Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu

Podsumowanie

Ten protokół opisuje wytwarzanie czaszki, mózgu i fantomu guza specyficznego dla pacjenta. Wykorzystuje druk 3D do tworzenia form, a alkohol poliwinylowy (PVA-c) jest używany jako materiał naśladujący tkankę.

Streszczenie

Fantomy są niezbędnymi narzędziami do szkolenia klinicznego, planowania chirurgicznego i rozwoju nowatorskich urządzeń medycznych. Jednak stworzenie anatomicznie dokładnych fantomów głowy z realistycznymi właściwościami obrazowania mózgu jest trudne, ponieważ standardowe metody wytwarzania nie są zoptymalizowane pod kątem replikowania jakichkolwiek szczegółów anatomicznych specyficznych dla pacjenta, a materiały do drukowania 3D nie są zoptymalizowane pod kątem właściwości obrazowania. Aby przetestować i zweryfikować nowatorski system nawigacyjny do wykorzystania podczas operacji guza mózgu, potrzebny był anatomicznie dokładny fantom o realistycznych właściwościach obrazowych i mechanicznych. W związku z tym opracowano fantom przy użyciu rzeczywistych danych pacjenta jako danych wejściowych i drukowania 3D form w celu wytworzenia specyficznego dla pacjenta fantomu głowy obejmującego czaszkę, mózg i guz z kontrastem ultrasonograficznym i rentgenowskim. Fantom miał również właściwości mechaniczne, które pozwalały na manipulowanie tkanką fantomową w sposób podobny do tego, w jaki obchodzi się z ludzką tkanką mózgową podczas operacji. Fantom został pomyślnie przetestowany podczas symulacji chirurgicznej w wirtualnej sali operacyjnej.

Metoda produkcji fantomów wykorzystuje dostępne na rynku materiały i jest łatwa do odtworzenia. Pliki do druku 3D można łatwo udostępniać, a technikę można dostosować do wielu różnych typów nowotworów.

Wprowadzenie

Fantomy naśladujące specyficzne właściwości tkanek biologicznych są użytecznym źródłem do różnych zastosowań eksperymentalnych i dydaktycznych. Fantomy naśladujące tkanki są niezbędne do scharakteryzowania wyrobów medycznych przed ich zastosowaniem klinicznym^1,2 a fantomy anatomiczne są często używane w szkoleniu personelu medycznego we wszystkich dyscyplinach^3,4,5,6,7. Specyficzne dla pacjenta fantomy anatomiczne wykonane z odpowiednimi właściwościami naśladującymi tkanki są często krytyczną częścią środowiska testowego i mogą zwiększyć pewność siebie klinicystów, którzy uczą się korzystać z nowego urządzenia⁸. Jednak wysokie koszty produkcji i złożone procesy produkcyjne często uniemożliwiają rutynowe stosowanie fantomów dostosowanych do potrzeb pacjenta. W tym miejscu opisano metodę wytwarzania trwałego, specyficznego dla pacjenta modelu guza mózgu przy użyciu łatwo dostępnych, komercyjnych materiałów, które można wykorzystać do szkolenia i walidacji śródoperacyjnego badania ultrasonograficznego (US) przy użyciu obrazowania tomografii komputerowej (CT). Fantom opisany w tym badaniu został stworzony na podstawie danych od pacjenta z nerwiakiem osłonkowym przedsionkowym (łagodny guz mózgu powstający z jednego z nerwów równowagi łączących mózg i ucho wewnętrzne), który następnie przeszedł operację i resekcję guza za pomocą kraniotomii podpotylicznej zasigmoidalnej¹⁰. Fantom został opracowany w celu przetestowania i walidacji zintegrowanego systemu nawigacji śródoperacyjnej do stosowania podczas tego typu operacji guza mózgu.

Aby być odpowiednim dla tego zastosowania, fantom guza mózgu musi posiadać kilka kluczowych właściwości. Po pierwsze, powinien być wykonany z nietoksycznych materiałów, aby mógł być bezpiecznie stosowany w klinicznym środowisku szkoleniowym. Po drugie, powinien mieć realistyczne właściwości obrazowania; Do zamierzonego zastosowania należą do nich w szczególności tłumienie ultradźwięków i kontrast CT. Po trzecie, powinien mieć podobne właściwości mechaniczne do tkanki ludzkiej, aby można było się z nim obchodzić w ten sam sposób. Po czwarte, fantom powinien być oparty na rzeczywistych danych pacjenta, tak aby był anatomicznie dokładny i mógł być wykorzystany do planowania i szkolenia chirurgicznego. Wreszcie, użyte materiały muszą być trwałe, aby fantom mógł być używany wielokrotnie.

Ogólnie, materiał naśladujący tkankę i metoda produkcji wybrana dla fantomu zależy od zamierzonego zastosowania. W przypadku sztywnych struktur, takich jak czaszka, wybrana właściwość nie powinna się odkształcać ani być rozpuszczalna w wodzie i powinna być w stanie utrzymać dokładny poziom szczegółów anatomicznych przy wielokrotnym użyciu; Jest to szczególnie ważne w przypadku używania fantomu do eksperymentów, w których wykorzystuje się rejestrację obrazu, oraz do celów symulacji chirurgicznej. Materiały na bazie oleju mineralnego, takie jak wosk żelowy, są obiecujące dla zastosowań obrazowania ultradźwiękowego^9,11,12 i photoacoustic¹³ obrazowania, jednak pod wpływem powtarzających się deformacji mechanicznych stają się kruche, więc nie wytrzymują długotrwałego użytkowania, zwłaszcza w przypadku standardowych narzędzi neurochirurgii mikrochirurgicznej. Agar i żelatyna to materiały wodne, które są również powszechnie stosowane jako materiały naśladujące tkanki. Dodatki potrzebne do dostosowania właściwości akustycznych tych materiałów są dobrze znane¹⁴, ale mają ograniczoną wytrzymałość mechaniczną i nie są szczególnie trwałe, więc nie nadają się do tego zastosowania, w którym fantom musi być wielokrotnie używany.

Kriożel z alkoholu poliwinylowego (PVA-c) jest popularnym wyborem materiału naśladującego tkankę, ponieważ jego właściwości akustyczne i mechaniczne można łatwo dostroić, zmieniając cykle zamrażania i rozmrażania. Wykazano, że właściwości PVA-c są podobne do właściwości tkanek miękkich^15,16,17,18. Fantomy mózgu oparte na PVA-c są z powodzeniem stosowane w obrazowaniu ultrasonograficznym i tomografii komputerowej¹⁹. Materiał jest wystarczająco mocny, aby można go było używać wielokrotnie, i ma wysoki stopień elastyczności, dzięki czemu tkanką fantomową wykonaną z PVA-c można manipulować bez trwałego odkształcenia. Kwas polimlekowy (PLA) jest łatwo dostępnym sztywnym materiałem i był używany do produkcji czaszki, jednak zamiast PLA można użyć innego materiału do drukowania, jeśli ma podobne właściwości mechaniczne i nie jest rozpuszczalny w wodzie.

Fantomy mózgu w szczególności zostały wytworzone przy użyciu różnych metod, w zależności od wymaganego poziomu złożoności i tkanek, które muszą zostać zreplikowane^20,21,22,23. Zwykle używa się formy i wlewa się do niej płynny materiał naśladujący tkankę. W niektórych badaniach wykorzystano komercyjne formy²⁴, podczas gdy inne używają wydrukowanych w 3D niestandardowych form zdrowego mózgu i symulują uszkodzenia mózgu poprzez wszczepianie kulek markerowych i nadmuchiwanych cewników^19,25. Zgodnie z najlepszą wiedzą autora, jest to pierwszy raport o wydrukowanym w 3D, specyficznym dla pacjenta modelu fantomowym guza mózgu, stworzonym z właściwościami ultrasonograficznymi i rentgenowskimi naśladującymi tkanki. Całkowita produkcja jest wizualizowana przez schemat blokowy w Rysunek 1; Cały proces trwa około tygodnia.

Protokół

To badanie zostało przeprowadzone zgodnie z zasadami wyrażonymi w Deklaracji Helsińskiej i zostało zatwierdzone przez NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Uzyskano świadomą zgodę, a wszystkie dane obrazowe zostały całkowicie zanonimizowane przed analizą.

1. Dane

1. Uzyskaj przedoperacyjne dane z obrazowania rezonansu magnetycznego (MRI) (MRI) i wolumetrycznej tomografii komputerowej (CT) ze wzmocnieniem kontrastowym T1 i wolumetryczną tomografią komputerową (CT).
   1. Jeśli uzyskano dane w formacie DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), należy je przekonwertować na format Neuroimaging Informatics Technology Initiative²⁶ (NiFTI) w celu przetworzenia i analizy.
2. Uzyskaj śródoperacyjne dane ultrasonograficzne
.

2. Segmentacja

1. Zainstaluj oprogramowanie, za pomocą którego możesz segmentować dane pacjenta.
2. Segmentacja czaszki
   UWAGA: Kroki związane z segmentacją czaszki są zasadniczo zgodne z tymi opisanymi przez Cramera i Quigleya²⁷ na https://radmodules.com/, ale są przystosowane do stworzenia kraniotomii o odpowiedniej wielkości.
   1. Załaduj wolumetryczną tomografię komputerową pacjenta do oprogramowania do segmentacji, otwórz moduł Edytor segmentów i utwórz nową segmentację o nazwie "Czaszka".
   2. Użyj funkcji "Próg", aby podświetlić czaszkę.
   3. Usuń wszelkie niechciane segmentacje (np. zwapnienia skóry, żuchwę, C1/2, wyrostek rylcowaty, ramkę pacjenta TK i wszelkie adnotacje osadzone w obrazie). Użyj funkcji "Nożyczki", aby usunąć części podczas przeglądania modelu w 3D i skorzystaj z funkcji "Wyspy" po ręcznym odłączeniu niechcianych konstrukcji za pomocą funkcji "Wymuj".
   4. Ręcznie skoryguj wszelkie luki w segmentacji, które zostały pominięte podczas progowania za pomocą funkcji "Paint" i "Draw" (np. blaszka papyracea, korowa krawędź kości wyrostka sutkowatego i kość sitowa
   ).
   5. Za pomocą funkcji 'Paint' i 'Draw' wypełnij otwór wielki i utwórz 5-milimetrowy wystający kolec, na którym można zamocować dolną część modelu fantomowego.
      UWAGA: Położenie kolca najlepiej określić na płaszczyźnie obrazu koronalnego i strzałkowego.
   6. Zastosuj funkcję "Wygładzanie". Użyj mediany wygładzania 1,0 mm (3 × 3 × 1 pikseli), aby zminimalizować ilość utraconych szczegółów.
      UWAGA: Jeśli model fantomowy musi zawierać kompletną, nienaruszoną czaszkę (np. w celu ułatwienia chirurgicznej symulacji tworzenia odpowiednio zlokalizowanej kraniotomii), przejdź do kroku 2.2.15; Jeśli jednak w modelu wymagana jest kraniotomia, należy wykonać kroki od 2.2.7 do 2.2.14.
   7. Kliknij "Dodaj", aby dodać nową segmentację i nazwać ją "Kraniotomia czaszki".
   8. W module "Segmentacje" skopiuj segmentację "Czaszka" do sekcji "Kraniotomia czaszki", korzystając z zakładki "Kopiuj/Przenieś segmenty".
      UWAGA: Zarówno segmentacja "Czaszka", jak i "Kraniotomia czaszki" są potrzebne, aby móc wykonywać funkcje opisane w krokach 2.2.9 do 2.2.13
   9. Użyj funkcji "Nożyczki", aby usunąć kraniotomię o odpowiednim rozmiarze w "Kraniotomii czaszki".
      UWAGA: Wykonanie kraniotomii w ten sposób spowoduje również usunięcie dodatkowej części czaszki po przeciwnej stronie, stąd potrzeba wykonania kroków od 2.2.11 do 2.2.14.
   10. Kliknij "Dodaj" i dodaj nową segmentację; nazwij ją "Tylko kraniotomia".
   11. W polu "Tylko kraniotomia" wybierz segmentację "Kraniotomia czaszki" i użyj funkcji "Operator logiczny", aby odjąć "Kraniotomia czaszki" od "Czaszka".
   12. Użyj funkcji "Nożyczki", aby usunąć wszystko oprócz pożądanej kraniotomii po właściwej stronie guza, oszczędzając "Tylko kraniotomię".
   13. W "Kraniotomia czaszki" użyj funkcji "Operator logiczny", aby odjąć "Tylko kraniotomia" od "Czaszka" i zapisz.
   14. Otwórz moduł 'Segmentacje' i wyeksportuj 'Kraniotomia czaszki' jako plik stereolitograficzny (STL).
   15. Otwórz oprogramowanie do modelowania 3D i zaimportuj plik STL "Kraniotomia czaszki".
       UWAGA: Jeśli model jest wyświetlany w kolorze różowym w paski, zakończ funkcję "Odwróć normalne", wybierając kompletny model (Wybierz | Kliknij dwukrotnie), a następnie 'Edytuj | Odwróć normalne". Model zmieni kolor na szary i będzie można go edytować. Upewnij się, że opcja "Wyświetl przeglądarkę obiektów" jest włączona
   .
   16. Zmniejsz liczbę trójkątów, aby poprawić czas obliczeń.
   17. Wybierz cały model (Wybierz | Dwukrotne kliknięcie zmienia kolor modelu na pomarańczowy), a następnie 'Edytuj | Zmniejszyć". Domyślna funkcja "Zmniejsz" jest ustawiona na 50%, więc powtarzaj, aż zostanie osiągnięta żądana redukcja. Celuj w łączną liczbę trójkątów < 500 000.
   18. Zastosuj funkcję "Wygładzanie", upewniając się, że pole "Zachowanie kształtu" pozostaje zaznaczone. Wybierz cały model, a następnie 'Deformacja | Gładkie".
   19. Kliknij "Analiza", a następnie "Inspektor" i użyj tej funkcji, aby wykryć wszelkie drobne defekty w modelu, a następnie kliknij automatyczną naprawę (zasugeruj wybór "Płaskie wypełnienie").
   20. Wytnij "Czaszkę", aby utworzyć górę i dół za pomocą funkcji cięcia "Edycja/Płaszczyzna". Wybierz typ wypełnienia "Zachowaj oba plasterki" i "Siatka siatki". Zmień czaszkę na przezroczystą za pomocą funkcji "Shaders", aby zapewnić lepszy widok wewnętrzny czaszki i dostosuj płaszczyznę tak, aby była równoległa do podstawy czaszki.
   21. Oddziel powłoki, wybierając opcję "Edytuj | Oddziel powłoki" i zmień nazwy na "Skull_Top" i "Skull_Bottom" w przeglądarce obiektów.
       UWAGA: Nie przesuwaj ich pozycji. Kliknij ikonę oka, aby usunąć jedno lub drugie z widoku.
   22. Kliknij "Meshmix", a następnie wybierz "Walec", aby utworzyć kołek i edytować rozmiar na 4 mm × 10 mm × 4 mm ("Edytuj | Przekształć"). Ukryj "Skull_Bottom", klikając ikonę oka, aby usunąć z widoku.
   23. Wybierz opcję "Edytuj | Wyrównaj płaszczyzny. Pojawi się dodatkowy przezroczysty cylinder. W oknie "Wyrównaj" wybierz "Punkt powierzchni" (przezroczysty cylinder końca lewego przycisku myszy) dla "Źródła" i "Punkt powierzchni" (Shift + lewy przycisk myszy pod powierzchnią "Skull_Top") dla "Miejsca docelowego".
   24. Za pomocą punktu menu 'Opracuj | Funkcja transformacji przesuwa kołek do czaszki za pomocą zielonej strzałki i dostosuj pozycję za pomocą niebieskich i czerwonych strzałek. Zmień nazwę na "Dowel_Anterior".
   25. W przeglądarce obiektów wykonaj 3 kopie i zmień nazwy na 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' i 'Dowel_Right'.
   26. Przesuń każdy kołek w żądane miejsce za pomocą opcji "Edytuj | Funkcja transformacji.
       UWAGA: Nie przesuwaj ani nie zmieniaj położenia kołka w zielonej płaszczyźnie.
   27. Utwórz kopie każdego z nich, ale wszystkie kopie należy zachować w tym samym miejscu, utworzyć dodatkowy kołek i zmienić rozmiar na 3 mm × 10 mm × 3 mm. Zmień nazwę na "Kołek".
   28. Utwórz otwory na kołki w czaszce, korzystając z funkcji "Różnica logiczna". Najpierw wybierz "Skull_Top", a następnie wybierz kołek w przeglądarce obiektów. W zakładce "Różnica logiczna" upewnij się, że opcja "Automatyczna redukcja" jest wyłączona. Powtórz po kolei dla każdego kołka.
   29. Ukryj "Skull_Top" i wyświetl "Skull_Bottom", powtarzając powyższą funkcję "Różnica logiczna" dla każdego kołka po kolei.
   30. Eksportuj 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' i 'Dowel' jako osobne binarne pliki STL.
3. Segmentacja tkanki mózgowej
   1. Prześlij obraz MRI mózgu T1 ze wzmocnionym kontrastem do http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF i pobierz jego dane wyjściowe. Jest to narzędzie do parcelacji typu open source dla obrazów ważonych T1, które wykorzystuje algorytm przepływu informacji geodezyjnych (GIF) ²⁸ do przeprowadzania ekstrakcji mózgu i segmentacji tkanek.
   2. Otwórz oprogramowanie do segmentacji i załaduj plik wyjściowy z obrazem MRI T1 i parcelacją GIF ze wzmocnionym kontrastem.
   3. Otwórz moduł "Edytor segmentów" i utwórz nową segmentację.
   4. Wybierz odpowiednie etykiety i połącz je w jedną segmentację. Na przykład mapy etykiet mózgowia i międzymózgowia można połączyć w jeden model, określany jako "mózg", a struktury śródmózgowia, pnia mózgu, móżdżku i robaka można połączyć w celu stworzenia drugiego modelu określanego jako "móżdżek".
   5. Użyj funkcji "Wygładzanie" (sugerowana mediana 2,00 mm, 5 × 5 × 3 piksele).
   6. Użyj funkcji "Nożyczki", aby usunąć wszelkie niechciane lub błędne segmentacje.
   7. Zapisz segmentacje "Mózg" i "Móżdżek".
   8. Otwórz moduł "Segmentacje" i wyeksportuj "Mózg" i "Móżdżek" jako pliki STL.
4. Segmentacja guza
   1. Otwórz oprogramowanie do segmentacji i załaduj rezonans magnetyczny T1 ze wzmocnieniem kontrastowym.
   2. Otwórz moduł "Edytor segmentów" i utwórz nową segmentację o nazwie "Guza".
   3. Użyj funkcji "Próg", aby podświetlić guz.
   4. Popraw segmentację za pomocą funkcji "Maluj", "Rysuj" i "Wymuj".
   5. Zastosuj funkcję "Wygładzanie" (sugerowana mediana: 2,00 mm, 5 x 5 x 3 piksele).
   6. Utwórz nową segmentację o nazwie "Cerebellum_Tumor".
   7. Połącz model "móżdżku" i "guza" za pomocą "operatorów logicznych | Dodaj' funkcję.
   8. Zapisz segmentacje "Guz" i "Cerebellum_Tumor".
   9. Otwórz moduł 'Segmentacje' i wyeksportuj 'Tumor' i 'Cerebellum_Tumor' jako pliki STL.
      UWAGA: Pod koniec procesu segmentacji dostępne są następujące pliki: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Cerebellum', 'Gumor', 'Cerebellum_Tumor'.

3. 3D Drukowanie mózgu/guza i czaszki

1. Tworzenie mózgu i pleśni nowotworowych
   1. Podziel segmentację "Mózg" na dwie półkule, używając narzędzia "Cięcie płaskie" w oprogramowaniu do modelowania 3D.
   2. Zapisz każdą półkulę jako osobny plik STL "Mózg po prawej" i "Mózg po lewej".
   3. Zaimportuj plik STL "Tumor" do oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).
   4. Kliknij zakładkę "siatka", a następnie użyj funkcji "Zmniejsz", aby zmniejszyć rozmiar modelu tak, aby mógł być obsługiwany przez program – celem jest maksymalne zmniejszenie rozmiaru, przy jednoczesnym zachowaniu wszystkich niezbędnych szczegółów.
   5. Kliknij zakładkę "bryła" i użyj narzędzia "Siatka do BRep", aby przekształcić zaimportowaną siatkę w bryłę, którą można manipulować. Jeśli tej czynności nie można wykonać, oznacza to, że siatka nie została wystarczająco zmniejszona w kroku 3.1.3.
   6. Kliknij "Utwórz", a następnie "Pudełko" i narysuj ramkę wokół guza. Wybierz, aby utworzyć to jako "Nowe ciało" i obróć widok, aby upewnić się, że pudełko całkowicie obejmuje guz ze wszystkich stron.
   7. W zakładce modyfikacji użyj narzędzia "Połącz", aby wyciąć guz ("Korpus narzędzia") z pudełka ("Ciało docelowe"). Spowoduje to pozostawienie pudełka z pustym kształtem guza w środku.
   8. Sprawdź, czy wydrążone pudełko jest obecne. Pokrój to pudełko na odpowiednią liczbę kawałków, aby po napełnieniu formy można je było rozebrać bez uszkadzania fantomu w środku. W przypadku guza w tym miejscu wystarczy podzielić pudełko na dwie części, ale w przypadku innych części fantomu potrzeba więcej kawałków.
   9. Utwórz płaszczyzny przez pudełko w miejscach, w których należy wyciąć formę. Kliknij "Zbuduj", a następnie "Płaszczyzna środkowa", aby utworzyć płaszczyznę przechodzącą przez środek pola. Kliknij prawym przyciskiem myszy utworzoną płaszczyznę i wybierz "Płaszczyzna odsunięcia", aby dokładniej ustawić płaszczyznę.
   10. Użyj funkcji "Podziel bryłę" w zakładce "Modyfikuj", aby podzielić formę wzdłuż utworzonych płaszczyzn.
   11. Przesuń poszczególne elementy formy, klikając prawym przyciskiem myszy i wybierając opcję "Przenieś/Kopiuj", tak aby wszystkie elementy były skierowane na zewnątrz.
   12. Dodaj nity do powierzchni każdego elementu formy (aby mogły bezpiecznie pasować do siebie), klikając "Utwórz szkic", a następnie "Koło o średnicy środkowej" i na każdej powierzchni narysuj małe kółka. Kliknij prawym przyciskiem myszy, a następnie "Wyciągnij" te okręgi na zewnątrz o kilka milimetrów na jednej powierzchni i wyciągnij je do wewnątrz na odpowiedniej powierzchni.
       UWAGA: Okręgi wytłaczane do wewnątrz muszą być nieco większe - około 1,5 mm - niż te, które są wytłaczane na zewnątrz, aby ściśle do siebie pasowały.
   13. Zapisz każdy element formy jako osobny plik STL.
   14. Powtórz kroki 3.1.4 – 3.1.14 dla "Mózg lewy", "Mózg prawy" i "Guz móżdżku".
       UWAGA: Użycie pliku "Guz móżdżku", a nie tylko "Móżdżek" do stworzenia formy oznacza, że forma będzie miała w sobie miejsce na wprowadzenie guza podczas budowy.
2. Drukowanie form 3D
   1. Zainstaluj lub otwórz oprogramowanie do drukowania 3D.
   2. Otwórz plik STL dla każdego elementu formy w oprogramowaniu do drukowania i obróć go tak, aby leżał płasko na platformie roboczej. Możliwe jest dodanie wielu elementów formy do platformy roboczej i jednoczesne ich drukowanie.
   3. Wybierz dużą wysokość warstwy (około 0,2 mm) i niską wartość wypełnienia (około 20%), aby przyspieszyć drukowanie. Wydrukuj formy przy użyciu sztywnego materiału, takiego jak kwas polimlekowy (PLA). Jeśli formy są odpowiednio ustawione, materiał podporowy nie jest konieczny.
3. Wydrukuj czaszkę
   1. Otwórz plik "Skull Top" w oprogramowaniu do drukowania i wybierz dużą wysokość warstwy (około 0,2 mm) i niską wartość wypełnienia (około 20%).
   2. Wydrukuj model czaszki w formacie PLA, ale w przeciwieństwie do kroku 3.2.3 wymagany będzie materiał podporowy, więc wybierz opcję "Dodaj podparcie" w oprogramowaniu. PVA jest używany jako materiał podporowy, ponieważ można go później rozpuścić w wodzie.
   3. Powtórz kroki 3.3.1 i 3.3.2 dla "Dna czaszki".
   4. Po wydrukowaniu górnej i dolnej części czaszki zanurz je na noc w wodzie, aby rozpuścić materiał nośny PVA.
      UWAGA: Materiał podporowy rozpuści się znacznie szybciej, jeśli użyjesz ciepłej wody, ale jeśli woda jest zbyt ciepła, zdeformuje wydrukowany PLA. Dlatego lepiej jest użyć chłodnej wody i pozostawić wydruk zanurzony na noc.

4. Przygotowanie PVA-c

1. Odmierz 200 g proszku PVA i odłóż na bok.
2. Podgrzać 1800 g wody dejonizowanej do temperatury 90 °C i dodać do kolby stożkowej o pojemności 2 l.
   UWAGA: Woda musi być prawie wrzejąca, aby proszek PVA łatwo się rozpuścił, ale jeśli woda osiągnie 100 °C, część zostanie utracona w wyniku parowania, czego należy unikać.
3. Zawiesić kolbę stożkową w łaźni wodnej o kontrolowanej temperaturze 90 °C.
4. Umieść mieszadło elektroniczne w kolbie, upewniając się, że nie dotyka dna ani boków, i ustaw prędkość na 1500 obr./min.
   UWAGA: Sprawdź, czy woda miesza się równomiernie i czy po bokach lub na dole nie ma punktów stagnacji.
5. Stopniowo dodawać proszek PVA do kolby stożkowej przez około 30 minut, a następnie pozostawić do mieszania na kolejne 90 minut. Powstały żel to materiał naśladujący tkankę PVA-c.
6. Wyjąć kolbę stożkową z łaźni wodnej i wlać zawartość do zlewki. Przykryj górę folią spożywczą, aby zapobiec tworzeniu się skóry na wierzchu PVA-c. Pozostaw PVA-c do ostygnięcia do temperatury pokojowej (około 20 °C). Po schłodzeniu PVA-c będzie przezroczysty. W PVA-c można zobaczyć maleńkie białe kryształki, ale wszelkie pęcherzyki pojawiające się na powierzchni należy delikatnie zeskrobać.
7. Dodaj 0,5 w/w% sorbinianu potasu do PVA-c jako środek konserwujący i dobrze wymieszaj ręcznie.
8. PVA-c można pozostawić w temperaturze pokojowej, jeśli jest pokryty folią spożywczą na kilka dni przed wlaniem do foremek.

5. Montaż fantomowy

1. Odmierz wystarczającą ilość PVA-c, aby wypełnić pleśń nowotworową do zlewki.
2. Do PVA-c dla guza dodać 1 w/w% mikrokulek szklanych dla kontrastu ultradźwiękowego i 5 w/w% siarczanu baru dla kontrastu rentgenowskiego i wymieszać ręcznie.
   UWAGA: Może być konieczne odmierzenie nadmiaru PVA-c dla guza, aby te wartości procentowe były mierzalną ilością.
3. Sonikować zlewkę, aby zapewnić jednorodne wymieszanie dodatków.
4. Pozostaw do ostygnięcia i pozwól, aby powstałe pęcherzyki wydostały się na zewnątrz, około 10 minut, a następnie zeskrob wszelkie bąbelki z powierzchni.
   UWAGA: Nie pozostawiaj na dłuższy czas po dodaniu szklanych kulek, nie dłużej niż około 10 minut, przed wlaniem PVA-c do formy, ponieważ szklane kulki osiądą na dnie zlewki. Po zamrożeniu fantomu nie będzie to już problemem, a ostatni fantom może być używany w temperaturze pokojowej.
5. Zabezpiecz razem formę nowotworową (można użyć taśmy do zakrycia połączeń w formie) i wlej PVA-c przez otwór w górnej części formy. Pozostaw na kilka minut, aby wszelkie bąbelki powstałe w procesie nalewania wydostały się przez otwór, a następnie włóż prosto do zamrażarki.
6. Wykonaj dwa cykle zamrażania i rozmrażania guza; każdy cykl składa się z 6 godzin zamrażania w temperaturze -20 °C i 6 godzin rozmrażania w temperaturze pokojowej. Następnie ostrożnie wyjmij z formy.
7. Umieść guz w odpowiedniej dla niego przestrzeni w formie móżdżku, a następnie skonstruuj resztę formy móżdżku i zabezpiecz ją razem.
8. Do pozostałego PVA-c dodać 0,05 w/w% szklanych mikrokulek, a następnie powtórzyć kroki 5.1.3 i 5.1.4.
9. Wlej PVA-c do formy móżdżku, pozwalając mu otoczyć guz, który został umieszczony w środku. Dodatkowo wlej mieszaninę do foremek dla każdej półkuli mózgu.
10. Wykonaj dwa cykle zamrażania i rozmrażania na każdej półkuli mózgu i móżdżku; każdy cykl składa się z 24 godzin zamrażania w temperaturze -20 °C i 24 godzin rozmrażania w temperaturze pokojowej.
    UWAGA: Cykle z 12-godzinnym zamrażaniem, po którym następuje 12-godzinne rozmrażanie, są również skuteczne, aby umożliwić utworzenie fantomu w krótszym czasie. Ze względu na łatwość aplikacji wybrano 24 godziny, aby uniknąć powrotu do laboratorium co 12 godzin.
11. Gdy fantomy rozmrozą się po raz drugi, ostrożnie wyjmij je z form i umieść w wydrukowanej czaszce.
    UWAGA: Nieużywane gotowe fantomy PVA-c należy przechowywać w hermetycznym pojemniku w lodówce i można je przechowywać w ten sposób przez kilka tygodni
12. Aby zakończyć, umieść fantom "Guz móżdżku" na kolcu u podstawy modelu "Dno czaszki". Modele dwóch półkul mózgowych ("Mózg po lewej" i "Mózg po prawej") umieszcza się na górze i umieszcza w najwyższej części "guza móżdżku".
13. Umieść cztery kołki w każdym miejscu na modelu "Skull Bottom" i umieść model "Skull Top" na górze. W razie potrzeby model można następnie ustawić w żądanej pozycji, aby symulować śródoperacyjne użycie w chirurgii.

6. Obrazowanie fantomowe

1. Obrazowanie ultrasonograficzne
   1. Nałóż żel ultradźwiękowy na sondę obrazową.
      UWAGA: Żel nie jest stosowany śródoperacyjnie, ale może być stosowany w symulacji i nie zmienia znacząco przebiegu pracy klinicznej ani jakości uzyskanych obrazów.
   2. Zobrazuj mózg i guz przez kraniotomię za pomocą skanera klinicznego i sondy do otworów zadziorowych.
2. Obrazowanie CT
   1. Wyobraź sobie całe fantom w tomografie komputerowym.

Wyniki

Zgodnie z opisanym protokołem, stworzono anatomicznie realistyczny fantom, który składa się z czaszki, mózgu i guza specyficznego dla pacjenta. Odpowiednie struktury anatomiczne dla fantomu (czaszka, mózg, guz) są segmentowane za pomocą danych MRI i CT pacjenta (Rysunek 2a,b). Dane śródoperacyjne USG pacjenta (Ryc. 2c; Rysunek 2d pokazuje ten sam obraz, co Rysunek 2c, ale z zarysowanym guzem) został użyty do porównania obrazów fantomowych z rzeczywistymi obrazami pacjenta.

Siatki zostały stworzone dla każdego elementu modelu (Rysunek 3), a następnie użyto ich do produkcji form 3D. Formy można było łatwo wydrukować na drukarce komercyjnej i zmontować poprzez zgrupowanie elementów. Forma móżdżku była najbardziej złożona do zaprojektowania i zmontowania (Rysunek 4). Czaszka (Rysunek 5a) była najtrudniejszą częścią do wydrukowania, ponieważ wymagała materiału nośnego, więc był to powolny proces; Wykonanie całego wydruku zajęło w sumie trzy dni, co jest czynnikiem ograniczającym w protokole.

Ukończony fantom (Rysunek 5) był realistycznym modelem czaszki, mózgu i guza pacjenta. Dwie półkule mózgowe (Ryc. 5b) zostały wyprodukowane oddzielnie i mają realistyczny wygląd, z zakrętami i bruzdami mózgu. Cały fantom jest koloru białego, ponieważ jest to naturalny kolor PVA-c; Można to łatwo zmienić, dodając barwnik, ale nie jest to konieczne do aplikacji. Móżdżek (Ryc. 5c) wygodnie mieści się w podstawie wydrukowanej czaszki, a półkule mózgowe znajdują się na niej. Guz jest łatwo widoczny w móżdżku, ponieważ dodatkowy kontrast dodany do guza powoduje, że ma on białawy kolor, który oddziela go od otaczającego materiału, do którego jest bezpiecznie przymocowany.

Fantom został zobrazowany zarówno za pomocą tomografii komputerowej, jak i ultrasonografii (Rysunek 6a,b). Siarczan baru został użyty do nadania guzowi odpowiedniego kontrastu CT, a obraz fantomowy (Rysunek 6a) pokazuje, że udało się to osiągnąć, ponieważ guz jest wyraźnie uwidoczniony. Czaszka nie została wydrukowana ze 100% wypełnieniem, w celu skrócenia czasu potrzebnego na wydrukowanie. W związku z tym czaszka nie wygląda całkowicie realistycznie na obrazach TK, ponieważ można zobaczyć siatkową strukturę odcisku. Nie stanowi to problemu dla aplikacji, ponieważ do systemu neuronawigacji potrzebny jest tylko kontur czaszki. Czaszka mogłaby zostać wydrukowana ze 100% wypełnieniem, aby uniknąć zmniejszonej dokładności obrazu CT, ale wydłużyłoby to proces drukowania. Szklane mikrosfery dodano do móżdżku, półkul mózgowych i guza w celu uzyskania kontrastu ultradźwiękowego. Wyniki pokazują, że guz jest również widoczny w obrazowaniu ultrasonograficznym (Ryc. 6b) i można go odróżnić od otaczającej tkanki. Po oględzinach obrazy ultrasonograficzne uzyskane z fantomu (Ryc. 6b) oraz te uzyskane od pacjenta ( Ryc. 2c) pokazują, że środki kontrastowe użyte w fantomie były skuteczne w tworzeniu realistycznych właściwości obrazowania.

Fantom został przetestowany podczas symulacji chirurgicznej w wirtualnej sali operacyjnej (Rysunek 7). Model fantomowy umieszczono na stole operacyjnym za pomocą standardowego zacisku czaszki, a tomografię komputerową fantomu zarejestrowano za pomocą klinicznego systemu neuronawigacji. Symulowano dostęp retrosigmoidalny do guza, a guz obrazowano za pomocą klinicznego systemu ultrasonograficznego z przetwornikiem ultrasonograficznym z otworem na zadziory. Podczas symulacji chirurgicznej model fantomowy okazał się stabilny i nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń spowodowanych manipulowaniem fantomem w taki sam sposób, jak ludzki mózg podczas tej procedury, dzięki czemu można go używać wielokrotnie w tych samych warunkach.

Rycina 1: Schemat blokowy przedstawiający kroki wymagane do stworzenia specyficznego dla pacjenta fantomu mózgu PVA-c. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Dane pacjenta wykorzystane do stworzenia modelu fantomowego. Źródła danych pacjenta z lewostronnym nerwiakiem osłonkowym przedsionkowym: (a) osiowy rezonans magnetyczny T1 ze wzmocnieniem kontrastowym, biała strzałka skierowana w stronę guza; (b) osiowa tomografia komputerowa bez kontrastu z okienkiem w celu uwidocznienia kości, biała strzałka skierowana w stronę rozszerzonego wewnętrznego przewodu słuchowego spowodowanego przez guz; c) śródoperacyjny obraz ultrasonograficzny uzyskany podczas operacji schwannoma przedsionkowego; (d) śródoperacyjny obraz ultrasonograficzny z adnotacjami : guz (hiperechowy w badaniu ultrasonograficznym), : mózg (móżdżek). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Ukończone siatki dla każdej sekcji fantomu. Siatka STL dla (a,b) czaszki, : lewostronna kraniotomia retrosigmoidalna; c,d) półkule mózgowe; (e,f) guz i móżdżek, : guz. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Wydrukowana w 3D forma móżdżku. Wydrukowana w 3D forma móżdżku w pełni skonstruowana (u góry po lewej) i oddzielne części, które są ponumerowane od 1 do 4. Otwór w elemencie 2 (oznaczony literą "H") umożliwia wlanie PVA-c do formy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Ukończony fantom. Gotowy fantom (a) czaszka (b) fantom z usuniętym wierzchem czaszki: : kraniotomia retrosigmoidalna, : guz, mózg (móżdżek), mózg (prawa półkula mózgu); (c) móżdżek i nowotwór: : guz, mózgu (móżdżku). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 6: Obrazy CT i ultrasonograficzne uzyskane za pomocą fantomu. (a) Osiowy obraz CT całkowitego fantomu przez poziom podstawy czaszki i guza, (b) Śródoperacyjny obraz ultrasonograficzny fantomu uzyskany za pomocą sondy ultrasonograficznej z otworem zadziorowym przez kraniotomię retrosigmoidalną w płaszczyźnie w przybliżeniu prostopadłej do czaszki (symulując operację, móżdżek został lekko cofnięty w celu zobrazowania bezpośrednio na guzie). : guz, mózg (móżdżek), : lewostronna kraniotomia retrosigmoidalna. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 7: Testowanie fantomu podczas symulacji chirurgicznej. Testowanie modelu fantomowego poprzez symulację chirurgiczną w wirtualnej sali operacyjnej. : system neuronawigacji wyświetlający zarejestrowany skan modelu fantomowego tomografii komputerowej, : system ultrasonograficzny używany do obrazowania fantomu za pomocą przetwornika ultradźwiękowego z otworem w kształcie zadzioru (umieszczonego obok monitora ultrasonograficznego). Należy zauważyć, że model przedstawiony na zdjęciu opiera się na danych uzyskanych od różnych pacjentów z guzem prawostronnym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Protokół ten szczegółowo opisuje proces wytwarzania fantomu mózgu specyficznego dla pacjenta, który obejmuje czaszkę, mózg i guz schwannoma przedsionkowego. Metody druku 3D pozwoliły na uzyskanie anatomicznie dokładnych szczegółów. Opisywany tutaj fantom został z powodzeniem wyprodukowany z pożądanym poziomem szczegółowości anatomicznej; Zastosowano tomografię komputerową i obrazowanie ultrasonograficzne, aby wykazać, że guz można łatwo uwidocznić za pomocą obu modalności. Materiał naśladujący tkanki, PVA-c, jest dobrze znany jako materiał naśladujący tkanki dla fantomów ultradźwiękowych; Jego właściwości akustyczne i mechaniczne można dostosować za pomocą dodatków i liczby cykli zamrażania i rozmrażania. Materiał jest łatwo dostępny, prosty w użyciu i nietoksyczny. Przy wielokrotnym użyciu fantom miał wystarczającą trwałość, aby wytrzymać manipulację i kontakt z sondą ultradźwiękową podczas fizycznych symulacji operacji nerwiaka osłonkowego przedsionkowego.

Zidentyfikowano kilka kluczowych etapów jako kluczowe dla procesu produkcyjnego. Po pierwsze, segmentacja struktur w celu włączenia do fantomu musi obejmować pożądany poziom szczegółów anatomicznych. Tworzenie dokładnych plików STL i form 3D następuje naturalnie. Po drugie, należy dokładnie rozważyć rozmieszczenie płaszczyzn w pleśni móżdżku w kroku 3.1.9, tak aby fantom można było łatwo usunąć bez uszkodzenia; Musi być pocięty na wystarczającą ilość kawałków, aby umożliwić zachowanie szczegółów anatomicznych, jednocześnie umożliwiając usunięcie fantomu bez utknięcia w formie. W tym przypadku przetestowano kilka iteracji i ostatecznie forma została pocięta na cztery oddzielne części. Trzecią kluczową kwestią jest to, że podczas procesu produkcyjnego PVA-c (sekcja 4) PVA-c musi zostać pozostawiony do ostygnięcia do temperatury pokojowej (krok 4.1.6). Jeśli ten krok zostanie pominięty, a do form zostanie dodany gorący PVA-c, może to spowodować stopienie lub zniekształcenie form. Istotne jest również, aby po dodaniu szklanych kulek (kroki 5.1.2 – 5.1.4) PVA-c nie pozostawiał się na dłużej niż około 10 minut; Pozostawione na dłuższy czas szklane kule osiądną na dnie, a powstały fantom będzie miał niejednorodny kontrast ultradźwiękowy²⁹. Po dodaniu szklanych kulek PVA-c należy dodać bezpośrednio do foremek i umieścić w zamrażarce. Po pierwszym cyklu zamrażania szklane kule zostaną zabezpieczone na miejscu, a fantom może być używany w temperaturze pokojowej. Wreszcie, ważne jest, aby formy zostały starannie uszczelnione (np. taśmą) przed dodaniem PVA-c, aby zminimalizować wyciek mieszanki przez szczeliny, w których łączyły się ze sobą oddzielne kawałki formy.

Protokół ma kilka ograniczeń. Na przykład wymagany jest specjalistyczny sprzęt, w tym kąpiel wodna i mieszadło elektroniczne. Jako część tego protokołu stosuje się również sonikator, ale etap sonikacji (5.1.3) może być zastąpiony dodatkowym mieszaniem elektronicznym; Jednak w przypadku tej alternatywy uzyskanie jednorodnej mieszaniny zajęłoby więcej czasu niż jest to możliwe przy użyciu sonikacji. Jednym z ograniczeń PVA-c jest to, że z czasem ulega degradacji i pleśnieje. Opisany tutaj dodatek sorbinianu potasu wydłuża okres przydatności fantomu do spożycia, chociaż nadal musi on być przechowywany w hermetycznym pojemniku. Drugim ograniczeniem PVA-c jest to, że wymagane są cykle zamrażania i rozmrażania, co wydłuża czas potrzebny do wykonania fantomu. Aby zminimalizować czas wytwarzania fantomów, kluczową kwestią jest szybkość zamrażania i rozmrażania; Gdy fantom jest albo całkowicie zamrożony, albo całkowicie rozmrożony, czas, w którym pozostaje w tym stanie, nie wpływa znacząco na końcowy fantom^16,30. W związku z tym stosowane długości cykli mogą być różne, pod warunkiem, że fantom jest całkowicie zamrożony i rozmrożony na każdym etapie cyklu. Na przykład, guz w fantomie tego badania jest bardzo mały, więc krótsze cykle mogą być stosowane w przypadku guza niż w przypadku mózgu. Wreszcie, drukowanie 3D form i czaszki jest czasochłonnym procesem, który pochłania znaczną część (3 dni) całkowitego czasu (1 tydzień) wymaganego do wytworzenia fantomu za pomocą tego protokołu. Użyta drukarka była modelem komercyjnym z 2018 roku; Proces drukowania można było zrealizować w krótszych ramach czasowych przy użyciu nowszych, szybszych drukarek.

Zaprezentowany tu fantom mózgu może być wykorzystany bezpośrednio do szkolenia klinicznego i walidacji systemów neuronawigacji. Jako materiał naśladujący tkankę, PVA-c umożliwia wielokrotne wykorzystanie powstałego fantomu, na przykład jako narzędzia szkoleniowego lub do walidacji śródoperacyjnej ultrasonografii w chirurgii schwannoma przedsionkowego, ponieważ jest to trwały i nietoksyczny materiał. W związku z tym metoda wytwarzania jest komplementarna do wcześniej opisanych, w których druk 3D został wykorzystany do stworzenia specyficznych dla pacjenta fantomów mózgu 20,21,22,23,24,25. Zastosowanie PVA-c jako TMM sprawia, że fantom nadaje się do stosowania w symulacji neurochirurgii, ponieważ materiał może wytrzymać wielokrotną ręczną manipulację i kontakt z sondą ultradźwiękową. Prace te przygotowują grunt pod dalsze ilościowe badania walidacyjne. Opisana tutaj metoda fantomowa jest bardzo wszechstronna i może być stosowana do wytwarzania wielu typów fantomów guza specyficznych dla pacjenta, rozciągających się od mózgu do innych narządów, z kompatybilnością w kilku modalnościach obrazowania.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
AutodeskFusion 360	Autodesk Inc., San Rafael, Kalifornia, Stany Zjednoczone	https://www.autodesk.co.uk/products/fusion-360/overview	Oprogramowanie CAD
Siarczan baru		Źródło Chemikalia-tomograf
komputerowy	Medtronic Inc, Minneapolis, USA-O-arm		Mobilny system obrazowania rentgenowskiego 3D
Mikrosfery szklane	Boud Minerals
Mieszadło mechaniczne	IKA	4442002	Eurostar Digital 20, IKA
Meshmixer	Autodesk Inc., San Rafael, Kalifornia, Stany Zjednoczone	http://www.meshmixer.com	oprogramowanie do modelowania 3D. Wersja 3.5.484 używany
system neuronawigacji	Medtronic Inc, Minneapolis, USA-S7		Stealth Station
PLA	Ultimaker (Ultimaker BV, Utrecht, Holandia)	UM9016
Sorbinian potasu	Meridianstar-PVA
	Ultimaker-PVA
w proszku	Sigma-Aldrich	363146	99%+ hydrolizowany, średnia masa cząsteczkowa 85 000-140 000
Sonicator	Fisher Scientific	12893543
Ultimaker Cura	Ultimaker BV, Utrecht, Holandia	https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura	oprogramowanie do druku 3D. Wersja 4.0.0 używana
drukarka Ultimaker S5		Ultimaker BV, Utrecht, Holandia-Ultrasonograf
	BK Medical, Luton, Wielka	Brytania-Skaner	BK 5000
Kąpiel wodna	IKA	20009381	sterowanie HBR4, IKA
3D Slicer		http://slicer.org-Oprogramowanie	służące do segmentacji danych pacjenta. Używana wersja 4.10.2