Anwendung der 3D-Drucktechnologie für die Vorfertigung

Jun 05, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 1671 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Untersuchung der Nützlichkeit des 3D-Drucks für präoperative Beurteilungen, die Ausbildung von Studenten und Assistenzärzten sowie die Kommunikation mit Eltern oder Erziehungsberechtigten von Patienten mit retroperitonealen Tumoren bei Kindern. Zehn Patienten, die zwischen März und November 2019 eine retroperitoneale Tumorresektion planten, wurden eingeschlossen. Für die 3D-Rekonstruktion und den Druck wurden präoperative Computertomographiebilder (CT) verwendet. Die befragten Punkte waren das Verständnis präoperativer Läsionen mit drei verschiedenen Modulen (CT, 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck) durch Studenten, Assistenzärzte und Spezialisten; Zufriedenheit der Fachkräfte; und Verständnis durch Erziehungsberechtigte nach präoperativen Erklärungen zu jedem Modul. Das mittlere Alter bei der Operation betrug 4,2 Jahre (Bereich 1,8–18,1) und bei 8 Patienten wurde ein Neuroblastom diagnostiziert. Der 3D-Druck war für alle Gruppen das verständlichste Modul (für Studierende, Assistenzärzte und Spezialisten, P = 0,002, 0,027 bzw. 0,013). Es traten keine signifikanten intraoperativen unerwünschten Ereignisse oder unmittelbar postoperativen Komplikationen auf. Alle Experten gaben an, dass der 3D-Druck ihr Verständnis von Fällen verbessert habe. Guardians antworteten, dass der 3D-Druck unter den drei Modulen am einfachsten zu verstehen sei (P = 0,007). Der Einsatz des 3D-Drucks bei der Behandlung von pädiatrischen Patienten mit retroperitonealen Tumoren war für die präoperative Planung, Aufklärung und Aufklärung der Eltern bei der Einholung von Einverständniserklärungen hilfreich.

Der 3D-Druck hat seine medizinischen Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen erweitert, darunter Bildung, präoperative Behandlungsplanung und kundenspezifische Instrumente1. Bei der Anwendung bei pädiatrischen Patienten wird der 3D-Druck hauptsächlich zur Planung von Behandlungen für angeborene Krankheiten eingesetzt2,3,4. Der Einsatz des 3D-Drucks vor der Resektion eines komplexen pädiatrischen Bauchtumors könnte für eine komplikationsfreie chirurgische Behandlung hilfreich sein5. Allerdings befindet sich die Anwendungsentwicklung noch in einem frühen Stadium und es wurden nur wenige Studien mit pädiatrischen Patientenmodellen durchgeführt6,7.

Tumore in der retroperitonealen Höhle eines Kindes, insbesondere bei Neuroblastomen, dringen in die umgebenden Strukturen ein, was bei der präoperativen zweidimensionalen Computertomographie (CT) des Abdomens unerwartet ist8,9. Aus diesem Grund wollten Kinderchirurgen dreidimensionale Werkzeuge für eine bessere Operationsplanung entwickeln, die zu besseren Operationsergebnissen führen könnten, indem unvollständige Exzisionen oder unerwartete Gefäßverletzungen vermieden werden5,6,7,8. Außerdem ist es für Medizinstudenten und Assistenzärzte in der Chirurgie schwierig, die anatomische Lage der retroperitonealen Tumoren zu verstehen und zu verstehen, wie sie operiert werden sollten10. Daher besteht ein Bedarf an Werkzeugen zur intuitiven Visualisierung und Vermittlung anatomischer Strukturen. 3D-Druck kann zur Erfüllung dieser Anforderungen eingesetzt werden, da der Einsatz von 3D-Druck in der anatomischen Ausbildung eine Brücke zur großen Erfahrungslücke sein könnte, indem das räumliche Verständnis komplexer Anatomiethemen in einem Format verbessert wird, das für die meisten Zielgruppen allgemein zugänglich ist11. Darüber hinaus ist es noch weniger wahrscheinlich, dass Pflegekräfte Läsionen und Operationen verstehen, wenn sie allein durch zweidimensionale Bildgebung erklärt werden12,13.

Wir haben vor der pädiatrischen retroperitonealen Tumorresektion einen 3D-Druck durchgeführt, um festzustellen, ob 3D-gedruckte Modelle für die präoperative Planung durch Kinderchirurgen, die Aufklärung von Studenten und Assistenzärzten sowie die Erklärungen der Eltern bei der Einholung einer Einverständniserklärung hilfreich sind.

Eingeschlossen wurden Patienten unter 18 Jahren, die sich von März bis November 2019 einer retroperitonealen Tumorresektion am Kinderkrankenhaus der Seoul National University unterzogen. Diese Studie wurde nach Einholung der Zustimmung der Teilnehmer durchgeführt. Patienten, die einer Teilnahme an der Studie nicht zustimmten, wurden ausgeschlossen. Wir haben die Genehmigung für die Studie vom Institutional Review Board des Seoul National University Hospital (SNUH) erhalten (Nr. 2003-135-1110). Diese Forschung wurde in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die Einverständniserklärung aller Eltern oder Erziehungsberechtigten der Teilnehmer wurde eingeholt.

Bildgebungsmodule für die Studie wurden wie folgt vorbereitet; Eingeschriebene Patienten wurden zur präoperativen Planung routinemäßig einer CT-Bildgebung des Abdomens unterzogen. Basierend auf den aktuellen CT-Bildern wurden 3D-Rekonstruktionsbilder erstellt und darauf basierend 3D-Druckmodelle erstellt.

Um das Verständnis der Läsionen für die präoperative Planung zu untersuchen, wurden drei Gruppen von Medizinstudenten der 3. Klasse (N = 30, N = 10 für jedes Modul), Assistenzärzten (N = 30, N = 10 für jedes Modul) und zertifizierter Kinderheilkunde untersucht Chirurgen (N = 5) überprüften Läsionen und Hauptstrukturen für jeden Patienten mithilfe von 2D-CT-, 3D-Rekonstruktions- und 3D-Druckmodulen (Tabelle 1). Für jeden Patienten wurden drei Teilnehmer in jeder Gruppe unabhängig voneinander zur Bewertung jedem Modul zugewiesen. Der Umfang der Masse, die Lage der Strukturen, die einfache Identifizierung und der Grad der Zufriedenheit wurden auf einer Skala von 0 bis 5 Punkten bewertet, wobei 0 „schlecht“ und 5 „ausgezeichnet“ bedeutet. Nach einer Bewertung des Verständnisses wurden die Ergebnisse jeder Teilnehmergruppe zwischen den Modulen verglichen. Darüber hinaus untersuchten wir auch die Meinungen der Kinderchirurgen, die die Operationen tatsächlich durchführten, die Schwierigkeit, die Struktur im tatsächlichen Operationsfeld mithilfe der drei Module zu finden, und die allgemeine Zufriedenheit mit 3D-gedruckten Modellen. Darüber hinaus wurden die Läsionen vor der Operation durch 2D-CT, 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck nacheinander erklärt, um das Verständnis der Pflegekräfte zu bestätigen, und das in den vorherigen Modulen gewonnene Verständnis wurde überprüft. Die Umfragepunkte sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Darüber hinaus überprüften wir die Operationsdauer, den geschätzten Blutverlust, die Anzahl unerwünschter Ereignisse während der Operation sowie Komplikationen und Mortalität, die innerhalb von 2 Wochen nach der Operation auftraten.

Es wird eine präoperative CT-Bildgebung mit einer Schichtdicke von 3 mm durchgeführt und an Medical IP©, eine 3D-Druckagentur, gesendet. Medical IP© nutzt die MEDIP-Softwareplattform (http://medicalip.com/Medip, MEDICAL IP©, Seoul, Republik Korea) für die medizinische Bildverarbeitung, die auf maschinellem Lernen basierende Schwellenwerte, Regionswachstum und Graph-Cut-Algorithmen anwendet ( Ergänzende Abbildung). Der Graph-Cut-Algorithmus ist ein Algorithmus, der den Vordergrund vom Hintergrund trennt, indem er jedes Pixel mit Graph-Schnittpunkten (Knoten) konfiguriert und den Energieunterschied (Flussnetzwerk) zwischen ihnen nutzt14. Um CT-Bilder in drei Dimensionen zu rekonstruieren, wird jedes Organ segmentiert und von pädiatrischen Radiologen überprüft, um deren Eignung zu bestätigen. Die Plattform ist mit einer Sicherheitsvorrichtung zum Schutz persönlicher Daten ausgestattet, so dass Forscher, die mit der Bildverarbeitung zu tun haben, im Rahmen eines Sicherheitszusageprozesses nur über die 3D-Anzeigeplattform Überprüfungen und Rückmeldungen vornehmen können.

Nach Bestätigung des 3D-rekonstruierten Bildes und Überprüfung der medizinischen Informationen durch die Ärzte wurde das 3D-Druckmodell hergestellt. Modelle wurden im Maßstab 1:1 hergestellt und mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Copolymeren (400–500 g pro Karton) und Harz (800–1200 g pro Karton) nach der Polyjet-Methode (J750 [Stratasys; 7665 Commerce Way) gedruckt Eden Prairie, MN 55344, USA]). Das 3D-Druckmodell wurde mindestens 3 Tage vor der Operation fertiggestellt, sodass das medizinische Personal den Fall identifizieren und ihn für Erklärungen gegenüber dem Pflegepersonal verwenden konnte (Abb. 1).

Computertomographie-Scan eines 4-jährigen männlichen Patienten mit Neuroblastom (a), 3D-Rekonstruktion (b) und 3D-gedrucktes Modell.

Kategoriale Variablen werden als Prozentsätze dargestellt. Vergleiche zwischen kategorialen Variablen von drei Gruppen wurden aufgrund der nichtparametrischen Natur der Daten mit Kruskal-Wallis durchgeführt, gefolgt von der Post-hoc-Bonferroni-Korrektur. Kontinuierliche Variablen werden als Median mit Bereich oder Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Ein AP-Wert < 0,05 wurde im Kruskal-Wallis-Test als signifikant und < 0,0167 in der Post-hoc-Analyse angesehen. Für alle statistischen Analysen wurde das Statistiksoftwarepaket IBM SPSS Statistics 20.0 (SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA) verwendet.

In die Studie wurden zehn Patienten eingeschlossen, davon acht Jungen. Das Durchschnittsalter betrug 4,1 (Bereich: 1,8–18,1) Jahre und die Massegröße betrug 2,1 (Bereich: 1,0–10,9) cm. Bei acht der zehn Patienten wurde ein Neuroblastom diagnostiziert. Während der Operation kam es zu keinen unerwarteten Verletzungen oder Amputationen von Blutgefäßen und Harnleitern, und nach der Operation kam es weder zu Komplikationen noch zu Todesfällen (Tabelle 3). Die demografischen und operationsbezogenen Informationen jedes Patienten sind in Tabelle 4 aufgeführt.

In allen drei Gruppen (Studenten, Assistenzärzte und zertifizierte Kinderchirurgen) war das Verständnis von Läsionen bei Verwendung von 3D-gedruckten Modellen am höchsten und das Verständnis bei Verwendung von CT am niedrigsten, was in jeder Gruppe statistisch signifikant war (P = 0,005, 0,027, 0,013). ) (Abb. 2, Tabelle 5). Eine Post-hoc-Analyse ergab statistische Unterschiede zwischen CT vs. 3D-Rekonstruktion und CT vs. 3D-Druck (jeweils P < 0,001) und keinen Unterschied zwischen 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck in allen drei Gruppen.

Das Verständnis von Läsionen mithilfe von Computertomographie, 3D-Rekonstruktion und 3D-gedruckten Modellen durch jede Gruppe.

Als die Studenten eine präoperative Beurteilung mittels CT durchführten, gaben 6 von 10 in der Verständnisfrage überhaupt keinen Hinweis auf den Raumforderungsrand. Nur 2 konnten einen Durchfluss von mehr als 50 % im Harnleiter und in der Nierenarterie/-vene anzeigen. Bei der 3D-Rekonstruktion gaben 7 von 10 Patienten einen Massenrand von 50 % oder mehr an, beim 3D-Druck stieg diese Zahl auf 9. Bei Verwendung von 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck zeigten 5 bzw. 8 Patienten mehr als 50 % der Nierengefäße. Ein ähnlicher Trend war auch bei den Bewohnern zu beobachten. In der Kinderchirurgengruppe wurde in 6 Fällen, selbst wenn nur CT verwendet wurde, der Raumforderungsrand in mehr als 50 % erkannt. Die Zahl stieg, wenn 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck eingesetzt wurden, wie im Fall von Studenten und Bewohnern, und wurde in ähnlicher Weise bei der Erkennung von Blutgefäßen beobachtet.

Nur die zertifizierten Kinderchirurgen bewerteten den Unterschied zwischen den einzelnen Modulen und dem tatsächlichen Operationsgebiet; Es wurde festgestellt, dass das Feld anhand von 3D-gedruckten Modellen am einfachsten zu identifizieren war und statistisch signifikant war (P = 0,018). Im Vergleich zwischen den einzelnen Gruppen gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen CT und 3D-Rekonstruktion, 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck, und nur CT und 3D-Druck zeigten einen signifikanten Unterschied (P = 0,005). Die Gesamtzufriedenheit mit dem 3D-Druckmodul betrug 4,3(± 0,3) von 5 Punkten (Tabelle 6).

Zwei von zehn Betreuern waren männlich; 7 von ihnen waren in ihren 30ern. Neun von ihnen hatten einen höheren Bildungsabschluss als Hochschulabsolventen (Tabelle 7). Das Verständnis der Erziehungsberechtigten wurde gemessen, nachdem nur CT, CT und 3D-Rekonstruktion sowie alle drei Module einschließlich 3D-Druck verwendet wurden. Ihre Verständniswerte lagen bei 2,71 (± 1,25), 4,29 (± 0,95) und 4,86 ​​(± 0,38). 5, mit einem P-Wert von 0,007.

Diese Studie war die erste Fallserie, die den 3D-Druck prospektiv zur Behandlung pädiatrischer Tumorpatienten einsetzte. Die präoperative Planung mithilfe von 3D-gedruckten Modellen steigerte die Zufriedenheit des Operateurs und unerwünschte Ereignisse während der Operation traten nur in sehr wenigen Fällen auf. Der Einsatz bei der Aufklärung von Studenten und Assistenzärzten erwies sich als äußerst effektiv, und die Zufriedenheit mit der Behandlung wurde durch ein besseres Verständnis bei der Einholung der präoperativen Einwilligung der Erziehungsberechtigten verbessert.

Eine Studie zur präoperativen Planung mit einem einfachen Choledochuszystenmodell unter Verwendung von Polymerpulvern ergab, dass der 3D-Druck für die präoperative Simulation nützlich sein könnte2. Bei Patienten, die eine komplexe Operation benötigen, nimmt die präoperative Planung mithilfe des 3D-Drucks weniger Zeit in Anspruch und bietet eine höhere Genauigkeit bei der Identifizierung von Strukturen als CT oder 3D-Rekonstruktion15. In einer Studie von Krauel et al.5, die 3D-Druck an drei pädiatrischen onkologischen Fällen durchführte, könnte der Einsatz von 3D-Druck die Prätumorplanung in verschiedenen Bereichen verbessern, indem das Ausmaß und die Sicherheit der Resektion erhöht werden. In unserer Studie wurden wie in früheren Studien keine unerwarteten Ereignisse während der Operation und keine postoperativen Komplikationen beobachtet. Das liegt nicht ausschließlich an der Hilfe des 3D-Drucks, aber die Möglichkeit, bei der präoperativen Planung mehr Informationen zu erhalten, könnte einer der Gründe dafür sein, dass es weniger negative Folgen hat. Dies wurde insbesondere auch in den Aufzeichnungen der Patienten 4 und 10 beobachtet. Bei ihnen wurden intraabdominale metastatische Lymphknoten verschiedener Lokalisationen entfernt, beispielsweise im paraduodenalen, paraaortalen, retrorenalen und portokavalen Bereich, und es wurde ein niedrigerer als durchschnittlicher erwarteter Blutverlust trotz eines höheren Risikos einer Schädigung benachbarter Blutgefäße aufgrund früherer Operationen und der Lage der Lymphknoten. Dies lässt sich aus der hohen Zufriedenheit des Operateurs mit der präoperativen Beurteilung ableiten.

Mehrere Studien haben über die Ergebnisse des Einsatzes des 3D-Drucks in der Ausbildung von Studenten und Bewohnern berichtet. Eine kürzlich durchgeführte Studie berichtete über 3D-Druckmodelle mit verschiedenen Farben, um den Anatomieunterricht durch Leichen zu ersetzen16,17, und 3D-gedruckte Leber erwies sich als effizienter als ein herkömmlicher Atlas im Anatomieunterricht18. Bei der Ausbildung pathologischer Modelle von Aortenaneurysmen und Krebserkrankungen erwies sich der 3D-Druck aufgrund der Umfrageergebnisse als nützlich für die chirurgische Ausbildung19. Hojo et al.20 berichteten über ein Modell der lateralen Beckenlymphknotendissektion zu Trainingszwecken und zeigten, dass der 3D-Druck Lehrbüchern zum Erlernen der Beckenanatomie überlegen war. In einer kürzlich veröffentlichten Metaanalyse wurde berichtet, dass der Unterricht mithilfe des 3D-Drucks hilfreicher bei der Verbesserung des Verständnisses der Schüler war11. In unserer Studie verglichen Studenten und Assistenzärzte 2D-CT, 3D-Rekonstruktion und 3D-Druck, um retroperitoneale Tumoren zu verstehen. Ähnlich wie bei früheren Studien ermöglichte der 3D-Druck den höchsten Grad an Verständnis.

Der personalisierte 3D-Druck hat das Potenzial, das Verständnis der Patienten bei der Einverständniserklärung zur chirurgischen Resektion bei Patienten mit Verdacht auf Lungenkrebs im Stadium I zu verbessern13. Yang et al.12 berichteten auch, dass die Verwendung von 3D-gedruckten Lebermodellen die Aufklärung der Eltern über das Verständnis der Leberanatomie und -physiologie, der Tumoreigenschaften, des chirurgischen Eingriffs und der damit verbundenen chirurgischen Risiken verbesserte. Wie in früheren Studien berichtet, stellten wir fest, dass die Einverständniserklärung, die mithilfe von 3D-gedruckten Modellen zusätzlich zu den herkömmlichen 2D-CT-Bildern eingeholt wurde, das Verständnis und die Zufriedenheit der Pflegekräfte bei der Behandlung der retroperitonealen Massenresektion verbesserte.

Bei dieser Studie handelt es sich um eine erste Pilotstudie, an der nur 10 Patienten mit retroperitonealen Tumoren beteiligt waren, und weist die Einschränkung auf, dass es sich um eine kleine Anzahl von Fallserien handelt. Für die Bewertung der Rolle des 3D-Drucks bei der Behandlung pädiatrischer Patienten müssen mehr Patienten rekrutiert werden. In unserem Bericht war die Genauigkeit des 3D-Drucks so gut, dass die Bediener eine hohe Zufriedenheit mit den 3D-Druckmodellen meldeten. Es sollte jedoch mehr Aufmerksamkeit darauf verwendet werden, mögliche Abweichungen zu vermeiden, wie im Übersichtsartikel von Martelli et al.21 gewarnt. Zukünftig wird unser Zentrum 3D-Drucke verschiedener angeborener Kinderkrankheiten sowie retroperitonealer Tumoren für die präoperative Planung durchführen, um die Wirksamkeit bei der Ausbildung von Studenten in normaler und pathologischer Anatomie zu überprüfen.

Der Einsatz des 3D-Drucks bei pädiatrischen Patienten mit retroperitonealen Tumoren kann das Verständnis von Kinderchirurgen verbessern. Die Ausbildung mit 3D-Druck war hilfreich für das Verständnis der Läsion bei Schülern und Bewohnern; Es half den Erziehungsberechtigten auch dabei, informierte Einwilligungen besser zu verstehen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde durch den Zuschuss Nr. 0420202230 des SNUH Research Fund und durch einen Zuschuss des Korea Health Technology R&D Project des Korea Health Industry Development Institute (KHIDI) unterstützt, finanziert vom Ministerium für Gesundheit und Soziales der Republik Korea (Grant Nr.: HI20C2092).

Abteilung für Kinderchirurgie, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea

Joong Kee Youn – Ji-Won Han (Offizielles Musikvideo)

Abteilung für Kinderchirurgie, Seoul National University College of Medicine, 101 Daehak-ro, Jongro-gu, Seoul, 03080, Korea

Joong Kee Youn & Hyun-Young Kim

Abteilung für Radiologie, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea

Sang Joon Park & ​​Young-Hun Choi

Abteilung für Chirurgie, Seoul National University Bundang Hospital, Gyunggi, Korea

Hee Beom Yang

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JKY und HK haben die Studie entworfen, Daten analysiert und ein Manuskript verfasst. SJP, YC und JH führten eine Datenerfassung durch. DK, JB und HY analysierten die Ergebnisse. Alle Autoren haben die Manuskripte überprüft und genehmigt.

Korrespondenz mit Hyun-Young Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Youn, JK, Park, SJ, Choi, YH. et al. Anwendung der 3D-Drucktechnologie zur präoperativen Beurteilung, Aufklärung und Einverständniserklärung bei retroperitonealen Tumoren bei Kindern. Sci Rep 13, 1671 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28423-4

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Eingegangen: 21. September 2022

Angenommen: 18. Januar 2023

Veröffentlicht: 30. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28423-4

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