Fabbricazione fantasma di alcol polivinile specifico per il paziente con ultrasuoni e contrasto a raggi X per la pianificazione della chirurgia del tumore al cervello

I modelli phantom sono strumenti importanti, ma è difficile renderli anatomicamente accurati. Questo protocollo utilizza TC ed ultrasuoni per creare un fantasma specifico del paziente che include un tumore. Utilizziamo complessi modelli eterogenei e stampa 3D per ottenere un alto grado di realismo anatomico.

I fantasmi cerebrali specifici del paziente sono molto utili in quanto consentono la pianificazione chirurgica e l'allenamento clinico e consentono ai chirurghi di praticare nuove tecniche e testare nuovi strumenti e hardware. Dopo aver ottenuto la risonanza prima del contrasto potenziata con T1 e i dati CT volumetrici, caricare le immagini in un programma software di modellazione 3D e utilizzare lo strumento plain cut per dividere la segmentazione cerebrale in due emisferi. Salvare ogni emisfero come file STL cerebrali separati a destra e a sinistra e importare i file in un programma software di progettazione adatto al computer.

Nel workspace mesh, utilizzate la funzione reduce per ridurre il più possibile le dimensioni di ogni modello in modo che possa essere gestito dal programma pur mantenendo tutti i dettagli necessari. Nel workspace solido, utilizzate lo strumento Mesh in BRep per convertire la mesh importata in un corpo che può essere manipolato. Fare clic su crea e selezionare per disegnare una casella intorno al tumore, ruotando la vista per assicurarsi che la scatola racchiuda completamente il tumore su tutti i lati.

Nel menu a discesa dell'operazione designare la casella come nuovo corpo. Fare clic sulla scheda Modifica e utilizzare lo strumento combina per tagliare il tumore dalla scatola per creare una scatola con una forma cava del tumore al suo interno. Per creare piani attraverso la casella nei punti in cui verrà tagliato lo stampo, fate clic su costrutto e piano intermedio per creare un piano attraverso il centro della scatola.

Fate clic con il pulsante destro del mouse sul piano intermedio e selezionate il piano di offset per posizionare il piano in modo più preciso. Nella scheda Modifica (Modify), utilizzate la funzione split body per dividere lo stampo lungo i piani creati e fate clic su Crea cerchio di sketch e diametro centrale per aggiungere piccoli rivetti circolari alla faccia di ogni pezzo dello stampo. Fate clic con il pulsante destro del mouse per estrudere i cerchi verso l'esterno di alcuni millimetri su una faccia ed estruderli verso l'interno sulla faccia corrispondente.

Quindi salvare ogni pezzo dello stampo come file STL separato. Per stampare gli stampi cerebrali e tumorali 3D, per una stampa più veloce, selezionare un'altezza dello strato di circa 0,2 millimetri e un basso valore di riempimento del 20% nel software di stampa 3D. Se gli stampi sono posizionati in modo appropriato sulla piastra di base, i materiali di supporto non dovrebbero essere necessari.

Stampare gli stampi utilizzando un materiale rigido come l'acido polilattico. Prima di stampare lo stampo del teschio, selezionare Aggiungi supporto nel software per utilizzare PVA come materiale di supporto. Per preparare il PVA per i modelli, riscaldare 1.800 grammi di acqua deionizzata a 90 gradi Celsius in un pallone conico da due litri e misurare 200 grammi di polvere di PVA.

Posizionare un agitatore elettronico nel pallone, facendo attenzione che non tocchi il fondo o i lati. Imposta la velocità su 1.500 giri al minuto. Aggiungere la polvere di PVA al pallone per un periodo di circa 30 minuti.

Una volta aggiunto tutto il PVA, mescolare la soluzione per altri 90 minuti. Quando è stato ottenuto un gel appiccicoso, rimuovere il pallone dal bagno d'acqua e coprire la parte superiore con un involucro di plastica per evitare la formazione di una pelle sopra il materiale. Una volta raffreddato, il PVA apparirà trasparente.

Versalo in un becher. Si possono osservare minuscoli cristalli bianchi, ma eventuali bolle sulla superficie devono essere delicatamente raschiate via. Quindi aggiungere lo 0,5% di sorbato di potassio al PVA come conservante e mescolare accuratamente la soluzione.

Per preparare i fantasmi, misurare abbastanza PVA da riempire lo stampo tumorale in un becher e versare il resto in un becher separato. Per preparare il PVA per il tumore, aggiungere l'1% di microsfere di vetro per il contrasto ecografico e il 5% di solfato di bario per il contrasto a raggi X con il primo becher. Mescolare la soluzione risultante a mano.

Sonicare il becher per garantire la miscelazione omogenea degli additivi e lasciare raffreddare la soluzione per circa 10 minuti, rimuovendo eventuali bolle raschiando se necessario. Fissare lo stampo tumorale insieme e versare il PVA attraverso il foro nella parte superiore dello stampo. Lasciare riposare il PVA per alcuni minuti per consentire a eventuali bolle formate nel processo di versamento di fuoriuscire attraverso il foro, prima di posizionare lo stampo in un congelatore meno 20 gradi Celsius.

Dopo sei ore, scongelare lo stampo per sei ore a temperatura ambiente. Ripetere il ciclo di congelamento-scongelamento di 12 ore, quindi rimuovere con cura lo stampo dal modello. Crea i modelli del cervelletto e dell'emisfero cerebrale negli stampi appropriati come appena dimostrato.

Dopo il secondo ciclo di congelamento-scongelamento per ogni pezzo del modello fantasma, rimuovere con cura i modelli dagli stampi e posizionare il fantasma tumorale del cervelletto sul picco alla base del modello inferiore del cranio. Posizionare i due emisferi cerebrali nella parte superiore del pezzo tumorale del cervelletto e posizionare i quattro tasselli in ogni spazio sul modello inferiore del cranio. Quindi posiziona il modello superiore del cranio in cima.

Se necessario, il modello può essere manovrato nella posizione desiderata per simulare il suo uso intraoperatorio in chirurgia. Seguendo il protocollo come dimostrato, è possibile fabbricare un fantasma anatomicamente realistico costituito da un cranio, un cervello e un tumore specifici del paziente. Le strutture anatomiche rilevanti per il fantasma sono segmentate utilizzando i dati della risonanza e della TC del paziente.

Le mesh possono quindi essere create per ogni pezzo del modello per produrre gli stampi 3D come dimostrato. Lo stampo del cervelletto è il più complesso da progettare e assemblare. Il cranio è la parte più difficile da stampare in quanto richiede materiale di supporto.

Il fantasma completato offre un modello realistico del cranio, del cervello e del tumore del paziente. I due emisferi cerebrali sono prodotti separatamente e hanno un aspetto realistico con il giro e il sulci del cervello. Il cervelletto si inserisce comodamente nella base del cranio stampato e gli emisferi cerebrali si trovano sopra questa struttura.

Il tumore è facilmente visibile nel cervelletto in quanto il contrasto extra aggiunto al tumore si traduce in un colore bianco troppo bianco che lo separa dal materiale circostante a cui è attaccato. Il tumore può essere visualizzato nel fantasma sia con la TAC che con l'imaging ad ultrasuoni. I dati ecografico intraoperatori del paziente possono quindi essere utilizzati per confrontare le immagini fantasma con le immagini reali del paziente.

Quando create gli stampi, prestare particolare attenzione alla posizione dei tagli per assicurarsi che il fantasma possa essere rimosso quando si è solidificato. Creando un fantasma cerebrale specifico del paziente, siamo stati in grado di testare un nuovo sistema di navigazione neurale che può anche essere usato per addestrare i neurochirurgia nell'uso degli ultrasuoni intraoperatori.