Impressão 3D multicolorida de tumores intracranianos complexos na neurocirurgia
Summary
O protocolo descreve a fabricação de impressões tridimensionais totalmente coloridas de modelos de crânio anatômico específicos do paciente para serem usados para simulação cirúrgica. Os passos cruciais da combinação de diferentes modalidades de imagem, segmentação de imagem, extração de modelotridimensional e produção das impressões são explicados.
Abstract
As tecnologias tridimensionais (3D) de impressão oferecem a possibilidade de visualizar patologias específicas do paciente em um modelo físico de dimensões corretas. O modelo pode ser usado para planejar e simular etapas críticas de uma abordagem cirúrgica. Portanto, é importante que estruturas anatômicas, como vasos sanguíneos dentro de um tumor podem ser impressas para serem coloridas não apenas em sua superfície, mas em todo o seu volume. Durante a simulação, isso permite a remoção de certas partes (por exemplo, com uma broca de alta velocidade) e revelar estruturas localizadas internamente de uma cor diferente. Assim, informações diagnósticas de várias modalidades de imagem (por exemplo, TC, RM) podem ser combinadas em um único objeto compacto e tangível.
No entanto, a preparação e impressão de um modelo anatômico totalmente colorido continua a ser uma tarefa difícil. Portanto, um guia passo a passo é fornecido, demonstrando a fusão de diferentes conjuntos de dados de imagem transversal, segmentação de estruturas anatômicas e criação de um modelo virtual. Em uma segunda etapa, o modelo virtual é impresso com estruturas anatômicas de cor volumicamente usando uma técnica de aglutinação 3D à base de gesso. Este método permite uma reprodução altamente precisa da anatomia específica do paciente, como mostrado em uma série de condrosarcomas de ápice petroscóculo impresso em 3D. Além disso, os modelos criados podem ser cortados e perfurados, revelando estruturas internas que permitem a simulação de procedimentos cirúrgicos.
Introduction
O tratamento cirúrgico de tumores de base do crânio é uma tarefa desafiadora que requer planejamento pré-operatório preciso1. A imagem latente multimodal usando a tomografia computada (CT) e a imagem latente da ressonância magnética (MRI) fornece o cirurgião a informação sobre a anatomia individual do paciente. Na prática clínica, essas informações diagnósticas são visualizadas avistando uma série de seções transversais bidimensionais (2D) representando diferentes aspectos da anatomia (por exemplo, TC para visualização de angiografia óssea, CT para vasos, RM para tecidos moles).
No entanto, especialmente para iniciantes, estudantes de medicina e pacientes, entender as relações complexas das diferentes estruturas 3D com as imagens transversais é um desafio. Ao lado de estudos cadavéricos2,esse problema poderia ser abordado apartir modelos anatômicos de patologias individuais em tamanho real, exibindo estruturas anatômicas em diferentes cores3.
Graças aos avanços técnicos nos últimos anos, as tecnologias de impressão 3D permitem a construção econômica de formas complexas4,5. Portanto, essa técnica oferece a possibilidade de construir modelos anatômicos específicos do paciente que sejam tangíveis, retratem claramente as relações espaciais e possam ser usados para planejamento cirúrgico e simulação. Especialmente em casos raros e complexos, como condrosarcomas de ápice petroso, simulação pré-operatória da remoção do tumor em um caso individual pode ajudar a melhorar a autoconfiança do cirurgião e do resultado do paciente.
As técnicas comuns de impressão FDM (modelagem de deposição de filamento) só permitem a criação de objetos com uma superfície fechada em uma ou uma variedade limitada de cores6. Para fornecer um modelo para simulação cirúrgica que contém várias estruturas anatômicas em forma complexa, principalmente aninhadas entre si, são necessárias impressões 3D totalmente coloridas em volume. Isto permite uma remoção sucessiva de camadas do tecido até que uma estrutura interna esteja revelada.
Cor à base de gesso 3D pasta de pastagem é uma técnica capaz de produzir os modelos multicolor necessários7. Considerando que em suas configurações padrão apenas a superfície de um objeto pode ser colorida, aqui uma técnica modificada é descrita para garantir a aplicação volumétrica de cor para estruturas anatômicas internas.
Para demonstrar essa técnica, os casos de pacientes com condrosarcomas de base craniana foram selecionados como exemplo. Os chondrosarcomas são responsáveis por 20% de toda a neoplasia no sistema esquelético, principalmente localizado nos ossos longos. Os condrosarcomas primários da base do crânio são uma condição rara responsável por 0,1-0,2% de todos os tumores intracrananos8. Localizados principalmente no ápice petrous, esses tumores crescem em um ambiente anatômico complexo envolvendo estruturas fundamentais, como a artéria carótida interna, a ótica e outros nervos cranianos, bem como a glândula pituitária. O tratamento desses neoplasias é focado principalmente em uma ressecção cirúrgica total, pois as terapias adjuvantes sozinhas (por exemplo, radiação) não são eficazes o suficiente9.
Devido à complexidade e raridade desta entidade tumoral, a simulação cirúrgica pré-operatória em um modelo de crânio impresso em 3D pode ajudar a visualizar e entender melhor a anatomia e ajudar o cirurgião a alcançar a ressecção completa. Como mostrado por outros10,11 impressão 3D de modelos específicos do paciente melhora a compreensão dos neurocirurgiões residentes e experientes de neuroanatomia complexa.
No entanto, a criação desses modelos individualizados a partir de dados de imagem médica requer habilidades na segmentação de imagens, modelagem 3D e impressão 3D, especialmente quando as estruturas anatômicas devem ser impressas em cores diferentes. Este manuscrito pretende tornar a fabricação dos modelos anatômicos descritos mais acessível para outros, fornecendo um protocolo detalhado para a conversão de dados de imagens médicas em modelos 3D virtuais e para a fabricação de objetos 3D multicoloridos.
O fluxo de trabalho consiste principalmente em quatro partes: 1) segmentação de dados de imagem médica e criação de um modelo 3D virtual; 2) preparação do modelo 3D virtual para impressão 3D multicolor; 3) preparação para coloração volumétrica de peças selecionadas; e 4) impressão 3D e processamento pós.
Protocol
Representative Results
Discussion
A terapia do condrosarcoma intracraniano é baseada principalmente na remoção cirúrgica completa. Muitas vezes localizado no ápice petroso, este tumor está próximo a estruturas importantes, como a artéria carótida interna, o nervo óptico e a glândula pituitária. Portanto, planejar as trajetórias cirúrgicas é um passo crucial antes da cirurgia. A impressão 3D multicolorida permite a fusão dessas estruturas, cada uma derivada de diferentes modalidades de imagem, em um único objeto.
Durante a preparação para a impressão 3D, é importante selecionar cuidadosamente os dados de imagem adequados. Imagens de alta resolução com uma pequena espessura de fatia são bem adequadas para reconstrução 3D e transições suaves, enquanto espessuras de fatias altas produzirão objetos grosseiros e irregulares. Outra etapa crítica do método é evitar cruzamentos de dois objetos vizinhos, como tumor e osso do crânio. Portanto, as operações boolean tem que ser realizada para subtrair um objeto do outro.
Para permitir coloração volumétrica é necessário criar subsuperfícies semelhantes a cascas de cebola dentro de um objeto (Figura 2A,B). É necessário ter uma distância mínima entre duas superfícies adjacentes de pelo menos 0,1 mm para obter objetos de cores lisas (Figura 2D). Se a distância escolhida estiver acima desse valor, as conchas individuais dentro do objeto podem se tornar visíveis(Figura 2C). A atenção deve ser dada a um aumento do consumo de cores da impressora 3D ao usar coloração volumétrica. Além disso, também é importante verificar o modelo para quaisquer peças soltas e adicionar suportes quando necessário (por exemplo, a artéria basilar).
O método só pode produzir material rígido, semelhante a gesso, que não é muito durável. Especialmente sem o procedimento de endurecimento, o modelo pode ser facilmente destruído durante o procedimento de desembalagem. Assim, elementos frágeis, como os vasos sanguíneos, muitas vezes tendem a quebrar.
A técnica também não é adequada para simulação de tecidomole. Para simular o tecido cerebral, por exemplo, pode ser necessário imprimi-lo com um método que é capaz de produzir materiais macios e duros diretamente12,13 ou para imprimir moldes que podem ser usados para lançar objetos macios, como borracha de silicone14. Em um caso de teste, o último método foi usado para simular um tumor macio. A limitação deste último procedimento era que embora o tumor do silicone fosse muito flexível, era necessário ter bastante espaço para introduzi-lo no modelo impresso 3D. Além disso, não foi possível criar estruturas internas, como um vaso sanguíneo.
O aperto de pasta 3D que jorra é uma técnica de fabricação aditiva que monte objetos por endurecimento parcial e colorindo camadas finas de pó de gesso. Assim, permite imprimir uma escala quase ilimitada das cores, das transições da cor, e das estruturas coloridas dentro do volume dos objetos em um único processo.
Em comparação com outras técnicas de impressão, como impressoras de filamento, que produzem os custos mais baixos, mas só permitem duas ou três cores ao mesmo tempo, e impressoras Poly Jet que produzem objetos multicoloridos e multimateriais, mas são muito caras, esta técnica oferece um compromisso a um preço acessível. O custo médio do material para um crânio impresso era aproximadamente 150 €.
Com este método, é possível visualizar dados ainda mais abstratos, como fibras de filamento derivadas de sequências de rastreamento de fibra de ressonância magnética ou imagens funcionais que retratam, por exemplo, a área da fala cerebral (por exemplo, área de Broca%).
Além da simulação cirúrgica, modelos impressos em 3D e totalmente coloridos de anatomia real do paciente podem ajudar a melhorar a educação de estudantes de medicina ou médicos jovens para que possam entender melhor as relações anatômicas complexas. É também uma ferramenta importante na educação do paciente.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Partes deste trabalho foram apresentados como um cartaz na reunião anual da Sociedade Alemã de Neurocirurgia (DGNC) 2019 em Würzburg, Alemanha e como uma breve apresentação na reunião anual da Sociedade Alemã de Cirurgia Assistida por Computador e Robô (CUV) 2019 em Reutlingen, Alemanha.
Materials
| 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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