متعدد ألوان 3D طباعه الأورام المعقدة داخل الجمجمة في جراحه المخ والأعصاب
Summary
يصف البروتوكول تلفيق المطبوعات ثلاثية الابعاد الملونة بالبالكامل لنماذج الجمجمة التشريحية الخاصة بالمريض لاستخدامها في المحاكاة الجراحية. يتم شرح الخطوات الحاسمة للجمع بين طرائق التصوير المختلفة ، وتجزئه الصور ، واستخراج النماذج ثلاثية الابعاد ، وإنتاج المطبوعات.
Abstract
توفر تقنيات الطباعة ثلاثية الابعاد (3D) امكانيه تصور الامراض الخاصة بالمريض في نموذج فيزيائي من الابعاد الصحيحة. ويمكن استخدام هذا النموذج للتخطيط ومحاكاة الخطوات الحاسمة للنهج الجراحي. ولذلك ، من المهم ان الهياكل التشريحية مثل الاوعيه الدموية داخل الورم يمكن طباعتها لتكون ملونه ليس فقط علي سطحها ، ولكن في جميع انحاء حجمها كله. اثناء المحاكاة هذا يسمح لأزاله أجزاء معينه (علي سبيل المثال ، مع الحفر عاليه السرعة) والكشف عن الهياكل الموجودة داخليا من لون مختلف. التالي ، يمكن الجمع بين المعلومات التشخيصية من مختلف طرائق التصوير (علي سبيل المثال ، CT ، MRI) في جسم واحد مدمج وملموس.
ومع ذلك ، فان اعداد وطباعه هذا النموذج التشريحي الملون بالبالكامل يظل مهمة صعبه. ولذلك ، يتم توفير دليل خطوه بخطوه ، مما يدل علي انصهار مختلف مجموعات البيانات التصويرية عبر المقطعية ، وتقسيم الهياكل التشريحية ، وإنشاء نموذج ظاهري. في الخطوة الثانية يتم طباعه النموذج الظاهري مع الهياكل التشريحية الملونة بشكل متناظر باستخدام الجص القائم علي تقنيه 3D الموثق النفث. تسمح هذه الطريقة بالاستنساخ الدقيق للغاية لتشريح المريض الخاص كما هو موضح في سلسله من المواد المطبوعة الثلاثية الابعاد. وعلاوة علي ذلك ، يمكن قطع النماذج التي تم إنشاؤها وحفر ، والكشف عن الهياكل الداخلية التي تسمح لمحاكاة العمليات الجراحية.
Introduction
العلاج الجراحي لأورام قاعده الجمجمة مهمة صعبه تتطلب تخطيطا دقيقا قبل الجراحة1. التصوير متعدد الوسائط باستخدام التصوير المقطعي المحوسب (CT) والرنين المغناطيسي (MRI) يزود الجراح بمعلومات عن التشريح الفردي للمريض. في الممارسة السريرية ، يتم تصور هذه المعلومات التشخيصية عن طريق عرض سلسله من ثنائي الابعاد (2D) المقاطع العرضية التي تمثل جوانب مختلفه من التشريح (علي سبيل المثال ، CT لتصور العظام ، تصوير الاوعيه المقطعية للسفن ، التصوير بالرنين المغناطيسي للانسجه الرخوة).
ومع ذلك ، وخاصه بالنسبة للمبتدئين ، وطلاب الطب ، والمرضي ، فهم العلاقات المعقدة للهياكل 3D مختلفه إلى الصور المقطعية صعبه. بجانب الدراسات تاكل2، يمكن معالجه هذه المشكلة عن طريق إنشاء نماذج تشريحيه حقيقية الحجم من الامراض الفردية ، وعرض الهياكل التشريحية في ألوان مختلفه3.
وبفضل التطورات التقنية في السنوات الاخيره ، تسمح تقنيات الطباعة ثلاثية الابعاد ببناء فعال من حيث التكلفة للاشكال المعقدة4و5. ولذلك ، فان هذه التقنية توفر امكانيه لبناء نماذج تشريحيه خاصه بالمريض والتي هي ملموسه ، تصور بوضوح العلاقات المكانية ، ويمكن استخدامها للتخطيط الجراحي والمحاكاة. وخاصه في الحالات النادرة والمعقدة مثل الذبابة الغضروفية العليا ، قد تساعد المحاكاة قبل الجراحة لأزاله الورم في حاله فرديه علي تحسين ثقة الجراح بنفسه ونتيجة المريض.
الشائعة FDM الطباعة (النمذجة ترسب الخيوط) التقنيات تسمح فقط لخلق الكائنات مع سطح مغلق في واحده أو مجموعه محدوده من ألوان6. لتوفير نموذج للمحاكاة الجراحية التي تحتوي علي مختلف الهياكل التشريحية علي شكل معقده بشكل رئيسي متداخلة داخل بعضها البعض ، وهناك حاجه إلى مطبوعات ثلاثية الابعاد الملونة بشكل متماثل تماما. وهذا يسمح لأزاله متعاقبة من طبقات الانسجه حتى يتم الكشف عن هيكل داخلي.
الجص القائم علي اللون 3d الموثق نفث هو تقنيه قادره علي إنتاج النماذج متعددة ألوان المطلوبة7. بينما في تكويناته القياسية فقط سطح كائن يمكن ان تكون ملونه ، هنا يتم وصف تقنيه معدله لضمان تطبيق الحجمي من اللون إلى الهياكل التشريحية الداخلية.
لإثبات هذه التقنية ، تم اختيار حالات المرضي الذين يعانون من قاعده الجمجمة الغضروفية كمثال. وتمثل نسبه 20 في المائة من جميع الأورام الغضروفية في النظام الهيكلي ، ومعظمها موجود في العظام الطويلة. قاعده الجمجمة الاساسيه الغضروفية هي حاله نادره مسؤوله عن 0.1-0.2 ٪ من جميع الأورام داخل الجمجمة8. تقع هذه الأورام أساسا في قمة البترووس ، وتنمو في بيئة تشريحيه معقده تنطوي علي هياكل محوريه مثل الشريان السباتي الداخلي ، والعصب البصري وغيرها من الأعصاب القحفيه ، فضلا عن الغدة النخامية. ويتركز علاج هذه الأورام أساسا علي استئصال الجراحية الكلي ، لان العلاجات المساعد وحدها (علي سبيل المثال ، الإشعاع) ليست فعاله بما فيه الكفاية9.
نظرا لتعقيد وندره هذا الكيان الورم ، المحاكاة الجراحية قبل الجراحة في نموذج الجمجمة المطبوعة 3D قد تساعد علي تحسين تصور وفهم التشريح ومساعده الجراح تحقيق استئصال كامل. كما هو مبين من قبل الآخرين10،11 الطباعة ثلاثية الابعاد من النماذج الخاصة بالمريض يحسن كل من المقيمين وذوي الخبرة من الأطباء الأعصاب فهم التشريح العصبي المعقدة.
ومع ذلك ، فان إنشاء مثل هذه النماذج الفردية من بيانات التصوير الطبي يتطلب مهارات في تجزئه الصور ، والنمذجة ثلاثية الابعاد ، والطباعة ثلاثية الابعاد ، وخاصه عندما تكون الهياكل التشريحية مطبوعه بألوان مختلفه. تهدف هذه المخطوطة إلى جعل تصنيع النماذج التشريحية الموصوفة أكثر سهوله للآخرين من خلال توفير بروتوكول مفصل لتحويل بيانات التصوير الطبي إلى نماذج افتراضيه ثلاثية الابعاد ولتصنيع كائنات ثلاثية الابعاد متعددة ألوان.
ويتكون سير العمل أساسا من أربعه أجزاء: 1) تقسيم بيانات التصوير الطبي وإنشاء نموذج 3D الظاهري; 2) اعداد نموذج 3D الظاهري للطباعة متعددة ألوان 3D ؛ 3) التحضير لتلوين الحجمي من أجزاء مختاره ؛ و 4) 3D الطباعة ومعالجه ما بعد.
Protocol
Representative Results
Discussion
يعتمد علاج الورم الغضروفي داخل الجمجمة أساسا علي الازاله الجراحية الكاملة. في كثير من الأحيان تقع علي قمة رومانوس ، وهذا الورم هو علي مقربه من الهياكل الهامه مثل الشريان السباتي الداخلي ، والعصب البصري ، والغدة النخامية. ولذلك ، فان التخطيط للمسارات الجراحية هو خطوه حاسمه قبل الجراحة. الطباعة ثلاثية الابعاد متعددة ألوان تسمح لانصهار هذه الهياكل ، كل مشتقه من طرائق التصوير المختلفة ، في كائن واحد.
اثناء التحضير للطباعة ثلاثية الابعاد من المهم اختيار بيانات التصوير المناسبة بعناية. الصور عاليه الدقة مع سمك شريحة صغيره هي مناسبه تماما لأعاده الاعمار 3D والتحولات السلس ، في حين ان شريحة سمك عاليه سوف تنتج الخشنة ، والكائنات غير المتكافئة. خطوه حاسمه أخرى من الأسلوب هو تجنب اي تقاطعات من الكائنات المجاورة اثنين مثل الورم وعظم الجمجمة. لذلك ، يجب تنفيذ عمليات منطقيه لطرح كائن واحد من الآخر.
للسماح للتلوين الحجمي فمن الضروري لخلق البصل قذيفة مثل السطوح الفرعية داخل كائن (الشكل 2A،B). فمن الضروري ان يكون الحد الأدنى من المسافة بين اثنين من السطوح المجاورة علي الأقل 0.1 مم للحصول علي الكائنات الملونة بسلاسة (الشكل 2D). وإذا كانت المسافة المختارة اعلي من هذه القيمة ، فقد تصبح القذائف الفردية الموجودة داخل الجسم مرئية (الشكل 2 ج). وينبغي إيلاء الاهتمام لزيادة استهلاك اللون من الطابعة 3D عند استخدام التلوين الحجمي. وعلاوة علي ذلك ، فمن المهم أيضا للتحقق من نموذج لأي أجزاء فضفاضة وأضافه دعم عند الضرورة (علي سبيل المثال ، الشريان باسيار).
الأسلوب يمكن ان تنتج فقط قاسيه ، الجص مثل المواد التي ليست دائمة جدا. خصوصا دون اجراء تصلب ، يمكن تدمير النموذج بسهوله اثناء اجراء تفريغ. وهكذا ، غالبا ما تميل العناصر الهشة مثل الاوعيه الدموية إلى الانفصال.
هذه التقنية هي أيضا غير مناسبه لمحاكاة الانسجه الرخوة. لمحاكاة انسجه المخ ، علي سبيل المثال ، قد يكون من الضروري اما طباعته مع الطريقة التي هي قادره علي إنتاج المواد اللينة والصلبة مباشره12،13 أو لطباعه قوالب التي يمكن استخدامها للقاء الأشياء الناعمة ، مثل سيليكون المطاط14. في حاله اختبار واحده ، استخدمت الطريقة الاخيره لمحاكاة ورم رخو. وكان الحد من هذا الاجراء الأخير انه علي الرغم من ان ورم السيليكون كان مرنا جدا ، كان من الضروري ان يكون مساحة كافيه لادراجه في النموذج المطبوع 3D. وعلاوة علي ذلك ، لم يكن من الممكن إنشاء هياكل داخلية ، مثل الاوعيه الدموية.
3d الموثق نفث هو تقنيه التصنيع المضافة التي تجمع الكائنات عن طريق تصلب جزئي وتلوين طبقات رقيقه من مسحوق الجص. وهكذا ، فانه يسمح للطباعة مجموعه غير محدوده تقريبا من ألوان ، والتحولات اللون ، والهياكل الملونة داخل حجم الكائنات في عمليه واحده.
بالمقارنة مع غيرها من تقنيات الطباعة مثل الطابعات خيوط ، والتي تنتج اقل التكاليف ولكن السماح فقط اثنين أو ثلاثه ألوان في وقت واحد ، والطابعات النفاثة بولي التي تنتج متعددة ألوان ، والكائنات ذات المواد المختلفة ولكنها مكلفه للغاية ، وتقدم هذه التقنية تسويه بأسعار معقولة. كانت التكلفة المادية المتوسطة لجمجمة مطبوعه حوالي €150.
مع هذا الأسلوب فمن الممكن لتصور المزيد من البيانات مجرده مثل خيوط ألياف المستمدة من الرنين المغناطيسي تتبع تسلسل ألياف أو التصوير الوظيفي تصور ، علي سبيل المثال ، منطقه خطاب الدماغ (مثلا ، Broca% s منطقه).
وبصرف الفضل عن المحاكاة الجراحية ، 3D المطبوعة ، نماذج ملونه بالبالكامل من تشريح المريض الحقيقي يمكن ان تساعد في تحسين تعليم طلاب الطب أو الأطباء الشباب حتى يتمكنوا من فهم أفضل العلاقات التشريحية المعقدة. وهو أيضا أداه هامه في تعليم المرضي.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد قدمت أجزاء من هذا العمل كملصق في الاجتماع السنوي للجمعية المانيه لجراحه الأعصاب (DGNC) 2019 في فورتسبورغ, ألمانيا وكعرض قصير في الاجتماع السنوي للجمعية المانيه للكمبيوتر والروبوت جراحه بمساعده (CURAC) 2019 في ريتلينجن ، ألمانيا.
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 |
Referências
- 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. Medicina. 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).
