神经外科复杂颅内肿瘤的多色3D打印

该议定书由负责的当地道德委员会（德国美因茨州莱茵兰-普法尔茨州）的EthikkomededeLandérztekammer Rheinland-Pfalz批准。所有护理和使用患者数据的机构准则都得到遵守。 1. 医疗成像数据的分割和虚拟三维模型的创建 注：我们用于分段的软件是 Amira 5.4.5。也可以通过使用开源软件（例如，3D 切片机、https://www.slicer.org/）来完成分段过程。 使用具有高空间分辨率的成像数据（例如，切片厚度为 1 mm 或更少）。此处使用了切片厚度为 0.5 mm 的颅骨 CT 数据集和切片厚度为 1 mm 的其他 MRI 数据。使用 CT 数据分割骨骼，对比增强的 T1 MRI 图像分割肿瘤和神经结构，以及血管的飞行时间 （TOF） 图像。 在计算机上下载 DICOM 文件并打开分段软件。导入不同映像模式的文件，并选择具有成像数据的文件夹。 单击 CT 图像并将其与音量渲染模块 （Volren） 连接。选择”镜面”以进行更逼真的渲染，并调整颜色传输滑块以仅可视化骨骼。继续导入 MRI 序列并将它们连接到卷呈现模块。 注册 由于 MRI 和 CT 图像不重叠，因此有必要融合不同的成像数据。因此，右键单击 MRI 数据集并选择”计算>仿富注册”。通过单击模块的白色方块选择”参考”，然后将光标拖动到 CT 上。 在注册模块的属性中，将所有设置保留为默认值，然后单击”对齐中心”，然后单击”注册”。两个不同的成像数据集现在融合在一起。对所有进一步的映像数据集重复此步骤。 验证匹配精度： 通过隐藏音量渲染（单击模块的橙色方块）并向 MR 图像添加OrthoSlice模块来检查匹配精度。单击白色三角形并选择”颜色洗涤”。下一次单击白色方块，选择”数据”，并通过将鼠标拖动到该端口上，将此端口与 CT 数据连接。 调整颜色滑块以可视化叠加到骨头骨结构的神经结构。在查看头骨和大脑表面以及心室之间的边界时，通过切换重量因子滑块来检查是否有任何错位。在日冕和朝下方向的不同切片上重复此过程。 卷编辑 停用OrthoSlice模块的可见性并重新激活 CT 的音量呈现。转到 CT 数据并查找数据集中的最低值，在本例中为 -2，048。 接下来，添加卷编辑模块，将Volren模块与输出数据连接，并将填充值设置为 -2，048。 单击”内部剪切”并标记要在 3D 视口中移除的区域。注： 请务必避免与不打算移除的部件重叠。 在此示例中，下颌骨和上颈椎的部分被移除。 骨骼分割 接下来，必须分割剩余的骨骼并将其转换为曲面网格。为此，请单击分段编辑器，选择修改后的 CT 图像序列，并通过单击”新建”添加新标签集。 现在选择”阈值”作为分段选项。在 CT 的情况下将下部滑块设置为 +250。确保在预览中选择细骨骼结构，如时骨骼或上轨道区域。否则，调整较低的阈值，但避免选择任何软组织。 下一步单击”选择”，最后将所选内容添加到标签集（通过单击红色加图标）。 返回到池视图。已为 CT 创建了一个新的标签集。右键单击并选择”计算>曲面”，选中”压缩化”选项，然后单击”应用”。 最后，添加SurfaceView模块并调整生成的网格的颜色。 其他结构的分割 通过重复前面的步骤添加其他相关结构。在肿瘤的情况下，使用手动分割，而不是阈值操作。 要执行手动分割，请转到分段编辑器，然后选择手动分段选项（画笔图标）来标记每个切片中的肿瘤等结构。最后，通过单击加号图标再次添加所选内容。因此，肿瘤、视神经和颅内血管将被分割并添加到模型中。 导出的个参数 最后，通过右键单击网格并单击”保存”，以 STL 格式导出生成的网格。选择二进制 STL 作为文件格式。 2. 多色打印虚拟3D模型的准备 注： 该协议中用于打印准备的软件是 Netfabb 高级版 2019.0。欧特克在其教育计划中免费提供该软件。 导入数据并执行自动修复。 打开打印准备程序，并将前面步骤中生成的网件导入为新零件。选中”自动修复”并单击”导入”。 删除小松动零件 选择头骨，并通过单击”修改>分割壳”将其壳分割成零件。这将分离任何未连接到头骨的松散物体。 选择头骨并关闭其可见性。 现在选择所有其他部件并删除它们。 再次切换头骨的可见性。 对所有其他对象重复此步骤。 删除重叠区域。注：在某些区域，如头骨的岩尖内的肿瘤，两个物体的几何形状相互相交。为了避免打印错误，必须删除此类交点。 选择两个相交的对象，然后单击布尔操作。 将要从另一个对象减去的对象移到列表的红色一侧，然后单击”应用”。现在，这两个对象已清楚地分开。这应通过切换其可见性来检查。 重复这些步骤，让肿瘤以及肿瘤内的动脉彼此明显分离。 根据需要添加支撑结构。 在罗勒动脉的情况下，需要额外的支撑，以防止物体在打印后成为松动的部分。 添加新对象，在这种情况下，一个圆柱体 （文件>零件库）， 并根据需要调整其尺寸和细分。 放置圆柱体，以便与头骨和容器几何体完全相交。 现在再次执行布尔操作，以减去骨骼和血管内的部分。 重复此步骤以根据需要添加更多支持（例如，视神经）。 3. 准备对选定零件进行体积着色 注： 要允许某些零件的体积着色，需要不仅在对象内部生成一个表面外壳，还需要生成多个子壳（附加曲面）。 选择肿瘤，在这种情况下，并从中生成一个新的外壳（右键单击 >修改>生成外壳）。 在内部偏移模式下设置 0.3 mm 的壳体厚度，精度为 0.15 mm 并应用。选中”保留原始零件”复选框。这将生成与原始曲面距离为 0.3 mm 的内部外壳。 选择两个壳体的外部表面，并从中生成一个新的外壳。在空心模式下选择 0.25 mm 的壳体厚度，精度为 0.15 mm。还可以选中”删除原始零件”复选框。这将在两个相邻壳体之间生成 0.05 mm 的空间。 重复步骤 3.1_3.3，以便创建多个具有恒定厚度和不变偏移的内部壳体。注：建议使用 0.35~0.25 mm 的壳体厚度以及 0.1~0.05 mm 的偏移，以实现平滑的体积着色。 对所有其他对象（如血管）重复步骤 3.1_3.4。 4. 3D模型的着色和导出 注： 模型所有部分的着色（包括不同的嵌套外壳）都使用 Netfabb 软件完成。 在左侧的”零件”菜单中选择要着色的零件。双击纹理和颜色网格图标。通过单击右侧的颜色栏来选择颜色。在顶部菜单中左键单击”壳上画”图标。随后左键单击屏幕中心中显示的模型。最后左键单击右下角的”应用更改”框。确保确认”删除旧零件”选择。 分别对所有其他对象和外壳重复这些步骤。 导出所有对象。选择要打印的所有对象（包括支撑和内部外壳），并将它们导出为单个文件。请务必选择 VRML （WRL） 格式，因为 STL 格式无法传输颜色信息。 5. 3D模型的印刷和后期处理 设置 3D 打印机注：3DPrint 软件（版本 1.03）用于控制 ZPrinter 450 活页夹喷射机。 打开软件，通过单击”打开”并选择所有相关数据来导入彩色 VRML 文件。单击右下角的”打开”按钮。在后续窗口中，选择毫米作为单位。确保选中”保持位置和方向”以及”将所有文件应用设置”框。最后选择Z151作为材料类型。单击”下一步”按钮。 要将 3D 对象定位到生成体积内，通过按#A键标记所有对象。 在左上角窗口中，表示生成体积的 XY 视图，单击标记的对象并将其拖动到中心。在左下角（表示生成体积的 XZ 视图）中，单击并拖动下部中间的黄线上方的对象。 如果打印了整个头骨模型，请确保开口朝上。如果打印了孤立的小型模型，请确保将容器等精密零件与 XY 平面对齐，因为此方向会增加各个零件的强度。 单击模型并在右侧的窗口中移动模型，检查模型的正确方向。 要准备生成过程，请单击上部菜单中的”设置”图标。确保选择了正确的材料类型，并且图层厚度设置为 0.1 mm。应选中”出血补偿”，取消选中”单色打印”选项。 要开始打印过程，请单击上部菜单中的”生成”图标。在后续窗口中选择”整个生成”，然后单击”确定”按钮。确保在下面的打印机状态对话框中，所有列出的项目都设置正确，并且打印机处于联机状态。然后，单击对话框下部的”打印”按钮。 模型的后期处理注意：在处理松散粉末和硬化溶液时，务必佩戴实验室外套、手套、护目和面罩。始终在通风良好的区域工作。 打开 打印完成后，使用集成的真空吸尘器小心地取出松动的粉末，将模型解压。请务必不要将模型直接接触到吸管，以防止薄结构断裂。 拆下模型，并通过施加压缩空气以及用软刷清洁它来清洁它。更厚，更稳定，模型的部分可以另外地面与更硬的刷子。此可选步骤允许更平滑的表面光洁度。请记住，在这种状态下，模型仍然非常脆弱。 渗透 将模型放入塑料桶内。 用硬化溶液小心地渗透它，直到看不到白色区域。 多余的溶液必须用加压空气和一次性纸巾去除，以保持所有表面细节。 让模型固化几个小时，直到它完全干燥。