Summary
이 프로토콜은 환자 특정 두개골, 뇌 및 종양 팬텀의 제조를 설명합니다. 3D 프린팅을 사용하여 금형을 만들고 폴리 비닐 알코올(PVA-c)은 조직을 모방하는 재료로 사용됩니다.
Abstract
팬텀은 임상 훈련, 외과 계획 및 새로운 의료 기기 개발을위한 필수 도구입니다. 그러나 표준 제조 방법이 환자 별 해부학 적 세부 사항을 복제하도록 최적화되지 않고 3D 프린팅 재료가 이미징 특성에 최적화되지 않기 때문에 현실적인 뇌 이미징 특성을 가진 해부학적으로 정확한 헤드 팬텀을 만드는 것은 어렵습니다. 뇌종양 수술 중 사용하기 위한 새로운 네비게이션 시스템을 테스트하고 검증하기 위해서는 현실적인 이미징 및 기계적 특성을 가진 해부학적으로 정확한 유령이 필요했습니다. 따라서, 실제 환자 데이터를 입력 및 3D 프린팅으로 사용하여 초음파 및 X선 대비를 모두 갖춘 두개골, 뇌 및 종양을 포함하는 환자 특정 헤드 팬텀을 제조하는 팬텀이 개발되었다. 유령은 또한 팬텀 조직이 수술 중에 인간의 뇌 조직을 처리하는 방법과 유사한 방식으로 조작 될 수있는 기계적 특성을 가지고 있었다. 가상 수술실에서 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을 성공적으로 테스트했습니다.
팬텀 제작 방법은 시판되는 재료를 사용하며 재현이 용이합니다. 3D 프린팅 파일은 쉽게 공유 할 수 있으며, 기술은 종양의 많은 다른 유형을 포괄하도록 적응 할 수있다.
Introduction
생물학적 조직의 특정 특성을 모방한 팬텀은 다양한 실험 및 교육 응용 분야에 유용한 리소스입니다. 조직 모방 팬텀은 임상 사용1,2 및 해부학 팬텀이 모든 분야의 의료진 양성에 자주 사용되는 임상 사용1,2 및 해부학 팬텀 전에 의료 기기를 특성화하는 데 필수적입니다3,4,5,6,7. 적절한 조직 모방 특성으로 만든 환자 별 해부학 팬텀은 종종 테스트 환경의 중요한 부분이며 새로운 장치8을사용하는 법을 배우는 임상의의 신뢰를 높일 수 있습니다. 그러나 높은 제조 비용과 복잡한 제조 공정은 종종 환자 별 팬텀의 일상적인 사용을 배제합니다. 여기서, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 영상을 이용하여 수술 내 초음파(US)의 훈련 및 검증에 사용될 수 있는, 상용 소재를 사용하여 내구성이 뛰어나고 환자별 뇌종양 모델을 제조하는 방법을 설명한다. 이 연구에서 설명된 팬텀은 전정 슈완노마(뇌와 내이를 연결하는 균형 신경 중 하나에서 발생하는 양성 뇌종양)을 가진 환자의 데이터를 사용하여 만들어졌으며, 이들은 이후 레트로 시그널수복절제술(10)을통해 수술 및 종양 절제술을 받았다. 유령은 뇌종양 수술의 이 모형 도중 사용하기 위하여 통합한 수술 내 네비게이션 시스템을 시험하고 검증하기 위하여 개발되었습니다.
이 응용 프로그램에 적합하기 위해 뇌 종양 팬텀은 몇 가지 주요 특성을 소유해야합니다. 첫째, 비독성 물질로 만들어야하므로 임상 훈련 환경에서 안전하게 사용할 수 있습니다. 둘째, 현실적인 이미징 특성이 있어야 합니다. 의도된 적용을 위해, 이들은 특히 초음파 감쇠 및 CT 대비를 포함합니다. 셋째, 인간 조직과 유사한 기계적 특성을 가져야 만 동일한 방식으로 처리될 수 있습니다. 넷째, 팬텀은 해부학적으로 정확하고 수술 계획 및 훈련에 사용할 수 있도록 실제 환자 데이터를 기반으로해야합니다. 마지막으로 사용되는 재료는 내구성이 있어야 팬텀을 반복적으로 사용할 수 있습니다.
일반적으로, 유령을 위해 선택된 조직 모방 물질 및 제조 방법은 의도된 용도에 따라 다릅니다. 두개골과 같은 단단한 구조물의 경우 선택한 특성은 변형되거나 수용성이 없어야하며 반복된 사용으로 정확한 수준의 해부학 적 세부 사항을 유지할 수 있어야 합니다. 이는 이미지 등록이 사용되는 실험과 수술 시뮬레이션 목적으로 팬텀을 사용할 때 특히 중요합니다. 젤 왁스와 같은 미네랄 오일 기반 재료는 초음파9,11, 12 및 광음향13 이미징 응용 분야에서 유망하고 있지만 반복되는 기계적 변형을 겪으면 경박할 수 있으므로 특히 표준 미세 수술 신경 외과 기기에서 확장 된 사용을 견딜 수 없습니다. 한천과 젤라틴은 조직 모방 재료로도 일반적으로 사용되는 수성 물질입니다. 이러한 재료의 음향 특성을 조정하는 데 필요한 첨가제는 잘 알려져 있습니다14,하지만 그들은 기계적 강도가 제한되어 있으며, 특히 내구성이 없기 때문에 팬텀을 반복적으로 처리해야하는이 응용 프로그램에 적합하지 않습니다.
폴리 비닐 알코올 냉동젤 (PVA-c)는 동결 해동 주기를 변화시켜 음향 및 기계적 특성을 쉽게 조정할 수 있기 때문에 조직 모방 재료의 인기있는 선택입니다. PVA-c의특성은 연조직(15,16,17,18)과유사한 것으로 나타났다. PVA-c 기반 뇌 팬텀은 초음파 및 CT 이미징19에성공적으로 사용되어 왔다. 재료는 반복적으로 사용할 수 있을 만큼 강하며, 탄성이 높기 때문에 PVA-c로 만든 팬텀 조직은 영구적으로 변형되지 않고 조작될 수 있습니다. 폴리락산(PLA)은 쉽게 사용할 수 있는 강성 물질이며 두개골을 제조하는 데 사용되었지만, 유사한 기계적 특성이 있고 수용성이 없는 경우 PLA 대신 다른 인쇄 재료를 사용할 수 있다.
특히 뇌 유령은 필요한 복잡성수준과20,21,22,23을복제해야 하는 조직에 따라 다양한 방법을 사용하여 제조되었다. 일반적으로 곰팡이가 사용되고 액체 조직을 모방한 물질이 그 위에 부어 있습니다. 일부 연구는 상용 금형 을 사용했다 24 다른 건강 한 두뇌의 3D 인쇄 된 사용자 정의 금형을 사용 하는 동안, 마커 구체와 팽창식 카테터를 이식 하 여 뇌 병 변을 시뮬레이션19,25. 저자의 지식의 최고에, 이것은 조직을 모방 초음파 및 엑스레이 속성으로 만든 3D 인쇄 된 환자 특정 뇌종양 팬텀 모델의 첫 번째 보고서입니다. 총 제작은 도 1의순서도에 의해 시각화됩니다. 전체 프로세스를 완료하는 데 약 1주일이 걸립니다.
Protocol
이 연구는 헬싱키 선언에 표현 된 원칙에 따라 실시되었으며 NHS 건강 연구 기관 및 연구 윤리위원회 (18/LO /0266)에 의해 승인되었습니다. 정보에 입각한 동의가 얻어졌고, 모든 이미징 데이터는 분석 전에 완전히 익명화되었습니다.
1. 데이터
- 수술 전 콘트라스트 강화 된 T1 가중 자기 공명 이미징 (MRI) 및 체적 계산 단층 촬영 (CT) 데이터를 가져옵니다.
- 의학(DICOM) 형식의 디지털 이미징 및 커뮤니케이션 을 취득한 경우, 처리 및 분석을 위해 신경 이미징 정보학 기술 이니셔티브 26(NiFTI) 형식으로 변환합니다.
- 수술 중 초음파 데이터를 가져옵니다.
2. 세분화
- 소프트웨어를 설치하여 환자 데이터를 세분화합니다.
- 두개골 세분화
참고 : 두개골을 분할하는 데 관련된 단계는 크레머와 퀴글리가 설명 한 단계를 광범위하게 따릅니다.27 에 https://radmodules.com/적당히 크기의 두개골 절제술을 만들기 위해 적응되어 있습니다.- 세분화 소프트웨어에서 환자의 볼륨 CT 스캔을 로드하고 세그먼트 편집기 모듈을 열고 'Skull'이라는 새로운 세분화를 만듭니다.
- '임계값'함수를 사용하여 두개골을 강조 표시합니다.
- 원치 않는 세분화(예: 피부 석회화, 하악, C1/2, 스타일로이드 공정, CT 환자 프레임 및 이미지 내에 포함된 주석)를 제거합니다. '지우기'기능을 사용하여 원치 않는 구조물을 수동으로 분리한 후 3D로 모델을 볼 때 부품을 제거하고'제도'기능을 사용하여'가위'기능을 사용합니다.
- '페인트'와'그리기'기능(예: 라미나 파피라사, 마스토이드 뼈및 유스로이드 뼈의 피질 가장자리)를 사용하여 임계값을 사용하는 동안 놓친 세분화의 간격을 수동으로 수정합니다.
- '페인트'와'그리기'기능을 사용하여 포맨 매그넘을 채우고 팬텀 모델의 하부를 확보할 수 있는 5mm 돌출 스파이크를 만듭니다.
참고: 스파이크의 위치는 관상 및 좌활한 이미지 평면에서 가장 잘 결정됩니다. - '스무딩' 기능을 적용합니다. 1.0mm(3× 3× 1픽셀)의 중앙스무딩 설정을 사용하여 손실된 세부 정보를 최소화합니다.
참고: 팬텀 모델에 완전한 손상되지 않은 두개골(예: 적절한 위치의 두개골 절제술을 만드는 외과 시뮬레이션을 용이하게 하기 위해)을 포함해야 하는 경우 2.2.15단계로 이동하십시오. 그러나 모델에서 두개골 절제술이 필요한 경우 2.2.7 ~ 2.2.14 단계를 완료합니다. - '추가'를클릭하여 새 세분화를 추가하고 '두개골 두개골 절제술'이라고 지정합니다.
- '세분화' 모듈에서 '복사/이동 세그먼트' 탭을 사용하여 '두개골 두개골' 분할을 '두개골 두개골 두개골'로 복사합니다.
참고: 2.2.9 ~ 2.2.13 단계에 설명된 기능을 수행하기 위해서는 '두개골'과 '두개골 두개골 절제술' 세분화가 모두 필요합니다. - '두개골 두개골 절제술'에서 적당히 크기의 두개골 절제술을 제거하는'가위'기능을사용합니다.
참고: 이런 식으로 두개골 절제술을 만들면 반대편에 두개골이 추가되어 2.2.11에서 2.2.14 단계의 필요성이 필요합니다. - '추가'를 클릭하고 새 세분화를 추가합니다. '두개골 절제술 전용'이라는 이름입니다.
- '두개골 절제술 만'에서 세분화 '두개골 두개골 절제술'을 선택하고 '두개골'에서 '두개골 두개골'을 빼는'논리적 연산자'기능'을 사용합니다.
- '가위'를사용하여 종양의 올바른 면에 원하는 두개골 절제술을 제외한 모든 것을 지우고 '두개골 절제술 만'을 절약하십시오.
- '두개골 두개골 절제술'에서 '두개골'에서 '두개골만'을 빼고 저장하는'논리적 연산자'를사용합니다.
- '세분화' 모듈을 열고 스테레오리소그래피(STL) 파일로 '두개골 두개골 절제술'을 내보냅니다.
- 3D 모델링 소프트웨어를 열고 STL 파일 '두개골 두개골 두개골 절제술'을 가져옵니다.
참고: 모델이 스트라이프 핑크로 나타나면 전체 모델을 선택하여'플립 노멀'기능을완료합니다(| 두 번 클릭)다음'편집 | 플립 노멀'. 이제 모델이 회색으로 바뀌고 편집할 수 있습니다. '개체보기 브라우저'가켜져 있는지 확인합니다. - 계산 시간을 개선하기 위해 삼각형 수를 줄입니다.
- 전체 모델선택(| 선택 두 번 클릭하면 모델이 주황색으로 바뀝니다)'편집 | '를 줄입니다. 기본'감소'함수는 50%로 설정되므로 원하는 감소가 이루어질 때까지 반복됩니다. 총 삼각형 수와 500,000을 목표로 합니다.
- '스무딩'기능을 적용하여'모양 보존'상자가 체크된 상태로 유지됩니다. 다음 전체 모델을 선택 '변형 | 매끄러운'.
- '분석'을 클릭한 다음 'Inspector'를클릭하고 이 기능을 사용하여 모델의 작은 결함을 감지하고 자동 수리를 클릭합니다('플랫필'선택 제안).
- '두개골'을 잘라'편집/평면'절단 기능을 사용하여 상하를 만듭니다. '두슬라이스 유지'와'다시 메시' 채우기 유형을 선택합니다. 두개골을'샤더'기능으로 투명하게 바꾸고 두개골베이스와 평행하도록 평면을 조정합니다.
- '편집 | 선택하여 쉘을 분리합니다. 개체브라우저 내에서 셸 '을 분리하고 'Skull_Top'과 'Skull_Bottom'의 이름을 바꿉니다.
참고: 위치를 이동하지 마십시오. 눈 아이콘을 클릭하여 보기에서 하나 또는 다른 아이콘을 제거합니다. - '메쉬믹스'를 클릭한 다음 '실린더'를선택하여 다울을 만들고 크기× 10mm × 4mm로 편집('편집| 변환'). 눈 아이콘을 클릭하여 'Skull_Bottom'를 숨깁니다.
- '편집 | 선택 '평면을 정렬합니다. 투명 실린더가 추가로 나타납니다. '정렬' 창에서 '소스'와 '표면 점'에 대해 '표면 점'(왼쪽 클릭 종료 투명 실린더)을 선택합니다(시프트 + 좌측 클릭 'Skull_Top')에 대해 '대상'에 대해 선택합니다.
- '편집| 사용 녹색화살표를 사용하여 다웰을 두개골로 변환하고 파란색과 빨간색 화살표로 위치를 조정합니다. 'Dowel_Anterior'의 이름을 바꿉니다.
- 개체 브라우저에서 3개의 복사본을 만들고 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left', 'Dowel_Right'의 이름을 바꿉니다.
- '편집 | 사용하여 각 다웰을 원하는 위치로 이동 '기능을 변환합니다.
참고: 녹색 평면에서 다웰의 위치를 이동하거나 변경하지 마십시오. - 각 복사본을 만들지만 모든 복사본을 동일한 위치에 보관하고 추가 다웰을 만들고 10mm × × 3mm로 크기를 조정합니다.
- '부울 차이'기능을 사용하여 두개골에 다울에 대한 구멍을 만듭니다. 먼저 'Skull_Top'을 선택한 다음 개체 브라우저에서 다울을 선택합니다. '부울 차이'탭에서'자동 감소'가꺼져 있는지 확인합니다. 각 다웰에 대해 차례로 반복합니다.
- 'Skull_Top'를 숨기고 'Skull_Bottom'을 차례로볼 수 있습니다.
- 별도의 이진 STL 파일로 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', '다울'을 내보냅니다.
- 뇌 조직 세분화
- http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF 출력을 다운로드하는 뇌의 대비 향상 된 T1 MRI를 업로드합니다. 이것은 뇌 추출 및 조직 세분화를 수행하기 위해 측지 정보 흐름 (GIF) 알고리즘(28)을 활용하는 T1 가중 이미지를위한 오픈 소스 측지 도구입니다.
- 분할 소프트웨어를 열고 대비가 향상된 T1 MRI 및 GIF 측량 출력 파일을 로드합니다.
- '세그먼트편집기'모듈을 열고 새 세분화를 만듭니다.
- 적절한 레이블을 선택하고 결합하여 단일 분할을 형성합니다. 예를 들어, 대뇌 및 디엔세팔론 라벨 맵을 결합하여 '뇌'와 중뇌, 뇌간, 소뇌 및 부레미안 구조라고 하는 하나의 모델을 만들어 '소뇌'라고 불리는 두 번째 모델을 만들 수 있다.
- '스무딩'기능(중앙값 2.00mm, 5× 5× 3픽셀)을 사용합니다.
- '가위'기능을 사용하여 원치 않거나 잘못된 세분화를 제거합니다.
- '뇌'와 '소뇌' 세분화를 저장합니다.
- '세분화'를열고 STL 파일로 '브레인'과 '소뇌'를 내보냅니다.
- 종양 세분화
- 분할 소프트웨어를 열고 대비가 향상된 T1 MRI를 로드합니다.
- '세그먼트편집기'모듈을 열고 '종양'이라는 새로운 세분화를 만듭니다.
- '임계값'기능을 사용하여 종양을 강조표시합니다.
- '페인트','그리기','지우기'함수를 사용하여 세분화를 수정합니다.
- '스무딩'기능(중앙값 2.00mm 5 x 5 x 3픽셀 제안)을 적용합니다.
- 'Cerebellum_Tumor'라는 새 세분화를 만듭니다.
- '논리적 연산자'를 사용하여 '소뇌' 모델과 '종양'을결합하여 | '함수를 추가합니다.
- '종양'과 'Cerebellum_Tumor' 세분화를 저장합니다.
- '세분화'를열고 STL 파일로 '종양'과 'Cerebellum_Tumor'를 내보냅니다.
참고: 세분화 과정이 끝나면 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', '다울', '뇌', '소뇌', '종양', '종양', 'Cerebellum_Tumor'의 파일이 제공됩니다.
3.3D 뇌/종양 금형 및 두개골 인쇄
- 뇌와 종양 금형 만들기
- 3D 모델링 소프트웨어의'평면 컷'도구를 사용하여 '브레인' 세분화를 두 반구로 분할합니다.
- 별도의 STL 파일 '뇌 오른쪽'과 '뇌 왼쪽'으로 각 반구를 저장합니다.
- STL 파일 '종양'을 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어로 가져옵니다.
- '메시'탭을 클릭한 다음'축소'기능을 사용하여 모델의 크기를 줄여 프로그램에서 처리할 수 있도록 하는 것이 목표이며, 목표는 필요한 모든 세부 정보를 유지하면서 가능한 한 크기를 줄이는 것입니다.
- '솔리드' 탭을 클릭하고'메시에서 BRep'도구를 사용하여 가져온 메시를 조작할 수 있는 본체로 변환합니다. 이 작업을 완료할 수 없는 경우 3.1.3 단계에서 메시가 충분히 줄어들지 않았습니다.
- '다음'상자'를만들고종양 주위에 상자를 그립니다 클릭합니다. 이를'새 바디'로만들고 보기를 회전하여 상자가 모든 면에서 종양을 완전히 둘러싸도록 선택합니다.
- 수정 탭에서'결합'도구를 사용하여 상자(대상 바디')에서종양(도구 본체)을잘라냅니다. 그러면 종양의 빈 모양이 있는 상자를 그 안에 남깁니다.
- 빈 상자가 있는지 확인합니다. 이 상자를 적절한 수의 조각으로 잘라서 금형이 채워지면 내부의 팬텀을 손상시키지 않고 떨어져 소중히 여겨질 수 있습니다. 여기에 종양의 경우 상자를 두 개로 분할하는 것으로 충분하지만 유령의 다른 부분에는 더 많은 조각이 필요합니다.
- 금형을 절단해야 하는 위치에서 상자를 통해 평면을 만듭니다. '다음 ''중간 평면'을구성 ' 확인 란의 중앙을 통해 평면을 만들 려면 '생성. 생성된 평면을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고'오프셋 평면'을선택하여 평면을 보다 정확하게 배치합니다.
- '수정'탭에서'분할 바디'기능을 사용하여 생성된 평면을 따라 금형을 분할합니다.
- 금형의 개별 조각을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고'이동/복사'를선택하여 모든 조각이 바깥쪽을 향할 수 있도록 합니다.
- '스케치만들기'를클릭하고 각 면에 작은 원을 그리며 금형의 각 조각의얼굴에 리벳을 추가합니다. 마우스 오른쪽 버튼으로'돌출'이 원동은 한 얼굴에 몇 밀리미터 바깥쪽으로 바깥쪽으로 돌출하여 해당 면에 안쪽으로 돌출합니다.
참고: 안쪽으로 압출된 원은 바깥쪽으로 압출된 원보다 약간 더 커야 하므로 함께 잘 어울립니다. - 금형의 각 조각을 별도의 STL 파일로 저장합니다.
- '뇌 좌측', '뇌우', '소뇌종양'을 위한 3.1.4 – 3.1.14 단계를 반복한다.
참고: 금형을 만들기 위해 '소뇌자'가 아닌 파일 '소뇌종양'을 사용하면 금형이 시공 중에 삽입될 종양에 대한 공간을 갖게 된다는 것을 의미합니다.
- 3D 금형 인쇄
- 설치 또는 3D 프린팅 소프트웨어를 엽니다.
- 인쇄 소프트웨어의 금형의 각 조각에 대한 STL 파일을 열고 빌드 플레이트에 평평하게 배치되도록 회전합니다. 빌드 플레이트에 여러 금형 조각을 추가하고 동시에 인쇄 할 수 있습니다.
- 큰 층 높이(약 0.2mm)와 낮은 채우기 값(약 20%)을 선택합니다. 더 빠른 인쇄를 위해. 폴리락산(PLA)과 같은 단단한 소재를 사용하여 금형을 인쇄합니다. 금형이 적절하게 배치되면 지지 재료가 필요하지 않습니다.
- 두개골 인쇄
- 인쇄 소프트웨어에서 'Skull Top' 파일을 열고 큰 레이어 높이(약 0.2mm)와 낮은 채우기 값(약 20%)을 선택합니다.
- 두개골 모델을 PLA로 인쇄하지만 3.2.3 단계와 는 달리 지원 재료가 필요하므로 소프트웨어에서'지원 추가'를선택하십시오. PVA는 나중에 물로 용해 될 수 있으므로 지지 재료로 사용됩니다.
- '두개골 바닥'에 대한 3.3.1 및 3.3.2 단계를반복합니다.
- 두개골의 위쪽과 바닥이 인쇄되면 밤새 물에 잠그면 PVA 지지물질을 녹입니다.
참고: 따뜻한 물을 사용하는 경우 지지 재료가 훨씬 빠르게 녹지만 물이 너무 따뜻하면 인쇄된 PLA를 변형시게 됩니다. 따라서, 시원한 물을 사용하고 하룻밤 사이에 물에 잠긴 인쇄를 두는 것이 바람직하다.
4. PVA-c 준비
- PVA 파우더 200g을 측정하고 측면으로 설정합니다.
- 1800g의 탈이온화된 물을 90°C로 가열하고 2L 원추형 플라스크에 추가합니다.
참고: PVA 분말이 쉽게 녹을 수 있도록 물은 거의 끓여야 하지만 물이 100°C에 도달하면 일부는 증발로 손실되어 피해야 합니다. - 90°C로 설정된 온도 조절 수조에서 원추형 플라스크를 중단합니다.
- 플라스크에 전자 교반기를 배치하여 바닥이나 측면을 만지지 않도록 하고 속도를 1500 rpm으로 설정합니다.
참고: 물이 균등하게 저어지고 있고 측면이나 바닥에 정체된 점이 없는지 확인합니다. - 점차적으로 원추형 플라스크에 PVA 파우더를 넣고 약 30분 이상 을 넘은 다음, 90분 정도 저어줍니다. 결과 겔은 조직을 모방하는 물질 PVA-c이다.
- 수조에서 원추형 플라스크를 제거하고 비커에 내용물을 붓습니다. PVA-c 위에 피부가 형성되는 것을 방지하기 위해 필름으로 상단을 덮습니다. PVA-c를 실온(약 20°C)으로 식힙니다. 냉각되면 PVA-c가 투명합니다. PVA-c에서는 작은 흰색 결정이 보일 수 있지만 표면에 나타나는 거품은 부드럽게 긁어야합니다.
- 방부제로 PVA-c에 0.5w/w% 칼륨 소르바테를 넣고 수동으로 잘 저어줍니다.
- PVA-c는 금형에 붓기 전에 며칠 동안 필름에 달라붙는 경우 실온에 남을 수 있습니다.
5. 팬텀 어셈블리
- 종양 금형을 비커로 채우기에 충분한 PVA-c를 측정합니다.
- 종양용 PVA-c에 초음파 대비를 위해 1w/w% 유리 마이크로스피어를 추가하고 X선 대비를 위해 황산염을 5w/w% 넣고 손으로 저어줍니다.
참고: 이러한 백분율이 측정 가능한 양이되도록 종양에 대한 과도한 PVA-c를 측정해야 할 수도 있습니다. - 첨가제의 균일한 혼합을 보장하기 위해 비커를 초음파 처리합니다.
- 식히고 형성 된 거품이 약 10 분 동안 탈출 할 수 있도록 방치 한 다음 표면에서 거품을 긁어 냅니다.
참고: 유리 구가 추가된 후, 더 이상 10분 정도가 아닌, 유리 구가 비커의 바닥에 정착하기 때문에 PVA-c를 금형에 붓기 전에 장시간 방치하지 마십시오. 팬텀이 얼어 붙으면 더 이상 문제가 되지 않으며 최종 팬텀은 실온에서 사용할 수 있습니다. - 종양 금형을 함께 고정 (테이프는 금형의 조인을 커버하는 데 사용할 수 있습니다) 금형의 상단에구멍을 통해 PVA-c에 부어. 붓는 과정에서 형성된 거품이 구멍을 통해 탈출할 수 있도록 몇 분 간 방치한 다음 냉동실에 바로 넣습니다.
- 종양에 두 개의 동결 해동 주기를 수행; 여기서 각 사이클은 -20°C에서 6h의 동결과 실온에서 해동6h로 구성된다. 그런 다음 금형에서 조심스럽게 제거하십시오.
- 소뇌 금형에 종양을 해당하는 공간에 넣은 다음 나머지 소뇌 금형을 구성하고 함께 고정하십시오.
- 나머지 PVA-c에 0.05 w%의 유리 마이크로스피어를 추가한 다음 5.1.3 및 5.1.4 단계를 반복합니다.
- PVA-c를 소뇌 몰드에 붓고 내부에 배치된 종양을 둘러싸도록 합니다. 또한 각 뇌 반구의 금형에 혼합물을 붓습니다.
- 각 뇌 반구와 소뇌에 두 개의 동결 해동 주기를 수행; 여기서 각 사이클은 -20°C에서 24h의 동결과 실온에서 해동24h로 구성된다.
참고: 12h 동결이 있는 사이클과 12h 해동이 효과가 있어 팬텀을 더 적은 시간에 생성할 수 있습니다. 24 h는 12 h마다 실험실로 돌아오지 않도록 응용 프로그램의 용이성을 위해 선택되었습니다. - 팬텀이 두 번째로 해동되면 금형에서 조심스럽게 제거하고 인쇄 된 두개골에 넣습니다.
참고: 사용하지 않을 때는 완성된 PVA-c 팬텀을 냉장고의 밀폐 용기에 보관해야 하며, 이러한 방식으로 몇 주 동안 보관할 수 있습니다. - 완성을 위해 ' 두개골 바닥' 모델의 기저부에 스파이크에 '소뇌 종양' 유령을 놓습니다. 두 뇌 반구의 모델 ('뇌 왼쪽'과 '뇌 오른쪽') 상단에 배치하고 '소뇌 종양'의 가장 상부에 슬롯.
- 각 공간에 4개의 다웰을 '해골 바닥' 모델에 배치하고 '스컬 탑' 모델을 위에 놓습니다. 필요한 경우 모델은 수술 중 수술 중 사용을 시뮬레이션하기 위해 원하는 위치로 기동될 수 있습니다.
6. 팬텀 이미징
- 초음파 이미징
- 화상 진찰 프로브에 초음파 젤을 바하십시오.
참고: 젤은 수술 중 사용되지 않지만 시뮬레이션에 사용될 수 있으며 획득된 이미지의 임상 워크플로우 또는 품질을 크게 변경하지 않습니다. - 임상 스캐너와 버 구멍 프로브와 함께 두개골 절제술을 통해 뇌와 종양을 이미지합니다.
- 화상 진찰 프로브에 초음파 젤을 바하십시오.
- CT 이미징
- CT 스캐너의 전체 팬텀을 이미지화합니다.
Representative Results
기술된 프로토콜에 따라 해부학적으로 사실적인 유령이 제조되었으며, 이는 환자 특정 두개골, 뇌 및 종양으로 구성됩니다. 팬텀(두개골, 뇌, 종양)에 대한 관련 해부학 적 구조는 환자 MRI 및 CT 데이터를 사용하여 세분화된다(그림2a,b). 환자 수술 내 초음파 데이터(도 2c; 도 2d는 도 2c와동일한 이미지를 나타내지만 종양이 설명된 경우)는 가상 이미지를 실제 환자 이미지와 비교하는 데 사용되었습니다.
메쉬는 모델의 각조각(그림 3)에대해 만들어졌으며, 이들은 3D 금형을 제조하는 데 사용되었다. 금형은 상업용 프린터에 쉽게 인쇄되어 조각을 함께 슬롯하여 조립했습니다. 소뇌 몰은 설계 및 조립에 가장 복잡한(그림 4). 두개골(그림 5a)은지지재가 필요하므로 인쇄하기가 가장 어려웠기 때문에 느린 공정이 었기 때문에; 전체 인쇄를 완료하는 데 총 3일이 걸렸으며 이는 프로토콜의 제한 요소입니다.
완성된유령(도 5)은환자 두개골, 뇌 및 종양의 현실적인 모델이었습니다. 두 뇌반구(도5b)는별도로 생산되었으며, 뇌의 자리와 설시를 특징으로 하는 사실적인 외관을 가지고 있다. 전체 팬텀은 PVA-c의 자연스러운 색상이기 때문에 흰색입니다. 이것은 염료를 추가하여 쉽게 변경할 수 있지만 응용 프로그램에 필요하지 않았습니다. 소뇌(그림 5c)는인쇄 된 두개골의 기지에 편안하게 맞고 뇌 반구는이 위에 앉아 있습니다. 종양은 소뇌에서 쉽게 볼 수 있으며, 종양에 추가된 추가 대조는 주변 물질과 분리되는 오프 화이트 색상으로 발생하므로 단단히 부착됩니다.
유령은 CT와 초음파(그림 6a, b)로이미지되었습니다. 황산염 은 종양에 적합한 CT 대비를 제공하기 위해 사용되었고, 유령이미지(도 6a)는종양이 명확하게 시각화됨에 따라 이것이 달성되었다는 것을 보여준다. 두개골은 인쇄 시간을 줄이기 위해 100 % 채우기로 인쇄되지 않았습니다. 따라서, 두개골은 CT 이미지에서 완전히 사실적으로 보이지 않으며, 인쇄물의 격자 구조를 볼 수 있기 때문이다. 신경 탐색 시스템에는 두개골의 윤곽만 필요하기 때문에 응용 프로그램에는 문제가 되지 않습니다. 두개골은 CT 이미지의 정확도가 감소하지 않도록 100 % 채우기로 인쇄 할 수 있지만 인쇄 프로세스에 시간을 추가합니다. 유리 미세구는 초음파 대비를 위해 소뇌, 뇌 반구 및 종양에 첨가되었다. 결과는 종양이 초음파 화상 진찰(도 6b)로또한 볼 수 있고 주변 조직과 구별될 수 있다는 것을 보여줍니다. 육안 검사에서, 팬텀(도6b)으로부터얻은 초음파 영상(도2c)은팬텀에 사용된 콘트라스트제가 사실적인 이미징 특성을 만드는 데 효과적이었다는 것을 보여준다.
가상 수술실에서 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을테스트하였다(그림 7). 팬텀 모델은 표준 두개골 클램프를 사용하여 수술 용 수술대에 위치하였고, 유령의 CT 스캔은 임상 신경 탐색 시스템을 사용하여 등록되었다. 종양에 대한 레트로시그로이드 접근법을 시뮬레이션하고 종양은 버 홀 초음파 트랜스듀서가있는 임상 초음파 시스템을 사용하여 이미지화되었다. 수술 시뮬레이션 동안, 팬텀 모델은 안정되어 입증되었고 인간의 뇌가이 절차 중에 있을 것과 같은 방식으로 팬텀을 조작하여 손상이 관찰되지 않았기 때문에 동일한 조건에서 반복적으로 사용할 수 있었습니다.
그림 1: 순서도는 환자 특정 PVA-c 뇌 팬텀을 만드는 데 필요한 단계를 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 팬텀 모델을 만드는 데 사용되는 환자 데이터입니다. 좌측 전정 슈완노마를 가진 환자의 데이터 소스:(a)축 대비-강화된 T1 계측 MRI, 종양을 가리키는 백색 화살표; (b)축 비대비 CT 스캔창은 종양에 의한 확장된 내부 청각 육류를 가리키는 뼈, 백색 화살표를 강조하기 위해 창으로; (c)전정 슈완노마 수술 중 얻은 수술 중 초음파 영상; (d)수술 중 초음파 이미지에 음장 
: 종양 (초음파에 과초), 
: 뇌 (소뇌). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 팬텀의 각 섹션에 대한 완료된 메쉬입니다. STL 메쉬(a,b)두개골, 
: 좌측 레트로 시그민성 두개골 절제술; (c,d)대뇌 반구; (e,f)종양 및 소뇌, : 종양. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 3D 프프린트 소뇌 몰드. 3D 프프린트 소뇌 몰드(왼쪽 위)와 1에서 4까지 번호가 매겨진 별도의 조각. 2번 피스의 구멍('H'로 표시)을 통해 PVA-c를 금형에 부을 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 완성된 팬텀. 완성된 유령(a)두개골(b)두개골 상단 제거 팬텀: : retrosigmoid 두개골 절제술, : 종양, 뇌 (소뇌), 
뇌 (오른쪽 대뇌 반구); (c)소뇌 및 종양: : 종양, 뇌 (소뇌). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 유령으로 획득한 CT 및 초음파 이미지. (a)두개골 기저및 종양의 수준을 통해 완전한 유령의 축 CT 이미지,(b)두개골에 수직으로 평면에서 레트로 시 그민로이드 두개골 절제술을 통해 버 구멍 초음파 프로브로 획득 된 팬텀의 수술 내 초음파 이미지 (시뮬레이션 수술, 소뇌는 종양에 직접 이미지하기 위해 약간 철회되었다). : 종양, 뇌(소뇌), : 좌측 레트로시그민성 두개골 절제술. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을 테스트합니다. 가상 수술실에서 수술 시뮬레이션을 통해 팬텀 모델을 테스트합니다. 
: CT 팬텀 모델의 등록 스캔을 표시하는 신경 탐색 시스템: 
버 홀 초음파 트랜스듀서로 유령을 이미지화하는 데 사용되는 초음파 시스템(초음파 모니터 옆에 위치). 여기에 그림 모델은 오른쪽 면 종양을 가진 다른 환자에서 얻은 데이터를 기반으로 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
이 프로토콜은 두개골, 뇌 및 전정 슈완노마 종양을 포함하는 환자 특정 뇌 팬텀의 제조 과정을 자세히 설명합니다. 해부학적으로 정확한 세부 사항을 달성할 수 있는 3D 프린팅 방법. 여기에 설명된 팬텀은 해부학적 세부 사항의 원하는 수준으로 성공적으로 제조되었다; CT와 초음파 화상 진찰은 종양이 두 양식으로 쉽게 시각화되었다는 것을 보여주기 위하여 이용되었습니다. 조직을 모방하는 물질인 PVA-c는 초음파 팬텀을 위한 조직 모방 물질로 잘 확립되어 있습니다. 음향 및 기계적 특성은 첨가제와 동결 해동 사이클의 수로 조정할 수 있습니다. 재료는 쉽게 사용할 수 있습니다, 사용하기 간단하고 무독성. 반복된 사용으로, 유령은 전정 슈완노마 수술의 물리적 시뮬레이션 중에 조작과 초음파 프로브와의 접촉을 견딜 수있는 충분한 내구성을 가지고 있었다.
몇 가지 주요 단계는 제조 공정에 중요한 것으로 확인되었습니다. 첫째, 유령에 포함하기 위한 구조의 세분화에는 해부학적 세부 사항의 원하는 수준을 포함해야 한다. 정확한 STL 파일과 3D 금형의 생성은 자연스럽게 따릅니다. 둘째, 3.1.9 단계에서 소뇌 금형 내의 비행기 의 위치는 신중하게 고려되어야하므로 팬텀을 손상없이 쉽게 제거 할 수 있습니다. 해부학적 세부 사항을 유지하도록 충분한 조각으로 잘라야 하며, 금형에 갇히지 않고 팬텀을 제거할 수 있어야 합니다. 이 경우 여러 번의 반복을 테스트하고 마침내 금형을 4개의 별도 조각으로 절단했습니다. 세 번째 주요 고려 사항은 PVA-c 제조 공정(섹션 4) 동안 PVA-c를 실온(4.1.6단계)으로 식히도록 남겨두어야 한다는 것입니다. 이 단계를 놓치고 핫 PVA-c가 금형에 추가되면 금형이 녹거나 왜곡될 수 있습니다. 유리 구가 추가되면 (단계 5.1.2 – 5.1.4) PVA-c는 약 10 분 이상 앉아 있지 않는 것이 중요합니다. 장기간 방치하면 유리 구가 바닥에 정착하고, 그 결과 팬텀은 불균일한 초음파대조(29)를갖게 된다. 유리 구가 추가되면 PVA-c를 금형에 직접 추가하고 냉동실에 넣어야 합니다. 첫 번째 동결 주기 후 유리 구는 제자리에 고정되고 팬텀을 실온에서 사용할 수 있습니다. 마지막으로, PVA-c를 첨가하기 전에 금형을 신중하게 밀봉(예: 테이프로)하는 것이 중요하며, 금형의 분리된 조각이 결합된 틈새를 통해 혼합물의 누출을 최소화하는 것이 중요하다.
프로토콜에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 예를 들어 수조와 전자 교반기 등 일부 전문 장비가 필요합니다. 초음파 처리기는 또한이 프로토콜의 일부로 사용되지만 초음파 처리 단계 (5.1.3)는 추가 전자 교반으로 대체 될 수 있습니다. 그러나, 이 대안으로, 초음파 처리의 사용과 함께 가능한 것보다 균일 한 혼합물을 달성하는 데 시간이 오래 걸릴 것입니다. PVA-c의 한 가지 제한은 시간이 지남에 따라 저하되고 곰팡이가 된다는 것입니다. 여기에 설명된 바와 같이 소르바테 칼륨을 첨가하면 여전히 밀폐 용기에 보관해야 하지만 팬텀의 유통 기한이 증가합니다. PVA-c의 두 번째 제한은 동결 해동 주기가 필요하므로 팬텀을 만드는 데 필요한 시간이 증가한다는 것입니다. 팬텀 제작 시간을 최소화하기 위해, 주요 고려 사항은 동결 및 해동 속도입니다. 팬텀이 완전히 얼어 붙거나 완전히 해동되면 해당 상태로 남아있는 시간은 최종 팬텀16,30에크게 영향을 미치지 않습니다. 따라서, 사용되는 사이클 길이는 팬텀이 완전히 동결되고 사이클의 각 단계에서 해동되는 경우 다양할 수 있다. 예를 들면, 이 연구 결과의 유령에 있는 종양은 아주 작습니다, 그래서 더 짧은 주기는 두뇌를 위해 보다는 종양을 위해 이용될 수 있었습니다. 마지막으로, 금형과 두개골을 3D 프린팅하는 것은 이 프로토콜을 사용하여 팬텀을 제작하는 데 필요한 총 시간(1주)의 상당 부분(3일)을 소비하는 시간이 많이 소요되는 과정입니다. 사용된 프린터는 2018년부터 상용 모델이었습니다. 더 새롭고 빠른 프린터를 사용하여 인쇄 프로세스를 짧은 시간 내에 완료할 수 있습니다.
여기에 제시 된 뇌 팬텀은 신경 항내 시스템의 임상 훈련 및 검증을 위해 직접 사용할 수 있습니다. 조직을 모방하는 물질로서, PVA-c는 내구성과 비독성 물질이므로, 예를 들어 훈련 도구로 또는 전정 슈완노마 수술에서 수술 내 초음파의 검증을 위해 반복적으로 사용할 수 있게 한다. 이와 같이, 제조 방법은 3D 프린팅이 환자 특정 뇌팬텀(20,21,22, 23,24, 25)을생성하는 데 사용되었다고 이전에 기술된 것과 상보적이다. TMM로서 PVA-c를 사용하면 물질이 초음파 프로브의 반복된 수동 조작 및 접촉을 견딜 수 있기 때문에 신경 외과 시뮬레이션에 사용하기에 적합한 팬텀을 만듭니다. 이 작업은 추가 정량적 검증 연구의 단계를 설정합니다. 여기에 설명된 팬텀 방법은 매우 다양하며 여러 이미징 양식에 걸쳐 호환성을 통해 뇌에서 다른 장기로 확장되는 많은 유형의 환자 특정 종양 팬텀을 조작하는 데 사용할 수 있습니다.
Disclosures
저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 3D 슬라이서를 사용하고 처리 단계의 일부를 자동화하는 코드를 제공하기위한 메쉬 믹서와 페르난도 페레즈 가르시아를 사용하여 자신의 조언에 대한 다니일 니키티체프와 스테피 멘데스에게 감사드립니다.
이 작품은 웰컴 트러스트 [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] 및 국가 뇌 호소 [NBA / NSG / SBS] 자금. TV는 메드트로닉 Inc/로얄 아카데미 오브 엔지니어링 연구 위원장 [RCSRF1819\7\34]에 의해 지원됩니다.
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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