Name: Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-07-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania fantomów mózgu z guzem na podstawie danych CT i MRI pacjenta. Protokół wykorzystuje druk 3D i PVA do tworzenia realistycznych modeli do planowania operacji neurochirurgicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują Daniilowi Nikitichevowi i Steffi Mendes za ich rady dotyczące korzystania z Meshmixer oraz Fernando Perez-Garcia za porady dotyczące korzystania z 3D Slicer i za dostarczenie nam kodu do automatyzacji niektórych etapów przetwarzania.
Ta praca była wspierana przez Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] i National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS]. Telewizja jest wspierana przez Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [RCSRF1819\7\34].

<ol><li>Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+tissue+substitutes+for+ultrasound+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">A review of tissue substitutes for ultrasound imaging.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (6), 861-873 (2010).</li>
<li>Hwang, J., Ramella-Roman, J. C., Nordstrom, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Introduction%3A+Feature+Issue+on+Phantoms+for+the+Performance+Evaluation+and+Validation+of+Optical+Medical+Imaging+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Introduction: Feature Issue on Phantoms for the Performance Evaluation and Validation of Optical Medical Imaging Devices.</a> Biomedical Optics Express. 3 (6), 1399(2012).</li>
<li>Maul, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound+simulators%3A+Experience+with+the+SonoTrainer+and+comparative+review+of+other+training+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Obstetrics+and+Gynecology%22%5BJournal%5D)">Ultrasound simulators: Experience with the SonoTrainer and comparative review of other training systems.</a> Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 24 (5), 581-585 (2004).</li>
<li>Craven, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+a+modelled+anatomical+replica+for+training+young+neurosurgeons%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Development of a modelled anatomical replica for training young neurosurgeons.</a> British Journal of Neurosurgery. 28 (6), 707-712 (2014).</li>
<li>Zhang, L., Kamaly, I., Luthra, P., Whitfield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simulation+in+neurosurgical+training%3A+a+blueprint+and+national+approach+to+implementation+for+initial+years+trainees%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Simulation in neurosurgical training: a blueprint and national approach to implementation for initial years trainees.</a> British Journal of Neurosurgery. 30 (5), 577-581 (2016).</li>
<li>Leff, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Validation+of+an+oncoplastic+breast+simulator+for+assessment+of+technical+skills+in+wide+local+excision%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Surgery%22%5BJournal%5D)">Validation of an oncoplastic breast simulator for assessment of technical skills in wide local excision.</a> British Journal of Surgery. 103 (3), 207-217 (2016).</li>
<li>Hunt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+cost+anatomically+realistic+renal+biopsy+phantoms+for+interventional+radiology+trainees%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Radiology%22%5BJournal%5D)">Low cost anatomically realistic renal biopsy phantoms for interventional radiology trainees.</a> European Journal of Radiology. 82 (4), 594-600 (2013).</li>
<li>Pacioni, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patient-specific+ultrasound+liver+phantom%3A+materials+and+fabrication+method%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Computer+Assisted+Radiology+and+Surgery%22%5BJournal%5D)">Patient-specific ultrasound liver phantom: materials and fabrication method.</a> International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 10 (7), 1065-1075 (2015).</li>
<li>Maneas, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anatomically+realistic+ultrasound+phantoms+using+gel+wax+with+3D+printed+moulds%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed moulds.</a> Physics in Medicine and Biology. 63 (1), (2018).</li>
<li>Samii, M., Matthies, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Management+of+1000+vestibular+schwannomas+%28acoustic+neuromas%29%3A+hearing+function+in+1000+tumor+resections%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Management of 1000 vestibular schwannomas (acoustic neuromas): hearing function in 1000 tumor resections.</a> Neurosurgery. 40 (2), 242-248 (1997).</li>
<li>Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I. B. G. B., Deana, A. M., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stable+phantom+materials+for+ultrasound+and+optical+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging.</a> Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).</li>
<li>Vieira, S. L., Pavan, T. Z., Junior, J. E., Carneiro, A. A. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Paraffin-Gel+Tissue-Mimicking+Material+for+Ultrasound-Guided+Needle+Biopsy+Phantom%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasound+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">Paraffin-Gel Tissue-Mimicking Material for Ultrasound-Guided Needle Biopsy Phantom.</a> Ultrasound in Medicine & Biology. 39 (12), 2477-2484 (2013).</li>
<li>Maneas, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gel+wax-based+tissue-mimicking+phantoms+for+multispectral+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Biomedical+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging.</a> Biomedical Optics Express. 9 (3), 1151(2018).</li>
<li>Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue-mimicking+agar%2Fgelatin+materials+for+use+in+heterogeneous+elastography+phantoms%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">Tissue-mimicking agar/gelatin materials for use in heterogeneous elastography phantoms.</a> Physics in Medicine and Biology. 50 (23), 5597-5618 (2005).</li>
<li>Duboeuf, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+PVA+cryogel+Young%E2%80%99s+modulus+stability+with+time%2C+controlled+by+a+simple+reliable+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">Investigation of PVA cryogel Young’s modulus stability with time, controlled by a simple reliable technique.</a> Medical Physics. 36 (2), 656-661 (2009).</li>
<li>Fromageau, J., Brusseau, E., Vray, D., Gimenez, G., Delachartre, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+PVA+cryogel+for+intravascular+ultrasound+elasticity+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Characterization of PVA cryogel for intravascular ultrasound elasticity imaging.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 50 (10), 1318-1324 (2003).</li>
<li>Fromageau, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Estimation+of+polyvinyl+alcohol+cryogel+mechanical+properties+with+four+ultrasound+elastography+methods+and+comparison+with+gold+standard+testings%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Estimation of polyvinyl alcohol cryogel mechanical properties with four ultrasound elastography methods and comparison with gold standard testings.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 54 (3), 498-508 (2007).</li>
<li>Khaled, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+Material+Parameters+of+PVA+Phantoms+for+Reconstructive+Ultrasound+Elastography%5BTitle%5D)+AND+%222007+IEEE+Ultrasonics+Symposium+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Evaluation of Material Parameters of PVA Phantoms for Reconstructive Ultrasound Elastography.</a> 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. , 1329-1332 (2007).</li>
<li>Chen, S. J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+anthropomorphic+polyvinyl+alcohol+brain+phantom+based+on+Colin27+for+use+in+multimodal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging.</a> Medical Physics. 39 (1), 554-561 (2012).</li>
<li>Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+3D+Printing+to+Create+Personalized+Brain+Models+for+Neurosurgical+Training+and+Preoperative+Planning%5BTitle%5D)+AND+%22World+Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning.</a> World Neurosurgery. 90, 668-674 (2016).</li>
<li>Weinstock, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creation+of+a+novel+simulator+for+minimally+invasive+neurosurgery%3A+Fusion+of+3D+printing+and+special+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurosurgery%3A+Pediatrics%22%5BJournal%5D)">Creation of a novel simulator for minimally invasive neurosurgery: Fusion of 3D printing and special effects.</a> Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 20 (1), 1-9 (2017).</li>
<li>Grillo, F. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patient-specific+neurosurgical+phantom%3A+assessment+of+visual+quality%2C+accuracy%2C+and+scaling+effects%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), (2018).</li>
<li>Tsai, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creation+and+Validation+of+a+Simulator+for+Neonatal+Brain+Ultrasonography%3A+A+Pilot+Study%5BTitle%5D)+AND+%22Academic+Radiology%22%5BJournal%5D)">Creation and Validation of a Simulator for Neonatal Brain Ultrasonography: A Pilot Study.</a> Academic Radiology. 24 (1), 76-83 (2017).</li>
<li>Reinertsen, I., Collins, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+realistic+phantom+for+brain-shift+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">A realistic phantom for brain-shift simulations.</a> Medical Physics. 33 (9), 3234-3240 (2006).</li>
<li>Mobashsher, A. T., Abbosh, A. M., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+system+to+detect+traumatic+brain+injuries+using+compact+unidirectional+antenna+and+wideband+transceiver+with+verification+on+realistic+head+phantom%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Microwave+Theory+and+Techniques%22%5BJournal%5D)">Microwave system to detect traumatic brain injuries using compact unidirectional antenna and wideband transceiver with verification on realistic head phantom.</a> IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 62 (9), 1826-1836 (2014).</li>
<li>Cox, R. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+%28sort+of%29+new+image+data+format+standard%3A+NiFTI-1%5BTitle%5D)+AND+%2210th+Annual+Meeting+of+the+Organization+for+Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">A (sort of) new image data format standard: NiFTI-1.</a> 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. 22, (2004).</li>
<li>Cramer, J., Quigley, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+Visualization+and+3D+Printing%5BTitle%5D)+AND+%22Learning+Lab+at+the+Society+for+Imaging+Informatics+in+Medicine+annual+meeting%22%5BJournal%5D)">Advanced Visualization and 3D Printing.</a> Learning Lab at the Society for Imaging Informatics in Medicine annual meeting. , (2019).</li>
<li>Cardoso, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geodesic+Information+Flows%3A+Spatially-Variant+Graphs+and+Their+Application+to+Segmentation+and+Fusion%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Geodesic Information Flows: Spatially-Variant Graphs and Their Application to Segmentation and Fusion.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (9), 1976-1988 (2015).</li>
<li>Dong, J., Zhang, Y., Wei-Ning, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Walled+vessel-mimicking+phantom+for+ultrasound+imaging+using+3D+printing+with+a+water-soluble+filament%3A+design+principle%2C+fluid-structure+interaction+%28FSI%29+simulation%2C+and+experimental+validation%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+%26+Biology%22%5BJournal%5D)">Walled vessel-mimicking phantom for ultrasound imaging using 3D printing with a water-soluble filament: design principle, fluid-structure interaction (FSI) simulation, and experimental validation.</a> Physics in Medicine & Biology. , 0-11 (2020).</li>
<li>Jiang, S., Liu, S., Feng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PVA+hydrogel+properties+for+biomedical+application%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">PVA hydrogel properties for biomedical application.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 4 (7), 1228-1233 (2011).</li>
</ol>

Autorzy nie mają do zadeklarowania żadnego konfliktu interesów.

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 fantom16,30. 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.

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 klinicznym1,2 a fantomy anatomiczne są często używane w szkoleniu personelu medycznego we wszystkich dyscyplinach3,4,5,6,7. 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 ultradźwiękowego9,11,12 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 miękkich15,16,17,18. 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 zreplikowane20,21,22,23. 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 cewników19,25. 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 <silna klasa="xfig">Rysunek 1; Cały proces trwa około tygodnia.

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

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

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

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.

Zgodnie z opisanym protokołem wykonano anatomicznie realistyczny fantom, który składa się z czaszki, mózgu i guza dostosowanych do konkretnego pacjenta. Odpowiednie struktury anatomiczne dla fantomu (czaszka, mózg, guz) zostały wysegmentowane z wykorzystaniem danych MRI i CT pacjenta (Rycina 2a,b). Dane z ultrasonografii śródoperacyjnej pacjenta (Rycina 2c; Rycina 2d przedstawia ten sam obraz co Rycina 2c, ale z zaznaczonym obrysem guza) zostały wykorzystane do porównania obrazów fantomu z rzeczywistymi obrazami pacjenta.
Dla każdego elementu modelu stworzono siatki (Rycina 3), które następnie wykorzystano do wykonania form 3D. Formy zostały wydrukowane na drukarce komercyjnej i zmontowane poprzez dopasowanie elementów do siebie. Forma móżdżku była najtrudniejsza pod względem projektu i montażu (Rycina 4). Czaszka (Rycina 5a) była najtrudniejszą częścią do wydruku, ponieważ wymagała materiału podporowego, co wydłużyło proces; cały wydruk trwał łącznie trzy dni, co stanowi czynnik ograniczający w tym protokole.
Gotowy fantom (Rysunek 5) stanowił realistyczny model czaszki, mózgu i guza pacjenta. Dwie półkule mózgu (Rysunek 5b) zostały wykonane osobno i mają realistyczny wygląd, z odwzorowaniem zakrętów i bruzd mózgu. Cały fantom jest biały, ponieważ jest to naturalny kolor PVA-c; można go łatwo zmienić poprzez dodanie barwnika, co jednak nie było konieczne w tej aplikacji. Móżdżek (Rysunek 5c) swobodnie mieści się w podstawie wydrukowanej czaszki, a na nim spoczywają półkule mózgu. Guz jest wyraźnie widoczny w móżdżku, ponieważ dodatkowy kontrast dodany do guza nadaje mu odcień złamanej bieli, co odróżnia go od otaczającego materiału, do którego jest on trwale przytwierdzony.
Fantom obrazowano za pomocą tomografii komputerowej (CT) oraz ultradźwięków (Rycina 6a,b). W celu nadania guzowi odpowiedniego kontrastu w CT zastosowano siarczan baru; obraz fantomu (Rycina 6a>) potwierdza osiągnięcie tego celu, gdyż guz jest wyraźnie widoczny. Czaszka nie została wydrukowana ze stuprocentowym wypełnieniem (100% infill), aby skrócić czas drukowania. W konsekwencji czaszka nie wygląda w pełni realistycznie na obrazach CT, ponieważ widoczna jest struktura kratowa wydruku. Nie stanowi to problemu w tej aplikacji, ponieważ dla systemu neuronawigacji wymagany jest jedynie zarys czaszki. Aby uniknąć obniżonej dokładności obrazu CT, czaszkę można by wydrukować ze stuprocentowym wypełnieniem (100% infill), lecz wydłużyłoby to proces drukowania. W celu uzyskania kontrastu w obrazowaniu ultradźwiękowym do móżdżku, półkul mózgu oraz guza dodano mikrosfery szklane. Wyniki pokazują, że guz jest również widoczny w obrazowaniu ultradźwiękowym (Rycina 6b>) i można go odróżnić od otaczającej tkanki. Wizualna analiza obrazów ultradźwiękowych uzyskanych z fantomu (Rycina 6b>) oraz tych uzyskanych od pacjenta (Rycina 2c>) wykazuje, 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 fantomu umieszczono na stole operacyjnym za pomocą standardowego uchwytu do czaszki, a skan CT fantomu zarejestrowano przy użyciu klinicznego systemu neuronawigacji. Zasymulowano dostęp retrosigmoidalny do guza, a obrazowanie guza przeprowadzono przy użyciu klinicznego systemu ultradźwiękowego z przetwornikiem do otworu trepanacyjnego. Podczas symulacji chirurgicznej model fantomu okazał się stabilny i nie zaobserwowano żadnych uszkodzeń wynikających z manipulowania fantomem w sposób analogiczny do manipulacji ludzkim mózgiem podczas tej procedury, co pozwala na jego wielokrotne wykorzystanie w tych samych warunkach.
<img alt="Schemat procesu druku 3D i przygotowania fantomów czaszki z materiałów PLA i PVA-c." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schemat blokowy przedstawiający kroki niezbędne do wykonania specyficznego dla pacjenta fantomu mózgu z PVA-c. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Skanowanie mózgu MRI i CT, obrazowanie ultrasonograficzne do diagnostyki klinicznej i oceny anatomicznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Dane pacjenta wykorzystane do stworzenia modelu fantoma.Źródła danych pacjenta z lewostronnym schwannoma przedsionkowe: (a) osiowe MRI T1-zależne z kontrastem, biała strzałka wskazuje guz; (b) osiowy skan CT bez kontrastu z oknowaniem podkreślającym kości, biała strzałka wskazuje poszerzony wewnętrzny kanał słuchowy spowodowany guzem; (c) śródoperacyjny obraz ultrasonograficzny uzyskany podczas operacji schwannoma przedsionkowego; (d) adnotowany śródoperacyjny obraz ultrasonograficzny <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat równowagi; wektory sił, analiza stabilności mechanicznej." src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">: guz (hiperechogeniczny w USG), <img alt="równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat równowagi, analiza sił, edukacyjny koncept fizyki" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4">: mózg (móżdżek). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Modele 3D ludzkiej czaszki i mózgu, schemat anatomiczny do badań edukacyjnych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Gotowe siatki dla każdej sekcji fantoma. Siatka STL dla (a,b) czaszki, <img alt="Symbol astronomiczny; czarna ośmioramienna gwiazda, stosowana w mapach nieba i diagramach astronomicznych." src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">: lewostronna kraniotomia retrosigmoidalna; (c,d) półkul mózgowia; (e,f) guza i móżdżku, <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat równowagi; wektory sił, analiza stabilności mechanicznej." src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">: guza. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Układ formy 3D, cztery widoki, ponumerowane sekcje, proces odlewania z tworzywa." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Wydrukowana w 3D forma móżdżku. W pełni zmontowana wydrukowana w 3D forma móżdżku (lewy górny róg) oraz poszczególne elementy ponumerowane od 1 do 4. Otwór w elemencie 2 (oznaczony jako „H”) umożliwia wlewanie PVA-c do formy. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Model czaszki wydrukowany w technologii 3D; schemat anatomiczny; eksperyment identyfikacji struktury mózgu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Gotowy fantom. Gotowy fantom (a) czaszka (b) fantom z usuniętą górną częścią czaszki: <img alt="Symbol astronomiczny; ośmioramienna czarna gwiazda, używana na mapach nieba i w diagramach astronomicznych." src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">: kraniotomia retrosigmoidalna, <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat równowagi; wektory sił, analiza stabilności mechanicznej." src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">: guz, <img alt="równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat równowagi, analiza sił, edukacyjny koncept fizyczny" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> mózg (móżdżek), <img alt="Równowaga statyczna ΣFx=0, schemat MA=0 z wektorami sił i analizą równowagi." src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5">mózg (prawa półkula mózgu); (c) móżdżek i guz: <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; schemat równowagi; wektory sił, analiza stabilności mechanicznej." src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">: guz, <img alt="równanie równowagi statycznej ΣFx=0, schemat równowagi, analiza sił, edukacyjny koncept fizyczny" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> mózg (móżdżek). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obrazy tomografii komputerowej i USG; porównanie struktur anatomicznych w obrazowaniu medycznym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Obrazy TK i USG uzyskane z wykorzystaniem fantoma. (a) Osiowy obraz TK całego fantoma na poziomie podstawy czaszki i guza, (b) Śródoperacyjny obraz USG fantoma uzyskany za pomocą sondy USG do otworu trepanacyjnego poprzez kraniotomię retrosigmoidalną w płaszczyźnie niemal prostopadłej do czaszki (W celu symulacji operacji móżdżek został lekko odsunięty, aby umożliwić bezpośrednie obrazowanie guza). <img alt="Równowaga statyczna; ΣFx=0; diagram równowagi; wektory sił, analiza stabilności mechanicznej." src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1">: guz, <img alt="równanie równowagi statycznej ΣFx=0, diagram równowagi, analiza sił, edukacyjny koncept fizyczny" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 4"> mózg (móżdżek), <img alt="Symbol astronomiczny; czarna ośmioramienna gwiazda, stosowana na mapach nieba i diagramach astronomicznych." src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2">: lewostronna kraniotomia retrosigmoidalna. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Konfiguracja obrazowania neurochirurgicznego z rezonansem magnetycznym i monitorami skanów mózgu do planowania operacyjnego." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Testowanie fantoma podczas symulacji chirurgicznej. Testowanie modelu fantoma poprzez symulację chirurgiczną w wirtualnej sali operacyjnej. <img alt="Równowaga statyczna; ΣF=0, ΣM=0; schemat pokazujący siły równowagi; analiza bilansu wektorowego." src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 6">: system neuronawigacji wyświetlający zarejestrowany skan modelu fantoma CT, <img alt="Ilustracja systemu chromatograficznego, metoda separacji DNA, schemat blokowy, chemia analityczna." src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">: system ultradźwiękowy używany do obrazowania fantoma za pomocą przetwornika ultradźwiękowego do otworu trepanacyjnego (widoczny obok monitora USG). Należy zauważyć, że model przedstawiony tutaj opiera się na danych pozyskanych od innego pacjenta z guzami po stronie prawej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>

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.

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

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

Modele fantomowe są ważnymi narzędziami, ale trudno jest sprawić, by były anatomicznie dokładne. Protokół ten wykorzystuje tomografię komputerową i ultradźwięki do stworzenia specyficznego dla pacjenta fantomu, który zawiera guz. Używamy skomplikowanych modeli heterogenicznych i druku 3D, aby osiągnąć wysoki stopień realizmu anatomicznego.Specyficzne dla pacjenta fantomy mózgu są bardzo przydatne, ponieważ pozwalają na planowanie chirurgiczne i szkolenie kliniczne, a chirurgom pozwalają ćwiczyć nowe techniki i testować nowe instrumenty i sprzęt. Po uzyskaniu przedoperacyjnych danych z rezonansu magnetycznego T1 i wolumetrycznej tomografii komputerowej ze wzmocnieniem kontrastowym, załaduj obrazy do programu do modelowania 3D i użyj zwykłego narzędzia, aby podzielić segmentację mózgu na dwie półkule. Zapisz każdą półkulę jako osobne pliki STL prawej i lewej półkuli mózgowej i zaimportuj pliki do odpowiedniego oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo.W przestrzeni roboczej siatki użyj funkcji redukcji, aby maksymalnie zmniejszyć rozmiar każdego modelu, tak aby mógł on być obsługiwany przez program, zachowując wszystkie niezbędne szczegóły. W przestrzeni roboczej bryły użyj narzędzia Siatka na BRep, aby przekształcić zaimportowaną siatkę w bryłę, którą można manipulować. Kliknij utwórz i ramkę, aby narysować ramkę wokół guza, obracając widok, aby upewnić się, że pole całkowicie obejmuje guz ze wszystkich stron.W menu rozwijanym operacji oznacz pole jako nową treść. Kliknij kartę modyfikacji i użyj narzędzia łączenia, aby wyciąć guz z pudełka, aby utworzyć pudełko z pustym kształtem guza w środku. Aby utworzyć płaszczyzny przechodzące przez ramkę w miejscach, w których zostanie wycięta forma, kliknij konstrukcję i płaszczyznę środkową, aby utworzyć płaszczyznę przechodzącą przez środek pola.Kliknij prawym przyciskiem myszy płaszczyznę środkową i wybierz opcję Odsuń płaszczyznę, aby dokładniej ustawić płaszczyznę. Na karcie modyfikacji użyj funkcji podziel bryłę, aby podzielić formę wzdłuż utworzonych płaszczyzn i kliknij utwórz szkic i okrąg średnicy środka, aby dodać małe okrągłe nity do powierzchni każdego elementu formy. Kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wyciągnąć okręgi na kilka milimetrów na zewnątrz na jednej powierzchni i wyciągnąć je do wewnątrz na odpowiedniej powierzchni.Następnie zapisz każdy element formy jako osobny plik STL. Aby wydrukować 3D mózg i formy nowotworowe, w celu szybszego drukowania, wybierz dużą wysokość warstwy około 0,2 milimetra i niską wartość wypełnienia wynoszącą 20% w oprogramowaniu do drukowania 3D. Jeśli formy są odpowiednio umieszczone na płycie podstawy, materiały podporowe nie powinny być konieczne.Wydrukuj formy przy użyciu sztywnego materiału, takiego jak kwas polimlekowy. Przed wydrukowaniem formy czaszki wybierz opcję dodaj podporę w oprogramowaniu, aby użyć PVA jako materiału podporowego. Aby przygotować PVA dla modeli, podgrzej 1 800 gramów wody dejonizowanej do 90 stopni Celsjusza w dwulitrowej stożkowej kolbie i odmierz 200 gramów proszku PVA.Umieść mieszadło elektroniczne w kolbie, uważając, aby nie dotykało dna ani boków. Ustaw prędkość na 1 500 obrotów na minutę. Dodawać proszek PVA do kolby przez około 30 minut.Po dodaniu całego PVA mieszaj roztwór przez dodatkowe 90 minut. Po uzyskaniu lepkiego żelu należy wyjąć kolbę z łaźni wodnej i przykryć wierzch folią spożywczą, aby zapobiec tworzeniu się skóry na wierzchu materiału. Po ostygnięciu PVA będzie wyglądał na przezroczysty.Wlej do zlewki. Można zaobserwować drobne białe kryształki, ale wszelkie pęcherzyki na powierzchni należy delikatnie zeskrobać. Następnie dodaj 0,5% sorbinianu potasu do PVA jako środek konserwujący i dokładnie wymieszaj roztwór.Aby przygotować fantomy, odmierz wystarczającą ilość PVA, aby wypełnić pleśń guza do zlewki, a resztę wlej do osobnej zlewki. Aby przygotować PVA dla guza, dodaj 1% mikrokulek szklanych do kontrastu ultradźwiękowego i 5% siarczanu baru do kontrastu rentgenowskiego do pierwszej zlewki. Wymieszaj powstały roztwór ręcznie.Poddać zlewkę sonikacji, aby zapewnić jednorodne wymieszanie dodatków i pozostawić roztwór do ostygnięcia przez około 10 minut, usuwając wszelkie pęcherzyki przez zeskrobanie w razie potrzeby. Zabezpiecz razem pleśń guza i przelej PVA przez otwór w górnej części formy. Pozwól PVA odpocząć przez kilka minut, aby wszelkie pęcherzyki powstałe w procesie nalewania mogły wydostać się przez otwór, przed umieszczeniem formy w zamrażarce o temperaturze minus 20 stopni Celsjusza.Po sześciu godzinach rozmrażaj formę przez sześć godzin w temperaturze pokojowej. Powtórz 12-godzinny cykl zamrażania i rozmrażania, a następnie ostrożnie wyjmij formę z modelu. Stwórz modele móżdżku i półkuli mózgu w odpowiednich formach, jak właśnie pokazano.Po drugim cyklu zamrażania i rozmrażania dla każdego elementu modelu fantomowego, ostrożnie wyjmij modele z form i umieść fantom guza móżdżku na szpikulcu u podstawy modelu dna czaszki. Umieść dwie półkule mózgowe w najwyższej części guza móżdżku i umieść cztery kołki w każdej przestrzeni na modelu dna czaszki. Następnie umieść model czaszki na górze.W razie potrzeby model można ustawić w żądanej pozycji, aby zasymulować jego śródoperacyjne zastosowanie w chirurgii. Postępując zgodnie z protokołem, jak pokazano, można wytworzyć anatomicznie realistyczny fantom składający się z czaszki, mózgu i guza specyficznego dla pacjenta. Odpowiednie struktury anatomiczne dla fantomu są segmentowane na podstawie danych z rezonansu magnetycznego i tomografii komputerowej pacjenta.Następnie można utworzyć siatki dla każdego elementu modelu, aby wyprodukować formy 3D, jak pokazano. Forma móżdżku jest najbardziej złożona do zaprojektowania i montażu. Czaszka jest najtrudniejszą częścią do wydrukowania, ponieważ wymaga materiału podporowego.Gotowy fantom oferuje realistyczny model czaszki, mózgu i guza pacjenta. Dwie półkule mózgowe są produkowane oddzielnie i mają realistyczny wygląd z zakrętami i bruzdami mózgu. Móżdżek wygodnie wpasowuje się w podstawę wydrukowanej czaszki, a półkule mózgowe znajdują się na szczycie tej struktury.Guz jest łatwo widoczny w móżdżku, ponieważ dodatkowy kontrast dodany do guza powoduje złamaną biel, który oddziela go od otaczającego materiału, do którego jest przyczepiony. Guz można uwidocznić w fantomie zarówno za pomocą tomografii komputerowej, jak i obrazowania ultrasonograficznego. Dane ultrasonograficzne śródoperacyjne pacjenta można następnie wykorzystać do porównania obrazów fantomowych z rzeczywistymi obrazami pacjenta.Podczas tworzenia form należy zwrócić szczególną uwagę na położenie nacięć, aby mieć pewność, że fantom będzie można usunąć po zastygnięciu. Tworząc fantom mózgu dostosowany do potrzeb pacjenta, byliśmy w stanie przetestować nowatorski system nawigacji neuronowej, który może być również wykorzystany do szkolenia neurochirurgów w zakresie korzystania z śródoperacyjnej ultrasonografii.

patient-specific-polyvinyl-alcohol-phantom-fabrication-with

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Ten artykuł opisuje wewnętrzne procedury konstruowania przedklinicznego fantomu multimodalnego wykonanego z materiałów naśladujących tkanki (TM) do zapewnienia jakości (QA) pomiaru wielkości guza w metodach obrazowania zwierząt, takich jak ultrasonografia (US), tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MRI).

Budowa przedklinicznego fantomu multimodalnego z wykorzystaniem materiałów naśladujących tkanki w celu zapewnienia jakości w pomiarze wielkości guza

Obrazowanie fluorescencyjne w bliskiej podczerwieni (NIRF) może poprawić wyniki terapeutyczne operacji raka piersi, umożliwiając śródoperacyjną lokalizację guza i ocenę statusu marginesu chirurgicznego. Korzystając z symulujących tkankowo fantomów piersi zawierających fluorescencyjne inkluzje symulujące nowotwór, można ocenić potencjalne zastosowania kliniczne obrazowania NIRF u pacjentek z rakiem piersi w celach standaryzacyjnych i szkoleniowych.

Fantomy symulujące tkanki do oceny potencjalnych zastosowań obrazowania fluorescencyjnego w bliskiej podczerwieni w chirurgii raka piersi

Optyczne fantomy tkanek są niezbędnymi narzędziami do kalibracji i charakterystyki systemów obrazowania optycznego oraz walidacji modeli teoretycznych. W tym artykule szczegółowo opisano metodę wytwarzania fantomów, która obejmuje replikację właściwości optycznych tkanek i trójwymiarowej struktury tkanki.

Wytwarzanie i charakterystyka fantomów tkanek optycznych zawierających makrostrukturę

Tutaj opisujemy metodę wytwarzania fantomów tętniaków, naśladujących tkankę aorty do wykorzystania w testowaniu elastografii ultradźwiękowej. Połączone zastosowanie technik projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) i druku trójwymiarowego (3D) tworzy fantomy aorty o przewidywalnej, złożonej geometrii, które umożliwiają walidację algorytmów obrazowania elastograficznego za pomocą kontrolowanych eksperymentów.

Produkcja hydrożelowych fantomów naśladujących tkankę aorty brzusznej do walidacji elastografii ultrasonograficznej

Ten protokół demonstruje kontrolowane zarodkowanie kawitacji w fantomach żelowych, poprzez jednoczesną ekspozycję zarówno na pulsacyjne światło laserowe bliskiej podczerwieni, jak i skoncentrowane ultradźwięki o wysokiej intensywności (HIFU). Aktywność kawitacyjna może być następnie wykorzystana do poprawy obrazowania i/lub zastosowań terapeutycznych HIFU.

Kontrolowane zarodkowanie kawitacji z nanocząstek plazmonicznego złota w celu wzmocnienia zastosowań ultradźwięków o wysokiej intensywności

To badanie opisuje protokół do oceny dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej ultradźwiękowego systemu phased-array o wysokiej intensywności pod kontrolą ultradźwięków.

Ocena dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej dla sterowanego ultradźwiękami systemu Phased-array o wysokiej intensywności

Powlekanie wirowe, druk polyjet i modelowanie osadzania topionego są zintegrowane w celu wytworzenia wielowarstwowych heterogenicznych fantomów, które symulują strukturalne i funkcjonalne właściwości tkanki biologicznej.

Multimodalny druk 3D fantomów symulujący tkankę biologiczną

Ten protokół opisuje wytwarzanie stabilnego, biologicznie istotnego materiału fantomowego do zastosowań optycznego i akustycznego obrazowania biomedycznego, o niezależnych właściwościach akustycznych i optycznych.

Stabilny materiał fantomowy do obrazowania optycznego i akustycznego

Tutaj demonstrujemy projekt i tworzenie czterech niestandardowych fantomów ultrasonograficznych z żelatyny balistycznej do treningu znieczulenia regionalnego pod kontrolą USG. Zaprojektowaliśmy fantomy za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo, użyliśmy modeli wydrukowanych w 3D do stworzenia form silikonowych, a następnie wlaliśmy do nich stopiony żel balistyczny, aby stworzyć niestandardowe warstwy tkanki.

Budowanie niedrogich, trwałych, średniej wierności fantomów z żelu balistycznego do treningu blokady nerwów pod kontrolą USG

Ten artykuł przedstawia protokół przygotowania fantomów tkanki nowotworowej, które replikują właściwości optyczne dla plazmonicznej terapii fototermicznej. Szczegółowo opisano w nim przygotowanie fantomowe, oceny fototermiczne i walidację opracowanego modelu numerycznego opartego na pomiarach temperatury fototermicznej w celu oceny parametrów terapeutycznych, oferując etyczną, opłacalną alternatywę dla badań in vivo do wstępnych testów.

Plazmoniczna terapia raka fototermicznego: Fantomy naśladujące tkankę nowotworową osadzone w nanocząstkach do wizualizacji fototermicznego rozkładu temperatury

Protokół ten opisuje solidną, powtarzalną metodę wytwarzania anizotropowych fantomów poliwinylowych (PVA) — niezbędnych narzędzi do weryfikacji technik elastografii ultradźwiękowej skierowanej do mechanicznie anizotropowych tkanek miękkich (np. mięśni szkieletowych).

Anizotropowa falogramowa produkcja poliwinylalkoholowa do elastografii ultradźwiękowej: procedura i kontrola jakości

Poznaj metodę wytwarzania fantomów mózgu z guzem na podstawie danych CT i MRI pacjenta. Protokół wykorzystuje druk 3D i PVA do tworzenia realistycznych modeli do planowania operacji neurochirurgicznych.

Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów