Fabricação fantasma do álcool polivinyl específico do paciente com ultrassom e contraste de raios-X para planejamento de cirurgia de tumor cerebral

Modelos fantasmas são ferramentas importantes, mas é desafiador torná-los anatomicamente precisos. Este protocolo usa tomografia e ultrassom para criar um fantasma específico do paciente que inclui um tumor. Usamos modelos heterogêneos complexos e impressão 3D para alcançar um alto grau de realismo anatômico.

Os fantasmas cerebrais específicos do paciente são altamente úteis, pois permitem o planejamento cirúrgico e o treinamento clínico, e permitem que os cirurgiões pratiquem novas técnicas e testem novos instrumentos e hardware. Depois de obter dados de ressonância magnética e tomografia volumosas com peso de contraste pré-operatório, carregue as imagens em um programa de software de modelagem 3D e use a ferramenta de corte simples para dividir a segmentação cerebral em dois hemisférios. Salve cada hemisfério como arquivos STL cerebrais separados e esquerdos e importe os arquivos em um programa de software de design apropriado auxiliado por computador.

No espaço de trabalho de malha, use a função de redução para diminuir o tamanho de cada modelo o máximo possível para que ele possa ser manuseado pelo programa, mantendo todos os detalhes necessários. No espaço de trabalho sólido, use a tela para a ferramenta BRep para converter a malha importada em um corpo que pode ser manipulado. Clique em criar e encaixe para desenhar uma caixa ao redor do tumor, girando a vista para garantir que a caixa inclua completamente o tumor em todos os lados.

No menu suspenso da operação, designe a caixa como um novo corpo. Clique na guia de modificação e use a ferramenta combinar para cortar o tumor da caixa para criar uma caixa com uma forma oca do tumor dentro dele. Para criar planos através da caixa nos lugares que o molde será cortado, clique em construir e no plano médio para criar um plano através do centro da caixa.

Clique com o botão direito do mouse no plano médio e selecione o plano offset para posicionar o plano com mais precisão. Sob a guia de modificação, use a função do corpo dividido para dividir o molde ao longo dos planos criados e clique em criar esboço e círculo de diâmetro central para adicionar pequenos rebites circulares à face de cada pedaço do molde. Clique com o botão direito do mouse para extruir os círculos para fora alguns milímetros em um rosto e extrudá-los para dentro no rosto correspondente.

Em seguida, salve cada pedaço do molde como um arquivo STL separado. Para imprimir os moldes cerebrais e tumores 3D, para impressão mais rápida, selecione uma grande altura de camada de cerca de 0,2 milímetros e um baixo valor de enchimento de 20% no software de impressão 3D. Se os moldes estiverem posicionados adequadamente na placa base, os materiais de suporte não devem ser necessários.

Imprima os moldes usando um material rígido, como o ácido polilático. Antes de imprimir o molde do crânio, selecione adicionar suporte no software para usar PVA como material de suporte. Para preparar o PVA para os modelos, aqueça 1.800 gramas de água deionizada a 90 graus Celsius em um frasco cônico de dois litros e meça 200 gramas de pó PVA.

Posicione um agitador eletrônico no frasco, tomando cuidado para que ele não toque na parte inferior ou lateral. Defina a velocidade para 1.500 revoluções por minuto. Adicione o pó PVA ao frasco durante um período de cerca de 30 minutos.

Quando todo o PVA tiver sido adicionado, mexa a solução por mais 90 minutos. Quando um gel pegajoso tiver sido obtido, remova o frasco do banho de água e cubra a parte superior com plástico para evitar a formação de uma pele em cima do material. Uma vez frio, o PVA parecerá transparente.

Despeje em um béquer. Cristais brancos minúsculos podem ser observados, mas quaisquer bolhas na superfície devem ser suavemente raspadas. Em seguida, adicione 0,5% de sorbato de potássio ao PVA como conservante e mexa completamente a solução.

Para preparar os fantasmas, meça PVA suficiente para preencher o molde do tumor em um béquer e despeje o resto em um béquer separado. Para preparar o PVA para o tumor, adicione microesferas de vidro para contraste de ultrassom e sulfato de 5% de bário para contraste de raios-X com o primeiro béquer. Mexa a solução resultante manualmente.

Sonicar o béquer para garantir a mistura homogênea dos aditivos e permitir que a solução esfrie por cerca de 10 minutos, removendo quaisquer bolhas raspando conforme necessário. Fixar o molde do tumor e despeje o PVA através do orifício na parte superior do molde. Deixe o PVA descansar por alguns minutos para permitir que quaisquer bolhas formadas no processo de derramamento escapem através do orifício, antes de colocar o molde em um congelador de menos 20 graus Celsius.

Depois de seis horas, descongele o molde por seis horas em temperatura ambiente. Repita o ciclo de congelamento de 12 horas e remova cuidadosamente o molde do modelo. Crie os modelos de cerebelo e hemisfério cerebral nos moldes apropriados como apenas demonstrado.

Após o segundo ciclo de congelamento para cada peça modelo fantasma, remova cuidadosamente os modelos dos moldes e coloque o fantasma do tumor de cerebelo no espeto na base do modelo inferior do crânio. Coloque os dois hemisférios cerebrais na parte superior da peça do tumor de cerebelo e coloque as quatro dowels em cada espaço no modelo inferior do crânio. Em seguida, coloque o modelo superior do crânio em cima.

Se necessário, o modelo pode ser manobrado na posição desejada para simular seu uso intraoperatório na cirurgia. Seguindo o protocolo, como demonstrado, um fantasma anatomicamente realista consistindo de um crânio, cérebro e tumor específicos do paciente pode ser fabricado. As estruturas anatômicas relevantes para o fantasma são segmentadas utilizando-se dados de ressonância magnética e tomografia do paciente.

As malhas podem então ser criadas para cada peça do modelo para fabricar os moldes 3D como demonstrado. O molde de cerebelo é o mais complexo para projetar e montar. O crânio é a parte mais difícil de imprimir, pois requer material de apoio.

O fantasma completo oferece um modelo realista do crânio, cérebro e tumor do paciente. Os dois hemisférios cerebrais são produzidos separadamente e têm uma aparência realista com o giro e sulco do cérebro. O cerebelo se encaixa confortavelmente na base do crânio impresso e os hemisférios cerebrais se sentam em cima desta estrutura.

O tumor é facilmente visível no cerebelo, pois o contraste extra adicionado ao tumor resulta em uma cor off-white que o separa do material circundante ao qual está ligado. O tumor pode ser visualizado no fantasma com tomografia computadorizada e ultrassom. Os dados de ultrassom intraoperatório do paciente podem então ser usados para comparar as imagens fantasmas com as imagens reais do paciente.

Ao criar os moldes, preste especial atenção à posição dos cortes para garantir que o fantasma possa ser removido quando tiver se solidificado. Ao criar um fantasma cerebral específico do paciente, pudemos testar um novo sistema de navegação neural que também pode ser usado para treinar neurocirurgiões no uso de ultrassom intraoperatório.