Summary
このプロトコルは、患者固有の頭蓋骨、脳および腫瘍ファントムの製造について説明する。3Dプリンティングを使用して金型を作成し、ポリビニルアルコール(PVA-c)を組織模倣材料として使用しています。
Abstract
幻影は臨床訓練、外科計画および新しい医療機器の開発のための必須の用具である。しかし、標準的な製造方法は患者固有の解剖学的詳細を複製するように最適化されておらず、3Dプリンティング材料はイメージング特性に最適化されていないため、現実的な脳イメージング特性を持つ解剖学的に正確なヘッドファントムを作成することは困難です。脳腫瘍手術中に使用する新しいナビゲーションシステムをテストおよび検証するためには、現実的なイメージングと機械的特性を持つ解剖学的に正確なファントムが必要でした。したがって、実際の患者データを入力として開発し、カビの3Dプリンティングを行い、超音波とX線のコントラストの両方を持つ頭蓋骨、脳および腫瘍を含む患者固有の頭部ファントムを製造しました。ファントムはまた、手術中に人間の脳組織を処理する方法と同様の方法でファントム組織を操作することを可能にする機械的特性を有していた。幻影はバーチャル手術室の外科シミュレーションの間に正常にテストされた。
ファントム製作方法は、市販の材料を使用し、再現が容易です。3D印刷ファイルは容易に共有することができ、技術は多くの異なるタイプの腫瘍を包含するように適応することができる。
Introduction
生物組織の特定の特性を模倣するファントムは、様々な実験および教育用途に有用なリソースです。組織模倣ファントムは、臨床使用前に医療機器を特徴付けるために不可欠である1、2および解剖学的ファントムは、すべての分野で医療スタッフのトレーニングに頻繁に使用される3,4,5,6,7.適切な組織模倣特性を有する患者特異的解剖学的ファントムは、しばしば試験環境の重要な部分であり、新しい装置8を使用することを学んでいる臨床医の信頼を高めることができる。しかし、高い製造コストと複雑な製造プロセスは、多くの場合、患者固有のファントムの日常的な使用を妨げる。ここで、コンピュータ断層撮影(CT)画像を用いて術中超音波(US)のトレーニングおよび検証に使用できる、容易に入手可能な、市販材料を用いて、耐久性のある患者特異的脳腫瘍モデルを製造するための方法が記載されている。本研究で説明した幻影は、前庭シュワノマ(脳と内耳をつなぐバランス神経の1つから生じる良性脳腫瘍)を有する患者からのデータを用いて作成され、その後、後眼科下頭骨頭切除術10を介して手術および腫瘍切除を受けた。このファントムは、このタイプの脳腫瘍手術中に使用するための統合された術中ナビゲーションシステムをテストし、検証するために開発されました。
このアプリケーションに適するためには、脳腫瘍ファントムは、いくつかの重要な特性を有する必要があります。まず、非毒性物質で作られているので、臨床トレーニング環境で安全に使用できます。第二に、それは現実的なイメージングプロパティを持っている必要があります。意図された適用のために、これらは具体的に超音波減衰およびCTコントラストを含む。第三に、それは同じように扱うことができるように、人間の組織と同様の機械的特性を有するべきである。第4に、幻影は、それが解剖学的に正確であり、外科計画および訓練のために使用することができるように、実際の患者データに基づいているべきである。最後に、使用される材料は、ファントムを繰り返し使用できるように、耐久性がなければなりません。
一般に、幻影のために選ばれる組織模倣材料および製造方法は、意図された用途に依存する。頭蓋骨のような剛性構造の場合、選択された特性は変形したり水溶性であってはなりませんし、繰り返し使用して解剖学的詳細の正確なレベルを維持することができるはずです。これは、画像登録を使用する実験や手術シミュレーションの目的でファントムを使用する場合に特に重要です。ゲルワックスなどの鉱物油系材料は、超音波9、11、12および光音響13イメージング用途に有望であったが、繰り返し機械的変形を施すと、それらは取り外れ可能になるため、特に標準的なマイクロ外科脳神経外科器具では、延長使用に耐えられない。寒天とゼラチンは、組織を模倣する材料としても一般的に使用される水性材料です。これらの材料の音響特性を調整するために必要な添加剤は、よく知られている14は、彼らは限られた機械的強度を有し、特に耐久性がないので、ファントムを繰り返し処理する必要があるこのアプリケーションには適していません。
ポリビニルアルコールクライオゲル(PVA-c)は、その音響および機械的特性は、その凍結融解サイクルを変化させることによって容易に調整することができるので、組織模倣材料の一般的な選択である。PVA-cの特性は、軟組織15、16、17、18の特性と類似していることが示されている。PVA-cベースの脳ファントムは、超音波およびCTイメージング19のために正常に使用されている。材料は繰り返し使用できるほど強く、高い弾性を有するため、PVA-cで作られた幻影組織は永久に変形することなく操作できます。ポリ乳酸(PLA)は、容易に入手可能な硬質材料であり、頭蓋骨の製造に使用されたが、異なる印刷材料は、PLAの代わりに使用することができるが、それは同様の機械的特性を有し、水溶性でない場合。
特に脳ファントムは、必要な複雑さのレベルと複製する必要がある組織に応じて、異なる方法で製造されています20,21,22,23.通常、金型が使用され、液体組織模倣材料が注がれます。いくつかの研究は、健康な脳の3Dプリントカスタム金型を使用しながら、市販の金型24を使用し、マーカー球とインフレータブルカテーテル19、25を埋め込んで脳の病変をシミュレートしています。著者の知る限りでは、これは組織模倣超音波およびX線特性で作成された3Dプリントされた患者固有の脳腫瘍ファントムモデルの最初のレポートです。全体の製造は図 1のフローチャートによって視覚化されます。全体のプロセスが完了するまでに約1週間かかります。
Protocol
この研究は、ヘルシンキ宣言で述べられた原則に従って実施され、NHS保健研究機関と研究倫理委員会(18/LO/0266)によって承認されました。インフォームド・コンセントが得られ、すべてのイメージングデータは分析前に完全に匿名化されました。
1. データ
- 術前のコントラスト強化 T1 加重磁気共鳴画像法 (MRI) および体積コンピュータ断層撮影 (CT) データを取得します。
- デジタルイメージングと医学コミュニケーション(DICOM)形式で取得した場合は、処理と分析のためのニューロイメージング情報技術イニシアチブ26(NiFTI)形式に変換します。
- 術中超音波データを取得します。
2. セグメンテーション
- 患者データをセグメント化するソフトウェアをインストールします。
- 頭蓋骨のセグメンテーション
注:頭蓋骨のセグメント化に関する手順は、クラマーとクイグリーによって概説されたものに広く従います27 に https://radmodules.com/が、適切なサイズの頭蓋骨の発生を作成するように調整されています。- セグメンテーションソフトウェアで患者の容積CTスキャンをロードし、 セグメントエディタ モジュールを開き、「Skull」という名前の新しいセグメンテーションを作成します。
- 頭蓋骨を強調表示するには、しきい値関数を使用します。
- 不要なセグメンテーション(例えば、皮膚石灰化、下顎骨、C1/2、スタイロイドプロセス、CT患者フレーム、および画像内に埋め込まれた注釈)を取り除きます。'はさみ' 関数を使用して、3D でモデルを表示するときに部品を削除し、 'Erase' 関数を使用して不要な構造を手動で切断した後に 、島の関数を利用します。
- 'Paint' と 'Draw' 関数 (ラミネパプイラセア、乳腺骨とエスモイド骨の皮質の縁) を使用して、しきい値の間に見逃されたセグメンテーションのギャップを手動で修正します。
- 'ペイント' と '描画' 関数を使用して、foramen マグナムを埋め、ファントム モデルの下部を固定できる 5 mm 突き出たスパイクを作成します。
注: スパイクの位置は、コロナと矢状のイメージプレーンで最もよく決定されます。 - 'スムージング' 関数を適用します。1.0 mm (3 × 3 × 1 ピクセル) の中央値スムージング設定を使用して、失われた詳細の量を最小限に抑えます。
注:ファントムモデルが完全な無傷の頭蓋骨を含める必要がある場合(例えば、適切に位置する頭蓋切開術を作成する外科的シミュレーションを容易にするために)、ステップ2.2.15に進みます。ただし、モデルで頭蓋間術が必要な場合は、手順 2.2.7 ~ 2.2.14 を実行します。 - 新しいセグメンテーションを追加し、名前を「スカル頭切り」に追加するには、[追加] をクリックします。
- 「セグメンテーション」モジュールで、「スカル」セグメントを「スカル頭切開術」タブを使用してコピーします。
注: 手順 2.2.9 ~ 2.2.13 で説明されている機能を実行するには、「スカル」と「頭蓋骨頭蓋切り出し術」の両方のセグメンテーションが必要です。 - 'はさみ' 関数を使用して、頭蓋骨頭蓋切除術の適切なサイズを削除します。
注:この方法で頭蓋切除術を作成すると、反対側の頭蓋骨の追加部分も取り除き、ステップ2.2.11〜2.2.14が必要になります。 - [追加] をクリックして、新しいセグメンテーションを追加します。「頭蓋骨術のみ」と名前を付けます。
- 「頭蓋骨切除術のみ」では、セグメンテーション「スカル頭蓋頭切除術」を選択し、「カルカル」から「頭蓋骨切除術」を減算する'論理演算子'関数を使用します。
- 'はさみ' 機能を使用して、腫瘍の正しい側の目的の頭蓋切除術以外のすべてを消去し、「頭蓋切除のみ」を保存します。
- 頭蓋骨切除術では'論理演算子'関数を使用して'頭蓋骨'から「頭蓋骨切除のみ」を減算して保存します。
- セグメンテーションモジュールを 開き、ステレオリトグラフィ(STL)ファイルとして「頭蓋骨開頭術」をエクスポートします。
- 3Dモデリングソフトウェアを開き、STLファイル「頭蓋骨開頭術」をインポートします。
注: モデルがストライプ ピンク色で表示された場合は、完全なモデルを選択して [法線を反転] 機能を完了|) をダブルクリックし、編集|法線を反転 '.モデルがグレーになり、編集できるようになります。'オブジェクトブラウザの表示' がオンになっていることを確認します。 - 三角形の数を減らして計算時間を短縮します。
- 完全なモデルを選択します ([選択] |ダブルクリックすると モデルがオレンジ色に変わります) '編集|'を減らす。デフォルトのReduce関数は 50% に設定されているので、必要な削減が達成されるまで繰り返します。三角形の総数 < 500,000 を目指します。
- 'スムージング' 関数を適用して、[形状保持] ボックスにチェックが付いたままであることを確認します。完全なモデルを選択し、デフォーム|滑らかな'。
- '分析' をクリックし 、'インスペクター'をクリックし、この関数を使用して、モデル内の小さな欠陥を検出し、自動修復 (推奨 'フラットフィル' 選択) をクリックします。
- '編集/平面' カット機能を使用して上下を作成するために 'Skull' をカットします。[両方のスライスを保持]と [再メッシュ]フィル タイプを選択します。「Shaders」関数で頭蓋骨を透明に変更して、頭蓋骨のより良い内部ビューを提供し、スカルベースに平行になるように平面を調整します。
- [ 編集 ] を選択してシェルを分離|シェルを分離し、オブジェクトブラウザ内で 'Skull_Top' と 'Skull_Bottom' の名前を変更します。
注: ポジションを移動しないでください。目のアイコンをクリックして、どちらか一方をビューから削除します。 - 「メッシュミックス」 をクリックし 、「円柱」を選択してダボを作成し、4mm×10mm×4mmにサイズを編集します('編集|変換')。目のアイコンをクリックして「Skull_Bottom」を非表示にして、ビューから削除します。
- '編集|を選択します。'平面を整列します。追加の透明円柱が表示されます。[整列] ウィンドウで、[ソース] と [サーフェス ポイント] の [サーフェス ポイント] (左クリックして透明円柱をクリック)を選択し、[ターゲット] の [Skull_Top] の [シフト+左クリックアンダーサーフェイス] を選択します。
- 編集|の使用変換機能は、緑色の矢印を使用して頭蓋を頭蓋骨に移動し、青と赤の矢印で位置を調整します。'Dowel_Anterior' の名前を変更します。
- オブジェクトブラウザでコピーを3つ作成し、'Dowel_Posterior'、'Dowel_Left'、'Dowel_Right'の名前を変更します。
- [ 編集 ] を使用して各ダボを目的の場所に移動|関数を変換します。
注: 緑色の平面でダボの位置を移動したり変更したりしないでください。 - それぞれのコピーを作成するが、同じ場所にすべてのコピーを維持し、追加のダウエルを作成し、3ミリメートル×10ミリメートル×3ミリメートルにサイズを変更します。
- 'ブール差' 関数を使用して、頭蓋骨にダエルの穴を作成します。最初に「Skull_Top」を選択してから、オブジェクトブラウザでダボを選択します。[ブールの違い] タブで '自動削減' がオフになっていることを確認します。各ダボについて順番に繰り返します。
- 「Skull_Top」を非表示にし、各ダボに対して上記の「ブール差」関数を繰り返す「Skull_Bottom」を表示します。
- 「Skull_Top」、'Skull_Bottom'、および'Dowel'を別々のバイナリSTLファイルとしてエクスポートします。
- 脳組織の分節
- http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF し、その 出力をダウンロードするために、脳のコントラスト強化T1 MRIをアップロードします。これは、脳抽出および組織セグメンテーションを行うために測地線情報フロー(GIF)アルゴリズム28 を利用するT1重み画像用のオープンソースのパーセルツールである。
- セグメンテーションソフトウェアを開き、コントラスト強化T1 MRIとGIFパーセル出力ファイルをロードします。
- ' セグメント エディタ' モジュールを開き、新しいセグメンテーションを作成します。
- 適切なラベルを選択し、それらを結合して単一のセグメンテーションを形成します。例えば、脳と脳のラベルマップを組み合わせて、「脳」と呼ばれる1つのモデルを作成することができ、中脳、脳幹、小脳および朱色の構造を組み合わせて、「小脳」と呼ばれる第2のモデルを作成することができます。
- スムージング関数 (推奨中央値 2.00 mm、5 × 5 × 3 ピクセル) を使用します。
- 不要なセグメンテーションや誤ったセグメンテーションを削除するには、'はさみ' 関数を使用します。
- 「脳」と「小脳」のセグメンテーションを保存します。
- 'セグメンテーション' モジュールを開き、STL ファイルとして 'Brain' と '小脳' をエクスポートします。
- 腫瘍セグメンテーション
- セグメンテーションソフトウェアを開き、コントラスト強化T1 MRIをロードします。
- ' セグメント エディタ' モジュールを開き、'腫瘍' という名前の新しいセグメンテーションを作成します。
- 'しきい値' 機能を使用して腫瘍を強調表示します。
- 'ペイント'、'描画'と'消去' 関数を使用してセグメンテーションを修正します。
- スムージング関数(推奨中央値 2.00 mm 5 x 5 x 3 ピクセル)を適用します。
- 「Cerebellum_Tumor」という名前の新しいセグメンテーションを作成します。
- '論理演算子を使用して'小脳'モデルと「腫瘍」を組み合わせる|関数を追加します。
- 「腫瘍」と「Cerebellum_Tumor」のセグメンテーションを保存します。
- 'セグメンテーション' モジュールを開き、STL ファイルとして '腫瘍' と 'Cerebellum_Tumor' をエクスポートします。
注: セグメンテーション プロセスの最後に、次のファイルが利用可能です: 'Skull_Top'、'Skull_Bottom''、'ダウエル''、'脳'、'小脳'、'腫瘍'、'Cerebellum_Tumor'。
3.3D脳/腫瘍型と頭蓋骨の印刷
- 脳および腫瘍の型を作成します。
- 3D モデリング ソフトウェアの [平面カット] ツールを使用して、"Brain" のセグメンテーションを 2 つの半球に分割します。
- 各半球を別々のSTLファイル「ブレイン右」と「脳左」として保存します。
- STLファイル「腫瘍」をコンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアにインポートします。
- [メッシュ] タブをクリックし、Reduce 関数を使用して、プログラムで処理できるようにモデルのサイズを縮小します。
- [ソリッド ] タブをクリックし、[メッシュからBRep]ツールを使用して、インポートしたメッシュを操作可能なボディに変換します。このアクションを完了できない場合、ステップ 3.1.3 ではメッシュが十分に縮小されませんでした。
- [作成 ] をクリックし、ボックス' をクリックし、腫瘍の周りにボックスを描画します。これを 「新しいボディ」として作成し、ビューを回転させて、ボックスがすべての側面の腫瘍を完全に囲むようにします。
- [修正] タブで、[結合] ツールを使用して、ボックス ('ターゲット ボディ' ) から腫瘍('ツール ボディ') を切り取ります。これは、その中に腫瘍の中空の形状を持つボックスを残します。
- くり抜かれたボックスが存在することを確認します。金型が充填されたら、内部のファントムを損傷することなく、離れてプライズすることができるように、このボックスを適切な数の部分にカットします。ここでの腫瘍については、箱を2つに分割するだけで十分ですが、ファントムの他の部分では、より多くの部分が必要です。
- 金型をカットする必要がある場所で、ボックスを通して平面を作成します。ボックスの中央を通って平面を作成するには、[コンストラクト' ' 次に' Midplane' をクリックします。作成した平面を右クリックし、[オフセット平面]を選択して、平面をより正確に配置します。
- 作成した平面に沿って金型を分割するには、[修正] タブの [分割ボディ] 機能を使用します。
- モールドの個々の部分を移動するには、右クリックして [移動/コピー] を選択し、すべてのピースが外側を向いているようにします。
- 「スケッチを作成」をクリックし、「中心直径の円」をクリックして、各面に小さな円を描いて、金型の各面の面にリベットを追加します(しっかりと一緒にフィットできます)。右クリックして、これらの円を 1 つの面の数ミリメートル外側に向かってクリックし、対応する面に内側に押し出します。
注: 内側に押し出される円は、外側に押し出されたものよりもわずかに大きくする必要があります ( 約 1.5 mm ) 、 ぴったりと一緒に収まるようにします。 - 金型の各部分を個別の STL ファイルとして保存します。
- 「脳左」「脳右」と「小脳腫瘍」の手順3.1.4-3.1.14を繰り返します。
注: 単に「小脳」ではなく「小脳腫瘍」ファイルを使用して金型を作成すると、金型は建設中に腫瘍を挿入するためのスペースを持つことになります。
- 3D 金型をプリントする
- 3D 印刷ソフトウェアをインストールまたは開きます。
- 印刷ソフトウェアで金型の各部分の STL ファイルを開き、ビルド プレートに対して平らにするように回転させます。複数の金型片をビルドプレートに追加し、同時に印刷することが可能です。
- 大きなレイヤーの高さ(約0.2 mm)と低い面材値(約20%)を選択してくださいより速い印刷のために。ポリ乳酸(PLA)などの硬質材料を使用して金型を印刷します。金型が適切に配置されている場合、サポート材は必要ありません。
- 頭蓋骨を印刷する
- 印刷ソフトウェアで「スカルトップ」ファイルを開き、大きなレイヤーの高さ(約0.2mm)と低い面材値(約20%)を選択します。
- PLA で頭蓋骨モデルを印刷しますが、手順 3.2.3 とは対照的に、サポート資料が必要になりますので、ソフトウェアで [サポートを追加] を選択します。PVAは後で水に溶かすことができるので、支持材料として使用されます。
- 「スカルボトム」の手順3.3.1と3.3.2を繰り返します。
- 頭蓋骨の上部と下部が印刷されたら、一晩水に沈め、PVA支持材料を溶解します。
注:ウォームウォーターを使用するとサポート材の溶解速度が大幅に向上しますが、水が温すぎると印刷されたPLAが変形します。そのため、冷水を使用し、印刷物を一晩水没させたままにしておくのが好ましい。
4. PVA-cの準備
- PVA粉末200gを測定し、側面にセットします。
- 1800gの脱イオン水を90°Cに加熱し、2L円錐形フラスコに加えます。
注:水はほとんど沸騰してPVA粉末が容易に溶解する必要がありますが、水が100°Cに達すると、蒸発して失われるものがあり、避けるべきです。 - 円錐形フラスコを90°Cに設定した温度管理ウォーターバスに吊り下げます。
- フラスコに電子撹拌機を置き、底面や側面に触れないようにし、速度を1500rpmに設定します。
注:水が均等にかき混ぜていて、側面や底部に停滞点がないことを確認してください。 - 徐々に円錐フラスコにPVA粉末を加え、約30分以上、さらに90分程度かき混ぜます。得られたゲルは、組織模倣材料PVA−cである。
- 水浴から円錐形のフラスコを取り出し、中身をビーカーに注ぎます。PVA-cの上に皮膚の形成を防ぐために、しがみつくフィルムで上部を覆います。PVA-cを室温(約20°C)まで冷却したままにします。冷却すると、PVA-cは透明になります。PVA-cには小さな白い結晶が見えますが、表面に現れる気泡は穏やかに削り取らなければなりません。
- 0.5 w/w%のソルベートカリウムを防腐剤としてPVA-cに加え、手動でよくかき混ぜます。
- PVA-cは、カビに注ぐ前に数日間、しがみつくフィルムで覆われた場合、室温で放置することができます。
5. ファントムアセンブリ
- 腫瘍の型をビーカーに充填するのに十分なPVA-cを測定します。
- 腫瘍のPVA-cに、超音波コントラスト用に1w/w%ガラス微小球を加え、X線コントラストに対して5w/w%硫酸バリウムを加え、手でかき混ぜる。
注:腫瘍の過剰なPVA-cを測定して、これらの割合が測定可能な量になるようにする必要があるかもしれません。 - 添加剤の均質な混合を確実にするためにビーカーを超音波処理します。
- 冷却し、約10分、脱出するために形成された任意の気泡を許可し、表面から任意の泡を削ります。
注:ガラス球体がビーカーの底に落ち着くので、PVA-cを金型に注ぐ前に、ガラス球体が追加された後、10分ほど長く放置しないでください。ファントムが凍結されると、これはもはや心配ではなく、最終的な幻影は室温で使用することができる。 - 腫瘍の型を一緒に固定し(テープを使用して金型内の結合をカバーすることができます)、金型上部の穴を通してPVA-cを注ぎます。数分間放置して、注ぐプロセスで形成された気泡が穴から抜け出し、冷凍庫にまっすぐ入れます。
- 腫瘍に対して2回の凍結融解サイクルを行う。ここでの各サイクルは、-20°Cでの凍結の6時間と室温で解凍する6時間で構成されています。その後、金型から慎重に取り出します。
- 腫瘍を小脳型の対応するスペースに入れ、残りの小脳カビを構築し、一緒に固定します。
- 残りの PVA-c に 0.05 w/w% ガラスマイクロスフィアを追加し、ステップ 5.1.3 と 5.1.4 を繰り返します。
- PVA-cを小脳型に注ぎ、内部に置かれた腫瘍を取り囲むようにします。さらに、各脳半球の金型に混合物を注ぎます。
- 各脳半球と小脳に2つの凍結融解サイクルを実行します。ここでの各サイクルは、-20°Cで24時間の凍結と室温での解凍の24時間で構成されています。
注:12時間の凍結と12 hの解凍も効果的なサイクルは、ファントムがより短い時間で作成されるようにします。24時間は、12時間ごとにラボに戻ることを避けるために、アプリケーションの容易さのために選ばれました。 - ファントムが2度目の解凍をしたら、金型から慎重に取り出し、印刷された頭蓋骨に入れます。
注:使用しない場合、完成したPVA-cファントムは冷蔵庫の気密容器に保管する必要があり、この方法で数週間保存することができます - 完成するには、「小脳腫瘍」ファントムを「スカルボトム」モデルの基部のスパイクに置きます。2つの脳半球(「脳左」と「脳右」)のモデルは、「小脳腫瘍」の最上部に上とスロットに配置されます。
- 「スカルボトム」モデルの各スペースに4つのダボを配置し、「スカルトップ」モデルを上に配置します。必要に応じて、モデルは手術における術中使用をシミュレートするために所望の位置に操縦され得る。
6. ファントムイメージング
- 超音波画像診断
- 超音波ゲルを撮像プローブに適用します。
注:ゲルは、術中に使用されていませんが、シミュレーションで使用することができ、臨床ワークフローや取得した画像の品質を大幅に変更しません。 - 臨床スキャナーとバリ穴プローブで、開頭術を通して脳と腫瘍を画像化します。
- 超音波ゲルを撮像プローブに適用します。
- Ct
- CTスキャナでファントム全体をイメージします。
Representative Results
記載されたプロトコルに従って、解剖学的に現実的な幻影を作製し、これは患者固有の頭蓋骨、脳および腫瘍からなる。ファントム(頭蓋骨、脳、腫瘍)に関連する解剖学的構造は、患者MRIおよびCTデータを使用してセグメント化される(図2a,b)。患者の手術中超音波データ(図2c;図2dは図2cと同じ画像を示すが、腫瘍を輪郭を描いた)を用いて、実際の患者画像とファントム画像を比較した。
メッシュはモデルの各部分(図3)に対して作成され、3D金型の製造に使用されました。金型は簡単に印刷印刷し、一緒にピースをスロッティングして組み立てました。小脳型は、設計と組み立てが最も複雑でした(図4)。頭蓋骨(図5a)は、サポート材料を必要とするため、印刷するのが最も困難な部分であったため、プロセスが遅かった。全体の印刷は、プロトコルの制限要因である、完了するまでに合計3日かかりました。
完成した幻影(図5)は、患者の頭蓋骨、脳および腫瘍の現実的なモデルであった。2つの脳半球(図5b)は別々に作製され、脳のジャイリとスルチを特徴とする現実的な外観を持っています。PVA-cの自然な色であるため、ファントム全体が白色です。これは、染料を加えることで簡単に変更できますが、アプリケーションには必要ありませんでした。小脳(図5c)は、印刷された頭蓋骨の基部に快適に収まり、脳半球がこの上に座っています。腫瘍は小脳で容易に見えるが、腫瘍に追加された余分なコントラストは、それがしっかりと付着している周囲の材料からそれを分離するオフホワイト色になる。
幻影は、CTと超音波の両方で画像化された(図6a,b)。硫酸バリウムを用いて腫瘍に適切なCTコントラストを与え、かつ幻影画像(図6a)は、腫瘍が明確に可視化されるように、これが達成されたことを示している。頭蓋骨は、印刷にかかる時間を短縮するために、100%の面材で印刷されませんでした。したがって、印刷物の格子構造が見られるため、頭蓋骨はCT画像では完全に現実的には見えません。これは、神経ナビゲーションシステムに必要なのは頭蓋骨の輪郭だけであるため、アプリケーションにとって問題ではありません。頭蓋骨は、CT画像のこの低下した精度を避けるために100%の面材で印刷することができますが、印刷プロセスに時間を追加します。ガラス微小球は、超音波コントラストのために小脳、脳半球および腫瘍に加えられた。結果は、腫瘍が超音波画像検査(図6b)でも視見可能であり、周囲の組織と区別できることを示している。目視検査では、ファントム(図6b)から得られた超音波画像と患者から得られた画像(図2c)は、幻影に使用される造影剤が現実的な画像特性を作り出すために有効であったことを示している。
仮想手術室での手術シミュレーション中に、ファントムを試験した(図7)。ファントムモデルは、標準的な頭蓋骨クランプを使用して手術用手術台に配置され、幻影のCTスキャンは臨床神経ナビゲーションシステムを使用して登録された。腫瘍へのレトロシグモイドアプローチをシミュレートし、腫瘍はバリ穴超音波トランスデューサーを備えた臨床超音波システムを使用して画像化された。手術シミュレーション中、幻影モデルは安定していることが判明し、この処置中と同じように人間の脳を操作しても損傷は認められず、同じ条件下で繰り返し使用することができました。
図1:患者固有のPVA-c脳ファントムを作るために必要なステップを示すフローチャート。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ファントムモデルの作成に使用される患者データ左辺前庭シュワンノマを有する患者のデータソース:(a ) 軸コントラスト強化T1加重MRI, 腫瘍を指す白い矢印;(b) 腫瘍によって引き起こされる拡大された内部聴覚肉に向かって指し示す骨、白い矢印を強調するために窓付き軸方向の非対照CTスキャン;(c)前庭シュワンノマ手術中に得られた術中超音波画像;(d) アトンセト術中超音波画像 
: 腫瘍 (超音波上の過周症), : 脳 
(小脳). この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ファントムの各セクションのメッシュが完成しました。STL メッシュ(a,b)頭蓋骨, 
: 左辺のレトロシグモイド頭蓋切り出し術;(c,d) 大脳半球;(e, f) 腫瘍と小脳, : 腫瘍. この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:3Dプリント小脳型。3Dプリント小脳金型は完全に構築された(左上)と1から4に番号が付いている別々の部分、ピース2の穴(Hで示される)はPVA-cを型に注ぎ込むのを可能にする。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:ファントムが完成しました。完成したファントム(a)頭蓋骨(b)頭蓋骨の上を取り除いたファントム: : : 腫瘍 、 脳(小脳)、 
脳(右脳半球);(c)小脳と腫瘍: 腫瘍、 脳(小脳)。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:幻影で取得したCTおよび超音波画像。(a)頭蓋骨の基部および腫瘍のレベルを通して完全な幻影の軸方向CT画像、(b)頭蓋骨に対して垂直な面で、後眼頭蓋開裂術を通してバリ穴超音波プローブを介して取得した幻影の術中超音波画像(手術をシミュレートし、小脳を腫瘍に直接画像化するためにわずかに引き込んだ)。:腫瘍、 脳(小脳 )、左面のレトロシグモイド開頭術。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:手術シミュレーション中にファントムを試験する。仮想手術室での手術シミュレーションを通じてファントムモデルをテストする。 
:CTファントムモデルの登録スキャンを表示するニューロナビゲーションシステム 
、:バリ穴超音波トランスデューサ(超音波モニターの隣に配置されている見られる)でファントムを画像化するために使用される超音波システム。ここに示すモデルは、右側の腫瘍を持つ異なる患者から取得したデータに基づいていることに注意してください。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
このプロトコルは、頭蓋骨、脳、および前庭シュワンノマ腫瘍を含む患者固有の脳ファントムの製造プロセスを詳述する。3D印刷方法により、解剖学的に正確なディテールを実現できます。ここで説明したファントムは、解剖学的詳細の所望のレベルで正常に製造されました。CTおよび超音波画像診断は、腫瘍が両方のモダリティで容易に視覚化されることを実証するために使用された。組織模倣材料、PVA-cは、超音波ファントムのための組織模倣材料として十分に確立されています。その音響および機械的特性は添加物および凍結融解周期の数と調整することができる。材料は容易に利用でき、使用し易く、無毒である。繰り返し使用すると、ファントムは前庭シュワンノマ手術の物理的シミュレーション中に操作と超音波プローブとの接触に耐えるのに十分な耐久性を有していた。
いくつかの重要なステップは、製造プロセスにとって重要であると特定されました。まず、ファントムに含まれる構造のセグメンテーションは、解剖学的詳細の所望のレベルを含まなければならない。正確なSTLファイルと3D金型の作成は自然に従います。第二に、ステップ3.1.9の小脳型内の平面の位置を慎重に考慮する必要があります。解剖学的なディテールを保持するのに十分な部分にカットする必要があり、鋳型に詰まりることなくファントムを取り除くようにする必要があります。この場合、いくつかの反復がテストされ、最終的に金型が4つの別々の部分に切断されました。3番目の重要な考慮事項は、PVA-c製造プロセス(セクション4)の間に、PVA-cを室温まで冷却する必要があるということです(ステップ4.1.6)。このステップが見逃され、ホット PVA-c が金型に追加されると、金型が溶融したり歪んだりする可能性があります。ガラス球体が追加されると(ステップ5.1.2 - 5.1.4)、PVA-cは約10分以上座るために残されないことも重要です。長期間放置すると、ガラス球は底面に落ち着き、得られた幻影は不均一な超音波コントラスト29を有する。ガラス球体を追加したら、PVA-cを金型に直接追加して冷凍庫に入れなければなりません。最初の凍結サイクルの後、ガラス球は場所に固定され、幻影は室温で使用することができる。最後に、PVA-cを追加する前に、鋳型を慎重に密閉(例えばテープで)、金型の別々の部分が結合した隙間を通して混合物の漏れを最小限に抑えることが重要です。
プロトコルには、いくつかの制限があります。例えば、水浴や電子撹拌機など、いくつかの専門機器が必要です。超音波処理器もこのプロトコルの一部として使用されますが、超音波処理ステップ(5.1.3)は、追加の電子攪拌に置き換えることができます。しかし、この代替では、超音波処理を使用して可能であるよりも均質な混合物を達成するために時間がかかります。PVA-cの1つの制限は、時間の経過とともに劣化し、カビになることです。ここで説明したように、ソルビン酸カリウムの添加は、ファントムの貯蔵寿命を増加させますが、それでも気密容器に保管する必要があります。PVA-cの第2の制限は、凍結融解サイクルが必要であり、ファントムを作るのに必要な時間が長くなることである。ファントムの製作時間を最小限に抑えるために、重要な考慮事項は凍結と解凍の速度です。ファントムが完全に凍結または完全に解凍されると、その状態に残る時間は最終的なファントム16、30に大きな影響を与えません。したがって、使用されるサイクル長は、ファントムがサイクルの各段階で完全に凍結および解凍されることを知れば、変化させることができる。例えば、この研究の幻影の腫瘍は非常に小さいので、脳よりも腫瘍に短いサイクルを使用することができます。最後に、金型と頭蓋骨を3Dプリントすることは、このプロトコルでファントムを製造するために必要な合計時間(1週間)のかなりの部分(3日)を消費する時間のかかるプロセスです。使用したプリンターは2018年の商用モデルでした。印刷プロセスは、より新しい高速プリンタを使用して、より短い時間枠で完了することができます。
ここで提示された脳ファントムは、臨床トレーニングと神経ナビゲーションシステムの検証に直接使用することができます。組織模倣材料として、PVA-cは、結果として得られた幻影を繰り返し使用することを可能にし、例えば、トレーニングツールとして、または前庭シュワンノマ手術における術中超音波の検証のために、耐久性があり、非毒性の材料である。このように、製造方法は、患者固有の脳ファントム20、21、22、23、24、25を作成するために3Dプリンティングを使用した以前に説明したものと相補的である。TMMとしてのPVA-cの使用は、材料が超音波プローブからの繰り返し手動操作および接触に耐えることができるので、脳神経外科のシミュレーションで使用するのに適したファントムを作る。この研究は、さらなる定量的検証研究の段階を設定します。ここで説明するファントム法は非常に汎用性が高く、脳から他の器官まで、いくつかのイメージングモダリティに適合する多くのタイプの患者特異的腫瘍ファントムを作製するために使用することができる。
Disclosures
著者は宣言する利害の対立を持っていません。
Acknowledgments
著者らは、3Dスライサーの使用に関するアドバイスと、処理手順の一部を自動化するためのコードを提供してくれたMeshmixerとフェルナンド・ペレス・ガルシアのアドバイスに対するダニエル・ニキティチェフとステフィ・メンデスに感謝する。
この作品はウェルカム・トラスト[203145Z/16/Z;203148/Z/16/Z;によってサポートされました。WT106882],EPSRC [NS/A000050/1;NS/A000049/1]、MRC[MC_PC_17180]とナショナルブレインアピール[NBA / NSG/SBS]の資金調達。テレビはメドトロニック社/王立工学アカデミー研究委員長[RCSRF1819\7\34]によってサポートされています。
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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