Author Produced

Multicolor 3D utskrift av komplexa intrakraniella tumörer i neurokirurgi

Medicine
 

Summary

Protokollet beskriver tillverkningen av helt färgade tredimensionella utskrifter av patientspecifika, anatomiska skalle modeller som ska användas för kirurgisk simulering. De avgörande stegen för att kombinera olika Imaging modaliteter, bild segmentering, tredimensionell modell utvinning, och produktion av utskrifter förklaras.

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

Tredimensionell (3D) tryckteknik erbjuder möjligheten att visualisera patientspecifika sjukdomar i en fysisk modell av korrekta dimensioner. Modellen kan användas för att planera och simulera kritiska steg i en kirurgisk metod. Därför är det viktigt att anatomiska strukturer såsom blodkärl inuti en tumör kan tryckas för att färgas inte bara på deras yta, men under hela sin volym. Under simulering Detta möjliggör avlägsnande av vissa delar (t. ex. med en höghastighets borr) och avslöja internt placerade strukturer av en annan färg. Därför kan diagnostisk information från olika avbildningsmetoder (t. ex. CT, MRI) kombineras i ett enda kompakt och påtagligt objekt.

Men förberedelse och tryckning av en sådan helt färgad anatomisk modell är fortfarande en svår uppgift. Därför tillhandahålls en steg-för-steg-guide som demonstrerar fusion av olika tvärsnittsdata uppsättningar, segmentering av anatomiska strukturer och skapandet av en virtuell modell. I ett andra steg den virtuella modellen trycks med volumetriskt färgade anatomiska strukturer med hjälp av en gips-baserad färg 3D bindemedel Jetting teknik. Denna metod möjliggör mycket noggrann reproduktion av patientspecifik anatomi som visas i en serie av 3D-tryckt stenfri Apex chondrosarcomas. Dessutom, de modeller som skapats kan klippas och borras, avslöjar interna strukturer som möjliggör simulering av kirurgiska ingrepp.

Introduction

Kirurgisk behandling av skallbas tumörer är en utmanande uppgift som kräver exakt preoperativ planering1. Multimodal avbildning med hjälp av datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRI) förser kirurgen med information om patientens individuella anatomi. I klinisk praxis visualiseras denna diagnostiska information genom att visa en serie tvådimensionella (2D) tvärsnitt som representerar olika aspekter av anatomin (t. ex. CT för visualisering av ben, CT-angiografi för fartyg, MRT för mjuk vävnad).

Men, särskilt för nybörjare, läkarstudenter, och patienter, förstå de komplexa relationerna mellan de olika 3D-strukturer till tvärsnittsbilder är utmanande. Bredvid från döda Studies2, detta problem kan åtgärdas genom att etablera verkliga storlek anatomiska modeller av enskilda patologier, visar anatomiska strukturer i olika färger3.

Tack vare tekniska framsteg under de senaste åren, 3D tryckteknik möjliggör kostnadseffektiv konstruktion av komplexa former4,5. Därför erbjuder denna teknik möjligheten att konstruera patientspecifika anatomiska modeller som är påtagliga, tydligt skildra rumsliga relationer, och kan användas för kirurgisk planering och simulering. Särskilt i sällsynta och komplexa fall som stenös Apex chondrosarcomas, preoperativ simulering av tumör avlägsnande i ett enskilt fall kan bidra till att förbättra självförtroendet hos kirurgen och patientens resultat.

Gemensamma FDM-tryck (glöd tråds modellering) tekniker kan endast skapa objekt med en sluten yta i en eller en begränsad mängd färger6. För att ge en modell för kirurgisk simulering som innehåller olika komplexa formade anatomiska strukturer huvudsakligen kapslade inuti varandra, är helt volumetriskt färgade 3D-utskrifter behövs. Detta möjliggör en successiv borttagning av vävnads lagren tills en intern struktur avslöjas.

Gips-baserade färg 3D bindemedel Jetting är en teknik som kan producera de nödvändiga Multicolor modeller7. Medan i dess standardkonfigurationer endast ytan av ett objekt kan färgas, häri en modifierad teknik beskrivs för att säkerställa volymetriska tillämpning av färg till interna anatomiska strukturer.

För att demonstrera denna teknik, fall av patienter med skallbasen chondrosarcomas valdes som ett exempel. Chondrosarcomas står för 20% av alla neoplasi i skelettsystemet, mestadels placerad i långa ben. Primär skallbasen chondrosarcomas är ett sällsynt tillstånd som ansvarar för 0,1 – 0,2% av alla intrakraniella tumörer8. Huvudsakligen ligger vid stenös Apex, dessa tumörer växer i en komplex anatomisk miljö med centrala strukturer som den inre halspulsådern, den optiska och andra kranialnerver, liksom hypofysen. Behandling av dessa neoplasmer är främst inriktad på en total kirurgisk resektion, eftersom adjuvant terapier ensam (t. ex. strålning) är inte tillräckligt effektiva9.

På grund av komplexiteten och sällsynthet av denna tumör enhet, preoperativ kirurgisk simulering i en 3D-tryckt skalle modell kan bidra till att bättre visualisera och förstå anatomin och hjälpa kirurgen uppnå fullständig resektion. Som framgår av andra10,11 3D-utskrifter av patientspecifika modeller förbättrar både invånarnas och erfarna neurokirurger förståelse av komplexa neuroanatomi.

Men att skapa sådana individualiserade modeller från medicinska avbildningsdata kräver färdigheter i bildsegmentering, 3D-modellering och 3D-utskrifter, särskilt när anatomiska strukturer ska tryckas i olika färger. Detta manuskript avser att göra tillverkningen av de beskrivna anatomiska modellerna mer tillgängliga för andra genom att tillhandahålla ett detaljerat protokoll för omvandling av medicinska avbildningsdata till virtuella 3D-modeller och för tillverkning av mångfärgade 3D-objekt.

Arbetsflödet består huvudsakligen av fyra delar: 1) segmentering av medicinska avbildningsdata och skapandet av en virtuell 3D-modell; 2) beredning av den virtuella 3D-modellen för Multicolor 3D-utskrifter; 3) förberedelser för volymetrisk färgning av utvalda delar; och 4) 3D-utskrifter och efter bearbetning.

Protocol

Protokollet godkändes av den ansvariga lokala etikkommittén (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Tyskland). Alla institutionella riktlinjer för vård och användning av patientdata följdes.

1. segmentering av medicinska avbildningsdata och skapandet av en virtuell 3D-modell

Obs: den programvara som vi använde för segmentering var Amira 5.4.5. Segmenteringsprocessen kan också åstadkommas med hjälp av programvara med öppen källkod (t. ex. 3D slicer, https://www.slicer.org/)

  1. Använd bild data med hög rumslig upplösning (t. ex. en segment tjock lek på 1 mm eller mindre). Här användes en kraniala CT-datauppsättning med en segment tjock lek på 0,5 mm och ytterligare MRI-data med en segment tjock lek på 1 mm. Använd CT-data för segmentering av ben, kontrast Enhanced T1 MRI bilder för segmentering av tumör och neurala strukturer, samt tid-för-flygning (TOF) bilder för fartyg.
  2. Ladda ner DICOM-filerna på datorn och öppna segmenteringsprogrammet. Importera filerna för de olika avbildningsmodaliteterna och välj mappen med avbildningsdata.
  3. Klicka på CT-bilder och ansluta dem med en volym rendering modul (Volren). Välj Specular för en mer realistisk rendering och justera skjutreglaget för färg överföring för att visualisera endast ben. Fortsätt genom att importera MRI-sekvenser och Anslut dem till en volym återgivnings modul också.
  4. Registrering
    1. Eftersom MRI-och CT-bilderna inte överlappar varandra, är det nödvändigt att smälta de olika avbildningsdata. Därför, högerklicka på MRI dataset och välj Computeaffine registrering. Välj referens genom att klicka på den vita kvadraten på modulen och dra sedan MARKÖREN till CT.
    2. I registrerings modulens egenskaper lämna alla inställningar på standard och klicka på Justera centra, följt av att klicka på Registrera. De två olika avbildningsdata uppsättningarna är nu fixerade. Upprepa det här steget för alla ytterligare avbildningsdata uppsättningar.
  5. Verifiering av matchnings noggrannhet:
    1. Kontrollera matchnings noggrannheten genom att dölja volymens renderingar (klicka på den orangefärgade kvadraten på modulen) och Lägg till en Orthoslice -modul till Mr-bilderna. Klicka på den vita triangeln och välj colorwash. Klicka sedan på den vita kvadraten, Välj data och Anslut den här porten med CT-data genom att dra musen till den.
    2. Justera färgreglaget för att visualisera de neurala strukturerna ovanpå beniga dödskalle strukturerna. Kontrollera eventuella avvikelser genom att växla vikt faktor reglaget medan du tittar på gränsen mellan skalle och hjärn ytor samt ventriklarna. Upprepa denna procedur på olika skivor i koronala och sagittal riktningar.
  6. Volymetrisk redigering
    1. Avaktivera Orthoslice -modulens synlighet och återaktivera volym återgivningen av CT. Gå till CT-data och leta efter det lägsta värdet i datauppsättningen, i det här fallet-2 048.
    2. Nästa tillägga en volym redigera modul, förbinda den volren modul med det produktionen datan, och sätta den stoppning värde till-2 048.
    3. Klicka på klipp inuti och markera den region som ska tas bort i 3D-vyporten.
      Obs: det är viktigt att undvika överlappning med delar som inte är avsedda att tas bort.
    4. I det här exemplet avlägsnades delar av käkbenet och de övre halskotor.
  7. Segmentering av ben
    1. Därefter måste återstående ben segmenteras och konverteras till en yta mesh. För att göra det, klicka på Segmenteringseditorn, Välj den modifierade CT-bildsekvensen och Lägg till en ny labelset genom att klicka på ny.
    2. Välj nu tröskel som ett Segmenteringsalternativ. Ställ in den undre skjutreglaget till ett värde av ~ 250 i händelse av en CT. se till att tunna ben strukturer som tinningbenet eller den övre orbital regionen väljs i förhandsgranskningen. Annars, justera den nedre tröskeln men undvika att välja någon mjuk vävnad.
    3. Nästa klick på välja och till tillägga den välja till den labelset (vid klickande på det röd plusikonen).
    4. Gå tillbaka till Poolvyn. En ny labelset har skapats för CT. Rätt klick och välja beräknayta gen, check den compactify valen, och klick applicera.
    5. Slutligen lägger du till en Surfaceview -modul och justerar färgen på det genererade maskan.
  8. Segmentering av andra strukturer
    1. Lägg till andra relevanta strukturer genom att upprepa föregående steg. I fall av tumören, manuell segmentering användes snarare än en tröskel anläggning operation.
    2. För att utföra manuell segmentering, gå till Segmenteringseditornoch välj alternativet Manuell segmentering (penselikonen) för att markera strukturer som tumören i varje segment. Lägg slutligen till markeringen igen genom att klicka på plusikonen. Således, tumören, synnerven, och de intrakraniella fartygen kommer att segmenteras och läggas till modellen.
  9. Exportera maskor
    1. Slutligen exportera den genererade maskor i STL-format genom att högerklicka på nätet och klicka på Spara. Välj binär STL som filformat.

2. beredning av den virtuella 3D-modellen för flerfärgad utskrift

Anmärkning: programvaran som används för tryck beredning i detta protokoll är Netfabb Premium 2019,0. Autodesk erbjuder fri användning av denna programvara i sitt utbildningsprogram.

  1. Importera data och utför automatisk reparation.
  2. Öppna utskrifts förberedelse programmet och importera maskorna som genererats i föregående steg som nya delar. Kontrollera Automatisk reparation och klicka på Importera.
  3. Ta bort små lösa delar
    1. Välj skallen och dela dess skal i delar genom att klicka på ändradela skal i delar. Detta separerar alla lösa föremål som inte är kopplade till skallbenet.
    2. Välj skallbenet och växla dess synlighet av.
    3. Välj nu alla andra delar och ta bort dem.
    4. Växla skallen synlighet på igen.
    5. Upprepa det här steget för alla andra objekt.
  4. Ta bort överlappande områden.
    Anmärkning: i vissa regioner, såsom tumören inne i stenös spetsen av skallen, geometrier av båda objekten skär varandra. För att undvika utskriftsfel är det nödvändigt att ta bort sådana korsningar.
    1. Markera de två skärnings objekt och klicka på booleska operationer.
    2. Flytta objektet som ska dras från den andra till den röda sidan av listan och klicka på Verkställ. Nu är de två objekten tydligt åtskilda. Detta bör kontrolleras genom att växla deras synlighet.
    3. Upprepa dessa steg för att tillåta tumören samt artären inuti tumören att bli tydligt åtskilda från varandra.
  5. Lägg till stödjande strukturer där det behövs.
    1. I fråga om basilaris artär, ytterligare stöd behövs för att förhindra att objektet från att vara en lös del efter utskrift.
    2. Lägg till ett nytt objekt, i det här fallet en cylinder (fildel bibliotek), och justera dess dimensioner och underavdelningar efter behov.
    3. Placera cylindern för att helt skära med skallen och fartygets geometri.
    4. Utför nu den booleska operationen igen för att subtrahera delarna i benet och blodkärlet.
    5. Upprepa detta steg för att lägga till fler stöd där det behövs (t. ex. synnerven).

3. förberedelser för volymetrisk färgning av utvalda delar

Anmärkning: för att tillåta volymetrisk färgning av vissa delar är det nödvändigt att generera inte bara en yta skal men många subshells (extra ytor) inuti objektet.

  1. Välj tumören, i detta fall, och generera ett nytt skal från det (Högerklicka > ändragenerera skal).
  2. Ställ en skal tjock lek på 0,3 mm i det inre offset-läget med en noggrannhet på 0,15 mm och applicera. Markera kryssrutan Behåll original delen . Detta genererar ett inre skal med ett avstånd på 0,3 mm till den ursprungliga ytan.
  3. Välj utsidan av båda snäckorna och skapa ett nytt skal från den. Välj en skal tjock lek på 0,25 mm i ihåligt läge med en noggrannhet på 0,15 mm. Markera även kryssrutan ta bort original delen . Detta genererar ett utrymme på 0,05 mm mellan de två intilliggande snäckorna.
  4. Upprepa steg 3.1 – 3.3 så att flera inre skal med konstanta tjocklekar och invariant-förskjutningar skapas.
    Obs: det rekommenderas att använda en skal tjock lek på 0,35 – 0,25 mm samt en förskjutning på 0,1 – 0,05 mm för att uppnå slät volymetrisk färg.
  5. Upprepa steg 3.1 – 3.4 med alla andra objekt, till exempel blodkärlen.

4. färgning och export av 3D-modellen

Notera: färgläggning av alla delar av modellen, inklusive distinkta kapslade skal, görs med hjälp av Netfabb programvara.

  1. Välj en del som ska färgas i menyn delar på vänster sida. Dubbelklicka på ikonen textur och färg mesh . Välj en färg genom att klicka på färg listen på höger sida. I den övre menyn vänster klicka på Paint on Shells ikonen. Därefter vänster klicka på den modell som visas i Screen Center. Slutligen vänster klicka på applicera ändringar rutan i det nedre högra hörnet. Var noga med att bekräfta ta bort gamla delen val.
  2. Upprepa dessa steg med alla andra objekt och skal, respektive.
  3. Exportera alla objekt. Markera alla objekt som ska skrivas ut, inklusive stöd och inre skal, och exportera dem som enskilda filer. Se till att du väljer VRML-formatet (WRL) eftersom STL-formatet inte kan transportera färginformationen.

5. utskrift och efter bearbetning av 3D-modellen

  1. Konfigurera 3D-skrivaren
    Obs: 3DPrint programvaran (version 1,03) användes för att styra ZPrinter 450 binder Jetting maskin.
    1. Öppna programvaran och importera de färgade VRML-filerna genom att klicka på Öppna och välja alla relevanta data. Klicka på knappen Öppna i det nedre högra fönster hörnet. I det efterföljande fönstret väljer du millimeter som enheter. Se till att kontrollera Behåll position och orientering samt tillämpa inställningar till alla filer lådor. Välj slutligen Z151 som materialtyp. Klicka på knappen Nästa .
    2. Om du vill placera 3D-objekten inuti build-volymen markerar du alla objekt genom att trycka på < STRG > + A -tangenten.
      1. I det övre vänstra fönstret, som representerar XY-vyn av build-volymen, klickar du och drar de markerade objekten till mitten. I det nedre vänstra fönstret, som representerar XZ-vyn av build-volymen, klickar du och drar objekten i mitten av den nedre delen ovanför den gula linjen.
      2. Om en hel skallmodell trycks, se till att öppningen är vänd uppåt. Om isolerade små modeller trycks, se till att rikta känsliga delar såsom fartyg med XY planet, eftersom denna orientering kommer att öka styrkan i respektive delar.
      3. Kontrollera rätt orientering av modellerna genom att klicka och flytta dem i fönstret på höger sida.
    3. För att förbereda för byggprocessen, klicka på Setup -ikonen i den övre menyn. Kontrollera att rätt material typ är vald och att skikttjockleken är inställd på 0,1 mm. Utfalls kompensationen ska kontrolleras och alternativet Skriv ut i svartvitt avmarkeras.
    4. Om du vill starta utskriftsprocessen klickar du på ikonen skapa i den övre menyn. I det efterföljande fönstret väljer du hela build och klickar på OK knapp. Kontrollera att alla listade objekt är korrekt inställda i följande skrivar status dialog och att skrivaren är online. Klicka sedan på knappen Skriv ut i den nedre delen av dialogrutan.
  2. Efter bearbetning av modellen
    Observera: Använd alltid en laboratorie kappa, handskar, ögonskydd och en mask vid hantering av löst puder och härdnings lösningen. Arbeta alltid i ett väl ventilerat utrymme.
    1. Uppackning
      1. När utskriften är klar packar du upp modellen genom att försiktigt ta bort det lösa pulvret med den integrerade dammsugaren. Det är viktigt att inte direkt kontakta modellen med insugningsröret för att förhindra att tunna konstruktioner bryts sönder.
      2. Ta bort modellen och rengör den genom att använda trycksatt luft samt rengöra den med en mjuk borste. Tjockare, stabilare, delar av modellen kan dessutom slipas med en hårdare borste. Detta valfria steg möjliggör en jämnare ytjämnhet. Tänk på att i detta tillstånd modellen är fortfarande mycket bräcklig.
    2. Infiltration
      1. Sätt modellen inuti ett plast badkar.
      2. Infiltrera den varsamt med härdnings lösningen tills inga vitaktiga områden syns.
      3. Överskottet lösningen måste avlägsnas med tryckluft och engångsartiklar pappershanddukar för att underhålla alla ytan Detaljer.
      4. Låt modellen bota i flera timmar tills den är helt torr.

Representative Results

Åtta patienter med kondrosarkom av stenös Apex valdes för studien och virtuella 3D-modeller skapades, varje innehållande ben, tumör, fartyg, hypofysen, och synnerven passage. Tre modeller genomgick mångfärgade 3D-utskrifter med hjälp av gips-baserade färg 3D binder Jetting teknik (figur 1a1, a2). Dessutom, en enda tumör med en inre artär skapades (figur 1B1) att visa fördelarna med volumetrisk färg jämfört med yta färg (figur 1B2, B3).

Dessa modeller användes för att demonstrera simulering av en kirurgisk metod (t. ex., Burr hål skapande) och tumörresektion. Denna tryckteknik tillåts för att kombinera anatomiska strukturer som härrör från olika Imaging modaliteter i ett enda objekt.

materialet hade benliknande egenskaper och kunde lätt borras utan smältning. Således var det möjligt att använda den för att simulera en kirurgisk åtkomst rutt. Efter härdning förfarandet var det stabilt nog att reproducera även bräckliga strukturer som intracerebral kärlet träd.

Förmågan att färga hela volymen av modellen tillät ett objekts interna struktur, såsom den inre halspulsådern färdas genom tumören, för att vara tydligt visualiseras. Genom att ta bort lager av tumör med borr, den röda artären avslöjades successivt under kirurgisk simulering.

För att bevisa noggrannheten av tekniken, var 3D-modeller skannas i en dator tomograph. De modeller som skapats för utskrift var överlagda till dessa skanningar. En avvikelse mappning skapades och noggrannheten fastställdes i 50 slumpmässigt valda Surface-punkter. En genomsnittlig avvikelse på 0,021 mm visar den höga 3D-utskriftens överensstämmelse jämfört med originaldata.

Figure 1
Bild 1: volymetriska kontra ytfärgade 3D-utskrifter. A1. Exemplarisk fyrfärg 3D utskrift av en patient med kondrosarkom på rätt stenös Apex. A2. Detaljerad bild av anatomiska strukturer (Arrow = inre halspulsådern bifurcation; O = synnerven chiasm; T = tumör). B1. Blodkärl korsar tumör volym och tvärsnitts nivå (prickad linje). B2. Den konventionella Multicolor tryckteknik avslöjar färg endast på ytan. B3. Den modifierade tekniken producerar volumetriskt färgade objekt som lämpar sig för avancerad kirurgisk simulering. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: arbetsflöde för volymetrisk färgning av 3D-utskrifter. A. virtuell 3D-modell av en tumör med ett blodkärl som korsar sin volym utan inre skal. B. en tumör och ett blodkärl med flera innerskal (avstånd 0,05 mm). C. ett exempel på ett högt skal avstånd (1 mm). De enda lagren av färgade och vita skal är fortfarande synliga. D. ett exempel på litet skal avstånd (0,1 mm). Objektets inre volym är helt färgad. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Terapin av intrakraniell kondrosarkom är huvudsakligen baserad på fullständig kirurgiskt avlägsnande. Ofta ligger på stenös Apex, denna tumör är nära viktiga strukturer såsom den inre halspulsådern, synnerven, och hypofysen. Därför är planering av kirurgiska banor ett avgörande steg före operationen. Multicolor 3D-utskrifter möjliggör fusion av dessa strukturer, var och en härrör från olika Imaging modaliteter, till ett enda objekt.

Under förberedelserna för 3D-utskrifter är det viktigt att noggrant välja lämpliga bild data. Högupplösta bilder med en liten tjocklek är väl lämpade för 3D-rekonstruktion och mjuka övergångar, medan hög segment tjocklekar kommer att producera grova, ojämna objekt. En annan kritisk steg i metoden är att undvika korsningar av två angränsande objekt såsom tumör och skallbenet. Därför måste booleska åtgärder utföras för att subtrahera ett objekt från den andra.

För att möjliggöra volymetrisk färgning är det nödvändigt att skapa lök Shell-liknande under ytor inuti ett objekt (figur 2A,B). Det är nödvändigt att ha ett minsta avstånd mellan två intilliggande ytor på minst 0,1 mm för att få smidigt färgade objekt (figur 2D). Om det valda avståndet ligger över detta värde kan de enskilda skalen inuti objektet bli synliga (figur 2C). Uppmärksamhet bör ägnas åt en ökad färg konsumtion av 3D-skrivare när du använder volumetrisk färg. Dessutom är det också viktigt att kontrollera modellen för alla lösa delar och lägga till stöd vid behov (t. ex. basilaris artär).

Metoden kan bara producera stela, gips-liknande material som inte är mycket tålig. Speciellt utan härdning förfarande, kan modellen lätt förstöras under uppackning förfarandet. Således tenderar ömtåliga element som blodkärl ofta att bryta isär.

Tekniken lämpar sig inte heller för simulering av mjuk vävnad. För att simulera hjärnvävnad, till exempel, kan det vara nödvändigt att antingen skriva ut den med en metod som kan producera mjuka och hårda material direkt12,13 eller för att skriva ut formar som kan användas för att kasta mjuka föremål, såsom silikon gummi14. I ett testfall användes den senare metoden för att simulera en mjuk tumör. Begränsningen av detta sista förfarande var att även om silikon tumören var mycket flexibel, var det nödvändigt att ha tillräckligt med utrymme för att infoga den i 3D tryckt modell. Dessutom var det inte möjligt att skapa inre strukturer, såsom ett blodkärl.

3D binder Jetting är en tillsats tillverkningsteknik som monterar objekt genom partiell härdning och färgning tunna lager av pulver. Sålunda, den Tillåt för tryckningen en nästan obegränsad omfång av Cologne, Cologne övergångar, och Cologne strukturen insida volymen av syfte i en enkel förlopp.

Jämfört med andra trycktekniker såsom glödlampor skrivare, som producerar de lägsta kostnaderna, men bara tillåta två eller tre färger på en gång, och Poly Jet skrivare som producerar Multicolor, multi-material objekt men är mycket dyra, denna teknik erbjuder en kompromiss till ett överkomligt pris. Den genomsnittliga materialkostnaden för en tryckt skalle var cirka €150.

Med denna metod är det möjligt att visualisera ännu mer abstrakta data såsom filament fibrer som härrör från MRI fiber tracking sekvenser eller funktionell avbildning som skildrar, till exempel, hjärnan talområdet (t. ex., Broca% s område).

Bortsett från kirurgisk simulering, 3D tryckta, helt färgade modeller av verkliga patientens anatomi kan bidra till att förbättra utbildningen av medicinska studenter eller unga läkare så att de bättre kan förstå komplexa anatomiska relationer. Det är också ett viktigt verktyg i patientundervisningen.

Disclosures

Denna studie stöddes av ett bidrag från den medicinska fakulteten från Johannesen Gutenberg-universitetar av Mainz till M.K. ("Biomatics-Stufe 1 Förderung").

Acknowledgments

Delar av detta arbete har presenterats som en affisch vid det årliga mötet i det tyska Neurokirurgiska sällskapet (DGNC) 2019 i Würzburg, Tyskland och som en kort presentation vid det årliga mötet i det tyska sällskapet för dator-och Robotassisterad 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