Bioengineering

ब्रेन ट्यूमर सर्जरी योजना के लिए अल्ट्रासाउंड और एक्स-रे कंट्रास्ट के साथ रोगी-विशिष्ट पॉलीविनाइल अल्कोहल फैंटम फैब्रिकेशन

Published: July 14, 2020 doi: 10.3791/61344

Eleanor C. Mackle*^1,2, Jonathan Shapey*^1,2,3,4, Efthymios Maneas^1,2, Shakeel R. Saeed^3,5,6, Robert Bradford³, Sebastien Ourselin⁴, Tom Vercauteren⁴, Adrien E. Desjardins^1,2

¹Wellcome / EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences, University College London, ²Department of Medical Physics and Biomedical Engineering, University College London, ³Department of Neurosurgery, National Hospital for Neurology and Neurosurgery, ⁴School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, ⁵The Ear Institute, University College London, ⁶The Royal National Throat, Nose and Ear Hospital, London

* These authors contributed equally

Summary

यह प्रोटोकॉल एक रोगी विशिष्ट खोपड़ी, मस्तिष्क और ट्यूमर प्रेत के निर्माण का वर्णन करता है। यह मोल्ड बनाने के लिए 3 डी प्रिंटिंग का उपयोग करता है, और पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए-सी) ऊतक नकल सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है।

Abstract

प्रेत नैदानिक प्रशिक्षण, शल्य चिकित्सा योजना और उपन्यास चिकित्सा उपकरणों के विकास के लिए आवश्यक उपकरण हैं। हालांकि, यथार्थवादी मस्तिष्क इमेजिंग गुणों के साथ शारीरिक रूप से सटीक सिर प्रेत बनाना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि मानक निर्माण विधियों को किसी भी रोगी-विशिष्ट शारीरिक विस्तार को दोहराने के लिए अनुकूलित नहीं किया जाता है और इमेजिंग गुणों के लिए 3 डी प्रिंटिंग सामग्री अनुकूलित नहीं होती है। ब्रेन ट्यूमर सर्जरी के दौरान उपयोग के लिए एक उपन्यास नेविगेशन प्रणाली का परीक्षण और सत्यापन करने के लिए, यथार्थवादी इमेजिंग और यांत्रिक गुणों के साथ एक शारीरिक रूप से सटीक प्रेत की आवश्यकता थी। इसलिए, एक प्रेत इनपुट के रूप में वास्तविक रोगी डेटा का उपयोग करके विकसित किया गया था और मोल्डों की 3 डी प्रिंटिंग एक रोगी-विशिष्ट सिर प्रेत को बनाने के लिए विकसित किया गया था जिसमें अल्ट्रासाउंड और एक्स-रे दोनों के साथ खोपड़ी, मस्तिष्क और ट्यूमर शामिल थे। प्रेत में यांत्रिक गुण भी थे जो प्रेत ऊतक को इसी तरह से हेरफेर करने की अनुमति देते थे कि सर्जरी के दौरान मानव मस्तिष्क के ऊतकों को कैसे संभाला जाता है। एक आभासी ऑपरेटिंग कमरे में एक शल्य चिकित्सा सिमुलेशन के दौरान प्रेत का सफलतापूर्वक परीक्षण किया गया था।

प्रेत निर्माण विधि व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों का उपयोग करती है और पुन: पेश करना आसान है। 3 डी प्रिंटिंग फ़ाइलों को आसानी से साझा किया जा सकता है, और तकनीक को कई विभिन्न प्रकार के ट्यूमर को शामिल करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

Introduction

प्रेत जैविक ऊतकों के विशिष्ट गुणों की नकल करते हैं विभिन्न प्रयोगात्मक और शिक्षण अनुप्रयोगों के लिए एक उपयोगी संसाधन हैं। ऊतक-नकल करने वाले प्रेत अपने नैदानिक उपयोग से पहले चिकित्सा उपकरणों की विशेषता के लिए आवश्यक हैं^1,2 और शारीरिक प्रेत का उपयोग अक्सर सभी विषयों^3, ^{4, 5,}^6,7 में चिकित्सा कर्मचारियों के प्रशिक्षण में किया^जाताहै। रोगी विशिष्ट शारीरिक प्रेत उपयुक्त ऊतक नकल उतार गुणों के साथ बनाया अक्सर परीक्षण वातावरण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है और चिकित्सकों जो एक नए डिवाइस⁸का उपयोग करने के लिए सीख रहे है के विश्वास को बढ़ा सकते हैं । हालांकि, उच्च विनिर्माण लागत और जटिल निर्माण प्रक्रियाएं अक्सर रोगी-विशिष्ट प्रेत के नियमित उपयोग को बाधित करती हैं। यहां, आसानी से उपलब्ध, वाणिज्यिक सामग्री का उपयोग करके एक टिकाऊ, रोगी-विशिष्ट ब्रेन ट्यूमर मॉडल के निर्माण के लिए एक विधि का वर्णन किया गया है, जिसका उपयोग कंप्यूटरीकृत टोमोग्राफी (सीटी) इमेजिंग का उपयोग करके इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड (यूएस) के प्रशिक्षण और सत्यापन के लिए किया जा सकता है। इस अध्ययन में वर्णित प्रेत एक वेस्टिब्यूलर श्वानोमा (मस्तिष्क और आंतरिक कान को जोड़ने वाली संतुलन नसों में से एक से उत्पन्न होने वाला सौम्य ब्रेन ट्यूमर) के साथ एक रोगी से डेटा का उपयोग करके बनाया गया था, जिसने बाद में रेट्रोसिग्मोइड सबोसिपिटल क्रैनिओटॉमी¹⁰के माध्यम से सर्जरी और ट्यूमर रीसेक्शन किया। इस प्रकार की ब्रेन ट्यूमर सर्जरी के दौरान उपयोग के लिए एक एकीकृत इंट्राऑपरेटिव नेविगेशन प्रणाली का परीक्षण और सत्यापन करने के लिए प्रेत विकसित किया गया था।

आदेश में इस आवेदन के लिए उपयुक्त होने के लिए, ब्रेन ट्यूमर प्रेत के लिए कई प्रमुख गुणों के अधिकारी की जरूरत है । सबसे पहले, यह गैर विषैले सामग्री से बना होना चाहिए, तो यह सुरक्षित रूप से एक नैदानिक प्रशिक्षण वातावरण में इस्तेमाल किया जा सकता है । दूसरा, इसमें यथार्थवादी इमेजिंग गुण होने चाहिए; इच्छित आवेदन के लिए, इनमें विशेष रूप से अल्ट्रासाउंड क्षीणता और सीटी कंट्रास्ट शामिल हैं। तीसरा, इसमें मानव ऊतक के समान यांत्रिक गुण होने चाहिए ताकि इसे उसी तरह से संभाला जा सके। चौथा, प्रेत वास्तविक रोगी डेटा पर आधारित होना चाहिए, ताकि यह शारीरिक रूप से सटीक हो और शल्य चिकित्सा योजना और प्रशिक्षण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । अंत में, उपयोग की जाने वाली सामग्री टिकाऊ होनी चाहिए, ताकि प्रेत का उपयोग बार-बार किया जा सके।

सामान्य तौर पर, प्रेत के लिए चुनी गई ऊतक-नकल सामग्री और निर्माण विधि इच्छित आवेदन पर निर्भर करती है। खोपड़ी जैसी कठोर संरचनाओं के लिए, चुनी हुई संपत्ति को विकृत या पानी में घुलनशील नहीं होना चाहिए और यह बार-बार उपयोग के साथ शारीरिक विस्तार का सटीक स्तर बनाए रखने में सक्षम होना चाहिए; यह प्रयोगों के लिए प्रेत का उपयोग करते समय विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जहां छवि पंजीकरण का उपयोग किया जाता है और शल्य चिकित्सा सिमुलेशन उद्देश्यों के लिए। गेल मोम जैसे खनिज तेल आधारित सामग्रीअल्ट्रासाउंड^9,^{11, 12}और फोटोकौस्टिक¹³ इमेजिंग अनुप्रयोगों के लिए वादा किया गया है, हालांकि, जब बार-बार यांत्रिक विरूपण के अधीन वे उदासीन हो जाते हैं, इसलिए विशेष रूप से मानक माइक्रोसर्जिकल न्यूरोसर्जरी उपकरणों के साथ विस्तारित उपयोग का^{सामना} नहीं कर सकते हैं। एगर और जिलेटिन जलीय सामग्री हैं जो आमतौर पर ऊतक-नकल करने वाली सामग्रियों के रूप में भी उपयोग की जाती हैं। इन सामग्रियों के ध्वनिक गुणों को समायोजित करने के लिए आवश्यक एडिटिव्स अच्छी तरह से ज्ञात¹⁴हैं, लेकिन उनके पास सीमित यांत्रिक शक्ति है और विशेष रूप से टिकाऊ नहीं हैं इसलिए इस आवेदन के लिए उपयुक्त नहीं हैं, जहां प्रेत को बार-बार संभालने की आवश्यकता होती है।

पॉलीविनाइल अल्कोहल क्रायोगेल (पीवीए-सी) ऊतक-नकल करने वाली सामग्री का एक लोकप्रिय विकल्प है, क्योंकि इसके ध्वनिक और यांत्रिक गुणों को आसानी से अपने फ्रीज-गल चक्रों को अलग करके ट्यून किया जा सकता है। यह दर्शाया गया है कि पीवीए-सी के गुण^{15 , 16}, 17^,¹⁸तक मुलायम ऊतकों के समान हैं . अल्ट्रासाउंड और सीटी इमेजिंग¹⁹के लिए पीवीए-सी आधारित मस्तिष्क प्रेत का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है । सामग्री का उपयोग बार-बार करने के लिए पर्याप्त मजबूत है, और इसमें उच्च स्तर की लोच है, इसलिए पीवीए-सी से बने प्रेत ऊतक को स्थायी रूप से विकृत किए बिना हेरफेर किया जा सकता है। पॉलीलैक्टिक एसिड (पीएलए) एक आसानी से उपलब्ध कठोर सामग्री है और खोपड़ी के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया गया था, हालांकि, पीएलए के स्थान पर एक अलग प्रिंटिंग सामग्री का उपयोग किया जा सकता है, अगर इसमें समान यांत्रिक गुण हैं और पानी में घुलनशील नहीं है।

विशेष रूप से मस्तिष्क प्रेत विभिन्न तरीकों का उपयोग करके गढ़े गए हैं, जो आवश्यक जटिलता के स्तर और ऊतकों के आधार पर^20,^{21, 22,}²³को दोहराया जाना चाहिए। आमतौर पर, एक मोल्ड का उपयोग किया जाता है, और तरल ऊतक-नकल करने वाली सामग्री इसमें डाली जाती है। कुछ अध्ययनों ने वाणिज्यिक मोल्डों का उपयोग किया है²⁴ जबकि अन्य एक स्वस्थ मस्तिष्क के 3डी-मुद्रित कस्टम मोल्ड का उपयोग करते हैं, और मार्कर क्षेत्रों और इन्फ्लेटेबल कैथेटर^19,²⁵को प्रत्यारोपित करके मस्तिष्क के घावों का अनुकरण करते हैं। लेखक के ज्ञान का सबसे अच्छा करने के लिए, यह एक 3 डी मुद्रित रोगी विशिष्ट ब्रेन ट्यूमर प्रेत ऊतक नकल उतार अल्ट्रासाउंड और एक्स-रे गुणों के साथ बनाया मॉडल की पहली रिपोर्ट है । कुल निर्माण चित्रा 1में प्रवाहचार्ट द्वारा कल्पना की जाती है ; पूरी प्रक्रिया को पूरा करने के लिए लगभग एक सप्ताह लगते हैं ।

Protocol

यह अध्ययन हेलसिंकी की घोषणा में व्यक्त सिद्धांतों के अनुसार किया गया था और इसे एनएचएस स्वास्थ्य अनुसंधान प्राधिकरण और अनुसंधान नैतिकता समिति (18/LO/0266) द्वारा अनुमोदित किया गया था । सूचित सहमति प्राप्त की गई थी, और विश्लेषण से पहले सभी इमेजिंग डेटा पूरी तरह से अनाम थे।

1. डेटा

प्री-ऑपरेटिव कंट्रास्ट-एन्हांस्ड टी1-भारित मैग्नेटिक रेओनेंस इमेजिंग (एमआरआई) और वॉल्यूमेट्रिक कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) डेटा प्राप्त करें।
1. यदि डिजिटल इमेजिंग एंड कम्युनिकेशंस इन मेडिसिन (DICOM) प्रारूप में अधिग्रहीत किया जाता है, तो प्रसंस्करण और विश्लेषण के लिए न्यूरोइमेजिंग इन्फॉर्मेटिक्स टेक्नोलॉजी इनिशिएटिव²⁶ (NiFTI) प्रारूप में परिवर्तित करें।
इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड डेटा प्राप्त करें।

2. विभाजन

रोगी डेटा को सेगमेंट करने के लिए सॉफ्टवेयर इंस्टॉल करें।
खोपड़ी विभाजन
नोट: खोपड़ी को खंडित करने में शामिल कदम मोटे तौर पर क्रैमर और क्विग्ले द्वारा उल्लिखित लोगों का पालन करते हैं²⁷ पर https://radmodules.com/, लेकिन उचित आकार के क्रैनिओटॉमी बनाने के लिए अनुकूलित किए जाते हैं।
1. सेगमेंटेशन सॉफ्टवेयर में मरीज के वॉल्यूमेट्रिक सीटी स्कैन लोड करें, सेगमेंट एडिटर मॉड्यूल खोलें और 'खोपड़ी' नाम से नया सेगमेंटेशन बनाएं।
2. खोपड़ी को हाइलाइट करने के लिए'दहलीज'फंक्शन का इस्तेमाल करें।
3. किसी भी अवांछित विभाजन (जैसे, त्वचा कैल्सिफिकेशन, मंडीबल, सी1/2, स्टाइलोइड प्रक्रिया, सीटी रोगी फ्रेम, और छवि के भीतर एम्बेडेड किसी भी एनोटेशन) को हटा दें। 3डी में मॉडल देखने पर पार्ट्स हटाने के लिए'कैंची'फंक्शन का इस्तेमाल करें और'इरेज'फंक्शन का इस्तेमाल करने वाले किसी भी अनचाहे स्ट्रक्चर को मैन्युअल रूप से डिस्कनेक्ट करने के बाद'आइलैंड्स'फंक्शन का इस्तेमाल करें।
4. 'पेंट'और'ड्रा'कार्यों (जैसे, लैमिना पैपिरासी, मास्टोइड हड्डी और एथ्मोइड बोन के कॉर्टिकल एज) का उपयोग करके थ्रेसिंग के दौरान छूटे हुए विभाजन में किसी भी अंतराल को मैन्युअल रूप से सही करें।
5. फॉरमेन मैग्नम को भरने के लिए'पेंट'और'ड्रा'फंक्शन का इस्तेमाल करें और 5 एमएम का फैला हुआ स्पाइक बनाएं जिस पर फैंटम मॉडल के निचले हिस्से को सुरक्षित किया जा सकता है।
  नोट: स्पाइक का स्थान कोरोनल और सैगिटल छवि विमानों पर सबसे अच्छा निर्धारित किया जाता है।
6. स्मूदिंगफंक्शन लगाएं। खोई हुई डिटेल की मात्रा को कम करने के लिए 1.0 मिमी (3 × 3 × 1 पिक्सल) की मीडियन चौरसाई सेटिंग का उपयोग करें।
  नोट: यदि प्रेत मॉडल में एक पूर्ण बरकरार खोपड़ी (उदाहरण के लिए, उचित रूप से स्थित क्रैनिओटॉमी बनाने के शल्य चिकित्सा सिमुलेशन को सुविधाजनक बनाने के लिए) शामिल होना चाहिए, तो 2.2.15 चरण में जाएं; हालांकि, यदि मॉडल में एक क्रेनिओटॉमी की आवश्यकता होती है, तो पूर्ण चरण 2.2.7 से 2.2.14 तक।
7. एक नया सेगमेंटेशन जोड़ने के लिए'ऐड'पर क्लिक करें और इसे 'स्कल क्रैनिओटॉमी' नाम दें।
8. 'सेगमेंटेशन' मॉड्यूल में, 'कॉपी/मूव सेगमेंट' टैब का उपयोग करके 'खोपड़ी' सेगमेंट को 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' में कॉपी करें।
  नोट: चरण 2.2.9 से 2.2.13 में वर्णित कार्यों को करने में सक्षम होने के लिए 'खोपड़ी' और 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' दोनों खंडों की आवश्यकता है।
9. 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' में उचित आकार के क्रैनिओटॉमी को हटाने के लिए'कैंची'फ़ंक्शन का उपयोग करें।
  नोट: इस तरह से क्रैनियोटॉमी बनाना, विपरीत दिशा में खोपड़ी के एक अतिरिक्त हिस्से को भी हटा देगा, इसलिए चरण 2.2.11 से 2.2.14 तक की आवश्यकता है।
10. 'ऐड' पर क्लिक करें और एक नया सेगमेंटेशन जोड़ें; इसे 'क्रैनिओटॉमी ओनली' नाम दें।
11. 'क्रैनियोटॉमी ओनली' में सेगमेंटेशन 'स्कल क्रैनिओटॉमी' का चयन करें और 'खोपड़ी क्रैनियोटॉमी' से 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' को घटाने के लिए'लॉजिकल ऑपरेटर'फ़ंक्शन का उपयोग करें।
12. ट्यूमर के सही पक्ष पर वांछित क्रेनियोटॉमी को छोड़कर सब कुछ मिटाने के लिए'कैंची'फ़ंक्शन का उपयोग करें, जिससे 'क्रैनिओटॉमी ओनली' की बचत होती है।
13. 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' में'लॉजिकल ऑपरेटर'फ़ंक्शन का उपयोग 'क्रैनिओटॉमी केवल' से 'खोपड़ी' से घटाना और बचाने के लिए किया जाता है।
14. 'सेगमेंटेशन' मॉड्यूल खोलें और स्टीरियोलिथोग्राफी (एसटीएल) फ़ाइल के रूप में 'खोपड़ी क्रैनियोटॉमी' का निर्यात करें।
15. 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर खोलें और एसटीएल फाइल 'खोपड़ी क्रैनिओटॉमी' आयात करें।
  नोट: यदि मॉडल धारीदार गुलाबी में दिखाई देता है तो पूरा मॉडल चुनकर'फ्लिप नॉर्मल्स'फ़ंक्शन पूराकरें (| डबल क्लिककरें) और फिर'एडिट | सामान्य फ्लिप करें'। मॉडल अब ग्रे हो जाएगा और संपादित किया जा सकता है । सुनिश्चित करें कि'व्यू ऑब्जेक्ट्स ब्राउज़र'चालू हो।
16. कम्प्यूटेशनल समय में सुधार करने के लिए त्रिकोण की संख्या कम करें।
17. पूरा मॉडल चुनें(| का चयन करें डबल क्लिक मॉडल नारंगी बदल जाता है) तो 'संपादित करें | 'कम करें'। डिफॉल्ट'कम'फ़ंक्शन 50% पर सेट किया गया है, इसलिए वांछित कमी हासिल होने तक दोहराएं। त्रिकोण और लेफ्टिनेंट की कुल संख्या के लिए लक्ष्य; ५००,००० ।
18. 'शेप प्रिजिंडिंग'बॉक्स को सुनिश्चित करने के लिए'स्मूदिंग'फ़ंक्शन लागू करें। पूरा मॉडल चुनें तो'डीफॉर्म | चिकनी'।
19. क्लिक करें'एनालिसिस' फिर 'इंस्पेक्टर'और इस फंक्शन का इस्तेमाल मॉडल में किसी भी छोटी-छोटी खामियों का पता लगाने और ऑटो रिपेयर ('फ्लैट-फिल' चयन का सुझाव) पर क्लिक करें।
20. 'एडिट/प्लेन'कट फंक्शन का इस्तेमाल करते हुए टॉप और बॉटम बनाने के लिए 'खोपड़ी' को कट करें। 'दोनों स्लाइस रखें'और'रेमेशेड'फिल टाइप का चयन करें। खोपड़ी का बेहतर आंतरिक दृश्य प्रदान करने और विमान को समायोजित करने के लिए'शाडर्स'फ़ंक्शन के साथ खोपड़ी को पारदर्शी में बदलें ताकि यह खोपड़ी के आधार के समानांतर हो।
21. 'एडिट | का चयन करके अलग गोले ऑब्जेक्ट्स ब्राउज़र के भीतर 'Skull_Top' और 'Skull_Bottom' का नाम बदल दें।
  नोट: उनकी स्थिति को स्थानांतरित न करें। देखने से एक या दूसरे को हटाने के लिए आंख आइकन पर क्लिक करें ।
22. क्लिक करें'मेशमिक्स' फिर एक डोवेल बनाने के लिए 'सिलेंडर'का चयन करें और 4 मिमी × 4 मिमी × 4 मिमी ('एडिट | ट्रांसफॉर्म')। देखने से हटाने के लिए आंख आइकन पर क्लिक करके 'Skull_Bottom' छिपाएं।
23. 'संपादित | का चयन करें 'विमानों को संरेखित करें। एक अतिरिक्त पारदर्शी सिलेंडर दिखाई देगा। 'संरेखित' विंडो में 'स्रोत' और 'फ़्लसलेंस पॉइंट' ('Skull_Top' के 'बाएं क्लिक अंडरसतू) के लिए 'सरफेस पॉइंट' (बाएं क्लिक करें पारदर्शी सिलेंडर) का चयन करें।
24. 'संपादित | का उपयोग करना हरेतीर का उपयोग कर खोपड़ी में 'फ़ंक्शन मूव डोवेल को बदलें और नीले और लाल तीर के साथ स्थिति को समायोजित करें। 'Dowel_Anterior' का नाम बदलें।
25. ऑब्जेक्ट ब्राउज़र में 3 प्रतियां बनाते हैं और 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' और 'Dowel_Right' का नाम बदलते हैं।
26. प्रत्येक डोवेल को 'एडिट | का उपयोग करके वांछित स्थान पर ले जाएं ट्रांसफॉर्म'फ़ंक्शन।
  नोट: हरे रंग के विमान में डोवेल की स्थिति को स्थानांतरित या न बदलें।
27. प्रत्येक की प्रतियां बनाएं लेकिन सभी प्रतियों को एक ही स्थान पर रखें और एक अतिरिक्त डोवेल बनाएं और 3 मिमी × 3 मिमी × 3 मिमी तक आकार दें। नाम बदलें 'डोवेल'।
28. 'बूलियन डिफरेंस'फंक्शन का इस्तेमाल करते हुए खोपड़ी में डोल्स के लिए छेद बनाएं। पहले 'Skull_Top' चुनें और फिर ऑब्जेक्ट ब्राउजर में एक डोवेल चुनें। 'बूलियन डिफरेंस'टैब में सुनिश्चित करें कि'ऑटो कम'स्विच ऑफ है। बारी में प्रत्येक डोवेल के लिए दोहराएं।
29. 'Skull_Top' को छिपाएं और बदले में प्रत्येक डोवेल के लिए उपरोक्त'बूलियन डिफरेंस'फ़ंक्शन को दोहराते हुए 'Skull_Bottom' देखें।
30. निर्यात 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' और 'डोवेल' अलग बाइनरी एसटीएल फाइलों के रूप में।
मस्तिष्क ऊतक विभाजन
1. http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF और इसके आउटपुट डाउनलोड करने के लिए मस्तिष्क के इसके विपरीत बढ़ाया T1 एमआरआई अपलोड करें। यह टी 1-भारित छवियों के लिए एक ओपन-सोर्स पार्सल उपकरण है जो मस्तिष्क निष्कर्षण और ऊतक विभाजन करने के लिए जियोडेसिक इन्फॉर्मेशन फ्लो (जीआईएफ) एल्गोरिदम²⁸ का उपयोग करता है।
2. सेगमेंटेशन सॉफ्टवेयर खोलें और कंट्रास्ट एनहांस्ड टी1 एमआरआई और जीआईएफ पार्सलेशन आउटपुट फाइल लोड करें।
3. 'सेगमेंटएडिटर'मॉड्यूल खोलें और एक नया सेगमेंटेशन बनाएं।
4. उपयुक्त लेबल का चयन करें और उन्हें एक ही विभाजन बनाने के लिए गठबंधन करें। उदाहरण के लिए, सेरेब्रल और डाइएंसेफेलन लेबल मानचित्रों को एक मॉडल बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है, जिसे 'मस्तिष्क' और मिडब्रेन, ब्रेनस्टेम, सेरिबैलम और वर्मियन संरचनाओं के रूप में संदर्भित एक दूसरा मॉडल बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है जिसे 'सेरिबैलम' के रूप में संदर्भित किया जाता है।
5. 'स्मूदिंग'फंक्शन (सुझाए गए मीडियन 2.00 एमएम, 5 × 5 × 3 पिक्सल) का इस्तेमाल करें।
6. किसी भी अनचाहे या गलत सेगमेंटेशन को दूर करने के लिए'कैंची'फंक्शन का इस्तेमाल करें।
7. 'मस्तिष्क' और 'सेरिबैलम' सेगमेंटेशन को बचाएं।
8. 'सेगमेंटेशन'मॉड्यूल और एक्सपोर्ट 'ब्रेन' और 'सेरिबैलम' को एसटीएल फाइल के रूप में खोलें।
ट्यूमर विभाजन
1. विभाजन सॉफ्टवेयर खोलें और इसके विपरीत बढ़ाया T1 एमआरआई लोड करें।
2. 'सेगमेंटएडिटर'मॉड्यूल खोलें और 'ट्यूमर' नाम से नया सेगमेंटेशन बनाएं।
3. ट्यूमर को हाइलाइट करने के लिए'थ्रेसहोल्ड'फंक्शन का इस्तेमाल करें।
4. 'पेंट', ड्राऔर'इरेज'के फंक्शन का इस्तेमाल करते हुए सेगमेंटेशन को सही करें।
5. 'स्मूदिंग'फंक्शन (सुझाए गए मीडियन 2.00 एमएम 5 x 5 x 3 पिक्सल) लगाएं।
6. 'Cerebellum_Tumor' नाम से एक नया विभाजन बनाएं।
7. 'सेरिबैलम' मॉडल और 'ट्यूमर' को मिलाकर'लॉजिकल ऑपरेटर्स | 'फंक्शन जोड़ें।
8. 'ट्यूमर' और 'Cerebellum_Tumor' सेगमेंट को बचाएं।
9. 'सेगमेंटेशन'मॉड्यूल और एक्सपोर्ट 'ट्यूमर' और 'Cerebellum_Tumor' को एसटीएल फाइल के रूप में खोलें।
  नोट: विभाजन प्रक्रिया के अंत में, निम्नलिखित फाइलें उपलब्ध हैं: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'डोवेल', 'ब्रेन', 'सेरिबैलम', 'ट्यूमर', 'Cerebellum_Tumor'।

3.3D ब्रेन/ट्यूमर मोल्ड्स और खोपड़ी की प्रिंटिंग

मस्तिष्क और ट्यूमर मोल्ड बनाएं
1. 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में'प्लेन कट'टूल का उपयोग करके 'ब्रेन' सेगमेंटेशन को दो गोलार्द्धों में विभाजित करें।
2. प्रत्येक गोलार्द्ध को एक अलग एसटीएल फाइल 'ब्रेन राइट' और 'ब्रेन लेफ्ट' के रूप में सहेजें।
3. एसटीएल फाइल 'ट्यूमर' को कंप्यूटर-एडेड डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर में आयात करें।
4. 'जाल'टैब पर क्लिक करें और फिर मॉडल के आकार को कम करने के लिए'कम'फ़ंक्शन का उपयोग करें ताकि इसे प्रोग्राम द्वारा संभाला जा सके - इसका उद्देश्य जितना हो सके आकार को कम करना है, जबकि अभी भी सभी आवश्यक विवरण को बनाए रखना है।
5. 'सॉलिड' टैब पर क्लिक करें और आयातित जाल को शरीर में बदलनेके लिए 'मेष टू बीरेप'टूल का इस्तेमाल करें, जिससे छेड़छाड़ की जा सकती है। यदि यह कार्रवाई पूरी नहीं की जा सकती है, तो जाल को चरण 3.1.3 में पर्याप्त कम नहीं किया गया था।
6. क्लिक करें'फिर'बॉक्स'बनाएं और ट्यूमर के चारों ओर एक बॉक्स बनाएं। इसे'न्यू बॉडी'के रूप में बनाने के लिए चुनें और यह सुनिश्चित करने के लिए दृश्य घुमाएं कि बॉक्स पूरी तरह से ट्यूमर को सभी तरफ संलग्न करता है।
7. मॉडिफाई टैब में पेटी(टारगेटबॉडी' से ट्यूमर(टूल बॉडी'को काटने के लिएकंबाइनटूल का इस्तेमाल करें। इसके बाद इसके अंदर ट्यूमर के खोखले आकार वाला एक बॉक्स छोड़ दिया जाएगा।
8. जांच करें कि खोखले-बाहर बॉक्स मौजूद हैं। इस बॉक्स को उचित संख्या में टुकड़ों में काट लें ताकि एक बार मोल्ड भर जाने के बाद, इसे अंदर प्रेत को नुकसान पहुंचाए बिना अलग किया जा सके। यहां ट्यूमर के लिए, यह दो में बॉक्स विभाजित करने के लिए पर्याप्त है, लेकिन प्रेत के अन्य हिस्सों के लिए, अधिक टुकड़ों की आवश्यकता होती है।
9. उन जगहों पर बॉक्स के माध्यम से विमान बनाएं जिन्हें मोल्ड को काटने की आवश्यकता है। क्लिक करें बॉक्सकेकेंद्र के माध्यम से विमान बनाने के लिए 'निर्माण' तो'मिडप्लेन'। सही तरीके से बनाए गए प्लेन पर क्लिक करें और प्लेन को ज्यादा सटीक स्थिति में रखने के लिए'ऑफसेट प्लेन'चुनें।
10. बनाए गए विमानों के साथ मोल्ड को विभाजित करने के लिए'मॉडिफाई'टैब में'स्प्लिट बॉडी'फंक्शन का इस्तेमाल करें।
11. मोल्ड के अलग-अलग टुकड़ों को सही क्लिक करके और'मूव/कॉपी'चुनकर ले जाएं, ताकि सभी टुकड़े बाहर की ओर आ सकें।
12. मोल्ड के प्रत्येक टुकड़े के चेहरों पर रिवेट्स जोड़ें (इसलिए यह एक साथ सुरक्षित रूप से फिट हो सकता है),'स्केच बनाएं'तो'केंद्र व्यास सर्कल'और प्रत्येक चेहरे पर, छोटे सर्कल खींचकर। सही क्लिक करें फिर'एक्सट्रूड'ये सर्कल एक चेहरे पर कुछ मिलीमीटर बाहर की ओर और उन्हें इसी चेहरे पर अंदर की ओर बाहर निकालता है।
  नोट: अंदर की ओर निकाले गए हलकों को थोड़ा बड़ा होने की आवश्यकता होती है - लगभग 1.5 मिमी - उन लोगों की तुलना में जो बाहर निकाले जाते हैं, ताकि वे एक साथ फिट हो सकें।
13. मोल्ड के प्रत्येक टुकड़े को एक अलग एसटीएल फ़ाइल के रूप में सहेजें।
14. 'ब्रेन लेफ्ट', 'ब्रेन राइट' और 'सेरिबैलम ट्यूमर' के लिए 3.1.4 - 3.1.14 को दोहराएं।
  नोट: मोल्ड बनाने के लिए सिर्फ 'सेरिबैलम' के बजाय फ़ाइल 'सेरिबैलम ट्यूमर' का उपयोग करने का मतलब है कि मोल्ड में निर्माण के दौरान ट्यूमर डालने के लिए एक जगह होगी।
3डी मोल्ड्स प्रिंट करें
1. 3डी प्रिंटिंग सॉफ्टवेयर इंस्टॉल करें या खोलें।
2. प्रिंटिंग सॉफ्टवेयर में मोल्ड के प्रत्येक टुकड़े के लिए एसटीएल फ़ाइल खोलें और इसे घुमाएं ताकि यह बिल्ड प्लेट के खिलाफ फ्लैट हो। बिल्ड प्लेट में कई मोल्ड टुकड़े जोड़ना और इन्हें एक साथ प्रिंट करना संभव है।
3. एक बड़ी परत ऊंचाई (लगभग 0.2 मिमी) और कम इनफिल मूल्य (लगभग 20%) चुनें तेजी से मुद्रण के लिए। पॉलीलैक्टिक एसिड (पीएलए) जैसी कठोर सामग्री का उपयोग करके मोल्डों को प्रिंट करें। यदि मोल्ड उचित रूप से तैनात हैं, तो समर्थन सामग्री आवश्यक नहीं है।
खोपड़ी प्रिंट
1. प्रिंटिंग सॉफ्टवेयर में 'खोपड़ी टॉप' फ़ाइल खोलें और एक बड़ी परत ऊंचाई (लगभग 0.2 मिमी) और कम इनफिल मूल्य (लगभग 20%) चुनें।
2. पीएलए में खोपड़ी मॉडल प्रिंट लेकिन चरण 3.2.3 के विपरीत, समर्थन सामग्री की आवश्यकता होगी, इसलिए सॉफ्टवेयर में'ऐड सपोर्ट'का चयन करें। PVA का उपयोग समर्थन सामग्री के रूप में किया जाता है क्योंकि इसे बाद में पानी से भरा जा सकता है।
3. 'खोपड़ी नीचे' के लिए 3.3.1 और 3.3.2 चरणों कोदोहराएं।
4. एक बार खोपड़ी के ऊपर और नीचे मुद्रित किया गया है, उन्हें पानी में रात भर जलमग्न करने के लिए दूर PVA समर्थन सामग्री भंग।
  नोट: समर्थन सामग्री बहुत तेजी से भंग अगर गर्म पानी का उपयोग किया जाता है, लेकिन अगर पानी बहुत गर्म है, यह मुद्रित पीएलए विकृत होगा । इसलिए, ठंडे पानी का उपयोग करना और प्रिंट को रात भर जलमग्न छोड़ना बेहतर है।

4. पीवीए-सी की तैयारी

200 ग्राम पीवीए पाउडर को मापें और साइड में सेट करें।
90 डिग्री सेल्सियस तक 1800 ग्राम डियोनाइज्ड पानी गर्म करें और 2L शंकु फ्लास्क में जोड़ें।
नोटः पानी को लगभग उबालने की जरूरत है इसलिए पीवीए पाउडर आसानी से घुल जाएगा, लेकिन अगर पानी 100 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाए तो कुछ वाष्पीकरण से खो जाएंगे, जिससे बचना होगा।
90 डिग्री सेल्सियस पर सेट तापमान नियंत्रित पानी स्नान में शंकु फ्लास्क को निलंबित करें।
फ्लास्क में एक इलेक्ट्रॉनिक स्टरर की स्थिति, यह सुनिश्चित करना कि यह नीचे या पक्षों को स्पर्श नहीं करता है, और गति को 1500 आरपीएम तक सेट करता है।
नोट: जांच करें कि पानी समान रूप से सरगर्मी है और पक्षों या नीचे स्थिर बिंदु नहीं हैं।
धीरे-धीरे लगभग 30 मिनट से अधिक शंकु फ्लास्क में पीवीए पाउडर जोड़ें, फिर इसे लगभग 90 मिनट तक हलचल करने के लिए छोड़ दें। परिणामस्वरूप जेल ऊतक-नकल करने वाली सामग्री PVA-c है।
पानी के स्नान से शंकुधारी फ्लास्क निकालें और सामग्री को एक बीकर में डालें। PVA-c के शीर्ष पर एक त्वचा के गठन को रोकने के लिए चिपटना फिल्म के साथ शीर्ष कवर। PVA-c कमरे के तापमान (लगभग 20 डिग्री सेल्सियस) को ठंडा करने के लिए छोड़ दें। एक बार ठंडा होने के बाद, पीवीए-सी पारदर्शी हो जाएगा। छोटे सफेद क्रिस्टल PVA-c में देखा जा सकता है, लेकिन किसी भी सतह पर प्रदर्शित होने वाले बुलबुले धीरे से स्क्रैप किया जाना चाहिए ।
एक परिरक्षक के रूप में PVA-c के लिए 0.5 w/w% पोटेशियम शर्बत जोड़ें, और मैन्युअल रूप से अच्छी तरह से हलचल।
PVA-c कमरे के तापमान पर छोड़ दिया जा सकता है अगर कुछ दिनों के लिए चिपटना फिल्म में कवर से पहले यह मोल्डों में डाला जाता है ।

5. फैंटम विधानसभा

ट्यूमर मोल्ड को बीकर में भरने के लिए पर्याप्त पीवीए-सी को मापें।
ट्यूमर के लिए PVA-c करने के लिए, अल्ट्रासाउंड विपरीत के लिए 1 w/w% ग्लास माइक्रोस्फीयर और एक्स-रे विपरीत के लिए 5 w/w% बेरियम सल्फेट जोड़ें, और हाथ से हलचल ।
नोट: ट्यूमर के लिए अतिरिक्त PVA-c को मापने के लिए आवश्यक हो सकता है ताकि ये प्रतिशत एक औसत दर्जे की राशि हो।
एडिटिव्स के समरूप मिश्रण सुनिश्चित करने के लिए बीकर को सोनिकेट करें।
शांत करने के लिए छोड़ दें और किसी भी बुलबुले से बचने के लिए गठन की अनुमति, 10 मिनट के आसपास, तो सतह से किसी भी बुलबुले परिमार्जन ।
नोट: एक बार कांच के गोले जोड़े जाने के बाद विस्तारित अवधि के लिए न छोड़ें, अब लगभग 10 मिनट से अधिक नहीं, PVA-सी को मोल्ड में डालने से पहले, क्योंकि कांच के गोले बीकर के नीचे बस जाएंगे। एक बार प्रेत जम गया है, यह अब एक चिंता का विषय नहीं होगा, और अंतिम प्रेत कमरे के तापमान पर इस्तेमाल किया जा सकता है ।
ट्यूमर मोल्ड को एक साथ सुरक्षित करें (मोल्ड में शामिल होने को कवर करने के लिए टेप का उपयोग किया जा सकता है) और मोल्ड के शीर्ष में छेद के माध्यम से पीवीए-सी में डालना। छेद के माध्यम से बचने के लिए डालने की प्रक्रिया में गठित किसी भी बुलबुले की अनुमति देने के लिए कुछ मिनट के लिए छोड़ दें, फिर सीधे फ्रीजर में रखें।
ट्यूमर पर दो फ्रीज-गल चक्र प्रदर्शन; यहां प्रत्येक चक्र में -20 डिग्री सेल्सियस पर ठंड के 6 घंटे और कमरे के तापमान पर 6 घंटे विगलन होते हैं। फिर, सावधानी से मोल्ड से हटा दें।
ट्यूमर को सेरिबैलम मोल्ड में इसके लिए संबंधित स्थान में रखें, फिर शेष सेरिबैलम मोल्ड का निर्माण करें और इसे एक साथ सुरक्षित करें।
शेष PVA-c में 0.05 डब्ल्यू/डब्ल्यू% ग्लास माइक्रोस्फीयर जोड़ें, फिर चरण 5.1.3 और 5.1.4 दोहराएं।
सेरिबैलम मोल्ड में पीवीए-सी डालो, जिससे यह अंदर रखे गए ट्यूमर को घेर सके। इसके अतिरिक्त, प्रत्येक मस्तिष्क गोलार्द्ध के लिए मोल्डों में मिश्रण डालें।
प्रत्येक मस्तिष्क गोलार्द्ध और सेरिबैलम पर दो फ्रीज-गल चक्र प्रदर्शन; यहां प्रत्येक चक्र में -20 डिग्री सेल्सियस पर ठंड के 24 घंटे और कमरे के तापमान पर 24 घंटे विगलन होते हैं।
नोट: 12 घंटे ठंड के साथ चक्र 12 घंटे विगलन के बाद भी प्रभावी, प्रेत कम समय में बनाने के लिए अनुमति देने के लिए । 24 एच आवेदन की आसानी के लिए चुना गया था, हर 12 घंटे प्रयोगशाला में लौटने से बचने के लिए ।
एक बार प्रेत दूसरी बार गल जाते हैं, तो ध्यान से उन्हें मोल्डों से हटा दें और मुद्रित खोपड़ी में रखें।
नोट: जब उपयोग में नहीं, पूरा PVA-सी प्रेत फ्रिज में एक एयरटाइट कंटेनर में संग्रहीत किया जाना चाहिए, और इस तरह से कुछ हफ्तों के लिए रखा जा सकता है
पूरा करने के लिए, 'खोपड़ी नीचे' मॉडल के आधार पर स्पाइक पर 'सेरिबैलम ट्यूमर' प्रेत रखें। दो मस्तिष्क गोलार्द्धों ('ब्रेन लेफ्ट' और 'ब्रेन राइट' के मॉडल को शीर्ष पर रखा गया है और 'सेरिबैलम ट्यूमर' के ऊपरी हिस्से में स्लॉट किया गया है।
प्रत्येक स्थान में चार डोवेल्स को 'खोपड़ी नीचे' मॉडल पर रखें और शीर्ष पर 'खोपड़ी शीर्ष' मॉडल रखें। यदि आवश्यक हो, तो मॉडल सर्जरी में इंट्राऑपरेटिव उपयोग अनुकरण करने के लिए वांछित स्थिति में पैंतरेबाज़ी किया जा सकता है ।

6. फैंटम इमेजिंग

अल्ट्रासाउंड इमेजिंग
1. इमेजिंग जांच के लिए अल्ट्रासाउंड जेल लागू करें।
  नोट: जेल का उपयोग इंट्राऑपरेटिव रूप से नहीं किया जाता है, लेकिन सिमुलेशन में उपयोग किया जा सकता है और नैदानिक कार्यप्रवाह या अधिग्रहीत छवियों की गुणवत्ता में महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं होता है।
2. एक नैदानिक स्कैनर और burr छेद जांच के साथ, क्रैनियोटॉमी के माध्यम से मस्तिष्क और ट्यूमर छवि।
सीटी इमेजिंग
1. एक सीटी स्कैनर में पूरे प्रेत छवि ।

Representative Results

वर्णित प्रोटोकॉल के बाद, एक शारीरिक रूप से यथार्थवादी प्रेत गढ़े गए थे, जिसमें रोगी-विशिष्ट खोपड़ी, मस्तिष्क और ट्यूमर होते हैं। प्रेत (खोपड़ी, मस्तिष्क, ट्यूमर) के लिए प्रासंगिक शारीरिक संरचनाओं रोगी एमआरआई और सीटी डेटा(चित्रा 2ए, बी)का उपयोग कर खंडित कर रहे हैं । रोगी इंट्रा-ऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड डेटा(चित्रा 2c; चित्रा 2डी चित्रा 2cके रूप में एक ही छवि से पता चलता है, लेकिन ट्यूमर के साथ उल्लिखित) असली रोगी छवियों के लिए प्रेत छवियों की तुलना करने के लिए इस्तेमाल किया गया था ।

मेशेस मॉडल(चित्रा 3)के प्रत्येक टुकड़े के लिए बनाए गए थे, और तब इनका उपयोग 3 डी मोल्डों के निर्माण के लिए किया जाता था। मोल्ड आसानी से एक वाणिज्यिक प्रिंटर पर मुद्रित किए गए थे और टुकड़ों को एक साथ स्लॉट करके इकट्ठे किए जाते थे। सेरिबैलम मोल्ड डिजाइन और असेंबल करने के लिए सबसे जटिल था(चित्रा 4)। खोपड़ी(चित्रा 5a)प्रिंट करने के लिए सबसे कठिन हिस्सा था क्योंकि इसे समर्थन सामग्री की आवश्यकता थी, इसलिए एक धीमी प्रक्रिया थी; पूरे प्रिंट को पूरा करने में कुल तीन दिन लगे, जो प्रोटोकॉल में एक सीमित कारक है।

पूरा प्रेत(चित्रा 5)एक रोगी खोपड़ी, मस्तिष्क और ट्यूमर का एक यथार्थवादी मॉडल था । दो मस्तिष्क गोलार्द्धों(चित्रा 5b)अलग से उत्पादित किया गया था, और एक यथार्थवादी उपस्थिति है, मस्तिष्क के gyri और sulci की विशेषता । पूरा प्रेत सफेद रंग का है, क्योंकि यह पीवीए-सी का प्राकृतिक रंग है; यह आसानी से डाई जोड़कर बदला जा सकता है लेकिन आवेदन के लिए आवश्यक नहीं था। सेरिबैलम(चित्रा 5c)मुद्रित खोपड़ी के आधार में आराम से फिट बैठता है और मस्तिष्क गोलार्द्ध इसके शीर्ष पर बैठते हैं। ट्यूमर आसानी से सेरिबैलम में दिखाई देता है, क्योंकि ट्यूमर में जोड़े गए अतिरिक्त विपरीत परिणामस्वरूप यह एक ऑफ-व्हाइट रंग होता है जो इसे आसपास की सामग्री से अलग करता है, जो इसे सुरक्षित रूप से जुड़ा हुआ है।

प्रेत दोनों सीटी और अल्ट्रासाउंड(चित्रा 6ए, बी)के साथ छवि थी । बेरियम सल्फेट ट्यूमर उपयुक्त सीटी कंट्रास्ट देने के लिए इस्तेमाल किया गया था, और प्रेत छवि(चित्रा 6a)से पता चलता है कि यह हासिल किया गया था, के रूप में ट्यूमर स्पष्ट रूप से कल्पना है । खोपड़ी को 100% इनफिल के साथ मुद्रित नहीं किया गया था, ताकि मुद्रण के लिए लगने वाले समय को कम किया जा सके। इसलिए, खोपड़ी सीटी छवियों में पूरी तरह से यथार्थवादी नहीं दिखती है, क्योंकि प्रिंट की जाली संरचना देखी जा सकती है। यह आवेदन के लिए एक समस्या नहीं है, क्योंकि न्यूरोनैविगेशन सिस्टम के लिए केवल खोपड़ी की रूपरेखा की आवश्यकता होती है। खोपड़ी सीटी छवि की इस कम सटीकता से बचने के लिए 100% इनफिल के साथ मुद्रित किया जा सकता है, लेकिन मुद्रण प्रक्रिया पर समय जोड़ देगा। अल्ट्रासाउंड के विपरीत के लिए सेरिबैलम, मस्तिष्क गोलार्द्धों और ट्यूमर में ग्लास माइक्रोस्फीयर जोड़े गए थे। परिणाम बताते हैं कि ट्यूमर अल्ट्रासाउंड इमेजिंग(चित्रा 6b)के साथ भी दिखाई देता है और आसपास के ऊतकों से प्रतिष्ठित किया जा सकता है। दृश्य निरीक्षण पर, प्रेत(चित्रा 6b)से प्राप्त अल्ट्रासाउंड छवियों, और रोगी(चित्रा 2c)से प्राप्त उन लोगों से पता चलता है कि प्रेत में इस्तेमाल इसके विपरीत एजेंट यथार्थवादी इमेजिंग गुण बनाने के लिए प्रभावी थे ।

एक वर्चुअल ऑपरेटिंग रूम(चित्रा 7)में सर्जिकल सिमुलेशन के दौरान प्रेत का परीक्षण किया गया था। प्रेत मॉडल एक मानक खोपड़ी क्लैंप का उपयोग कर सर्जिकल ऑपरेटिंग टेबल पर तैनात किया गया था और प्रेत के सीटी स्कैन एक नैदानिक न्यूरोनैगेशन प्रणाली का उपयोग कर पंजीकृत किया गया था । ट्यूमर के लिए एक रेट्रोसिग्मोइड दृष्टिकोण नकली था और ट्यूमर को एक नैदानिक अल्ट्रासाउंड प्रणाली का उपयोग करके एक बर्र होल अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर के साथ चित्रित किया गया था। सर्जिकल सिमुलेशन के दौरान, प्रेत मॉडल स्थिर साबित हुआ और उसी तरह मानव मस्तिष्क इस प्रक्रिया के दौरान होगा में प्रेत में हेरफेर से कोई नुकसान नहीं देखा गया था, इसलिए इसे एक ही परिस्थितियों में बार-बार इस्तेमाल किया जा सकता है।

चित्र 1: एक रोगी विशिष्ट PVA-c मस्तिष्क प्रेत बनाने के लिए आवश्यक कदम दिखाने के लिए Flowchart। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 2: प्रेत मॉडल बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले रोगी डेटा। एक बाएं तरफा वेस्टिबुलर श्वानोमा के साथ एक रोगी के डेटा स्रोत:(क)अक्षीय विपरीत-संवर्धित T1-भारित एमआरआई, ट्यूमर की ओर इशारा करते हुए सफेद तीर; (ख)अक्षीय गैर-विपरीत सीटी स्कैन हड्डी को उजागर करने के लिए खिड़की, ट्यूमर की वजह से एक विस्तारित आंतरिक श्रवण मीटस की ओर इशारा करते हुए सफेद तीर; (ग)वेस्टिबुलर श्वानोमा सर्जरी के दौरान प्राप्त इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड छवि; (घ)एनोटेटेड इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड Equation 1 इमेज: ट्यूमर (अल्ट्रासाउंड पर हाइपरकोइक), Equation 4 ब्रेन (सेरिबैलम)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्र 3: प्रेत के प्रत्येक खंड के लिए पूरा meshes । एसटीएल जाल के लिए(ए, बी)खोपड़ी,: Equation 2 बाएं तरफा रेट्रोसिग्मोइड क्रैनिओटॉमी; (c,d)सेरेब्रल गोलार्द्ध; (ई, एफ)ट्यूमर और सेरिबैलम, Equation 1 ट्यूमर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 4: 3डी मुद्रित सेरिबैलम मोल्ड। 3 डी मुद्रित सेरिबैलम मोल्ड पूरी तरह से निर्मित (ऊपर बाएं) और अलग-अलग टुकड़े, जो 1 से 4 तक गिने जाते हैं। टुकड़ा 2 में छेद ('एच' द्वारा चिह्नित) PVA-सी मोल्ड में डाला जा करने के लिए सक्षम बनाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 5: पूरा प्रेत। खोपड़ी के शीर्ष के साथ तैयार प्रेत(ए)खोपड़ी(बी)प्रेत: Equation 2 रेट्रोसिग्मॉइड क्रैनियोटॉमी, Equation 1 ट्यूमर, Equation 4 मस्तिष्क (सेरिबैलम), Equation 5 मस्तिष्क (दाएं मस्तिष्क गोलार्द्ध); (ग)सेरिबैलम और ट्यूमर:: ट्यूमर, मस्तिष्क (सेरिबैलम)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 6: सीटी और अल्ट्रासाउंड प्रेत के साथ अधिग्रहीत छवियों । (क)खोपड़ी के आधार और ट्यूमर के स्तर के माध्यम से पूर्ण प्रेत की अक्षीय सीटी छवि,(ख)एक विमान में रेट्रोसिग्मोइड क्रैनियोटॉमी के माध्यम से बर्र होल अल्ट्रासाउंड जांच के साथ अधिग्रहीत प्रेत की इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड छवि खोपड़ी के लिए लगभग लंबवत (सर्जरी अनुकरण, सेरिबैलम थोड़ा मुकर गया था ताकि ट्यूमर पर सीधे छवि के लिए) । Equation 1 : ट्यूमर, Equation 4 मस्तिष्क (सेरिबैलम), Equation 2 बाएं तरफा रेट्रोसिग्मोइड क्रैनिओटॉमी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

चित्रा 7: सर्जिकल सिमुलेशन के दौरान प्रेत का परीक्षण। एक आभासी ऑपरेटिंग कमरे में सर्जिकल सिमुलेशन के माध्यम से प्रेत मॉडल का परीक्षण। Equation 6 : सीटी प्रेत मॉडल के पंजीकृत स्कैन को प्रदर्शित करने वाली न्यूरोनैविगेशन Equation 3 सिस्टम, अल्ट्रासाउंड प्रणाली का उपयोग एक बर्र होल अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर (अल्ट्रासाउंड मॉनिटर के बगल में स्थित देखा गया) के साथ प्रेत को छवि देने के लिए किया जाता था। ध्यान दें यहां चित्र मॉडल एक सही तरफा ट्यूमर के साथ विभिन्न रोगी से प्राप्त डेटा पर आधारित है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

यह प्रोटोकॉल एक रोगी विशिष्ट मस्तिष्क प्रेत की निर्माण प्रक्रिया का विवरण देता है, जिसमें खोपड़ी, मस्तिष्क और वेस्टिबुलर श्वानोमा ट्यूमर शामिल हैं। शारीरिक रूप से सटीक विस्तार प्राप्त करने के लिए 3 डी प्रिंटिंग विधियों की अनुमति है। यहां वर्णित प्रेत को शारीरिक विस्तार के वांछित स्तर के साथ सफलतापूर्वक निर्मित किया गया था; सीटी और अल्ट्रासाउंड इमेजिंग का इस्तेमाल यह प्रदर्शित करने के लिए किया जाता था कि ट्यूमर को आसानी से दोनों तौर-तरीकों के साथ कल्पना की गई थी । ऊतक नकल सामग्री, PVA-सी, अल्ट्रासोनिक प्रेत के लिए एक ऊतक नकल उतार सामग्री के रूप में अच्छी तरह से स्थापित है; इसके ध्वनिक और यांत्रिक गुणों को एडिटिव्स और फ्रीज-गल चक्रों की संख्या के साथ ट्यून किया जा सकता है। सामग्री आसानी से उपलब्ध है, उपयोग करने के लिए सरल और गैर विषैले। बार-बार उपयोग के साथ, प्रेत में वेस्टिबुलर श्वानोमा सर्जरी के भौतिक सिमुलेशन के दौरान अल्ट्रासाउंड जांच के साथ हेरफेर और संपर्क का सामना करने के लिए पर्याप्त स्थायित्व था।

कई प्रमुख कदमों की पहचान निर्माण प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण होने के रूप में की गई थी । सबसे पहले, प्रेत में शामिल करने के लिए संरचनाओं के विभाजन में शारीरिक विस्तार का वांछित स्तर शामिल होना चाहिए। सटीक एसटीएल फ़ाइलों और 3 डी मोल्डों का निर्माण फिर स्वाभाविक रूप से इस प्रकार है। दूसरे, चरण 3.1.9 में सेरिबैलम मोल्ड के भीतर विमानों की स्थिति पर सावधानीपूर्वक विचार किया जाना चाहिए, ताकि प्रेत को बिना किसी क्षति के आसानी से हटाया जा सके; इसे शारीरिक विवरणों को बनाए रखने की अनुमति देने के लिए पर्याप्त टुकड़ों में काटा जाना चाहिए, जबकि मोल्ड में फंसे बिना प्रेत को हटाया जा सकता है। इस मामले में, कई पुनरावृत्तियों का परीक्षण किया गया और अंत में मोल्ड को चार अलग-अलग टुकड़ों में काट दिया गया। तीसरा महत्वपूर्ण विचार यह है कि PVA-c विनिर्माण प्रक्रिया (धारा 4) के दौरान, PVA-c कमरे के तापमान (चरण 4.1.6) को ठंडा करने के लिए छोड़ दिया जाना चाहिए। यदि यह चरण छूट जाता है और गर्म पीवीए-सी को मोल्ड्स में जोड़ा जाता है, तो यह मोल्डों को पिघला या विकृत कर सकता है। यह भी महत्वपूर्ण है कि एक बार कांच के गोले (चरण 5.1.2 - 5.1.4) जोड़े जाते हैं, तो पीवीए-सी को लगभग 10 मिनट से अधिक समय तक बैठने के लिए नहीं छोड़ा जाता है; यदि लंबे समय तक छोड़ दिया जाता है, तो ग्लास क्षेत्र नीचे तक बस जाएंगे, और परिणामस्वरूप प्रेत में असंगत अल्ट्रासाउंड कंट्रास्ट²⁹होगा। एक बार जब कांच के गोले जुड़ जाते हैं, तो पीवीए-सी को सीधे मोल्ड्स में जोड़ा जाना चाहिए और फ्रीजर में रखा जाना चाहिए। पहले फ्रीज चक्र के बाद, कांच के गोले जगह में सुरक्षित होंगे, और प्रेत का उपयोग कमरे के तापमान पर किया जा सकता है। अंत में, यह महत्वपूर्ण है कि मोल्डों को ध्यान से सील कर दिया जाता है (उदाहरण के लिए, टेप के साथ) इससे पहले कि PVA-c जोड़ा जाता है, अंतराल के माध्यम से मिश्रण के रिसाव को कम करने के लिए जहां मोल्ड के अलग टुकड़े एक साथ शामिल हो गए।

प्रोटोकॉल की कई सीमाएं हैं। उदाहरण के लिए, कुछ विशेषज्ञ उपकरणों की आवश्यकता होती है, जिसमें पानी का स्नान और इलेक्ट्रॉनिक उभारक शामिल है। इस प्रोटोकॉल के हिस्से के रूप में एक सोनिकेटर का भी उपयोग किया जाता है, लेकिन सोनीशन चरण (5.1.3) को अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक सरगर्मी के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है; हालांकि, इस विकल्प के साथ, सोनीशन के उपयोग के साथ संभव होने की तुलना में एक सजातीय मिश्रण प्राप्त करने में अधिक समय लगेगा। PVA-c की एक सीमा यह है कि यह समय के साथ नीचा हो जाता है और फफूंदी बन जाता है । पोटेशियम शर्बत के अलावा, जैसा कि यहां वर्णित है, प्रेत के शेल्फ-लाइफ को बढ़ाता है, हालांकि इसे अभी भी हवा में तंग कंटेनर में रखा जाना चाहिए। PVA-सी की एक दूसरी सीमा यह है कि फ्रीज-गल चक्र की आवश्यकता होती है, जो प्रेत बनाने के लिए आवश्यक समय की मात्रा को बढ़ाता है। प्रेत निर्माण समय को कम करने के लिए, एक महत्वपूर्ण विचार ठंड और विगलन की गति है; एक बार प्रेत या तो पूरी तरह से जमे हुए है या पूरी तरह से गल, समय है कि यह उस राज्य में रहता है काफी अंतिम प्रेत¹⁶^,³⁰प्रभावित नहीं करता है . इसलिए, उपयोग की जाने वाली चक्र लंबाई भिन्न हो सकती है, बशर्ते कि प्रेत चक्र में प्रत्येक चरण में पूरी तरह से जमे हुए और गल जाए। उदाहरण के लिए, इस अध्ययन के प्रेत में ट्यूमर बहुत छोटा है, इसलिए मस्तिष्क की तुलना में ट्यूमर के लिए छोटे चक्रों का उपयोग किया जा सकता है। अंत में, मोल्ड और खोपड़ी को प्रिंट करने वाली 3डी एक समय लेने वाली प्रक्रिया है जो इस प्रोटोकॉल के साथ प्रेत बनाने के लिए आवश्यक कुल समय (1 सप्ताह) के एक महत्वपूर्ण हिस्से (3 दिन) का उपभोग करती है। उपयोग किया गया प्रिंटर 2018 से एक वाणिज्यिक मॉडल था; मुद्रण प्रक्रिया नए, तेज प्रिंटर के उपयोग के साथ कम समय फ्रेम में पूरी की जा सकती है।

यहां प्रस्तुत मस्तिष्क प्रेत का उपयोग सीधे नैदानिक प्रशिक्षण और न्यूरोनैग्नेशन सिस्टम के सत्यापन के लिए किया जा सकता है। ऊतक नकल करने वाली सामग्री के रूप में, पीवीए-सी परिणामस्वरूप प्रेत को बार-बार उपयोग करने में सक्षम बनाता है, उदाहरण के लिए एक प्रशिक्षण उपकरण के रूप में या वेस्टिबुलर श्वानोमा सर्जरी में इंट्राऑपरेटिव अल्ट्रासाउंड के सत्यापन के लिए, क्योंकि यह एक टिकाऊ और गैर-विषाक्त सामग्री है। इस प्रकार, निर्माण विधि पहले वर्णित लोगों के पूरक है जिनमें रोगी विशिष्ट मस्तिष्कप्रेत 20 ,^{21, 22, 23,}^24,²⁵बनाने के लिए³डी प्रिंटिंग का उपयोग किया^जाताथा। टीएमएम के रूप में पीवीए-सी का उपयोग न्यूरोसर्जरी के सिमुलेशन में उपयोग के लिए उपयुक्त प्रेत बनाता है, क्योंकि सामग्री अल्ट्रासाउंड जांच से बार-बार मैन्युअल हेरफेर और संपर्क का सामना कर सकती है। यह कार्य आगे मात्रात्मक सत्यापन अध्ययन के लिए मंच निर्धारित करता है। यहां वर्णित प्रेत विधि बहुत बहुमुखी है और कई प्रकार के रोगी-विशिष्ट ट्यूमर प्रेत बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, मस्तिष्क से अन्य अंगों तक विस्तारित, कई इमेजिंग तौर-तरीकों में अनुकूलता के साथ।

Disclosures

लेखकों को घोषित करने के लिए हितों का कोई टकराव नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक 3डी स्लाइसर का उपयोग करने और कुछ प्रसंस्करण चरणों को स्वचालित करने के लिए हमें कोड प्रदान करने के लिए मेशमिक्सर और फर्नांडो पेरेस-गार्सिया का उपयोग करने पर उनकी सलाह के लिए डैनिल निकितिचेव और स्टेफी मेंडेस का धन्यवाद करते हैं।

इस काम को वेलकम ट्रस्ट [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; द्वारा समर्थित किया गया था। WT106882], ईपीएसआरसी [एनएस/A000050/1; एनएस/A000049/1], एमआरसी [MC_PC_17180] और नेशनल ब्रेन अपील [एनबीए/एनएसजी/एसबीएस] फंडिंग । टीवी एक मेडट्रॉनिक इंक/रॉयल एकेडमी ऑफ इंजीनियरिंग रिसर्च चेयर [RCSRF1819 \ 7 \ 34] द्वारा समर्थित है ।

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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References

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

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