Author Produced

Flerfarget 3D-utskrift av komplekse intrakraniell svulster i nevrokirurgi

Medicine
 

Summary

Protokollen beskriver fabrikasjon av fullt fargede tredimensjonale utskrifter av pasientspesifikke, anatomiske hodeskallen modeller som skal brukes til kirurgisk simulering. De avgjørende trinnene for å kombinere ulike Imaging modaliteter, bilde segmentering, tredimensjonal modell utvinning, og produksjon av utskrifter er forklart.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Tredimensjonale (3D) utskrifts teknologier gir mulighet for visualisering av pasientspesifikke patologi i en fysisk modell av korrekte dimensjoner. Modellen kan brukes til å planlegge og simulere kritiske trinn i en kirurgisk tilnærming. Derfor er det viktig at anatomiske strukturer som blodkar inne i en svulst kan skrives ut til å være farget ikke bare på overflaten, men gjennom hele volumet. Under simulering dette gir mulighet for fjerning av visse deler (f. eks, med en høy hastighet Drill) og avslørende internt plassert strukturer av en annen farge. Diagnostisk informasjon fra ulike bildebehandlings metoder (f.eks. CT, MRI) kan dermed kombineres i ett enkelt kompakt og håndgripelig objekt.

Men forberedelser og utskrift av en slik fullt farget anatomisk modell er fortsatt en vanskelig oppgave. Derfor er en steg-for-steg guide gitt, demonstrere fusjon av ulike tverrsnitt Imaging datasett, segmentering av anatomiske strukturer, og etablering av en virtuell modell. I et andre trinn den virtuelle modellen er trykt med volumetrically fargede anatomiske strukturer ved hjelp av en gips-basert farge 3D bindemiddel spyling teknikk. Denne metoden gir svært nøyaktig gjengivelse av pasient spesifikk anatomi som vist i en serie med 3D-trykte Petrosa Apex hondrosarkomy. Videre modellene opprettet kan kuttes og bores, avslørende interne strukturer som gjør det mulig for simulering av kirurgiske prosedyrer.

Introduction

Kirurgisk behandling av hodeskallen base svulster er en utfordrende oppgave som krever presis preoperativ planlegging1. Multimodal avbildning ved hjelp av beregnede tomografi (CT) og magnetisk resonans imaging (MRI) gir kirurgen informasjon om pasientens individuelle anatomi. I klinisk praksis er denne diagnostiske informasjonen vist ved å vise en rekke todimensjonale (2D) tverrsnitt som representerer ulike aspekter av anatomien (f. eks CT for visualisering av bein, CT angiografi for fartøy, Mr for bløtvev).

Men spesielt for nybegynnere, medisinstudenter og pasienter, forstå komplekse relasjoner av ulike 3D-strukturer til tverrsnitt bilder er utfordrende. Foruten avdød studier2, kan dette problemet løses ved å etablere ekte-størrelse anatomiske modeller av individuelle patologi, viser anatomiske strukturer i forskjellige farger3.

Takket være tekniske fremskritt de siste årene, teknologi for 3D-utskrift tillate kostnadseffektiv bygging av komplekse former4,5. Derfor gir denne teknikken muligheten til å konstruere pasientspesifikke anatomiske modeller som er konkrete, tydelig skildre romlige forhold, og kan brukes til kirurgisk planlegging og simulering. Spesielt i sjeldne og komplekse tilfeller som Petrosa Apex hondrosarkomy, preoperativ simulering av tumor fjerning i et enkelt tilfelle kan bidra til å forbedre selvtilliten til kirurgen og pasientens utfall.

Common FDM-utskrift (filament deponering modellering) teknikker bare tillate oppretting av objekter med en lukket overflate i ett eller et begrenset utvalg av farger6. For å gi en modell for kirurgisk simulering som inneholder ulike komplekse formede anatomiske strukturer hovedsakelig nestet inni hverandre, fullt volumetrically fargede 3D-utskrifter er nødvendig. Dette gir en påfølgende fjerning av vev lag til en intern struktur er avslørt.

Plaster-basert farge 3D bindemiddel spyling er en teknikk i stand til å produsere de nødvendige flerfarget modeller7. Mens i sin standardkonfigurasjoner bare overflaten av et objekt kan være farget, her en modifisert teknikk er beskrevet for å sikre volum anvendelse av farge til interne anatomiske strukturer.

For å demonstrere denne teknikken, tilfeller av pasienter med hodeskallen base hondrosarkomy ble valgt som et eksempel. Hondrosarkomy står for 20% av alle neoplasi i skjelettsystemet, for det meste plassert i de lange beina. Primære hodeskallen base hondrosarkomy er en sjelden tilstand ansvarlig for 0,1-0,2% av alle intrakraniell svulster8. Hovedsakelig ligger på Petrosa Apex, disse tumorer vokse i et komplekst anatomisk miljø som involverer sentrale strukturer som intern hals puls arterien, den optiske og andre skallen nerver, samt hypofysen. Behandling av disse svulster er i hovedsak fokusert på en total kirurgisk reseksjon, fordi adjuvant behandling alene (for eksempel stråling) ikke er effektive nok9.

På grunn av kompleksiteten og sjeldenhet av denne tumor enhet, preoperativ kirurgisk simulering i en 3D trykt hodeskalle modellen kan bidra til å bedre visualisere og forstå anatomi og å bistå kirurgen oppnå fullstendig reseksjon. Som vist av andre10,11 3D-utskrift av pasientspesifikke modeller forbedrer både beboere og erfarne neurosurgeons forståelse av komplekse nevroanatomi.

Men å skape slike individualisert modeller fra medisinsk imaging data krever ferdigheter i bildet segmentering, 3D-modellering, og 3D-utskrift, spesielt når anatomiske strukturer skal skrives ut i forskjellige farger. Dette manuskriptet har til hensikt å gjøre fabrikasjon av de beskrevne anatomiske modeller mer tilgjengelig for andre ved å gi en detaljert protokoll for konvertering av medisinsk imaging data til virtuelle 3D-modeller og for fabrikasjon av flerfarget 3D-objekter.

Arbeidsflyten består hovedsakelig av fire deler: 1) segmentering av medisinsk bildebehandling data og etablering av en virtuell 3D-modell; 2) utarbeidelse av den virtuelle 3D-modellen for flerfarget 3D-utskrift; 3) forberedelse for volum farging av utvalgte deler; og 4) 3D-utskrift og etterbehandling.

Protocol

Protokollen ble godkjent av den ansvarlige lokale etikk komiteen (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Tyskland). Alle institusjonelle retningslinjer for Stell og bruk av pasientdata ble fulgt.

1. segmentering av medisinsk bildebehandling data og etablering av en virtuell 3D-modell

Merk: programvaren vi brukte for segmentering var Amira 5.4.5. Den segmentering prosessen kan også oppnås ved hjelp av åpen kildekode-programvare (f. eks, 3D slicer, https://www.slicer.org/)

  1. Bruk bildedata med høy romlig oppløsning (f.eks. en skive tykkelse på 1 mm eller mindre). Her, en skallen CT datasett med en skive tykkelse på 0,5 mm og ytterligere MRI data med en skive tykkelse på 1 mm ble brukt. Bruk CT data for segmentering av bein, kontrast forbedret T1 MRI bilder for segmentering av tumor og nevrale strukturer, samt time-of-Flight (TOF) bilder for fartøy.
  2. Last ned DICOM-filer på datamaskinen og åpne segmentering programvare. Importer filene til de ulike bildebehandlings metodene, og velg mappen med bildedata.
  3. Klikk på CT bilder og koble dem med en volum rendering modul (Volren). Velg speilende utheving for en mer realistisk gjengivelse, og Juster glidebryteren for fargeoverføring for å visualisere bare bein. Fortsett ved å importere MRI-sekvenser og koble dem til en volum gjengivelses modul også.
  4. Registrering
    1. Fordi MRI-og CT-bildene ikke overlapper hverandre, er det nødvendig å fusjonere de ulike bildedataene. Derfor Høyreklikk på MRI datasett og velg beregnaffine registrering. Velg Referanse ved å klikke på den hvite firkanten i modulen, og dra deretter MARKØREN til CT.
    2. I den registrering Module egenskaper la alle innstillinger på standard og klikk på Juster Centers, etterfulgt av å klikke Registrer. De to forskjellige bildedata settene er nå smeltet sammen. Gjenta dette trinnet for alle ytterligere bildedata sett.
  5. Verifisering av samsvarende nøyaktighet:
    1. Sjekk matchende nøyaktighet ved å skjule volum gjengivelser (Klikk på den oransje kvadrat av modulen) og legge en OrthoSlice modul til Mr bilder. Klikk på den hvite trekanten og velg Colorwash. Neste klikk på den hvite firkanten, velg data og koble denne porten med CT data ved å dra musen på den.
    2. Juster fargen glidebryteren for å visualisere nevrale strukturer oppå bein hodeskallen strukturer. Se etter eventuelle avvik ved å bytte vekt faktor glidebryteren mens du ser på grensen mellom skallen og hjernen overflater samt ventriklene. Gjenta denne fremgangsmåten på forskjellige sektorer i koronale og sagittal retninger.
  6. Volum redigering
    1. Deaktiver OrthoSlice -modulens synlighet, og Aktiver volum GJENGIVELSEN av CT på. Gå til CT-dataene og se etter den laveste verdien i datasettet, i dette tilfellet-2 048.
    2. Deretter legger du til en volum redigerings modul, kobler Volren -modulen til utdataene og angir utfyllingsverdien til-2 048.
    3. Falle i staver opp på kutt innenfor og flekk området å bli fjernet inne det 3D viewport.
      Merk: det er viktig å unngå overlapping med deler som ikke er ment å bli fjernet.
    4. I dette eksempelet ble deler av kjeven benet og den øvre cervical ryggsøylen fjernet.
  7. Segmentering av bein
    1. Deretter må de resterende benet være segmentert og omgjort til en overflate mesh. For å gjøre dette, klikk på Segmentering Editor, velger du endret CT bildesekvens, og legge til en ny Labelset ved å klikke på ny.
    2. Nå velger terskel som en segmentering alternativ. Sett nedre glidebryteren til en verdi på ~ 250 i tilfelle av en CT. Kontroller at tynne bein strukturer som Tinning benet eller øvre orbital region er valgt i forhåndsvisningen. Ellers kan du justere nedre terskel, men unngå å velge noe bløtvev.
    3. Neste klikk på Velg og til slutt legge til valget til labelset (ved å klikke på den røde pluss-ikonet).
    4. Gå tilbake til basseng visningen. Det er opprettet en ny labelset for CT. Høyreklikk og velg beregnSurface gen, sjekk Compactify alternativet, og klikk Påfør.
    5. Til slutt legger du til en SurfaceView -modul og justerer fargen på det genererte nettet.
  8. Segmentering av andre strukturer
    1. Legg til andre relevante strukturer ved å gjenta de forrige trinnene. I tilfelle av tumor, manuell segmentering ble brukt i stedet for en terskelverdi operasjon.
    2. For å utføre manuell segmentering, gå til Segmentering Editor, og velg Manuell segmentering alternativet (pensel ikon) for å markere strukturer som svulst i hver skive. Til slutt legger du til valget igjen ved å klikke på plussikonet. Dermed vil svulsten, den optiske nerven, og de intrakraniell fartøyene bli segmentert og lagt til modellen.
  9. Eksportere nett
    1. Til slutt eksportere generert maskene i STL-format ved å høyreklikke på mesh og klikke på Lagre. Velg binær STL som filformat.

2. utarbeidelse av den virtuelle 3D-modellen for flerfarget utskrift

Merk: programvaren som brukes til utskrifts forberedelser i denne protokollen er Netfabb Premium 2019,0. Autodesk tilbyr gratis bruk av denne programvaren i sitt utdanningsprogram.

  1. Importer data og utfør automatisk reparasjon.
  2. Åpne utskrifts Forberedelses programmet og Importer maskene som ble generert i de forrige trinnene, som nye deler. Merk av for automatisk reparasjon , og klikk på Importer.
  3. Slette små løse deler
    1. Velg skallen og dele sine skjell i deler ved å klikke på endreSplit shells i deler. Dette skiller eventuelle løse gjenstander som ikke er koblet til skallen bein.
    2. Velg skallen bein og slå sin synlighet av.
    3. Velg deretter alle andre deler og slett dem.
    4. Slå skallen synlighet på igjen.
    5. Gjenta dette trinnet for alle andre objekter.
  4. Fjerne overlappende områder.
    Merk: i noen regioner, for eksempel svulsten inne i Petrosa toppen av skallen, overlapper geometrien til begge objektene hverandre. For å unngå utskriftsfeil, er det nødvendig å fjerne slike kryss.
    1. Velg de to kryssende objektene og klikk på boolske operasjoner.
    2. Flytt objektet som skal trekkes fra den andre til den røde siden av listen, og klikk på Bruk. Nå er de to objektene er klart adskilt. Dette bør kontrolleres ved å veksle deres synlighet.
    3. Gjenta disse trinnene for å la svulsten samt arterien inne i svulsten til å bli klart adskilt fra hverandre.
  5. Legg til støtte strukturer der det er nødvendig.
    1. Ved basilar arterien er det behov for ekstra støtte for å hindre at objektet løsner fra å være en løs del etter utskrift.
    2. Legg til et nytt objekt, i dette tilfellet en sylinder (fildel bibliotek), og Juster dimensjonene og inndelingene etter behov.
    3. Plasser sylinderen til å krysse helt med skallen og fartøyet geometri.
    4. Nå utfører den boolske operasjonen på nytt for å trekke fra delene i benet og blodkaret.
    5. Gjenta dette trinnet for å legge til flere støtter der det trengs (for eksempel synsnerven).

3. forberedelse for volum farging av utvalgte deler

Merk: for å tillate volum farging av visse deler er det nødvendig å generere ikke bare ett overflate skall, men mange subshells (ekstra overflater) inne i objektet.

  1. Velg svulsten, i dette tilfellet, og generere et nytt skall fra den (høyreklikk > endregenerere Shell).
  2. Sett en skall tykkelse på 0,3 mm i Inner offset Mode med en nøyaktighet på 0,15 mm og Påfør. Merk av for Behold opprinnelig del . Dette genererer et indre skall med en avstand på 0,3 mm til den opprinnelige overflaten.
  3. Velg den utvendige overflaten av begge skjell og generere et nytt skall fra den. Velg en skall tykkelse på 0,25 mm i hul modus med en nøyaktighet på 0,15 mm. Merk også av for Fjern original del . Dette genererer et mellomrom på 0,05 mm mellom de to tilstøtende skjell.
  4. Gjenta trinn 3.1 – 3.3 slik at flere indre skjell med konstante tykkelser og invariant forskyvninger opprettes.
    Merk: det anbefales å bruke en skall tykkelse på 0.35 – 0,25 mm, samt en forskyvning på 0,1 – 0,05 mm for å oppnå glatt farge.
  5. Gjenta trinn 3.1 – 3.4 med alle andre objekter, for eksempel blodkarene.

4. farging og eksportering av 3D-modellen

Merk: farging av alle deler av modellen, inkludert de distinkte nestede skjell, er gjort ved hjelp av Netfabb programvare.

  1. Velg en del som skal farges i deler-menyen på venstre side. Dobbel falle i staver teksturen og fargen maske ikon. Velg en farge ved å klikke på fargelinjen på høyre side. I den øverste menyen venstre klikk på Paint på shells ikon. Deretter venstre klikker du på modellen som vises i midten av skjermen. Til slutt igjen falle i staver på søke endre bokse med inne det lavere rett avkrok. Kontroller at du har merket av for Fjern gamle deler .
  2. Gjenta disse trinnene med alle andre objekter og skjell, henholdsvis.
  3. Eksporter alle objekter. Velg alle objekter som skal skrives ut, inkludert støtte og indre skjell, og eksporter dem som individuelle filer. Pass på at du velger VRML-formatet (WRL), fordi STL-formatet ikke er i stand til å transportere fargeinformasjonen.

5. trykking og etterbehandling av 3D-modellen

  1. Sette opp 3D-skriveren
    Merk: den 3DPrint programvare (versjon 1,03) ble brukt til å kontrollere ZPrinter 450 bindemiddel spyling maskin.
    1. Åpne programvaren og importere de fargede VRML-filer ved å klikke på Åpne og velge alle relevante data. Klikk på Åpne -knappen i nedre høyre hjørne av vinduet. I det etterfølgende vinduet velger du millimeter som enheter. Sørg for å sjekke Behold posisjon og orientering i tillegg til bruk innstillinger til alle filer bokser. Til slutt velger du Z151 som materialtype. Klikk på neste -knappen.
    2. Hvis du vil plassere 3D-objektene inne i Build-volumet, merker du alle objektene ved å trykke < STRG > + A -tasten.
      1. I vinduet øverst til venstre, som representerer XY-visningen for Build-volumet, klikker du og drar de markerte objektene til midten. I vinduet nederst til venstre som representerer XZ-visningen av Build-volumet, klikker du og drar objektene i midten av den nedre delen over den gule linjen.
      2. Hvis en hel hodeskalle modell er skrevet ut, være sikker på at åpningen vender oppover. Hvis isolerte små modeller skrives ut, må du passe på å justere ømfintlige deler som fartøy med XY-flyet, fordi denne orienteringen vil øke styrken på de respektive delene.
      3. Kontroller riktig retning på modellene ved å klikke og flytte dem i vinduet på høyre side.
    3. For å forberede byggeprosessen, klikk på setup -ikonet i den øvre menyen. Kontroller at riktig Material type er valgt, og at lagtykkelsen er satt til 0,1 mm. Den utfallende kompensasjon bør kontrolleres og Skriv ut i monokrom alternativet ukontrollert.
    4. Å starte utskriften forarbeide, falle i staver på bygge ikon inne det øvre meny. I det påfølgende vinduet velger du hele Build og klikker på OK knapp. Kontroller at i følgende skriver status dialog alle oppførte elementer er riktig innstilt og at skriveren er tilkoblet. Deretter klikker du på Skriv ut -knappen i den nedre delen av dialogboksen.
  2. Etterbehandling av modellen
    Merk: Bruk alltid Laboratoriefrakk, hansker, øyebeskyttelse og en maske mens du håndterer det løse pulveret og herding. Arbeid alltid på et godt ventilert sted.
    1. Utpakking
      1. Etter at utskriften er ferdig, Pakk ut modellen ved å forsiktig fjerne det løse pulveret med den integrerte støvsugeren. Det er viktig å ikke direkte kontakte modellen med sugerør for å hindre at tynne strukturer fra å bryte fra hverandre.
      2. Fjern modellen og rengjør den ved å bruke trykkluft i tillegg til å rengjøre den med en myk børste. Tykkere, mer stabile, deler av modellen kan i tillegg være bakken med en hardere pensel. Dette valgfrie trinnet gir en jevnere overflatebehandling. Husk at i denne tilstanden modellen er fortsatt svært skjør.
    2. Infiltrasjon
      1. Sett modellen inne i en plast tub.
      2. Infiltrere det forsiktig med herding løsningen til ingen hvitaktig områder er synlige.
      3. Overskuddet løsningen må fjernes med trykkluft og disponibel papirhåndklær for å opprettholde alle overflaten detaljer.
      4. La modellen kur i flere timer før den er helt tørr.

Representative Results

Åtte pasienter med chondrosarcoma av Petrosa Apex ble valgt for studien og virtuelle 3D-modeller ble opprettet, som hver inneholder bein, tumor, fartøy, hypofysen, og optisk nerve krysset. Tre modeller gjennomgikk flerfarget 3D-utskrift ved hjelp av gips-basert farge 3D bindemiddel spyling teknikk (figur 1a1, a2). I tillegg ble det opprettet en enkelt svulst med en indre arterie (figur 1B1) for å vise fordelene med volum fargelegging sammenlignet med overflate farging (figur 1B2, B3).

Disse modellene ble brukt til å demonstrere simulering av en kirurgisk tilnærming (f. eks, Burr hullet opprettelse) og tumor reseksjon. Dette utskrift teknikken er tillatt for å kombinere anatomiske strukturer avledet fra ulike Imaging modaliteter i ett enkelt objekt.

Gipsen materialet hadde bein-lignende egenskaper og kan lett bores uten smelting. Dermed var det mulig å bruke den til å simulere en kirurgisk tilgang rute. Etter herding prosedyren var det stabilt nok til å reprodusere selv skjøre konstruksjoner som intracerebrale fartøyet treet.

Muligheten til å fargelegge hele volumet av modellen tillot et objekts indre struktur, slik som den interne halspulsåren som reiser gjennom svulsten, for å være tydelig å visualisere. Ved å fjerne lag av tumor med bore, den røde arterien ble gradvis avslørt under kirurgisk simulering.

For å bevise nøyaktigheten av teknikken, ble 3D-modeller skannet i en datamaskin tomograph. Modellene som ble opprettet for utskrift, ble lagt oppå disse søkene. En Avviks tilordning ble opprettet, og nøyaktigheten ble fastsatt i 50 tilfeldig valgte overflate punkter. Et gjennomsnittlig avvik på 0,021 mm demonstrerer den høye samsvar av 3D-utskriften sammenlignet med de opprinnelige dataene.

Figure 1
Figur 1: volum i forhold til Surface-fargede 3D-utskrifter. A1. Eksemplarisk full farge 3D-utskrift av en pasient med chondrosarcoma på høyre Petrosa Apex. A2. Detaljert visning av anatomiske strukturer (pil = indre hals puls arterien bifurkasjonen; O = optisk nerve Chiasm; T = tumor). B1. Blod fartøy krysser tumor volum og tverrsnitt nivå (stiplet linje). B2. Den konvensjonelle flerfarget utskrift teknikken avslører farge bare på overflaten. B3. Den modifiserte teknikken gir volumetrically fargede objekter som er egnet for avansert kirurgisk simulering. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: arbeidsflyt for volum farging av 3D-utskrifter. A. Virtual 3D modell av en svulst med et blodkar krysset sitt volum uten indre skjell. B. a tumor og en blodåre med flere indre skjell (avstand 0,05 mm). C. et eksempel på høy skall avstand (1 mm). Den enkle lag av fargede og hvite skjell er fortsatt synlig. D. et eksempel på lite skall avstand (0,1 mm). Objektets indre volum er helt farget. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Behandlingen av intrakraniell chondrosarcoma er i hovedsak basert på fullstendig kirurgisk fjerning. Ofte ligger på Petrosa Apex, denne svulsten er nær viktige strukturer som den interne hals puls arterien, den optiske nerven, og hypofysen. Derfor planlegger kirurgisk baner er et avgjørende skritt før kirurgi. Flerfarget 3D-utskrift muliggjør fusjon av disse strukturene, som hver er avledet fra ulike bildebehandlings metoder, til ett enkelt objekt.

Under forberedelsene til 3D-utskrift er det viktig å nøye velge tilstrekkelig bildedata. Høyoppløselige bilder med en liten skive tykkelse er godt egnet for 3D-rekonstruksjon og glatte overganger, mens høy skive tykkelser vil produsere grove, ujevne gjenstander. Et annet kritisk trinn i metoden er å unngå kryss av to nabokommunene objekter som tumor og skallen bein. Derfor må boolske operasjoner utføres for å trekke ett objekt fra den andre.

For å tillate volum farging er det nødvendig å lage løk skall-lignende undergrunnens inne i et objekt (figur 2a,B). Det er nødvendig å ha en minimumsavstand mellom to tilstøtende flater på minst 0,1 mm for å få jevnt fargede objekter (figur 2D). Hvis avstanden som er valgt, er over denne verdien, kan det hende at de individuelle skjellene inne i objektet blir synlige (figur 2C). Oppmerksomhet bør rettes mot et økt farge forbruk av 3D-skriveren når du brukervolum coloring. Videre er det også viktig å sjekke modellen for eventuelle løse deler og legge til støtte når det er nødvendig (f. eks, basilar arterien).

Metoden kan bare produsere stiv, plaster-lignende materiale som ikke er veldig holdbar. Spesielt uten herding prosedyren, kan modellen enkelt ødelegges under utpakking prosedyren. Dermed skjøre elementer som blodkar ofte en tendens til å bryte fra hverandre.

Teknikken er heller ikke egnet for simulering av bløtvev. Å simulere hjernevev, for eksempel, kan det være nødvendig å enten skrive den ut med en metode som er i stand til å produsere myke og harde materialer direkte12,13 eller å skrive ut muggsopp som kan brukes til å kaste myke gjenstander, for eksempel silikon gummi14. I en test tilfellet ble sistnevnte metoden brukes til å simulere en myk svulst. Begrensningen av denne siste prosedyren var at selv om silikon svulsten var svært fleksibel, var det nødvendig å ha nok plass til å sette den inn i 3D trykt modell. Videre var det ikke mulig å skape indre strukturer, slik som et blod fartøy.

3D bindemiddel spyling er en additiv produksjon teknikk som monterer objekter av delvis herding og fargelegger tynne lag av pulver. Således, den innrømmer for trykking en nær ubegrenset omfang av fargene, fargen overgang, og farget strukturer innenfor det kvantum av emner inne ettall enkelt forarbeide.

Sammenlignet med andre utskrift teknikker som filament skrivere, som produserer de laveste kostnadene, men bare tillate to eller tre farger på en gang, og Poly jet skrivere som produserer flerfarget, multi-materielle objekter, men er svært kostbart, tilbyr denne teknikken en kompromiss til en rimelig pris. Gjennomsnittlig materialkostnad for en trykt hodeskalle var om €150.

Med denne metoden er det mulig å visualisere enda mer abstrakte data som filament fibre avledet fra Mr fiber sporing sekvenser eller funksjonell Imaging skildrer, for eksempel hjernen tale-området (f. eks Broca% s område).

Bortsett fra kirurgisk simulering, 3D trykt, fullt farget modeller av ekte pasient anatomi kan bidra til å forbedre utdanningen av medisinske studenter eller unge leger slik at de bedre kan forstå komplekse anatomiske relasjoner. Det er også et viktig verktøy i pasientens utdanning.

Disclosures

Denne studien ble støttet av en bevilgning fra det medisinske fakultetet fra Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz til M.K. ("Biomatics-Stufe 1 Förderung").

Acknowledgments

Deler av dette arbeidet har blitt presentert som en plakat på det årlige møtet i den tyske Nevrokirurgisk Society (DGNC) 2019 i Würzburg, Tyskland og som en kort presentasjon på det årlige møtet i det tyske Society for computer and robot assistert kirurgi (CURAC) 2019 i Reutlingen, Tyskland.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
  2. 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).
  3. Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22, (1), 46-53 (2018).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H. Skull base chondrosarcoma. Journal of clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 24, 1-5 (2016).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. Medicine. 97, 9516 (2018).
  12. Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
  13. 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).
  14. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics