Многоцветная 3D печать сложных внутричерепных опухолей в нейрохирургии
Summary
Протокол описывает изготовление полностью цветных трехмерных отпечатков конкретных анатомических моделей черепа, которые будут использоваться для хирургического моделирования. Объясняются важнейшие этапы объединения различных методов визуализации, сегментации изображений, трехмерной добычи модели и производства отпечатков.
Abstract
Технологии трехмерной (3D) печати предлагают возможность визуализации специфических патологий пациента в физической модели правильных размеров. Модель может быть использована для планирования и имитации критических шагов хирургического подхода. Поэтому важно, чтобы анатомические структуры, такие как кровеносные сосуды внутри опухоли, могли быть напечатаны для того, чтобы быть окрашены не только на их поверхности, но и на протяжении всего их объема. Во время моделирования это позволяет удалить определенные детали (например, с высокоскоростной дрелью) и выявить внутренне расположенные структуры другого цвета. Таким образом, диагностическую информацию из различных методов визуализации (например, КТ, МРТ) можно комбинировать в один компактный и осязаемый объект.
Однако подготовка и печать такой полностью цветной анатомической модели остается сложной задачей. Поэтому предоставляется пошаговое руководство, демонстрирующее слияние различных наборов поперечных изображений, сегментацию анатомических структур и создание виртуальной модели. На втором этапе виртуальная модель печатается с объемно окрашенными анатомическими структурами с использованием штукатурки на основе цвета 3D-технологии. Этот метод позволяет высокоточное воспроизведение специфической анатомии пациента, как показано в серии 3D-печати petrous apex chondrosarcomas. Кроме того, созданные модели могут быть вырезаны и пробурены, открывая внутренние структуры, которые позволяют моделирование хирургических процедур.
Introduction
Хирургическое лечение опухолей основания черепа является сложной задачей, требующей точного предоперационного планирования1. Мультимодальная визуализация с использованием компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) дает хирургу информацию об индивидуальной анатомии пациента. В клинической практике эта диагностическая информация визуализирована путем отображения ряда двухмерных (2D) поперечных сечений, представляющих различные аспекты анатомии (например, КТ для визуализации костей, КТ ангиографии для сосудов, МРТ для мягких тканей).
Тем не менее, особенно для начинающих, студентов-медиков и пациентов, понимание сложных отношений различных 3D структур к поперечным изображениям является сложной задачей. Помимо трупных исследований2, эта проблема может быть решена путем создания реальных размеров анатомических моделей отдельных патологий, отображение анатомических структур в различных цветах3.
Благодаря техническим достижениям последних лет технологии 3D-печати позволяют рентабельно строить сложные формы4,5. Таким образом, этот метод дает возможность построить пациента конкретных анатомических моделей, которые являются ощутимыми, четко изображают пространственные отношения, и могут быть использованы для хирургического планирования и моделирования. Особенно в редких и сложных случаях, таких как petrous apex chondrosarcomas, предоперационное моделирование удаления опухоли в отдельном случае может помочь улучшить уверенность в себе хирурга и исход пациента.
Общие FDM-печати (моделирование осаждения филе) методы позволяют создавать объекты с закрытой поверхностью в одном или ограниченном разнообразии цветов6. Чтобы обеспечить модель для хирургического моделирования, которая содержит различные сложные анатомические структуры формы, в основном вложенные друг в друга, необходимы полностью объемно окрашенные 3D-принты. Это позволяет последовательное удаление слоев тканей до тех пор, пока не будет выявлена внутренняя структура.
Штукатурка на основе цвета 3D-связующего струи является метод, способный производить необходимые многоцветные модели7. В то время как в стандартных конфигурациях только поверхность объекта может быть окрашена, здесь описана модифицированная техника для обеспечения объемного применения цвета к внутренним анатомическим структурам.
Для демонстрации этой техники, случаи пациентов с черепом базы хондросаркомы были выбраны в качестве примера. На хондросаркому приходится 20% всей неоплазии в скелетной системе, в основном расположенных в длинных костях. Первичные основы черепа хондросаркомы являются редким заболеванием, ответственным за 0,1-0,2% всех внутричерепных опухолей8. В основном расположенные на вершине петруса, эти опухоли растут в сложной анатомической среде с участием ключевых структур, таких как внутренняя сонная артерия, оптические и другие черепные нервы, а также гипофиза. Лечение этих неоплазм в основном сосредоточено на общей хирургической резекции, потому что адъювантная терапия сама по себе (например, радиация) не являются достаточно эффективными9.
Из-за сложности и редкости этой опухоли лица, предоперационное хирургическое моделирование в 3D печатных модель черепа может помочь лучше визуализировать и понять анатомию и помочь хирургу достичь полной резекции. Как показали другие10,11 3D-печать конкретных моделей пациента улучшает понимание как жителей, так и опытных нейрохирургов сложной нейроанатомии.
Однако создание таких индивидуальных моделей из медицинских данных изображений требует навыков сегментации изображений, 3D-моделирования и 3D-печати, особенно когда анатомические структуры должны быть напечатаны в разных цветах. Данная рукопись призвана сделать изготовление описанных анатомических моделей более доступными для других, предоставив подробный протокол для преобразования данных медицинской визуализации в виртуальные 3D-модели и для изготовления разноцветных 3D-объектов.
Рабочий процесс состоит главным образом из четырех частей: 1) сегментация медицинских изображений данных и создание виртуальной 3D-модели; 2) подготовка виртуальной 3D-модели для многоцветной 3D-печати; 3) подготовка к объемной окраске отдельных деталей; и 4) 3D-печать и постобработка.
Protocol
Representative Results
Discussion
Терапия внутричерепной хондросаркомы в основном основана на полном хирургическом удалении. Часто расположен на вершине петруса, эта опухоль близка к важным структурам, таким как внутренняя сонная артерия, зрительный нерв и гипофиз. Таким образом, планирование хирургических траекторий является важным шагом перед операцией. Многоцветная 3D печать позволяет сливить эти структуры, каждая из которых получена из различных методов визуализации, в один объект.
При подготовке к 3D-печати важно тщательно отбирать адекватные данные изображений. Изображения высокого разрешения с небольшой толщиной ломтика хорошо подходят для 3D-реконструкции и плавных переходов, в то время как высокие толщины срезов будут производить грубые, неравномерные объекты. Другим важным шагом метода является предотвращение пересечений двух соседних объектов, таких как опухоль и кость черепа. Таким образом, boolean операции должны быть выполнены, чтобы вычесть один объект из другого.
Для обеспечения объемной окраски необходимо создать луковые оболочки, как подповерхности внутри объекта(рисунок 2A,B). Для получения гладкоцветных объектов(рисунок 2D)необходимо иметь минимальное расстояние между двумя смежными поверхностями не менее 0,1 мм. Если выбранное расстояние превышает это значение, отдельные оболочки внутри объекта могут стать видимыми(рисунок 2C). Следует обратить внимание на повышенное потребление цвета 3D принтера при использовании объемной окраски. Кроме того, важно также проверить модель на наличие свободных деталей и добавить опоры, когда это необходимо (например, базилярную артерию).
Метод может производить только жесткий, штукатурка, как материал, который не очень прочный. Особенно без процедуры закаливания, модель может быть легко уничтожена во время процедуры распаковки. Таким образом, хрупкие элементы, такие как кровеносные сосуды, часто имеют тенденцию распадаться.
Техника также не подходит для моделирования мягких тканей. Для имитации ткани мозга, например, может быть необходимо либо распечатать его с помощью метода, который способен производить мягкие и твердые материалы непосредственно12,13 или печатать формы, которые могут быть использованы для отливки мягких объектов, таких как силиконоваярезина 14. В одном тестовом случае, последний метод был использован для имитации мягкой опухоли. Ограничение этой последней процедуры было то, что, хотя силиконовая опухоль была очень гибкой, необходимо было иметь достаточно места, чтобы вставить его в 3D печатной модели. Кроме того, не было возможности создать внутренние структуры, такие как кровеносный сосуд.
3D связующего струи является аддитивная техника производства, которая собирает объекты путем частичного затвердевания и окраски тонких слоев гипсового порошка. Таким образом, он позволяет печатать почти неограниченный диапазон цветов, цветовых переходов и цветных структур внутри объема объектов в одном процессе.
По сравнению с другими методами печати, такими как нити принтеры, которые производят самые низкие затраты, но только позволяют два или три цвета одновременно, и Poly Jet принтеры, которые производят многоцветные, многоматериальные объекты, но очень дорого, этот метод предлагает компромисс по доступной цене. Средняя стоимость материала для печатного черепа составила около 150 евро.
С помощью этого метода можно визуализировать еще более абстрактные данные, такие как волокна нити, полученные из последовательностей отслеживания МРТ волокна или функциональной визуализации, изображающие, например, область речи мозга (например, область Broca%s).
Помимо хирургического моделирования, 3D печатные, полностью цветные модели реальной анатомии пациента может помочь улучшить образование студентов-медиков или молодых врачей, чтобы они могли лучше понять сложные анатомические отношения. Это также важный инструмент в обучении пациентов.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Часть этой работы была представлена в качестве плаката на ежегодном собрании Немецкого нейрохирургического общества (DGNC) 2019 в Вюрцбурге, Германия, и в качестве краткой презентации на ежегодном собрании Немецкого общества компьютерной и роботизированной хирургии (CURAC) 2019 в Ройтлинген, Германия.
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 |
References
- Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
- Wu, P., et al. Quantitative evaluation of different far lateral approaches to the cranio-vertebral junction using the microscope and the endoscope: a cadaveric study using a tumor model. Acta Neurochirurgica. 160, 695-705 (2018).
- Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).
- Stone, J. J., Matsumoto, J. M., Morris, J. M., Spinner, R. J. Preoperative Planning Using 3-Dimensional Printing for Complex Paraspinal Schwannoma Resection: 2-Dimensional Operative Video. Operative Neurosurgery. 16 (3), 80 (2018).
- Scerrati, A., et al. A workflow to generate physical 3D models of cerebral aneurysms applying open source freeware for CAD modeling and 3D printing. Interdisciplinary Neurosurgery. 17, 1-6 (2019).
- Kamio, T., et al. Utilizing a low-cost desktop 3D printer to develop a “one-stop 3D printing lab” oral and maxillofacial surgery and dentistry fields. 3D Printing in Medicine. 4, 6 (2018).
- Kondo, K., et al. A neurosurgical simulation of skull base tumors using a 3D printed rapid prototyping model containing mesh structures. Acta Neurochirurgica. 158, 1213-1219 (2016).
- Awad, M., Gogos, A. J., Kaye, A. H. Skull base chondrosarcoma. Journal of clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 24, 1-5 (2016).
- Jones, P. S., et al. Outcomes and patterns of care in adult skull base chondrosarcomas from the SEER database. Journal of Clinical Neuroscience: Official Journal of the Neurosurgical Society of Australasia. 21, 1497-1502 (2014).
- Karakas, A. B., Govsa, F., Ozer, M. A., Eraslan, C. 3D Brain Imaging in Vascular Segmentation of Cerebral Venous Sinuses. Journal of Digital Imaging. 32 (2), 314-321 (2018).
- Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. 의학. 97, 9516 (2018).
- Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
- Coelho, G., et al. Multimaterial 3D printing preoperative planning for frontoethmoidal meningoencephalocele surgery. Child’s Nervous System: ChNS: Official Journal of the International Society for Pediatric Neurosurgery. 34, 749-756 (2018).
- Javan, R., Cho, A. L. An Assembled Prototype Multimaterial Three-Dimensional-Printed Model of the Neck for Computed Tomography- and Ultrasound-Guided Interventional Procedures. Journal of Computer Assisted Tomography. 41, 941-948 (2017).
