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Stampa 3D multicolore di tumori intracranici complessi in neurochirurgia

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Summary

Il protocollo descrive la fabbricazione di stampe tridimensionali completamente colorate di modelli di teschi anatomici specifici del paziente da utilizzare per la simulazione chirurgica. Vengono illustrati i passaggi cruciali per combinare diverse modalità di imaging, la segmentazione delle immagini, l'estrazione di modelli tridimensionali e la produzione delle stampe.

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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

Le tecnologie di stampa tridimensionali (3D) offrono la possibilità di visualizzare patologie specifiche del paziente in un modello fisico di dimensioni corrette. Il modello può essere utilizzato per la pianificazione e la simulazione di fasi critiche di un approccio chirurgico. Pertanto, è importante che le strutture anatomiche come i vasi sanguigni all'interno di un tumore possano essere stampate per essere colorate non solo sulla loro superficie, ma per tutto il loro volume. Durante la simulazione questo permette la rimozione di alcune parti (ad esempio, con un trapano ad alta velocità) e rivelando strutture situate internamente di un colore diverso. Pertanto, le informazioni diagnostiche provenienti da varie modalità di imaging (ad esempio, TC, RM) possono essere combinate in un unico oggetto compatto e tangibile.

Tuttavia, la preparazione e la stampa di un modello anatomico così completamente colorato rimane un compito difficile. Pertanto, viene fornita una guida passo-passo, che dimostra la fusione di diversi set di dati di imaging trasversale, la segmentazione delle strutture anatomiche e la creazione di un modello virtuale. In una seconda fase il modello virtuale viene stampato con strutture anatomiche colorate volumetricamente utilizzando una tecnica di getto di legante 3D a colore in gesso. Questo metodo consente una riproduzione estremamente accurata dell'anatomia specifica del paziente, come mostrato in una serie di petrous chondrosarcomas di apice stampato in 3D. Inoltre, i modelli creati possono essere tagliati e perforati, rivelando strutture interne che consentono la simulazione di procedure chirurgiche.

Introduction

Il trattamento chirurgico dei tumori della base del cranio è un compito impegnativo che richiede una pianificazione preoperatoria precisa1. L'imaging multimodale mediante tomografia computerizzata (TC) e risonanza magnetica (RMI) fornisce al chirurgo informazioni sull'anatomia individuale del paziente. Nella pratica clinica, queste informazioni diagnostiche vengono visualizzate visualizzando una serie di sezioni trasversali bidimensionali (2D) che rappresentano diversi aspetti dell'anatomia (ad esempio, TC per la visualizzazione dell'osso, angiografia TC per i vasi, risonanza magnetica per i tessuti molli).

Tuttavia, soprattutto per i principianti, gli studenti di medicina e i pazienti, comprendere le complesse relazioni delle diverse strutture 3D con le immagini trasversali è difficile. Accanto agli studi cadaverici2, questo problema potrebbe essere affrontato stabilendo modelli anatomici reali di singole patologie, mostrando strutture anatomiche in diversi colori3.

Grazie ai progressi tecnici degli ultimi anni, le tecnologie di stampa 3D consentono la costruzione conveniente di forme complesse4,5. Pertanto, questa tecnica offre la possibilità di costruire modelli anatomici specifici del paziente che sono tangibili, rappresentano chiaramente le relazioni spaziali e possono essere utilizzati per la pianificazione chirurgica e la simulazione. Soprattutto in casi rari e complessi come petrous apex chondrosarcomas, simulazione preoperatoria della rimozione del tumore in un singolo caso potrebbe contribuire a migliorare la fiducia in se stessi del chirurgo e l'esito del paziente.

Le tecniche comuni di stampa FDM (modellazione della deposizione del filamento) consentono solo la creazione di oggetti con una superficie chiusa in uno o una varietà limitata di colori6. Per fornire un modello per la simulazione chirurgica che contiene varie strutture anatomiche di forma complessa principalmente annidate l'una all'interno dell'altra, sono necessarie stampe 3D completamente colorate volumetricamente. Ciò consente una successiva rimozione degli strati tissutali fino a quando non viene rivelata una struttura interna.

Il getto di legante 3D a colori a base di intonaco è una tecnica in grado di produrre i modelli multicolore richiesti7. Mentre nelle sue configurazioni standard solo la superficie di un oggetto può essere colorata, qui viene descritta una tecnica modificata per garantire l'applicazione volumetrica del colore alle strutture anatomiche interne.

Per dimostrare questa tecnica, sono stati selezionati come esempio i casi di pazienti con condrosarcoma di base del cranio. I chondrosarcomas rappresentano il 20% di tutta la neoplasia nel sistema scheletrico, per lo più situato nelle ossa lunghe. I condrosarocomi di base primari ottale sono una condizione rara responsabile dello 0,1-0,2% di tutti i tumori intracranici8. Principalmente situati all'apice petoso, questi tumori crescono in un ambiente anatomico complesso che coinvolge strutture fondamentali come l'arteria carotide interna, l'ottica e altri nervi cranici, così come la ghiandola pituitaria. Il trattamento di questi neoplasmi si concentra principalmente su una resezione chirurgica totale, perché le terapie adiuvanti da sole (ad esempio, radiazioni) non sono abbastanza efficaci9.

A causa della complessità e della rarità di questa entità tumorale, la simulazione chirurgica preoperatoria in un modello di cranio stampato in 3D potrebbe aiutare a visualizzare e comprendere meglio l'anatomia e ad aiutare il chirurgo a raggiungere una resezione completa. Come mostrato da altri10,11 stampa 3D di modelli specifici del paziente migliora la comprensione di entrambi i residenti e neurochirurghi esperti di neuroanatomia complessa.

Tuttavia, la creazione di tali modelli individualizzati da dati di imaging medicale richiede competenze nella segmentazione delle immagini, nella modellazione 3D e nella stampa 3D, specialmente quando le strutture anatomiche devono essere stampate in colori diversi. Questo manoscritto intende rendere la fabbricazione dei modelli anatomici descritti più accessibile per gli altri, fornendo un protocollo dettagliato per la conversione dei dati di imaging medicale in modelli 3D virtuali e per la fabbricazione di oggetti 3D multicolori.

Il flusso di lavoro è costituito principalmente da quattro parti: 1) segmentazione dei dati di imaging medicale e creazione di un modello 3D virtuale; 2) preparazione del modello 3D virtuale per la stampa 3D multicolore; 3) preparazione per la colorazione volumetrica delle parti selezionate; e 4) stampa 3D e post-elaborazione.

Protocol

Il protocollo è stato approvato dal comitato etico locale competente (Ethikkommission der Landes-rztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Magonza, Germania). Sono state seguite tutte le linee guida istituzionali per la cura e l'uso dei dati dei pazienti.

1. Segmentazione dei dati di imaging medicale e creazione di un modello 3D virtuale

NOTA: Il software che abbiamo usato per la segmentazione era Amira 5.4.5. Il processo di segmentazione può essere eseguito anche utilizzando software open source (ad esempio, 3D Slicer, https://www.slicer.org/)

  1. Utilizzare i dati di imaging ad alta risoluzione spaziale (ad esempio, uno spessore di sezione di 1 mm o meno). In questo caso, sono stati utilizzati un set di dati CT cranico con uno spessore di fetta di 0,5 mm e dati RM aggiuntivi con uno spessore di fetta di 1 mm. Utilizzare i dati TC per la segmentazione delle ossa, contrasto migliorato T1 immagini MRI per la segmentazione delle strutture tumorali e neurali, così come le immagini time-of-flight (TOF) per i vasi.
  2. Scaricare i file DICOM sul computer e aprire il software di segmentazione. Importare i file delle diverse modalità di imaging e selezionare la cartella con i dati di imaging.
  3. Fare clic sulle immagini CT e collegarle con un modulo di rendering del volume (Volren). Scegliere Speculare per un rendering più realistico e regolare il dispositivo di scorrimento di trasferimento del colore per visualizzare solo l'osso. Continuare importando le sequenze di risonanza magnetica e collegarle anche a un modulo di rendering del volume.
  4. Registrazione
    1. Poiché le immagini RM e TC non si sovrappongono, è necessario fondere i diversi dati di imaging. Pertanto, fare clic con il pulsante destro del mouse sul set di dati della risonanza magnetica e scegliere Calcolo > Registrazione affine. Selezionate Riferimento facendo clic sul quadrato bianco del modulo, quindi trascinate il cursore sulla CT.
    2. Nelle proprietà del Modulo di registrazione lasciare tutte le impostazioni predefinite e fare clic su Allinea centri, quindi fare clic su Registra. I due diversi set di dati di imaging sono ora fusi. Ripetere questo passaggio per tutti gli altri set di dati di imaging.
  5. Verifica dell'accuratezza della corrispondenza:
    1. Controllare la precisione di corrispondenza nascondendo i rendering del volume (fare clic sul quadrato arancione del modulo) e aggiungendo un modulo OrthoSlice alle immagini MR. Fare clic sul triangolo bianco e scegliere Colorwash. Quindi fare clic sul quadrato bianco, scegliere Dati e collegare questa porta con i dati CT trascinando il mouse su di esso.
    2. Regolare il cursore del colore per visualizzare le strutture neurali sovrapposte alle strutture del cranio osseo. Controllare eventuali disallineamenti attivando o disattivando il cursore del fattore di peso mentre si guarda il bordo tra le superfici del cranio e del cervello, nonché i ventricoli. Ripetere questa procedura su diverse fette in direzione coronale e sagittale.
  6. Editing volumetrico
    1. Disattivate la visibilità del modulo OrthoSlice e riattivate il rendering del volume della CT. Passare ai dati CT e cercare il valore più basso nel set di dati, in questo caso -2.048.Go to the CT data and look for the lowest value in the dataset, in this case -2,048.
    2. Aggiungere quindi un modulo Volume Edit, collegare il modulo Volren con i dati di output e impostare il valore di riempimento su -2.048.
    3. Fare clic su Taglia all'interno e contrassegnare la regione da rimuovere nella finestra 3D.
      NOTA: è importante evitare sovrapposizioni con parti che non devono essere rimosse.
    4. In questo esempio, parti dell'osso mandibolare e delle vertebre cervicali superiori sono state rimosse.
  7. Segmentazione dell'osso
    1. Successivamente, l'osso rimanente deve essere segmentato e convertito in una mesh di superficie. A tale scopo, fare clic su Editor di segmentazione, scegliere la sequenza di immagini CT modificata e aggiungere un nuovo Labelset facendo clic su Nuovo.
    2. Ora scegli Soglia come opzione di segmentazione. Impostare il dispositivo di scorrimento inferiore su un valore di 250 USD in caso di CT. Assicurarsi che nell'anteprima siano selezionate strutture ossee sottili come l'osso temporale o la regione orbitale superiore. In caso contrario, regolare la soglia inferiore ma evitare di selezionare alcun tessuto molle.
    3. Poi fare clic su Seleziona e infine aggiungere la selezione al labelset (cliccando sull'icona rossa più).
    4. Tornare alla vista Pool. È stato creato un nuovo set di etichette per la CT. Fare clic con il pulsante destro del mouse e scegliere Calcolo > Gen superficie, selezionare l'opzione Compatta e fare clic su Applica.
    5. Infine, aggiungere un modulo SurfaceView e regolare il colore della mesh generata.
  8. Segmentazione di altre strutture
    1. Aggiungere altre strutture rilevanti ripetendo i passaggi precedenti. In caso di tumore, è stata utilizzata la segmentazione manuale piuttosto che un'operazione di soglia.
    2. Per eseguire la segmentazione manuale, passare all'Editor di segmentazionee scegliere l'opzione di segmentazione manuale (icona del pennello) per contrassegnare strutture come il tumore in ogni sezione. Infine aggiungere di nuovo la selezione facendo clic sull'icona più. Così, il tumore, il nervo ottico e i vasi intracranici saranno segmentati e aggiunti al modello.
  9. Esportazione di maglie
    1. Infine esportare le mesh generate nel formato STL facendo clic con il pulsante destro del mouse sulla mesh e facendo clic su Salva. Scegliere STL binario come formato di file.

2. Preparazione del modello 3D virtuale per la stampa multicolore

NOTA: Il software utilizzato per la preparazione della stampa in questo protocollo è Netfabb Premium 2019.0. Autodesk offre l'uso gratuito di questo software nel suo programma educativo.

  1. Importare dati ed eseguire il ripristino automatico.
  2. Aprire il programma di preparazione della stampa e importare le immagini generate nei passaggi precedenti come nuove parti. Selezionare Ripristino automatico e fare clic su Importa.
  3. Eliminazione di piccole parti sfuse
    1. Selezionare il cranio e dividere i gusci in parti facendo clic su Elabora > Dividi conchiglie in parti. Questo separa tutti gli oggetti sciolti non collegati all'osso del cranio.
    2. Selezionare l'osso del cranio e disattivarne la visibilità.
    3. Ora selezionare tutte le altre parti ed eliminarle.
    4. Attiva di nuovo la visibilità del cranio.
    5. Ripetere questo passaggio per tutti gli altri oggetti.
  4. Rimuovere le aree sovrapposte.
    NOTA: In alcune regioni, come il tumore all'interno dell'apice pettoso del cranio, le geometrie di entrambi gli oggetti si intersecano. Per evitare errori di stampa, è necessario rimuovere tali intersezioni.
    1. Selezionare i due oggetti intersecanti e fare clic su Operazioni booleane.
    2. Spostare l'oggetto da sottrarre dall'altro al lato rosso dell'elenco e fare clic su Applica. Ora i due oggetti sono chiaramente separati. Questo dovrebbe essere controllato alternando la loro visibilità.
    3. Ripetere questi passaggi per consentire al tumore e all'arteria all'interno del tumore di essere chiaramente separati l'uno dall'altro.
  5. Aggiungere strutture di supporto dove necessario.
    1. Nel caso dell'arteria basilare, sono necessari supporti aggiuntivi per evitare che l'oggetto sia una parte libera dopo la stampa.
    2. Aggiungere un nuovo oggetto, in questo caso un cilindro (File > Libreria parti) e regolarne le quote e le suddivisioni in base alle esigenze.
    3. Posizionare il cilindro per intersecarsi completamente con il cranio e la geometria del recipiente.
    4. Ora eseguire di nuovo l'operazione booleana per sottrarre le parti all'interno dell'osso e del vaso sanguigno.
    5. Ripetere questo passaggio per aggiungere altri supporti dove necessario (ad esempio, il nervo ottico).

3. Preparazione per la colorazione volumetrica delle parti selezionate

NOTA: Per consentire la colorazione volumetrica di alcune parti è necessario generare non solo un guscio di superficie, ma molti sottoproiettili (superfici aggiuntive) all'interno dell'oggetto.

  1. Selezionare il tumore, in questo caso, e generare un nuovo guscio da esso (clic destro > Modifica > Genera Shell).
  2. Impostare uno spessore della shell di 0,3 mm nella modalità Offset interno con una precisione di 0,15 mm e Applica. Selezionare la casella di controllo Mantieni parte originale. Questo genera un guscio interno con una distanza di 0,3 mm alla superficie originale.
  3. Selezionare la superficie esterna di entrambi i gusci e generare un nuovo guscio da esso. Selezionare uno spessore del guscio di 0,25 mm in modalità Hollow con una precisione di 0,15 mm. Selezionare anche la casella di controllo Rimuovi parte originale. Questo genera uno spazio di 0,05 mm tra i due gusci adiacenti.
  4. Ripetere i passaggi da 3.1 a 3.3 in modo che vengano creati più shell interni con spessori costanti e offset invarianti.
    NOTA: Si consiglia di utilizzare uno spessore di guscio di 0,35–0,25 mm e uno scostamento di 0,1–0,05 mm per ottenere una colorazione volumetrica uniforme.
  5. Ripetere i passaggi da 3.1 a 3.4 con tutti gli altri oggetti, ad esempio i vasi sanguigni.

4. Colorazione ed esportazione del modello 3D

NOTA: la colorazione di tutte le parti del modello, incluse le shell nidificate distinte, viene eseguita utilizzando il software Netfabb.

  1. Selezionare una parte da colorare nel menu Parti sul lato sinistro. Fare doppio clic sull'icona Mesh texture e colore. Scegliere un colore facendo clic sulla barra dei colori sul lato destro. Nel menu in alto a sinistra fare clic sull'icona Paint on Shells. Successivamente fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul modello visualizzato nel centro dello schermo. Infine fare clic con il pulsante sinistro del mouse sulla casella Applica modifiche nell'angolo in basso a destra. Assicurarsi di confermare la selezione Rimuovi parte precedente.
  2. Ripetere questi passaggi rispettivamente con tutti gli altri oggetti e shell.
  3. Esportare tutti gli oggetti. Selezionare tutti gli oggetti da stampare, inclusi i supporti e le shell interne, ed esportarli come singoli file. Assicurarsi di scegliere il formato VRML (WRL), poiché il formato STL non è in grado di trasportare le informazioni sul colore.

5. Stampa e post-elaborazione del modello 3D

  1. Configurare la stampante 3D
    NOTA: il software 3DPrint (versione 1.03) è stato utilizzato per controllare il legante di tipo "Printer 450".
    1. Aprire il software e importare i file VRML colorati facendo clic su Apri e scegliendo tutti i dati rilevanti. Fare clic sul pulsante Apri nell'angolo in basso a destra della finestra. Nella finestra successiva scegliere millimetri come unità. Assicurarsi di selezionare le caselle Mantieni posizione e orientamento, nonché Applica impostazioni a tutti i file. Infine, scegliere 151 come tipo di materiale. Fare clic sul pulsante Avanti.
    2. Per posizionare gli oggetti 3D all'interno del volume di compilazione, contrassegnare tutti gli oggetti premendo il tasto - A.
      1. Nella finestra in alto a sinistra, che rappresenta la vista XY del volume di compilazione, fare clic e trascinare gli oggetti contrassegnati al centro. Nella finestra in basso a sinistra, che rappresenta la vista X, del volume di costruzione, fare clic e trascinare gli oggetti al centro della parte inferiore sopra la linea gialla.
      2. Se viene stampato un modello di teschio intero, assicurarsi che l'apertura sia rivolta verso l'alto. Se vengono stampati piccoli modelli isolati, assicurarsi di allineare parti delicate come i vasi con il piano XY, perché questo orientamento aumenterà la forza delle rispettive parti.
      3. Controllare il corretto orientamento dei modelli facendo clic e spostandoli nella finestra sul lato destro.
    3. Per prepararsi al processo di compilazione, fare clic sull'icona Configurazione nel menu superiore. Assicurarsi che sia selezionato il tipo di materiale corretto e che Spessore livello sia impostato su 0,1 mm. L'opzione Compensazione al belocco deve essere selezionata e l'opzione Stampa in cromo deselezionata.
    4. Per avviare il processo di stampa, fare clic sull'icona Compila nel menu in alto. Nella finestra successiva scegliere Intera compilazione e fare clic sul pulsante OK. Assicurarsi che nella finestra di dialogo Stato stampante riportata di seguito tutti gli elementi elencati siano impostati correttamente e che la stampante sia in linea. Quindi, fare clic sul pulsante Stampa nella parte inferiore della finestra di dialogo.
  2. Post-elaborazione del modello
    NOTA: indossare sempre un cappotto da laboratorio, guanti, protezione degli occhi, e una maschera, mentre la gestione della polvere sciolta e la soluzione di indurimento. Lavorare sempre in un'area ben ventilata.
    1. Disimballaggio
      1. Al termine della stampa, scompattare il modello rimuovendo con attenzione la polvere sciolta con l'aspirapolvere integrato. È importante non contattare direttamente il modello con il tubo di aspirazione per evitare che le strutture sottili si rompano.
      2. Rimuovere il modello e pulirlo applicando aria pressurizzata e pulendolo con un pennello morbido. Parti più spesse, più stabili, del modello possono inoltre essere macinate con un pennello più duro. Questo passaggio opzionale consente una finitura di superficie più liscia. Tenete a mente che in questo stato il modello è ancora molto fragile.
    2. Infiltrazione
      1. Mettere il modello all'interno di una vasca di plastica.
      2. Infiltrarsi con attenzione con la soluzione di indurimento fino a quando non sono visibili aree biancastre.
      3. La soluzione in eccedenza deve essere rimossa con aria pressurizzata e carta assorbente usa e getta per mantenere tutti i dettagli della superficie.
      4. Lasciare che il modello cura reperire per diverse ore fino a quando non è completamente asciutto.

Representative Results

Sono stati selezionati otto pazienti con con concorso coreroarcoma dell'apice petrous per lo studio e sono stati creati modelli 3D virtuali, ciascuno contenente ossa, tumori, vasi, ghiandola pituitaria e attraversamento del nervo ottico. Tre modelli sono stati sottoposti alla stampa 3D multicolore utilizzando la tecnica di getto di legante 3D a colori a base di gesso (Figura 1A1,A2). Inoltre, è stato creato un singolo tumore con un'arteria interna (Figura 1B1) per mostrare i vantaggi della colorazione volumetrica rispetto alla colorazione della superficie (Figura 1B2,B3).

Questi modelli sono stati utilizzati per dimostrare la simulazione di un approccio chirurgico (ad esempio, creazione di fori di bava) e resezione tumorale. Questa tecnica di stampa ha permesso di combinare strutture anatomiche derivate da diverse modalità di imaging in un unico oggetto.

Il materiale in gesso aveva proprietà ossee e poteva essere facilmente forato senza fusione. Così, è stato possibile utilizzarlo per simulare un percorso di accesso chirurgico. Dopo la procedura di indurimento era abbastanza stabile per riprodurre strutture anche fragili come l'albero vaso intracerebrale.

La capacità di colorare l'intero volume del modello ha permesso di visualizzare chiaramente la struttura interna di un oggetto, come l'arteria carotide interna che viaggia attraverso il tumore. Rimuovendo strati di tumore con il trapano, l'arteria rossa è stata gradualmente rivelata durante la simulazione chirurgica.

Per dimostrare l'accuratezza della tecnica, i modelli 3D sono stati scansionati in un tomografo al computer. I modelli creati per la stampa sono stati sovrapposti a queste scansioni. È stata creata una mappatura di deviazione e la precisione è stata determinata in 50 punti di superficie scelti casualmente. Una deviazione media di 0,021 mm dimostra l'elevato rispetto alla stampa 3D rispetto ai dati originali.

Figure 1
Figura 1: stampe 3D volumetriche e di colore superficiale. A1. Stampa 3D a colori esemplare di un paziente con condrosarcoma alla giusta apice petrous. A2. Vista dettagliata delle strutture anatomiche (freccia : biforcazione carotide interna; O - chiasma nervoso ottico; T - tumore). B1. Vaso sanguigno che attraversa il volume del tumore e il livello trasversale (linea tratteggiata). B2. La tecnica di stampa multicolore convenzionale rivela il colore solo in superficie. B3. La tecnica modificata produce oggetti di colore volumetrico adatti per la simulazione chirurgica avanzata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: flusso di lavoro per la colorazione volumetrica delle stampe 3D. A. Modello 3D virtuale di un tumore con un vaso sanguigno che attraversa il suo volume senza gusci interni. B. Un tumore e un vaso sanguigno con più gusci interni (distanza 0,05 mm). C. Un esempio di distanza elevata del guscio (1 mm). I singoli strati di gusci colorati e bianchi sono ancora visibili. D. Un esempio di piccola distanza del guscio (0,1 mm). Il volume interno dell'oggetto è completamente colorato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

La terapia del condrosarcoma intracranico si basa principalmente sulla rimozione chirurgica completa. Spesso situato sull'apice petrous, questo tumore è vicino a strutture importanti come l'arteria carotide interna, il nervo ottico e la ghiandola pituitaria. Pertanto, la pianificazione delle traiettorie chirurgiche è un passo cruciale prima dell'intervento chirurgico. La stampa 3D multicolore consente la fusione di queste strutture, ognuna derivata da diverse modalità di imaging, in un unico oggetto.

Durante la preparazione per la stampa 3D è importante selezionare attentamente i dati di imaging adeguati. Le immagini ad alta risoluzione con uno spessore di sezione ridotto sono adatte per la ricostruzione 3D e le transizioni uniformi, mentre gli spessori di fetta elevati produrranno oggetti grossolani e irregolari. Un altro passo critico del metodo è quello di evitare qualsiasi intersezione di due oggetti vicini come il tumore e l'osso del cranio. Pertanto, le operazioni booleane devono essere eseguite per sottrarre un oggetto dall'altro.

Per consentire la colorazione volumetrica è necessario creare sottosuperfici simili a cipolla all'interno di un oggetto (Figura 2A,B). È necessario avere una distanza minima tra due superfici adiacenti di almeno 0,1 mm per ottenere oggetti di colore uniforme (Figura 2D). Se la distanza scelta è superiore a questo valore, i singoli gusci all'interno dell'oggetto potrebbero diventare visibili (Figura 2C). Attenzione a un aumento del consumo di colore della stampante 3D quando si utilizza la colorazione volumetrica. Inoltre, è anche importante controllare il modello per eventuali parti sciolte e aggiungere supporti quando necessario (ad esempio, l'arteria basilare).

Il metodo può produrre solo materiale rigido, simile all'intonaco che non è molto durevole. Soprattutto senza la procedura di indurimento, il modello può essere facilmente distrutto durante la procedura di disimballaggio. Così, elementi fragili come i vasi sanguigni spesso tendono a rompersi.

La tecnica non è adatta anche per la simulazione di tessuti molli. Per simulare il tessuto cerebrale, ad esempio, potrebbe essere necessario stamparlo con un metodo che sia in grado di produrre materiali morbidi e duri direttamente12,13 o stampare stampi che possono essere utilizzati per lanciare oggetti morbidi, come la gomma al silicone14. In un caso di prova, quest'ultimo metodo è stato utilizzato per simulare un tumore morbido. La limitazione di quest'ultima procedura era che, anche se il tumore al silicone era molto flessibile, era necessario avere abbastanza spazio per inserirlo nel modello stampato in 3D. Inoltre, non è stato possibile creare strutture interne, come un vaso sanguigno.

Il getto del legante 3D è una tecnica di produzione additiva che assembla oggetti indurindo e colorando sottili strati sottili di polvere di gesso. Così, permette di stampare una gamma quasi illimitata di colori, transizioni di colore e strutture colorate all'interno del volume di oggetti in un unico processo.

Rispetto ad altre tecniche di stampa come le stampanti di filamento, che producono i costi più bassi ma consentono solo due o tre colori contemporaneamente, e le stampanti Poly Jet che producono oggetti multicolore, multi-materiale ma sono molto costosi, questa tecnica offre un compromesso a un prezzo accessibile. Il costo medio del materiale per un teschio stampato era di circa 150 dollari.

Con questo metodo è possibile visualizzare dati ancora più astratti come le fibre filamento derivate da sequenze di tracciamento della fibra di risonanza magnetica o l'imaging funzionale che raffigura, ad esempio, l'area di discorso del cervello (ad esempio, l'area di Broca%s).

Oltre alla simulazione chirurgica, i modelli stampati in 3D e completamente colorati di una reale anatomia del paziente possono contribuire a migliorare l'educazione di studenti di medicina o di giovani medici in modo che possano comprendere meglio le complesse relazioni anatomiche. È anche uno strumento importante nell'educazione dei pazienti.

Disclosures

Questo studio è stato sostenuto da una sovvenzione della facoltà di medicina della Johannes Gutenberg-Università di Magonza a M.K. ("Biomatics - Stufe 1 Fàrderung").

Acknowledgments

Parti di questo lavoro sono state presentate come poster all'incontro annuale della German Neurosurgical Society (DGNC) 2019 a Wirzburg, Germania e come breve presentazione all'incontro annuale della Società tedesca per la Chirurgia Computer e Robot Assistita (CURAC) 2019 a Reutlingen, Germania.

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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