脳神経外科における複雑頭蓋内腫瘍の多色3D印刷

議定書は、責任ある地元の倫理委員会によって承認されました (エティクコムミッション・デア・ランデサエルツテカンマー ラインラント・プファルツ, ドイツドイツ3, 55116マインツ).患者データのケアと使用に関するすべての制度的ガイドラインに従った。 1. 医療画像データのセグメンテーションと仮想3Dモデルの作成 注:セグメンテーションに使用したソフトウェアはAmira 5.4.5でした。セグメンテーションプロセスは、オープンソースソフトウェア(例えば、3Dスライサー 、https://www.slicer.org/)を使用して行うことができます。 高い空間分解能(例えば、スライス厚さ1mm以下)で画像データを使用します。ここでは、スライス厚が 0.5 mm の頭蓋 CT データセットと、スライスの厚さが 1 mm の追加の MRI データを使用しました。骨のセグメンテーションにはCTデータを使用し、腫瘍および神経構造のセグメンテーションのためのコントラスト強化されたT1 MRI画像、ならびに血管の飛行時間(TOF)画像を使用する。 コンピュータに DICOM ファイルをダウンロードし、セグメンテーション ソフトウェアを開きます。異なるイメージングモダリティのファイルをインポートし、イメージングデータを含むフォルダを選択します。 CT イメージをクリックし、ボリューム レンダリング モジュール(Volren)に接続します。よりリアルなレンダリングを行うには[スペキュラ]を選択し、カラー転送スライダを調整してボーンのみを視覚化します。MRI シーケンスをインポートして続行し、ボリューム レンダリング モジュールにも接続します。 登録 MRIとCT画像は重ならないので、異なる撮像データを融合する必要がある。したがって、MRI データセットを右クリックし、計算/アフィン登録を選択します。モジュールの白い正方形をクリックして[参照]を選択し、カーソルを CT にドラッグします。 登録モジュールのプロパティでは、すべての設定をデフォルトのままにし、[中央揃え] をクリックし、[登録] をクリックします。2 つの異なるイメージング データセットが融合されました。それ以降のすべてのイメージング データセットに対してこの手順を繰り返します。 マッチング精度の検証: ボリューム レンダリングを非表示にし(モジュールのオレンジ色の正方形をクリック)、MR イメージにOrthoSliceモジュールを追加して、マッチング精度を確認します。白い三角形をクリックし、[カラーウォッシュ] を選択します。次に白い正方形をクリックし、[データ]を選択し、マウスをその上にドラッグしてこのポートをCTデータに接続します。 カラースライダーを調整して、骨の頭蓋骨構造に重ね合わせた神経構造を視覚化します。頭蓋骨と脳の表面と心室の間の境界を見ながら、重量係数スライダーを切り替えることによって、ミスアライメントをチェックします。コロナ方向と矢状方向の異なるスライスに対してこの手順を繰り返します。 ボリューム編集 OrthoSliceモジュールの表示設定を無効にし、CT のボリューム レンダリングを再アクティブ化します。CT データに移動し、データセット内の最小値 (この場合は -2,048) を探します。 次に、ボリューム編集モジュールを追加し、Volrenモジュールを出力データと接続し、埋め込み値を -2,048 に設定します。 [内側にカット]をクリックし、3D ビューポートで削除する領域をマークします。注: 取り外すことを意図していないパーツと重ならないようにすることが重要です。 この例では、下顎骨および上頸椎の一部を除去した。 骨のセグメンテーション 次に、残りのボーンをセグメント化し、サーフェス メッシュに変換する必要があります。これを行うには、セグメンテーション エディタをクリックし、変更した CT イメージ シーケンスを選択して、[新規作成] をクリックして新しいラベルセットを追加します。 セグメンテーションオプションとして[しきい値]を選択します。CT の場合は、下側のスライダを ~250 に設定します。それ以外の場合は、下限しきい値を調整しますが、軟部組織の選択は避けてください。 次に、[選択]をクリックし、最後に(赤いプラスアイコンをクリックして)選択をラベルセットに追加します。 プール ビューに戻ります。CT 用に新しいラベルセットが作成されました。右クリックして計算/サーフェスジェンを選択し、[圧縮]オプションをオンにして、[適用]をクリックします。 最後に、SurfaceViewモジュールを追加し、生成されたメッシュの色を調整します。 他の構造物のセグメンテーション 前の手順を繰り返して、他の関連する構造を追加します。腫瘍の場合、閾値操作ではなく手動セグメンテーションを用いた。 手動セグメンテーションを実行するには、セグメンテーションエディタに移動し、手動セグメンテーションオプション(ブラシアイコン)を選択して、すべてのスライスの腫瘍などの構造をマークします。最後に、プラスアイコンをクリックして、もう一度選択を追加します。したがって、腫瘍、視神経、および頭蓋内血管がセグメント化され、モデルに追加されます。 メッシュのエクスポート 最後に、メッシュを右クリックし、[保存]をクリックして、生成されたメッシュを STL 形式でエクスポートします。ファイル形式としてバイナリ STL を選択します。 2. 多色印刷のための仮想3Dモデルの準備 注:このプロトコルで印刷準備に使用されるソフトウェアは、Netfabbプレミアム2019.0です。オートデスクは、教育プログラムでこのソフトウェアを無料で使用できます。 データをインポートし、自動修復を実行します。 印刷準備プログラムを開き、前の手順で生成したメッシュを新しいパーツとしてインポートします。[自動修復] をオンにし、[インポート] をクリックします。 小さな緩い部品の削除 頭蓋骨を選択し、[修正]-[シェルをパーツに分割] をクリックしてシェルをパーツに分割します。これにより、頭蓋骨に接続されていない緩いオブジェクトが分離されます。 頭蓋骨のボーンを選択し、その表示/非表示を切り替えます。 次に、他のすべての部品を選択して削除します。 頭蓋骨の表示/非表示を再びオンに切り替えます。 他のすべてのオブジェクトに対してこの手順を繰り返します。 重なり合う領域を削除します。注:頭蓋骨のペトロ頂点内の腫瘍など、一部の領域では、両方のオブジェクトのジオメトリが交差します。印刷エラーを回避するには、このような交点を削除する必要があります。 交差する 2 つのオブジェクトを選択し、[ブール演算] をクリックします。 減算するオブジェクトをもう一方のオブジェクトからリストの赤い側に移動し、[適用] をクリックします。これで、2 つのオブジェクトが明確に分離されます。これは、可視性を切り替えることによって確認する必要があります。 腫瘍と腫瘍内の動脈が互いに明確に分離できるようにするために、これらの手順を繰り返します。 必要に応じてサポート構造を追加します。 バジラー動脈の場合、印刷後に物体が緩い部分にならないように、追加のサポートが必要です。 新しいオブジェクト(この場合は円柱)を追加し、必要に応じて寸法とサブディビジョンを調整します。 円柱を配置して、頭蓋骨および容器ジオメトリと完全に交差させます。 次に、ブール演算を再度実行して、骨と血管内の部分を減算します。 必要に応じてサポートを追加するには、この手順を繰り返します(視神経など)。 3. 選択部品の体積着色の準備 注: 特定のパーツの体積カラーリングを可能にするには、1 つのサーフェス シェルだけでなく、オブジェクト内の多数のサブシェル(追加サーフェス)を生成する必要があります。 この場合、腫瘍を選択し、そこから新しいシェルを生成します (右クリックして修正し、[シェルを生成]をクリックします)。 内部オフセット モードでシェルの厚さを 0.15 mm の精度で設定し、[適用]をクリックします。[元のパーツを保持]チェックボックスをオンにします。これにより、元のサーフェスまでの距離が 0.3 mm の内側のシェルが生成されます。 両方のシェルの外側サーフェスを選択し、そこから新しいシェルを生成します。0.15 mm の精度で中空モードでシェルの厚さを 0.25 mm に選択します。また、[元のパーツを削除]チェックボックスをオンにします。これにより、隣接する 2 つのシェル間に 0.05 mm のスペースが生成されます。 手順 3.1 ~ 3.3 を繰り返して、一定の厚さと不変オフセットを持つ複数の内部シェルが作成されるようにします。注: 滑らかな体積着色を実現するには、シェルの厚さ 0.35 ~ 0.25 mm とオフセット 0.1 ~ 0.05 mm を使用することをお勧めします。 血管などの他のすべてのオブジェクトに対して、手順 3.1 ~ 3.4 を繰り返します。 4. 3Dモデルの着色とエクスポート 注: 個別のネストされたシェルを含む、モデルのすべての部分のカラーリングは、Netfabb ソフトウェアを使用して行われます。 左側のパーツ メニューで色分けするパーツを選択します。[テクスチャとカラー メッシュ]アイコンをダブルクリックします。右側のカラーバーをクリックして色を選択します。左上のメニューで、[シェルにペイント]アイコンをクリックします。その後、画面中央に表示されているモデルを左クリックします。最後に、右下隅にある[変更の適用] ボックスを左クリックします。[古いパーツを削除]の選択を必ず確認してください。 他のすべてのオブジェクトとシェルについても、これらの手順を繰り返します。 すべてのオブジェクトをエクスポートします。サポートや内部シェルを含む、印刷するすべてのオブジェクトを選択し、個別のファイルとして書き出します。STL 形式はカラー情報を転送できないため、VRML (WRL) 形式を選択してください。 5. 3Dモデルの印刷と後処理 3D プリンタを設定するメモ:3DPrintソフトウェア(バージョン1.03)は、ZPrinter 450バインダージェッティングマシンを制御するために使用されました。 ソフトウェアを開き、[開く]をクリックし、関連するすべてのデータを選択して、色付きのVRMLファイルをインポートします。右下のウィンドウ隅にある [開く] ボタンをクリックします。後続のウィンドウで、単位としてミリメートルを選択します。[位置と方向を保持する] ボックスと [すべてのファイルに設定を適用] ボックスをオンにします。最後に、材料タイプとしてZ151を選択します。[次へ]ボタンをクリックします。 ビルド ボリューム内に 3D オブジェクトを配置するには、+Aキーを押してすべてのオブジェクトにマークを付けます。 ビルド ボリュームの XY ビューを表す左上のウィンドウで、マークされたオブジェクトをクリックして中央にドラッグします。ビルド ボリュームの XZ ビューを表す左下のウィンドウで、黄色の線の上の下部の中央にあるオブジェクトをクリックしてドラッグします。 頭蓋骨モデル全体が印刷されている場合は、開口部が上向きであることを確認してください。分離された小型モデルが印刷される場合は、船舶などの繊細な部品をXY平面に合わせるようにしてください。 右側のウィンドウでモデルをクリックして移動し、モデルの正しい方向を確認します。 ビルド処理を準備するには、上部メニューの[設定] アイコンをクリックします。正しい材料タイプが選択され、[レイヤの厚さ]が 0.1 mm に設定されていることを確認します。[ブリード補正]をオンにし、[モノクロで印刷]オプションをオフにする必要があります。 印刷プロセスを開始するには、上部メニューの[ビルド]アイコンをクリックします。次のウィンドウで[ビルド全体]を選択し、[OK]ボタンをクリックします。次の[プリンタの状態]ダイアログで、一覧表示されているすべての項目が正しく設定され、プリンタがオンラインになっていることを確認します。次に、ダイアログ ボックスの下部にある [印刷] ボタンをクリックします。 モデルの後処理メモ:緩い粉末と硬化溶液を取り扱う際は、必ず実験室用コート、手袋、目の保護、マスクを着用してください。常に換気の良い場所で作業します。 解凍 印刷が完了したら、内蔵の掃除機で緩い粉末を慎重に取り外してモデルを解凍します。薄い構造が分解するのを防ぐために、吸引管でモデルに直接接触しないことが重要です。 モデルを取り外し、加圧空気を加え、柔らかいブラシで洗浄して清掃します。モデルの厚く、より安定した、モデルの一部は、さらに硬いブラシで接地することができます。この任意ステップは滑らかな表面の終わりを可能にする。この状態では、モデルはまだ非常に脆弱であることを念頭に置いてください。 浸潤 プラスチック製の浴槽の中にモデルを入れます。 白っぽい領域が見えなくなるまで硬化溶液で慎重に浸透します。 余剰溶液は、すべての表面の詳細を維持するために加圧空気と使い捨てペーパータオルで除去する必要があります。 完全に乾燥するまで、モデルを数時間硬化させます。