JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicine

Multicolor 3D printen van complexe intracraniële tumoren in Neurochirurgie

Published: January 11, 2020
doi:
10.3791/60471
, , , , , , ,
1Department of Neurosurgery,University Medical Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Germany, 2Institute of Physiological Chemistry,University Medical Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Germany

Summary

Het protocol beschrijft de fabricage van volledig gekleurde driedimensionale afdrukken van patiënt-specifieke, anatomische schedel modellen te gebruiken voor chirurgische simulatie. De cruciale stappen van het combineren van verschillende beeldvormings modaliteiten, beeldsegmentatie, driedimensionale model extractie en de productie van de prints worden toegelicht.

Abstract

Driedimensionale (3D) printtechnologieën bieden de mogelijkheid om patiëntspecifieke pathologieën te visualiseren in een fysiek model van correcte afmetingen. Het model kan worden gebruikt voor het plannen en simuleren van kritieke stappen van een chirurgische aanpak. Daarom is het belangrijk dat anatomische structuren zoals bloedvaten in een tumor kunnen worden gedrukt om niet alleen op hun oppervlak te worden gekleurd, maar in hun hele volume. Tijdens de simulatie zorgt dit voor het verwijderen van bepaalde delen (bijvoorbeeld met een high-speedboor) en het onthullen van intern gelegen structuren van een andere kleur. Diagnostische informatie van verschillende beeldvormings modaliteiten (bijv. CT, MRI) kan dus worden gecombineerd in één compact en tastbaar voorwerp.

De voorbereiding en het printen van zo’n volledig gekleurd anatomisch model blijft echter een moeilijke taak. Daarom wordt een stapsgewijze handleiding gegeven, waarmee de fusie van verschillende transversale beeldvormings gegevenssets, segmentatie van anatomische structuren en het maken van een virtueel model wordt aangetoond. In een tweede stap wordt het virtuele model gedrukt met volumetrisch gekleurde anatomische structuren met behulp van een gips-gebaseerde kleur 3D Binder jetting techniek. Deze methode maakt een zeer nauwkeurige reproductie van patiënt-specifieke anatomie mogelijk, zoals weergegeven in een reeks 3D-gedrukte petrous Apex chondrosarcomas. Bovendien kunnen de gecreëerde modellen worden gesneden en geboord, waardoor interne structuren worden onthuld die de simulatie van chirurgische ingrepen mogelijk maken.

Introduction

Chirurgische behandeling van schedelbasis tumoren is een uitdagende taak waarvoor precieze preoperatieve planning1. Multimodale beeldvorming met behulp van computertomografie (CT) en Magnetic Resonance Imaging (MRI) biedt de chirurg informatie over de individuele anatomie van de patiënt. In de klinische praktijk wordt deze diagnostische informatie gevisualiseerd door een reeks tweedimensionale (2D) dwarsdoorsneden weer te geven die verschillende aspecten van de anatomie vertegenwoordigen (bijv. CT voor visualisatie van bot, CT-angiografie voor vaten, MRI voor weke delen).

Echter, vooral voor beginners, medische studenten, en patiënten, het begrijpen van de complexe relaties van de verschillende 3D-structuren om de cross-sectionele beelden is uitdagend. Naast cadaveric studies2, dit probleem kan worden aangepakt door het opzetten van echte grootte anatomische modellen van individuele pathologieën, het weergeven van anatomische structuren in verschillende kleuren3.

Dankzij de technische vooruitgang in de afgelopen jaren, maken 3D-afdruk technologieën kosteneffectieve constructie van complexe vormen4,5mogelijk. Daarom biedt deze techniek de mogelijkheid om patiëntspecifieke anatomische modellen te construeren die tastbare, duidelijk verbeelden ruimtelijke verhoudingen zijn en kunnen worden gebruikt voor chirurgische planning en simulatie. Vooral in zeldzame en complexe gevallen zoals petrous Apex chondrosarcomas, preoperatieve simulatie van tumor verwijdering in een individueel geval kan helpen om het zelfvertrouwen van de chirurg en de uitkomst van de patiënt te verbeteren.

Gemeenschappelijke FDM-Printing (filament depositie modellering) technieken maken alleen het creëren van objecten met een gesloten oppervlak in een of een beperkt aantal kleuren6. Om een model voor chirurgische simulatie te bieden dat verschillende complexe gevormde anatomische structuren bevat die voornamelijk in elkaar zijn genest, zijn volledig volumetrisch gekleurde 3D-afdrukken nodig. Dit maakt een opeenvolgende verwijdering van weefsellagen mogelijk totdat een interne structuur wordt onthuld.

Gips-gebaseerde kleur 3D Binder jetting is een techniek die in staat is om de vereiste Multicolor modellen7te produceren. Terwijl in de standaardconfiguraties alleen het oppervlak van een object kan worden gekleurd, hierin wordt een gemodificeerde techniek beschreven om te zorgen voor volumetrische toepassing van kleur op interne anatomische structuren.

Om deze techniek te demonstreren, werden gevallen van patiënten met schedelbasis chondrosarcomas als voorbeeld geselecteerd. Chondrosarcomas voor 20% van alle neoplasie in het skelet systeem, meestal gelegen in de lange botten. Primaire schedelbasis chondrosarcomen zijn een zeldzame aandoening die verantwoordelijk is voor 0.1 – 0.2% van alle intracraniële tumoren8. Voornamelijk gelegen aan de petrous Apex, deze tumoren groeien in een complexe anatomische omgeving met cruciale structuren zoals de inwendige halsslagader, de optiek en andere craniale zenuwen, evenals de hypofyse. De behandeling van deze Neoplasmata is voornamelijk gericht op een totale chirurgische resectie, omdat adjuvante therapieën alleen (bijv. straling) niet effectief genoeg zijn9.

Als gevolg van de complexiteit en zeldzaamheid van deze tumor entiteit, preoperatieve chirurgische simulatie in een 3D gedrukte schedel model zou kunnen helpen om de anatomie beter te visualiseren en te begrijpen en om de chirurg te helpen volledige resectie te bereiken. Zoals weergegeven door anderen10,11 3D printen van patiënt-specifieke modellen verbetert zowel bewoners ‘ en ervaren neurochirurgen ‘ begrip van complexe neuroanatomie.

Het maken van dergelijke geïndividualiseerde modellen van medische beeldvormende gegevens vereist echter vaardigheden in beeldsegmentatie, 3D-modellering en 3D-printen, vooral wanneer anatomische structuren in verschillende kleuren moeten worden afgedrukt. Dit manuscript is bedoeld om de vervaardiging van de beschreven anatomische modellen toegankelijker te maken voor anderen door het verstrekken van een gedetailleerd protocol voor het omzetten van medische beeldvormende gegevens in virtuele 3D-modellen en voor de fabricage van veelkleurige 3D-objecten.

De workflow bestaat voornamelijk uit vier delen: 1) segmentatie van medische beeldvormende gegevens en creatie van een virtueel 3D-model; 2) voorbereiding van het virtuele 3D-model voor Multicolor 3D-printen; 3) voorbereiding voor volumetrische kleuring van geselecteerde onderdelen; en 4) 3D printen en nabewerken.

Protocol

Het protocol is goedgekeurd door de verantwoordelijke lokale ethische Commissie (Ethikkommission der Landesärztekammer Rheinland-Pfalz, Deutschhausplatz 3, 55116 Mainz, Duitsland). Alle institutionele richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van patiëntgegevens werden opgevolgd. 1. segmentatie van medische beeldvormende gegevens en creatie van een virtueel 3D-model Opmerking: de software die we gebruikten voor segmentatie was Amira 5.4.5. Het segmentatie proces kan ook worden gerealiseerd met behulp van open source software (bijv. 3D slicer, https://www.Slicer.org/) Gebruik beeldvormende gegevens met een hoge ruimtelijke resolutie (bijv. een snijdikte van 1 mm of minder). Hier werd een craniale CT-gegevensset met een snijdikte van 0,5 mm en extra MRI-gegevens met een snijdikte van 1 mm gebruikt. Gebruik CT-gegevens voor de segmentatie van bot, contrast verbeterde T1 MRI-beelden voor de segmentatie van tumor en neurale structuren, evenals tijd-of-Flight (TOF) beelden voor schepen. Download de DICOM-bestanden op de computer en open de segmentatie software. Importeer de bestanden van de verschillende beeldvormings modaliteiten en selecteer de map met de Imaging gegevens. Klik op de CT-afbeeldingen en verbind ze met een volume rendering module (Volren). Kies spiegelaar voor een realistischer weergave en pas de schuifregelaar voor kleur overdracht aan om alleen bot te visualiseren. Doorgaan met het importeren van de MRI-sequenties en verbind ze met een volume rendering module ook. Registratie Omdat de MRI-en CT-beelden elkaar niet overlappen, is het noodzakelijk om de verschillende beeldvormings gegevens te laten smelten. Klik daarom met de rechtermuisknop op de MRI-gegevensset en kies Compute ≫ affiene registratie. Kies referentie door op het witte vierkant van de module te klikken en sleep de cursor vervolgens naar de CT. In de registratie module eigenschappen laat alle instellingen op standaard en klik op align Centers, gevolgd door te klikken op registreren. De twee verschillende Imaging-gegevenssets zijn nu samengesmolten. Herhaal deze stap voor alle verdere Imaging-gegevenssets. Controle van de nauwkeurigheid van de matching: Controleer de overeenkomende nauwkeurigheid door de volume weergave te verbergen (Klik op het oranje vierkant van de module) en een Orthoslice -module toe te voegen aan de Mr-afbeeldingen. Klik op de witte driehoek en kies Colorwash. Klik vervolgens op het witte vierkant, kies gegevens en verbind deze poort met de CT-gegevens door de muis naar het plein te slepen. Pas de kleurschuifregelaar aan om de neurale structuren te visualiseren die worden toegepast op de botstructuur van de botten. Controleer op eventuele verkeerde uitlijningen door de schuifregelaar voor de gewichtsfactor te schakelen terwijl je kijkt naar de grens tussen de schedel en de hersen oppervlakken, evenals de ventrikels. Herhaal deze procedure op verschillende segmenten in coronale en sagittale richtingen. Volumetrische bewerking Deactiveer de zichtbaarheid van de Orthoslice -module en activeer de weergave van het volume van de CT. Ga naar de CT-gegevens en zoek naar de laagste waarde in de gegevensset, in dit geval-2.048. Voeg vervolgens een volume Edit -module toe, Verbind de volren -module met de uitvoergegevens en stel de opvul waarde in op-2.048. Klik op knippen binnen en markeer de regio die u wilt verwijderen in de 3D viewport.Opmerking: het is belangrijk om overlappingen te voorkomen met onderdelen die niet zijn bedoeld om te worden verwijderd. In dit voorbeeld werden delen van het onderkaak bot en de bovenste halswervels verwijderd. Segmentatie van bot Vervolgens moet de resterende bone worden gesegmenteerd en omgezet in een oppervlak gaas. Om dit te doen, klik op de segmentatie-editor, kies de gewijzigde CT-afbeelding sequentie, en voeg een nieuwe labelset door te klikken op Nieuw. Kies nu drempel als segmentatie optie. Stel de onderste schuifregelaar in op de waarde ~ 250 in het geval van een CT. Zorg ervoor dat dunne botstructuren zoals het temporale bot of het bovenste orbitaal gebied in het voorbeeld zijn geselecteerd. Anders, pas de lagere drempel, maar vermijd het selecteren van een zacht weefsel. Klik vervolgens op Selecteer en tenslotte Voeg de selectie toe aan de labelset (door te klikken op het rode plus icoon). Keer terug naar het uitzicht op het zwembad. Er is een nieuwe labelset gemaakt voor de CT. Klik met de rechtermuisknop en kies Compute ≫ Surface gen, Controleer de Compactify optie en klik op toepassen. Voeg ten slotte een Surfaceview -module toe en pas de kleur van het gegenereerde gaas aan. Segmentatie van andere structuren Voeg andere relevante structuren toe door de vorige stappen te herhalen. In het geval van de tumor, handmatige segmentatie werd gebruikt in plaats van een drempelmethode operatie. Als u handmatige segmentatie wilt uitvoeren, gaat u naar de segmentatie-editoren kiest u de optie Handmatige segmentatie (pictogram penseel) om structuren zoals de tumor in elk segment te markeren. Voeg ten slotte de selectie opnieuw toe door op het plus pictogram te klikken. Zo zullen de tumor, de oogzenuw en de intracraniële vaten worden gesegmenteerd en aan het model worden toegevoegd. Mazen exporteren Exporteer ten slotte de gegenereerde mazen in het STL-formaat door met de rechtermuisknop op het gaas te klikken en op Opslaante klikken. Kies binary STL als de bestandsindeling. 2. voorbereiding van het virtuele 3D-model voor Multicolor printen Opmerking: de software die wordt gebruikt voor de afdruk voorbereiding in dit protocol is Netfabb Premium 2019,0. Autodesk biedt gratis gebruik van deze software in haar educatieve programma. Importeer gegevens en voer automatische reparaties uit. Open het programma voor het voorbereiden van afdrukken en importeer de netten die in de vorige stappen zijn gegenereerd als nieuwe onderdelen. Controleer automatisch herstellen en klik op importeren. Kleine losse onderdelen verwijderen Selecteer de schedel en Splits de schelpen in delen door te klikken op wijzigen > splitsen van schelpen in delen. Dit scheidt losse voorwerpen die niet verbonden zijn met het schedel bot. Selecteer de schedel Bone en schakel de zichtbaarheid uit. Selecteer nu alle andere onderdelen en verwijder ze. Schakel de zichtbaarheid van de schedel weer in. Herhaal deze stap voor alle andere objecten. Overlappende gebieden verwijderen.Opmerking: in sommige regio’s, zoals de tumor binnen de petrous-Apex van de schedel, kruisen de geometrieën van beide objecten elkaar. Om afdrukfouten te voorkomen, is het noodzakelijk om dergelijke kruispunten te verwijderen. Selecteer de twee kruisende objecten en klik op Booleaanse bewerkingen. Verplaats het object dat moet worden afgetrokken van de andere naar de rode kant van de lijst en klik op toepassen. Nu zijn de twee objecten duidelijk gescheiden. Dit moet worden gecontroleerd door de zichtbaarheid te schakelen. Herhaal deze stappen om zowel de tumor als de slagader binnen de tumor duidelijk van elkaar gescheiden te laten worden. Voeg ondersteunende structuren toe waar nodig. In het geval van de basilaire slagader, extra steunen zijn nodig om te voorkomen dat het object een losse deel na het afdrukken. Voeg een nieuw object toe, in dit geval een cilinder (bestand ≫ deel bibliotheek), en pas zo nodig de afmetingen en onderverdelingen aan. Plaats de cilinder om volledig te snijden met de schedel en de geometrie van het vat. Voer nu de Booleaanse bewerking opnieuw uit om de delen in het bot en het bloedvat af te trekken. Herhaal deze stap om waar nodig meer ondersteuning toe te voegen (bijv. de oogzenuw). 3. voorbereiding voor volumetrische kleuring van geselecteerde onderdelen Opmerking: om volumetrische kleuring van bepaalde delen toe te staan, is het noodzakelijk om niet alleen één oppervlakte schaal te genereren, maar veel subshells (extra oppervlakken) in het object. Selecteer de tumor, in dit geval, en Genereer een nieuwe shell van het (Klik met de rechtermuisknop > wijzigen ≫ Shell genereren). Stel een schaal dikte van 0,3 mm in de binnenste offset modus met een nauwkeurigheid van 0,15 mm en van toepassing. Schakel het selectievakje origineel onderdeel behouden in. Dit genereert een binnenschil met een afstand van 0,3 mm tot het oorspronkelijke oppervlak. Selecteer het buitenoppervlak van beide schelpen en Genereer er een nieuwe shell van. Selecteer een schaal dikte van 0,25 mm in holle modus met een nauwkeurigheid van 0,15 mm. Schakel ook het selectievakje origineel onderdeel verwijderen in. Dit genereert een ruimte van 0,05 mm tussen de twee aangrenzende schelpen. Herhaal stap 3.1 – 3.3 zodat er meerdere binnenste schelpen met constante diktes en invariante verschuivingen worden gemaakt.Let op: het wordt aanbevolen om een schaal dikte van 0,35 – 0,25 mm en een offset van 0.1 – 0.05 mm gebruiken om gladde volumetrische kleuren te bereiken. Herhaal stap 3.1 – 3.4 met alle andere voorwerpen, zoals de bloedvaten. 4. kleuren en exporteren van het 3D-model Opmerking: de kleur van alle onderdelen van het model, inclusief de afzonderlijke geneste shells, wordt gedaan met behulp van de Netfabb-software. Selecteer een onderdeel dat u wilt kleuren in het menu onderdelen aan de linkerkant. Dubbelklik op het pictogram textuur en kleur mesh . Kies een kleur door op de kleurenbalk aan de rechterkant te klikken. Klik in het bovenste menu met de linkermuisknop op het pictogram verf op schelpen . Klik vervolgens links op het model dat wordt weergegeven in het scherm centrum. Klik tenslotte links op het vak wijzigingen toepassen in de rechterbenedenhoek. Zorg ervoor dat u de optie oude onderdelen verwijderen bevestigt. Herhaal deze stappen met alle andere objecten en shells, respectievelijk. Exporteer alle objecten. Selecteer alle objecten die moeten worden afgedrukt, inclusief ondersteuningen en binnenste shells, en exporteer ze als afzonderlijke bestanden. Zorg ervoor dat u de VRML (WRL)-indeling kiest, omdat de STL-indeling de kleurinformatie niet kan transporteren. 5. printen en nabewerken van het 3D-model De 3D-printer instellenOpmerking: de 3DPrint software (versie 1,03) werd gebruikt om de ZPrinter 450 Binder jetting machine te bedienen. Open de software en importeer de gekleurde VRML-bestanden door op openen te klikken en alle relevante gegevens te kiezen. Klik op de knop openen in de rechterbenedenhoek van het venster. Kies in het daaropvolgende venster millimeter als eenheden. Controleer de Houd positie en oriëntatie , evenals de instellingen toepassen op alle bestanden dozen. Kies ten slotte Z151 als het materiaaltype. Klik op de knop volgende . Voor het positioneren van de 3D-objecten in het bouwvolume markeert u alle objecten door op de < STRG > + een toets te drukken. Klik en sleep de gemarkeerde objecten naar het midden in het venster linksboven, dat de XY-weergave van het build-volume vertegenwoordigt. Klik in het linkerbenedenhoek venster, dat de XZ-weergave van het build-volume weergeeft, op de objecten in het midden van het onderste gedeelte boven de gele lijn. Als er een hele schedel model wordt gedrukt, zorg er dan voor dat de opening naar boven is gericht. Als geïsoleerde kleine modellen worden afgedrukt, moet u delicate onderdelen zoals vaten met het XY-vlak uitlijnen, omdat deze oriëntatie de sterkte van de respectieve delen zal vergroten. Controleer de juiste oriëntatie van de modellen door ze in het venster aan de rechterkant te klikken en te verplaatsen. Om u voor te bereiden op het bouwproces, klikt u op het instellingen pictogram in het bovenste menu. Zorg ervoor dat het juiste materiaal type is geselecteerd en dat de laagdikte is ingesteld op 0,1 mm. De afloop compensatie moet worden gecontroleerd en de optie afdrukken in zwart-wit is uitgeschakeld. Om het afdrukproces te starten, klikt u op het pictogram Build in het bovenste menu. Kies in het daaropvolgende venster hele build en klik op de OK knop. Zorg ervoor dat in de volgende printer status dialoog alle vermelde items correct zijn ingesteld en dat de printer online is. Klik vervolgens op de knop afdrukken in het onderste deel van het dialoogvenster. Post verwerking van het modelLet op: Draag altijd een laboratoriumjas, handschoenen, oogbescherming en een masker tijdens het hanteren van het losse poeder en de hardings oplossing. Werk altijd in een goed geventileerde ruimte. Uitpakken Nadat het afdrukken is voltooid, pakt u het model uit door het losse poeder voorzichtig te verwijderen met de geïntegreerde stofzuiger. Het is belangrijk om niet direct contact op met het model met de zuigbuis om te voorkomen dat dunne structuren uit elkaar breken. Verwijder het model en reinig het door de lucht onder druk te zetten en te reinigen met een zachte borstel. Dikker, stabieler, delen van het model kunnen bovendien worden gemalen met een hardere borstel. Deze optionele stap zorgt voor een gladdere oppervlakteafwerking. Houd er rekening mee dat het model in deze staat nog steeds erg kwetsbaar is. Infiltratie Zet het model in een plastic kuip. Infiltreren het zorgvuldig met de hardings oplossing totdat er geen witachtige gebieden zichtbaar zijn. De overtollige oplossing moet worden verwijderd met lucht onder druk en wegwerp papieren handdoeken om alle oppervlakte details te behouden. Laat het model enkele uren uitharden totdat het volledig droog is.

Representative Results

Acht patiënten met chondrosarcoom van de petrous Apex werden geselecteerd voor de studie en virtuele 3D-modellen werden gemaakt, elk met bot, tumor, vaten, hypofyse, en oogzenuw oversteek. Drie modellen onderging veelkleurig 3D-printen met de op gebaseerde kleur 3D Binder jetting techniek (Figuur 1a1, a2). Daarnaast werd een enkele tumor met een inwendige slagader gecreëerd (Figuur 1B1) om de voordelen van volumetrische kleuring te tonen in vergelijking met de oppervlakte kleuring (Figuur 1B2, B3). Deze modellen werden gebruikt om de simulatie van een chirurgische aanpak (bijv. Burr hole creatie) en tumorresectie aan te tonen. Deze Druktechniek toegestaan voor het combineren van anatomische structuren afgeleid van verschillende beeldvormende modaliteiten in één enkel object. Het pleister materiaal had botachtige eigenschappen en kon gemakkelijk worden geboord zonder te smelten. Het was dus haalbaar om het te gebruiken om een chirurgische toegangsroute te simuleren. Na de hardings procedure was het stabiel genoeg om zelfs fragiele structuren zoals de intracerebrale boom te reproduceren. De mogelijkheid om het gehele volume van het model te kleuren, heeft de interne structuur van een object toegestaan, zoals de interne halsslagader die door de tumor reist, om duidelijk te worden gevisualiseerd. Door het verwijderen van lagen van tumor met de boor, de rode slagader werd geleidelijk onthuld tijdens de chirurgische simulatie. Om de nauwkeurigheid van de techniek te bewijzen, werden 3D-modellen gescand in een computer tomograaf. De modellen die voor het afdrukken zijn gemaakt, werden op deze scans toegepast. Er is een afwijkings toewijzing gemaakt en de nauwkeurigheid is bepaald in 50 willekeurig gekozen Surface Points. Een gemiddelde afwijking van 0,021 mm toont de hoge overeenstemming van de 3D-print ten opzichte van de oorspronkelijke gegevens. Afbeelding 1: volumetrische versus oppervlak gekleurde 3D-afdrukken. A1. Voorbeeldige Full Color 3D print van een patiënt met chondrosarcoom op de juiste petrous Apex. A2. Gedetailleerd beeld van anatomische structuren (pijl = inwendige halsslagader bifurcatie; O = oogzenuw Chiasme; T = tumor). B1. Bloedvat overschrijding van de tumor volume en dwarsdoorsnede niveau (gestippelde lijn). B2. De conventionele Multicolor Druktechniek onthult kleur alleen aan de oppervlakte. B3. De gemodificeerde techniek produceert volumetrisch gekleurde voorwerpen die geschikt zijn voor geavanceerde chirurgische simulatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2: workflow voor volumetrische kleuren van 3D-prints. A. virtueel 3D-model van een tumor met een bloedvat die zijn volume overschrijdt zonder binnenste schelpen. B. een tumor en een bloedvat met meerdere binnenste schelpen (afstand 0,05 mm). C. een voorbeeld van een hoge schaal afstand (1 mm). De enkele lagen gekleurde en witte schelpen zijn nog zichtbaar. D. een voorbeeld van een kleine schaal afstand (0,1 mm). Het binnenste volume van het object is volledig gekleurd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

De therapie van intracraniële chondrosarcoom is voornamelijk gebaseerd op volledige chirurgische verwijdering. Vaak gelegen op de petrous Apex, deze tumor is dicht bij belangrijke structuren zoals de interne halsslagader, de oogzenuw, en de hypofyse. Daarom is het plannen van de chirurgische trajecten een cruciale stap voorafgaand aan de operatie. Multicolor 3D-printen maakt het mogelijk om deze structuren, elk afgeleid van verschillende beeldvormings modaliteiten, te combinatie in één object.

Tijdens de voorbereiding voor 3D-printen is het belangrijk om zorgvuldig adequate beeldvormings gegevens te selecteren. Hoge resolutie beelden met een kleine snijdikte zijn zeer geschikt voor 3D-reconstructie en vloeiende overgangen, terwijl hoge segment diktes Grove, ongelijke objecten produceren. Een andere kritieke stap van de methode is om te voorkomen dat alle kruisingen van twee naburige objecten zoals tumor en schedel bot. Daarom moeten Booleaanse bewerkingen worden uitgevoerd om één object van de andere af te trekken.

Om een volumetrische kleuring mogelijk te maken is het noodzakelijk om uien achtige suboppervlakken in een object te creëren (Figuur 2a,B). Het is noodzakelijk om een minimale afstand te hebben tussen twee aangrenzende oppervlakken van ten minste 0,1 mm om soepel gekleurde objecten te verkrijgen (figuur 2D). Als de gekozen afstand boven deze waarde ligt, kunnen de afzonderlijke shells in het object zichtbaar worden (figuur 2c). Er moet aandacht worden besteed aan een verhoogd kleur verbruik van de 3D-printer bij het gebruik van volumetrische kleuren. Bovendien is het ook belangrijk om het model te controleren op losse onderdelen en indien nodig ondersteuning toe te voegen (bijv. de basilaire slagader).

De methode kan alleen stijf, gips-achtig materiaal produceren dat niet erg duurzaam is. Vooral zonder de hardings procedure kan het model gemakkelijk worden vernietigd tijdens de ontpakkingsprocedure. Dus, fragiele elementen zoals bloedvaten vaak de neiging om uit elkaar te breken.

De techniek is ook niet geschikt voor simulatie van zacht weefsel. Om hersenweefsel te simuleren, bijvoorbeeld, kan het nodig zijn om het af te drukken met een methode die in staat is om zachte en harde materialen direct12,13 te produceren of om mallen af te drukken die kunnen worden gebruikt om zachte objecten te werpen, zoals silicone rubber14. In één testgeval werd de laatste methode gebruikt om een zachte tumor te simuleren. De beperking van deze laatste procedure was dat, hoewel de siliconen tumor zeer flexibel was, het nodig was om voldoende ruimte te hebben om het in het 3D gedrukte model in te voegen. Bovendien was het niet mogelijk om innerlijke structuren te creëren, zoals een bloedvat.

3D Binder jetting is een additieve fabricagetechniek die objecten assembleert door gedeeltelijke verharding en het kleuren van dunne lagen poeder. Zo u een bijna onbeperkt aantal kleuren, kleurovergangen en gekleurde structuren binnen het volume van objecten in één proces afdrukken.

In vergelijking met andere druktechnieken zoals filament printers, die de laagste kosten opleveren, maar slechts twee of drie kleuren tegelijk toelaten, en poly Jet printers die veelkleurig, multi materiaal objecten produceren maar erg duur zijn, biedt deze techniek een compromis tegen een betaalbare prijs. De gemiddelde materiaalkosten voor een gedrukte schedel bedroeg ongeveer €150.

Met deze methode is het mogelijk om nog meer abstracte gegevens te visualiseren, zoals filament vezels afgeleid van de Volg sequenties van een MRI-vezel of functionele beeldvorming die bijvoorbeeld het hersengebied (bijvoorbeeld het gebied van Broca% s) weergeeft.

Afgezien van chirurgische simulatie, kunnen 3D-gedrukte, volledig gekleurde modellen van echte patiënt anatomie helpen de opleiding van medische studenten of jonge artsen te verbeteren, zodat ze complexe anatomische relaties beter kunnen begrijpen. Het is ook een belangrijk instrument in het patiëntenonderwijs.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Delen van dit werk zijn gepresenteerd als een affiche op de jaarlijkse vergadering van de Duitse neurochirurgische vereniging (DGNC) 2019 in Würzburg, Duitsland en als een korte presentatie op de jaarlijkse bijeenkomst van de Duitse vereniging voor computer en robot bijgestaan chirurgie (CURAC) 2019 in Reutlingen, Duitsland.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Frank, G., et al. The endoscopic transnasal transsphenoidal approach for the treatment of cranial base chordomas and chondrosarcomas. Neurosurgery. 59, 50-57 (2006).
  2. 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).
  3. Huang, X., et al. A small 3D-printing model of macroadenomas for endoscopic endonasal surgery. Pituitary. 22 (1), 46-53 (2018).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Dong, M., et al. Three-dimensional brain arteriovenous malformation models for clinical use and resident training. Medicine. 97, 9516 (2018).
  12. Dolinski, N. D., et al. Solution Mask Liquid Lithography (SMaLL) for One-Step, Multimaterial 3D Printing. Advanced Materials. 30, 1800364 (2018).
  13. 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).
  14. 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).

Tags

3D PrintingMulticolor 3D PrintingChondrosarcomaPetrous ApexSurgical SimulationImage FusionImage SegmentationVirtual 3D ModelVolumetric ColoringCTMRIDICOMAmira Software

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Kosterhon, M., Neufurth, M., Neulen, A., Schäfer, L., Conrad, J., Kantelhardt, S. R., Müller, W. E. G., Ringel, F. Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery. J. Vis. Exp. (155), e60471, doi:10.3791/60471 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image