Name: 神经外科复杂颅内肿瘤的多色3D打印 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-11T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 15 s
Description: 了解多色3D打印技术在神经外科中的应用，学习融合CT与MRI影像数据并进行分割处理，创建患者特异性颅底肿瘤模型用于手术模拟。该方法可精确呈现复杂解剖结构，为术前规划提供可靠支持。

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本工作的部分内容已作为海报在德国神经外科学会（DGNC）2019年于德国维尔茨堡举行的年会上展示，并作为简短报告在德国计算机与机器人辅助手术学会（CURAC）2019年于德国罗伊特林根举行的年会上报告。

该方案已获得当地伦理委员会（德国莱茵兰-普法尔茨州医师协会伦理委员会，地址：Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Germany）的批准。所有患者数据的管理和使用均遵循本机构的相关指南。
1. 医学影像数据的分割及虚拟三维模型的创建
注意：我们用于分割的软件是 Amira 5.4.5。分割过程也可以使用开源软件完成（例如 3D Slicer，<a href="https://www.slicer.org/" target="_blank">https://www.slicer.org/</a>）
<ol>
	<li>使用具有高空间分辨率的影像数据（例如，层厚为 1 mm 或更小）。此处使用了层厚为 0.5 mm 的颅脑 CT 数据集以及层厚为 1 mm 的 MRI 数据。使用 CT 数据进行骨组织的分割，使用增强 T1 加权 MRI 图像进行肿瘤和神经结构的分割，使用飞行时间法（TOF）图像进行血管的分割。</li>
	<li>将 DICOM 文件下载至计算机并打开分割软件。导入不同成像模态的文件，并选择包含影像数据的文件夹。</li>
	<li>点击 CT 图像，并将其连接至体积渲染模块（Volren）。选择 Specular 以获得更逼真的渲染效果，并调整颜色传递滑块，仅显示骨组织。接着导入 MRI 序列，并同样将其连接至体积渲染模块。</li>
	<li>配准
	<ol>
		<li>由于 MRI 与 CT 图像未对齐，需融合不同的影像数据。因此，右键点击 MRI 数据集，选择 Compute &#62; Affine Registration。通过点击模块的白色方块选择 Reference，然后将光标拖动至 CT 数据上。</li>
		<li>在配准模块的属性中保持所有设置为默认值，点击 Align Centers，然后点击 Register。此时两个不同的影像数据集已完成融合。对所有其他影像数据集重复此步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>配准精度验证：
	<ol>
		<li>通过隐藏体积渲染（点击模块的橙色方块）并在 MR 图像上添加 OrthoSlice 模块来检查配准精度。点击白色三角形，选择 Colorwash。然后点击白色方块，选择 Data，并通过鼠标拖动将其端口连接至 CT 数据。</li>
		<li>调整颜色滑块，以在骨性颅骨结构上叠加显示神经结构。通过调节权重因子滑块，观察颅骨与脑表面之间以及脑室区域的边界，检查是否存在错位。在冠状面和矢状面的不同切片上重复此操作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>体积编辑
	<ol>
		<li>关闭 OrthoSlice 模块的可见性，并重新激活 CT 的体积渲染。进入 CT 数据，查找数据集中最小的值，本例中为 -2,048。</li>
		<li>接着添加一个 Volume Edit 模块，将 Volren 模块的输出数据连接至该模块，并将 Padding Value 设置为 -2,048。</li>
		<li>点击 Cut Inside，并在 3D 视口中标记需要移除的区域。 
		注意：应避免标记到不打算移除的部分，防止重叠。</li>
		<li>在本示例中，移除了下颌骨部分及上段颈椎椎体。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>骨组织分割
	<ol>
		<li>接下来需对剩余的骨组织进行分割，并将其转换为表面网格。为此，点击 Segmentation Editor，选择已修改的 CT 图像序列，并通过点击 New 添加新的标签集（Labelset）。</li>
		<li>选择 Threshold 作为分割选项。对于 CT 数据，将下限滑块设置为约 250 的值。确保在预览中选中颞骨或眶上区域等较薄的骨结构。若未完全选中，可调整下限阈值，但应避免选中任何软组织。</li>
		<li>接着点击 Select，最后通过点击红色加号图标将选中区域添加至标签集。</li>
		<li>返回 Pool View。CT 数据已生成新的标签集。右键点击并选择 Compute &#62; Surface Gen，勾选 Compactify 选项，然后点击 Apply。</li>
		<li>最后添加一个 SurfaceView 模块，并调整生成网格的颜色。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>其他结构的分割
	<ol>
		<li>通过重复前述步骤添加其他相关结构。对于肿瘤，采用手动分割而非阈值分割。</li>
		<li>进行手动分割时，进入 Segmentation Editor，选择手动分割工具（画笔图标），在每一层切片中标记肿瘤等结构。最后再次点击加号图标将选中区域添加至模型。由此，肿瘤、视神经及颅内血管将被分割并添加至模型中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>导出网格
	<ol>
		<li>最后通过右键点击网格并选择 Save，将生成的网格以 STL 格式导出。选择二进制 STL 作为文件格式。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 多色打印用虚拟三维模型的制备
注意：本实验方案中用于打印准备的软件为 Netfabb Premium 2019.0。Autodesk 公司在其教育项目中提供该软件的免费使用权限。
<ol>
	<li>导入数据并执行自动修复。</li>
	<li>打开打印准备程序，将之前步骤生成的网格作为新部件导入。勾选自动修复，然后点击导入。</li>
	<li>删除小型松散部件
	<ol>
		<li>选择颅骨，点击修改 &#62; 将壳体拆分为部件，将其壳体拆分为多个部件。此操作会分离所有未与颅骨连接的松散物体。</li>
		<li>选择颅骨并关闭其可见性。</li>
		<li>现在选择所有其他部件并将其删除。</li>
		<li>再次打开颅骨的可见性。</li>
		<li>对所有其他对象重复此步骤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>移除重叠区域。 
	注意：在某些区域（如颅骨岩尖内部的肿瘤），两个对象的几何形状相互交叉。为避免打印错误，必须移除此类交叉部分。
	<ol>
		<li>选择两个相交的对象，然后点击布尔运算。</li>
		<li>将需要从另一对象中减去的对象移至列表的红色一侧，然后点击应用。此时两个对象已清晰分离。应通过切换其可见性来检查分离效果。</li>
		<li>重复这些步骤，使肿瘤及其内部的动脉能够彼此清晰分离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在需要的位置添加支撑结构。
	<ol>
		<li>对于基底动脉，需要额外的支撑结构，以防止打印后对象成为松散部件。</li>
		<li>添加一个新对象，此处为圆柱体（文件 &#62; 部件库），并根据需要调整其尺寸和细分。</li>
		<li>放置圆柱体，使其完全与颅骨及血管几何体相交。</li>
		<li>再次执行布尔运算，减去骨组织和血管内部的部件。</li>
		<li>重复此步骤，在需要的位置添加更多支撑（例如视神经）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 选定部分的体积染色准备
注意：为了实现对特定部分的体积着色，不仅需要生成一个表面壳层，还需要在物体内部生成多个子壳层（附加表面）。
<ol>
	<li>选择肿瘤（本例中），并基于其生成一个新的壳层（右键单击 &#62; 修改 &#62; 生成壳层）。</li>
	<li>在内偏移模式下设置壳层厚度为 0.3 mm，精度为 0.15 mm，然后点击应用。勾选保留原始部件选项。这将生成一个距离原始表面 0.3 mm 的内壳层。</li>
	<li>选择两个壳层的外表面，并基于其生成一个新的壳层。在空心模式下设置壳层厚度为 0.25 mm，精度为 0.15 mm。同时勾选删除原始部件选项。这将在两个相邻壳层之间生成一个 0.05 mm 的间隙。</li>
	<li>重复步骤 3.1–3.3，以创建多个具有恒定厚度和不变偏移量的内壳层。 
	注意：建议采用 0.35–0.25 mm 的壳层厚度以及 0.1–0.05 mm 的偏移量，以实现平滑的体积分层着色。</li>
	<li>对所有其他对象（如血管）重复步骤 3.1–3.4。</li>
</ol>
4. 3D 模型的着色与导出
注意：模型所有部分的着色，包括不同的嵌套壳层，均使用 Netfabb 软件完成。
<ol>
	<li>在左侧的部件菜单中选择要着色的部分。双击纹理与着色网格图标。通过点击右侧的颜色栏选择一种颜色。在顶部菜单中，单击左侧的在壳体上绘制图标。随后单击屏幕中央显示的模型。最后单击右下角的应用更改框。务必确认勾选了移除旧部件选项。</li>
	<li>对所有其他对象和壳体分别重复上述步骤。</li>
	<li>导出所有对象。选择所有需要打印的对象，包括支撑结构和内层壳体，并将它们导出为单独的文件。务必选择 VRML (WRL) 格式，因为 STL 格式无法传输颜色信息。</li>
</ol>
5. 3D 模型的打印与后处理
<ol>
	<li>设置 3D 打印机 
	注意：使用 3DPrint 软件（版本 1.03）来控制 ZPrinter 450 喷墨粘结式 3D 打印机。
	<ol>
		<li>打开软件，通过点击 打开 并选择所有相关数据来导入彩色 VRML 文件。点击右下角窗口中的 打开 按钮。在随后的窗口中选择 毫米 作为单位。确保勾选 保持位置和方向 以及 将设置应用于所有文件 选项。最后选择 Z151 作为材料类型。点击 下一步 按钮。</li>
		<li>为在构建体积内定位 3D 模型，按住 &#60;STRG&#62;+A 键选中所有对象。
		<ol>
			<li>在左上角代表构建体积 XY 视图的窗口中，点击并拖动选中的对象至中心位置。在左下角代表构建体积 XZ 视图的窗口中，点击并拖动对象至黄色线以上下半部分的中间位置。</li>
			<li>如果打印完整的颅骨模型，确保开口朝上。如果打印独立的小型模型，应将血管等精细结构与 XY 平面对齐，因为此方向可增强相应部分的强度。</li>
			<li>通过在右侧窗口中点击并移动模型，检查其方向是否正确。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>为准备构建过程，点击顶部菜单中的 设置 图标。确保已选择正确的 材料类型，并将 层厚 设置为 0.1 mm。应勾选 扩散补偿，并取消勾选 以单色打印 选项。</li>
		<li>要开始打印过程，请点击顶部菜单中的 构建 图标。在随后的窗口中选择 完整构建，然后点击 确定 按钮。请确保接下来的 打印机状态 对话框中列出的所有项目均设置正确，且打印机处于联机状态。然后点击对话框底部的 打印 按钮。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>模型后处理 
	注意：在处理松散粉末和固化溶液时，务必穿戴实验服、手套、护目镜和口罩。操作时应始终在通风良好的区域进行。
	<ol>
		<li>拆包
		<ol>
			<li>打印完成后，使用集成的真空吸尘器小心清除松散粉末，以取出模型。注意不要让吸管直接接触模型，以防细小结构断裂。</li>
			<li>取出模型后，使用压缩空气吹净，并用软毛刷清洁。模型中较厚且更稳定的部位可额外使用较硬的刷子进行打磨。此可选步骤有助于获得更光滑的表面。请注意，此时模型仍非常脆弱。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>渗透固化
		<ol>
			<li>将模型放入塑料容器中。</li>
			<li>小心地用固化液浸透模型，直至不再可见白色区域。</li>
			<li>使用压缩空气和一次性纸巾去除多余的溶液，以保留模型表面的所有细节。</li>
			<li>让模型固化数小时，直至完全干燥。</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>

本研究得到了美因茨约翰内斯·古滕贝格大学医学院向 M.K. 提供的资助（&#34;生物信息学——第一阶段资助&#34;）。

颅内软骨肉瘤的治疗主要依赖于完全手术切除。该肿瘤常位于岩尖，邻近颈内动脉、视神经和垂体等重要结构。因此，术前规划手术路径至关重要。多色3D打印技术可将来自不同影像模态的这些结构融合为单一实体。
在准备 3D 打印时，仔细选择合适的影像数据至关重要。高分辨率、薄层厚的图像适用于三维重建，可实现平滑过渡；而层厚较大时则会产生粗糙、不规则的物体。该方法的另一个关键步骤是避免两个相邻结构（如肿瘤与颅骨）之间出现交叉重叠。因此，必须进行布尔运算，将一个结构从另一个结构中减去。
为了实现体积着色，需要在物体内部创建类似洋葱层的次表面结构（图2A、B）。为了获得颜色平滑的物体，相邻两个表面之间必须保持至少0.1 mm的最小距离（图2D）。如果该距离超过此值，则物体内部的各个壳层可能变得可见（图2C）。采用体积着色时，应注意3D打印机的耗色量会增加。此外，还必须检查模型是否存在松动部分，并在必要时添加支撑结构（例如基底动脉）。
该方法只能生成类似石膏的坚硬材料，且耐久性较差。尤其是未经过硬化处理的模型，在拆包过程中极易损坏。因此，血管等脆弱结构常常容易断裂。
该技术也不适用于软组织的模拟。例如，要模拟脑组织，可能需要采用能够直接打印软质和硬质材料的方法12,13，或者打印可用于浇铸软性物体（如硅橡胶）的模具14。在一个测试案例中，后一种方法被用于模拟软性肿瘤。该方法的局限性在于，尽管硅胶肿瘤具有很高的柔韧性，但仍需留出足够的空间将其插入到3D打印模型中。此外，无法在其中创建内部结构，例如血管。
3D 喷墨打印是一种增材制造技术，通过部分固化和着色薄层石膏粉末来组装物体。因此，该技术能够在单次工艺中打印出近乎无限范围的颜色、色彩过渡以及物体内部的彩色结构。
与其他打印技术相比，该技术在价格上更具可承受性，提供了一种折中方案：例如，丝材打印机成本最低，但仅能同时实现两到三种颜色；而多喷头喷墨（Poly Jet）打印机虽可制造多色、多材料物体，但价格非常昂贵。打印一个颅骨的平均材料成本约为150 &#8364;.
利用该方法，甚至可以可视化更为抽象的数据，例如源自 MRI 纤维束成像序列的纤维束，或功能性影像所显示的脑语言区（如布罗卡区）。&#37;s 区域）。
除了用于手术模拟外，基于真实患者解剖结构的全彩3D打印模型还有助于提高医学生或青年医师的教育效果，使其能够更好地理解复杂的解剖关系。同时，它也是患者教育的重要工具。

颅底肿瘤的外科治疗是一项具有挑战性的任务，需要精确的术前规划1。通过使用计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）的多模态影像技术，可为外科医生提供有关患者个体解剖结构的信息。在临床实践中，这种诊断信息通过显示一系列二维（2D）横断面图像来呈现，以反映解剖结构的不同方面（例如，CT用于显示骨骼，CT血管造影用于显示血管，MRI用于显示软组织）。
然而，特别是对于初学者、医学生和患者而言，理解不同三维结构与断面图像之间的复杂关系具有挑战性。除了尸体解剖研究2外，建立个体病理情况的实物比例解剖模型，并以不同颜色显示解剖结构，可有助于解决这一问题3。
得益于近年来的技术进步，3D打印技术能够以较低成本构建复杂的结构4,5。因此，该技术为构建患者特异性的解剖模型提供了可能，这些模型具有实体形态，能够清晰展示空间关系，并可用于手术规划和模拟。尤其在岩尖软骨肉瘤等罕见且复杂的病例中，术前对肿瘤切除进行个体化模拟，可能有助于提高外科医生的自信心，并改善患者的治疗效果。
常见的FDM打印（熔融沉积成型）技术仅能制造具有封闭表面且颜色单一或颜色有限的物体6。为了提供包含多种复杂形状解剖结构（主要相互嵌套）的外科手术模拟模型，需要实现全体积着色的3D打印。这使得可以逐层去除组织，直至暴露出内部结构。
基于石膏的彩色3D喷墨打印技术能够制造所需的多色模型7。标准配置下，该技术仅能对物体表面进行着色，而本文描述了一种改进的技术，可实现对内部解剖结构的体素级着色。
为了演示该技术，本文以颅底软骨肉瘤患者的病例为例。软骨肉瘤占骨骼系统所有肿瘤的20%，主要发生于长骨。原发性颅底软骨肉瘤则是一种罕见疾病，占所有颅内肿瘤的0.1–0.2%8。这些肿瘤主要位于岩尖部，在复杂的解剖环境中生长，涉及多个关键结构，如颈内动脉、视神经及其他颅神经，以及垂体。此类肿瘤的治疗主要依赖于完全手术切除，因为辅助治疗（如放疗）单独应用时疗效有限9。
由于该肿瘤病变的复杂性和罕见性，术前在3D打印的颅骨模型上进行手术模拟可能有助于更直观地观察和理解解剖结构，并协助外科医生实现完全切除。其他研究者已表明10,11，患者特异性模型的3D打印可提升住院医师和经验丰富的神经外科医生对复杂神经解剖结构的理解能力。
然而，从医学影像数据创建此类个体化模型需要具备图像分割、三维建模和3D打印方面的技能，尤其是在需要以不同颜色打印解剖结构时。本文旨在通过提供将医学影像数据转换为虚拟三维模型以及制备多色3D物体的详细实验方案，使所述解剖模型的制备过程更易于被他人掌握和应用。
该工作流程主要包括四个部分：1）医学影像数据的分割及虚拟三维模型的创建；2）为多色3D打印准备虚拟三维模型；3）对选定部分进行体素着色的准备；4）3D打印及后处理。

<table><tbody><tr><td>3D 打印机</td><td>3D Systems（前身为 Zcorp）</td><td>x</td><td>Zprinter Z450</td></tr><tr><td>3D 打印软件</td><td>3D Systems（前身为 Zcorp）</td><td>x</td><td>3DPrint Software（版本 1.03）</td></tr><tr><td>粘结剂溶液墨盒</td><td>4D Concepts GmbH，Gro&amp;szlig;-Gerau，德国</td><td>42-0100-7001</td><td>VisiJet PXL Binder Cartridge clear 1 x 约 1 升</td></tr><tr><td>渗透溶液</td><td>4D Concepts GmbH，Gro&amp;szlig;-Gerau，德国</td><td>42-0250-1090</td><td>Color-Bond 90，1 瓶，454 克</td></tr><tr><td>用于 3D 打印准备的建模软件</td><td>Autodesk，San Rafael，CA，美国</td><td>x</td><td>Netfabb Premium（版本 2019.0）</td></tr><tr><td>用于粘结剂的打印头</td><td>4D Concepts GmbH，Gro&amp;szlig;-Gerau，德国</td><td>42-0150-2010</td><td>HP 11 打印头（C4810A）</td></tr><tr><td>用于彩色打印的打印头</td><td>4D Concepts GmbH，Gro&amp;szlig;-Gerau，德国</td><td>42-0150-2011</td><td>HP 57 打印头 C 6657 AE 三色</td></tr><tr><td>打印粉末</td><td>4D Concepts GmbH，Gro&amp;szlig;-Gerau，德国</td><td>42-0050-2061</td><td>VisiJet PXL Core Eco 鼓装粉末 约 14 千克 — 约 11.47 升</td></tr><tr><td>分割软件</td><td>Thermo Fisher Scientific，Waltham，MA，美国</td><td>x</td><td>Amira 5.4.5</td></tr></tbody></table>

神经外科中复杂颅内肿瘤的多色3d打印

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

三维（3D）打印技术能够以正确尺寸的物理模型呈现患者特异性的病理情况。该模型可用于规划和模拟手术过程中的关键步骤。因此，准确打印肿瘤内部血管等解剖结构至关重要，不仅其表面需着色，整个体积内部也应着色。在模拟过程中，可去除某些部分（例如使用高速钻头），从而暴露出内部不同颜色的结构。这样，来自多种成像模态（如CT、MRI）的诊断信息便可整合于一个紧凑且可触知的单一实体中。
然而，制备和打印此类全彩解剖模型仍是一项困难的任务。因此，本文提供了一步一步的操作指南，演示如何融合不同的横断面影像数据集、分割解剖结构，并构建虚拟模型。第二步中，采用基于石膏的彩色3D喷墨粘结技术，打印出具有体积着色解剖结构的虚拟模型。该方法可高度精确地再现患者特异性的解剖结构，如一系列3D打印的岩尖软骨肉瘤模型所示。此外，所制作的模型可进行切割和钻孔，暴露出内部结构，从而实现外科手术操作的模拟。

本研究选取了8例岩尖软骨肉瘤患者，并为每位患者创建了包含骨骼、肿瘤、血管、垂体及视神经交叉的虚拟三维模型。其中3个模型采用基于石膏的彩色三维喷墨粘结技术进行了多色3D打印（图1A1,A2）。此外，还制作了一个内部含有动脉的单一肿瘤模型（图1B1），以展示体彩色渲染相较于表面彩色渲染的优势（图1B2,B3）。
这些模型用于演示手术入路（例如，钻孔创建）和肿瘤切除的模拟。该打印技术能够将来自不同成像模态的解剖结构组合成单一物体。
该石膏材料具有类似骨骼的特性，可轻松钻孔且不会熔化。因此，可用于模拟手术入路。硬化后，其稳定性足以复制脑内血管树等精细结构。
对模型整体进行染色，使得物体的内部结构（如穿行于肿瘤内部的颈内动脉）能够被清晰地观察到。通过使用钻头逐层去除肿瘤组织，红色的动脉在手术模拟过程中逐渐显露出来。
为验证该技术的准确性，将3D模型在计算机断层扫描仪中进行扫描，并将用于打印的模型与这些扫描结果进行叠加。通过生成偏差分布图，并在50个随机选取的表面点上确定精度，结果显示平均偏差为0.021 mm，表明3D打印结果与原始数据具有高度一致性。
<img alt="3D解剖模型开发与比较；医学影像中的体绘制与表面着色。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图1"> 
图1：体绘制着色与表面着色的3D打印对比。 A1. 一名右侧岩尖软骨肉瘤患者的全彩3D打印模型示例。 A2. 解剖结构的细节视图（箭头 = 颈内动脉分叉处；O = 视神经交叉；T = 肿瘤）。 B1. 血管穿过肿瘤体积及其横截面水平（虚线）。 B2. 传统的多色打印技术仅在表面显示颜色。 B3. 改进的技术可生成适用于高级手术模拟的体绘制着色物体。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="动脉瘤轮廓分析示意图、3D打印模型、1mm与0.1mm壳层间距比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60471/60471fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图2"> 
图2：3D打印模型体积着色的工作流程。 A. 肿瘤的虚拟3D模型，其中血管穿过肿瘤体积，但无内部壳层结构。 B. 具有多个内部壳层（间距0.05 mm）的肿瘤与血管结构。 C. 壳层间距较大（1 mm）的示例，彩色壳层与白色壳层的单层结构仍清晰可见。 D. 壳层间距较小（0.1 mm）的示例，物体内部体积已完全着色。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60471/60471fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

本方案描述了用于手术模拟的患者特异性解剖颅骨模型全彩三维打印件的制备过程。详细说明了结合不同成像方式、图像分割、三维模型提取以及打印件制作等关键步骤。

神经外科中复杂颅内肿瘤的多色3D打印

三维（3D）打印技术能够通过正确尺寸的物理模型，实现对患者特异性病理的可视化。

本操作的目标是演示如何利用不同成像模态的数据，创建全彩、患者特异性的3D打印解剖模型的各个步骤。以岩尖软骨肉瘤为例，完整展示了图像融合与分割、虚拟3D模型构建以及3D打印制作的全过程。此外，还介绍了适用于手术模拟的3D打印模型体积着色技术。多种成像方式（如计算机断层扫描和磁共振成像）可显示手术区域的不同方面，例如骨骼、软组织、肿瘤和血管。3D打印技术提供了一种独特的机会，能够将这些不同方面的信息整合为一个尺寸真实、紧凑且可触的实体模型，可用于研究并模拟手术入路。特别是在外科手术模拟中，不仅需要在表面进行着色，更重要的是实现深入内部的体素级着色，以清晰显示相互嵌套的结构，例如穿过肿瘤的血管。本视频以岩尖软骨肉瘤为例，逐步演示如何制作一个全彩解剖模型。该过程的关键步骤包括医学影像数据的融合与分割，随后构建虚拟的三维表面模型。第三步是为多色3D打印准备虚拟模型，包括采用改进的工作流程以实现特定部位的体素着色。最后，介绍了打印和后处理过程。使用具有高空间分辨率的影像数据非常重要，例如，层厚为一毫米或更小。CT 用于骨骼的分割。采用增强T1加权MRI图像进行肿瘤和神经结构的分割，采用TOF图像进行血管分割。将DICOM文件下载至计算机，并打开Amira软件。导入不同成像模态的文件，并选择成像数据所在的文件夹。单击 CT 图像，并将其与体积渲染模块连接。选择“高光”以获得更逼真的渲染效果，并调整颜色传递滑块，仅显示骨骼结构。接着导入 MRI 序列，并同样将其连接至体积渲染模块。由于MRI和CT图像未重叠，因此有必要融合不同的成像数据。右键单击MRI数据集，选择“计算”→“仿射配准”。选择“参考图像”，然后将光标指向CT图像。在配准模块的属性中，保持所有设置为默认值，先点击“对齐中心”，然后点击“配准”。现在，这两个不同的成像数据集已融合。对所有后续成像数据集重复此步骤。通过隐藏体渲染并为MR图像添加正交切片模块，来检查匹配的准确性。选择 Colorwash。然后点击“数据”（Data），通过将鼠标拖动到 CT 上来连接此端口。调整颜色滑块，以可视化叠加在骨性颅骨结构上的神经结构。通过切换权重因子滑块，并观察颅骨与脑表面之间以及脑室的边界，检查是否存在任何错位。在不同切片以及冠状面和矢状面方向上重复此操作。关闭正交切片（OrthoSlice）模块的可见性，重新激活CT的体绘制显示。转到CT数据，查找该数据集中最低的数值，在本例中为-2,048。接下来，添加一个体积编辑（Volume Edit）模块，将 Volren 模块与输出数据连接，并将填充（Padding）值设置为 -2,048。单击“内部裁剪”（Cut Inside），并在 3D 视口中标记需要移除的区域。注意，应避免与不打算移除的部分发生重叠。在此示例中，部分下颌骨和上段颈椎椎骨已被移除。接下来，将对剩余的骨骼进行分割并转换为表面网格。因此，请单击分割编辑器，选择经过修改的CT图像序列，并添加一个新的标签集。现在选择“阈值”作为分割选项。对于CT图像，将下限滑块设置为约250的数值。确保预览中选中颞骨或眶上区域等薄骨结构。若未完全选中，请调整下限阈值，但应避免选中任何软组织。接下来，点击“选择”按钮。最后，将该选择添加到标签集中。返回到样本池视图。已创建新的标签集用于CT。右键单击并选择Compute（计算），进入Surface Gen（表面生成），勾选Compactify选项，然后点击Apply（应用）。最后，添加一个Surface View（表面视图）模块，并调整生成网格的颜色。通过重复上述步骤，添加其他相关结构。对于肿瘤，采用手动分割而非阈值分割操作。因此，对肿瘤、视神经和颅内血管进行了分割，并将其添加到模型中。最后，通过右键单击网格并选择保存，导出生成的网格。选择 STL 作为文件格式。打开 Netfabb，将之前步骤生成的网格作为新部件导入。勾选自动修复，然后点击导入。选择头骨，并将其壳体拆分为多个部分。这将分离所有未与头骨连接的松散物体。选择头骨部分，然后关闭其可见性。现在选择所有其他部分并将其删除。对所有其他对象重复此步骤。注意，在某些区域，例如颅骨岩尖内部的肿瘤，两个对象的几何形状会相互交叉。为避免打印错误，必须移除此类相交部分。因此，请选择两个相交的对象，然后点击布尔运算。将需要从另一对象中减去的对象移至列表的红色一侧，然后点击应用。现在这两个物体已明显分离，应通过切换其可见性进行检查。重复这些步骤后，肿瘤以及肿瘤内部的动脉能够被清晰地相互分离。对于基底动脉，需要额外的支撑结构，以防止打印后物体成为松散部分。添加一个新对象，在此情况下为一个圆柱体，并根据需要调整其尺寸和细分。将圆柱体放置为完全与颅骨及血管几何体相交。接着再次执行布尔运算，以减去位于骨组织和血管内部的部分。根据需要重复此步骤以添加更多支撑结构。为了实现对特定部分的体积着色，不仅需要生成一个表面壳层，还需要在物体内部生成多个子壳层。选择肿瘤区域，并基于其生成一个新的壳层。在内偏移模式下设置壳体厚度为 3 毫米，精度为 15 毫米，然后应用。这将生成一个距离原始表面 3 毫米的内壳体。选择外层壳体，并基于其生成一个新的壳体。在空心模式下选择 25 毫米的壳厚度，精度为 15 毫米。同时选中“移除原始部件”复选框。这将在两个相邻壳体之间生成 05 毫米的间隙。通过重复这些步骤，可创建多个具有恒定厚度和不变偏移量的内层壳体。建议使用 35 至 25 毫米的壳体厚度，以及 1 至 05 毫米的偏移量，以实现平滑的体绘制着色。对所有其他对象（如血管）重复这些步骤。在最后一步，需要设置每个对象的打印颜色。为此，请选择要着色的部分，双击“纹理和颜色网格”，然后选择一种颜色。单击“在壳上涂色”图标，然后点击屏幕中央显示的模型。最后应用更改，并确认“移除旧部件”对话框。对所有其他对象和壳体分别重复这些步骤。最后，导出所有需要打印的对象，包括支撑结构和内壳，并将它们导出为单独的文件。务必选择 VRML 格式，因为 STL 格式无法传输颜色信息。打开 3D 打印系统的打印软件，导入上一步创建的 VRML 文件。选择毫米作为单位。勾选“保持位置”，并应用于所有文件。并将材料类型设置为 ZP151。现在通过调整位置和旋转将3D模型放置在打印区域内。对于颅骨模型，确保其开口朝上。进入设置，选择ZP151作为材料类型，并将层厚设置为1毫米。选择出血补偿，然后确认。接下来，点击“构建”，并保持所有设置为预设值。最后，检查打印机状态，然后点击“打印”。打印完成后，使用真空吸尘器小心清除散落的粉末，以取出模型。注意不要让吸管直接接触模型，以免导致细薄结构断裂。取出模型后，用加压空气仔细清洁，并配合软毛刷进行清理。在此状态下，模型仍然非常脆弱。为了增强其稳定性并改善着色情况，将模型放入塑料容器中，并用固化溶液进行渗透处理。需使用加压空气去除多余的溶液，以确保所有表面细节得以保留。让模型固化数小时，直至完全干燥。已创建出多名软骨肉瘤患者的多色三维打印模型。多色三维打印技术能够将来自不同成像方式的骨组织和软组织等不同解剖结构融合，整合于单一物体中。在外科手术模拟装置中，彩色打印的石膏材料表现出类似骨骼的特性，可轻松进行钻孔和切割。该技术还可实现对物体内部结构的着色，例如穿过肿瘤的颈内动脉。通过使用钻头逐层去除肿瘤组织，可在手术模拟过程中逐步显露出红色的动脉。为验证该技术的准确性，将3D模型在计算机断层扫描仪中进行扫描，并将用于打印的模型与这些扫描图像进行叠加。通过创建偏差图，并在50个随机选取的表面点上确定其准确性。平均偏差为21微米，表明3D打印结果与原始数据具有高度一致性。本文展示了如何将不同的临床成像模式整合为单一的多色3D打印模型。此外，还介绍了对标准3D打印工作流程的改进方法，以实现具有体积着色的模型制作。此外，3D 打印模型与原始影像数据相比，其重叠精度显示出高度的准确性。综上所述，这些全彩模型能够对复杂的解剖情况（如颅底肿瘤）进行手术模拟，相关应用已在一系列病例研究中得到展示。

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