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神经外科复杂颅内肿瘤的多色3D打印

Medicine
 

Summary

该协议描述了用于手术模拟的患者专用解剖头骨模型全彩色三维打印的制作。阐述了将不同成像模式、图像分割、三维模型提取和打印制作相结合的关键步骤。

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Kosterhon, M., Neufurth, M., Neulen, A., Schäfer, L., Conrad, J., Kantelhardt, S. R., Müller, W. E. G., Ringel, F. Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery. J. Vis. Exp. (155), e60471, doi:10.3791/60471 (2020).

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Abstract

三维 (3D) 打印技术提供了在正确尺寸的物理模型中可视化患者特定病理的可能性。该模型可用于规划和模拟手术方法的关键步骤。因此,重要的是,解剖结构,如肿瘤内的血管可以打印,不仅在表面,但在整个体积着色。在仿真过程中,这允许移除某些部件(例如,使用高速钻头)和揭示不同颜色的内部位置结构。因此,各种成像模式(例如CT、MRI)的诊断信息可以组合在一个紧凑和有形的物体中。

然而,准备和印刷这种全彩色解剖模型仍然是一项艰巨的任务。因此,提供了分步指南,演示了不同横截面成像数据集的融合、解剖结构的分割和虚拟模型的创建。在第二步中,使用基于石膏的颜色 3D 粘合剂喷射技术,使用体积彩色解剖结构打印虚拟模型。这种方法可以高度准确地再现患者特定的解剖结构,如一系列3D打印的Petrous尖骨肉瘤所示。此外,创建的模型可以切割和钻孔,揭示内部结构,允许模拟外科手术。

Introduction

颅底肿瘤的手术治疗是一项具有挑战性的任务,需要精确的术前规划1。使用计算机断层扫描 (CT) 和磁共振成像 (MRI) 的多模式成像可为外科医生提供有关患者个人解剖的信息。在临床实践中,通过显示一系列代表解剖学不同方面的二维(2D)横截面(例如,用于骨骼可视化的CT、血管的CT血管造影、软组织的MRI)来可视化此诊断信息。

然而,尤其是对于初学者、医科学生和患者来说,理解不同3D结构与横截面图像的复杂关系是极具挑战性的。除了尸体研究2,这个问题可以通过建立个体病理的真实尺寸解剖模型来解决,以不同颜色显示解剖结构3。

由于过去几年的技术进步,3D打印技术允许经济高效地构建复杂形状4、5。因此,此技术提供了构建患者特定解剖模型的可能性,这些模型是有形的,清楚地描绘了空间关系,并可用于手术规划和模拟。特别是在罕见和复杂的病例,如Petrous顶膜肉瘤,术前模拟肿瘤切除在个别情况下可能有助于提高外科医生的自信心和患者的结果。

常见的FDM打印(丝状沉积建模)技术只允许在一种或有限的颜色中创建具有封闭表面的对象6。为了提供一个手术模拟模型,其中包含各种复杂形状的解剖结构,主要嵌套在彼此内部,需要完全体积彩色的3D打印。这允许连续去除组织层,直到内部结构被揭示。

基于石膏的颜色3D活页夹喷射是一种能够生产所需的多色型号7的技术。在其标准配置中,只能对物体的表面进行着色,本文将介绍一种经过修改的技术,以确保将颜色的体积应用于内部解剖结构。

为了证明这项技术,选取了颅底软骨肉瘤患者的病例作为例子。软骨肉瘤占骨骼系统所有肿瘤的20%,大部分位于长骨骼中。原发性颅底软骨肉瘤是一种罕见的疾病,负责所有颅内肿瘤0.1-0.2%8。这些肿瘤主要位于岩石顶点,生长在复杂的解剖环境中,涉及关键结构,如内颈动脉、视光和其他颅神经,以及脑垂体。治疗这些肿瘤主要集中于完全的手术切除,因为仅辅助疗法(如辐射)不够有效9。

由于这个肿瘤实体的复杂性和稀有性,在3D打印头骨模型中进行术前手术模拟可能有助于更好地可视化和理解解剖学,并帮助外科医生实现完全切除。正如其他人10所示,11个3D打印的患者特定模型提高了居民和有经验的神经外科医生对复杂神经解剖学的理解。

但是,从医学成像数据创建此类个性化模型需要图像分割、3D 建模和 3D 打印方面的技能,尤其是在解剖结构以不同颜色打印时。本手稿旨在通过提供将医疗成像数据转换为虚拟 3D 模型和制造多色 3D 对象的详细协议,使其他人更容易获得所述解剖模型的制作。

工作流主要由四个部分组成:1)医学影像数据的分割和虚拟三维模型的创建;2) 准备多色3D打印虚拟3D模型;3) 准备对所选零件进行体积着色;4)3D打印和后期处理。

Protocol

该议定书由负责的当地道德委员会(德国美因茨州莱茵兰-普法尔茨州)的EthikkomededeLandérztekammer Rheinland-Pfalz批准。所有护理和使用患者数据的机构准则都得到遵守。

1. 医疗成像数据的分割和虚拟三维模型的创建

注:我们用于分段的软件是 Amira 5.4.5。也可以通过使用开源软件(例如,3D 切片机、https://www.slicer.org/)来完成分段过程。

  1. 使用具有高空间分辨率的成像数据(例如,切片厚度为 1 mm 或更少)。此处使用了切片厚度为 0.5 mm 的颅骨 CT 数据集和切片厚度为 1 mm 的其他 MRI 数据。使用 CT 数据分割骨骼,对比增强的 T1 MRI 图像分割肿瘤和神经结构,以及血管的飞行时间 (TOF) 图像。
  2. 在计算机上下载 DICOM 文件并打开分段软件。导入不同映像模式的文件,并选择具有成像数据的文件夹。
  3. 单击 CT 图像并将其与音量渲染模块 (Volren) 连接。选择"镜面"以进行更逼真的渲染,并调整颜色传输滑块以仅可视化骨骼。继续导入 MRI 序列并将它们连接到卷呈现模块。
  4. 注册
    1. 由于 MRI 和 CT 图像不重叠,因此有必要融合不同的成像数据。因此,右键单击 MRI 数据集并选择"计算>仿富注册"。通过单击模块的白色方块选择"参考",然后将光标拖动到 CT 上。
    2. 在注册模块的属性中,将所有设置保留为默认值,然后单击"对齐中心",然后单击"注册"。两个不同的成像数据集现在融合在一起。对所有进一步的映像数据集重复此步骤。
  5. 验证匹配精度:
    1. 通过隐藏音量渲染(单击模块的橙色方块)并向 MR 图像添加OrthoSlice模块来检查匹配精度。单击白色三角形并选择"颜色洗涤"。下一次单击白色方块,选择"数据",并通过将鼠标拖动到该端口上,将此端口与 CT 数据连接。
    2. 调整颜色滑块以可视化叠加到骨头骨结构的神经结构。在查看头骨和大脑表面以及心室之间的边界时,通过切换重量因子滑块来检查是否有任何错位。在日冕和朝下方向的不同切片上重复此过程。
  6. 卷编辑
    1. 停用OrthoSlice模块的可见性并重新激活 CT 的音量呈现。转到 CT 数据并查找数据集中的最低值,在本例中为 -2,048。
    2. 接下来,添加卷编辑模块,将Volren模块与输出数据连接,并将填充值设置为 -2,048。
    3. 单击"内部剪切"并标记要在 3D 视口中移除的区域。
      注: 请务必避免与不打算移除的部件重叠。
    4. 在此示例中,下颌骨和上颈椎的部分被移除。
  7. 骨骼分割
    1. 接下来,必须分割剩余的骨骼并将其转换为曲面网格。为此,请单击分段编辑器,选择修改后的 CT 图像序列,并通过单击"新建"添加新标签集。
    2. 现在选择"阈值"作为分段选项。在 CT 的情况下将下部滑块设置为 +250。确保在预览中选择细骨骼结构,如时骨骼或上轨道区域。否则,调整较低的阈值,但避免选择任何软组织。
    3. 下一步单击"选择",最后将所选内容添加到标签集(通过单击红色加图标)。
    4. 返回到池视图。已为 CT 创建了一个新的标签集。右键单击并选择"计算>曲面",选中"压缩化"选项,然后单击"应用"。
    5. 最后,添加SurfaceView模块并调整生成的网格的颜色。
  8. 其他结构的分割
    1. 通过重复前面的步骤添加其他相关结构。在肿瘤的情况下,使用手动分割,而不是阈值操作。
    2. 要执行手动分割,请转到分段编辑器,然后选择手动分段选项(画笔图标)来标记每个切片中的肿瘤等结构。最后,通过单击加号图标再次添加所选内容。因此,肿瘤、视神经和颅内血管将被分割并添加到模型中。
  9. 导出的个参数
    1. 最后,通过右键单击网格并单击"保存",以 STL 格式导出生成的网格。选择二进制 STL 作为文件格式。

2. 多色打印虚拟3D模型的准备

注: 该协议中用于打印准备的软件是 Netfabb 高级版 2019.0。欧特克在其教育计划中免费提供该软件。

  1. 导入数据并执行自动修复。
  2. 打开打印准备程序,并将前面步骤中生成的网件导入为新零件。选中"自动修复"并单击"导入"。
  3. 删除小松动零件
    1. 选择头骨,并通过单击"修改>分割壳"将其壳分割成零件。这将分离任何未连接到头骨的松散物体。
    2. 选择头骨并关闭其可见性。
    3. 现在选择所有其他部件并删除它们。
    4. 再次切换头骨的可见性。
    5. 对所有其他对象重复此步骤。
  4. 删除重叠区域。
    注:在某些区域,如头骨的岩尖内的肿瘤,两个物体的几何形状相互相交。为了避免打印错误,必须删除此类交点。
    1. 选择两个相交的对象,然后单击布尔操作
    2. 将要从另一个对象减去的对象移到列表的红色一侧,然后单击"应用"。现在,这两个对象已清楚地分开。这应通过切换其可见性来检查。
    3. 重复这些步骤,让肿瘤以及肿瘤内的动脉彼此明显分离。
  5. 根据需要添加支撑结构。
    1. 在罗勒动脉的情况下,需要额外的支撑,以防止物体在打印后成为松动的部分。
    2. 添加新对象,在这种情况下,一个圆柱体 (文件>零件库), 并根据需要调整其尺寸和细分。
    3. 放置圆柱体,以便与头骨和容器几何体完全相交。
    4. 现在再次执行布尔操作,以减去骨骼和血管内的部分。
    5. 重复此步骤以根据需要添加更多支持(例如,视神经)。

3. 准备对选定零件进行体积着色

注: 要允许某些零件的体积着色,需要不仅在对象内部生成一个表面外壳,还需要生成多个子壳(附加曲面)。

  1. 选择肿瘤,在这种情况下,并从中生成一个新的外壳(右键单击 >修改>生成外壳)。
  2. 内部偏移模式下设置 0.3 mm 的壳体厚度,精度为 0.15 mm 并应用。选中"保留原始零件"复选框。这将生成与原始曲面距离为 0.3 mm 的内部外壳。
  3. 选择两个壳体的外部表面,并从中生成一个新的外壳。在空心模式下选择 0.25 mm 的壳体厚度,精度为 0.15 mm。还可以选中"删除原始零件"复选框。这将在两个相邻壳体之间生成 0.05 mm 的空间。
  4. 重复步骤 3.1_3.3,以便创建多个具有恒定厚度和不变偏移的内部壳体。
    注:建议使用 0.35~0.25 mm 的壳体厚度以及 0.1~0.05 mm 的偏移,以实现平滑的体积着色。
  5. 对所有其他对象(如血管)重复步骤 3.1_3.4。

4. 3D模型的着色和导出

注: 模型所有部分的着色(包括不同的嵌套外壳)都使用 Netfabb 软件完成。

  1. 在左侧的"零件"菜单中选择要着色的零件。双击纹理和颜色网格图标。通过单击右侧的颜色栏来选择颜色。在顶部菜单中左键单击"壳上画"图标。随后左键单击屏幕中心中显示的模型。最后左键单击右下角的"应用更改"框。确保确认"删除旧零件"选择。
  2. 分别对所有其他对象和外壳重复这些步骤。
  3. 导出所有对象。选择要打印的所有对象(包括支撑和内部外壳),并将它们导出为单个文件。请务必选择 VRML (WRL) 格式,因为 STL 格式无法传输颜色信息。

5. 3D模型的印刷和后期处理

  1. 设置 3D 打印机
    注:3DPrint 软件(版本 1.03)用于控制 ZPrinter 450 活页夹喷射机。
    1. 打开软件,通过单击"打开"并选择所有相关数据来导入彩色 VRML 文件。单击右下角的"打开"按钮。在后续窗口中,选择毫米作为单位。确保选中"保持位置和方向"以及"将所有文件应用设置"框。最后选择Z151作为材料类型。单击"下一步"按钮。
    2. 要将 3D 对象定位到生成体积内,通过按#A键标记所有对象。
      1. 在左上角窗口中,表示生成体积的 XY 视图,单击标记的对象并将其拖动到中心。在左下角(表示生成体积的 XZ 视图)中,单击并拖动下部中间的黄线上方的对象。
      2. 如果打印了整个头骨模型,请确保开口朝上。如果打印了孤立的小型模型,请确保将容器等精密零件与 XY 平面对齐,因为此方向会增加各个零件的强度。
      3. 单击模型并在右侧的窗口中移动模型,检查模型的正确方向。
    3. 要准备生成过程,请单击上部菜单中的"设置"图标。确保选择了正确的材料类型,并且图层厚度设置为 0.1 mm。应选中"出血补偿",取消选中"单色打印"选项。
    4. 要开始打印过程,请单击上部菜单中的"生成"图标。在后续窗口中选择"整个生成",然后单击"确定"按钮。确保在下面的打印机状态对话框中,所有列出的项目都设置正确,并且打印机处于联机状态。然后,单击对话框下部的"打印"按钮。
  2. 模型的后期处理
    注意:在处理松散粉末和硬化溶液时,务必佩戴实验室外套、手套、护目和面罩。始终在通风良好的区域工作。
    1. 打开
      1. 打印完成后,使用集成的真空吸尘器小心地取出松动的粉末,将模型解压。请务必不要将模型直接接触到吸管,以防止薄结构断裂。
      2. 拆下模型,并通过施加压缩空气以及用软刷清洁它来清洁它。更厚,更稳定,模型的部分可以另外地面与更硬的刷子。此可选步骤允许更平滑的表面光洁度。请记住,在这种状态下,模型仍然非常脆弱。
    2. 渗透
      1. 将模型放入塑料桶内。
      2. 用硬化溶液小心地渗透它,直到看不到白色区域。
      3. 多余的溶液必须用加压空气和一次性纸巾去除,以保持所有表面细节。
      4. 让模型固化几个小时,直到它完全干燥。

Representative Results

8名患者选择了Petrous顶点软骨肉瘤进行研究,并创建了虚拟的3D模型,每个模型都含有骨骼、肿瘤、血管、脑垂体和视神经交叉。三个模型使用石膏色彩色3D粘结器喷射技术进行多彩3D打印(1A1,A2)。此外,还创建了一个具有内动脉的单个肿瘤(图1B1),以显示体积着色与表面着色相比的益处(图1B2,B3)。

这些模型用于演示手术方法(例如,毛刺孔创建)和肿瘤切除的模拟。这种打印技术允许将不同成像模式的解剖结构合并到单个对象中。

石膏材料具有骨状物状,无需熔化即可轻松钻孔。因此,用它来模拟手术访问路线是可行的。硬化程序后,它足够稳定,可以复制甚至脆弱的结构,如脑内血管树。

能够对模型的整个体积进行着色,使物体的内部结构(如穿过肿瘤的内部胡萝卜动脉)清晰可见。通过用钻头去除肿瘤层,在手术模拟中逐渐显现红色动脉。

为了证明该技术的准确性,在计算机图谱中扫描了3D模型。为打印创建的模型叠加到这些扫描中。创建了偏差映射,并在 50 个随机选择的表面点中确定精度。平均偏差为 0.021 mm,与原始数据相比,3D 打印的偏差很高。

Figure 1
图 1:体积与表面彩色 3D 打印。A1.示例全彩色全彩色 3D 打印患者与软骨肉瘤在右岩石顶点。A2.解剖结构的详细视图(箭头 = 内颈动脉分叉;O = 视神经千兆性;T = 肿瘤)。B1.血管跨越肿瘤体积和横截面水平(虚线)。B2.传统的多色印刷技术只在表面显示颜色。B3.修改后的技术产生适合高级手术模拟的体积彩色物体。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:3D 打印的体积着色工作流。A.没有内壳的血管穿过体积的肿瘤的虚拟3D模型。B.肿瘤和具有多个内壳的血管(距离0.05毫米)。C.高壳距(1 mm)的示例。彩色和白色贝壳的单层仍然可见。D.小壳距(0.1 mm)的示例。对象的内部体积完全彩色。请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

颅内软骨肉瘤的治疗主要基于完全手术切除。通常位于岩石顶点,这个肿瘤接近重要的结构,如内颈动脉,视神经,和脑垂体。因此,规划手术轨迹是手术前的关键步骤。多色 3D 打印允许将这些结构(每个结构都派生自不同的成像模式)融合到单个对象中。

在准备 3D 打印期间,仔细选择足够的成像数据非常重要。具有小切片厚度的高分辨率图像非常适合 3D 重建和平滑过渡,而高切片厚度会产生粗糙、不均匀的对象。该方法的另一个关键步骤是避免两个相邻物体(如肿瘤和头骨)的任何交叉点。因此,必须执行布尔操作才能从另一个对象中减去一个对象。

为了允许体积着色,有必要在物体内创建类似洋葱壳的地下表面(图2A,B)。需要两个相邻曲面之间的最小距离至少为 0.1 mm,才能获得平滑的彩色对象(图2D)。如果所选距离高于此值,则对象内的单个外壳可能会变为可见(图 2C)。使用体积着色时,应注意增加 3D 打印机的颜色消耗。此外,检查模型是否有任何松动部件,并在必要时添加支撑(例如,巴勒塔动脉)也很重要。

该方法只能产生坚硬的石膏状材料,不是很耐用。特别是在没有硬化程序的情况下,在拆包过程中可以很容易地销毁模型。因此,血管等脆弱元素往往容易破裂。

该技术也不适合模拟软组织。例如,为了模拟脑组织,可能需要使用能够直接生产软硬材料的方法进行打印,或者打印可用于铸造软物体(如硅橡胶14)的模具。在一个试验例中,后一种方法用于模拟软肿瘤。最后一个程序的局限性是,虽然硅胶肿瘤非常灵活,但有必要有足够的空间将其插入3D打印模型。此外,不可能创建内部结构,如血管。

3D 粘合剂喷射是一种增材制造技术,通过部分硬化和着色薄层石膏粉来组装物体。因此,它允许在单个进程中打印对象体积内几乎无限的颜色、颜色过渡和彩色结构范围。

与其他打印技术(如长丝打印机)相比,这种打印技术的成本最低,但一次只允许两种或三种颜色,而聚聚 Jet 打印机生产多色、多材质物体但非常昂贵,因此,该技术可提供以实惠的价格妥协。打印头骨的平均材料成本约为 150 欧元。

使用这种方法,可以可视化更抽象的数据,例如从 MRI 纤维跟踪序列或功能成像中衍生的细丝纤维,例如大脑语音区域(例如,Broca%s 区域)。

除了手术模拟,3D打印,全彩色模型的真实患者解剖可以帮助改善教育医学学生或年轻医生,使他们可以更好地理解复杂的解剖关系。它也是患者教育的重要工具。

Disclosures

这项研究得到了美因茨约翰内斯·古滕贝格大学医学院向M.K.("生物信息学- 斯图夫1号Fürerung")的赠款的支持。

Acknowledgments

在德国维尔茨堡举行的2019年德国神经外科学会(DGNC)年会上,部分作品作为海报展示,并在2019年德国计算机和机器人辅助外科学会(CURAC)年会上作简短介绍。德国罗伊特林根

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

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References

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