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Bioengineering

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

Published: July 14, 2020 doi: 10.3791/61344
* These authors contributed equally

Summary

Este protocolo descreve a fabricação de um paciente específico crânio, cérebro e tumor fantasma. Ele usa impressão 3D para criar moldes, e o álcool polivinyl (PVA-c) é usado como o tecido imitando material.

Abstract

Os fantasmas são ferramentas essenciais para o treinamento clínico, planejamento cirúrgico e desenvolvimento de novos dispositivos médicos. No entanto, é desafiador criar fantasmas de cabeça anatomicamente precisos com propriedades realistas de imagem cerebral, porque os métodos de fabricação padrão não são otimizados para replicar qualquer detalhe anatômico específico do paciente e materiais de impressão 3D não são otimizados para propriedades de imagem. Para testar e validar um novo sistema de navegação para uso durante a cirurgia do tumor cerebral, foi necessário um fantasma anatomicamente preciso com imagens realistas e propriedades mecânicas. Portanto, um fantasma foi desenvolvido utilizando dados reais do paciente como entrada e impressão 3D de moldes para fabricar um fantasma de cabeça específico do paciente que compreende o crânio, cérebro e tumor com contraste de ultrassom e raios-X. O fantasma também tinha propriedades mecânicas que permitiam que o tecido fantasma fosse manipulado de forma semelhante à forma como o tecido cerebral humano é manipulado durante a cirurgia. O fantasma foi testado com sucesso durante uma simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual.

O método de fabricação fantasma usa materiais disponíveis comercialmente e é fácil de reproduzir. Os arquivos de impressão 3D podem ser facilmente compartilhados, e a técnica pode ser adaptada para abranger muitos tipos diferentes de tumor.

Introduction

Fantasmas imitando as propriedades específicas dos tecidos biológicos são um recurso útil para várias aplicações experimentais e de ensino. Fantasmas imitadores de tecidos são essenciais para caracterizar dispositivos médicos antes de seu uso clínico1,2 e fantasmas anatômicos são frequentemente utilizados na formação da equipe médica em todas as disciplinas3,4,5,6,7. Fantasmas anatômicos específicos do paciente feitos com propriedades adequadas de imitação de tecidos são muitas vezes uma parte crítica do ambiente de testes e podem aumentar a confiança dos médicos que estão aprendendo a usar um novo dispositivo8. No entanto, os altos custos de fabricação e os processos complexos de fabricação muitas vezes impedem o uso rotineiro de fantasmas específicos do paciente. Aqui, um método é descrito para a fabricação de um modelo de tumor cerebral durável e específico para o paciente usando materiais comerciais prontamente disponíveis, que podem ser usados para o treinamento e validação do ultrassom intraoperatório (EUA) usando imagens informatizadas de tomografia (TC). O fantasma descrito neste estudo foi criado utilizando dados de um paciente com um schwannoma vestibular (um tumor cerebral benigno decorrente de um dos nervos de equilíbrio que ligam o cérebro e o ouvido interno) que posteriormente foram submetidos a cirurgia e ressecção tumoral através de uma craniotomia suboccipital retrosigmóide10. O fantasma foi desenvolvido para testar e validar um sistema integrado de navegação intraoperatória para uso durante este tipo de cirurgia de tumor cerebral.

Para ser adequado para esta aplicação, o fantasma do tumor cerebral precisa possuir várias propriedades-chave. Primeiro, deve ser feito de materiais não tóxicos, para que possa ser usado com segurança em um ambiente de treinamento clínico. Em segundo lugar, deve ter propriedades de imagem realistas; para a aplicação pretendida, estes incluem especificamente atenuação de ultrassom e contraste ct. Em terceiro lugar, deve ter propriedades mecânicas semelhantes ao tecido humano para que possa ser manuseado da mesma forma. Em quarto lugar, o fantasma deve ser baseado em dados reais do paciente, de modo que seja anatomicamente preciso e possa ser usado para planejamento cirúrgico e treinamento. Por fim, os materiais utilizados devem ser duráveis, para que o fantasma possa ser usado repetidamente.

Em geral, o material imitador de tecido e o método de fabricação escolhido para um fantasma depende da aplicação pretendida. Para estruturas rígidas como o crânio, a propriedade escolhida não deve se deformar ou ser solúvel em água e deve ser capaz de manter um nível preciso de detalhes anatômicos com uso repetido; isso é especialmente importante ao usar o fantasma para experimentos onde o registro de imagem é usado e para fins de simulação cirúrgica. Materiais à base de óleo mineral, como cera de gel, têm sido promissores para o ultrassom9,11,12 e13 aplicações fotográficas de imagem, no entanto, quando submetidos a repetida deformação mecânica tornam-se friáveis, por isso não podem suportar o uso prolongado, especialmente com instrumentos de neurocirurgia microcirúrgica padrão. Ágar e gelatina são materiais aquosos que também são comumente usados como materiais de imitação de tecido. Os aditivos necessários para ajustar as propriedades acústicas desses materiais são bem conhecidos14, mas têm resistência mecânica limitada e não são particularmente duráveis, por isso não são adequados para esta aplicação, onde o fantasma precisa ser manipulado repetidamente.

O criogel de álcool polivinyl (PVA-c) é uma escolha popular de material imitador de tecidos, pois suas propriedades acústicas e mecânicas podem ser facilmente ajustadas variando seus ciclos de congelamento. Foi demonstrado que as propriedades do PVA-c são semelhantes às dos tecidos moles15,16,17,18. Os fantasmas cerebrais baseados em PVA-c têm sido usados com sucesso para ultrassom e tomografia computadorizada19. O material é forte o suficiente para ser usado repetidamente, e tem um alto grau de elasticidade, de modo que o tecido fantasma feito de PVA-c pode ser manipulado sem ser permanentemente deformado. O ácido polilático (PLA) é um material rígido prontamente disponível e foi usado para fabricar o crânio, porém, um material de impressão diferente pode ser usado no lugar de PLA, se tiver propriedades mecânicas semelhantes e não for solúvel em água.

Os fantasmas cerebrais, em particular, foram fabricados utilizando diferentes métodos, dependendo do nível de complexidade necessário e dos tecidos que precisam ser replicados20,21,22,23. Normalmente, um molde é usado, e material de imitação de tecido líquido derramado nele. Alguns estudos têm usado moldes comerciais24, enquanto outros usam moldes personalizados impressos em 3D de um cérebro saudável, e simulam lesões cerebrais implantando esferas de marcadores e cateteres infláveis19,25. Para o melhor do conhecimento do autor, este é o primeiro relatório de um modelo fantasma de tumor cerebral 3D impresso no paciente criado com propriedades de ultrassom e raios-X que imitam tecidos. A fabricação total é visualizada pelo fluxograma na Figura 1; todo o processo leva cerca de uma semana para ser concluído.

Protocol

Este estudo foi realizado de acordo com os princípios expressos na Declaração de Helsinque e foi aprovado pelo Nhs Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). O consentimento informado foi obtido, e todos os dados de imagem foram completamente anonimizados antes da análise.

1. Dados

  1. Obtenha dados de ressonância magnética (MrI) ponderados por contraste pré-operatório e dados de tomografia computadorizada volumosa (TC).
    1. Se adquirido no formato De Imagem Digital e Comunicações em Medicina (DICOM), converta-se no formato Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) para processamento e análise.
  2. Obtenha dados de ultrassom intraoperatório.

2. Segmentação

  1. Instale software para segmentar os dados do paciente.
  2. Segmentação do crânio
    NOTA: As etapas envolvidas na segmentação do crânio seguem amplamente as descritas por Cramer e Quigley27 Em https://radmodules.com/, mas são adaptados para criar uma craniotomia de tamanho apropriado.
    1. Carregue a tomografia volumosa do paciente em software de segmentação, abra o módulo Editor de Segmento e crie uma nova segmentação chamada 'Skull'.
    2. Use a função'Limiar'para destacar o crânio.
    3. Remova quaisquer segmentações indesejadas (por exemplo, calcificações de pele, mandíbula, C1/2, processo estiloide, quadro do paciente de TC e quaisquer anotações incorporadas na imagem). Use a função ' Tesoura ' para removerpeçasao visualizar o modelo em 3D e fazer uso da função 'Ilhas' depois de desconectar manualmente quaisquer estruturasindesejadasusando a função ' Apagar '.
    4. Corrija manualmente quaisquer lacunas na segmentação que foram perdidas durante o limiar usando as funções 'Paint' e 'Draw' (por exemplo, lamina papyracea, borda cortical do osso mastoide e osso ethmóide).
    5. Use as funções 'Paint' e 'Draw' para preencher o foramen magnum e criar um pico de saliência de 5 mm sobre o qual a parte inferior do modelo fantasma pode ser protegida.
      NOTA: A localização do pico é melhor determinada nos planos de imagem coronal e sagital.
    6. Aplique a função 'Suavização'. Use uma configuração de suavização mediana de 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixels) para minimizar a quantidade de detalhes perdidos.
      NOTA: Se o modelo fantasma deve incluir um crânio intacto completo (por exemplo, para facilitar a simulação cirúrgica da criação de uma craniotomia apropriadamente localizada), mova-se para a etapa 2.2.15; no entanto, se for necessária uma craniotomia no modelo, complete as etapas 2.2.7 a 2.2.14.
    7. Clique em 'Adicionar' para adicionar uma nova segmentação e nomeá-la 'Craniotomia da Caveira'.
    8. No módulo 'Segmentações', copie a segmentação 'Caveira' para 'Craniotomia do Crânio' usando a guia 'Segmentos copiar/mover'.
      NOTA: Tanto as segmentações 'Caveira' quanto 'Craniotomia do Crânio' são necessárias para poder executar as funções descritas nas etapas 2.2.9 a 2.2.13
    9. Use a função 'Tesoura'para remover uma craniotomia de tamanho apropriado em 'Craniotomia do Crânio'.
      NOTA: Criar a craniotomia desta forma removerá, também, uma porção adicional do crânio no lado oposto, daí a necessidade das etapas 2.2.11 para 2.2.14.
    10. Clique em 'Adicionar' e adicione uma nova segmentação; nomeie-o "Só craniotomia".
    11. Em 'Craniotomia Apenas' selecione a segmentação 'Craniotomia do Crânio' e use a função 'Operador Lógico' para subtrair 'Craniotomia do Crânio' de 'Caveira'.
    12. Use a função 'Tesoura'para apagar tudo, exceto a craniotomia desejada no lado correto do tumor, salvando 'Apenas Craniotomia'.
    13. Em 'Craniotomia do Crânio' use a função 'Operador Lógico' para subtrair 'apenas Craniotomia' de 'Caveira' e salvar.
    14. Abra o módulo 'Segmentações' e exporte a 'Craniotomia do Crânio' como um arquivo de estereolithografia (STL).
    15. Abra o software de modelagem 3D e importe o arquivo STL 'Craniotomia da Caveira'.
      NOTA: Se o modelo aparecer em rosa listrado completar a função 'Flip Normals'selecionando o modelo completo (Selecione | Clique duas vezes) e, em seguida, 'Editar | Flip Normals'. O modelo agora ficará cinza e pode ser editado. Certifique-se de que'Exibir objetos navegador' está ligado.
    16. Reduza o número de triângulos para melhorar o tempo computacional.
    17. Selecione o modelo completo (Selecione | Clique duas vezes torna o modelo laranja) em seguida 'Editar | Reduza'. A função padrão 'Reduzir' é definida em 50% para se repetir até que a redução desejada seja alcançada. Aponte para um número total de triângulos < 500.000.
    18. Aplique a função 'Suavização' garantindo que a caixa 'Preservação da forma' permaneça marcada. Selecione o modelo completo e , em seguida,'Deform | Suave'.
    19. Clique em 'Análise' euse esta função para detectar quaisquer pequenos defeitos no modelo e clique em auto-reparo (sugere seleção de 'preenchimento plano').
    20. Corte 'Caveira' para criar uma parte superior e inferior usando a função de corte 'Editar/Plano'. Selecione o tipo de preenchimento 'Keep Both Slices' e 'Remeshed'. Mude o crânio para transparente com a função 'Shaders' para fornecer uma melhor visão interna do crânio e ajustar o plano de modo que ele seja paralelo à base do crânio.
    21. Separar conchas selecionando 'Editar | Separar conchas' e renomear 'Skull_Top' e 'Skull_Bottom' dentro do navegador de objetos.
      NOTA: Não mova suas posições. Clique no ícone dos olhos para remover um ou outro da exibição.
    22. Clique em 'Meshmix' e selecione 'Cilindro' para criar um dowel e editar tamanho de 4 mm × 10 mm × 4 mm ('Editar | Transformar'). Ocultar 'Skull_Bottom' clicando no ícone dos olhos para remover da exibição.
    23. Selecione'Editar | Alinharaviões. Um cilindro transparente adicional aparecerá. Na janela'Alinhar', escolha 'Ponto de superfície' (cilindro transparente de ponta esquerda) para o 'Ponto de superfície' e 'Ponto de superfície'(Shift + clique esquerdo abaixo da superfície de 'Skull_Top') para o 'Destino'.
    24. Usando o 'Editar | Transforme' função mover dowel em crânio usando o arqueiro verde e ajustar posição com setas azuis e vermelhas. Renomeie "Dowel_Anterior".
    25. No navegador de objetos faça 3 cópias e renomeie 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' e 'Dowel_Right'.
    26. Mova cada dowel para o local desejado usando o 'Editar | Transformar' função.
      NOTA: Não se mova ou mude a posição do dowel no plano verde.
    27. Crie cópias de cada um, mas mantenha todas as cópias no mesmo local e crie um dowel adicional e redimensione para 3 mm × 10 mm × 3 mm. Renomear 'Dowel'.
    28. Crie furos para Dowels no crânio usando a função 'Diferença Booleana'. Selecione 'Skull_Top' primeiro e selecione um dowel no navegador do objeto. Na guia 'Diferença Booleana' certifique-se' reduzir automaticamente ' é desligado. Repita para cada dowel por sua vez.
    29. Esconda 'Skull_Top' e veja 'Skull_Bottom' repetindo a função acima 'Diferença Booleana' para cada dowel por sua vez.
    30. Exporte 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' e 'Dowel' como arquivos STL binários separados.
  3. Segmentação de tecido cerebral
    1. Carregue a ressonância magnética T1 aprimorada de contraste do cérebro para http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF e baixe sua saída. Esta é uma ferramenta de parcelamento de código aberto para imagens ponderadas em T1 que utiliza um algoritmo GIF (Geodesic Information Flow, fluxo de informações geodésica)28 para realizar extração cerebral e segmentação de tecidos.
    2. Abra o software de segmentação e carregue o arquivo de saída de r mri e gif aprimorado de contraste.
    3. Abra o módulo 'Editor de Segmentos' e crie uma nova segmentação.
    4. Selecione os rótulos apropriados e combine-os para formar uma única segmentação. Por exemplo, mapas de rótulos cerebrais e diencephalon podem ser combinados para criar um modelo, chamado 'Cérebro' e midbrain, cérebro, cerebelo e estruturas vermianas podem ser combinados para criar um segundo modelo chamado 'Cerebellum'.
    5. Use a função 'Suavização' (sugerida mediana 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixels).
    6. Use a função 'Tesoura'para remover quaisquer segmentações indesejadas ou errôneas.
    7. Salvar segmentações 'Cérebro' e 'Cerebelo'.
    8. Abra o módulo 'Segmentações' e exporte 'Brain' e 'Cerebellum' como arquivos STL.
  4. Segmentação de tumores
    1. Abra o software de segmentação e carregue a ressonância magnética T1 aprimorada de contraste.
    2. Abra o módulo 'Editor de Segmentos' e crie uma nova segmentação chamada 'Tumor'.
    3. Use a função'Limiar'para destacar o tumor.
    4. Corrija a segmentação usando as funções 'Paint', 'Draw' e 'Erase'.
    5. Aplique a função 'Suavização' (sugerido mediana 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixels).
    6. Crie uma nova segmentação chamada 'Cerebellum_Tumor'.
    7. Combine o modelo 'Cerebellum' e 'Tumor' usando o 'Operadores Lógicos | Adicionea função.
    8. Salvar segmentações 'Tumor' e 'Cerebellum_Tumor'.
    9. Abra o módulo 'Segmentações' e exporte 'Tumor' e 'Cerebellum_Tumor' como arquivos STL.
      NOTA: Ao final do processo de segmentação, estão disponíveis os seguintes arquivos: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Cérebro', 'Cerebelo', 'Tumor', 'Cerebellum_Tumor'.

Impressão 3.3D de moldes cerebrais/tumores e crânio

  1. Criar os moldes do cérebro e tumor
    1. Divida a segmentação 'Cérebro' em dois hemisférios, usando a ferramenta 'Corte de plano' em software de modelagem 3D.
    2. Salve cada hemisfério como um arquivo STL separado 'Brain right' e 'Brain left'.
    3. Importe o arquivo STL 'Tumor' para o software CAD (Computer-Aided Design, design auxiliado por computador).
    4. Clique na guia 'malha' e, em seguida, use a função 'Reduzir' para reduzir o tamanho do modelo para que ele possa ser manuseado pelo programa – o objetivo é reduzir o tamanho o máximo possível, mantendo todos os detalhes necessários.
    5. Clique na guia'sólido' e use a ferramenta 'Malha para BRep' para converter a malha importada em um corpo que pode ser manipulado. Se essa ação não puder ser concluída, a malha não foi reduzida o suficiente na etapa 3.1.3.
    6. Clique em 'Criar' então 'Caixa' e desenhar uma caixa em torno do tumor. Selecione para criar isso como um 'Novo Corpo' e gire a vista para garantir que a caixa inclua completamente o tumor em todos os lados.
    7. Na guia de modificação, use a ferramenta 'Combine' para cortar o tumor (o ' Corpo daFerramenta') da caixa (o 'Corpo alvo'). Isso então deixará uma caixa com uma forma oca do tumor dentro dela.
    8. Verifique se a caixa vazia está presente. Corte esta caixa em um número apropriado de peças para que, uma vez preenchido o molde, ele possa ser valorizado separado sem danificar o fantasma dentro. Para o tumor aqui, basta dividir a caixa em duas, mas para as outras partes do fantasma, mais peças são necessárias.
    9. Crie planos através da caixa nos lugares que o molde precisa ser cortado. Clique em 'Construct' then 'Midplane' para criar um plano através do centro da caixa. Clique com o botão direito do mouse no plano criado e escolha 'Offset Plane' para posicionar o plano com mais precisão.
    10. Use a função 'Split Body' na guia 'Modificar' para dividir o molde ao longo dos planos criados.
    11. Mova as peças individuais do molde, clicando com o botão direito do mouse e selecionando 'Mover/Copiar', de modo que todas as peças estejam voltadas para fora.
    12. Adicione rebites aos rostos de cada pedaço do molde (para que ele possa se encaixar com segurança), clicando em 'Criar esboço' então ' círculo de diâmetrodo centro' e em cada rosto, desenhando pequenos círculos. Clique com o botão direito de'Extrude' esses círculos para fora alguns milímetros em um rosto e extrudam-nos para dentro no rosto correspondente.
      NOTA: Os círculos que são extrudados para dentro precisam ser ligeiramente maiores - aproximadamente 1,5 mm - do que aqueles que são extrudados para fora, de modo que eles se encaixam perfeitamente.
    13. Salve cada pedaço do molde como um arquivo STL separado.
    14. Repetir passos 3.1.4 – 3.1.14 para 'Cérebro esquerdo', 'cérebro certo' e 'tumor cerebelo'.
      NOTA: Usar o arquivo 'tumor cerebelo' em vez de apenas 'Cerebelo' para criar o molde significa que o molde terá um espaço nele para que o tumor seja inserido durante a construção.
  2. Imprima os moldes 3D
    1. Instale ou abra software de impressão 3D.
    2. Abra o arquivo STL para cada pedaço do molde no software de impressão e gire-o para que ele fique plano contra a placa de construção. É possível adicionar várias peças de molde à placa de construção e imprimi-las simultaneamente.
    3. Escolha uma grande altura de camada (em torno de 0,2 mm) e baixo valor de enchimento (cerca de 20%) para impressão mais rápida. Imprima os moldes usando um material rígido, como o ácido polilático (PLA). Se os moldes estiverem posicionados adequadamente, o material de suporte não é necessário.
  3. Imprima o crânio
    1. Abra o arquivo 'Skull Top' no software de impressão e escolha uma grande altura de camada (cerca de 0,2 mm) e baixo valor de enchimento (cerca de 20%).
    2. Imprima o modelo do crânio em PLA, mas em contraste com a etapa 3.2.3, será necessário material de suporte, então selecione 'Adicionar suporte' no software. O PVA é usado como material de suporte, pois pode ser dissolvido posteriormente com água.
    3. Repetimos as etapas 3.3.1 e 3.3.2 para 'Fundo daCaveira'.
    4. Uma vez que a parte superior e inferior do crânio tenham sido impressas, submerse-os na água durante a noite para dissolver o material de suporte pva.
      NOTA: O material de suporte se dissolverá muito mais rápido se a água morna for usada, mas se a água estiver muito quente, ela deformará o PLA impresso. Portanto, é preferível usar água fria e deixar a impressão submersa durante a noite.

4. Preparação de PVA-c

  1. Meça 200 g de pó PVA e coloque para o lado.
  2. Aqueça 1800 g de água deionizada a 90 °C e adicione a um frasco cônico de 2L.
    NOTA: A água precisa estar quase fervendo para que o pó PVA se dissolva prontamente, mas se a água atingir 100 °C, algumas serão perdidas para a evaporação, que deve ser evitada.
  3. Suspenda o frasco cônico em um banho de água controlado pela temperatura a 90 °C.
  4. Posicione um agitador eletrônico no frasco, garantindo que ele não toque na parte inferior ou lateral, e ajuste a velocidade para 1500 rpm.
    NOTA: Verifique se a água está mexendo uniformemente e não há pontos estagnados nas laterais ou na parte inferior.
  5. Adicione gradualmente o pó PVA ao frasco cônico, ao longo de cerca de 30 minutos, depois deixe-o mexer por cerca de 90 minutos. O gel resultante é o material que imita o tecido PVA-c.
  6. Remova o frasco cônico do banho de água e despeje o conteúdo em um béquer. Cubra a parte superior com filme agarrado para evitar a formação de uma pele em cima do PVA-c. Deixe o PVA-c esfriar até a temperatura ambiente (em torno de 20 °C). Uma vez resfriado, o PVA-c será transparente. Cristais brancos minúsculos podem ser vistos no PVA-c, mas quaisquer bolhas que apareçam na superfície devem ser suavemente raspadas.
  7. Adicione 0,5 w/w% de sorbato de potássio ao PVA-c como conservante, e mexa manualmente bem.
  8. O PVA-c pode ser deixado à temperatura ambiente se coberto de filme agarrado por alguns dias antes de ser derramado em moldes.

5. Montagem Fantasma

  1. Meça pva-c suficiente para preencher o molde do tumor em um béquer.
  2. Ao PVA-c para o tumor, adicione 1 w/w% de microesferas de vidro para contraste de ultrassom e 5 w/w% sulfato de bário para contraste de raios-X, e mexa à mão.
    NOTA: Pode ser necessário medir o excesso de PVA-c para o tumor para que esses percentuais sejam uma quantidade mensurável.
  3. Sonicar o béquer para garantir a mistura homogênea dos aditivos.
  4. Deixe esfriar e deixe que quaisquer bolhas se formem para escapar, em torno de 10 minutos, em seguida, raspe quaisquer bolhas da superfície.
    NOTA: Não deixe por um período prolongado uma vez que as esferas de vidro tenham sido adicionadas, não mais do que cerca de 10 minutos, antes de despejar o PVA-c em um molde, pois as esferas de vidro se estabelecerão no fundo do béquer. Uma vez que o fantasma tenha sido congelado, isso não será mais uma preocupação, e o fantasma final pode ser usado à temperatura ambiente.
  5. Fixar o molde do tumor junto (a fita pode ser usada para cobrir as junções no molde) e despeje o PVA-c através do orifício na parte superior do molde. Deixe por alguns minutos para permitir que quaisquer bolhas formadas no processo de derramamento escapem pelo orifício e, em seguida, coloque diretamente no congelador.
  6. Realizar dois ciclos de congelamento no tumor; cada ciclo aqui consiste em 6h de congelamento a -20 °C e 6h de descongelamento à temperatura ambiente. Em seguida, remova cuidadosamente do molde.
  7. Coloque o tumor no espaço correspondente para ele no molde de cerebelo, em seguida, construa o resto do molde de cerebelo e fixá-lo juntos.
  8. Para o PVA-c restante adicionar microesferas de vidro de 0,05 w/w, em seguida, repetir as etapas 5.1.3 e 5.1.4.
  9. Despeje o PVA-c no molde de cerebelo, permitindo que ele cersia o tumor que foi colocado dentro. Além disso, despeje a mistura nos moldes para cada hemisfério cerebral.
  10. Realizar dois ciclos de congelamento em cada hemisfério cerebral e no cerebelo; cada ciclo aqui consiste em 24h de congelamento a -20 °C e 24h de descongelamento à temperatura ambiente.
    NOTA: Ciclos com congelamento de 12h seguidos de descongelamento de 12h também eficazes, para permitir que o fantasma seja criado em menos tempo. 24 h foi escolhido para facilitar a aplicação, para evitar o retorno ao laboratório a cada 12 horas.
  11. Uma vez que os fantasmas tenham descongelado pela segunda vez, remova-os cuidadosamente dos moldes e coloque-os no crânio impresso.
    NOTA: Quando não estiver em uso, os fantasmas PVA-c completos devem ser armazenados em um recipiente hermético na geladeira, e podem ser mantidos por algumas semanas desta forma
  12. Para conclusão, coloque o fantasma 'tumor cerebelo' no espeto na base do modelo 'Fundo do Crânio'. Os modelos de dois hemisférios cerebrais ('Cérebro esquerdo' e 'Cérebro à direita') são colocados em cima e slot na parte superior do 'tumor cerebelo'.
  13. Coloque os quatro dowels em cada espaço no modelo 'Skull Bottom' e coloque o modelo 'Skull Top' na parte superior. Se necessário, o modelo pode então ser manobrado na posição desejada para simular o uso intraoperatório na cirurgia.

6. Imagem Fantasma

  1. Ultrassom
    1. Aplique gel de ultrassom na sonda de imagem.
      NOTA: O gel não é usado intraoperatóriamente, mas pode ser usado em simulação e não altera significativamente o fluxo de trabalho clínico ou a qualidade das imagens adquiridas.
    2. Imagem do cérebro e tumor através da craniotomia, com um scanner clínico e sonda de orifício de rebarba.
  2. Imagem ct
    1. Imagem de todo o fantasma em um tomógrafo.

Representative Results

Seguindo o protocolo descrito, um fantasma anatomicamente realista foi fabricado, que consiste em um crânio, cérebro e tumor específicos do paciente. As estruturas anatômicas relevantes para o fantasma (crânio, cérebro, tumor) são segmentadas utilizando-se dados de ressonância magnética e tomografia do paciente(Figura 2a,b). Os dados de ultrassom intraoperatório do paciente (Figura 2c; A Figura 2d mostra a mesma imagem da Figura 2c,mas com o tumor delineado) foi usada para comparar as imagens fantasmas com as imagens reais do paciente.

As malhas foram criadas para cada peça do modelo (Figura 3),e estas foram então utilizadas para fabricar os moldes 3D. Os moldes eram facilmente impressos em uma impressora comercial e montados por slotting as peças juntos. O molde de cerebelo foi o mais complexo para projetar e montar(Figura 4). O crânio (Figura 5a) foi a parte mais difícil de imprimir, pois exigia material de apoio, por isso foi um processo lento; toda a impressão levou um total de três dias para ser concluída, o que é um fator limitante no protocolo.

O fantasma completo (Figura 5) foi um modelo realista de crânio, cérebro e tumor do paciente. Os dois hemisférios cerebrais (Figura 5b) foram produzidos separadamente, e têm uma aparência realista, apresentando o giro e sulco do cérebro. Todo o fantasma é de cor branca, pois esta é a cor natural do PVA-c; isso pode ser facilmente alterado adicionando corante, mas não foi necessário para a aplicação. O cerebelo(Figura 5c)encaixa-se confortavelmente na base do crânio impresso e os hemisférios cerebrais se sentam em cima disso. 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, que é firmemente ligado.

O fantasma foi imageado tanto com tomografia quanto ultrassom (Figura 6a,b). O sulfato de bário foi usado para dar o contraste de tomografia apropriada ao tumor, e a imagem fantasma (Figura 6a) mostra que isso foi alcançado, pois o tumor é claramente visualizado. O crânio não foi impresso com 100% de enchimento, a fim de reduzir o tempo de impressão. Portanto, o crânio não parece totalmente realista nas imagens ct, pois a estrutura da rede da impressão pode ser vista. Este não é um problema para a aplicação, pois apenas o contorno do crânio é necessário para o sistema de neuronavigação. O crânio poderia ser impresso com 100% de enchimento para evitar essa precisão reduzida da imagem ct, mas adicionaria tempo ao processo de impressão. Microesferas de vidro foram adicionadas ao cerebelo, hemisférios cerebrais e tumor para contraste de ultrassom. Os resultados mostram que o tumor também é visível com ultrassom(Figura 6b)e pode ser distinguido do tecido circundante. Na inspeção visual, as imagens de ultrassom obtidas a partir do fantasma (Figura 6b), e as obtidas do paciente (Figura 2c) mostram que os agentes de contraste utilizados no fantasma foram eficazes para a criação de propriedades de imagem realistas.

O fantasma foi testado durante a simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual(Figura 7). O modelo fantasma foi posicionado na mesa de operação cirúrgica utilizando um grampo de crânio padrão e a tomografia computadorizada do fantasma foi registrada utilizando-se um sistema clínico de neuronavigação. Uma abordagem retrosigmóide ao tumor foi simulada e o tumor foi imageado usando um sistema de ultrassom clínico com um transdutor de ultrassom de orifício de rebarba. Durante a simulação cirúrgica, o modelo fantasma mostrou-se estável e nenhum dano foi observado da manipulação do fantasma da mesma forma que o cérebro humano seria durante este procedimento, de modo que poderia ser usado repetidamente sob as mesmas condições.

Figure 1
Figura 1: Fluxograma para mostrar os passos necessários para tornar um paciente específico PVA-c cérebro fantasma. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Dados do paciente usados para criar modelo fantasma. Fontes de dados de um paciente com um schwannoma vestibular de lado esquerdo: (a) ressonância magnética ponderada por T1 ponderada por contraste axial, seta branca apontando para o tumor; (b) tomografia computadorizada axial sem contraste com janelas para destacar osso, seta branca apontando para um meatus auditivo interno expandido causado pelo tumor; cImagem de ultrassom intraoperatória obtida durante a cirurgia de schwannoma vestibular; dImagem anotada de ultrassom intraoperatório: Equation 1 tumor (hiperecóico no ultrassom), Equation 4 : cérebro (cerebelo). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Malhas completas para cada seção do fantasma. Malha STL para(a,b) crânio, Equation 2 : craniotomia retrosigmóide lateral esquerda; (c,d) hemisférios cerebrais; (e,f) tumor e cerebelo, Equation 1 : tumor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Molde de cerebelo impresso em 3D. Molde de cerebelo impresso em 3D totalmente construído (canto superior esquerdo) e as peças separadas, que são numeradas de 1 a 4. O orifício na peça 2 (denotado por 'H') permite que o PVA-c seja derramado no molde. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Fantasma completo. O fantasma acabado (a) crânio(b) fantasma com topo do crânio removido: Equation 2 : craniotomia retrosigmóide, Equation 1 : tumor, cérebro Equation 4 (cerebelo), Equation 5 cérebro (hemisfério cerebral direito); (c) cerebelo e tumor: Equation 1 : tumor, cérebro Equation 4 (cerebelo). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Imagens de tomografia e ultrassom adquiridas com o fantasma. (a) Imagem de tomografia axial de fantasma completo através do nível da base do crânio e tumor, (b) Imagem de ultrassom intraoperatório de fantasma adquirida com sonda de ultrassom de orifício de rebarba através da craniotomia retrosigmóide em um plano aproximadamente perpendicular ao crânio (Simulando cirurgia, o cerebelo foi ligeiramente retraído para imagem diretamente sobre o tumor). Equation 1: tumor, Equation 4 cérebro (cerebelo), Equation 2 : craniotomia retrosigmóide lateral esquerda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: Testando o fantasma durante a simulação cirúrgica. Testando o modelo fantasma através de simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual. Equation 6: sistema de neuronavigação exibindo a varredura registrada do modelo fantasma da tomografia, : sistema de Equation 3 ultrassom usado para visualizar o fantasma com um transdutor de ultrassom de orifício de rebarba (visto posicionado ao lado do monitor de ultrassom). Note que o modelo aqui retratado é baseado em dados adquiridos de diferentes pacientes com um tumor do lado direito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Este protocolo detalha o processo de fabricação de um paciente fantasma cerebral específico, que inclui o crânio, cérebro e tumor schwannoma vestibular. Métodos de impressão 3D permitiram que detalhes anatomicamente precisos fossem alcançados. O fantasma descrito aqui foi fabricado com sucesso com o nível desejado de detalhes anatômicos; Foram utilizadas tomografias computadorizadas e ultrassonografia para demonstrar que o tumor foi facilmente visualizado com ambas as modalidades. O tecido que imita o material, PVA-c, é bem estabelecido como um material imitador de tecido para fantasmas ultrassônicos; suas propriedades acústicas e mecânicas podem ser ajustadas com aditivos e o número de ciclos de congelamento. O material está prontamente disponível, simples de usar e não tóxico. Com uso repetido, o fantasma teve durabilidade suficiente para resistir à manipulação e contato com uma sonda de ultrassom durante simulações físicas da cirurgia de schwannoma vestibular.

Várias etapas-chave foram identificadas como sendo críticas ao processo de fabricação. Em primeiro lugar, a segmentação de estruturas para inclusão no fantasma deve incluir o nível desejado de detalhes anatômicos. A criação de arquivos STL precisos e moldes 3D segue naturalmente. Em segundo lugar, o posicionamento dos planos dentro do molde de cerebelo na etapa 3.1.9 deve ser considerado cuidadosamente, de modo que o fantasma possa ser prontamente removido, sem danos; ele deve ser cortado em pedaços suficientes para permitir que detalhes anatômicos sejam retidos, permitindo que o fantasma seja removido sem ficar preso no molde. Neste caso, várias iterações foram testadas e, finalmente, o molde foi cortado em quatro pedaços separados. A terceira consideração fundamental é que durante o processo de fabricação do PVA-c (seção 4), o PVA-c deve ser deixado para esfriar à temperatura ambiente (passo 4.1.6). Se este passo for perdido e o PVA-c quente for adicionado aos moldes, pode fazer com que os moldes derretam ou distorçam. Também é crucial que, uma vez adicionadas as esferas de vidro (etapas 5.1.2 – 5.1.4), o PVA-c não seja deixado para sentar por mais de 10 minutos; se deixado por um período prolongado de tempo, as esferas de vidro se estabelecerão até o fundo, e o fantasma resultante terá contraste de ultrassom inhomogêneo29. Uma vez adicionadas as esferas de vidro, o PVA-c deve ser adicionado diretamente nos moldes e colocado no congelador. Após o primeiro ciclo de congelamento, as esferas de vidro serão fixadas no local, e o fantasma pode ser usado à temperatura ambiente. Por fim, é importante que os moldes estejam cuidadosamente selados (por exemplo, com fita) antes que o PVA-c seja adicionado, para minimizar o vazamento da mistura através de lacunas onde o pedaço separado do molde se juntou.

O protocolo tem várias limitações. Por exemplo, alguns equipamentos especializados são necessários, incluindo um banho de água e um agitador eletrônico. Um sonicator também é usado como parte deste protocolo, mas a etapa de sônica (5.1.3) poderia ser substituída por agitação eletrônica adicional; no entanto, com essa alternativa, levaria mais tempo para alcançar uma mistura homogênea do que é possível com o uso de sônicação. Uma limitação do PVA-c é que ele se degrada ao longo do tempo e se torna mofado. A adição de sorbato de potássio, como descrito aqui, aumenta a vida útil do fantasma, embora ainda deva ser mantido em um recipiente a ar apertado. Uma segunda limitação do PVA-c é que são necessários ciclos de congelamento, o que aumenta o tempo necessário para fazer um fantasma. Para minimizar o tempo de fabricação fantasma, uma consideração fundamental é a velocidade de congelamento e descongelamento; uma vez que o fantasma está totalmente congelado ou totalmente descongelado, o tempo que permanece nesse estado não afeta significativamente o fantasma final16,30. Portanto, os comprimentos de ciclo utilizados podem ser variados, desde que o fantasma esteja totalmente congelado e descongelado em cada etapa do ciclo. Por exemplo, o tumor no fantasma deste estudo é muito pequeno, então ciclos mais curtos poderiam ser usados para o tumor do que para o cérebro. Finalmente, a impressão 3D dos moldes e do crânio é um processo demorado que consome uma parte significativa (3 dias) do tempo total (1 semana) necessário para fabricar um fantasma com este protocolo. A impressora utilizada foi um modelo comercial de 2018; o processo de impressão poderia ser concluído em prazos mais curtos com o uso de impressoras mais novas e mais rápidas.

O fantasma cerebral apresentado aqui poderia ser usado diretamente para treinamento clínico e validação de sistemas de neuronavigação. Como o tecido imitando o material, o PVA-c permite que o fantasma resultante seja usado repetidamente, por exemplo, como ferramenta de treinamento ou para a validação do ultrassom intraoperatório na cirurgia de schwannoma vestibular, por ser um material durável e não tóxico. Como tal, o método de fabricação é complementar aos descritos anteriormente em que a impressão 3D foi usada para criar fantasmas cerebrais específicos do paciente20,21,22,23,24,25. O uso de PVA-c como tmm torna o fantasma adequado para uso em simulação de neurocirurgia, pois o material pode suportar manipulação manual repetida e contato de uma sonda de ultrassom. Este trabalho prepara o cenário para novos estudos de validação quantitativa. O método fantasma descrito aqui é muito versátil e poderia ser usado para fabricar muitos tipos de fantasmas tumorais específicos do paciente, estendendo-se do cérebro para outros órgãos, com compatibilidade em várias modalidades de imagem.

Disclosures

Os autores não têm conflitos de interesse para declarar.

Acknowledgments

Os autores agradecem a Daniil Nikitichev e Steffi Mendes por seus conselhos sobre o uso de Meshmixer e Fernando Perez-Garcia por seu conselho sobre o uso do 3D Slicer e por nos fornecer código para automatizar algumas das etapas de processamento.

Este trabalho foi apoiado pela Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] e National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS]. A TV é apoiada por uma Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [RCSRF1819\7\34].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
AutodeskFusion 360 Autodesk Inc., San Rafael, California, United States https://www.autodesk.co.uk/products/fusion-360/overview CAD software
Barium sulphate Source Chemicals -
CT scanner Medtronic Inc, Minneapolis, USA - O-arm 3D mobile X-ray imaging system
Glass microspheres Boud Minerals
Mechanical stirrer IKA 4442002 Eurostar Digital 20, IKA
Meshmixer Autodesk Inc., San Rafael, California, United States http://www.meshmixer.com 3D modelling software. Version 3.5.484 used
Neuronavigation system Medtronic Inc, Minneapolis, USA - S7 Stealth Station
PLA Ultimaker (Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands) UM9016
Potassium sorbate Meridianstar -
PVA Ultimaker -
PVA powder Sigma-Aldrich 363146 99%+ hydrolysed, average molecular weight 85,000-140,000
Sonicator Fisher Scientific 12893543
Ultimaker Cura Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura 3D printing software. Version 4.0.0 used
Ultimaker S5 Printer Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands -
Ultrasound scanner BK Medical, Luton, UK - BK 5000 scanner
Water bath IKA 20009381 HBR4 control, IKA
3D Slicer http://slicer.org - Software used to segment patient data. Version 4.10.2 used

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Bioengenharia Edição 161 fantasmas de ultrassom fantasmas de raio-X impressão 3D neurocirurgia schwannoma vestibular álcool polivinyl
Fabricação fantasma do álcool polivinyl específico do paciente com ultrassom e contraste de raios-X para planejamento de cirurgia de tumor cerebral
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Mackle, E. C., Shapey, J., Maneas,More

Mackle, E. C., Shapey, J., Maneas, E., Saeed, S. R., Bradford, R., Ourselin, S., Vercauteren, T., Desjardins, A. E. Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning. J. Vis. Exp. (161), e61344, doi:10.3791/61344 (2020).

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