Summary
Detta protokoll beskriver maceration och rengöring av kadaverben med en vakuumförseglad nedsänkningsteknik i varmvattenbad. Detta är en billig, säker och effektiv metod för att producera anatomiska prover för kirurgisk planering och medicinsk utbildning som ett alternativ till tredimensionella (3D) tryckta modeller.
Abstract
Benmodeller tjänar många syften, inklusive att förbättra anatomisk förståelse, preoperativ kirurgisk planering och intraoperativ referens. Flera tekniker för maceration av mjukdelar har beskrivits, främst för rättsmedicinsk analys. För klinisk forskning och medicinsk användning har dessa metoder ersatts av tredimensionella (3D) tryckta modeller, som kräver betydande utrustning och expertis och är kostsamma. Här rengjordes kadaveriska fårkotben genom vakuumförsegling av provet med kommersiellt diskmedel, nedsänkning i ett varmvattenbad och därefter manuellt avlägsnande av mjukvävnaden. Detta eliminerade nackdelarna med de tidigare befintliga macerationsmetoderna, såsom förekomsten av dålig lukt, användning av farliga kemikalier, betydande utrustning och höga kostnader. Den beskrivna tekniken producerade rena, torra prover samtidigt som anatomiska detaljer och struktur bibehölls för att exakt modellera de osseösa strukturerna som kan vara användbara för preoperativ planering och intraoperativ referens. Metoden är enkel, billig och effektiv för benmodellberedning för utbildning och kirurgisk planering inom veterinärmedicin och humanmedicin.
Introduction
Avlägsnande av mjukvävnad och rengöringsben krävs för rättsmedicin, medicinsk och biologisk forskning samt veterinär och medicinsk utbildning. De flesta tekniker har utvecklats för kriminaltekniska ändamål, vilket minimerar skador på benet för att bevara så mycket detaljer som möjligt. Detta kan ge en exakt, påtaglig benmodell för preoperativ kirurgisk planering, såväl som intraoperativt beslutsfattande för att minimera komplikationer 1,2,3. Detta är fördelaktigt vid kirurgi genom att minska operationstider och blodförlust och förbättra kommunikationen mellan kirurger, jämfört med planering med 2D-bilder4. Användningen av dessa modeller kan också minska beroendet av intraoperativ avbildning, såsom fluoroskopi, vilket kan minska strålningsexponeringen för personal.
Skelettben från kadaver har historiskt använts för dessa modeller; Tekniska framsteg har dock drivit mot användningen av tillverkade modeller och, mer nyligen, tredimensionella (3D) tryckta modeller. Benmodeller förlitar sig på tillgången på kadaveriska prover och effektiviteten i att bearbeta dessa prover till användbara modeller. 3D-utskrift har fördelen av kreativ frihet, vilket möjliggör anatomiska och patientspecifika modeller, särskilt när anatomiska abnormiteter eller neoplasmer är närvarande, eller om hårdvaran behöver tillverkas eller utökas för att passa patienten1. Dessa prover kan också steriliseras och manipuleras av kirurger under ett förfarande. Denna frihet kommer dock med en kostnad, eftersom det kräver datortomografi (CT) -skanningar, materialet och utrustningen som krävs kan vara dyrt och expertis är avgörande för att skapa modellerna i den nödvändiga programvaran 1,4. Dessutom kan dessa faktorer begränsa modellens precision och kvalitet, och därmed den kirurgiska planeringen och framgången1. 3D-utskrivna modeller kanske inte är det bästa valet för fall där det inte finns något behov av patientspecifik anatomi och där det finns ett omedelbart krav på modellen.
Vanliga metoder för avlägsnande av mjukvävnad från kadaverben inkluderar manuell rengöring, bakteriell maceration, kemisk maceration, matlagning och insektmaceration 5,6. Framgången för dessa metoder baseras i allmänhet på kostnad, tid, arbetskraft, utrustning, säkerhet och kvalitet på slutprodukten 5,7. Manuell rengöring kräver mest arbete och en betydande tid, men innebär minimal utrustning5. Bakteriell maceration består av att lämna provet i ett kallt eller varmt vattenbad under långa perioder, ofta upp till 3 veckor, vilket gör att bakterier kan sönderdela vävnaden6. Detta skapar obehaglig lukt, kräver ytterligare utrustning för att behandla bakterierna och skapar en biosäkerhetsrisk för användaren 5,6. Användningen av dermestidbaggar är mycket effektiv med minimal arbetskraft, men kräver förvärv av en koloni och djurhållning och anses inte vara en ekonomisk investering om den används sällan 6,7. Kemisk maceration innebär vanligtvis användning av enzymer som trypsin, pepsin och papain, eller kommersiella tvättmedel som innehåller ämnen som ytaktiva ämnen och enzymer 5,8. Även om denna metod ger snabbare resultat kan de använda kemikalierna, såsom natriumhydroxid, ammoniak, blekmedel och bensin, utgöra en hälso- och säkerhetsrisk och producera skadliga lukter som kräver personlig skyddsutrustning (PPE) och en dragskåp 5,7,8,9. Slutligen ger utökad uppvärmning en annan minimalt intensiv metod men kan ge lukt som kräver ventilation10.
En enkel, säker och billig metod för beredning av anatomiska benmodeller skulle ge ett användbart verktyg för kirurger, studenter, lärare och forskare. Denna artikel beskriver en ny metod för att förbereda skelettbenmodeller som undviker obehaglig lukt och skadliga kemikalier och producerar en detaljerad kirurgisk modell med minimal utrustning och arbetskraft.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ländryggarna skördades från 4-åriga Merinokorsvuxna tackor (Ovis aries) enligt de etiska riktlinjerna från djurvårds- och etikkommittén vid kirurgiska och ortopediska forskningslaboratorier. Efter den institutionellt godkända metoden för human dödshjälp skördades ländryggarna med hjälp av ett skarpt dissektionsverktyg, först snitt genom huden och subkutan vävnad, följt av fascia och muskulatur före disartikulation vid thoracolumbala och lumbosakrala korsningar. Ett skördat prov visas i figur 1A.
1. Förberedelse för det första badet
- Ta bort mjukvävnad manuellt (muskler, bindväv, fett etc.) med hjälp av ett skarpt dissektionsverktyg (skalpellblad nummer 22) från benprovet innan du bearbetar vidare.
OBS: Det här steget är valfritt; Att ta bort så mycket mjukvävnad som möjligt minskar dock den tid vattenbadet tar för att macerera vävnaderna. Provstorleken (~ 20 cm x 10 cm x 8 cm) reduceras också; Därför kan fler prover monteras i badet. - Försegla provet i en värmebeständig förslutningsbar plastpåse efter att luften har tagits bort. Det rekommenderas att använda en vakuumpåse med en kommersiell vakuumtätningsanordning (se materialförteckning).
OBS: Inga tillsatser krävs för det första 24-timmarsbadet. Om det finns betydande muskler som täcker alla benytor och om det redan finns minimal mjukvävnad och de flesta benytorna i provet är exponerade, fortsätt till steg 3.2 (figur 1B).
2. Förfarande för det första badet
- Sänk ner det förseglade provet helt i ett 70 °C vattenbad i 24 timmar.
- Efter 24 timmar, ta ut påsen ur badet, öppna påsen och låt provet svalna tills det är hanterbart.
3. Förberedelse för efterföljande bad
- Ta bort så mycket mjukvävnad från benet som möjligt med en skarp skalpell och rinnande vatten efter behov.
- Oartikulera eventuella leder med en skarp skalpell för att exponera broskvävnaden.
- Håll de oartikulerade bitarna på plats med hjälp av material som ortopedisk tråd eller buntband (se materialförteckning) för att bibehålla den anatomiska positionen.
- Förslut provet i en vakuumpåse tillsammans med 10 ml diskmedel (se materialförteckning) och 10 ml kranvatten.
OBS: Tvättmedelsvolymen beror på provets styrka, koncentration och storlek.
4. Förfarande för efterföljande bad
- Sänk ner det förseglade provet helt i ett 70 °C vattenbad i 24 timmar.
- Efter 24 timmar, ta ut påsen ur badet, öppna påsen och låt provet svalna tills det är hanterbart.
- Undvik att låta provet svalna helt, eftersom detta gör att mjukat brosk härdar och fäster vid benet, vilket blir svårare att ta bort.
OBS: Den tid som krävs för provbearbetning kan variera beroende på storlek och typ, och upprepad borttagning av efterföljande bad kan vara onödig. Dessutom kan provet förbli i badet under längre perioder, vilket kan hjälpa till vid tillfälligt avlägsnande av vävnader.
- Undvik att låta provet svalna helt, eftersom detta gör att mjukat brosk härdar och fäster vid benet, vilket blir svårare att ta bort.
- Ta bort så mycket mjukvävnad som möjligt med ett skarpt dissektionsverktyg (skalpellblad nummer 22 på ett särskilt skalpellhandtag) och rinnande vatten.
- Upprepa steg 4 efter behov tills benet är fritt från mjukvävnadsmaterial. Enligt vår erfarenhet behövde detta bara upprepas en gång.
5. Slutförande av förfarandet
- Tvätta provet med flytande tvättmedel och skölj noggrant med vatten.
OBS: Alkohol kan användas för att påskynda torkningen. - Låt provet torka i ca 48 timmar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Efter detta protokoll skapades rena och torra modeller av ländryggen för kirurgisk planering och referens. Prover bestående av sju ländkotor bearbetades inom 4 dagar med denna metod, med ett första bad för att avlägsna huvuddelen av muskeln och tre efterföljande bad. Slutförandet av baden indikerades av den lätthet vid vilken brosk och bindväv avlägsnades från benet. Detta varierade beroende på typ och placering av brosk; Tunna lager avlägsnades lätt efter ett eller två bad, men tjockt material omgivet av annan vävnad, såsom intervertebrala skivor, tog tre eller fyra bad. Efter torkning i 48 timmar förväntades benen vara mycket ljusare i färg och vikt och kännas torra och icke-feta. De producerade benmodellerna ger en exakt representation av anatomin, bevarar de fina osseösa strukturerna och konturerna av benet, särskilt artikulära fasetter, ryggradens ändplatta och tvärgående processer, jämfört med 3D-tryckta modeller. Som jämförelse CT-skannades en fårrygg med fårryggen vid en 0,5 mm skivtjocklek, importerades till 3D-modelleringsprogramvara (se materialförteckning) och segmenterades för att producera en modell av en enskild ryggkota. Detta skrevs sedan ut med akrylnitrilbutadienstyrenfilament (ABS) i en 3D-skrivare. Figur 2 visar den 3D-tryckta modellen av en fårländrygg jämfört med den anatomiska kadaveriska modellen som produceras från de vakuumförseglade varmvattenbadnedsänkningarna. De jämförande bilderna visar att den 3D-tryckta modellen inte exakt detaljerar fina osseösa detaljer hos de kadaveriska proverna, med förlust av finare detaljer som benets konturer, särskilt på de tvärgående processerna.
Figur 1: Prover från ländryggen på får i olika stadier under bearbetningen. (A) Den nyskördade ländryggen kräver förberedelse och ett första bad (steg 1-2), medan (B) provet med minimal mjukvävnad kan fortsätta till efterföljande bad (steg 3.2). Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Kvalitativ jämförelse mellan 3D-printade och kadaveriska benmodeller. En jämförelse av (A,B) en 3D-tryckt modell och (C,D) en kadaverisk benmodell visar förlust av detaljer vid finare punkter, såsom ändarna av tvärgående processer och fasettdetaljer i den 3D-tryckta modellen i förhållande till benet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Fårens ländryggar bearbetade med nedsänkning i varmvattenbad. Bearbetade modeller av ländryggen hos får i samma steg i bearbetningen. provet till vänster bearbetades dock med tvättmedel, och provet till höger (B) var utan. Skillnaden i färg och textur måste noteras. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna tekniska anmärkning syftar till att beskriva en enkel, säker och billig metod för att producera en anatomisk benmodell till förmån för veterinär och medicinsk utbildning och för användning i anatomisk utbildning och kirurgisk planering.
Pilottester visade att en badtemperatur på 70 °C gav den snabbaste bearbetningstiden utan att skada proverna. Högre temperaturer orsakade en omfattande nedbrytning av kollagen i benet, vilket resulterade i spröda prover med en kritaktig konsistens. Det varma badet i detta experiment var specifikt för bearbetning av 3D-tryckta prover och användes på grund av dess bekvämlighet; Andra billigare kommersiella alternativ, såsom långkokare eller sous vide-enheter, kan dock vara mer tillgängliga.
Tillsatsen av tvättmedel var ett kritiskt steg i protokollet. Jämfört med prover utan tvättmedel minskade tillsats av tvättmedel slutförandetiden från 168 timmar till 96 timmar. Prover utan tvättmedel torkade inte helt och verkade märkbart mörkare med en fet känsla, båda förmodligen på grund av lipidackumulering i benytan. Ifyllda prover som verkar mörka eller feta kan tyda på ett behov av ytterligare tvättmedel (figur 3). Under pilottesterna misslyckades tvättmedlet ensamt att sprida jämnt över proverna när de var förseglade, vilket krävde användning av vatten dessutom. När vatten och tvättmedel tillsattes påsarna före försegling var det ibland svårt att skapa en pålitlig vakuumtätning, vilket kan undvikas genom att frysa vätskor i förväg. Det tvättmedel som användes i detta protokoll, ett allmänt diskmedel, valdes utifrån kostnad och tillgänglighet. Denna metod kan utföras med valfritt diskmedel för att få liknande resultat. Andra multifunktionella hushållsrengöringsmedel som innehåller 2-Butoxyethanol kan hjälpa till med avfettning och nedbrytning av mjukvävnad mer effektivt och kan därför vara fördelaktiga för prover med överdriven eller hård brosk, såsom intervertebrala skivor7. Enzymatiska tvättmedel som aktivt smälter mjukvävnad kan användas för att minska macerationstiden jämfört med vanliga rengöringsmedel, men effekterna kan vara oförutsägbara, särskilt om användaren inte är bekant med deras användning 6,10. Medan enzymatisk maceration utgör en högre hälsorisk, har den potential att minska bearbetningstiden från dagar till timmar 5,6. Denna metod drar också stor nytta av omrörning för att främja en enzymatisk reaktion med mjukvävnad, vilket kan hindras av brist på flöde i den vakuumförseglade påsen.
Disartikulationen av ryggkotor var märkbart lättare när tvättmedel tillsattes; Vidare, efter efterföljande tvättmedelsbad, var de intervertebrala skivorna mjukare och lättare att ta bort, förmodligen på grund av en högre yta för tvättmedelspenetration när de var oartikulerade. Därför slutfördes proverna på kortare tid när de disartikulerades i förväg. På samma sätt, om de ursprungliga proverna innehöll tjocka broskområden, kan manuellt avlägsnande krävas mellan baden för att främja tvättmedelspenetration. Dessutom har omrörning av ett typiskt macerationsbad visat sig minska den tid som krävs avsevärt, men detta är inte möjligt med påsprover10. Att tillsätta tvättmedel med små mängder vatten i påsen och disartikulera leder så tidigt som möjligt kan minska effekterna av dessa begränsningar.
Ett annat kritiskt steg var att undvika att låta proverna svalna till rumstemperatur efter avlägsnande från det varma badet, eftersom restvärme möjliggjorde lättare avlägsnande av det mjukade brosket från proverna. När det fick svalna bildade detta brosk en hård, gelatinös beläggning på benet som var svår att ta bort utan att värma upp provet igen. Av samma anledning, om rinnande vatten används för att underlätta avlägsnande av mjukvävnad, rekommenderas det att använda varmt vatten.
I motsats till 3D-tryckta modeller producerar denna metod benprover för att replikera verkliga ämnen för kirurgisk planering. Användning av milda rengöringsmedel i denna metod kan undvika förändringar i benytans integritet, vilket ses vid användning av alternativa produkter som blekmedel och väteperoxid6. Med ytterligare utveckling inom 3D-utskrift för medicinsk forskning kan modeller skrivas ut med anpassade parametrar som kortikal tjocklek, vilket har visat sig ge en positiv haptisk simulering av pedikelskruvplacering vid ryggradskirurgi11. Dessa prover kan dock vara dyra att producera och kräver specifik programvara och utrustning, samt noggrann planering och bearbetning11,12. Dessutom begränsas kvaliteten på 3D-tryckta modeller av utrustningen och kan riskera förlust av finare detaljer som bevaras i benprovet13. Patientspecifika och 3D-utskrivna modeller har flera praktiska tillämpningar, medan anatomiska modeller från ben kan ge oöverträffade anatomiska detaljer med minimal kostnad och utrustning.
Begränsningar av denna metod inkluderar tillgängligheten av kadaveriska prover som är specifika för deras tillämpning. Den beskrivna metoden tar helt bort mjukvävnad från ben, vilket skapar modeller som endast kan användas för kirurgisk planering relaterad till ben och är inte lika praktisk för att visualisera artikulation, biomekanik eller omgivande strukturer. På grund av denna förlust av artikulation kan rekonstruktion av modeller krävas. Rekonstruktionsmetoden varierar med bentypen och kan inkludera silikon, tråd, buntband eller lim. Samtidigt som man approximerar benens relativa placeringar kan dessa tekniker inte replikera in vivo-mekanik och minska översättningen till kirurgisk praxis. Andra begränsningar inkluderar den tid det tar att avlägsna överflödig mjukvävnad från stora prover samt brosk och andra mjuka vävnader, om sådana finns, baserat på provets anatomiska region.
Förmågan att producera enkla benmodeller kan avsevärt påverka kirurgisk framgång. Modeller för kirurgisk planering har bevisade fördelar, inklusive minskad kirurgisk tid, mer exakt skruv- och implantatplacering och färre komplikationer som blodförlust4. Detta är särskilt användbart vid veterinärkirurgi, där anatomin varierar mycket beroende på art. Detta enkla protokoll har potential att producera rena benmodeller från kadaver utan farliga kemikalier och konstant lukt och kräver minimal utrustning och arbete, särskilt jämfört med moderna 3D-utskriftstekniker.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna måste avslöja.
Acknowledgments
Ingen.
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).
