신경 외과에서 복잡한 두개내 종양의 다색 3D 프린팅
Summary
이 프로토콜은 외과 시뮬레이션에 사용되는 환자 별 해부학 적 두개골 모델의 완전히 착색 된 3 차원 인쇄물의 제작을 설명합니다. 다양한 이미징 양식, 이미지 세분화, 3차원 모델 추출 및 인쇄 생산을 결합하는 중요한 단계가 설명되어 있습니다.
Abstract
3차원(3D) 프린팅 기술은 올바른 차원의 물리적 모델에서 환자 별 병리학을 시각화할 수 있는 가능성을 제공합니다. 이 모델은 수술 접근법의 중요한 단계를 계획하고 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 종양 내부의 혈관과 같은 해부학 적 구조를 표면뿐만 아니라 전체 부피전체에 색칠되도록 인쇄 할 수 있어야합니다. 시뮬레이션 중에 특정 부품(예: 고속 드릴 포함)을 제거하고 내부에 다른 색상의 구조를 노출할 수 있습니다. 따라서, 다양한 이미징 양식(예를 들어, CT, MRI)으로부터의 진단 정보는 단일 컴팩트하고 유형적인 개체로 결합될 수 있다.
그러나, 준비 및 완전히 착색 해부학 모델의 인쇄는 어려운 작업 남아있다. 따라서 다양한 단면 이미징 데이터 세트의 융합, 해부학 적 구조의 세분화 및 가상 모델 생성을 보여주는 단계별 가이드가 제공됩니다. 두 번째 단계에서 가상 모델은 석고 기반 의 컬러 3D 바인더 제팅 기술을 사용하여 체적 색상의 해부학 적 구조로 인쇄됩니다. 이 방법은 일련의 3D 인쇄 된 석유 정점 연골 육종에 표시된 바와 같이 환자 별 해부학의 매우 정확한 재현을 할 수 있습니다. 또한, 생성 된 모델을 절단및 드릴 링 할 수 있으며, 수술 절차의 시뮬레이션을 허용하는 내부 구조를 드러낼 수 있습니다.
Introduction
두개골 기지 종양의 외과 적 치료는 정확한 수술 전 계획이 필요한 도전적인작업입니다 1. 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 및 자기 공명 화상 진찰 (MRI)를 사용하여 다중 모달 화상 진찰은 환자의 개별 적인 해부학에 관하여 정보를 외과 의사에게 제공합니다. 임상 사례에서, 이 진단 정보는 해부학의 다른 양상을 나타내는 일련의 2 차원 (2D) 단면을 표시하여 시각화됩니다 (예를 들어, 뼈의 시각화를위한 CT, 혈관용 CT 혈관 조영술, 연조직용 MRI).
그러나, 특히 초보자, 의대생 및 환자에게 는 서로 다른 3D 구조의 복잡한 관계를 단면 이미지에 이해하는 것은 어려운 일입니다. 시체 연구2외에,이 문제는 다른 색상의 해부학 구조를 표시, 개별 병리학의 실제 크기의 해부학 모델을 설정하여 해결 될 수있다3.
지난 몇 년 동안의 기술 발전 덕분에 3D 프린팅 기술은 복잡한모양4,5의비용 효율적인 구성을 가능하게 합니다. 따라서이 기술은 가시적이고 명확하게 공간 관계를 묘사하며 수술 계획 및 시뮬레이션에 사용할 수있는 환자 별 해부학 모델을 구성 할 수있는 가능성을 제공합니다. 특히 석유 정점 연골 육종과 같은 희귀하고 복잡한 경우, 개별 사례에서 종양 제거의 수술 전 시뮬레이션은 외과 의사와 환자의 결과에 대한 자신감을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
일반적인 FDM 프린팅(필라멘트 증착 모델링) 기술은 하나 또는 제한된 다양한 색상의 닫힌 표면을 가진 객체를 만드는 데만허용한다 6. 주로 서로 내부에 중첩된 다양한 복잡한 모양의 해부학 적 구조를 포함하는 수술 시뮬레이션 모델을 제공하려면 완전히 체적 색의 3D 인쇄가 필요합니다. 이것은 내부 구조가 드러나지 때까지 조직 층을 연속하여 제거 할 수 있습니다.
석고 계 색 3D 바인더 제팅은 필요한 다색 모델7을생산할 수 있는 기술이다. 표준 구성에서 객체의 표면만 착색될 수 있는 반면, 본 명세서에서는 내부 해부학적 구조에 색상의 체적 적용을 보장하기 위해 변형된 기법을 기술한다.
이 기술을 입증하기 위해 두개골 염기 연골 육종을 가진 환자의 사례를 예로 선택했습니다. Chondrosarcomas는 골격 계통에 있는 모든 신생물의 20%를 차지합니다, 주로 긴 뼈에 있는. 1 차적인 두개골 기지 chondrosarcomas는 모든 두개내 종양의 0.1-0.2%에 책임 있는 희소한 상태입니다8. 주로 석유 정점에 위치한 이 종양은 내부 경동맥, 광학 및 기타 두개골 신경뿐만 아니라 뇌하수체와 같은 중추적 인 구조를 포함하는 복잡한 해부학 적 환경에서 자랍니다. 이러한 신 생물의 치료는 주로 전체 외과 절제술에 초점을 맞추고, 보조 요법 단독 (예를 들어, 방사선)이 충분히 효과적이지 않기 때문에9.
이 종양 엔티티의 복잡성과 희귀성으로 인해 3D 인쇄 된 두개골 모델의 수술 전 수술 시뮬레이션은 해부학을 더 잘 시각화하고 이해하고 외과 의사가 완전한 절제술을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다른 사람에 의해 도시 된 바와 같이10,11 환자 특정 모델의11 3D 인쇄는 복잡한 신경 해부학의 주민과 경험 신경 외과 의사의 이해를 모두 향상.
그러나 의료 영상 데이터에서 이러한 개별화된 모델을 만들려면 특히 해부학 적 구조를 다른 색상으로 인쇄해야 하는 경우 이미지 세분화, 3D 모델링 및 3D 프린팅 기술이 필요합니다. 이 원고는 의료 영상 데이터를 가상 3D 모델로 변환하고 다색 3D 개체의 제작을 위한 상세한 프로토콜을 제공하여 설명된 해부학 적 모델을 다른 사람이 보다 쉽게 사용할 수 있도록 하려고 합니다.
워크플로우는 주로 4개의 부분으로 구성됩니다: 1) 의료 영상 데이터의 세분화 및 가상 3D 모델 생성; 2) 다중 컬러 3D 프린팅을위한 가상 3D 모델의 제조; 3) 선택한 부품의 체적 착색을위한 준비; 4) 3D 프린팅 및 사후 처리.
Protocol
Representative Results
Discussion
두개내 연골 육종의 치료는 주로 완전한 외과 적 제거를 기반으로합니다. 종종 석유 정점에 위치한이 종양은 내부 경동맥, 시신경 및 뇌하수체와 같은 중요한 구조에 가깝습니다. 따라서 수술 궤적을 계획하는 것은 수술 전에 중요한 단계입니다. 다색 3D 프린팅을 사용하면 서로 다른 이미징 양식에서 파생된 이러한 구조를 단일 개체로 융합할 수 있습니다.
3D 프린팅을 준비하는 동안 적절한 이미징 데이터를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. 슬라이스 두께가 작은 고해상도 이미지는 3D 재구성 및 부드러운 전환에 적합하지만 높은 슬라이스 두께는 거칠고 고르지 않은 물체를 생성합니다. 이 방법의 또 다른 중요한 단계는 종양및 두개골 뼈와 같은 두 개의 인접한 개체의 교차를 피하는 것입니다. 따라서 한 개체를 다른 개체에서 빼려면 부울 작업을 수행해야 합니다.
체적 착색을 허용하려면 오브젝트 내부에 양파 껍질과 같은 곡면을 만들어야합니다(그림 2A,B). 매끄럽게 착색된 물체를 얻으려면 인접한 두 표면 사이의 최소 거리가 0.1 mm 이상입니다(그림2D). 선택한 거리가 이 값보다 높으면 오브젝트 내부의 개별 셸이 표시될 수있습니다(그림 2C). 볼륨 색상 을 사용할 때 3D 프린터의 증가 된 색상 소비에주의를 기울여야한다. 또한 모델이 느슨한 부품에 대해 확인하고 필요한 경우 지지대를 추가하는 것도 중요합니다(예: 바실라 동맥).
이 방법은 내구성이 매우 높지 않은 딱딱한 석고 와 같은 재료만 생산할 수 있습니다. 특히 경화 절차없이, 모델은 쉽게 압축을 풀기 과정에서 파괴 될 수있다. 따라서 혈관과 같은 깨지기 쉬운 요소는 종종 분해되는 경향이 있습니다.
이 기술은 연조직의 시뮬레이션에도 적합하지 않습니다. 예를 들어, 뇌 조직을 시뮬레이션하기 위해서는12,13, 13, 또는 실리콘고무(14)와같은 부드러운 물체를 캐스팅하는데 사용될 수 있는 금형을 직접 생성할 수 있는 방법으로 인쇄해야 할 수도 있다. 한 테스트 사례에서, 후자의 방법은 연약한 종양을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 이 마지막 절차의 한계는 실리콘 종양이 매우 유연하더라도 3D 인쇄 모델에 삽입 할 수있는 충분한 공간이 필요하다는 것이었습니다. 더욱이, 혈관과 같은 내부 구조를 만드는 것은 불가능하였다.
3D 바인더 제팅은 석고 분말의 얇은 층을 부분적으로 경화하고 착색하여 물체를 조립하는 적층 제조 기술입니다. 따라서 단일 프로세스에서 개체의 볼륨 내부에 거의 무제한범위의 색상, 색상 전환 및 컬러 구조를 인쇄할 수 있습니다.
필라멘트 프린터와 같은 다른 인쇄 기술과 비교하여 가장 낮은 비용은 있지만 한 번에 두 개 또는 세 개의 색상만 허용하고 다중 색상, 다중 재료 객체를 생산하지만 매우 비싼 폴리 제트 프린터는 저렴한 가격으로 타협할 수 있습니다. 인쇄 된 두개골의 평균 재료 비용은 약 150 유로였습니다.
이 방법을 사용하면 MRI 섬유 추적 서열 또는 기능적 이미징 묘사, 예를 들어, 뇌 음성 영역(예를 들어, Broca%s 영역)으로부터 유래된 필라멘트 섬유와 같은 보다 추상적인 데이터를 시각화할 수 있다.
외과 시뮬레이션 외에도 실제 환자 해부학의 3D 인쇄, 완전히 색이 지정된 모델은 의대 생 또는 젊은 의사의 교육을 개선하여 복잡한 해부학 적 관계를 더 잘 이해할 수 있도록 도울 수 있습니다. 그것은 또한 환자 교육에 있는 중요한 공구입니다.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품의 일부는 독일 뷔르츠부르크에서 열린 독일 신경외과 학회(DGNC) 2019 연례 회의에서 포스터로 제시되었으며, 2019년 독일 컴퓨터 및 로봇 보조 수술 학회(CURAC)의 연례 회의에서 짧은 프레젠테이션으로 발표되었습니다. 로이클링겐, 독일.
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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