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Mehrfarbiger 3D-Druck komplexer intrakranieller Tumoren in der Neurochirurgie

Medicine
 

Summary

Das Protokoll beschreibt die Herstellung von vollständig farbigen dreidimensionalen Drucken patientenspezifischer, anatomischer Schädelmodelle, die für die chirurgische Simulation verwendet werden. Die entscheidenden Schritte der Kombination verschiedener bildgebender Modalitäten, der Bildsegmentierung, der dreidimensionalen Modellextraktion und der Produktion der Drucke werden erläutert.

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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

Dreidimensionale (3D) Drucktechnologien bieten die Möglichkeit, patientenspezifische Pathologien in einem physikalischen Modell korrekter Abmessungen zu visualisieren. Das Modell kann für die Planung und Simulation kritischer Schritte eines chirurgischen Ansatzes verwendet werden. Daher ist es wichtig, dass anatomische Strukturen wie Blutgefäße innerhalb eines Tumors gedruckt werden können, um nicht nur auf ihrer Oberfläche, sondern während ihres gesamten Volumens gefärbt zu werden. Während der Simulation ermöglicht dies das Entfernen bestimmter Teile (z.B. mit einem Hochgeschwindigkeitsbohrer) und das Aufdecken von intern lokalisierten Strukturen unterschiedlicher Farbe. So können diagnostische Informationen aus verschiedenen bildgebenden Modalitäten (z.B. CT, MRT) in einem einzigen kompakten und greifbaren Objekt kombiniert werden.

Die Vorbereitung und der Druck eines derart vollständig farbigen anatomischen Modells bleibt jedoch eine schwierige Aufgabe. Daher wird eine Schritt-für-Schritt-Anleitung bereitgestellt, die die Verschmelzung verschiedener Querschnitts-Bildgebungsdatensätze, die Segmentierung anatomischer Strukturen und die Erstellung eines virtuellen Modells demonstriert. In einem zweiten Schritt wird das virtuelle Modell mit volumentrisch gefärbten anatomischen Strukturen mit einer gipsbasierten Farb-3D-Binder-Jetting-Technik gedruckt. Diese Methode ermöglicht eine hochpräzise Reproduktion der patientenspezifischen Anatomie, wie in einer Reihe von 3D-gedruckten Petrous-Apex-Chondrosarkomen gezeigt wird. Darüber hinaus können die erstellten Modelle geschnitten und gebohrt werden, wodurch interne Strukturen sichtbar werden, die eine Simulation chirurgischer Eingriffe ermöglichen.

Introduction

Die chirurgische Behandlung von Schädelbasistumoren ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die eine präzise präoperative Planung erfordert1. Die multimodale Bildgebung mittels Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) liefert dem Chirurgen Informationen über die individuelle Anatomie des Patienten. In der klinischen Praxis werden diese diagnostischen Informationen visualisiert, indem eine Reihe von zweidimensionalen (2D) Querschnitten dargestellt wird, die verschiedene Aspekte der Anatomie darstellen (z. B. CT zur Visualisierung von Knochen, CT-Angiographie für Gefäße, MRT für Weichgewebe).

Gerade für Anfänger, Medizinstudenten und Patienten ist es jedoch eine Herausforderung, die komplexen Zusammenhänge der verschiedenen 3D-Strukturen zu den Querschnittsbildern zu verstehen. Neben kadaverischen Studien2könnte dieses Problem angegangen werden, indem reale anatomische Modelle einzelner Pathologien etabliert werden, die anatomische Strukturen in verschiedenenFarben3 anzeigen.

Dank des technischen Fortschritts in den letzten Jahren ermöglichen 3D-Drucktechnologien eine kostengünstige Konstruktion komplexer Formen4,5. Diese Technik bietet daher die Möglichkeit, patientenspezifische anatomische Modelle zu konstruieren, die greifbar sind, räumliche Zusammenhänge klar darstellen und für die chirurgische Planung und Simulation eingesetzt werden können. Gerade in seltenen und komplexen Fällen wie petrous apex chondrosarcomas kann eine präoperative Simulation der Tumorentfernung im Einzelfall dazu beitragen, das Selbstvertrauen des Chirurgen und das Patientenergebnis zu verbessern.

Übliche FDM-Drucktechniken (Filamentdepositionsmodellierung) erlauben nur das Erstellen von Objekten mit einer geschlossenen Oberfläche in einer oder einer begrenzten Farbvielfalt6. Um ein Modell für die chirurgische Simulation zu liefern, das verschiedene komplexe geformte anatomische Strukturen enthält, die hauptsächlich ineinander verschachtelt sind, sind vollständig volumetrisch gefärbte 3D-Drucke erforderlich. Dies ermöglicht eine sukzessive Entfernung von Gewebeschichten, bis eine innere Struktur aufgedeckt wird.

Gips-basierte Farbe 3D Binder Jetting ist eine Technik in der Lage, die erforderlichen mehrfarbigen Modelle7zu produzieren. Während in seinen Standardkonfigurationen nur die Oberfläche eines Objekts eingefärbt werden kann, wird hierin eine modifizierte Technik beschrieben, um die volumetrische Anwendung von Farbe auf interne anatomische Strukturen zu gewährleisten.

Um diese Technik zu demonstrieren, wurden Fälle von Patienten mit Schädelbasischondrosarkomen als Beispiel ausgewählt. Chondrosarkome machen 20% aller Neoplasie im Skelettsystem aus, meist in den langen Knochen. Primäre Schädelbasis Chondrosarkomen sind eine seltene Erkrankung verantwortlich für 0,1–0,2% aller intrakraniellen Tumoren8. Hauptsächlich an der Petrousspitze gelegen, wachsen diese Tumoren in einer komplexen anatomischen Umgebung mit zentralen Strukturen wie der inneren Halsschlagader, der Optik und anderen Hirnnerven sowie der Hypophyse. Die Behandlung dieser Neoplasmen konzentriert sich hauptsächlich auf eine gesamte chirurgische Resektion, da adjuvante Therapien allein (z.B. Strahlung) nicht wirksam genug sind9.

Aufgrund der Komplexität und Seltenheit dieser Tumorentität könnte eine präoperative chirurgische Simulation in einem 3D-gedruckten Schädelmodell dazu beitragen, die Anatomie besser zu visualisieren und zu verstehen und dem Chirurgen dabei zu helfen, eine vollständige Resektion zu erreichen. Wie andere10,11 3D-Druck von patientenspezifischen Modellen gezeigt, verbessert sowohl das Verständnis der Bewohner als auch der erfahrenen Neurochirurgen für komplexe Neuroanatomie.

Die Erstellung solcher individualisierten Modelle aus medizinischen Bildgebungsdaten erfordert jedoch Fähigkeiten in der Bildsegmentierung, 3D-Modellierung und 3D-Druck, insbesondere wenn anatomische Strukturen in verschiedenen Farben gedruckt werden sollen. Dieses Manuskript soll die Herstellung der beschriebenen anatomischen Modelle für andere zugänglicher machen, indem ein detailliertes Protokoll zur Umwandlung medizinischer Bildgebungsdaten in virtuelle 3D-Modelle und zur Herstellung von mehrfarbigen 3D-Objekten zur Verfügung gestellt wird.

Der Workflow besteht hauptsächlich aus vier Teilen: 1) Segmentierung medizinischer Bildgebungsdaten und Erstellung eines virtuellen 3D-Modells; 2) Vorbereitung des virtuellen 3D-Modells für den mehrfarbigen 3D-Druck; 3) Vorbereitung für die volumetrische Färbung ausgewählter Teile; und 4) 3D-Druck und Nachbearbeitung.

Protocol

Das Protokoll wurde von der zuständigen Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, genehmigt. Alle institutionellen Richtlinien für die Pflege und Nutzung von Patientendaten wurden befolgt.

1. Segmentierung medizinischer Bildgebungsdaten und Erstellung eines virtuellen 3D-Modells

HINWEIS: Die Software, die wir für die Segmentierung verwendet haben, war Amira 5.4.5. Der Segmentierungsprozess kann auch mit Open Source Software (z.B. 3D Slicer, https://www.slicer.org/) durchgeführt werden.

  1. Verwenden Sie Bilddaten mit hoher räumlicher Auflösung (z. B. eine Schnittdicke von 1 mm oder weniger). Hierbei wurden ein Schädel-CT-Datensatz mit einer Scheibendicke von 0,5 mm und zusätzlichen MRT-Daten mit einer Scheibendicke von 1 mm verwendet. Verwenden Sie CT-Daten für die Segmentierung von Knochen, kontrastverstärkte T1-MRT-Bilder für die Segmentierung von Tumor- und neuronalen Strukturen sowie TOF-Bilder (Time-of-Flight) für Gefäße.
  2. Laden Sie die DICOM-Dateien auf den Computer herunter und öffnen Sie die Segmentierungssoftware. Importieren Sie die Dateien der verschiedenen Bildgebungsmodalitäten, und wählen Sie den Ordner mit den Bilddaten aus.
  3. Klicken Sie auf die CT-Bilder und verbinden Sie sie mit einem Volume-Rendering-Modul (Volren). Wählen Sie Specular für ein realistischeres Rendering und passen Sie den Farbübertragungsschieberegler an, um nur Knochen zu visualisieren. Fahren Sie fort, indem Sie die MRT-Sequenzen importieren und sie ebenfalls mit einem Volume-Rendering-Modul verbinden.
  4. Registrierung
    1. Da sich die MRT- und CT-Bilder nicht überlappen, ist es notwendig, die verschiedenen Bilddaten zu verschmelzen. Klicken Sie daher mit der rechten Maustaste auf das MRT-Dataset und wählen Sie Berechnen > Affine Registration. Wählen Sie Referenz, indem Sie auf das weiße Quadrat des Moduls klicken, und ziehen Sie dann den Cursor auf den CT.
    2. In den Eigenschaften des Registrierungsmoduls lassen Sie alle Einstellungen auf der Standardeinstellung und klicken Sie auf Center ausrichten, gefolgt von Registrieren. Die beiden verschiedenen Imaging-Datasets sind nun verschmolzen. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle weiteren Imaging-Datasets.
  5. Überprüfung der Übereinstimmungsgenauigkeit:
    1. Überprüfen Sie die Übereinstimmung, indem Sie die Lautstärke-Renderings ausblenden (klicken Sie auf das orange Quadrat des Moduls) und den MR-Bildern ein OrthoSlice-Modul hinzufügen. Klicken Sie auf das weiße Dreieck und wählen Sie Colorwash. Klicken Sie als nächstes auf das weiße Quadrat, wählen Sie Daten und verbinden Sie diesen Port mit den CT-Daten, indem Sie die Maus darauf ziehen.
    2. Passen Sie den Farbschieber an, um die neuronalen Strukturen zu visualisieren, die den knöchernen Schädelstrukturen überlagert sind. Überprüfen Sie Fehlausrichtungen, indem Sie den Schieberegler für den Gewichtsfaktor umschalten, während Sie die Grenze zwischen Schädel- und Hirnoberflächen sowie die Ventrikel betrachten. Wiederholen Sie diesen Vorgang auf verschiedenen Scheiben in koronaler und sagittaler Richtung.
  6. Volumetrische Bearbeitung
    1. Deaktivieren Sie die Sichtbarkeit des OrthoSlice-Moduls, und aktivieren Sie die Lautstärkewiedergabe des CT. Wechseln Sie zu den CT-Daten, und suchen Sie nach dem niedrigsten Wert im Dataset, in diesem Fall -2.048.
    2. Fügen Sie als Nächstes ein Volume Edit-Modul hinzu, verbinden Sie das Volren-Modul mit den Ausgabedaten, und legen Sie den Padding Value auf -2.048 fest.
    3. Klicken Sie auf Innerhalb ausschneiden, und markieren Sie den Bereich, der im 3D-Ansichtsfenster entfernt werden soll.
      HINWEIS: Es ist wichtig, Überlappungen mit Teilen zu vermeiden, die nicht entfernt werden sollen.
    4. In diesem Beispiel wurden Teile des Unterkieferknochens und der oberen Halswirbel entfernt.
  7. Segmentierung des Knochens
    1. Als Nächstes muss der verbleibende Bone segmentiert und in ein Flächennetz umgewandelt werden. Klicken Sie dazu auf den Segmentierungs-Editor, wählen Sie die geänderte CT-Bildsequenz aus, und fügen Sie ein neues Labelset hinzu, indem Sie auf Neuklicken.
    2. Wählen Sie nun Schwellenwert als Segmentierungsoption aus. Stellen Sie den unteren Schieberegler auf einen Wert von 250 € im Falle eines CT. Stellen Sie sicher, dass dünne Knochenstrukturen wie der temporale Knochen oder der obere Orbitalbereich in der Vorschau ausgewählt sind. Andernfalls stellen Sie den unteren Schwellenwert ein, vermeiden Sie jedoch die Auswahl von Weichgewebe.
    3. Klicken Sie dann auf Auswählen und fügen Sie die Auswahl schließlich zum Labelset hinzu (durch Klicken auf das rote Plus-Symbol).
    4. Zurück zur Poolansicht. Für den CT wurde ein neues Labelset erstellt. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf und wählen Sie Berechnen > Oberflächengen, aktivieren Sie die Option Komprimieren, und klicken Sie auf Übernehmen.
    5. Fügen Sie schließlich ein SurfaceView-Modul hinzu, und passen Sie die Farbe des generierten Netzes an.
  8. Segmentierung anderer Strukturen
    1. Fügen Sie weitere relevante Strukturen hinzu, indem Sie die vorherigen Schritte wiederholen. Im Falle des Tumors wurde die manuelle Segmentierung anstelle einer Schwellenoperation verwendet.
    2. Um eine manuelle Segmentierung durchzuführen, wechseln Sie zum Segmentierungs-Editor, und wählen Sie die manuelle Segmentierungsoption (Pinselsymbol) aus, um Strukturen wie den Tumor in jedem Slice zu markieren. Fügen Sie schließlich die Auswahl erneut hinzu, indem Sie auf das Plus-Symbol klicken. So werden der Tumor, der Sehnerv und die intrakraniellen Gefäße segmentiert und dem Modell hinzugefügt.
  9. Exportieren von Netzen
    1. Exportieren Sie schließlich die generierten Netze im STL-Format, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Netz klicken und auf Speichernklicken. Wählen Sie binäre STL als Dateiformat.

2. Vorbereitung des virtuellen 3D-Modells für den mehrfarbigen Druck

HINWEIS: Die Software, die in diesem Protokoll für die Druckvorbereitung verwendet wird, ist Netfabb Premium 2019.0. Autodesk bietet die kostenlose Nutzung dieser Software in seinem Bildungsprogramm.

  1. Importieren Sie Daten und führen Sie eine automatische Reparatur durch.
  2. Öffnen Sie das Druckvorbereitungsprogramm, und importieren Sie die in den vorherigen Schritten generierten Netze als neue Teile. Überprüfen Sie Automatische Reparatur und klicken Sie auf Importieren.
  3. Löschen kleiner loser Teile
    1. Wählen Sie den Schädel aus und teilen Sie seine Schalen in Teile, indem Sie auf Ändern > Schalen in Teileteilen klicken. Dadurch werden lose Objekte getrennt, die nicht mit dem Schädelknochen verbunden sind.
    2. Wählen Sie den Schädelknochen aus und schalten Sie seine Sichtbarkeit ab.
    3. Wählen Sie nun alle anderen Teile aus und löschen Sie sie.
    4. Schalten Sie die Sichtbarkeit des Schädels wieder ein.
    5. Wiederholen Sie diesen Schritt für alle anderen Objekte.
  4. Entfernen Sie überlappende Bereiche.
    HINWEIS: In einigen Regionen, wie dem Tumor innerhalb der Petrousspitze des Schädels, schneiden sich die Geometrien beider Objekte. Um Druckfehler zu vermeiden, ist es notwendig, solche Schnittpunkte zu entfernen.
    1. Wählen Sie die beiden sich schneidenden Objekte aus, und klicken Sie auf Boolean Operations.
    2. Verschieben Sie das objekt, das von dem anderen subtrahiert werden soll, auf die rote Seite der Liste, und klicken Sie auf Anwenden. Nun sind die beiden Objekte klar voneinander getrennt. Dies sollte überprüft werden, indem ihre Sichtbarkeit umgezelt wird.
    3. Wiederholen Sie diese Schritte, damit der Tumor sowie die Arterie im Tumor deutlich voneinander getrennt werden.
  5. Fügen Sie bei Bedarf unterstützende Strukturen hinzu.
    1. Im Falle der Basilararterie sind zusätzliche Stützen erforderlich, um zu verhindern, dass das Objekt nach dem Drucken ein loses Teil ist.
    2. Fügen Sie ein neues Objekt hinzu, in diesem Fall einen Zylinder (Datei > Teilebibliothek), und passen Sie seine Abmessungen und Unterteilungen nach Bedarf an.
    3. Platzieren Sie den Zylinder, um sich vollständig mit dem Schädel und der Gefäßgeometrie zu schneiden.
    4. Führen Sie nun erneut die boolesche Operation durch, um die Teile im Knochen und im Blutgefäß zu subtrahieren.
    5. Wiederholen Sie diesen Schritt, um bei Bedarf weitere Stützen hinzuzufügen (z. B. den Sehnerv).

3. Vorbereitung für die volumetrische Färbung ausgewählter Teile

HINWEIS: Um die volumetrische Färbung bestimmter Teile zu ermöglichen, ist es notwendig, nicht nur eine Oberflächenhülle, sondern viele Unterschalen (zusätzliche Oberflächen) innerhalb des Objekts zu erzeugen.

  1. Wählen Sie in diesem Fall den Tumor aus, und generieren Sie daraus eine neue Schale (Rechtsklick > Ändern > Shell generieren).
  2. Stellen Sie eine Schalendicke von 0,3 mm im inneren Versatzmodus mit einer Genauigkeit von 0,15 mm ein und wenden Sie sichan. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Originalteil beibehalten. Dadurch entsteht eine Innenschale mit einem Abstand von 0,3 mm zur ursprünglichen Oberfläche.
  3. Wählen Sie die Außenfläche beider Schalen aus, und generieren Sie daraus eine neue Schale. Wählen Sie eine Schalendicke von 0,25 mm im Hohlmodus mit einer Genauigkeit von 0,15 mm aus. Aktivieren Sie auch das Kontrollkästchen Originalteil entfernen. Dadurch entsteht ein Abstand von 0,05 mm zwischen den beiden angrenzenden Schalen.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 3.1–3.3, sodass mehrere innenschalen mit konstanten Dicken und invarianten Offsets erstellt werden.
    HINWEIS: Es wird empfohlen, eine Schalendicke von 0,35–0,25 mm sowie einen Versatz von 0,1–0,05 mm zu verwenden, um eine glatte volumetrische Färbung zu erzielen.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 3.1–3.4 mit allen anderen Objekten, wie z. B. den Blutgefäßen.

4. Färbung und Export des 3D-Modells

HINWEIS: Die Färbung aller Teile des Modells, einschließlich der unterschiedlichen verschachtelten Schalen, erfolgt mit der Netfabb-Software.

  1. Wählen Sie ein Teil aus, das im Teilemenü auf der linken Seite eingefärbt werden soll. Doppelklicken Sie auf das Symbol Textur und Farbnetz. Wählen Sie eine Farbe aus, indem Sie auf die Farbleiste auf der rechten Seite klicken. Klicken Sie im oberen Menü links auf das Symbol Auf Shells malen. Klicken Sie anschließend mit der linken Maustaste auf das in der Bildschirmmitte angezeigte Modell. Klicken Sie schließlich mit der linken Maustaste auf das Feld Änderungen anwenden in der unteren rechten Ecke. Stellen Sie sicher, dass Sie die Auswahl "Altes Teil entfernen" bestätigen.
  2. Wiederholen Sie diese Schritte mit allen anderen Objekten bzw. Shells.
  3. Exportieren Sie alle Objekte. Wählen Sie alle zu druckenden Objekte aus, einschließlich Stützen und innen, und exportieren Sie sie als einzelne Dateien. Achten Sie darauf, das VRML-Format (WRL) zu wählen, da das STL-Format die Farbinformationen nicht transportieren kann.

5. Druck und Nachbearbeitung des 3D-Modells

  1. Einrichten des 3D-Druckers
    HINWEIS: Die 3DPrint Software (Version 1.03) wurde zur Steuerung der Bindemittel-Jetting-Maschine ZPrinter 450 verwendet.
    1. Öffnen Sie die Software und importieren Sie die farbigen VRML-Dateien, indem Sie auf Öffnen klicken und alle relevanten Daten auswählen. Klicken Sie auf die Schaltfläche Öffnen in der unteren rechten Fensterecke. Wählen Sie im nachfolgenden Fenster Millimeter als Einheiten aus. Stellen Sie sicher, dass Sie die Kontrollkästchen Position und Ausrichtung beibehalten sowie die Kontrollkästchen Einstellungen auf alle Dateien anwenden aktivieren. Wählen Sie schließlich Z151 als Materialtyp aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Weiter.
    2. Markieren Sie alle Objekte, indem Sie die Taste +A drücken, um die 3D-Objekte innerhalb des Buildvolumes zu positionieren.
      1. Klicken Sie im oberen linken Fenster, das die XY-Ansicht des Buildvolumens darstellt, auf die markierten Objekte und ziehen Sie sie in die Mitte. Klicken Sie im unteren linken Fenster, das die XZ-Ansicht des Buildvolumens darstellt, auf die Objekte in der Mitte des unteren Teils über der gelben Linie, und ziehen Sie sie.
      2. Wenn ein ganzes Schädelmodell gedruckt wird, stellen Sie sicher, dass die Öffnung nach oben zeigt. Wenn isolierte kleine Modelle gedruckt werden, achten Sie darauf, empfindliche Teile wie Gefäße an der XY-Ebene auszurichten, da diese Ausrichtung die Festigkeit der jeweiligen Teile erhöht.
      3. Überprüfen Sie die richtige Ausrichtung der Modelle, indem Sie sie im Fenster auf der rechten Seite anklicken und verschieben.
    3. Um sich auf den Buildprozess vorzubereiten, klicken Sie auf das Setup-Symbol im oberen Menü. Stellen Sie sicher, dass der richtige Materialtyp ausgewählt ist und dass die Schichtdicke auf 0,1 mm eingestellt ist. Die Bleed Compensation sollte aktiviert und die Option In Monochrom drucken deaktiviert werden.
    4. Um den Druckvorgang zu starten, klicken Sie auf das Build-Symbol im oberen Menü. Wählen Sie im folgenden Fenster Gesamtes Erstellen aus und klicken Sie auf die Schaltfläche OK. Stellen Sie sicher, dass im folgenden Druckerstatusdialog alle aufgeführten Elemente richtig eingestellt sind und der Drucker online ist. Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Drucken im unteren Teil des Dialogfelds.
  2. Nachbearbeitung des Modells
    HINWEIS: Tragen Sie beim Umgang mit dem losen Pulver und der Härtelösung immer einen Labormantel, Handschuhe, Augenschutz und eine Maske. Arbeiten Sie immer in einem gut belüfteten Bereich.
    1. Auspacken
      1. Nachdem der Druck fertig ist, packen Sie das Modell aus, indem Sie das lose Pulver mit dem integrierten Staubsauger vorsichtig entfernen. Es ist wichtig, das Modell nicht direkt mit dem Saugrohr in Kontakt zu setzen, um zu verhindern, dass dünne Strukturen auseinanderbrechen.
      2. Entfernen Sie das Modell und reinigen Sie es, indem Sie Druckluft auftragen und es mit einer weichen Bürste reinigen. Dickere, stabilere Teile des Modells können zusätzlich mit einer härteren Bürste geschliffen werden. Dieser optionale Schritt ermöglicht eine glattere Oberflächengüte. Denken Sie daran, dass in diesem Zustand das Modell immer noch sehr zerbrechlich ist.
    2. Infiltration
      1. Setzen Sie das Modell in eine Kunststoffwanne.
      2. Infiltrieren Sie es sorgfältig mit der Härtelösung, bis keine weißlichen Bereiche sichtbar sind.
      3. Die überschüssige Lösung muss mit Druckluft und Einwegpapiertüchern entfernt werden, um alle Oberflächendetails zu erhalten.
      4. Lassen Sie das Modell mehrere Stunden aushärten, bis es vollständig trocken ist.

Representative Results

Für die Studie wurden acht Patienten mit Chondrosarkom der Petrousspitze ausgewählt und virtuelle 3D-Modelle mit Knochen, Tumor, Gefäßen, Hypophyse und Sehnervenüberquerung erstellt. Drei Modelle wurden mit der Gips-basierten Farb-3D-Binder-Jetting-Technik mehrfach bedruckt(Abbildung 1A1,A2). Zusätzlich wurde ein einzelner Tumor mit einer inneren Arterie erstellt (Abbildung 1B1), um die Vorteile der volumetrischen Färbung im Vergleich zur Oberflächenfärbung zu zeigen (Abbildung 1B2,B3).

Diese Modelle wurden verwendet, um die Simulation eines chirurgischen Ansatzes (z. B. Die Bildung von Gratlöchern) und die Tumorresektion zu demonstrieren. Diese Drucktechnik ermöglichte die Kombination anatomischer Strukturen, die aus verschiedenen bildgebenden Modalitäten abgeleitet wurden, in einem einzigen Objekt.

Das Gipsmaterial hatte knochenähnliche Eigenschaften und konnte problemlos ohne Schmelzen gebohrt werden. So war es möglich, es zu verwenden, um eine chirurgische Zugangsroute zu simulieren. Nach dem Härteverfahren war es stabil genug, um auch zerbrechliche Strukturen wie den intracerebralen Gefäßbaum zu reproduzieren.

Die Möglichkeit, das gesamte Volumen des Modells zu färben, ermöglichte es, die innere Struktur eines Objekts, wie die innere Halsschlagader, die durch den Tumor wandert, klar zu visualisieren. Durch das Entfernen von Tumorschichten mit dem Bohrer wurde die rote Arterie während der chirurgischen Simulation nach und nach aufgedeckt.

Um die Genauigkeit der Technik zu beweisen, wurden 3D-Modelle in einem Computertomographen gescannt. Die für den Druck erstellten Modelle wurden diesen Scans überlagert. Es wurde eine Abweichungszuordnung erstellt, und die Genauigkeit wurde in 50 zufällig ausgewählten Oberflächenpunkten ermittelt. Eine mittlere Abweichung von 0,021 mm zeigt die hohe Übereinstimmung des 3D-Drucks im Vergleich zu den Originaldaten.

Figure 1
Abbildung 1: Volumetrische vs. oberflächenfarbene 3D-Drucke. A1. Beispielhafter Vollfarb-3D-Druck eines Patienten mit Chondrosarkom an der rechten Petrousspitze. A2. Detailansicht der anatomischen Strukturen (Pfeil = interne Karotisarterienverzweigung; O = Sehnerv-Chiasm; T = Tumor). B1. Blutgefäß, das das Tumorvolumen und die Querschnittsebene (gepunktete Linie) überquert. B2. Die herkömmliche Mehrfarbendrucktechnik offenbart Farbe nur an der Oberfläche. B3. Die modifizierte Technik erzeugt volumetisch gefärbte Objekte, die für eine fortgeschrittene chirurgische Simulation geeignet sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Workflow für die volumetrische Färbung von 3D-Drucken. A. Virtuelles 3D-Modell eines Tumors mit einem Blutgefäß, das sein Volumen ohne innenschalen kreuzt. B. Ein Tumor und ein Blutgefäß mit mehreren Innenschalen (Abstand 0,05 mm). C. Ein Beispiel für einen hohen Schalenabstand (1 mm). Die einzelnen Schichten aus farbigen und weißen Schalen sind noch sichtbar. D. Ein Beispiel für einen kleinen Schalenabstand (0,1 mm). Das innere Volumen des Objekts ist vollständig gefärbt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

Die Therapie des intrakraniellen Chondrosarkoms basiert hauptsächlich auf einer vollständigen chirurgischen Entfernung. Oft befindet sich auf der Petrousspitze, dieser Tumor ist in der Nähe von wichtigen Strukturen wie der inneren Halsschlagader, dem Sehnerv, und der Hypophyse. Daher ist die Planung der chirurgischen Bahnen ein entscheidender Schritt vor der Operation. Multicolor 3D-Druck ermöglicht die Verschmelzung dieser Strukturen, die jeweils aus unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten abgeleitet sind, zu einem einzigen Objekt.

Bei der Vorbereitung auf den 3D-Druck ist es wichtig, sorgfältig geeignete Bilddaten auszuwählen. Hochauflösende Bilder mit einer kleinen Scheibendicke eignen sich gut für die 3D-Rekonstruktion und glatte Übergänge, während hohe Scheibendicken grobe, unebene Objekte erzeugen. Ein weiterer kritischer Schritt der Methode ist es, Schnittpunkte von zwei benachbarten Objekten wie Tumor und Schädelknochen zu vermeiden. Daher müssen boolesche Operationen ausgeführt werden, um ein Objekt vom anderen zu subtrahieren.

Um eine volumetrische Färbung zu ermöglichen, ist es notwendig, Zwiebelschalen-ähnliche Untergründe innerhalb eines Objekts zu erstellen (Abbildung 2A,B). Es ist notwendig, einen Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Flächen von mindestens 0,1 mm zu haben, um glatt farbige Objekte zu erhalten (Abbildung 2D). Wenn der gewählte Abstand über diesem Wert liegt, werden die einzelnen Schalen innerhalb des Objekts möglicherweise sichtbar (Abbildung 2C). Bei Verwendung der volumetrischen Färbung sollte auf einen erhöhten Farbverbrauch des 3D-Druckers geachtet werden. Darüber hinaus ist es auch wichtig, das Modell auf lose Teile zu überprüfen und bei Bedarf Stützen hinzuzufügen (z.B. die Basilararterie).

Das Verfahren kann nur steifes, gipsartiges Material herstellen, das nicht sehr haltbar ist. Insbesondere ohne das Härteverfahren kann das Modell beim Auspacken leicht zerstört werden. So neigen zerbrechliche Elemente wie Blutgefäße oft dazu, auseinander zu brechen.

Die Technik eignet sich auch nicht für die Simulation von Weichgewebe. Um beispielsweise Hirngewebe zu simulieren, kann es notwendig sein, es entweder mit einer Methode zu drucken, die in der Lage ist, weiche und harte Materialien direkt zu produzieren12,13 oder Formen zu drucken, die verwendet werden können, um weiche Objekte zu gießen, wie Silikonkautschuk14. In einem Testfall wurde die letztgenannte Methode verwendet, um einen weichen Tumor zu simulieren. Die Einschränkung dieses letzten Verfahrens war, dass der Silikontumor zwar sehr flexibel war, aber genügend Platz hatte, um ihn in das 3D-gedruckte Modell einzufügen. Darüber hinaus war es nicht möglich, innere Strukturen wie ein Blutgefäß zu schaffen.

3D Binder-Jetting ist eine additive Fertigungstechnik, die Objekte durch partielles Härten und Färben dünner Schichten von Gipspulver zusammenbaut. Auf diese Weise ermöglicht es das Drucken einer nahezu unbegrenzten Palette von Farben, Farbübergängen und farbigen Strukturen innerhalb des Volumens von Objekten in einem einzigen Prozess.

Im Vergleich zu anderen Drucktechniken wie Filamentdruckern, die die niedrigsten Kosten verursachen, aber nur zwei oder drei Farben auf einmal zulassen, und Poly Jet-Druckern, die mehrfarbige, multi-material-Objekte produzieren, aber sehr teuer sind, bietet diese Technik eine Kompromisse zu einem erschwinglichen Preis. Die durchschnittlichen Materialkosten für einen bedruckten Schädel betrugen ca. 150 €.

Mit dieser Methode ist es möglich, noch abstraktere Daten wie Filamentfasern aus MRT-Faserverfolgungssequenzen oder funktionelle Bildgebung zu visualisieren, die beispielsweise den Hirnsprachbereich (z.B. Broca%s Bereich) darstellen.

Neben der chirurgischen Simulation können 3D-gedruckte, vollständig farbige Modelle der echten Patientenanatomie dazu beitragen, die Ausbildung von Medizinstudenten oder jungen Ärzten zu verbessern, damit sie komplexe anatomische Zusammenhänge besser verstehen können. Es ist auch ein wichtiges Instrument in der Patientenerziehung.

Disclosures

Unterstützt wurde diese Studie durch ein Stipendium der medizinischen Fakultät der Johannes Gutenberg-Universität Mainz an M.K. ("Biomatik - Stufe 1 Förderung").

Acknowledgments

Teile dieser Arbeit wurden als Poster auf der Jahrestagung der Deutschen Neurochirurgischen Gesellschaft (DGNC) 2019 in Würzburg und als Kurzvortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterchirurgie (CURAC) 2019 in Reutlingen.

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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