח.
- תן למודל לרפא כמה שעות עד שהוא יבש לחלוטין.
- פרוק
Representative Results
שמונה חולים עם כונדרוסרקומה של הפיסגה petrous נבחרו עבור המחקר ומודלים 3D וירטואליים נוצרו, כל אחד המכיל עצם, גידול, כלי, בלוטת יותרת החזה, ומעבר עצבי הראייה. שלושה מודלים עברו הדפסה תלת-ממדית צבעונית באמצעות הטכניקה המבוססת על טיח תלת-ממד של קלסר (איור 1A1, A2). בנוסף, גידול בודד עם עורק פנימי נוצר (איור 1B1) כדי להראות את היתרונות של צביעה נפחי לעומת צביעה פני השטח (איור 1B2, B3).
מודלים אלה שימשו כדי להדגים את הסימולציה של גישה כירורגית (למשל, יצירת חור בגולגולת) וניתוח הגידול. טכניקת הדפסה זו מותרת לשילוב מבנים אנטומיים הנגזרים מתוך שיטות דימות שונות לאובייקט אחד.
חומר הגבס היה בעל תכונות כמו עצם וניתן היה לקדוח בקלות מבלי להמיס. לכן, זה היה אפשרי להשתמש בו כדי לדמות תוואי גישה כירורגית. לאחר הליך התקשות זה היה יציב מספיק כדי לשחזר אפילו מבנים שבירים כגון עץ גרם כלי.
היכולת לצבוע את הנפח כולו של המודל אפשרה למבנה הפנימי של האובייקט, כגון עורק הראש הפנימי העובר דרך הגידול, כדי להיות ברור לעין. על ידי הסרת שכבות של הגידול עם התרגיל, העורק האדום נחשף בהדרגה במהלך סימולציה כירורגית.
כדי להוכיח את הדיוק של הטכניקה, מודלים תלת-ממדיים נסרקו בטומוגרפי מחשב. המודלים שנוצרו להדפסה. היו מונחים על הסריקות האלה נוצר מיפוי סטייה, והדיוק נקבע ב50 נקודות משטח שנבחרו באופן אקראי. סטייה מרושעת של 0.021 מ"מ ממחישה את ההתאמה הגבוהה של הדפסה תלת-ממדית בהשוואה לנתונים המקוריים.
איור 1: הדפסים תלת-ממדיים בצבע לעומת פני השטח. A1. הדפסה מלאה למופת בצבע תלת-ממדי של חולה עם כונדרוסרקומה בקודקוד הפטרולי הימני. A2. תצוגה מפורטת של מבנים אנטומיים (חץ = עורק הראש הפנימי העורק; העצב האופטי; T = גידול). B1. כלי דם חוצה את עוצמת הגידול ואת החתך ברמה (קו מנוקד). B2. טכניקת ההדפסה רבת הצבעים המקובלת חושפת צבע רק על פני השטח. B3. הטכניקה המתוקנת מייצרת אובייקטים בצבע volumetrically מתאים לסימולציה כירורגית מתקדמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: זרימת עבודה עבור צביעה נפחי של 3D הדפסים. A. דגם תלת-ממד וירטואלי של גידול עם כלי דם חוצה את העוצמה שלו ללא קונכיות פנימיות. ב. גידול ומכלי דם עם פגזים פנימיים מרובים (מרחק 0.05 מ"מ). ג. דוגמה למרחק פגז גבוה (1 מ"מ). השכבות היחידות של הקונכיות הצבעוניות והלבנות עדיין גלויות. ד. דוגמה של מרחק פגז קטן (0.1 מ"מ). העוצמה הפנימית של האובייקט צבועה לחלוטין. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Discussion
הטיפול של כונדרוסרקומה תוך גולגולתי מבוסס בעיקר על הסרה כירורגית מלאה. ממוקם לעתים קרובות על הפיסגה petrous, הגידול הזה הוא קרוב מבנים חשובים כגון עורק הראש הפנימי, את העצב האופטי, ואת בלוטת יותרת העורקים. לכן, תכנון מסלולים כירורגיים הוא צעד מכריע לפני הניתוח. הדפסה תלת-ממדית מרובת צבעים מאפשרת היתוך של מבנים אלה, כל אחד נגזר מתוך שיטות דימות שונות, לאובייקט יחיד.
במהלך ההכנה להדפסת תלת-ממד, חשוב לבחור בקפידה נתוני דימות מתאימים. תמונות ברזולוציה גבוהה עם עובי פרוסה קטנה מתאימים היטב לשחזור תלת-ממד ומעברים חלקים, ואילו עוביים הפרוסה הגבוהה ייצרו עצמים גסים ואחידים. שלב קריטי נוסף של השיטה הוא להימנע מכל הצמתים של שני אובייקטים שכנים כגון הגידול ועצם הגולגולת. לכן, יש לבצע פעולות בוליאניות כדי להחסיר אובייקט אחד מהשני.
כדי לאפשר צביעה נפחי זה הכרחי כדי ליצור מעטפת בצל כמו משטחים משניים בתוך אובייקט (איור 2A,B). יש צורך להיות במרחק מינימלי בין שני משטחים סמוכים של לפחות 0.1 מ"מ כדי להשיג אובייקטים צבעוניים בצורה חלקה (איור 2D). אם המרחק שנבחר הוא מעל ערך זה, הפגזים הבודדים בתוך האובייקט עשויים להפוך לגלויים (איור 2C). תשומת לב צריכה להיות משולמת לצריכת צבע מוגברת של מדפסת תלת-ממד בעת שימוש בצביעה נפחי. יתר על כן, חשוב גם לבדוק את המודל עבור חלקים רופפים ולהוסיף תמיכה בעת הצורך (למשל, עורק בזיאר).
השיטה יכולה רק לייצר נוקשה, כמו גבס חומר שאינו עמיד מאוד. במיוחד ללא הליך התקשות, המודל יכול להיהרס בקלות במהלך הפירוק. לכן, אלמנטים שבירים כגון כלי דם נוטים לעתים קרובות להתפרק.
הטכניקה גם אינה מתאימה להדמיה של רקמה רכה. כדי לדמות רקמת מוח, למשל, ייתכן שיהיה צורך להדפיס את זה עם שיטה שיכולה לייצר חומרים רכים וקשים ישירות12,13 או כדי להדפיס בתבניות שניתן להשתמש בהם כדי להטיל חפצים רכים, כמו גומי סיליקון14. במקרה אחד, השיטה האחרונה שימש להדמיית גידול רך. המגבלה של ההליך האחרון היה כי למרות גידול הסיליקון היה גמיש מאוד, זה היה הכרחי יש מספיק מקום כדי להכניס אותו לתוך המודל המודפס 3D. יתרה מזאת, לא ניתן היה ליצור מבנים פנימיים, כגון כלי דם.
3D אוגדן מאגד הוא טכניקת ייצור מוספים האוסף אובייקטים על ידי התקשות חלקית וצביעת שכבות דק של אבקת גבס. לכן, הוא מאפשר להדפיס טווח כמעט בלתי מוגבל של צבעים, מעברים צבע, ומבנים צבעוניים בתוך נפח של אובייקטים בתהליך אחד בודד.
בהשוואה לטכניקות הדפסה אחרות, כגון מדפסות פילמנט, היוצרות את העלויות הנמוכות ביותר, אך רק מאפשרות שניים או שלושה צבעים בבת אחת, ומדפסות פולי-סילון היוצרות ריבוי צבעים, אובייקטים רב-חומריים, אך מאוד יקרות, טכניקה זו מציעה מ התפשר במחיר סביר. עלות החומר הממוצע לגולגולת. מודפסת הייתה בערך €150
בשיטה זו ניתן להמחיש מידע מופשט אף יותר כגון סיבי פילמנט הנגזרים מרצפים של מעקב אחר סיבי MRI או הדמיה פונקציונלית המתארת, לדוגמה, אזור הדיבור של המוח (למשל, ברוקא% s האזור).
מלבד סימולציה כירורגית, 3D מודפס, בצבע מלא מודלים של אנטומיה החולה האמיתי יכול לעזור לשפר את החינוך של סטודנטים לרפואה או רופאים צעירים, כך שהם יכולים להבין טוב יותר יחסים אנטומיים מורכבים. זהו גם כלי חשוב בחינוך למטופלים.
Disclosures
מחקר זה נתמך על ידי מענק מהפקולטה לרפואה מאוניברסיטת יוהנס גוטנברג, מיינץ לק ("טיקה-Stufe 1 Förderung").
Acknowledgments
חלקים מעבודה זו הוצגו ככרזה בפגישה השנתית של האגודה הגרמנית נוירוכירורגית (dgnc) 2019 בכורבורג, גרמניה וכמצגת קצרה במפגש השנתי של החברה הגרמנית עבור מחשב ורובוט כירורגיה בסיוע (curac) 2019 ב . ראוטונגן, גרמניה
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | Zprinter Z450 |
| 3D printing software | 3D Systems (formerly Zcorp) | x | 3DPrint Software (Version 1.03) |
| Binder solution for cartridge | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0100-7001 | VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x ca. 1 Liter |
| Infiltration solution | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0250-1090 | Color-Bond 90, 1 bottle, 454 g |
| Modeling Software for 3D print preparation | Autodesk, San Rafael, CA, USA | x | Netfabb Premium (Version 2019.0) |
| Print head for binder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2010 | HP 11 print head (C4810A) |
| Print head for color | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0150-2011 | HP 57 printhead C 6657 AE Tricolor |
| Printing powder | 4D Concepts GmbH, Groß-Gerau, Germany | 42-0050-2061 | VisiJet PXL Core Eco Drum ca. 14 kg - ca. 11,47 L |
| Segmentation software | Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA | x | Amira 5.4.5 |
References
- Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
- Wu, P., et al. 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. Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).
- Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).
- Stone, J. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video. Operative Neurosurgery. 16 (3), 80 (2018).
- Scerrati, A., et al. A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing. Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).
- Kamio, T., et al. Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a "one-stop 3D printing lab" oral and maxillofacial surgery and dentistry fields. 3D Printing in Medicine. 4, 6 (2018).
- Kondo, K., et al. A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures. Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).
- Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H.
- Jones, P. S., et al. Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database. Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).
- Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. 3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses. Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).
- Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. Medicine. 97, 9516 (2018).
- Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
- Coelho, G., et al. Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery. Child's Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).
- Javan, R., Cho, A. L. An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures. Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).
