Patientenspezifische Polyvinylalkohol-Phantomfertigung mit Ultraschall- und Röntgenkontrast für die Planung von Hirntumorchirurgie

Phantommodelle sind wichtige Werkzeuge, aber es ist eine Herausforderung, sie anatomisch genau zu machen. Dieses Protokoll verwendet CT und Ultraschall, um ein patientenspezifisches Phantom zu erstellen, das einen Tumor enthält. Wir verwenden komplexe heterogene Modelle und 3D-Druck, um einen hohen Grad an atomaren Realismus zu erreichen.

Patientenspezifische Hirnphantome sind sehr nützlich, da sie eine chirurgische Planung und klinische Ausbildung ermöglichen und es Chirurgen ermöglichen, neue Techniken zu praktizieren und neue Instrumente und Hardware zu testen. Nach Dem Erhalt präoperativer kontrastverstärkter T1-gewichteter MRT- und volumetrischer CT-Daten laden Sie die Bilder in ein 3D-Modellierungssoftwareprogramm und verwenden Sie das einfache Schnittwerkzeug, um die Gehirnsegmentierung in zwei Hemisphären aufzuteilen. Speichern Sie jede Hemisphäre als separate Rechts- und links gehirnsTl-Dateien und importieren Sie die Dateien in ein entsprechendes computergestütztes Design-Softwareprogramm.

Verwenden Sie im Netzarbeitsbereich die Funktion "Reduzieren", um die Größe jedes Modells so weit wie möglich zu verringern, sodass es vom Programm verarbeitet werden kann, wobei alle erforderlichen Details beibehalten werden. Verwenden Sie im Volumenkörperarbeitsbereich das Werkzeug Netz zu BRep, um das importierte Netz in einen Körper zu konvertieren, der bearbeitet werden kann. Klicken Sie auf Erstellen und Feld, um ein Feld um den Tumor zu zeichnen, drehen Sie die Ansicht, um sicherzustellen, dass die Box den Tumor vollständig auf allen Seiten umschließt.

Legen Sie im Menü "Vorgangs-Dropdown" das Feld als neuen Körper fest. Klicken Sie auf die Registerkarte Ändern und verwenden Sie das Kombinationswerkzeug, um den Tumor aus der Box zu schneiden, um eine Box mit einer hohlen Form des Tumors darin zu erstellen. Um Ebenen durch das Feld an den Stellen zu erstellen, an denen die Form geschnitten wird, klicken Sie auf Konstrukt und Mittelebene, um eine Ebene durch die Mitte des Felds zu erstellen.

Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Mittelebene, und wählen Sie die Offsetebene aus, um die Ebene genauer zu positionieren. Verwenden Sie unter der Registerkarte Ändern die Funktion "Geteilter Körper", um die Form entlang der erstellten Ebenen zu teilen, und klicken Sie auf Skizze und Kreis mit mittlerem Durchmesser erstellen, um kleine kreisförmige Nieten zur Fläche jedes Teils der Form hinzuzufügen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, um die Kreise ein paar Millimeter auf einer Fläche nach außen zu extrudieren und sie auf der entsprechenden Fläche nach innen zu extrudieren.

Speichern Sie dann jedes Stück der Form als separate STL-Datei. Um die 3D-Gehirn- und Tumorformen zu drucken, wählen Sie für ein schnelleres Drucken eine große Schichthöhe von etwa 0,2 Millimetern und einen niedrigen Füllwert von 20 % in der 3D-Drucksoftware aus. Wenn die Formen angemessen auf der Grundplatte positioniert sind, sollten Stützmaterialien nicht erforderlich sein.

Drucken Sie die Formen mit einem starren Material wie Polymilchsäure. Bevor Sie die Schädelform drucken, wählen Sie Unterstützung in der Software hinzufügen, um PVA als Stützmaterial zu verwenden. Um die PVA für die Modelle vorzubereiten, erhitzen Sie 1, 800 Gramm entionisiertes Wasser auf 90 Grad Celsius in einem Zweiliter-Konuskolben und messen Sie 200 Gramm PVA-Pulver.

Positionieren Sie einen elektronischen Rührer in den Kolben und achten Sie darauf, dass er die Unterseite oder die Seiten nicht berührt. Stellen Sie die Geschwindigkeit auf 1.500 Umdrehungen pro Minute ein. Fügen Sie das PVA-Pulver über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten in den Kolben.

Wenn die gesamte PVA hinzugefügt wurde, rühren Sie die Lösung für weitere 90 Minuten. Wenn ein klebriges Gel erhalten wurde, entfernen Sie den Kolben aus dem Wasserbad und bedecken Sie die Oberseite mit Plastikfolie, um die Bildung einer Haut auf dem Material zu verhindern. Sobald die PVA abgekühlt ist, erscheint sie transparent.

Gießen Sie es in ein Becherglas. Winzige weiße Kristalle können beobachtet werden, aber alle Blasen auf der Oberfläche müssen sanft abgekratzt werden. Dann 0,5% Kaliumsorbat in die PVA als Konservierungsmittel geben und die Lösung gründlich rühren.

Um die Phantome vorzubereiten, messen Sie genug PVA, um die Tumorform in ein Becherglas zu füllen und den Rest in ein separates Becherglas zu gießen. Um die PVA für den Tumor vorzubereiten, fügen Sie 1%Glas-Mikrosphären für Ultraschallkontrast und 5% Bariumsulfat für Röntgenkontrast zum ersten Becher hinzu. Rühren Sie die resultierende Lösung von Hand.

Beschallen Sie den Becher, um eine homogene Mischung der Additive zu gewährleisten und die Lösung für etwa 10 Minuten abkühlen zu lassen, wodurch Blasen durch Abkratzen bei Bedarf entfernt werden. Sichern Sie die Tumorform zusammen und gießen Sie die PVA durch das Loch in der Oberseite der Form. Lassen Sie die PVA für ein paar Minuten ruhen, damit alle Blasen, die sich im Gießprozess bilden, durch das Loch entweichen können, bevor Sie die Form in einen Gefrierschrank von minus 20 Grad Celsius legen.

Nach sechs Stunden die Form sechs Stunden bei Raumtemperatur auftauen. Wiederholen Sie den 12-stündigen Frost-Tau-Zyklus, und entfernen Sie dann vorsichtig die Form aus dem Modell. Erstellen Sie die Kleinhirn- und Gehirnhälftenmodelle in den entsprechenden Formen, wie gerade gezeigt.

Nach dem zweiten Freeze-Tau-Zyklus für jedes Phantommodellstück, entfernen Sie vorsichtig die Modelle aus den Formen und legen Sie das Kleinhirntumor Phantom auf der Spitze an der Basis des Schädelbodenmodells. Legen Sie die beiden Gehirnhälften in den obersten Teil des Kleinhirntumorstücks und legen Sie die vier Dübel in jedem Raum auf das Schädelbodenmodell. Dann legen Sie den Schädel Top-Modell auf die Oberseite.

Bei Bedarf kann das Modell in die gewünschte Position manövriert werden, um seine intraoperative Anwendung in der Chirurgie zu simulieren. Nach dem Protokoll, wie gezeigt, kann ein anatomisch realistisches Phantom hergestellt werden, das aus einem patientenspezifischen Schädel, Gehirn und Tumor besteht. Die relevanten anatomischen Strukturen für das Phantom werden anhand von Patienten-MRT- und CT-Daten segmentiert.

Für jedes Stück des Modells können dann Netze erstellt werden, um die 3D-Formen wie gezeigt herzustellen. Die Kleinhirnform ist die komplexeste zu entwerfen und zu montieren. Der Schädel ist der schwierigste Teil zu drucken, da es Unterstützungsmaterial erfordert.

Das fertige Phantom bietet ein realistisches Modell des Schädels, des Gehirns und des Tumors des Patienten. Die beiden Gehirnhälften werden getrennt produziert und haben ein realistisches Aussehen mit dem Gyri und Sulci des Gehirns. Das Kleinhirn passt bequem in die Basis des bedruckten Schädels und die Gehirnhälften sitzen auf dieser Struktur.

Der Tumor ist im Kleinhirn gut sichtbar, da der zusätzliche Kontrast, der dem Tumor zugesetzt wird, zu einer nicht-weißen Farbe führt, die ihn vom umgebenden Material trennt, an dem er befestigt ist. Der Tumor kann im Phantom sowohl mit CT- als auch mit Ultraschall-Bildgebung visualisiert werden. Die intraoperativen Ultraschalldaten des Patienten können dann verwendet werden, um die Phantombilder mit den realen Patientenbildern zu vergleichen.

Achten Sie bei der Erstellung der Formen besonders auf die Position der Schnitte, um sicherzustellen, dass das Phantom entfernt werden kann, wenn es sich verfestigt hat. Durch die Erstellung eines patientenspezifischen Gehirn-Phantoms konnten wir ein neuartiges neuronales Navigationssystem testen, das auch zur Schulung von Neurochirurgen in der Verwendung von intraoperativem Ultraschall verwendet werden kann.