Voxel Printing Anatomy: Ontwerp en fabricage van realistische, prechirurgische planningsmodellen door bitmapafdrukken
Summary
Deze methode demonstreert een voxel-gebaseerde 3D-printworkflow, die rechtstreeks vanuit medische beelden afdrukt met exacte ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie. Dit maakt de precieze, gegradueerde controle van materiaalverdelingen mogelijk door morfologisch complexe, gegradueerde materialen gecorreleerd aan radiodensiteit zonder verlies of wijziging van gegevens.
Abstract
De meeste toepassingen van 3-dimensionaal (3D) printen voor prechirurgische planning zijn beperkt tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen vanwege de fundamentele beperkingen in nauwkeurigheid, kwaliteit en efficiëntie van het huidige modelleringsparadigma. Dit heeft grotendeels het zachte weefsel genegeerd dat van cruciaal belang is voor de meeste chirurgische specialiteiten, waar het binnenste van een object ertoe doet en anatomische grenzen geleidelijk overgaan. Daarom vereisen de behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, nieuwe vormen van representatie.
Hier wordt een nieuwe techniek gepresenteerd om 3D-modellen rechtstreeks van medische beelden te maken, die superieur zijn in ruimtelijke en contrastresolutie aan de huidige 3D-modelleringsmethoden en voorheen onhaalbare ruimtelijke getrouwheid en differentiatie van zacht weefsel bevatten. Ook gepresenteerd zijn empirische metingen van nieuwe, additief vervaardigde composieten die het gamma van materiaalstijfheden overspannen die worden gezien in zachte biologische weefsels van MRI en CT. Deze unieke volumetrische ontwerp- en drukmethoden maken deterministische en continue aanpassing van materiaalstijfheid en kleur mogelijk. Deze mogelijkheid maakt een geheel nieuwe toepassing van additive manufacturing op prechirurgische planning mogelijk: mechanisch realisme. Als een natuurlijke aanvulling op bestaande modellen die uiterlijke matching bieden, stellen deze nieuwe modellen medische professionals ook in staat om de ruimtelijk variërende materiaaleigenschappen van een weefselsimulant te “voelen” – een kritische toevoeging aan een veld waarin tactiele sensatie een sleutelrol speelt.
Introduction
Momenteel bestuderen chirurgen tal van discrete 2-dimensionale (2D) beeldvormingsmodaliteiten met verschillende gegevens om operaties bij 3D-patiënten te plannen. Bovendien is het bekijken van deze gegevens op een 2D-scherm niet volledig in staat om de volledige omvang van de verzamelde gegevens te communiceren. Naarmate het aantal beeldvormingsmodaliteiten groeit, vereist het vermogen om meer gegevens te synthetiseren uit verschillende modaliteiten, die meerdere organisatieschalen vertonen, nieuwe vormen van digitale en fysieke representatie om informatie te condenseren en te cureren voor een effectievere en efficiëntere chirurgische planning.
3D-geprinte, patiëntspecifieke modellen zijn naar voren gekomen als een nieuw diagnostisch hulpmiddel voor chirurgische planning waarvan is aangetoond dat het de operatietijd en chirurgische complicaties vermindert1. Het proces is echter tijdrovend vanwege de standaard stereolithografie (STL) -methode van 3D-printen, die een zichtbaar verlies van gegevens laat zien en geprinte objecten weergeeft als vaste, homogene en isotrope materialen. Als gevolg hiervan is 3D-printen voor chirurgische planning beperkt gebleven tot benige structuren en eenvoudige morfologische beschrijvingen van complexe organen2. Deze beperking is het gevolg van een verouderd productieparadigma dat wordt geleid door de producten en behoeften van de industriële revolutie, waarbij gefabriceerde objecten volledig worden beschreven door hun buitengrenzen3. De behoeften van de biomedische industrie om menselijk weefsel te repliceren, dat meerdere organisatieschalen en verschillende materiaalverdelingen vertoont, vereisen echter nieuwe vormen van representatie die de variaties over het hele volume vertegenwoordigen, die punt voor punt veranderen.
Om dit probleem aan te pakken, werd een 3D-visualisatie- en modelleringstechniek (figuur 1) ontwikkeld en gekoppeld aan een nieuw, additief productieproces dat meer controle mogelijk maakt over het mengen en depositie van harsen in ultrahoge resolutie. Deze methode, bitmapprinten genaamd, repliceert de menselijke anatomie door 3D-printen rechtstreeks vanuit medische beelden op een niveau van ruimtelijke getrouwheid en ruimtelijke / contrastresolutie van geavanceerde beeldvormingstechnologie van bijna 15 μm. Dit maakt de precieze en gegradueerde controle mogelijk die nodig is om variaties in morfologisch complex zacht weefsel te repliceren zonder verlies of wijziging van gegevens uit diagnostische bronbeelden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige representatiekader dat de meeste, zo niet alle, digitale modelleringstools tegenwoordig gebruiken, resulteert in het STL-bestandsformaat8. Niettemin is de specifieke aard van dit paradigma ontoereikend gebleken bij het proberen uit te drukken van de granulaire of hiërarchische structuur van complexere, natuurlijke materialen. Met de komst van recente additieve productietechnieken zoals multimateriaal 3D-printen kunnen sterk afgestemde en sterk geoptimaliseerde objecten worden geproduc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken AB Nexus en de staat Colorado voor hun genereuze steun aan ons wetenschappelijk onderzoek naar voxeldruk voor prechirurgische planning. We bedanken L. Browne, N. Stence en S. Sheridan voor het verstrekken van datasets die in deze studie worden gebruikt. Deze studie werd gefinancierd door de AB Nexus Grant en de State of Colorado Advanced Industries Grant.
Materials
| 3D Slicer Image Computing Platform | Slicer.org | Version 4.10.2–4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet 3D Printer | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
References
- Ali, A., et al. Clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: adult cardiac conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 24 (2020).
- Ballard, D. H., et al. Radiological Society of North America (RSNA) 3D Printing Special Interest Group (SIG) clinical situations for which 3D printing is considered an appropriate representation or extension of data contained in a medical imaging examination: abdominal, hepatobiliary, and gastrointestinal conditions. 3D Printing in Medicine. 6 (1), 13 (2020).
- Corney, J. The next and last industrial revolution. Assembly Automation. 25 (4), (2005).
- Fedorov, A., et al. 3D Slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic Resonance Imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Guide to Voxel Printing. GrabCAD Available from: https://help.grabcad.com/article/230-guide-to-voxel-printing?locale=en (2021)
- Bader, C., et al. Making data matter: Voxel printing for the digital fabrication of data across scales and domains. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Zhang, F., Li, C., Wang, Z., Zhang, J., Wang, Y. Multimaterial 3D printing for arbitrary distribution with nanoscale resolution. Nanomaterials. 9 (8), 1108 (2019).
- Robson, R. The STL Algorithms. Using the STL. , 47-54 (1998).
- Waran, V., Narayanan, V., Karuppiah, R., Owen, S. L. F., Aziz, T. Utility of multimaterial 3D printers in creating models with pathological entities to enhance the training experience of neurosurgeons. Journal of Neurosurgery. 120 (2), 489-492 (2014).
- Cumbler, E., et al. Contingency planning for healthcare worker masks in case of medical supply chain failure: Lessons learned in novel mask manufacturing from COVID-19 pandemic. American Journal of Infection Control. 49 (10), 1215-1220 (2021).
