Stampa 3D multicolore di tumori intracranici complessi in neurochirurgia
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.
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
Representative Results
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.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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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