Patiënt-specifieke Polyvinyl Alcohol Phantom Fabricatie met echografie en X-Ray Contrast voor brain tumor chirurgie Planning

Samenvatting

Dit protocol beschrijft de fabricage van een patiënt specifieke schedel, hersenen en tumor fantoom. Het maakt gebruik van 3D-printen om mallen te maken, en polyvinyl alcohol (PVA-c) wordt gebruikt als het weefsel nabootsen materiaal.

Samenvatting

Phantoms zijn essentiële instrumenten voor klinische training, chirurgische planning en de ontwikkeling van nieuwe medische hulpmiddelen. Het is echter een uitdaging om anatomisch nauwkeurige hoofdtooms te maken met realistische hersenbeeldvormingseigenschappen, omdat standaardfabricagemethoden niet zijn geoptimaliseerd om patiëntspecifieke anatomische details te repliceren en 3D-printmaterialen niet zijn geoptimaliseerd voor beeldeigenschappen. Om een nieuw navigatiesysteem te testen en te valideren voor gebruik tijdens hersentumorchirurgie, was een anatomisch nauwkeurig fantoom met realistische beeldvorming en mechanische eigenschappen vereist. Daarom werd een fantoom ontwikkeld met behulp van echte patiëntgegevens als input en 3D-printen van mallen om een patiëntspecifiek hoofdtoom te fabriceren dat bestaat uit de schedel, hersenen en tumor met zowel echografie als röntgencontrast. Het fantoom had ook mechanische eigenschappen die het mogelijk maakte het fantoomweefsel te manipuleren op een vergelijkbare manier als hoe menselijk hersenweefsel wordt behandeld tijdens de operatie. Het fantoom werd met succes getest tijdens een chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer.

De phantom fabricage methode maakt gebruik van commercieel beschikbare materialen en is gemakkelijk te reproduceren. De 3D-printbestanden kunnen gemakkelijk worden gedeeld, en de techniek kan worden aangepast aan veel verschillende soorten tumor omvatten.

Inleiding

Fantomen die de specifieke eigenschappen van biologische weefsels nabootsen, zijn een nuttige hulpbron voor verschillende experimentele en onderwijstoepassingen. Weefsel-nabootsende fantomen zijn essentieel om medische hulpmiddelen te karakteriseren voorafgaand aan hun klinisch gebruik^1,2 en anatomische fantomen worden vaak gebruikt bij de opleiding van medisch personeel in alle disciplines^3,4,5,6,7. Patiëntspecifieke anatomische fantomen gemaakt met de juiste weefsel-nabootsende eigenschappen zijn vaak een essentieel onderdeel van de testomgeving en kunnen het vertrouwen van clinici die leren om een nieuw apparaat te gebruiken⁸. Hoge productiekosten en complexe fabricageprocessen sluiten echter vaak het routinematige gebruik van patiëntspecifieke fantomen uit. Hier wordt een methode beschreven voor de productie van een duurzaam, patiëntspecifiek hersentumormodel met behulp van direct beschikbare, commerciële materialen, die kunnen worden gebruikt voor de training en validatie van intraoperatieve echografie (VS) met behulp van geautomatiseerde tomografie (CT) beeldvorming. Het in deze studie beschreven fantoom is gemaakt met behulp van gegevens van een patiënt met een vestibulaire schwannoma (een goedaardige hersentumor die voortvloeit uit een van de evenwichtszenuwen die de hersenen en het binnenoor verbinden) die vervolgens een operatie en tumorresectie onderging via een retrosigmoid suboccipitale craniotomie¹⁰. Het fantoom werd ontwikkeld om een geïntegreerd intraoperatief navigatiesysteem te testen en te valideren voor gebruik tijdens dit type hersentumorchirurgie.

Om geschikt te zijn voor deze toepassing, moet het hersentumortoom verschillende belangrijke eigenschappen bezitten. Ten eerste moet het worden gemaakt van niet-toxische materialen, zodat het veilig kan worden gebruikt in een klinische trainingsomgeving. Ten tweede moet het realistische beeldvormingseigenschappen hebben; voor de beoogde toepassing, deze specifiek omvatten echografie demping en CT contrast. Ten derde moet het vergelijkbare mechanische eigenschappen hebben als menselijk weefsel, zodat het op dezelfde manier kan worden behandeld. Ten vierde moet het fantoom gebaseerd zijn op echte patiëntgegevens, zodat het anatomisch nauwkeurig is en kan worden gebruikt voor chirurgische planning en training. Ten slotte moeten de gebruikte materialen duurzaam zijn, zodat het fantoom herhaaldelijk kan worden gebruikt.

In het algemeen is het weefsel-nabootsen materiaal en fabricage methode gekozen voor een fantoom afhankelijk van de beoogde toepassing. Voor stijve structuren zoals de schedel mag de gekozen eigenschap niet vervormen of in water oplosbaar zijn en moet het in staat zijn om een nauwkeurig niveau van anatomische details te behouden bij herhaald gebruik; dit is vooral belangrijk bij het gebruik van het fantoom voor experimenten waarbij beeldregistratie wordt gebruikt en voor chirurgische simulatiedoeleinden. Minerale olie gebaseerde materialen zoals gel wax zijn veelbelovend voor^{echografie 9,11,12} en foto-akoestische¹³ imaging toepassingen, echter, wanneer onderworpen aan herhaalde mechanische vervorming worden ze friable, dus niet bestand tegen langdurig gebruik, vooral met standaard microchirurgische neurochirurgie instrumenten. Agar en gelatine zijn waterige materialen die ook vaak worden gebruikt als weefsel-nabootsen materialen. De additieven die nodig zijn om de akoestische eigenschappen van deze materialen aan te passen zijn bekend¹⁴, maar ze hebben een beperkte mechanische sterkte en zijn niet bijzonder duurzaam, dus zijn niet geschikt voor deze toepassing, waar het fantoom herhaaldelijk moet worden behandeld.

Polyvinyl alcohol cryogel (PVA-c) is een populaire keuze van weefsel-nabootsend materiaal, omdat de akoestische en mechanische eigenschappen gemakkelijk kunnen worden afgestemd door het variëren van de vries-dooi cycli. Gebleken is dat de eigenschappen van PVA-c vergelijkbaar zijn met die van zachte weefsels^15,16,17,18. PVA-c gebaseerde hersentooms zijn met succes gebruikt voor echografie en CT imaging¹⁹. Het materiaal is sterk genoeg om herhaaldelijk te worden gebruikt, en het heeft een hoge mate van elasticiteit, dus fantoomweefsel gemaakt van PVA-c kan worden gemanipuleerd zonder permanent vervormd te zijn. Polymelkzuur (PLA) is een direct beschikbaar stijf materiaal en werd gebruikt om de schedel te vervaardigen, maar een ander drukmateriaal kan worden gebruikt in plaats van PLA, als het vergelijkbare mechanische eigenschappen heeft en niet in water oplosbaar is.

Met name hersentooms zijn vervaardigd met behulp van verschillende methoden, afhankelijk van het vereiste complexiteitsniveau en de weefsels die moeten worden gerepliceerd^20,21,22,23. Meestal wordt een mal gebruikt, en vloeibaar weefsel-nabootsend materiaal gegoten in het. Sommige studies hebben gebruikt commerciële mallen^24, terwijl anderen gebruik maken van 3D-geprinte aangepaste mallen van een gezond brein, en simuleren hersenletsels door het implanteren van marker bollen en opblaasbare katheters^19,25. Voor zover de auteur weet, is dit het eerste rapport van een 3D-geprint patiëntspecifiek hersentumortoommodel gemaakt met weefsel-nabootsende echografie en röntgeneigenschappen. De totale fabricage wordt gevisualiseerd door het stroomdiagram in figuur 1; het hele proces duurt ongeveer een week om te voltooien.

Protocol

Deze studie werd uitgevoerd volgens de beginselen uitgedrukt in de Verklaring van Helsinki en werd goedgekeurd door de NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Geïnformeerde toestemming werd verkregen, en alle beeldvormingsgegevens werden volledig geanonimiseerd vóór analyse.

1.

1. Verkrijg vooraf operatieve, met contrast verbeterde T1-gewogen Magnetic Resonance Imaging (MRI) en volumetrische computertomografie (CT) gegevens.
   1. Als verworven in Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) formaat, converteren naar Neuroimaging Informatics Technology Initiative²⁶ (NiFTI) formaat voor verwerking en analyse.
2. Verkrijg intraoperatieve echografiegegevens.

2. Segmentatie

1. Installeer software om de patiëntgegevens mee te segmenteren.
2. Schedelsegmentatie
   OPMERKING: De stappen die betrokken zijn bij het segmenteren van de schedel in grote lijnen volgen die geschetst door Cramer en Quigley²⁷ Op https://radmodules.com/, maar zijn aangepast om een geschikte craniotomie te creëren.
   1. Laad de volumetrische CT-scan van de patiënt in segmentatiesoftware, open de segmenteditormodule en creëer nieuwe segmentatie met de naam 'Skull'.
   2. Gebruik de functie'Drempel'om de schedel te markeren.
   3. Verwijder ongewenste segmentaties (bijvoorbeeld huidverkalkingen, onderkaak, C1/2, styloïdeproces, het CT-patiëntenframe en eventuele annotaties die in de afbeelding zijn ingebed). Gebruik de functie'Schaar'om onderdelen te verwijderen bij het bekijken van het model in 3D en gebruik te maken van de functie'Eilanden'nadat u met de functie'Wissen'handmatig ongewenste structuren hebt losgekoppeld.
   4. Corticale rand van het mastoïde bot en ethmoïde bot handmatig corrigeren in de segmentatie die tijdens het drempelsen werden gemist met behulp van de functies 'Paint' en 'Draw' (bijvoorbeeld lamina papyracea, corticale rand van het mastoïde bot en ethmoïde bot).
   5. Gebruik de functies 'Paint' en 'Draw' om de foramen magnum in te vullen en een 5 mm uitstekende spike te creëren waarop het onderste deel van het fantoommodel kan worden vastgezet.
      OPMERKING: De locatie van de piek wordt het best bepaald op de coronale en sagittale beeldvlakken.
   6. Pas de functie'Smoothing' toe. Gebruik een mediane smoothing-instelling van 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixels) om de hoeveelheid verloren details te minimaliseren.
      OPMERKING: Als het fantoommodel een volledig intacte schedel moet bevatten (bijvoorbeeld om chirurgische simulatie van het creëren van een op de juiste plaats gelegen schedel te vergemakkelijken), ga dan naar stap 2.2.15; Als er echter een craniotomie in het model nodig is, moet u de stappen 2.2.7 tot en met 2.2.14 voltooien.
   7. Klik op 'Toevoegen'om een nieuwe segmentatie toe te voegen en noem het 'Skull Craniotomy'.
   8. Kopieer in de module 'Segmentaties' de segmentatie 'Skull' over naar 'Skull Craniotomy' via het tabblad 'Copy/Move Segments'.
      OPMERKING: Zowel de segmentatie 'Skull' als 'Skull Craniotomy' zijn nodig om de in de stappen 2.2.9 tot en met 2.2.13 beschreven functies te kunnen uitvoeren
   9. Gebruik de functie'Schaar'om een op de juiste manier grote craniotomie in 'Skull Craniotomie' te verwijderen.
      OPMERKING: Het creëren van de craniotomie op deze manier zal ook een toevoeging gedeelte van de schedel aan de andere kant vandaar de noodzaak voor stappen 2.2.11 tot 2.2.14.
   10. Klik op 'Toevoegen' en voeg een nieuwe segmentatie toe; noem het 'Craniotomie Only'.
   11. Selecteer in 'Craniotomy Only' de segmentatie 'Skull Craniotomy' en gebruik de functie 'Logical Operator'om 'Skull Craniotomie' af te trekken van 'Skull'.
   12. Gebruik de functie'Schaar'om alles te wissen behalve de gewenste craniotomie aan de juiste kant van de tumor, waardoor 'Craniotomie Only' wordt opgeslagen.
   13. In 'Skull Craniotomy' gebruik je de functie 'Logical Operator'om 'Craniotomie only' af te trekken van 'Skull' en op te slaan.
   14. Open demodule Segmentaties en exporteer de 'Skull Craniotomy' als een stereolithografie (STL) bestand.
   15. Open 3D-modelleringssoftware en importeer het STL-bestand 'Skull Craniotomy'.
       OPMERKING: Als het model in gestreept roze wordt weergegeven, voltooit u de functie'Flip Normals'door het volledige model te selecteren (Selecteer | Dubbelklik) en vervolgens 'Bewerk | Flip Normals'. Het model wordt nu grijs en kan worden bewerkt. Zorg ervoor dat'Browser voor weergaveobjecten'is ingeschakeld.
   16. Verminder het aantal driehoeken om de rekentijd te verbeteren.
   17. Selecteer het volledige model (Selecteer | Dubbelklik kleurt het model oranje) en'Bewerk | Verminderen'. De standaard functie'Reduce'is ingesteld op 50% dus herhaal totdat de gewenste reductie is bereikt. Streef naar een totaal aantal driehoeken < 500.000.
   18. Breng'Smoothing'functie aan zodat het vakje'Shape Preserving'aangevinkt blijft. Selecteer het volledige model en selecteer vervolgens 'Misvorming | Glad'.
   19. Klik op'Analyse' en klik vervolgens op 'Inspector'en gebruik deze functie om kleine defecten in het model op te sporen en klik op automatische reparatie (stel'Flat-fill'selectie voor).
   20. Snijd 'Skull' om een boven- en onderkant te maken met de'Edit/Plane'cut-functie. Selecteer het vultype'Houd beide segmenten'en 'Remeshed'in. Verander de schedel in transparant met de functie'Shaders'om een beter inwendig beeld van de schedel te bieden en het vlak zo aan te passen dat het parallel is aan de schedelbasis.
   21. Scheid schalen door'| bewerken' te selecteren Afzonderlijke schelpen' en hernoemen 'Skull_Top' en 'Skull_Bottom' in de objecten browser.
       LET OP: Verplaats hun posities niet. Klik op het oogpictogram om het ene of het andere uit de weergave te verwijderen.
   22. Klik op'Meshmix' en selecteer 'Cylinder'om een handdoek te maken en bewerk grootte tot 4 mm × 10 mm × 4 mm ('Edit | Transformeren'). Verberg 'Skull_Bottom' door op het oogpictogram te klikken om uit beeld te verwijderen.
   23. Selecteer '| bewerken Lijn' vliegtuigen. Er verschijnt een extra transparante cilinder. Kies in het venster'Uitlijnen' de optie 'Surface point' (links klik op transparante cilinder) voor de 'Bron' en 'Surface point'(Shift + links klik onder de 'Skull_Top') voor de 'Bestemming'.
   24. De| bewerken Transformeerde functie verplaats de dowel in de schedel met behulp van de groene pijl en pas de positie aan met blauwe en rode pijlen. Wijzig de naam 'Dowel_Anterior'.
   25. Maak in de objectbrowser 3 kopieën en hernoemen 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' en 'Dowel_Right'.
   26. Verplaats elke handdoek naar de gewenste locatie met behulp van de 'Edit | Transform' functie.
       LET OP: Beweeg of verander de positie van de handdoek in het groene vlak niet.
   27. Maak kopieën van elk, maar bewaar alle kopieën op dezelfde locatie en maak een extra handdoek en maak het formaat van 3 mm × 10 mm × 3 mm. Hernoemen 'Dowel'.
   28. Maak gaten voor Deuvels in de schedel met behulp van de'Boolean Difference'functie. Selecteer eerst 'Skull_Top' en selecteer vervolgens een dowel in de objectbrowser. In het tabblad'Boolean Difference'wordt ervoor gezorgd dat'Auto-reduce'wordt uitgeschakeld. Herhaal dit voor elke handdoek op zijn beurt.
   29. Verberg 'Skull_Top' en bekijk 'Skull_Bottom' herhalen van de bovenstaande'Boolean Difference' functie voor elke dowel op zijn beurt.
   30. Exporteer 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' en 'Dowel' als afzonderlijke binaire STL-bestanden.
3. Hersenweefselsegmentatie
   1. Upload de contrast verbeterde T1 MRI van de hersenen naar http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF en download de output. Dit is een open-source pakketverwijde tool voor T1-gewogen beelden die gebruik maakt van een Geodesic Information Flow (GIF) algoritme²⁸ om hersenextractie en weefselsegmentatie uit te voeren.
   2. Open segmentatiesoftware en laad het contrastvereend T1 MRI- en GIF-pakketuitvoerbestand.
   3. Open de module'Segmenteditor'en maak een nieuwe segmentatie.
   4. Selecteer de juiste labels en combineer ze om één segmentatie te vormen. Zo kunnen cerebrale en diencephalon label kaarten worden gecombineerd tot één model te maken, aangeduid als 'Brain' en midbrain, hersenstam, cerebellum en vermian structuren kunnen worden gecombineerd tot een tweede model aangeduid als 'Cerebellum'.
   5. Gebruik de functie'Smoothing'(voorgesteld mediaan 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixels).
   6. Gebruik de functie'Schaar'om ongewenste of foutieve segmentaties te verwijderen.
   7. Sla 'Brain' en 'Cerebellum' segmentaties.
   8. Open 'Segmentations'module en exporteer 'Brain' en 'Cerebellum' als STL-bestanden.
4. Tumorsegmentatie
   1. Open segmentatiesoftware en laad de contrastverbes ter t.v. T1 MRI.
   2. Open de module'Segment editor'en maak nieuwe segmentatie met de naam 'Tumor'.
   3. Gebruik de functie'Drempel'om de tumor te markeren.
   4. Corrigeer de segmentatie met de functies 'Paint','Tekenen' en'Wissen'.
   5. Pas de functie'Smoothing'aan (voorgesteld mediaan 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixels).
   6. Maak een nieuwe segmentatie met de naam 'Cerebellum_Tumor'.
   7. Combineer het 'Cerebellum'-model en 'Tumor' met behulp van de 'Logical Operators | Voeg' functie toe.
   8. Sla 'Tumor' en 'Cerebellum_Tumor' segmentaties.
   9. Open 'Segmentations'module en exporteer 'Tumor' en 'Cerebellum_Tumor' als STL-bestanden.
      LET OP: Aan het einde van het segmentatieproces zijn de volgende bestanden beschikbaar: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Cerebellum', 'Tumor', 'Cerebellum_Tumor'.

3.3D Afdrukken van brain / tumor mallen en schedel

1. Maak de hersenen en tumor mallen
   1. Splits de segmentatie 'Brain' op in twee halfronden, met behulp van het'Plane cut'tool in 3D-modelleringssoftware.
   2. Sla elk halfrond op als een apart STL-bestand 'Brain right' en 'Brain left'.
   3. Importeer het STL-bestand 'Tumor' in cad-software (computer-aided design).
   4. Klik op het tabblad'mesh'en gebruik vervolgens de functie 'Reduce' om de grootte van het model te verkleinen, zodat het door het programma kan worden behandeld - het doel is om de grootte zoveel mogelijk te verkleinen, terwijl nog steeds alle details behouden die nodig zijn.
   5. Klik op het tabblad'effen' en gebruik het gereedschap'Mesh naar BRep'om het geïmporteerde net om te zetten in een lichaam dat kan worden gemanipuleerd. Als deze actie niet kan worden voltooid, is het gaas in stap 3.1.3 niet voldoende verkleind.
   6. Klik op 'Maak' dan 'Doos' en teken een doos rond de tumor. Selecteer om dit te maken als een 'Nieuw lichaam' en draai de weergave om ervoor te zorgen dat de doos de tumor aan alle kanten volledig omsluit.
   7. Gebruik in het tabblad Wijzigen het gereedschap'Combineren'om de tumor (het 'Gereedschapslichaam')uit de doos (het 'Doellichaam') te snijden. Dit zal dan een doos met een holle vorm van de tumor erin laten.
   8. Controleer of de uitgeholde doos aanwezig is. Snijd deze doos in een passend aantal stukken, zodat zodra de mal is gevuld, het kan worden gewaardeerd uit elkaar zonder beschadiging van het fantoom binnen. Voor de tumor hier, is het genoeg om de doos in tweeën te splitsen, maar voor de andere delen van het fantoom zijn meer stukken nodig.
   9. Maak vliegtuigen door de doos op de plaatsen die de mal moet worden gesneden. Klik op 'Construct' dan 'Midplane' om een vlak te maken door het midden van de doos. Klik met de rechtermuisknop op het gemaakte vlak en kies'Offset vlak'om het vlak nauwkeuriger te positioneren.
   10. Gebruik de functie'Split Body'op het tabblad 'Wijzigen'om de mal te splitsen langs de gemaakte vlakken.
   11. Verplaats de afzonderlijke stukken van de mal, door met de rechtermuisknop te klikken en te selecteren 'Move / Copy', zodat alle stukken naar buiten worden gericht.
   12. Voeg klinknagels toe aan de gezichten van elk stuk van de mal (zodat het veilig in elkaar past), door te klikken op 'Maak schets' dan ' Centrumdiameter cirkel' en op elk gezicht, het tekenen van kleine cirkels. Klik met de rechtermuisknop opdezecirkels die een paar millimeter naar buiten gaan op één gezicht en extrudeer ze naar binnen op het bijbehorende gezicht.
       OPMERKING: De naar binnen geëxtrudeerde cirkels moeten iets groter zijn - ongeveer 1,5 mm - dan de cirkels die naar buiten worden geëxtrudeerd, zodat ze goed in elkaar passen.
   13. Sla elk stuk van de mal op als een apart STL-bestand.
   14. Herhaal stap 3.1.4 – 3.1.14 voor 'Brain left', 'Brain right' en 'Cerebellum tumor'.
       OPMERKING: Met behulp van het bestand 'Cerebellum tumor' in plaats van alleen 'Cerebellum' om de mal te creëren betekent dat de mal zal een ruimte in het voor de tumor worden ingevoegd tijdens de bouw.
2. Print de 3D-mallen
   1. Installeer of open 3D-afdruksoftware.
   2. Open het STL-bestand voor elk stuk van de mal in de afdruksoftware en draai het zo dat het plat tegen de bouwplaat ligt. Het is mogelijk om meerdere malstukken aan de bouwplaat toe te voegen en deze tegelijkertijd af te drukken.
   3. Kies een grote laaghoogte (ongeveer 0,2 mm) en een lage invulwaarde (ongeveer 20%) voor sneller afdrukken. Print de mallen met behulp van een stijf materiaal zoals Polymelkzuur (PLA). Als de mallen op de juiste manier zijn geplaatst, is ondersteuningsmateriaal niet nodig.
3. Print de schedel
   1. Open het bestand 'Skull Top' in de afdruksoftware en kies een grote laaghoogte (ongeveer 0,2 mm) en een lage infillwaarde (ongeveer 20%).
   2. Print het schedelmodel in PLA, maar in tegenstelling tot stap 3.2.3 is ondersteuningsmateriaal vereist, dus selecteer 'Ondersteuning toevoegen'in de software. PVA wordt gebruikt als het steunmateriaal omdat het later kan worden opgelost met water.
   3. Herhaal stap 3.3.1 en 3.3.2 voor 'Skull Bottom'.
   4. Zodra de boven- en onderkant van de schedel zijn afgedrukt, dompel ze 's nachts onder in water om het PVA-ondersteuningsmateriaal op te lossen.
      LET OP: Het steunmateriaal lost veel sneller op als warm water wordt gebruikt, maar als het water te warm is, zal het de gedrukte PLA vervormen. Daarom is het beter om koel water te gebruiken en de print 's nachts ondergedompeld te laten.

4. Voorbereiding van PVA-c

1. Meet 200 g PVA-poeder en zet aan de zijkant.
2. Verwarm 1800 g gedeïmiseerd water tot 90 °C en voeg toe aan een 2L conische kolf.
   OPMERKING: Het water moet bijna koken, zodat het PVA-poeder gemakkelijk oplost, maar als het water 100 °C bereikt, zullen sommige verloren gaan aan verdamping, die moet worden vermeden.
3. Hang de conische kolf op in een temperatuurgestuurd waterbad dat op 90 °C is ingesteld.
4. Plaats een elektronische roerder in de kolf, zodat deze de onderkant of zijkanten niet raakt en de snelheid op 1500 tpm zet.
   LET OP: Controleer of het water gelijkmatig beweegt en er geen stilstaande punten aan de zijkanten of onderkant zijn.
5. Voeg geleidelijk het PVA-poeder toe aan de conische kolf, ongeveer 30 minuten, en laat het vervolgens ongeveer 90 minuten roeren. De resulterende gel is het weefsel-nabootsend materiaal PVA-c.
6. Haal conische kolf uit het waterbad en giet de inhoud in een beker. Bedek de bovenkant met kleeffolie om de vorming van een huid bovenop de PVA-c te voorkomen. Laat de PVA-c afkoelen tot kamertemperatuur (ongeveer 20 °C). Eenmaal afgekoeld is de PVA-c transparant. Kleine witte kristallen kunnen worden gezien in de PVA-c, maar alle bellen verschijnen op het oppervlak moet voorzichtig worden afgeschraapt.
7. Voeg 0,5 w/w% kaliumsorase toe aan de PVA-c als conserveermiddel en roer handmatig goed.
8. De PVA-c kan worden overgelaten op kamertemperatuur als bedekt met kleeffolie voor een paar dagen voordat het wordt gegoten in mallen.

5. Phantom Assembly

1. Meet genoeg PVA-c om de tumor schimmel te vullen in een beker.
2. Voeg aan de PVA-c voor de tumor 1 w/w% glazen microsferen toe voor ultrasone contrast en 5 w/w% Barium Sulfaat voor röntgencontrast en roer met de hand.
   OPMERKING: Het kan nodig zijn om overtollige PVA-c voor de tumor te meten, zodat deze percentages een meetbare hoeveelheid zijn.
3. Soniceer het bekerglas om homogene vermenging van de additieven te garanderen.
4. Laat afkoelen en laat eventuele bellen gevormd om te ontsnappen, ongeveer 10 min, dan schraap eventuele bubbels van het oppervlak.
   OPMERKING: Laat niet voor langere tijd na de glazen bollen zijn toegevoegd, niet langer dan ongeveer 10 minuten, voordat het gieten van de PVA-c in een mal, als de glazen bollen zal vestigen op de bodem van het bekerglas. Zodra het fantoom is bevroren, zal dit niet langer een punt van zorg, en de laatste fantoom kan worden gebruikt bij kamertemperatuur.
5. Zet de tumor schimmel samen (tape kan worden gebruikt om de joins in de mal te dekken) en giet in de PVA-c door het gat in de bovenkant van de mal. Laat gedurende een paar minuten om eventuele bubbels gevormd in het gietproces om te ontsnappen door het gat, dan direct in de vriezer.
6. Voer twee vries-dooi cycli op de tumor uit; elke cyclus hier bestaat uit 6 uur vriesen bij -20 °C en 6 uur ontdooien bij kamertemperatuur. Verwijder vervolgens voorzichtig uit de mal.
7. Plaats de tumor in de overeenkomstige ruimte voor het in de cerebellum schimmel, dan de bouw van de rest van het cerebellum schimmel en zet het samen.
8. Voeg aan de resterende PVA-c 0,05 w/w% glazen microsferen toe en herhaal vervolgens stappen 5.1.3 en 5.1.4.
9. Giet de PVA-c in de cerebellum schimmel, waardoor het de tumor die is geplaatst binnen te omringen. Bovendien, giet het mengsel in de mallen voor elke hersenhelft.
10. Voer twee vriesdooicycli uit op elk hersenrondisfeer en het cerebellum; elke cyclus hier bestaat uit 24 uur vriesen bij -20 °C en 24 uur ontdooien bij kamertemperatuur.
    OPMERKING: Cycli met 12 uur bevriezen gevolgd door 12 uur ontdooien ook effectief, zodat het fantoom te worden gemaakt in minder tijd. 24 uur werd gekozen voor het gemak van toepassing, om te voorkomen dat terug te keren naar het lab om de 12 uur.
11. Zodra de fantomen voor de tweede keer ontdooid zijn, verwijder ze voorzichtig uit de mallen en plaats ze in de geprinte schedel.
    OPMERKING: Wanneer niet in gebruik, moeten de voltooide PVA-c fantomen worden opgeslagen in een luchtdichte container in de koelkast, en kan worden bewaard voor een paar weken op deze manier
12. Voor voltooiing plaatst u het 'Cerebellum tumor' fantoom op de spike aan de basis van het 'Skull Bottom' model. De modellen van twee hersenhelften ('Hersenen links' en 'Brain right') worden bovenop geplaatst en in het bovenste deel van de 'Cerebellum tumor' geplaatst.
13. Plaats de vier deuvels in elke ruimte op het 'Skull Bottom' model en plaats 'Skull Top' model erop. Indien nodig kan het model vervolgens in de gewenste positie worden gemanoeuvreerd om intraoperatief gebruik in de chirurgie te simuleren.

6. Phantom Imaging

1. Echografie
   1. Breng ultrasone gel aan op de beeldsonde.
      OPMERKING: Gel wordt niet intraoperatief gebruikt, maar kan worden gebruikt in simulatie en verandert de klinische workflow of de kwaliteit van de verworven beelden niet significant.
   2. Beeld de hersenen en tumor door de craniotomie, met een klinische scanner en braamgatsonde.
2. CT-beeldvorming
   1. Beeld het hele fantoom in een CT-scanner.

Resultaten

Volgens het beschreven protocol werd een anatomisch realistisch fantoom vervaardigd, dat bestaat uit een patiëntspecifieke schedel, hersenen en tumor. De relevante anatomische structuren voor het fantoom (schedel, hersenen, tumor) worden gesegmenteerd met behulp van MRI- en CT-gegevens van de patiënt(figuur 2a,b). De intraoperatieve echografiegegevens van de patiënt (figuur 2c; Figuur 2d toont hetzelfde beeld als figuur 2c, maar met de tumor geschetst) werd gebruikt om de fantoombeelden te vergelijken met de echte patiënt beelden.

Mazen werden gemaakt voor elk stuk van het model(figuur 3), en deze werden vervolgens gebruikt om de 3D-mallen te vervaardigen. De mallen werden gemakkelijk gedrukt op een commerciële printer en gemonteerd door slotting de stukken samen. De cerebellum mal was de meest complexe te ontwerpen en monteren(figuur 4). De schedel (Figuur 5a) was het moeilijkste deel om af te drukken als het nodig ondersteunend materiaal, dus was een langzaam proces; de hele afdruk duurde in totaal drie dagen, wat een beperkende factor is in het protocol.

Het voltooide fantoom (figuur 5) was een realistisch model van een patiënt schedel, hersenen en tumor. De twee hersenhelften (Figuur 5b) werden afzonderlijk geproduceerd, en hebben een realistische uitstraling, met de gyri en sulci van de hersenen. Het hele fantoom is wit van kleur, want dit is de natuurlijke kleur van PVA-c; dit kan gemakkelijk worden veranderd door het toevoegen van kleurstof, maar was niet nodig voor de toepassing. Het cerebellum (Figuur 5c) past comfortabel in de basis van de gedrukte schedel en de hersenhelften zitten op de top van deze. De tumor is gemakkelijk zichtbaar in het cerebellum, als het extra contrast toegevoegd aan de tumor resulteert in het feit dat het een off-witte kleur die het scheidt van het omringende materiaal, dat is het veilig bevestigd aan.

Het fantoom werd afgebeeld met zowel CT als echografie(figuur 6a,b). Bariumsulfaat werd gebruikt om de tumor een passend CT-contrast te geven, en het fantoombeeld (figuur 6a) toont aan dat dit werd bereikt, omdat de tumor duidelijk is gevisualiseerd. De schedel werd niet bedrukt met 100% infill, om de tijd die nodig is voor het afdrukken te verminderen. Daarom ziet de schedel er niet helemaal realistisch uit in de CT-beelden, omdat de roosterstructuur van de afdruk kan worden gezien. Dit is geen probleem voor de toepassing, omdat alleen de omtrek van de schedel nodig is voor het neuronavigatiesysteem. De schedel kan worden afgedrukt met 100% infill om deze verminderde nauwkeurigheid van de CT-afbeelding te voorkomen, maar zou tijd toevoegen aan het afdrukproces. Glazen microsferen werden toegevoegd aan het cerebellum, hersenhelften en tumor voor echografie contrast. De resultaten tonen aan dat de tumor ook zichtbaar is met echografie(figuur 6b)en kan worden onderscheiden van het omliggende weefsel. Bij visuele inspectie tonen de echografiebeelden van het fantoom (figuur 6b)en die van de patiënt (figuur 2c) aan dat de contrastmiddelen die in het fantoom werden gebruikt, effectief waren voor het creëren van realistische beeldvormingseigenschappen.

Het fantoom werd getest tijdens chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer(figuur 7). Het fantoommodel werd op de chirurgische operatietafel geplaatst met behulp van een standaard schedelklem en de CT-scan van het fantoom werd geregistreerd met behulp van een klinisch neuronavigatiesysteem. Een retrosigmoid benadering van de tumor werd gesimuleerd en de tumor werd afgebeeld met behulp van een klinisch ultrasone systeem met een braamgat echografie transducer. Tijdens de chirurgische simulatie bleek het fantoommodel stabiel te zijn en werd er geen schade waargenomen door het manipuleren van het fantoom op dezelfde manier als het menselijk brein tijdens deze procedure zou zijn, zodat het herhaaldelijk onder dezelfde omstandigheden kon worden gebruikt.

Figuur 1: Flowchart om de stappen te laten zien die nodig zijn om een patiënt specifieke PVA-c hersenen fantoom te maken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2: Patiëntgegevens die worden gebruikt om fantoommodel te maken. Gegevensbronnen van een patiënt met een linkszijdige vestibulaire schwannoma: (a) axiale contrast-verbeterde T1-gewogen MRI, witte pijl die naar tumor wijst; b) axiale CT-scan zonder contrast venster om bot te markeren, witte pijl die wijst naar een uitgebreide interne auditieve meatus veroorzaakt door de tumor; c) intraoperatieve echografie die tijdens de vestibulaire schwannoma-operatie is verkregen; d) geannoteerd intraooperatief echografisch beeld : tumor (hyperechoïsche echografie), : hersenen (cerebellum). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 3: Voltooide mazen voor elk deel van het fantoom. STL mesh voor (a,b) schedel, : linkszijdige retrosigmoid craniotomie; c,d) hersenhelften; (e,f) tumor en cerebellum, : tumor. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 4: 3D-geprinte cerebellummal. 3D geprinte cerebellum mal volledig gebouwd (linksboven) en de afzonderlijke stukken, die zijn genummerd van 1 tot 4. Het gat in stuk 2 (aangeduid met 'H') maakt het mogelijk de PVA-c in de mal te gieten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 5: Voltooid fantoom. De afgewerkte fantoom (a) schedel (b) fantoom met schedel top verwijderd: : retrosigmoid craniotomie, : tumor, hersenen (cerebellum), hersenen (rechter hersenhelft); c) cerebellum en tumor: : tumor, hersenen (cerebellum). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 6: CT- en echografiebeelden die met het fantoom zijn verkregen. (a) Axiaal CT beeld van volledige fantoom door het niveau van de schedel basis en tumor, (b) Intraoperatieve echografie beeld van fantoom verworven met braam gat echografie sonde door de retrosigmoid craniotomie in een vlak ongeveer loodrecht op de schedel (Simuleren chirurgie, het cerebellum werd iets ingetrokken om direct beeld op de tumor). : tumor, hersenen (cerebellum), : linkszijdige retrosigmoid craniotomie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 7: Het testen van het fantoom tijdens chirurgische simulatie. Het testen van het fantoommodel door middel van chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer. : neuronavigatie systeem met de geregistreerde scan van de CT fantoom model, : echografie systeem gebruikt om het beeld van het fantoom met een braamgat echografie transducer (gezien gepositioneerd naast de echografie monitor). Let op het model hier afgebeeld is gebaseerd op gegevens verkregen van verschillende patiënt met een rechtszijdige tumor. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussie

Dit protocol beschrijft het fabricageproces van een patiënt specifieke hersenen fantoom, die de schedel, hersenen, en vestibulaire schwannoma tumor omvat. 3D-printmethoden maakt het mogelijk om anatomisch nauwkeurige details te bereiken. Het hier beschreven fantoom werd met succes vervaardigd met het gewenste niveau van anatomische details; CT en echografie werden gebruikt om aan te tonen dat de tumor gemakkelijk werd gevisualiseerd met beide modaliteiten. Het weefsel dat materiaal nabootst, PVA-c, is goed ingeburgerd als weefsel-nabootsend materiaal voor ultrasone fantomen; de akoestische en mechanische eigenschappen kunnen worden afgestemd met additieven en het aantal vriesdooicycli. Het materiaal is direct beschikbaar, eenvoudig te gebruiken en niet giftig. Bij herhaald gebruik had het fantoom voldoende duurzaamheid om manipulatie en contact met een ultrasone sonde te weerstaan tijdens fysieke simulaties van vestibulaire schwannomachirurgie.

Verschillende belangrijke stappen werden geïdentificeerd als cruciaal voor het fabricageproces. Ten eerste moet de segmentatie van structuren voor opname in het fantoom het gewenste niveau van anatomische details omvatten. Het maken van nauwkeurige STL-bestanden en 3D-mallen volgt dan op natuurlijke wijze. Ten tweede moet de positionering van vlakken in de cerebellummal in stap 3.1.9 zorgvuldig worden overwogen, zodat het fantoom gemakkelijk kan worden verwijderd, zonder schade; het moet in voldoende stukken worden gesneden om anatomische details te kunnen behouden, terwijl het mogelijk is het fantoom te verwijderen zonder vast te komen te zitten in de mal. In dit geval werden verschillende iteraties getest en uiteindelijk werd de mal in vier afzonderlijke stukken gesneden. De derde belangrijke overweging is dat tijdens het PVA-c-productieproces (punt 4) de PVA-c moet worden overgelaten om af te koelen tot kamertemperatuur (stap 4.1.6). Als deze stap wordt gemist en hete PVA-c wordt toegevoegd aan de mallen, kan het leiden tot de mallen te smelten of te vervormen. Het is ook van cruciaal belang dat zodra de glazen bollen zijn toegevoegd (stappen 5.1.2 – 5.1.4), de PVA-c niet langer dan ongeveer 10 minuten blijft zitten; indien links voor een langere periode van tijd, zal de glazen bollen vestigen op de bodem, en de resulterende fantoom zal inhomogene echografie contrast²⁹hebben. Zodra de glazen bollen zijn toegevoegd, moet de PVA-c direct in de mallen worden toegevoegd en in de vriezer worden geplaatst. Na de eerste vriescyclus worden de glazen bollen op de plaats vastgezet en kan het fantoom bij kamertemperatuur worden gebruikt. Ten slotte is het belangrijk dat de mallen zorgvuldig worden verzegeld (bijvoorbeeld met tape) voordat de PVA-c wordt toegevoegd, om lekkage van het mengsel te minimaliseren door hiaten waar de afzonderlijke stukjes van de mal met elkaar verbonden zijn.

Het protocol heeft verschillende beperkingen. Er is bijvoorbeeld een aantal specialistische apparatuur nodig, waaronder een waterbad en een elektronische roerder. Een sonicator wordt ook gebruikt als onderdeel van dit protocol, maar de sonicatiestap (5.1.3) kan worden vervangen door extra elektronisch roeren; met dit alternatief zou het echter langer duren om een homogeen mengsel te bereiken dan mogelijk is met het gebruik van sonicatie. Een beperking van PVA-c is dat het degradeert na verloop van tijd en wordt beschimmeld. De toevoeging van kaliumsorase, zoals hier beschreven, verhoogt de houdbaarheid van het fantoom, hoewel het nog steeds in een luchtdichte container moet worden bewaard. Een tweede beperking van PVA-c is dat vries-dooi cycli nodig zijn, die de hoeveelheid tijd die nodig is om een fantoom te maken verhoogt. Om fantoomfabricagetijd te minimaliseren, is een belangrijke overweging de snelheid van het bevriezen en ontdooien; zodra het fantoom volledig bevroren of volledig ontdooid is , heeft de tijd dat het in die toestand blijft geen significante invloed op het uiteindelijke fantoom^16,30. Daarom kunnen de gebruikte cycluslengtes worden gevarieerd, op voorwaarde dat het fantoom volledig bevroren en ontdooid is in elke fase van de cyclus. Bijvoorbeeld, de tumor in het fantoom van deze studie is erg klein, dus kortere cycli kunnen worden gebruikt voor de tumor dan voor de hersenen. Ten slotte is 3D-printen van de mallen en schedel een tijdrovend proces dat een aanzienlijk deel (3 dagen) van de totale tijd (1 week) verbruikt die nodig is om een fantoom met dit protocol te fabriceren. De gebruikte printer was een commercieel model uit 2018; het afdrukproces kan worden voltooid in kortere termijnen met het gebruik van nieuwere, snellere printers.

Het hier gepresenteerde hersentoom kan direct worden gebruikt voor klinische training en validatie van neuronavigatiesystemen. Als het weefsel dat materiaal nabootst, maakt PVA-c het mogelijk om het resulterende fantoom herhaaldelijk te gebruiken, bijvoorbeeld als trainingsinstrument of voor de validatie van intraoperatieve echografie bij vestibulaire schwannomachirurgie, omdat het een duurzaam en niet-toxisch materiaal is. Als zodanig is de fabricagemethode complementair aan de eerder beschreven methoden waarbij 3D-printen werd gebruikt om patiëntspecifieke hersentooms²⁰,^{21,22,23,24,25}te creëren . Het gebruik van PVA-c als de TMM maakt het fantoom geschikt voor gebruik in simulatie van neurochirurgie, omdat het materiaal bestand is tegen herhaalde handmatige manipulatie en contact van een ultrasone sonde. Dit werk vormt de weg naar verdere kwantitatieve validatiestudies. De hier beschreven fantoommethode is zeer veelzijdig en kan worden gebruikt om vele soorten patiëntspecifieke tumortooms te fabriceren, die zich uitstrekken van de hersenen tot andere organen, met compatibiliteit over verschillende beeldvormingsmodaliteiten.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
AutodeskFusion 360	Autodesk Inc., San Rafael, California, Verenigde Staten	https://www.autodesk.co.uk/products/fusion-360/overview	CAD-software
Bariumsulfaat	Source Chemicals	-
CT-scanner	Medtronic Inc, Minneapolis, VS	-	O-arm 3D mobiele X-ray beeldvormingssysteem
Glazen microsferen	Boud Minerals
Mechanische roerder	IKA	4442002	Eurostar Digital 20, IKA
Meshmixer	Autodesk Inc., San Rafael, California, Verenigde Staten	http://www.meshmixer.com	3D-modelleersoftware. Versie 3.5.484 gebruikt
Neuronavigatiesysteem	Medtronic Inc, Minneapolis, VS	-	S7 Stealth Station
PLA	Ultimaker (Ultimaker BV, Utrecht, Nederland)	UM9016
Kaliumsorbaat	Meridianstar	-
PVA	Ultimaker	-
PVA-poeder	Sigma-Aldrich	363146	99%+ gehydrolyseerd, gemiddeld molecuulgewicht 85.000-140.000
Sonicator	Fisher Scientific	12893543
Ultimaker Cura	Ultimaker BV, Utrecht, Nederland	https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura	3D-printsoftware. Versie 4.0.0 gebruikt
Ultimaker S5-printer	Ultimaker BV, Utrecht, Nederland	-
Ultrasoonscanner	BK Medical, Luton, UK	-	BK 5000-scanner
Waterbad	IKA	20009381	HBR4 controle, IKA
3D Slicer	http://slicer.org	-	Software gebruikt voor het segmenteren van patiëntgegevens. Versie 4.10.2 gebruikt