Author Produced

Flerfarvet 3D-udskrivning af komplekse intrakranielle tumorer i neurosurgery

Medicine
 

Summary

Protokollen beskriver fabrikation af fuldt farvede tredimensionelle udskrifter af patientspecifikke, anatomiske kranier modeller, der skal anvendes til kirurgisk simulering. De afgørende trin for at kombinere forskellige billedbehandlings metoder, billedsegmentering, tredimensionel model udtræk og produktion af udskrifterne forklares.

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

Tredimensionelle (3D) udskrivnings teknologier giver mulighed for at visualisere patientspecifikke patologier i en fysisk model med korrekte dimensioner. Modellen kan bruges til planlægning og simulering af kritiske trin i en kirurgisk tilgang. Derfor er det vigtigt, at anatomiske strukturer som blodkar i en tumor kan udskrives til at være farvet ikke kun på deres overflade, men i hele deres volumen. Under simulering dette giver mulighed for fjernelse af visse dele (f. eks, med en høj hastighed boremaskine) og afslørende internt placeret strukturer af en anden farve. Således kan diagnostiske oplysninger fra forskellige billedbehandlings metoder (f. eks. CT, MRI) kombineres i en enkelt kompakt og håndgribelig genstand.

Men, forberedelse og trykning af en sådan fuldt farvet anatomisk model er stadig en vanskelig opgave. Derfor gives en trinvis vejledning, der demonstrerer fusionens forskellige tværsnits billeddatasæt, segmentering af anatomiske strukturer og skabelse af en virtuel model. I et andet trin den virtuelle model er trykt med volumetrisk farvede anatomiske strukturer ved hjælp af en gips-baserede farve 3D binder jetting teknik. Denne metode giver meget nøjagtig reproduktion af patient-specifikke anatomi som vist i en serie af 3D-trykte petrous Apex chondrosarcomas. Desuden kan de skabte modeller skæres og bores, afslører interne strukturer, der giver mulighed for simulering af kirurgiske procedurer.

Introduction

Kirurgisk behandling af kraniet base tumorer er en udfordrende opgave, der kræver præcis præoperativ planlægning1. Multimodal billeddannelse ved hjælp af computertomografi (CT) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) giver kirurgen oplysninger om patientens individuelle anatomi. I klinisk praksis visualiseres denne diagnostiske information ved at vise en serie af to-dimensionelle (2D) tværsnit, der repræsenterer forskellige aspekter af anatomi (f. eks CT for visualisering af knogle, CT angiografi for fartøjer, MRI for blødt væv).

Men, især for begyndere, medicinske studerende, og patienter, forstå de komplekse relationer mellem de forskellige 3D-strukturer til tværsnitsbilleder er udfordrende. Ved siden af nekro Studies2, kan dette problem løses ved at etablere Real-size anatomiske modeller af individuelle patologier, der viser anatomiske strukturer i forskellige farver3.

Takket være de tekniske fremskridt i de seneste år giver 3D-udskrivnings teknologier mulighed for omkostningseffektiv opførelse af komplekse former4,5. Derfor giver denne teknik mulighed for at konstruere patient-specifikke anatomiske modeller, der er håndgribelige, klart skildrer rumlige relationer, og kan bruges til kirurgisk planlægning og simulering. Især i sjældne og komplekse tilfælde som petrous Apex chondrosarcomas, præoperativ simulering af tumor fjernelse i en individuel sag kan bidrage til at forbedre selvtilliden hos kirurgen og patientens udfald.

Fælles FDM-trykning (filament deposition modellering) teknikker giver kun mulighed for at skabe objekter med en lukket overflade i en eller et begrænset udvalg af farver6. For at give en model for kirurgisk simulering, der indeholder forskellige komplekse formede anatomiske strukturer hovedsageligt indlejret inde i hinanden, er fuldt volumetrisk farvede 3D-udskrifter nødvendige. Dette giver mulighed for en efterfølgende fjernelse af vævs lag, indtil en intern struktur er afsløret.

Gips-baserede farve 3D binder jetting er en teknik i stand til at producere de nødvendige flerfarvede modeller7. Der henviser til, at i sine standardkonfigurationer kun overfladen af en genstand kan være farvet, heri en modificeret teknik er beskrevet for at sikre volumetrisk anvendelse af farve til interne anatomiske strukturer.

For at demonstrere denne teknik, tilfælde af patienter med kraniet base chondrosarcomas blev valgt som et eksempel. Chondrosarcomas tegner sig for 20% af alle neoplasi i skeletsystemet, for det meste placeret i de lange knogler. Primær kraniet base chondrosarcomas er en sjælden tilstand ansvarlig for 0,1 – 0,2% af alle intrakranielle tumorer8. Hovedsageligt placeret på den petrous Apex, disse tumorer vokse i et komplekst anatomisk miljø involverer pivotale strukturer såsom den interne carotis arterie, optik og andre kranielle nerver, samt hypofysen. Behandling af disse neoplasmer er primært fokuseret på en total kirurgisk resektion, fordi adjuverende behandlinger alene (f. eks. stråling) ikke er effektive nok9.

På grund af kompleksiteten og sjældenhed af denne tumor enhed, præoperative kirurgiske simulering i en 3D trykt kraniet model kan bidrage til bedre at visualisere og forstå anatomi og til at hjælpe kirurgen opnå fuldstændig resektion. Som det fremgår af andre10,11 3D udskrivning af patient-specifikke modeller forbedrer både beboernes og erfarne neurokirurger ' forståelse af komplekse Neuroanatomi.

Men at skabe sådanne individualiserede modeller fra medicinsk billeddannelse data kræver færdigheder i billedsegmentering, 3D modellering, og 3D-udskrivning, især når anatomiske strukturer skal udskrives i forskellige farver. Dette manuskript har til formål at gøre fabrikation af de beskrevne anatomiske modeller mere tilgængelig for andre ved at give en detaljeret protokol til konvertering medicinsk billeddannelse data i virtuelle 3D-modeller og til fremstilling af flerfarvede 3D-objekter.

Arbejdsprocessen består hovedsageligt af fire dele: 1) segmentering af medicinske billedbehandlings data og oprettelse af en virtuel 3D-model; 2) forberedelse af den virtuelle 3D-model til flerfarvet 3D-udskrivning; 3) forberedelse til volumetrisk farvning af udvalgte dele; og 4) 3D-udskrivning og efter behandling.

Protocol

Protokollen blev godkendt af den ansvarlige lokale etiske komité (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Tyskland). Alle institutionelle retningslinjer for behandling og brug af patientdata blev fulgt.

1. segmentering af medicinske billedbehandlings data og oprettelse af en virtuel 3D-model

Bemærk: den software, vi brugte til segmentering, var Amira 5.4.5. Segmenterings processen kan også udføres ved hjælp af open source-software (f. eks. 3D slicer, https://www.Slicer.org/)

  1. Brug billeddata med høj rumlig opløsning (f. eks. en skive tykkelse på 1 mm eller derunder). Her blev der anvendt et kranie CT-datasæt med en skive tykkelse på 0,5 mm og yderligere MRI-data med en skive tykkelse på 1 mm. Brug CT data til segmentering af knogle, kontrast forbedret T1 MRI billeder til segmentering af tumor og neurale strukturer, samt Time-of-Flight (TOF) billeder for fartøjer.
  2. Download DICOM-filerne på computeren, og Åbn segmenterings softwaren. Importer filerne til de forskellige billedbehandlings metoder, og Vælg mappen med billeddata.
  3. Klik på CT billeder og forbinde dem med en Volume rendering modul (Volren). Vælg spejl for en mere realistisk gengivelse, og Juster skyderen farve overførsel for kun at visualisere knogle. Fortsæt ved at importere Mr-sekvenser og forbinde dem til en Volume rendering modul samt.
  4. Registrering
    1. Da MRI-og CT-billederne ikke overlapper hinanden, er det nødvendigt at smelte de forskellige billeddata. Højreklik derfor på MRI-datasættet, og vælg beregnAffin registrering. Vælg Reference ved at klikke på den hvide firkant i modulet, og træk derefter MARKØREN til CT.
    2. I registrerings modulets egenskaber skal du lade alle indstillinger være som standard og klikke på Juster Centreefterfulgt af Klik på Registrer. De to forskellige billedbehandlings datasæt er nu smeltet sammen. Gentag dette trin for alle yderligere billedbehandlings datasæt.
  5. Verifikation af matchende nøjagtighed:
    1. Kontroller matchende nøjagtighed ved at skjule volumen gengivelser (Klik på den orange firkant af modulet) og tilføje en Orthoslice modul til Mr images. Klik på den hvide trekant og vælg colorwash. Næste Klik på den hvide firkant, skal du vælge data og forbinde denne port med CT data ved at trække musen på den.
    2. Juster farveskyderen for at visualisere de neurale strukturer overlejret til knogle kraniets strukturer. Kontroller for eventuelle fejljusteringer ved at skifte vægt faktor skyderen, mens du kigger på grænsen mellem kraniet og hjerne fladerne samt ventriklerne. Gentag denne procedure på forskellige skiver i koronal og sagittale retninger.
  6. Volumetrisk redigering
    1. Deaktiver Orthoslice -modulets synlighed, og Genaktiver volumen GENGIVELSEN af CT. Gå til CT-dataene, og se efter den laveste værdi i datasættet, i dette tilfælde-2.048.
    2. Næste Tilføj et volumen redigerings modul, Tilslut volren modul med output data, og Indstil polstring værdi til-2.048.
    3. Klik på cut inde og markere den region, der skal fjernes i 3D viewport.
      Bemærk: det er vigtigt at undgå overlapning med dele, der ikke er beregnet til at blive fjernet.
    4. I dette eksempel blev dele af mandiblen knoglen og de øvre cervikale hvirvler fjernet.
  7. Segmentering af knogle
    1. Dernæst skal den resterende knogle segmenteret og omdannes til en overflade mesh. For at gøre det skal du klikke på segmenterings editoren, vælge den modificerede CT-billedsekvens og tilføje et nyt Labelset ved at klikke på ny.
    2. Vælg nu tærskel som en segmenterings mulighed. Indstil den nederste skyder til en værdi af ~ 250 i tilfælde af et CT. Sørg for, at tynde knogle strukturer som den tidsmæssige knogle eller det øvre orbital område er valgt i eksemplet. Ellers kan du justere den nedre tærskel, men undgå at vælge blødt væv.
    3. Næste Klik på Vælg og endelig tilføje udvælgelsen til labelset (ved at klikke på den røde plus-ikonet).
    4. Vend tilbage til pooludsigten. Der er oprettet et nyt labelset til CT. Højreklik og vælg ComputeSurface gen, Kontroller indstillingen compactify , og klik på Anvend.
    5. Endelig tilføje et Surfaceview modul og justere farven på den genererede mesh.
  8. Segmentering af andre strukturer
    1. Tilføj andre relevante strukturer ved at gentage de foregående trin. I tilfælde af tumoren blev manuel segmentering anvendt i stedet for en tærskel operation.
    2. For at udføre manuel segmentering skal du gå til segmenterings editorenog vælge indstillingen manuel segmentering (penselikon) for at markere strukturer som tumoren i hver skive. Tilføj endelig markeringen igen ved at klikke på plus-ikonet. Således vil tumoren, synsnerven, og de intrakranielle fartøjer blive segmenteret og føjet til modellen.
  9. Eksport af masker
    1. Endelig eksportere de genererede masker i STL-format ved at højreklikke på masken og klikke på Gem. Vælg binær STL som filformat.

2. forberedelse af den virtuelle 3D-model til flerfarvet udskrivning

Bemærk: den software, der bruges til forberedelse af udskrivning i denne protokol, er Netfabb Premium 2019,0. Autodesk tilbyder gratis brug af denne software i sit uddannelsesprogram.

  1. Importér data, og Udfør automatisk reparation.
  2. Åbn programmet til forberedelse af udskrivning, og Importer de masker, der er genereret i de foregående trin, som nye dele. Kontroller automatisk reparation , og klik på Importér.
  3. Sletning af små løse dele
    1. Vælg kraniet og opdele sine skaller i dele ved at klikke på ændreopdele skaller i dele. Dette adskiller eventuelle løse genstande, som ikke er forbundet med kraniet knogle.
    2. Vælg kraniet knogle og slå dens synlighed off.
    3. Vælg nu alle andre dele og slette dem.
    4. Slå kraniets synlighed til igen.
    5. Gentag dette trin for alle andre objekter.
  4. Fjern overlappende områder.
    Bemærk: i nogle regioner, såsom tumoren inde i den petrous spids af kraniet, skærer geometrier af begge objekter hinanden. For at undgå udskrivningsfejl er det nødvendigt at fjerne sådanne skæringspunkter.
    1. Vælg de to skærende objekter, og klik på booleske handlinger.
    2. Flyt objektet, der skal trækkes fra den anden til den røde side af listen, og klik på Anvend. Nu er de to objekter klart adskilt. Dette bør kontrolleres ved at skifte deres synlighed.
    3. Gentag disse trin for at tillade tumor samt arterien inde i tumoren til at blive klart adskilt fra hinanden.
  5. Tilføj understøttende strukturer, hvor det er nødvendigt.
    1. I tilfælde af basilær arterien, yderligere understøtninger er nødvendige for at forhindre objektet fra at være en løs del efter udskrivning.
    2. Tilføj et nyt objekt, i dette tilfælde en cylinder (fildel bibliotek), og Juster dets dimensioner og underopdelinger efter behov.
    3. Placer cylinderen helt sammen med kraniet og fartøjets geometri.
    4. Nu udføre den booleske operation igen for at trække delene i knoglen og blodkar.
    5. Gentag dette trin for at tilføje flere understøtninger, hvor det er nødvendigt (f. eks. synsnerven).

3. forberedelse til volumetrisk farvning af udvalgte dele

Bemærk: for at tillade volumetrisk farvning af visse dele er det nødvendigt at generere ikke kun en overflade shell, men mange under skaller (ekstra flader) inde i objektet.

  1. Vælg tumoren, i dette tilfælde, og generere en ny shell fra det (højreklik > ændregenerere Shell).
  2. Indstil en shell tykkelse på 0,3 mm i den indvendige offset-tilstand med en nøjagtighed på 0,15 mm og Anvend. Markér afkrydsningsfeltet Behold oprindelig del . Dette genererer en indvendig skal med en afstand på 0,3 mm til den oprindelige overflade.
  3. Vælg den udvendige overflade af begge skaller og generere en ny shell fra det. Vælg en shell tykkelse på 0,25 mm i Hultilstand med en nøjagtighed på 0,15 mm. Vælg også afkrydsningsfeltet Fjern oprindelig del . Dette genererer et mellemrum på 0,05 mm mellem de to tilstødende skaller.
  4. Gentag trin 3.1-3.3, så der oprettes flere indvendige skaller med konstante tykkelser og invariant forskydninger.
    Bemærk: det anbefales at bruge en shell tykkelse på 0,35 – 0,25 mm samt en forskydning på 0,1 – 0,05 mm for at opnå glat volumetrisk farve.
  5. Gentag trin 3.1-3.4 med alle andre objekter, såsom blodkarrene.

4. farvning og eksport af 3D-modellen

Bemærk: farvning af alle dele af modellen, herunder de særskilte indlejrede skaller, sker ved hjælp af Netfabb-softwaren.

  1. Vælg en del, der skal farves, i menuen dele i venstre side. Dobbeltklik på ikonet tekstur og farvemaske . Vælg en farve ved at klikke på farvebjælken i højre side. I den øverste menu venstre klik på Paint på skaller ikon. Derefter venstre klik på den model, vises i skærmen Center. Endelig venstre klik på Anvend ændringer boks i nederste højre hjørne. Sørg for at bekræfte Fjern valget af den gamle del .
  2. Gentag disse trin med alle andre objekter og skaller.
  3. Eksporter alle objekter. Vælg alle objekter, der skal udskrives, herunder understøtninger og indvendige skaller, og Eksporter dem som individuelle filer. Sørg for at vælge VRML (WRL)-formatet, fordi STL-formatet ikke kan transportere farveoplysningerne.

5. udskrivning og efter behandling af 3D-modellen

  1. Konfigurer 3D-printeren
    Bemærk: 3DPrint-softwaren (version 1,03) blev brugt til at styre ZPrinter 450 binder jetting Machine.
    1. Åbn softwaren og Importer de farvede VRML-filer ved at klikke på Åbn og vælge alle relevante data. Klik på knappen Åbn i nederste højre vindues hjørne. Vælg millimeter som enheder i det efterfølgende vindue. Sørg for at tjekke hold position og retning samt Anvend indstillinger til alle filer bokse. Endelig vælge Z151 som materialetype. Klik på knappen næste .
    2. For at placere 3D-objekterne inde i Build-lydstyrken, markeres alle objekter ved at trykke på < STRG > + A- tasten.
      1. I øverste venstre vindue, der repræsenterer XY-visningen af build-lydstyrken, skal du klikke på og trække de markerede objekter til midten. I nederste venstre vindue, der repræsenterer XZ-visningen af build-lydstyrken, skal du klikke og trække objekterne i midten af den nederste del over den gule linje.
      2. Hvis en hel kranium model er trykt, skal du sørge for, at åbningen vender opad. Hvis isolerede små modeller udskrives, skal du sørge for at justere sarte dele såsom beholdere med XY-flyet, fordi denne retning vil øge styrken af de respektive dele.
      3. Kontroller den korrekte retning af modellerne ved at klikke og flytte dem i vinduet i højre side.
    3. For at forberede byggeprocessen skal du klikke på opsætnings ikonet i den øverste menu. Sørg for, at den korrekte materiale type er valgt, og at lagtykkelsen er indstillet til 0,1 mm. Beskærings kompensationen skal kontrolleres, og indstillingen Udskriv i monokrom er ikke markeret.
    4. For at starte udskrivningen skal du klikke på ikonet Byg i den øverste menu. I det efterfølgende vindue Vælg hele Build og klik på OK knappen. Sørg for, at alle listede elementer er indstillet korrekt i følgende printer status dialog, og at printeren er online. Klik derefter på knappen Udskriv i den nederste del af dialogboksen.
  2. Efter behandling af modellen
    Bemærk: Brug altid en laboratorie frakke, handsker, Øjenværn og en maske, mens du håndterer det løse pulver og hærdende opløsningen. Arbejd altid på et godt ventileret område.
    1. Udpakning
      1. Efter udskrivningen er færdig, Pak modellen ud ved forsigtigt at fjerne det løse pulver med den integrerede støvsuger. Det er vigtigt ikke direkte at kontakte modellen med sugeslangen for at forhindre tynde konstruktioner i at bryde fra hinanden.
      2. Fjern modellen og Rengør den ved at anvende trykluft samt rense den med en blød børste. Tykkere, mere stabile, dele af modellen kan desuden være malet med en hårdere børste. Dette valgfrie trin giver mulighed for en jævnere overfladefinish. Husk, at i denne tilstand modellen er stadig meget skrøbelig.
    2. Infiltration
      1. Sæt modellen inde i et plastik karbad.
      2. Infiltrer den forsigtigt med hærdning opløsningen, indtil der ikke er nogen hvidlig områder synlige.
      3. Overskuds opløsningen skal fjernes med trykluft og engangs papirhåndklæder for at opretholde alle overfladens detaljer.
      4. Lad modellen helbrede i flere timer, indtil den er helt tør.

Representative Results

Otte patienter med chondrosarkom af den petrous Apex blev udvalgt til studiet og virtuelle 3D-modeller blev oprettet, hver indeholder knogle, tumor, fartøjer, hypofysen, og optisk nerve passage. Tre modeller gennemgik flerfarvede 3D-print ved hjælp af gips-baserede farve 3D binder jetting teknik (figur 1a1, a2). Derudover blev der skabt en enkelt tumor med en intern arterie (figur 1B1) for at vise fordelene ved volumetrisk farvning i forhold til overfladefarvning (figur 1B2, B3).

Disse modeller blev brugt til at demonstrere simulering af en kirurgisk tilgang (f. eks, Burr hul skabelse) og tumor resektion. Denne udskrivnings teknik gjorde det muligt at kombinere anatomiske strukturer afledt fra forskellige billedbehandlings metoder til et enkelt objekt.

materialet havde knogle lignende egenskaber og kunne let bores uden at smelte. Det var således muligt at bruge den til at simulere en kirurgisk adgangsvej. Efter hærdning procedure var det stabilt nok til at reproducere selv skrøbelige strukturer som intracerebral fartøj træ.

Evnen til at farve hele volumen af modellen tillod et objekts indre struktur, såsom den interne carotis arterien rejse gennem tumoren, der skal klart visualiseret. Ved at fjerne lag af tumor med boret, den røde arterie blev gradvist afsløret under kirurgisk simulering.

For at bevise nøjagtigheden af teknikken, blev 3D-modeller scannet i en computer tomograph. De modeller, der blev oprettet til udskrivning, blev overlejret til disse scanninger. Der blev oprettet en afvigelses tilknytning, og nøjagtigheden blev bestemt i 50 tilfældigt valgte overflade punkter. En gennemsnitlig afvigelse på 0,021 mm viser den høje overensstemmelse med 3D-udskriften i forhold til de oprindelige data.

Figure 1
Figur 1: volumetrisk vs. overflade farvede 3D-udskrifter. A1. Eksemplarisk fuld farve 3D print af en patient med chondrosarkom på højre petrous Apex. A2. Detaljeret visning af anatomiske strukturer (Arrow = intern carotis arterie bifurcation; O = synsnerven chiasm; T = tumor). B1. Blod fartøj krydser tumorvolumen og tværsnits niveau (stiplede linje). B2. Den konventionelle multifarvet Trykteknik afslører kun farve ved overfladen. B3. Den modificerede teknik producerer volumetrisk farvede objekter egnet til avanceret kirurgisk simulering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: workflow for volumetrisk farvning af 3D-udskrifter. A. virtuel 3D-model af en tumor med et blodkar, der krydser sin volumen uden indvendige skaller. B. en tumor og et blodkar med flere indvendige skaller (afstand 0,05 mm). C. et eksempel på en høj skal afstand (1 mm). De enkelte lag af farvede og hvide skaller er stadig synlige. D. et eksempel på lille Shell afstand (0,1 mm). Objektets indvendige lydstyrke er helt farvet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Behandlingen af intrakraniel chondrosarkom er hovedsageligt baseret på komplet kirurgisk fjernelse. Ofte placeret på den petrous spids, denne tumor er tæt på vigtige strukturer som den interne carotis arterie, synsnerven, og hypofysen. Derfor er planlægning af kirurgiske forløbskurver et afgørende skridt forud for kirurgi. Flerfarvet 3D-udskrivning giver mulighed for fusion af disse strukturer, der hver er afledt af forskellige billedbehandlings metoder, til et enkelt objekt.

Under forberedelsen til 3D-udskrivning er det vigtigt omhyggeligt at vælge passende billeddata. Billeder i høj opløsning med en lille skive tykkelse er velegnede til 3D-genopbygning og glatte overgange, hvorimod højsnittykkelser vil producere grove, ujævne genstande. Et andet kritisk trin i metoden er at undgå eventuelle skæringspunkter mellem to tilstødende objekter såsom tumor og kraniet knogle. Der skal derfor udføres booleske handlinger for at trække et objekt fra det andet.

For at give mulighed for volumetrisk farvning er det nødvendigt at oprette løg Shell-lignende under flader inde i et objekt (figur 2a,B). Det er nødvendigt at have en minimumsafstand mellem to tilstødende overflader på mindst 0,1 mm for at opnå glat farvede objekter (figur 2D). Hvis den valgte afstand er over denne værdi, kan de enkelte skaller i objektet blive synlige (figur 2c). Opmærksomheden bør rettes mod et øget farveforbrug af 3D-printeren ved brug af volumetrisk farve. Desuden er det også vigtigt at kontrollere modellen for eventuelle løse dele og tilføje understøtninger, når det er nødvendigt (f. eks. basilær arterien).

Metoden kan kun producere stiv, gips-lignende materiale, der ikke er meget holdbar. Især uden hærdning procedure, kan modellen let ødelægges under udpakning procedure. Således har skrøbelige elementer som blodkar ofte tendens til at bryde fra hinanden.

Teknikken er heller ikke egnet til simulering af blødt væv. For at simulere hjernevæv, for eksempel, kan det være nødvendigt at enten udskrive det med en metode, der er i stand til at producere bløde og hårde materialer direkte12,13 eller til at udskrive forme, der kan bruges til at kaste bløde objekter, såsom silikone gummi14. I et test tilfælde, sidstnævnte metode blev brugt til at simulere en blød tumor. Begrænsningen af denne sidste procedure var, at selv om silikone tumor var meget fleksibel, var det nødvendigt at have nok plads til at indsætte det i 3D trykt model. Desuden var det ikke muligt at skabe indvendige strukturer, såsom et blodkar.

3D binder jetting er en additiv fremstillingsteknik, der samlerobjekter ved delvis hærdning og farve tynde lag af pulver. Således, det giver mulighed for trykning en næsten ubegrænset vifte af farver, farveovergange, og farvede strukturer inde i mængden af objekter i en enkelt proces.

Sammenlignet med andre trykteknikker såsom filament printere, der producerer de laveste omkostninger, men kun tillader to eller tre farver på én gang, og poly jet printere, der producerer flerfarvede, multi-materiale objekter, men er meget dyre, denne teknik tilbyder en kompromis til en overkommelig pris. Den gennemsnitlige materielle omkostning for et trykt kranium var omkring €150.

Med denne metode er det muligt at visualisere endnu mere abstrakte data såsom filament fibre afledt af MRI fiber tracking sekvenser eller funktionelle Imaging skildrer, for eksempel, hjernen tale område (f. eks, Broca% s område).

Bortset fra kirurgisk simulering, 3D trykt, fuldt farvede modeller af virkelige patient anatomi kan bidrage til at forbedre uddannelsen af medicinske studerende eller unge læger, så de bedre kan forstå komplekse anatomiske relationer. Det er også et vigtigt redskab i patient undervisningen.

Disclosures

Denne undersøgelse blev støttet af et stipendium fra det medicinske fakultet fra Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz til M.K. ("Biomatics-Stufe 1 Förderung").

Acknowledgments

Dele af dette arbejde er blevet præsenteret som en plakat på det årlige møde i det tyske Neuro kirurgiske selskab (DGNC) 2019 i Würzburg, Tyskland og som en kort præsentation på det årlige møde i det tyske selskab for computer og robot assisteret 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