Summary
Настоящий протокол описывает мацерацию и очистку трупной кости методом погружения в вакуумную баню с горячей водой. Это недорогой, безопасный и эффективный метод производства анатомических образцов для хирургического планирования и медицинского образования в качестве альтернативы трехмерным (3D) печатным моделям.
Abstract
Модели костей служат многим целям, включая улучшение анатомического понимания, предоперационное хирургическое планирование и интраоперационную референцию. Было описано несколько методов мацерации мягких тканей, в основном для судебно-медицинской экспертизы. Для клинических исследований и медицинского использования эти методы были заменены трехмерными (3D) печатными моделями, которые требуют значительного оборудования и опыта и являются дорогостоящими. Здесь позвоночная кость трупной овцы была очищена путем вакуумной герметизации образца коммерческим средством для мытья посуды, погружения в ванну с горячей водой, а затем ручного удаления мягких тканей. Это устранило недостатки ранее существовавших методов мацерации, такие как наличие неприятных запахов, использование опасных химикатов, значительное оборудование и высокие затраты. Описанный метод позволяет получить чистые, сухие образцы с сохранением анатомических деталей и структуры для точного моделирования костных структур, которые могут быть полезны для предоперационного планирования и интраоперационной привязки. Метод прост, недорог и эффективен для подготовки костной модели для обучения и хирургического планирования в ветеринарии и медицине.
Introduction
Удаление мягких тканей и чистка костей необходимы для судебно-медицинской экспертизы, медико-биологических исследований, ветеринарного и медицинского образования. Большинство методов были разработаны для судебно-медицинских целей, сводя к минимуму повреждение кости, чтобы сохранить как можно больше деталей. Это может обеспечить точную, осязаемую модель кости для предоперационного хирургического планирования, а также для интраоперационного принятия решений, чтобы помочь свести к минимуму осложнения 1,2,3. Это полезно в хирургии за счет сокращения времени операции и кровопотери, а также улучшения коммуникации между хирургами по сравнению с планированием с помощью 2D-изображений4. Использование этих моделей может также снизить зависимость от интраоперационной визуализации, такой как рентгеноскопия, что может снизить лучевую нагрузку на персонал.
Скелетная кость трупов исторически использовалась для этих моделей; однако технический прогресс подтолкнул к использованию изготовленных моделей и, в последнее время, трехмерных (3D) печатных моделей. Модели костей зависят от наличия трупных образцов и эффективности обработки этих образцов в пригодные для использования модели. 3D-печать имеет преимущество творческой свободы, позволяя создавать анатомические модели и модели для конкретного пациента, особенно когда присутствуют анатомические аномалии или новообразования, или если оборудование необходимо изготовить или дополнить, чтобы оно соответствовало пациенту1. Эти образцы также могут быть стерилизованы и обработаны хирургами во время процедуры. Однако эта свобода сопряжена с затратами, так как для этого требуется компьютерная томография (КТ), необходимые материалы и оборудование могут быть дорогими, а опыт необходим для создания моделей в требуемом программном обеспечении 1,4. Кроме того, эти факторы могут ограничивать точность и качество модели, а значит, и хирургическое планирование и успех1. Модели, напечатанные на 3D-принтере, могут быть не лучшим выбором для случаев, когда нет необходимости в анатомии конкретного пациента и когда существует немедленная потребность в модели.
Обычно применяемые методы удаления мягких тканей из трупной кости включают ручную очистку, бактериальную мацерацию, химическую мацерацию, приготовление пищи и мацерацию насекомых 5,6. Успех этих методов, как правило, основан на стоимости, времени, трудозатратах, оборудовании, безопасности и качестве конечного продукта 5,7. Ручная очистка требует наибольшего труда и значительного количества времени, но предполагает минимальное оборудование5. Бактериальная мацерация заключается в оставлении образца на холодной или теплой водяной бане в течение длительных периодов времени, часто до 3 недель, что позволяет бактериям разлагать ткань6. Это создает неприятные запахи, требует дополнительного оборудования для обработки бактерий и создает угрозу биобезопасности для пользователя 5,6. Использование жуков-дерместид очень эффективно с минимальными трудозатратами, но требует приобретения колонии и содержания животных и не считается экономическим вложением, если используется нечасто 6,7. Химическая мацерация обычно включает использование ферментов, таких как трипсин, пепсин и папаин, или коммерческих моющих средств, содержащих такие вещества, как поверхностно-активные вещества и ферменты 5,8. Хотя этот метод обеспечивает более быстрые результаты, используемые химические вещества, такие как гидроксид натрия, аммиак, отбеливатель и бензин, могут представлять опасность для здоровья и безопасности и производить вредные запахи, требующие средств индивидуальной защиты (СИЗ) и вытяжного шкафа 5,7,8,9. Наконец, расширенный нагрев обеспечивает еще один минимально интенсивный метод, но может производить запахи, требующие вентиляции10.
Простой, безопасный и недорогой метод подготовки анатомических моделей костей станет полезным инструментом для хирургов, студентов, преподавателей и исследователей. В этой статье описывается новый метод подготовки моделей скелетных костей, который позволяет избежать неприятных запахов и вредных химических веществ и позволяет получить подробную хирургическую модель с минимальным оборудованием и трудозатратами.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Поясничные позвоночники были собраны у 4-летних взрослых овцематок мериносового кросса (Ovis aries) в соответствии с этическими принципами Комитета по уходу за животными и этике Хирургических и ортопедических исследовательских лабораторий. В соответствии с официально одобренным методом гуманной эвтаназии поясничные отделы позвоночника были собраны с использованием острого инструмента для рассечения, сначала через кожу и подкожные ткани, затем фасции и мускулатуру перед расчленением в грудопоясничном и пояснично-крестцовом соединениях. Собранный образец показан на рисунке 1А.
1. Подготовка к первоначальному купанию
- Вручную удалите мягкие ткани (мышцы, соединительную ткань, жир и т. Д.) С помощью острого инструмента для рассечения (лезвие скальпеля No 22) из образца кости перед дальнейшей обработкой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг не является обязательным; Однако удаление как можно большего количества мягких тканей сокращает время, необходимое водяной бане для мацерации тканей. Размер образца (~ 20 см х 10 см х 8 см) также уменьшается; Таким образом, в ванну можно поместить больше образцов. - Запечатайте образец в термобезопасный герметичный пластиковый пакет после удаления воздуха. Рекомендуется использовать вакуумный пакет, используя коммерческое вакуумно-запайточное устройство (см. Таблицу материалов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для первоначальной 24-часовой ванны никаких добавок не требуется. Если есть значительные мышцы, покрывающие все поверхности кости, и если уже есть минимальные мягкие ткани и большая часть костных поверхностей образца обнажена, переходите к шагу 3.2 (рис. 1B).
2. Процедура первичного купания
- Полностью погрузите запечатанный образец в водяную баню с температурой 70 °C на 24 часа.
- Через 24 часа извлеките пакет из ванны, откройте пакет и дайте образцу остыть до тех пор, пока его можно будет взять в руки.
3. Подготовка к последующим ваннам
- Удалите как можно больше мягких тканей из кости, используя острый скальпель и проточную воду по мере необходимости.
- Расчлените любые суставы с помощью острого скальпеля, чтобы обнажить хрящевую ткань.
- Держите расчлененные части на месте , используя такие материалы, как ортопедическая проволока или кабельные стяжки (см. Таблицу материалов), чтобы сохранить анатомическое положение.
- Запечатайте образец в вакуумный пакет вместе с 10 мл средства для мытья посуды (см. Таблицу материалов) и 10 мл водопроводной воды.
ПРИМЕЧАНИЕ: Объем моющего средства зависит от силы, концентрации и размера образца.
4. Порядок проведения последующих ванн
- Полностью погрузите запечатанный образец в водяную баню с температурой 70 °C на 24 часа.
- Через 24 часа извлеките пакет из ванны, откройте пакет и дайте образцу остыть до тех пор, пока его можно будет взять в руки.
- Не позволяйте образцу полностью остыть, так как это позволяет размягченному хрящу затвердеть и прилипнуть к кости, что будет труднее удалить.
ПРИМЕЧАНИЕ: Время, необходимое для обработки пробы, может варьироваться в зависимости от размера и типа, и повторное удаление последующих ванн может быть ненужным. Кроме того, образец может оставаться в ванне в течение длительного времени, что может помочь в промежуточном удалении тканей.
- Не позволяйте образцу полностью остыть, так как это позволяет размягченному хрящу затвердеть и прилипнуть к кости, что будет труднее удалить.
- Удалите как можно больше мягких тканей с помощью острого инструмента для рассечения (лезвие скальпеля No 22 на специальной ручке скальпеля) и проточной воды.
- Повторяйте шаг 4 по мере необходимости, пока кость не освободится от материала мягких тканей. По нашему опыту, это требовалось повторить только один раз.
5. Завершение процедуры
- Промойте образец жидким моющим средством и тщательно промойте водой.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для ускорения сушки можно использовать спирт. - Дайте образцу высохнуть в течение примерно 48 часов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
В соответствии с этим протоколом были созданы чистые и сухие модели поясничного позвоночника овец для хирургического планирования и эталона. Образцы, состоящие из семи поясничных позвонков, были обработаны в течение 4 дней с использованием этого метода, с одной первоначальной ванной для удаления основной массы мышцы и тремя последующими ваннами. О завершении ванн свидетельствовала легкость, с которой хрящ и соединительная ткань были удалены из кости. Это варьировалось в зависимости от типа и расположения хряща; Тонкие слои легко удалялись после одного-двух ванн, но толстый материал, окруженный другими тканями, такими как межпозвоночные диски, принимал три или четыре ванны. Ожидалось, что после сушки в течение 48 часов кости будут намного светлее по цвету и весу и будут казаться сухими и нежирными. Полученные модели костей обеспечивают точное представление анатомии, сохраняя тонкие костные структуры и контуры кости, в частности суставные фасетки, замыкательную пластинку позвонка и поперечные отростки, по сравнению с моделями, напечатанными на 3D-принтере. Для сравнения, позвоночник овец поясничного отдела овец был отсканирован с помощью компьютерной томографии с толщиной среза 0,5 мм, импортирован в программное обеспечение для 3D-моделирования (см. Таблицу материалов) и сегментирован для получения модели отдельного позвонка. Затем он был напечатан с использованием нити акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS) на 3D-принтере. На рисунке 2 показана 3D-печатная модель поясничного отдела позвоночника овцы по сравнению с анатомической трупной моделью, полученной из вакуумной герметичной ванны с горячей водой. Сравнительные изображения показывают, что 3D-печатная модель не точно детализирует мелкие костные детали трупных образцов с потерей более мелких деталей, таких как контуры кости, особенно на поперечных отростках.
Рисунок 1: Образцы поясничного отдела позвоночника овец на разных стадиях обработки. (А) Свежесобранный поясничный отдел позвоночника требует подготовки и первоначальной ванны (этапы 1-2), в то время как (В) образец с минимальным количеством мягких тканей может быть переведен в последующие ванны (этап 3.2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Качественное сравнение 3D-печатных и трупных моделей костей. Сравнение (A, B) 3D-печатной модели и (C, D) модели трупной кости демонстрирует потерю деталей в более тонких точках, таких как концы поперечных отростков и детали фасетки в 3D-печатной модели относительно кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Поясничные позвоночники овец обработаны с помощью погружения в ванну с горячей водой. Обработанные модели поясничного отдела позвоночника овец на том же этапе обработки; однако образец слева (А) был обработан моющим средством, а образец справа (В) - без него. Необходимо отметить разницу в цвете и фактуре. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта техническая записка направлена на описание простого, безопасного и недорогого метода создания анатомической модели кости в интересах ветеринарного и медицинского образования, а также для использования в анатомическом образовании и хирургическом планировании.
Пилотные испытания показали, что температура ванны 70 °C обеспечивает самое быстрое время обработки без повреждения образцов. Более высокие температуры вызывали обширное разрушение коллагена в кости, что приводило к хрупким образцам с меловой текстурой. Горячая ванна в этом эксперименте предназначалась специально для обработки образцов, напечатанных на 3D-принтере, и использовалась из-за ее удобства; Однако другие менее дорогие коммерческие варианты, такие как мультиварки или устройства су-вид, могут быть более доступными.
Добавление моющего средства было важным шагом в протоколе. По сравнению с образцами без моющего средства, добавление моющего средства сократило время завершения со 168 до 96 часов. Образцы без моющего средства не высохли полностью и выглядели заметно темнее с ощущением жирности, предположительно из-за накопления липидов на поверхности кости. Готовые образцы, которые кажутся темными или жирными, могут указывать на потребность в дополнительном моющем средстве (рис. 3). Во время пилотных испытаний одно только моющее средство не смогло равномерно распределиться по образцам после запечатывания, что потребовало дополнительного использования воды. Когда вода и моющее средство добавлялись в пакеты перед запечатыванием, иногда возникали трудности с созданием надежного вакуумного уплотнения, чего можно избежать, предварительно заморозив жидкости. Моющее средство, используемое в этом протоколе, общее средство для мытья посуды, было выбрано на основе стоимости и доступности. Этот метод можно выполнить с использованием любого средства для мытья посуды для получения аналогичных результатов. Другие многоцелевые бытовые чистящие средства, содержащие 2-бутоксиэтанол, могут более эффективно способствовать обезжириванию и разрушению мягких тканей и, следовательно, могут быть полезны для образцов с чрезмерным или жестким хрящом, таких как межпозвоночные диски7. Ферментативные моющие средства, которые активно переваривают мягкие ткани, могут быть использованы для сокращения времени мацерации по сравнению с обычными моющими средствами, но эффекты могут быть непредсказуемыми, особенно если пользователь не знаком с их использованием 6,10. Хотя ферментативная мацерация представляет более высокий риск для здоровья, она может сократить время обработки с дней до 5,6 часов. Этот метод также значительно выигрывает от перемешивания для стимулирования ферментативной реакции с мягкими тканями, которая может быть затруднена из-за отсутствия потока в вакуумном пакете.
Расчленение позвонков было заметно легче при добавлении моющего средства; Кроме того, после последующих моющих ванн межпозвоночные диски были мягче и легче удалялись, предположительно из-за большей площади поверхности для проникновения моющего средства после расчленения. Таким образом, образцы были завершены в более короткие сроки при предварительном расчленении. Аналогичным образом, если первоначальные образцы содержали толстые участки хряща, может потребоваться ручное удаление между ваннами, чтобы способствовать проникновению моющего средства. Кроме того, было показано, что перемешивание типичной мацерационной ванны значительно сокращает время, необходимое для пакетов, но это невозможно для образцов10 в мешках. Добавление моющего средства с небольшим количеством воды в пакет и расчленение швов как можно раньше может уменьшить влияние этих ограничений.
Еще один важный шаг заключался в том, чтобы не дать образцам остыть до комнатной температуры после извлечения из горячей ванны, поскольку остаточное тепло позволяло легче удалять размягченный хрящ из образцов. Когда ему дали остыть, этот хрящ образовал жесткое студенистое покрытие на кости, которое было трудно удалить без повторного нагрева образца. По той же причине, если для удаления мягких тканей используется проточная вода, рекомендуется использовать теплую воду.
В отличие от 3D-печатных моделей, этот метод позволяет получить образцы костей для воспроизведения реальных объектов для хирургического планирования. Использование щадящих моющих средств в этом методе может избежать изменений целостности поверхности кости, как это видно при использовании альтернативных продуктов, таких как отбеливатель и перекись водорода6. С дальнейшими разработками в области 3D-печати для медицинских исследований модели могут быть напечатаны с индивидуальными параметрами, такими как толщина коры, которые, как было показано, обеспечивают положительное тактильное моделирование размещения ножевого винта в хирургии позвоночника11. Однако эти образцы могут быть дорогостоящими в производстве и требовать специфического программного обеспечения и оборудования, а также тщательного планирования и обработки11,12. Кроме того, качество 3D-печатных моделей ограничено оборудованием и может привести к потере более мелких деталей, которые сохраняются в образце13 кости. Модели для конкретного пациента и 3D-печатные модели имеют несколько практических применений, в то время как анатомические модели, полученные из кости, могут обеспечить непревзойденную анатомическую детализацию с минимальными затратами и оборудованием.
Ограничения этого метода включают наличие трупных образцов, специфичных для их применения. Описанный метод полностью удаляет мягкие ткани из кости, создавая модели, которые могут быть использованы только для хирургического планирования, связанного с костью, и не так практичен для визуализации артикуляции, биомеханики или окружающих структур. Из-за этой потери артикуляции может потребоваться реконструкция моделей. Метод реконструкции зависит от типа кости и может включать силикон, проволоку, кабельные стяжки или клей. Приближая относительное расположение костей, эти методы не могут воспроизвести механику in vivo и свести к хирургической практике. Другие ограничения включают время, необходимое для удаления лишних мягких тканей из больших образцов, а также хрящей и других мягких тканей, если они присутствуют, в зависимости от анатомической области образца.
Возможность создания простых моделей костей может существенно повлиять на успех хирургического вмешательства. Модели для хирургического планирования имеют доказанные преимущества, включая сокращение времени операции, более точную установку винтов и имплантатов и меньшее количество осложнений, таких как кровопотеря4. Это особенно полезно в случае ветеринарной хирургии, где анатомия сильно различается в зависимости от вида. Этот простой протокол имеет потенциал для получения чистых моделей костей из трупов без опасных химических веществ и постоянных запахов и требует минимального оборудования и труда, особенно по сравнению с современными методами 3D-печати.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы должны раскрыть.
Acknowledgments
Никакой.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dimension Elite 3D printer | Stratasys, Eden Prairie, MN, United States | 3D printer for production of surgical bone models based on reconstructed CT scans | |
| Mimics Innovation Suite | Materialise NV, Leuven, Belgium | Suite 24 | Software to create 3D models from imaging scans |
| Nylon cable ties | 4Cabling, Alexandria, NSW, Australia | 011.060.1042/011.060.1039 | Used to maintain connection between vertebral bodies |
| Orthopaedic wire | B Braun, Bella Vista, NSW, Australia | Used to maintain connection between vertebral bodies | |
| Support Cleaning Apparatus | Phoenix Analysis and Design Technologies, Tempe, AZ, United States | SCA-1200 | Hot water bath for immersion of the sealed sample. |
| Ultra Strength Original Dishwashing Liquid | Colgate-Palmolive, New York, NY, United States | Dishwashing liquid added to sealed bag with sample for cleaning of the bone model. | |
| Vacuum bags | Pacfood PTY LTD | Heat safe, sealable plastic bags | |
| Vacuum Food sealer | Tempoo (Aust) PTY LTD | Vacuum food sealer to seal vacuum bags prior to bath immersion |
References
- Leary, O. P., et al. Three-dimensional printed anatomic modeling for surgical planning and real-time operative guidance in complex primary spinal column tumors: single-center experience and case series. World Neurosurgery. 145, 116-126 (2021).
- Tack, P., Victor, J., Gemmel, P., Annemans, L. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. BioMedical Engineering OnLine. 15 (1), 115 (2016).
- Ventola, C. L. Medical applications for 3D printing: current and projected uses. Pharmacy and Therapeutics. 39 (10), 704-711 (2014).
- Wilcox, B., Mobbs, R. J., Wu, A. M., Phan, K. Systematic review of 3D printing in spinal surgery: the current state of play. Journal of Spinal Surgery. 3 (3), 433-443 (2017).
- Mairs, S., Swift, B., Rutty, G. N. Detergent: an alternative approach to traditional bone cleaning methods for forensic practice. The American Journal of Forensic Medicine and Pathology. 25 (4), 276-284 (2004).
- Husch, C., Berner, M., Goldammer, H., Lichtscheidl-Schultz, I. Technical note: A novel method for gentle and non-destructive removal of flesh from bones. Forensic Science International. 323, 110778 (2021).
- Couse, T., Connor, M. A comparison of maceration techniques for use in forensic skeletal preparations. Journal of Forensic Investigation. 3, 1-6 (2015).
- Mahon, T. J., Maboke, N., Myburgh, J. The use of different detergents in skeletal preparations. Forensic Science International. 327, 110967 (2021).
- Hussain, M., Hussain, N., Zainab, H., Qaiser, S. Skeletal preservation techniques to enhance veterinary anatomy teaching. IJAVMS. 1, 21-23 (2007).
- Simonsen, K. P., Rasmussen, A. R., Mathisen, P., Petersen, H., Borup, F. A fast preparation of skeletal materials using enzyme maceration. Journal of Forensic Science. 56 (2), 480-484 (2011).
- Burkhard, M., Furnstahl, P., Farshad, M. Three-dimensionally printed vertebrae with different bone densities for surgical training. European Spine Journal. 28 (4), 798-806 (2019).
- Rose, A. S., et al. Multi-material 3D models for temporal bone surgical simulation. The Annals of Otology, Rhinology, and Laryngology. 124 (7), 528-536 (2015).
- Werz, S. M., Zeichner, S. J., Berg, B. I., Zeilhofer, H. F., Thieringer, F. 3D printed surgical simulation models as educational tool by maxillofacial surgeons. European Journal of Dental Education. 22 (3), 500-505 (2018).
