Summary
本プロトコルは、真空密封された温水浴浸漬技術による死体骨の浸軟および洗浄を記載している。これは、3次元(3D)印刷モデルの代替として、手術計画や医学教育のための解剖学的標本を作成するための低コストで安全かつ効果的な方法です。
Abstract
骨モデルは、解剖学的理解の向上、術前の手術計画、術中の参照など、多くの目的に役立ちます。軟部組織の浸軟のためのいくつかの技術が、主に法医学的分析のために記載されている。臨床研究や医療用途では、これらの方法は、かなりの機器と専門知識を必要とし、コストがかかる3次元(3D)印刷モデルに取って代わられています。ここでは、死体の羊椎骨を、市販の食器用洗剤で標本を真空シールし、温水浴に浸し、続いて軟組織を手動で除去することによって洗浄した。これにより、悪臭の存在、有害化学物質の使用、設備の充実、高コストなど、従来の浸軟方法の欠点が解消されました。説明されている技術は、解剖学的詳細と構造を維持しながら、清潔で乾燥したサンプルを生成し、術前の計画と術中の参照に役立つ骨構造を正確にモデル化しました。この方法は、獣医学および人間医学の教育および手術計画のための骨モデル調製に単純かつ低コストであり、有効である。
Introduction
軟組織の除去と骨の洗浄は、法医学、医学および生物学的研究、ならびに獣医および医学教育に必要です。ほとんどの技術は法医学の目的で開発されており、骨への損傷を最小限に抑えて可能な限り詳細を保持しています。これにより、術前の手術計画のための正確で具体的な骨モデル、および合併症を最小限に抑えるための術中の意思決定を提供できます1、2、3。これは、2D画像による計画と比較して、手術時間と失血を減らし、外科医間のコミュニケーションを改善することにより、手術に有益です4。これらのモデルを使用すると、透視などの術中イメージングへの依存度が低下し、人員への放射線被曝が軽減される可能性があります。
死体の骨格骨は歴史的にこれらのモデルに使用されてきました。しかし、技術の進歩により、製造されたモデル、そして最近では3次元(3D)印刷モデルの使用が進んでいます。骨モデルは、死体サンプルの入手可能性と、これらのサンプルを使用可能なモデルに処理する効率に依存しています。3D印刷には創造的な自由という利点があり、特に解剖学的異常や新生物が存在する場合、または患者1に合うようにハードウェアを製造または拡張する必要がある場合に、解剖学的および患者固有のモデルが可能になります。これらのサンプルは、手術中に外科医によって滅菌および操作することもできます。しかしながら、この自由度は、コンピュータ断層撮影(CT)スキャンを必要とし、必要な材料および機器が高価になる可能性があり、必要なソフトウェア1,4でモデルを作成するために専門知識が不可欠であるため、コストを伴う。さらに、これらの要因はモデルの精度と品質を制限し、したがって手術計画と成功を制限する可能性があります1。3Dプリントされたモデルは、患者固有の解剖学的構造が不要で、モデルがすぐに必要な場合には最良の選択ではない可能性があります。
死体の骨から軟部組織を除去するために一般的に適用される方法には、手動洗浄、細菌マセレーション、化学的マセレーション、調理、および昆虫マセレーションが含まれます5,6。これらの方法の成功は、一般に、最終製品のコスト、時間、労力、設備、安全性、および品質に基づいています5,7。手動洗浄は最も多くの労力とかなりの時間を必要としますが、最小限の機器で済みます5。細菌浸軟は、サンプルを冷水または温水浴中に長期間、しばしば最大3週間放置することからなり、細菌が組織を分解することを可能にする6。これは不快な臭いを作り出し、細菌を処理するための追加の機器を必要とし、そしてユーザにバイオセキュリティの危険をもたらす5,6。カブトムシの使用は最小限の労力で非常に効果的ですが、コロニーの取得と動物の飼育が必要であり、まれに使用される場合は経済的投資とは見なされません6,7。化学的浸軟は、通常、トリプシン、ペプシン、およびパパインなどの酵素、または界面活性剤および酵素5,8などの物質を含有する市販の洗剤の使用を伴う。この方法はより速い結果を提供しますが、水酸化ナトリウム、アンモニア、漂白剤、ガソリンなどの使用される化学物質は、健康と安全のリスクを表し、個人用保護具(PPE)とヒュームフードを必要とする有害な臭いを生成する可能性があります5,7,8,9。最後に、拡張加熱は、別の最小限の集約的な方法を提供するが、換気を必要とする臭気を生じ得る10。
解剖学的骨モデルを準備するためのシンプルで安全かつ低コストの方法は、外科医、学生、教育者、および研究者にとって有用なツールを提供します。本稿では、不快な臭いや有害な化学物質を避け、最小限の機器と労力で詳細な手術モデルを作成する骨格骨モデルを作成するための新しい方法について説明します。
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Protocol
腰椎は、外科および整形外科研究所の動物管理および倫理委員会の倫理ガイドラインに従って、4歳のメリノクロス成体雌羊 (Ovis aries) から収穫されました。制度的に承認された人道的安楽死の方法に従って、腰椎は鋭利な解剖ツールを使用して収穫され、最初に皮膚と皮下組織を切開し、次に筋膜と筋肉組織を切開してから胸腰椎と腰仙骨接合部で関節を切断しました。採取したサンプルを 図1Aに示します。
1.初期入浴の準備
- さらに処理する前に、骨サンプルから鋭利な解剖ツール(22番メスの刃)を使用して軟組織(筋肉、結合組織、脂肪など)を手動で除去します。
注: この手順はオプションです。ただし、できるだけ多くの軟組織を除去すると、水浴が組織を浸軟させるのにかかる時間が短縮されます。標本のサイズ(~20 cm x 10 cm x 8 cm)も縮小されます。したがって、より多くのサンプルをバスに取り付けることができます。 - 空気を取り除いた後、サンプルを耐熱シール可能なビニール袋に密封します。市販の真空シール装置を使用した真空バッグを使用することをお勧めします( 材料の表を参照)。
注:最初の24時間の入浴には添加物は必要ありません。骨のすべての表面を覆うかなりの筋肉があり、すでに最小限の軟組織があり、サンプルの骨表面のほとんどが露出している場合は、手順3.2に進みます(図1B)。
2.初期入浴の手順
- 密封したサンプルを70°Cの水浴に24時間完全に沈めます。
- 24時間後、バッグをバスから取り出し、バッグを開き、サンプルを取り扱い可能になるまで冷まします。
3.その後の入浴の準備
- 必要に応じて、鋭利なメスと流水を使用して、骨からできるだけ多くの軟組織を取り除きます。
- 軟骨組織を露出させるために鋭いメスを使用して関節を解剖します。
- 解剖学的位置を維持するために、整形外科用ワイヤーやケーブルタイ(材料の表を参照)などの材料を使用して、関節のない部分をその場で保管します。
- サンプルを10 mLの食器用洗剤( 材料の表を参照)と10 mLの水道水と一緒に真空バッグに密封します。
注意: 洗剤の量は、サンプルの強度、濃度、およびサイズによって異なります。
4.その後の入浴の手順
- 密封したサンプルを70°Cの水浴に24時間完全に沈めます。
- 24時間後、バッグをバスから取り出し、バッグを開き、サンプルを取り扱い可能になるまで冷まします。
- サンプルを完全に冷ますと、柔らかくなった軟骨が硬化して骨に付着し、除去が難しくなるため、避けてください。
注:サンプル処理に必要な時間はサイズとタイプによって異なる場合があり、その後の浴の繰り返しの取り外しは不要な場合があります。さらに、サンプルは長期間浴中に留まる可能性があり、組織の中間除去に役立つ可能性があります。
- サンプルを完全に冷ますと、柔らかくなった軟骨が硬化して骨に付着し、除去が難しくなるため、避けてください。
- 鋭利な解剖ツール(専用のメスハンドルにある22番のメスの刃)と流水を使用して、できるだけ多くの軟組織を取り除きます。
- 骨に軟部組織材料がなくなるまで、必要に応じて手順4を繰り返します。私たちの経験では、これは一度だけ繰り返す必要がありました。
5. 手続きの完了
- サンプルを液体洗剤で洗い、水で十分にすすいでください。
注意: アルコールは乾燥を早めるために使用することができます。 - サンプルを約48時間乾燥させます。
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Representative Results
このプロトコルに従って、外科的計画および参照のために、清潔で乾燥した羊腰椎柱モデルが作成されました。7つの腰椎からなるサンプルは、この方法を使用して4日以内に処理され、筋肉の大部分を除去するための1つの最初の浴と3つのその後の浴がありました。入浴の完了は、軟骨および結合組織が骨から除去される容易さによって示されました。これは軟骨の種類と位置によって異なりました。薄い層は1〜2回の入浴で簡単に除去できましたが、椎間板などの他の組織に囲まれた厚い材料は3〜4回の入浴にかかりました。48時間乾燥させた後、骨は色と重量がはるかに明るくなり、乾燥してべたつかない感じがすると予想されました。作成された骨モデルは、3Dプリントモデルと比較して、骨の微細な骨構造と輪郭、特に関節面、椎骨端板、および横突起を維持しながら、解剖学的構造の正確な表現を提供します。比較のために、ヒツジの腰椎の背骨を0.5 mmのスライス厚さでCTスキャンし、3Dモデリングソフトウェア( 材料表を参照)にインポートし、セグメント化して個々の椎骨のモデルを作成しました。次いで、これを3Dプリンタでアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)フィラメントを用いて印刷した。 図2 は、真空密閉された温水浴浸漬から作成された解剖学的死体モデルと比較した羊腰椎の3Dプリントモデルを示しています。比較画像は、3Dプリントされたモデルが死体標本の細かい骨状の詳細を正確に詳述しておらず、特に横突起で骨の輪郭などの細かい詳細が失われていることを示しています。
図1:処理中のさまざまな段階での羊腰椎サンプル。 (A)採取したばかりの腰椎は準備と最初の入浴が必要ですが(ステップ1〜2)、(B)軟部組織が最小限のサンプルはその後の入浴に進むことができます(ステップ3.2)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:3Dプリントされた骨モデルと死体骨モデルの定性的比較。 (A,B)3Dプリントモデルと(C,D)死体骨モデルを比較すると、横突起の端や骨に対する3Dプリントモデルのファセットの詳細など、より細かい点で詳細が失われることが示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:温水浴浸漬を使用して処理された羊腰椎棘。 処理の同じステップで処理された羊腰椎モデル。ただし、左側の(A)のサンプルは洗剤で処理されており、右側の(B)のサンプルは洗剤で処理されていませんでした。色と質感の違いに注意する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
このテクニカルノートは、獣医学および医学教育の利益のために、また解剖学教育および手術計画で使用するために、解剖学的骨モデルを作成するための簡単で安全かつ低コストの方法を説明することを目的としています。
パイロットテストでは、70°Cの浴温がサンプルに損傷を与えることなく最速の処理時間を提供することがわかりました。より高い温度は骨内のコラーゲンの広範な破壊を引き起こし、白亜質の質感を持つ脆いサンプルをもたらしました。この実験の温浴は、3Dプリントされたサンプルを処理するためのものであり、その利便性のために使用されました。ただし、スロークッカーや真空調理法デバイスなどの他の安価な商用オプションの方がアクセスしやすい場合があります。
洗剤の添加は、プロトコルの重要なステップでした。洗剤なしのサンプルと比較して、洗剤を追加すると、完了時間が168時間から96時間に短縮されました。洗剤を含まないサンプルは完全には乾燥せず、おそらく骨表面内の脂質の蓄積が原因で、脂っこい感触で著しく暗く見えました。完成したサンプルが暗くまたは脂っこく見える場合は、追加の洗剤が必要であることを示している可能性があります(図3)。パイロットテストでは、洗剤だけでは密封されたサンプル全体に均一に分散できず、さらに水を使用する必要がありました。密封する前にバッグに水と洗剤を加えると、液体を事前に凍結することで回避できる信頼性の高い真空シールを作成することが困難な場合がありました。このプロトコルで使用される洗剤、一般的な食器用洗剤は、コストと入手可能性に基づいて選択されました。この方法は、同様の結果を得るために任意の食器用洗剤を使用して実行できます。2−ブトキシエタノールを含有する他の多目的家庭用洗浄剤は、脱脂および軟部組織の分解をより効果的に助ける可能性があり、したがって、椎間板などの過剰または強靭な軟骨を有するサンプルに有益であり得る7。軟部組織を積極的に消化する酵素洗剤は、通常の洗浄洗剤と比較して浸軟時間を短縮するために使用できますが、特にユーザーがその使用に慣れていない場合、効果は予測できない可能性があります6,10。酵素マセレーションはより高い健康リスクをもたらしますが、処理時間を数日から数時間に短縮する可能性があります5,6。この方法はまた、軟組織との酵素反応を促進するための攪拌から大きな利益を得るが、これは真空密封されたバッグ内の流れの欠如によって妨げられる可能性がある。
洗剤を加えると、椎骨の関節が特に容易になりました。さらに、その後の洗剤浴の後、椎間板はより柔らかく、除去が容易であり、おそらく一度関節が明瞭になった後の洗剤浸透のためのより高い表面積によるものであった。したがって、サンプルは、事前に解剖するとより短時間で完成しました。同様に、最初のサンプルに軟骨の厚い領域が含まれている場合は、洗剤の浸透を促進するために、浴の合間に手動で除去する必要がある場合があります。さらに、典型的なマセレーション浴を撹拌すると、必要な時間が大幅に短縮されることが示されているが、これは袋詰め試料10では不可能である。バッグに少量の水を入れた洗剤を追加し、できるだけ早く関節を離すと、これらの制限の影響を減らすことができます。
別の重要なステップは、余熱がサンプルから軟化した軟骨の除去を容易にしたため、温浴から取り出した後、サンプルを室温まで冷却しないようにすることでした。放冷すると、この軟骨は骨に強靭なゼラチン状のコーティングを形成し、サンプルを再加熱せずに除去することは困難でした。同じ理由で、軟部組織の除去を助けるために流水を使用する場合は、温水を使用することをお勧めします。
3Dプリントモデルとは対照的に、この方法は、手術計画のために実際の被験者を再現するための骨サンプルを生成します。この方法における穏やかな洗剤の使用は、漂白剤および過酸化水素6などの代替製品を使用する場合に見られるように、骨表面の完全性への変化を回避し得る。医学研究のための3D印刷のさらなる発展により、モデルは皮質の厚さなどのカスタマイズされたパラメータで印刷することができ、脊椎手術における椎弓根スクリュー配置の肯定的な触覚シミュレーションを提供することが示されています11。しかしながら、これらのサンプルは、製造するのに費用がかかり、特定のソフトウェアおよび機器、ならびに綿密な計画および処理を必要とする可能性がある11,12。さらに、3Dプリントモデルの品質は機器によって制限され、骨サンプル13内に保持されているより細かいディテールが失われるリスクがあります。患者固有の3Dプリントモデルにはいくつかの実用的なアプリケーションがありますが、骨から供給される解剖学的モデルは、最小限のコストと機器で比類のない解剖学的詳細を提供できます。
この方法の制限には、その用途に固有の死体標本の入手可能性が含まれます。記載された方法は、骨から軟組織を完全に除去し、骨に関連する手術計画にのみ使用できるモデルを作成し、関節、生体力学、または周囲の構造を視覚化するのにはそれほど実用的ではありません。このアーティキュレーションの喪失により、モデルの再構築が必要になる場合があります。再建方法は骨の種類によって異なり、シリコン、ワイヤー、ケーブルタイ、または接着剤を含めることができます。骨の相対的な位置を近似する一方で、これらの技術は in vivo 力学を再現できず、外科手術への翻訳を減らすことはできません。その他の制限には、標本の解剖学的領域に基づいて、大きなサンプル、軟骨およびその他の軟組織(存在する場合)から過剰な軟組織を除去するのにかかる時間が含まれます。
単純な骨モデルを作成する能力は、手術の成功に大きな影響を与える可能性があります。手術計画のモデルには、手術時間の短縮、スクリューとインプラントの配置の精度の向上、失血などの合併症の減少など、実証済みの利点があります4。これは、解剖学的構造が種によって大きく異なる獣医手術の場合に特に有用です。このシンプルなプロトコルは、有害な化学物質や絶え間ない臭いのない死体からきれいな骨モデルを作成する可能性があり、特に最新の3D印刷技術と比較した場合、最小限の機器と労力で済みます。
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Disclosures
著者は開示しなければなりません。
Acknowledgments
何一つ。
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
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