Author Produced

Impresión 3D multicolor de tumores intracraneales complejos en neurocirugía

Medicine
 

Summary

El protocolo describe la fabricación de impresiones tridimensionales completamente coloreadas de modelos de cráneo anatómico específicos del paciente que se utilizarán para la simulación quirúrgica. Se explican los pasos cruciales para combinar diferentes modalidades de imagen, segmentación de imágenes, extracción de modelos tridimensionales y producción de impresiones.

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

Las tecnologías de impresión tridimensional (3D) ofrecen la posibilidad de visualizar patologías específicas del paciente en un modelo físico de dimensiones correctas. El modelo se puede utilizar para planificar y simular pasos críticos de un enfoque quirúrgico. Por lo tanto, es importante que las estructuras anatómicas como los vasos sanguíneos dentro de un tumor se puedan imprimir para ser coloreadas no sólo en su superficie, sino a lo largo de todo su volumen. Durante la simulación esto permite la eliminación de ciertas piezas (por ejemplo, con un taladro de alta velocidad) y revelar estructuras localizadas internamente de un color diferente. Por lo tanto, la información de diagnóstico de diversas modalidades de diagnóstico por imágenes (por ejemplo, TC, RMN) se puede combinar en un único objeto compacto y tangible.

Sin embargo, la preparación e impresión de un modelo anatómico completamente coloreado sigue siendo una tarea difícil. Por lo tanto, se proporciona una guía paso a paso, que muestra la fusión de diferentes conjuntos de datos de imágenes transversales, la segmentación de estructuras anatómicas y la creación de un modelo virtual. En un segundo paso, el modelo virtual se imprime con estructuras anatómicas de color volumétrica utilizando una técnica de chorro de aglutinante 3D a color a base de yeso. Este método permite una reproducción muy precisa de la anatomía específica del paciente, como se muestra en una serie de condrosarcomas de ápice petroso impresos en 3D. Además, los modelos creados pueden ser cortados y perforados, revelando estructuras internas que permiten la simulación de procedimientos quirúrgicos.

Introduction

El tratamiento quirúrgico de los tumores de la base craneal es una tarea difícil que requiere una planificación preoperatoria precisa1. Las imágenes multimodales mediante tomografía computarizada (TC) y resonancia magnética (RM) proporcionan al cirujano información sobre la anatomía individual del paciente. En la práctica clínica, esta información diagnóstica se visualiza mostrando una serie de secciones transversales bidimensionales (2D) que representan diferentes aspectos de la anatomía (por ejemplo, TC para la visualización de huesos, angiografía por TC para vasos, RMN para tejidos blandos).

Sin embargo, especialmente para principiantes, estudiantes de medicina y pacientes, entender las complejas relaciones de las diferentes estructuras 3D con las imágenes transversales es un reto. Además de los estudios cadavéricos2,este problema podría abordarse estableciendo modelos anatómicos de tamaño real de patologías individuales, mostrando estructuras anatómicas en diferentes colores3.

Gracias a los avances técnicos de los últimos años, las tecnologías de impresión 3D permiten la construcción rentable de formas complejas4,5. Por lo tanto, esta técnica ofrece la posibilidad de construir modelos anatómicos específicos del paciente que sean tangibles, representen claramente las relaciones espaciales y se puedan utilizar para la planificación quirúrgica y la simulación. Especialmente en casos raros y complejos como condrosarcomas cúbitos petros, la simulación preoperatoria de la extirpación tumoral en un caso individual podría ayudar a mejorar la confianza en sí mismo del cirujano y del resultado del paciente.

Las técnicas comunes de impresión FDM (modelado de deposición de filamentos) solo permiten crear objetos con una superficie cerrada en uno o una variedad limitada de colores6. Para proporcionar un modelo para la simulación quirúrgica que contiene varias estructuras anatómicas de forma compleja principalmente anidadas entre sí, se necesitan impresiones 3D de color estupeto. Esto permite una extirpación sucesiva de las capas de tejido hasta que se revela una estructura interna.

El chorro de aglutinante 3D a color a base de yeso es una técnica capaz de producir los modelos multicolores requeridos7. Mientras que en sus configuraciones estándar sólo se puede colorear la superficie de un objeto, aquí se describe una técnica modificada para garantizar la aplicación volumétrica del color a las estructuras anatómicas internas.

Para demostrar esta técnica, se seleccionaron como ejemplo casos de pacientes con condrosarcomas de base craneal. Los condrosarcomas representan el 20% de toda la neoplasia en el sistema esquelético, en su mayoría ubicada en los huesos largos. Los condrosarcomas de base craneal primaria son una afección poco frecuente responsable de 0,1–0,2% de todos los tumores intracraneales8. Principalmente ubicados en el ápice petroso, estos tumores crecen en un entorno anatómico complejo que involucra estructuras pivotantes como la arteria carótida interna, la óptica y otros nervios craneales, así como la glándula pituitaria. El tratamiento de estas neoplasias se centra principalmente en una resección quirúrgica total, ya que las terapias adyuvantes solas (por ejemplo, radiación) no son lo suficientemente eficaces9.

Debido a la complejidad y rareza de esta entidad tumoral, la simulación quirúrgica preoperatoria en un modelo de cráneo impreso en 3D podría ayudar a visualizar y comprender mejor la anatomía y ayudar al cirujano a lograr una resección completa. Como muestra n.o de muestra n.ode 10,la impresión31 3D de modelos específicos del paciente mejora la comprensión de la neuroanatomía compleja de los residentes y los neurocirujanos experimentados.

Sin embargo, la creación de estos modelos individualizados a partir de datos de imágenes médicas requiere habilidades en segmentación de imágenes, modelado 3D e impresión 3D, especialmente cuando las estructuras anatómicas deben imprimirse en diferentes colores. Este manuscrito tiene la intención de hacer que la fabricación de los modelos anatómicos descritos sea más accesible para otros proporcionando un protocolo detallado para convertir datos de imágenes médicas en modelos 3D virtuales y para la fabricación de objetos 3D multicolores.

El flujo de trabajo consta principalmente de cuatro partes: 1) segmentación de datos de imágenes médicas y creación de un modelo 3D virtual; 2) preparación del modelo 3D virtual para la impresión 3D multicolor; 3) preparación para la coloración volumétrica de las piezas seleccionadas; y 4) impresión 3D y postprocesamiento.

Protocol

El protocolo fue aprobado por el comité de ética local responsable (Ethikkommission der Landes-rztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Alemania). Se siguieron todas las pautas institucionales para la atención y el uso de los datos de los pacientes.

1. Segmentación de datos de imágenes médicas y creación de un modelo 3D virtual

NOTA: El software que utilizamos para la segmentación fue Amira 5.4.5. El proceso de segmentación también se puede realizar mediante el uso de software de código abierto (por ejemplo, 3D Slicer, https://www.slicer.org/)

  1. Utilice datos de imágenes con alta resolución espacial (por ejemplo, un grosor de corte de 1 mm o menos). Aquí, se utilizó un dataset de TC craneal con un espesor de rebanada de 0,5 mm y datos adicionales de RMN con un espesor de rodaja de 1 mm. Utilice datos de TC para la segmentación de huesos, imágenes de RMN T1 mejoradas de contraste para la segmentación de estructuras tumorales y neuronales, así como imágenes de tiempo de vuelo (TOF) para los vasos.
  2. Descargue los archivos DICOM en el ordenador y abra el software de segmentación. Importe los archivos de las diferentes modalidades de creación de imágenes y seleccione la carpeta con los datos de imagen.
  3. Haga clic en las imágenes de TC y conéctelas con un módulo de representación de volumen (Volren). Elija Especular para obtener una representación más realista y ajuste el control deslizante de transferencia de color para visualizar solo el hueso. Continúe importando las secuencias de RMN y conéctelas también a un módulo de representación de volumen.
  4. Registro
    1. Debido a que las imágenes de RMN y TC no se superponen, es necesario fusionar los diferentes datos de imagen. Por lo tanto, haga clic con el botón derecho en el conjunto de datos MRI y elija Calcular > Registro afín. Elija Referencia haciendo clic en el cuadrado blanco del módulo y, a continuación, arrastre el cursor al CT.
    2. En las propiedades del módulo de registro, deje todos los ajustes de forma predeterminada y haga clic en Alinear centros, seguido de hacer clic en Registrar. Los dos conjuntos de datos de imágenes diferentes ahora se fusionan. Repita este paso para todos los conjuntos de datos de imágenes adicionales.
  5. Verificación de la precisión de la coincidencia:
    1. Compruebe la precisión de coincidencia ocultando las representaciones de volumen (haga clic en el cuadrado naranja del módulo) y agregando un módulo OrthoSlice a las imágenes MR. Haga clic en el triángulo blanco y elija Colorwash. A continuación, haga clic en el cuadrado blanco, elija Datos y conecte este puerto con los datos de TC arrastrando el ratón sobre él.
    2. Ajuste el control deslizante de color para visualizar las estructuras neuronales superpuestas a las estructuras óseas del cráneo. Compruebe si hay desalineaciones alternando el control deslizante del factor de peso mientras mira el borde entre las superficies del cráneo y del cerebro, así como los ventrículos. Repita este procedimiento en diferentes rodajas en direcciones coronales y sagitales.
  6. Edición volumétrica
    1. Desactive la visibilidad del módulo OrthoSlice y reactive la representación de volumen de la TC. Vaya a los datos de CT y busque el valor más bajo en el conjunto de datos, en este caso -2,048.
    2. A continuación, agregue un módulo de edición de volumen, conecte el módulo Volren con los datos de salida y establezca el valor de relleno en -2.048.
    3. Haga clic en Cortar interior y marque la región que desea eliminar en la ventana gráfica 3D.
      NOTA: Es importante evitar la superposición con piezas no diseñadas para ser removidas.
    4. En este ejemplo, se extirparon partes del hueso de la mandíbula y las vértebras cervicales superiores.
  7. Segmentación del hueso
    1. A continuación, el hueso restante debe segmentarse y convertirse en una malla de superficie. Para ello, haga clic en el Editor de segmentación, elija la secuencia de imágenes CT modificada y agregue un nuevo conjunto de etiquetas haciendo clic en Nuevo.
    2. Ahora elija Umbral como opción de segmentación. Establezca el control deslizante inferior en un valor de 250 en el caso de una TC. De lo contrario, ajuste el umbral inferior, pero evite seleccionar cualquier tejido blando.
    3. A continuación, haga clic en Seleccionar y finalmente agregue la selección al conjunto de etiquetas (haciendo clic en el icono rojo más).
    4. Vuelva a la vista de grupo. Se ha creado un nuevo conjunto de etiquetas para el TC. Haga clic con el botón derecho y elija Calcular > Surface Gen, marque la opción Compactizar y haga clic en Aplicar.
    5. Por último, agrega un módulo SurfaceView y ajusta el color de la malla generada.
  8. Segmentación de otras estructuras
    1. Agregue otras estructuras relevantes repitiendo los pasos anteriores. En el caso del tumor, se utilizó la segmentación manual en lugar de una operación de umbral.
    2. Para realizar la segmentación manual, vaya al Editor de segmentacióny elija la opción de segmentación manual (icono de pincel) para marcar estructuras como el tumor en cada sector. Finalmente agregue la selección de nuevo haciendo clic en el icono más. Por lo tanto, el tumor, el nervio óptico y los vasos intracraneales se segmentarán y se añadirán al modelo.
  9. Exportación de mallas
    1. Finalmente exporte las mallas generadas en el formato STL haciendo clic con el botón derecho en la malla y haciendo clic en Guardar. Elija STL binario como formato de archivo.

2. Preparación del modelo 3D virtual para impresión multicolor

NOTA: El software utilizado para la preparación de impresión en este protocolo es Netfabb Premium 2019.0. Autodesk ofrece el uso gratuito de este software en su programa educativo.

  1. Importe datos y realice la reparación automática.
  2. Abra el programa de preparación de impresión e importe las mallas generadas en los pasos anteriores como piezas nuevas. Marque Reparación automática y haga clic en Importar.
  3. Eliminación de piezas sueltas pequeñas
    1. Seleccione el cráneo y divida sus vaciados en partes haciendo clic en Modificar > Dividir vaciados en piezas. Esto separa los objetos sueltos que no están conectados al hueso del cráneo.
    2. Seleccione el hueso del cráneo y desactive su visibilidad.
    3. Ahora seleccione todas las demás partes y elimínelas.
    4. Vuelve a activar la visibilidad del cráneo.
    5. Repita este paso para todos los demás objetos.
  4. Elimine las regiones superpuestas.
    NOTA: En algunas regiones, como el tumor dentro del ápice petroso del cráneo, las geometrías de ambos objetos se intersecan entre sí. Para evitar errores de impresión, es necesario eliminar dichas intersecciones.
    1. Seleccione los dos objetos que se intersecan y haga clic en Operaciones booleanas.
    2. Mueva el objeto que se va a restar del otro al lado rojo de la lista y haga clic en Aplicar. Ahora los dos objetos están claramente separados. Esto debe comprobarse alternando su visibilidad.
    3. Repita estos pasos para permitir que el tumor y la arteria dentro del tumor se separen claramente entre sí.
  5. Agregue estructuras auxiliares donde sea necesario.
    1. En el caso de la arteria basilar, se necesitan soportes adicionales para evitar que el objeto sea una pieza suelta después de la impresión.
    2. Agregue un nuevo objeto, en este caso un cilindro (Archivo > Bibliotecade piezas ), y ajuste sus dimensiones y subdivisiones según sea necesario.
    3. Coloque el cilindro para que se interseque completamente con el cráneo y la geometría del recipiente.
    4. Ahora realice la operación booleana de nuevo para restar las partes dentro del hueso y el vaso sanguíneo.
    5. Repita este paso para agregar más soportes donde sea necesario (por ejemplo, el nervio óptico).

3. Preparación para la coloración volumétrica de las piezas seleccionadas

NOTA: Para permitir el colorvolución volumétrica de ciertas piezas es necesario generar no sólo un vaciado de superficie, sino muchos subshells (superficies adicionales) dentro del objeto.

  1. Seleccione el tumor, en este caso, y genere un nuevo shell a partir de él (clic derecho > Modificar > Generar shell).
  2. Establezca un espesor de vaciado de 0,3 mm en el modo de desfase interno con una precisión de 0,15 mm y Aplicar. Seleccione la casilla Mantener pieza original. Esto genera una cáscara interna con una distancia de 0,3 mm a la superficie original.
  3. Seleccione la superficie exterior de ambos vaciados y genere un nuevo vaciado a partir de ella. Seleccione un espesor de vaciado de 0,25 mm en el modo hueco con una precisión de 0,15 mm. Seleccione también la casilla Eliminar pieza original. Esto genera un espacio de 0,05 mm entre los dos vaciados adyacentes.
  4. Repita los pasos 3.1–3.3 para crear varios vaciados internos con espesores constantes y desfases invariables.
    NOTA: Se recomienda utilizar un espesor de vaciado de 0,35–0,25 mm, así como un desplazamiento de 0,1 a 0,05 mm para lograr una coloración volumétrica suave.
  5. Repita los pasos 3.1–3.4 con todos los demás objetos, como los vasos sanguíneos.

4. Colorear y exportar el modelo 3D

NOTA: La coloración de todas las partes del modelo, incluidas las distintas cáscaras anidadas, se realiza utilizando el software Netfabb.

  1. Seleccione una pieza para colorear en el menú Piezas del lado izquierdo. Haga doble clic en el icono Textura y Malla de color. Elija un color haciendo clic en la barra de color del lado derecho. En el menú superior izquierdo, haga clic en el icono Pintar en vaciados. Posteriormente, haga clic izquierdo en el modelo que se muestra en el centro de la pantalla. Finalmente haga clic izquierdo en el cuadro Aplicar cambios en la esquina inferior derecha. Asegúrese de confirmar la selección Eliminar pieza antigua.
  2. Repita estos pasos con todos los demás objetos y vaciados, respectivamente.
  3. Exportar todos los objetos. Seleccione todos los objetos que se van a imprimir, incluidos los soportes y los vaciados internos, y expórtelos como archivos individuales. Asegúrese de elegir el formato VRML (WRL), porque el formato STL no puede transportar la información de color.

5. Impresión y postprocesamiento del modelo 3D

  1. Configurar la impresora 3D
    NOTA: El software 3DPrint (versión 1.03) se utilizó para controlar la máquina de chorro de aglutinante ZPrinter 450.
    1. Abra el software e importe los archivos VRML de color haciendo clic en Abrir y eligiendo todos los datos relevantes. Haga clic en el botón Abrir en la esquina inferior derecha de la ventana. En la ventana siguiente elija milímetros como unidades. Asegúrese de marcar las casillas Mantener posición y orientación, así como Aplicar configuración a todos los archivos. Por último, elija Z151 como tipo de material. Haga clic en el botón Siguiente.
    2. Para colocar los objetos 3D dentro del volumen de compilación, marque todos los objetos pulsando la tecla +A.
      1. En la ventana superior izquierda, que representa la vista XY del volumen de compilación, haga clic y arrastre los objetos marcados al centro. En la ventana inferior izquierda, que representa la vista XZ del volumen de compilación, haga clic y arrastre los objetos en el centro de la parte inferior por encima de la línea amarilla.
      2. Si se imprime un modelo de cráneo entero, asegúrese de que la abertura esté orientada hacia arriba. Si se imprimen modelos pequeños aislados, asegúrese de alinear piezas delicadas como recipientes con el plano XY, ya que esta orientación aumentará la resistencia de las piezas respectivas.
      3. Compruebe la orientación correcta de los modelos haciendo clic y moviéndolos en la ventana del lado derecho.
    3. Para prepararse para el proceso de compilación, haga clic en el icono Configuración en el menú superior. Asegúrese de que el Tipo de material correcto esté seleccionado y de que el Espesor de capa esté establecido en 0,1 mm. La compensación de sangrado debe estar marcada y la opción Imprimir en monocromo desmarcada.
    4. Para iniciar el proceso de impresión, haga clic en el icono Generar en el menú superior. En la ventana siguiente, elija Toda la compilación y haga clic en el botón Aceptar. Asegúrese de que en el siguiente cuadro de diálogo Estado de la impresora todos los elementos enumerados están configurados correctamente y que la impresora está en línea. A continuación, haga clic en el botón Imprimir en la parte inferior del cuadro de diálogo.
  2. Postprocesamiento del modelo
    NOTA: Use siempre una capa de laboratorio, guantes, protección para los ojos y una máscara mientras manipula el polvo suelto y la solución de endurecimiento. Trabaje siempre en un área bien ventilada.
    1. Desembalaje
      1. Una vez finalizada la impresión, desempaquete el modelo retirando cuidadosamente el polvo suelto con la aspiradora integrada. Es importante no entrar directamente en contacto con el modelo con el tubo de aspiración para evitar que las estructuras delgadas se rompan.
      2. Retire el modelo y límpielo aplicando aire presurizado, así como limpiándolo con un cepillo suave. Las partes más gruesas y estables del modelo se pueden además de moler con un pincel más duro. Este paso opcional permite un acabado superficial más suave. Tenga en cuenta que en este estado el modelo sigue siendo muy frágil.
    2. Infiltración
      1. Coloque el modelo dentro de una bañera de plástico.
      2. Infíltrelo cuidadosamente con la solución de endurecimiento hasta que no se puedan ver las zonas blanquecinas.
      3. La solución sobrante debe retirarse con aire presurizado y toallas de papel desechables para mantener todos los detalles de la superficie.
      4. Deje que el modelo se cure durante varias horas hasta que esté completamente seco.

Representative Results

Ocho pacientes con condrosarcoma del ápice petroso fueron seleccionados para el estudio y se crearon modelos 3D virtuales, cada uno conteniendo hueso, tumor, vasos, glándula pituitaria y cruce del nervio óptico. Tres modelos se sometieron a una impresión 3D multicolor utilizando la técnica de chorro de aglutinante 3D a color a base de yeso(Figura 1A1, A2). Además, se creó un solo tumor con una arteria interna (Figura 1B1) para mostrar los beneficios de la coloración volumétrica en comparación con la coloración de la superficie(Figura 1B2,B3).

Estos modelos se utilizaron para demostrar la simulación de un enfoque quirúrgico (por ejemplo, la creación de agujeros de rebabas) y la resección de tumores. Esta técnica de impresión permitió combinar estructuras anatómicas derivadas de diferentes modalidades de imagen en un solo objeto.

El material de yeso tenía propiedades similares a los huesos y se podía perforar fácilmente sin fundirse. Por lo tanto, era factible usarlo para simular una ruta de acceso quirúrgico. Después del procedimiento de endurecimiento fue lo suficientemente estable como para reproducir incluso estructuras frágiles como el árbol del vaso intracerebral.

La capacidad de colorear todo el volumen del modelo permitió visualizar claramente la estructura interna de un objeto, como la arteria carótida interna que viaja a través del tumor. Mediante la eliminación de capas de tumor con el taladro, la arteria roja se reveló gradualmente durante la simulación quirúrgica.

Para demostrar la precisión de la técnica, los modelos 3D fueron escaneados en un tomógrafo de computadora. Los modelos creados para la impresión se superponen a estos escaneos. Se creó una asignación de desviación y se determinó la precisión en 50 puntos de superficie elegidos aleatoriamente. Una desviación media de 0,021 mm demuestra la alta conformidad de la impresión 3D en comparación con los datos originales.

Figure 1
Figura 1: Impresiones 3D volumétricas frente a superficies. A1. Impresión 3D a todo color ejemplar de un paciente con condrosarcoma en el ápice petroso derecho. A2. Vista detallada de las estructuras anatómicas (flecha - bifurcación interna de la arteria carótida; O - quiasmo del nervio óptico; T - tumor). B1. Vasos sanguíneos que cruzan el volumen del tumor y el nivel transversal (línea de puntos). B2. La técnica de impresión multicolor convencional revela el color solo en la superficie. B3. La técnica modificada produce objetos de color volumétricamente adecuados para la simulación quirúrgica avanzada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Flujo de trabajo para colorear volumétricos de impresiones 3D. A. Modelo 3D virtual de un tumor con un vaso sanguíneo cruzando su volumen sin proyectiles internos. B. Un tumor y un vaso sanguíneo con múltiples proyectiles internos (distancia 0,05 mm). C. Un ejemplo de una distancia de vaciado alta (1 mm). Las capas individuales de vaciados de color y blanco siguen siendo visibles. D. Un ejemplo de distancia de vaciado pequeño (0,1 mm). El volumen interno del objeto está completamente coloreado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

La terapia del condrosarcoma intracraneal se basa principalmente en la extirpación quirúrgica completa. A menudo se encuentra en el ápice petroso, este tumor está cerca de estructuras importantes como la arteria carótida interna, el nervio óptico y la glándula pituitaria. Por lo tanto, planificar las trayectorias quirúrgicas es un paso crucial antes de la cirugía. La impresión 3D multicolor permite la fusión de estas estructuras, cada una derivada de diferentes modalidades de imagen, en un solo objeto.

Durante la preparación para la impresión 3D es importante seleccionar cuidadosamente los datos de imagen adecuados. Las imágenes de alta resolución con un pequeño espesor de rodaja son adecuadas para la reconstrucción 3D y transiciones suaves, mientras que los espesores altos de las rodajas producirán objetos gruesos y desiguales. Otro paso crítico del método es evitar cualquier intersección de dos objetos vecinos como el tumor y el hueso del cráneo. Por lo tanto, se deben realizar operaciones booleanas para restar un objeto del otro.

Para permitir el color volumétrico es necesario crear subsuperficies similares a cáscara de cebolla dentro de un objeto(Figura 2A,B). Es necesario tener una distancia mínima entre dos superficies adyacentes de al menos 0,1 mm para obtener objetos de color suave(Figura 2D). Si la distancia elegida está por encima de este valor, los vaciados individuales dentro del objeto podrían hacerse visibles(Figura 2C). Se debe prestar atención a un mayor consumo de color de la impresora 3D cuando se utiliza el color volumétrico. Además, también es importante comprobar el modelo en busca de piezas sueltas y añadir soportes cuando sea necesario (por ejemplo, la arteria basilar).

El método sólo puede producir material rígido, similar al yeso que no es muy duradero. Especialmente sin el procedimiento de endurecimiento, el modelo se puede destruir fácilmente durante el procedimiento de desembalaje. Por lo tanto, los elementos frágiles, como los vasos sanguíneos, a menudo tienden a romperse.

La técnica tampoco es adecuada para la simulación de tejidos blandos. Para simular el tejido cerebral, por ejemplo, podría ser necesario imprimirlo con un método que sea capaz de producir materiales blandos y duros directamente12,13 o para imprimir moldes que se pueden utilizar para fundir objetos blandos, como caucho de silicona14. En un caso de prueba, este último método se utilizó para simular un tumor blando. La limitación de este último procedimiento era que aunque el tumor de silicona era muy flexible, era necesario tener suficiente espacio para insertarlo en el modelo impreso en 3D. Además, no fue posible crear estructuras internas, como un vaso sanguíneo.

El chorro de aglutinante 3D es una técnica de fabricación aditiva que ensambla objetos mediante el endurecimiento parcial y la coloración de capas finas de polvo de yeso. Por lo tanto, permite imprimir una gama casi ilimitada de colores, transiciones de color y estructuras de color dentro del volumen de objetos en un solo proceso.

En comparación con otras técnicas de impresión como las impresoras de filamentos, que producen los costos más bajos, pero solo permiten dos o tres colores a la vez, y las impresoras Poly Jet que producen objetos multicolores y multimateriales pero son muy caras, esta técnica ofrece una compromiso a un precio asequible. El coste medio del material para un cráneo impreso fue de unos 150 euros.

Con este método es posible visualizar datos aún más abstractos como fibras de filamento derivadas de secuencias de seguimiento de fibra sin resonancia magnética o imágenes funcionales que representan, por ejemplo, el área del habla cerebral (por ejemplo, Broca,%s area).

Aparte de la simulación quirúrgica, los modelos impresos en 3D y totalmente coloreados de la anatomía real del paciente pueden ayudar a mejorar la educación de los estudiantes de medicina o de los médicos jóvenes para que puedan entender mejor las complejas relaciones anatómicas. También es una herramienta importante en la educación del paciente.

Disclosures

Este estudio fue apoyado por una beca de la facultad de medicina de la Johannes Gutenberg-Universidad de Maguncia a M.K. ("Biomatics - Stufe 1 F-rderung").

Acknowledgments

Partes de este trabajo se han presentado como cartel en la reunión anual de la Sociedad Alemana de Neurocirugía (DGNC) 2019 en Wurzburgo, Alemania y como una breve presentación en la reunión anual de la Sociedad Alemana de Cirugía Asistida por Computación y Robots (CURAC) 2019 en Reutlingen, Alemania.

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