Impression 3D multicolore des tumeurs intracrâniennes complexes en neurochirurgie
Summary
Le protocole décrit la fabrication d’impressions tridimensionnelles entièrement colorées de modèles de crâne anatomiques spécifiques au patient qui seront utilisés pour la simulation chirurgicale. Les étapes cruciales de la combinaison de différentes modalités d’imagerie, la segmentation de l’image, l’extraction du modèle tridimensionnel et la production des impressions sont expliquées.
Abstract
Les technologies d’impression tridimensionnelles (3D) offrent la possibilité de visualiser des pathologies spécifiques au patient dans un modèle physique de dimensions correctes. Le modèle peut être utilisé pour la planification et la simulation des étapes critiques d’une approche chirurgicale. Par conséquent, il est important que les structures anatomiques telles que les vaisseaux sanguins à l’intérieur d’une tumeur peuvent être imprimés pour être colorés non seulement sur leur surface, mais tout au long de leur volume entier. Pendant la simulation, cela permet d’enlever certaines pièces (par exemple, avec une perceuse à grande vitesse) et de révéler des structures situées à l’intérieur d’une couleur différente. Ainsi, l’information diagnostique provenant de diverses modalités d’imagerie (p. ex., CT, IRM) peut être combinée en un seul objet compact et tangible.
Cependant, la préparation et l’impression d’un tel modèle anatomique entièrement coloré reste une tâche difficile. Par conséquent, un guide étape par étape est fourni, démontrant la fusion de différents ensembles de données d’imagerie transversale, la segmentation des structures anatomiques et la création d’un modèle virtuel. Dans une deuxième étape, le modèle virtuel est imprimé avec des structures anatomiques de couleur volumétrique à l’aide d’une couleur à base de plâtre 3D liant technique de jetting. Cette méthode permet une reproduction très précise de l’anatomie spécifique au patient, comme le montre une série de chondrosarcomes pétrous apex imprimés en 3D. En outre, les modèles créés peuvent être coupés et forés, révélant des structures internes qui permettent la simulation des procédures chirurgicales.
Introduction
Le traitement chirurgical des tumeurs de base de crâne est une tâche provocante exigeant la planification préopératoire précise1. La formation image multimodale utilisant la tomographie calculée (CT) et la formation image de résonance magnétique (MRI) fournit au chirurgien l’information au sujet de l’anatomie individuelle du patient. Dans la pratique clinique, cette information diagnostique est visualisée en affichant une série de sections transversales bidimensionnelles (2D) représentant différents aspects de l’anatomie (par exemple, CT pour la visualisation de l’os, angiographie de CT pour des navires, MRI pour le tissu mou).
Cependant, en particulier pour les débutants, les étudiants en médecine et les patients, il est difficile de comprendre les relations complexes des différentes structures 3D avec les images transversales. A côté des études cadavériques2, ce problème pourrait être résolu en établissant des modèles anatomiques de taille réelle des pathologies individuelles, affichant des structures anatomiques dans différentes couleurs3.
Grâce aux progrès techniques réalisés ces dernières années, les technologies d’impression 3D permettent une construction rentable de formes complexes4,5. Par conséquent, cette technique offre la possibilité de construire des modèles anatomiques spécifiques au patient qui sont tangibles, dépeignent clairement les relations spatiales, et peuvent être utilisés pour la planification chirurgicale et la simulation. Particulièrement dans les cas rares et complexes tels que les chondrosarcomes d’apex de petrous, la simulation préopératoire de l’ablation de tumeur dans un cas individuel pourrait aider à améliorer la confiance en soi du chirurgien et les résultats patients.
Les techniques communes d’impression FDM (modélisation des dépôts de filament) ne permettent de créer des objets avec une surface fermée en une ou une variété limitée de couleurs6. Pour fournir un modèle pour la simulation chirurgicale qui contient diverses structures anatomiques complexes formées principalement nichées à l’intérieur de l’autre, des impressions 3D entièrement volumétriques sont nécessaires. Cela permet d’enlever successivement les couches tissulaires jusqu’à ce qu’une structure interne soit révélée.
Le jetting 3D de liant de couleur de plâtre-basé est une technique capable de produire les modèles multicoloresexigés 7. Alors que dans ses configurations standard, seule la surface d’un objet peut être colorée, une technique modifiée est décrite dans le cas pour assurer l’application volumétrique de la couleur aux structures anatomiques internes.
Pour démontrer cette technique, des cas des patients présentant des chondrosarcomas de base de crâne ont été choisis comme exemple. Les chondrosarcomes représentent 20% de toute la néoplasie dans le système squelettique, principalement situé dans les os longs. Les chondrosarcomes primaires de base de crâne sont une condition rare responsable de 0.1-0.2% de toutes les tumeurs intracrâniennes8. Principalement situées au sommet pétrous, ces tumeurs se développent dans un environnement anatomique complexe impliquant des structures pivots telles que l’artère carotide interne, l’optique et d’autres nerfs crâniens, ainsi que la glande pituitaire. Le traitement de ces néoplasmes est principalement axé sur une résection chirurgicale totale, parce que les thérapies adjuvantes seules (par exemple, rayonnement) ne sont pas assez efficaces9.
En raison de la complexité et de la rareté de cette entité de tumeur, la simulation chirurgicale préopératoire dans un modèle imprimé 3D de crâne pourrait aider à mieux visualiser et comprendre l’anatomie et pour aider le chirurgien à réaliser la résection complète. Comme le montrent d’autres10,11 l’impression 3D de modèles spécifiques aux patients améliore à la fois les résidents et les neurochirurgiens expérimentés de la compréhension de la neuroanatomie complexe.
Cependant, la création de tels modèles individualisés à partir de données d’imagerie médicale nécessite des compétences dans la segmentation de l’image, la modélisation 3D et l’impression 3D, en particulier lorsque les structures anatomiques doivent être imprimées dans différentes couleurs. Ce manuscrit vise à rendre la fabrication des modèles anatomiques décrits plus accessible pour d’autres en fournissant un protocole détaillé pour convertir les données d’imagerie médicale en modèles 3D virtuels et pour la fabrication d’objets 3D multicolores.
Le flux de travail se compose principalement de quatre parties : 1) la segmentation des données d’imagerie médicale et la création d’un modèle 3D virtuel ; 2) préparation du modèle 3D virtuel pour l’impression 3D multicolore ; 3) préparation pour la coloration volumétrique des parties sélectionnées ; et 4) impression 3D et post-traitement.
Protocol
Representative Results
Discussion
La thérapie du chondrosarcome intracrânien est principalement basée sur le déplacement chirurgical complet. Souvent située sur le sommet pétrous, cette tumeur est proche de structures importantes telles que l’artère carotide interne, le nerf optique, et la glande pituitaire. Par conséquent, la planification des trajectoires chirurgicales est une étape cruciale avant la chirurgie. L’impression 3D multicolore permet la fusion de ces structures, chacune dérivée de différentes modalités d’imagerie, en un seul objet.
Pendant la préparation de l’impression 3D, il est important de sélectionner soigneusement des données d’imagerie adéquates. Les images haute résolution avec une petite épaisseur de tranche sont bien adaptées pour la reconstruction 3D et les transitions lisses, tandis que les épaisseurs élevées de tranche produiront des objets grossiers et inégaux. Une autre étape critique de la méthode est d’éviter les intersections de deux objets voisins tels que la tumeur et l’os du crâne. Par conséquent, les opérations Boolean doivent être effectuées pour soustraire un objet de l’autre.
Pour permettre la coloration volumétrique, il est nécessaire de créer des sous-surfaces en forme de coquille d’oignon à l’intérieur d’un objet (Figure 2A,B). Il est nécessaire d’avoir une distance minimale entre deux surfaces adjacentes d’au moins 0,1 mm pour obtenir des objets de couleur en douceur (Figure 2D). Si la distance choisie est supérieure à cette valeur, les coquillages individuels à l’intérieur de l’objet peuvent devenir visibles (Figure 2C). L’attention devrait être accordée à une consommation accrue de couleur de l’imprimante 3D lors de l’utilisation de colorant sulitreux. En outre, il est également important de vérifier le modèle pour les pièces lâches et ajouter des supports si nécessaire (par exemple, l’artère basilaire).
La méthode ne peut produire que des matériaux rigides ressemblant à du plâtre qui ne sont pas très durables. Surtout sans la procédure de durcissement, le modèle peut être facilement détruit au cours de la procédure de déballage. Ainsi, les éléments fragiles tels que les vaisseaux sanguins ont souvent tendance à se briser.
La technique n’est pas non plus adaptée à la simulation des tissus mous. Pour simuler le tissu cérébral, par exemple, il pourrait être nécessaire de l’imprimer avec une méthode qui est capable de produire des matériaux mous et durs directement12,13 ou d’imprimer des moules qui peuvent être utilisés pour lancer des objets mous, tels que le caoutchouc de silicone14. Dans un cas d’essai, cette dernière méthode a été employée pour simuler une tumeur molle. La limitation de cette dernière procédure était que bien que la tumeur de silicone ait été très flexible, il était nécessaire d’avoir assez d’espace pour l’insérer dans le modèle imprimé 3D. En outre, il n’a pas été possible de créer des structures internes, comme un vaisseau sanguin.
Le jetting 3D de liant est une technique de fabrication additive qui assidu les objets par le durcissement partiel et la coloration des couches minces de poudre de plâtre. Ainsi, il permet d’imprimer une gamme presque illimitée de couleurs, de transitions de couleurs et de structures colorées à l’intérieur du volume d’objets en un seul processus.
Par rapport à d’autres techniques d’impression telles que les imprimantes filament, qui produisent les coûts les plus bas, mais ne permettent que deux ou trois couleurs à la fois, et les imprimantes Poly Jet qui produisent des objets multicolores, multi-matériaux, mais sont très coûteux, cette technique offre un compromis à un prix abordable. Le coût matériel moyen d’un crâne imprimé était d’environ 150 euros.
Avec cette méthode, il est possible de visualiser des données encore plus abstraites telles que les fibres filamentées dérivées de séquences de suivi des fibres IRM ou l’imagerie fonctionnelle représentant, par exemple, la zone de la parole du cerveau (par exemple, la zone broca%s).
Outre la simulation chirurgicale, des modèles imprimés en 3D et entièrement colorés d’anatomie réelle du patient peuvent aider à améliorer l’éducation des étudiants en médecine ou des jeunes médecins afin qu’ils puissent mieux comprendre les relations anatomiques complexes. C’est aussi un outil important dans l’éducation des patients.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Certaines parties de ces travaux ont été présentées sous forme d’affiche lors de la réunion annuelle de la Société allemande de neurochirurgie (DGNC) 2019 à Wurtzbourg, en Allemagne, et comme une courte présentation à la réunion annuelle de la Société allemande de chirurgie assistée par ordinateur et robot (CURAC) 2019 à Reutlingen, Allemagne.
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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