超音波による患者特異的ポリビニルアルコールファントム作製法とX線コントラストによる脳腫瘍手術計画

ファントムモデルは重要なツールですが、解剖学的に正確にするのは難しいです。このプロトコルは、腫瘍を含む患者固有のファントムを作成するためにCTおよび超音波を使用する。我々は、解剖学的リアリズムの高度を達成するために、複雑な異種モデルと3Dプリンティングを使用しています。

患者固有の脳ファントムは、外科的計画と臨床訓練を可能にし、外科医が新しい技術を練習し、新しい器具およびハードウェアをテストすることを可能にするので、非常に有用である。術前コントラスト強化 T1 加重 MRI および体積 CT データを取得した後、画像を 3D モデリング ソフトウェア プログラムにロードし、プレーン カット ツールを使用して脳のセグメンテーションを 2 つの半球に分割します。各半球を別々の右脳と左脳STLファイルとして保存し、適切なコンピュータ支援設計ソフトウェアプログラムにファイルをインポートします。

メッシュ ワークスペースで、reduce 関数を使用して各モデルのサイズをできるだけ小さくし、必要な詳細をすべて保持したままプログラムで処理できるようにします。ソリッド ワークスペースで、メッシュを使用して BRep ツールを使用し、インポートしたメッシュを操作可能なボディに変換します。[作成] と [ボックス] をクリックして、腫瘍の周囲にボックスを描画し、ビューを回転して、ボックスがすべての側面の腫瘍を完全に囲むよう確認します。

操作ドロップダウンメニューで、ボックスを新しいボディとして指定します。[修正]タブをクリックし、結合ツールを使用してボックスから腫瘍を切り取り、内部の腫瘍の中の中空の形状を持つボックスを作成します。金型をカットする場所でボックスを通して平面を作成するには、[構築]および[中平面]をクリックして、ボックスの中心を通る平面を作成します。

ミッドプレーンを右クリックし、オフセット平面を選択して、平面をより正確に配置します。[修正]タブで、分割ボディ機能を使用して作成した平面に沿って金型を分割し、[スケッチと中心直径円を作成]をクリックして、金型の各面に小さな円形のリベットを追加します。右クリックすると、1 つの面で数ミリメートル外側に円を押し出し、対応する面上で内側に押し出します。

次に、金型の各部分を個別の STL ファイルとして保存します。3D脳および腫瘍の金型を印刷するには、より高速な印刷のために、3D印刷ソフトウェアで約0.2ミリメートルの大きな層の高さと20%の低い面材値を選択します。金型がベースプレート上に適切に配置されている場合、支持材料は必要ありません。

ポリ乳酸などの硬質材料を使用して金型を印刷します。スカルモールドを印刷する前に、ソフトウェアでサポートを追加して、サポート材料として PVA を使用するように選択します。モデルのためにPVAを準備するために、2リットルの円錐形フラスコで摂氏90度に脱イオン水の1、800グラムを加熱し、PVA粉末の200グラムを測定します。

フラスコに電子スターラーを置き、底部や側面に触れないように注意してください。速度を毎分1,500回転に設定します。約30分間にわたってフラスコにPVA粉末を加えます。

PVAをすべて追加したら、さらに90分間溶液をかき混ぜます。粘着性のゲルが得られたら、水浴からフラスコを取り出し、上部をラップで覆い、材料の上に皮膚が形成されるのを防ぎます。冷却すると、PVAは透明に見えます。

ビーカーに注ぎます。小さな白い結晶が観察されるかもしれませんが、表面上の気泡は穏やかに削り取らなければなりません。その後、防腐剤として0.5%ソルベートカリウムをPVAに加え、溶液を徹底的に攪拌します。

ファントムを準備するには、腫瘍モールドをビーカーに充填するのに十分なPVAを測定し、残りを別のビーカーに注ぎます。腫瘍のためにPVAを準備するには、超音波対比のために1%ガラス微小球を加え、第1ビーカーとX線コントラストに対して5%硫酸バリウムを加える。得られた溶液を手でかき混ぜます。

ビーカーを超音波処理して、添加剤の均質な混合を確保し、溶液を約10分間冷却し、必要に応じて擦り傷して気泡を除去します。腫瘍のカビを一緒に固定し、型の上部の穴からPVAを注ぎます。PVAが数分間休み、注ぐプロセスで形成された気泡が穴から抜け出せるようにしてから、金型をマイナス20度の冷凍庫に入れます。

6時間後、室温で6時間、金型を解凍します。12 時間のフリーズ解凍サイクルを繰り返し、モデルから金型を慎重に取り外します。ちょうど実証したように、適切な金型で小脳と脳半球モデルを作成します。

各ファントムモデルピースの2回目の凍結融解サイクルの後、金型からモデルを慎重に取り除き、小脳腫瘍ファントムを頭蓋骨底面モデルの基部のスパイクに置きます。2つの脳半球を小脳腫瘍片の最上部に配置し、頭蓋骨底モデルの各空間に4つのダボを配置します。その後、頭蓋骨のトップモデルを上に置きます。

必要に応じて、モデルは、手術におけるその術中の使用をシミュレートするために所望の位置に操縦することができる。実証されたプロトコルに従って、患者固有の頭蓋骨、脳、および腫瘍からなる解剖学的に現実的な幻影を作製することができる。ファントムの関連解剖構造は患者MRIおよびCTデータを使用してセグメント化される。

モデルの各部分にメッシュを作成し、実演したように 3D 金型を製造できます。小脳型は設計し、組み立てる最も複雑である。頭蓋骨は、サポート材料を必要とするため、印刷するのが最も困難な部分です。

完成した幻影は患者の頭蓋骨、脳および腫瘍の現実的なモデルを提供する。2つの脳半球は別々に生産され、脳のジャイリとスルチを特徴とする現実的な外観を持っています。小脳は、印刷された頭蓋骨の基部に快適にフィットし、脳半球はこの構造の上に座っています。

腫瘍は小脳で容易に見えるため、腫瘍に追加された余分なコントラストは、それが取り付けられている周囲の材料から分離するオフホワイト色になります。腫瘍は、CTおよび超音波画像診断の両方で幻影で視覚化することができる。患者の術中超音波データは、実際の患者画像と幻像を比較するために使用することができる。

金型を作成する場合は、切削の位置に特に注意を払い、ファントムが固まったときに取り除くことができるようにしてください。患者固有の脳ファントムを作成することにより、術中超音波を使用して神経外科医を訓練するためにも使用できる新しい神経ナビゲーションシステムをテストすることができました。