Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu
14 lipca 2020
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.
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.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje proces wytwarzania zindywidualizowanego dla pacjenta fantomu czaszki, mózgu i guza z wykorzystaniem technik druku 3D. Podkreślono w nim znaczenie dokładności anatomicznej modeli fantomowych w planowaniu chirurgicznym i szkoleniu klinicznym.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria biomedyczna
- Drukowanie 3D
Wprowadzenie
- Modele fantomowe są kluczowe dla symulowania scenariuszy chirurgicznych.
- Tworzenie anatomicznie dokładnych modeli jest trudne, lecz niezbędne.
- Fantomy specyficzne dla pacjenta zwiększają realizm szkolenia chirurgicznego.
- Druk 3D umożliwia precyzyjną personalizację w oparciu o dane pacjenta.
Cel badania
- Opracowanie metody tworzenia realistycznych fantomów mózgu i guzów.
- Ułatwienie planowania chirurgicznego oraz testowania instrumentów.
- Poprawa szkolenia klinicznego dzięki ulepszonym modelom anatomicznym.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie danych z tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI) do tworzenia modelu.
- Oprogramowanie do modelowania 3D w celu projektowania i manipulowania strukturami anatomicznymi.
- Druk 3D form z wykorzystaniem kwasu polimlekowego (PLA) oraz PVA.
- Przygotowanie materiałów imitujących tkanki do tworzenia realistycznych fantomów.
Główne wyniki
- Pomyślnie wykonano spersonalizowany model czaszki, mózgu i guza pacjenta.
- Osiągnięto wysoki realizm anatomiczny struktur fantomowych.
- Wykazano skuteczność procesu druku 3D.
- Przedstawiono szczegółowy protokół powtórzenia tego procesu.
Wnioski
- Opracowany protokół pozwala na tworzenie anatomicznie dokładnych fantomów.
- Modele specyficzne dla pacjenta mogą znacząco usprawnić szkolenia chirurgiczne.
- Druk 3D jest skuteczną metodą wytwarzania złożonych struktur anatomicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Przemysłowe znaczenie praktyczne
Indywidualne anatomiczne fantomy pacjentów umożliwiają przedkliniczną walidację systemów nawigacji neurochirurgicznej oraz narzędzi do obrazowania śródoperacyjnego, redukując ryzyko biologiczne na wczesnym etapie rozwoju urządzeń. Poprzez replikację kontrastu guza specyficznego dla pacjenta w badaniu USG i RTG, metoda ta wspiera mechanistyczne ograniczanie ryzyka interwencji prowadzeń obrazowych przed rozpoczęciem pierwszych badań z udziałem ludzi. Możliwość ta zwiększa pewność prognostyczną w zakresie dokładności celowania oraz profilu oddziaływania na tkanki podczas walidacji na etapie odkrywczym.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez dotyczących dokładności nawigacji w kontekście anatomicznym specyficznym dla pacjenta.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalne modele nowotworów o zdefiniowanym kontraście w badaniu ultrasonograficznym i rentgenowskim do kontrolowanych badań interwencyjnych.
Przesiew i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Standaryzacja właściwości tkanek fantomowych w celu wsparcia ilościowej oceny oddziaływań między urządzeniem a tkanką.
- Wartość operacyjna: Wykorzystanie skalowalnych form drukowanych w 3D oraz przetwarzania PVA metodą zamrażania i rozmrażania do seryjnej produkcji fantomów zwalidowanych obrazowo.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Zachowuje wierność anatomiczną od obrazowania pacjenta do modelu fizycznego, wspierając ciągłość translacyjną w neurochirurgicznych procesach roboczych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia bezpośrednie porównanie śródoperacyjnych danych ultrasonograficznych między fantomem a pacjentem, weryfikując wierność obrazowania na wielokrotnego użytku platformie.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie w początkowej fazie badań nad nowymi lekami i terapiami, dostarczając anatomicznie dokładnych modeli do testowania hipotez dotyczących systemów nawigacyjnych oraz interwencji prowadzonych pod kontrolą obrazowania.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez umożliwienie powtarzalnych testów wydajności urządzeń w specyficznych dla pacjenta mikrośrodowiskach nowotworowych.
- Przesiewanie: Dostarcza fantomy gotowe do analizy z ustandaryzowanymi środkami kontrastowymi do wizualizacji w USG i promieniach Rentgena.
- Analityka: Generuje porównywalne wyniki obrazowania (jasność w USG, tłumienie promieni Rentgena) w celu odniesienia wydajności urządzenia do danych pacjenta.
- Badania translacyjne: Łączy obrazowanie przedoperacyjne z modelem fizycznym, co ułatwia walidację dokładności nawigacji przed przedklinicznymi badaniami przeżywalności.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Umożliwia udostępnianie plików do druku 3D oraz protokołów PVA pomiędzy ośrodkami w celu standaryzowanej oceny urządzeń neurochirurgicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w interakcji urządzenie-tkanka poprzez kontrolowane testy na fantomach odzwierciedlających warunki pacjenta.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki standaryzowanemu przygotowaniu materiałów (stężenie PVA, cykle zamrażania i rozmrażania) oraz produkcji z wykorzystaniem form.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji projektu poprzez dostarczanie ilościowych informacji z obrazowania na temat dokładności nawigacji przed kosztownymi badaniami in vivo.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowany do ryzyka rozwój narzędzi neurochirurgicznych poprzez walidację precyzji celowania w anatomicznie złożonych modelach z obecnością guza.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga biegłości w obsłudze oprogramowania do modelowania 3D, segmentacji danych MRI/CT oraz projektowania form w systemach CAD.
- Zależne od dostępu do drukarek 3D zdolnych do przetwarzania kwasu polimlekowego oraz materiałów podporowych z PVA.
- Wymaga standaryzacji protokołów przygotowania PVA w obrębie zespołów (stężenie, sonikacja, cykle zamrażania i rozmrażania) w celu zapewnienia spójnych właściwości fantomów.
- Obejmuje kwestie adaptacyjne przy modyfikacji geometrii formy dla różnych lokalizacji lub rozmiarów guzów, przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej.
- Ograniczone koniecznością zastosowania specjalistycznego sprzętu chłodniczego w celu osiągnięcia kontrolowanego krzepnięcia imitacji guzów i tkanek na bazie PVA.
