Summary
Detta protokoll beskriver tillverkning av en patient specifik skalle, hjärnan och tumör phantom. Den använder 3D-utskrift för att skapa formar, och polyvinylalkohol (PVA-c) används som vävnaden härma material.
Abstract
Phantoms är viktiga verktyg för klinisk utbildning, kirurgisk planering och utveckling av nya medicintekniska produkter. Det är dock utmanande att skapa anatomiskt noggranna huvudfantomer med realistiska hjärnavbildningsegenskaper eftersom standardanställningsmetoder inte är optimerade för att replikera någon patientspecifik anatomisk detalj och 3D-utskriftsmaterial inte är optimerade för bildhanteringsegenskaper. För att testa och validera ett nytt navigationssystem för användning under hjärntumörkirurgi krävdes en anatomiskt noggrann fantom med realistisk bildbehandling och mekaniska egenskaper. Därför utvecklades en fantom med hjälp av verkliga patientdata som indata och 3D-utskrift av formar för att fabricera en patient-specifika huvudet fantom bestående av skallen, hjärnan och tumör med både ultraljud och röntgen kontrast. Fantomen hade också mekaniska egenskaper som gjorde att fantomvävnaden kunde manipuleras på ett liknande sätt som hur mänsklig hjärnvävnad hanteras under operationen. Fantomen testades framgångsrikt under en kirurgisk simulering i en virtuell operationssal.
Phantom fabrication metoden använder kommersiellt tillgängliga material och är lätt att reproducera. 3D-utskriftsfilerna kan lätt delas, och tekniken kan anpassas till att omfatta många olika typer av tumörer.
Introduction
Phantoms härma specifika egenskaper biologiska vävnader är en användbar resurs för olika experimentella och undervisning tillämpningar. Vävnad-härma fantomer är avgörande för att karakterisera medicintekniska produkterförederas kliniska användning1,2 och anatomiska fantomer används ofta i utbildningen av medicinsk personal i alla discipliner3,4,5,6,7. Patientspecifika anatomiska fantomer gjorda med lämpliga vävnadsliknande egenskaper är ofta en kritisk del av testmiljön och kan öka förtroendet hos kliniker som lär sig använda en ny enhet8. Höga tillverkningskostnader och komplexa tillverkningsprocesser utesluter dock ofta rutinmässig användning av patientspecifika fantomer. Här beskrivs en metod för tillverkning av en tålig, patientspecifik hjärna tumör modell med hjälp av lätt tillgängliga, kommersiella material, som kan användas för utbildning och validering av intraoperativ ultraljud (US) med hjälp av datortomografi (CT) imaging. Den phantom beskrivs i denna studie skapades med hjälp av data från en patient med en vestibulära schwannoma (en godartad hjärntumör som härrör från en av balansen nerver som förbinder hjärnan och innerörat) som därefter genomgick kirurgi och tumör samband via en retrosigmoid suboccipital craniotomy10. Fantomen utvecklades i syfte att testa och validera ett integrerat intraoperativt navigationssystem för användning under denna typ av hjärntumörkirurgi.
För att vara lämplig för denna ansökan, hjärntumör phantom behöver inneha flera viktiga egenskaper. Först bör den vara gjord av giftfria material, så det kan säkert användas i en klinisk utbildning miljö. Andra, Det bör ha realistiska bildegenskaper; för den avsedda applikationen, dessa specifikt omfatta ultraljud dämpning och CT kontrast. För det tredje bör det ha liknande mekaniska egenskaper som mänsklig vävnad så att den kan hanteras på samma sätt. För det fjärde bör fantomen baseras på verkliga patientdata, så att den är anatomiskt noggrann och kan användas för kirurgisk planering och träning. Slutligen måste de material som används vara hållbara, så att fantomen kan användas upprepade gånger.
I allmänhet beror det vävnadshärande material och tillverkningsmetod som valts för en fantom på den avsedda applikationen. För styva strukturer som skallen, bör den valda egenskapen inte deformeras eller vara vattenlöslig och det bör kunna upprätthålla en exakt nivå av anatomisk detalj med upprepad användning; detta är särskilt viktigt när du använder fantomen för experiment där bildregistrering används och för kirurgiska simuleringsändamål. Mineralolja baserade material såsom gel vax har varit lovande för ultraljud9,11,12 och fotoakustiska13 bildframställning applikationer, dock, när de utsätts för upprepad mekanisk deformation de blir friable, så kan inte motstå utökad användning, särskilt med standard mikrokirurgiska neurokirurgi instrument. Agar och gelatin är vattenhaltiga material som också används ofta som vävnad-härma material. De tillsatser som behövs för att justera de akustiska egenskaperna hos dessamaterial är välkända 14, men de har begränsad mekanisk hållfasthet och är inte särskilt hållbara så är inte lämpliga för denna applikation, där fantomen behöver hanteras upprepade gånger.
Polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) är ett populärt val av vävnad-härma material, eftersom dess akustiska och mekaniska egenskaper kan lätt anpassas genom att variera dess frys-tö cykler. Det har visat sig att egenskaperna hos PVA-c liknar egenskaperna hosmjukvävnader 15,16,17,18. PVA-c baserade hjärnan fantomer har använts framgångsrikt för ultraljud och CT imaging19. Materialet är tillräckligt starkt för att användas upprepade gånger, och det har en hög grad av elasticitet, så fantomvävnad gjord av PVA-c kan manipuleras utan att vara permanent deformerad. Polylactic syra (PLA) är ett lätt tillgängligt styvt material och användes för att tillverka skallen, dock kan ett annat tryckmaterial användas i stället för PLA, om det har liknande mekaniska egenskaper och inte är vattenlösligt.
Brain fantomer i synnerhet har fabricerats med olika metoder, beroende på graden av komplexitet som krävs och de vävnader som behöver replikeras20,21,22,23. Vanligtvis används en mögel, och flytande vävnad-härma material hälls i den. Vissa studier har använt kommersiellaformar 24 medan andra använder 3D-tryckta anpassade formar av en frisk hjärna, och simulera hjärnskador genom att implantera markör sfärer och uppblåsbarakatetrar 19,25. Så här väl är detta den första rapporten från en 3D-tryckt patientspecifik hjärntumörfantommodell skapad med vävnadshärmanande ultraljud och röntgenegenskaper. Den totala tillverkning visualiseras av flödesschemat i figur 1; hela processen tar cirka en vecka att slutföra.
Protocol
Denna studie genomfördes enligt de principer som uttrycks i Helsingforsdeklarationen och godkändes av NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Informerat samtycke erhölls, och alla bildframställning data var helt anonymiserade före analys.
1. Uppgifter
- Erhålla pre-operativ kontrast-förbättrad T1-viktade Magnetic Resonance Imaging (MRI) och volumetric datortomografi (CT) data.
- Om de förvärvas i Digital Imaging och Communications in Medicine (DICOM) format, konvertera till Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) format för bearbetning och analys.
- Skaffa intraoperativa ultraljudsdata.
2. Segmentering
- Installera programvara för att segmentera patientdatan med.
- Skallsegmentering
OBS: De steg som deltar i segmentering skallen i stort sett följa de som beskrivs av Cramer och Quigley27 På https://radmodules.com/, men är anpassade för att skapa en lämpligt storlek craniotomy.- Ladda patientens volymetriska datortomografi i segmenteringsprogram, öppna modulen Segmentredigerare och skapa ny segmentering med namnet 'Skull'.
- Använd funktionen 'Tröskelvärde' för att markera skallen.
- Ta bort eventuella oönskade segmenteringar (t.ex. hudförkalkningar, underdible, C1/2, styloidprocess, CT-patientramen och eventuella annoteringar som bäddats in i bilden). Använd funktionen 'Sax' för att ta bort delar när du visar modellen i 3D och utnyttja funktionen 'Islands' efter att manuellt koppla bort eventuella oönskade strukturer med funktionen 'Radera' .
- Korrigera eventuella luckor i segmenteringen som missades vid tröskelarbetet manuellt med hjälp av funktionerna 'Paint' och 'Rita' (t.ex. lamina papyracea, kortikal kant av mastoidbenet och ethmoid ben).
- Använd funktionerna 'Paint' och 'Rita' för att fylla i foramen magnum och skapa en 5 mm utskjutande spik på vilken den nedre delen av Phantom-modellen kan säkras.
OBS: Placeringen av spike är bäst bestäms på den koronal och sagittal bildplan. - Applicera funktionen 'Utjämning'. Använd en medianinställning för utjämning på 1,0 mm (3 × 3 × 1 bildpunkter) för att minimera mängden detalj som går förlorad.
OBS: Om fantommodellen måste innehålla en komplett intakt skalle (t.ex., för att underlätta kirurgisk simulering av att skapa en lämpligt belägen kraniotomi), flytta till steg 2.2.15; dock, om en craniotomy krävs i modellen, komplett steg 2.2.7 till 2.2.14. - Klicka på 'Läggtill ' om du vill lägga till en ny segmentering och ge den namnet 'Skull Craniotomy'.
- I modulen "Segmenteringar" kopierar du segmenteringen "Skull" över till 'Skull Craniotomy' med fliken 'Kopiera/Flytta segment'.
OBS: Både segmentationerna 'Skull' och 'Skull Craniotomy' behövs för att kunna utföra de funktioner som beskrivs i steg 2.2.9 till 2.2.13 - Använd funktionen 'Sax' för att ta bort en lämpligt storlek craniotomy i 'Skull Craniotomy'.
OBS: Skapa craniotomy detta sätt kommer också, ta bort en tillägg del av skallen på motsatt sida därav behovet av steg 2.2.11 till 2.2.14. - Klicka på 'Lägg till' och lägg till en ny segmentering; namnge det 'Craniotomy Only'.
- I 'Craniotomy Only' välj segmenteringen 'Skull Craniotomy' och använd funktionen 'Logisk operator' för att subtrahera 'Skull Craniotomy' från 'Skull'.
- Använd funktionen 'Scissors' för att radera allt utom den önskade kraniotomi på rätt sida av tumören, vilket sparar 'Craniotomy Only'.
- I 'Skull Craniotomy' använd funktionen 'Logisk operatör' för att subtrahera 'Craniotomy only' från 'Skull' och spara.
- Öppna 'Segmentations' modul och exportera 'Skull Craniotomy' som en stereolithography (STL) fil.
- Öppna 3D-modelleringsprogramvara och importera STL-filen 'Skull Craniotomy'.
OBS: Om modellen visas i randig rosa slutföra 'Vänd Normals' funktion genom att välja den kompletta modellen (Välj | Dubbelklickapå ) och sedan 'Redigera | Flip Normals". Modellen kommer nu att bli grå och kan redigeras. Se tillatt ' View Objects Browser' är aktiverat. - Minska antalet trianglar för att förbättra beräkningstiden.
- Välj den kompletta modellen (Välj | Dubbelklicka vänder modellen orange) sedan 'Redigera | Minska'. Standardfunktionen 'Minska' är inställd på 50% så upprepa tills önskad minskning uppnås. Sikta på totalt antal trianglar < 500 000.
- Applicera 'Smoothing' funktion som säkerställer rutan 'Shape Preserving' förblir markerad. Välj den kompletta modellen sedan 'Deformera | Släta'.
- Klicka 'Analys ' sedan 'Inspektör' och använda denna funktion för att upptäcka eventuella små defekter i modellen och klicka på auto-reparation (föreslå 'Flat-fyll' val).
- Klipp 'Skull' för att skapa en topp och botten med hjälp av 'Redigera / Plane' cut funktion. Välj 'Behåll båda segmenten 'och 'Remeshed' fyllningstyp. Ändra skallen till transparent med 'Shaders' funktion för att ge en bättre inre bild av skallen och justera planet så att det är parallellt med skallbasen.
- Separera skal genom att välja 'Redigera | Separata skal" och byt namn på ' Skull_Top' och 'Skull_Bottom' i objekten webbläsare.
OBS: Flytta inte sina positioner. Klicka på ögonikonen för att ta bort det ena eller det andra från vyn. - Klicka på 'Meshmix' välj sedan 'Cylinder' för att skapa en dowel och redigera storlek till 4 mm × 10 mm × 4 mm ('Redigera | Förvandla'). Dölj 'Skull_Bottom' genom att klicka på ögonikonen för att ta bort från vyn.
- Välj 'Redigera | Align' plan. En ytterligare transparent cylinder kommer att visas. I fönstret 'Justera' väljer du 'Surface point' (vänster klicka slutet genomskinlig cylinder) för 'Källa' och 'Surface point' (Skift + vänsterklicka underytan av 'Skull_Top') för 'Destination.'
- Använda den 'Redigera | Förvandla' funktion flytta dowel i skallen med hjälp av den gröna pilen och justera position med blå och röda pilar. Byt namn på 'Dowel_Anterior'.
- I objekts webbläsare gör 3 kopior och byt namn på 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' och 'Dowel_Right'.
- Flytta varje dowel till önskad plats med hjälp av 'Redigera | Omvandla' funktion.
OBS: Flytta eller ändra inte dowels läge i det gröna planet. - Skapa kopior av varje men behåll alla kopior på samma plats och skapa ytterligare en dose och ändra storlek till 3 mm × 10 mm × 3 mm. Byt namn på 'Dowel'.
- Skapa hål för Dowels i skallen med funktionen 'Boolean Difference' . Välj 'Skull_Top' först och välj sedan en dowel i objekts webbläsare. I fliken 'Boolean Difference' se 'Auto-minska' är avstängd. Upprepa för varje dewel i tur och ordning.
- Göm 'Skull_Top' och visa 'Skull_Bottom' upprepa ovanstående 'Boolean Difference' funktion för varje dowel i tur och ordning.
- Exportera 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' och 'Dowel' som separata binära STL-filer.
- Segmentering av hjärnvävnad
- Ladda upp kontrasten förbättrad T1 MRI av hjärnan för att http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF och ladda ner dess produktion. Detta är en öppen källkod parcellation verktyg för T1-viktade bilder som utnyttjar en Geodesic Information Flow (GIF)algoritm 28 för att utföra hjärnan extraktion och vävnad segmentering.
- Öppna segmentering programvara och ladda kontrasten förbättrad T1 MRI och GIF parcellation utdatafilen.
- Öppna modulen 'Segmentredigerare' och skapa en ny segmentering.
- Välj lämpliga etiketter och kombinera dem för att bilda en enda segmentering. Till exempel, cerebral och diencephalon etikett kartor kan kombineras för att skapa en modell, kallad "Brain" och mellanhjärnan, hjärnstammen, lillhjärnan och vermian strukturer kan kombineras för att skapa en andra modell som kallas "Cerebellum".
- Använd funktionen 'Utjämning' (förest medianvärdet 2,00 mm, 5 × 5 × 3 bildpunkter).
- Använd funktionen 'Sax ' föratt ta bort eventuella oönskade eller felaktiga segmentations.
- Spara "Brain" och "Cerebellum" segmentations.
- Öppna 'Segmentations' modul och exportera 'Brain' och 'Cerebellum' som STL-filer.
- Tumör segmentering
- Öppna segmentering programvara och ladda kontrasten förbättrad T1 MRI.
- Öppna modulen 'Segmentredigerare' och skapa ny segmentering med namnet 'Tumör'.
- Använd funktionen 'Tröskelvärde' för att markera tumören.
- Korrigera segmenteringen med hjälp av funktionerna 'Paint', 'Rita' och 'Radera' .
- Applicera funktionen 'Utjämning' (förest medianvärdet 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixlar).
- Skapa en ny segmentering med namnet 'Cerebellum_Tumor'.
- Kombinera "Cerebellum"-modellen och "Tumör" med hjälp av"Logical Operators | Läggtill ' funktion.
- Spara "Tumör" och "Cerebellum_Tumor" segmenteringar.
- Öppna 'Segmentations' modul och exportera 'Tumör' och 'Cerebellum_Tumor' som STL-filer.
OBS: I slutet av segmenteringsprocessen finns följande filer: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Cerebellum', 'Tumör', 'Cerebellum_Tumor'.
3.3D utskrift av hjärna / tumör formar och skalle
- Skapa hjärnan och tumörformar
- Dela segmenteringen "Brain" i två halvklot, med hjälp av verktyget 'Plane cut' i 3D-modelleringsprogramvara.
- Spara varje halvsfär som en separat STL-fil "Brain right" och "Brain left".
- Importera STL-filen 'Tumör' till datorstödd design (CAD) programvara.
- Klicka på fliken 'mesh' och använd sedan funktionen 'Minska' för att minska modellens storlek så att den kan hanteras av programmet – syftet är att minska storleken så mycket som möjligt, samtidigt som den fortfarande behåller all den detalj som behövs.
- Klicka på 'fast ' fliken och använd ' Meshtill BRep' verktyg för att konvertera den importerade nät till en kropp som kan manipuleras. Om denna åtgärd inte kan slutföras, var nätet inte minskas tillräckligt i steg 3.1.3.
- Klicka 'Skapa' sedan 'Box' och rita en ruta runt tumören. Välj för att skapa detta som en 'New Body' och rotera vyn för att säkerställa att rutan helt omsluter tumören på alla sidor.
- I modifieringsfliken använder du verktyget 'Kombinera' för att skära av tumören ('Tool Body') från rutan ('Målkroppen'). Detta kommer då att lämna en låda med en ihålig form av tumören inuti den.
- Kontrollera att den urholkade lådan är närvarande. Skär denna låda i ett lämpligt antal bitar så att när formen är fylld, kan den prisas isär utan att skada fantom inuti. För tumören här räcker det att dela lådan i två delar, men för de andra delarna av fantomen behövs fler bitar.
- Skapa plan genom lådan på de platser som formen behöver skäras. Klicka 'Konstruera' sedan 'Midplane' för att skapa ett plan genom mitten av lådan. Högerklicka på det skapade planet och välj 'Offset Plane' för att positionera planet mer exakt.
- Använd funktionen 'Split Body' i fliken 'Modify' för att dela formen längs de plan som skapats.
- Flytta de enskilda bitarna av formen, genom att högerklicka och välja 'Flytta /Kopiera', så att alla bitar är vända utåt.
- Lägg till nitar i ansiktena på varje bit av formen (så att den kan passa ihop säkert), genom att klicka på 'Skapa skiss' sedan ' Centrediameter circle' och på varje ansikte, rita små cirklar. Högerklicka sedan 'Extrud' dessa cirklar utåt några millimeter på ett ansikte och extrudera dem inåt på motsvarande ansikte.
OBS: De cirklar som extruderas inåt måste vara något större - ungefär 1,5 mm - än de som är extruderade utåt, så att de kommer att passa ihop tätt. - Spara varje bit av formen som en separat STL-fil.
- Upprepa steg 3.1.4 – 3.1.14 för 'Hjärnan vänster', 'Hjärn höger' och 'Cerebellum tumör'.
OBS: Med hjälp av filen 'Cerebellum tumör' snarare än bara 'Cerebellum' för att skapa formen innebär att formen kommer att ha ett utrymme i den för tumören som skall införas under konstruktion.
- Skriv ut 3D-formar
- Installera eller öppna 3D-utskriftsprogram.
- Öppna STL-filen för varje bit av formen i utskriftsprogrammet och rotera den så att den ligger platt mot byggplattan. Det är möjligt att lägga till flera mögelbitar till byggplattan och att skriva ut dessa samtidigt.
- Välj en stor lagerhöjd (runt 0,2 mm) och lågt utfyllnadsvärde (runt 20 %) för snabbare utskrift. Skriv ut formar med hjälp av ett styvt material som polysyra (PLA). Om formarna är placerade på lämpligt sätt, är stödmaterial inte nödvändigt.
- Skriv ut Skallen
- Öppna filen 'Skull Top' i utskriftsprogrammet och välj en stor lagerhöjd (runt 0,2 mm) och lågt utfyllnadsvärde (runt 20 %).
- Skriv ut skalle modellen i PLA men i motsats till steg 3.2.3, kommer stödmaterial att krävas, så välj att 'Lägg till stöd' i programvaran. PVA används som stödmaterial eftersom det senare kan lösas undan med vatten.
- Upprepa steg 3.3.1 och 3.3.2 för 'Skull Bottom'.
- När toppen och botten av skallen har tryckts, dränka dem i vatten över natten för att lösa bort PVA stödmaterial.
OBS: Stödmaterialet kommer att lösas bort mycket snabbare om varmt vatten används, men om vattnet är för varmt, kommer det att deformera den tryckta PLA. Därför är det att föredra att använda kallt vatten och lämna utskriften nedsänkt över natten.
4. Beredning av PVA-c
- Mät 200 g PVA-pulver och ställ in åt sidan.
- Värm 1800 g avjoniserat vatten till 90 °C och tillsätt till en 2L konisk kolv.
OBS: Vattnet måste vara nästan kokande så PVA pulver kommer att lösas lätt, men om vattnet når 100 °C, kommer vissa att förloras till avdunstning, som skall undvikas. - Dra upp den koniska kolven i ett temperaturkontrollerat vattenbad som är inställt på 90 °C.
- Placera en elektronisk omrörare i kolven, se till att den inte vidrör botten eller sidorna, och ställ in hastigheten till 1500 rpm.
OBS: Kontrollera att vattnet rör om jämnt och att det inte finns stillastående punkter i sidorna eller botten. - Tillsätt gradvis PVA-pulvret till den koniska kolven, över ca 30 min, låt det sedan röra om i ytterligare 90 minuter. Den resulterande gelen är det vävnadshärande materialet PVA-c.
- Ta bort konisk kolv från vattenbadet och häll innehållet i en bägare. Täck toppen med plastfolie för att förhindra att en hud bildas ovanpå PVA-c. Låt PVA-c svalna till rumstemperatur (runt 20 °C). När den väl svalnat kommer PVA-c att vara transparent. Små vita kristaller kan ses i PVA-c, men eventuella bubblor som visas på ytan måste försiktigt skrapas bort.
- Tillsätt 0,5 w/w% kaliumsorbat till PVA-c som konserveringsmedel, och rör om manuellt väl.
- PVA-c kan lämnas i rumstemperatur om den är täckt av plastfolie i några dagar innan den hälls i formar.
5. Phantom församling
- Mät ut tillräckligt med PVA-c för att fylla tumörformen i en bägare.
- Till PVA-c för tumören, tillsätt 1 w /w% glas mikrosfärer för ultraljud kontrast och 5 w / w% Barium Sulfat för röntgenkontrast, och rör om för hand.
OBS: Det kan vara nödvändigt att mäta ut överskott PVA-c för tumören så att dessa procentsatser är ett mätbart belopp. - Sonikera bägaren för att säkerställa homogen blandning av tillsatserna.
- Låt svalna och låt eventuella bubblor bildas för att fly, runt 10 min, sedan skrapa eventuella bubblor från ytan.
OBS: Lämna inte under längre tid när glassfärerna har lagts till, inte längre än runt 10 min, innan du häller PVA-c i en form, eftersom glassfärerna kommer att lägga sig till botten av bägaren. När fantomen har frusit kommer detta inte längre att vara ett bekymmer, och den slutliga fantomen kan användas i rumstemperatur. - Säkra tumörmögeln tillsammans (tejp kan användas för att täcka fogarna i formen) och häll i PVA-c genom hålet i toppen av formen. Låt i några minuter för att låta eventuella bubblor bildas i hällprocessen för att fly genom hålet, sedan placera rakt in i frysen.
- Utför två frys-tina cykler på tumören; varje cykel här består av 6 h av frysning vid -20 °C och 6 h av upptining vid rumstemperatur. Sedan, försiktigt ta bort från mögel.
- Placera tumören i motsvarande utrymme för det i lillhjärnan mögel, sedan konstruera resten av lillhjärnan mögel och säkra den tillsammans.
- Till de återstående PVA-c lägga 0,05 w / w% glas mikrosfärer, sedan upprepa steg 5.1.3 och 5.1.4.
- Häll PVA-c i lillhjärnan mögel, gör det möjligt att omge tumören som har placerats inuti. Dessutom, häll blandningen i formar för varje hjärna halvklotet.
- Utför två frys-tina cykler på varje hjärnhalva och lillhjärnan; varje cykel här består av 24 h av frysning vid -20 °C och 24 h av upptining vid rumstemperatur.
OBS: Cykler med 12 h frysning följt av 12 h upptining också effektiv, för att möjliggöra att fantomen skapas på kortare tid. 24 h valdes för enkel tillämpning, för att undvika att återvända till labbet var 12 h. - När fantomerna har tinat för andra gången, försiktigt ta bort dem från formar och placera i den tryckta skallen.
OBS: När den inte används ska de iklarerade PVA-c phantoms förvaras i en lufttät behållare i kylen, och kan förvaras i några veckor på detta sätt - För slutförande, placera "Cerebellum tumör" fantom på spiken vid basen av "Skull Bottom" modell. Modellerna av två hjärnhalvor ("Brain left" och "Brain right") placeras ovanpå och plats i den översta delen av "Cerebellum tumör".
- Placera de fyra dymlingarna i varje utrymme på 'Skull Bottom' modellen och placera 'Skull Top' modell ovanpå. Om det krävs, kan modellen sedan manövreras in i önskad position för att simulera intraoperativ användning i kirurgi.
6. Phantom Imaging
- Ultraljud Imaging
- Applicera ultraljudsgel på bildundersökningssonden.
OBS: Gel används inte intraoperativt men får användas vid simulering och ändrar inte signifikant det kliniska arbetsflödet eller kvaliteten på de förvärvade bilderna. - Bild hjärnan och tumören genom kraniotomi, med en klinisk scanner och burr hål sond.
- Applicera ultraljudsgel på bildundersökningssonden.
- CT Imaging
- Avbilda hela fantomen i en CT-skanner.
Representative Results
Efter det beskrivna protokollet, en anatomiskt realistiska fantom var fabricerade, som består av en patient-specifika skalle, hjärna och tumör. De relevanta anatomiska strukturerna för fantomen (skalle, hjärna, tumör) är segmenterade med hjälp av patientens MRI- och CT-data (Figur 2a,b). Patienten intraoperativa ultraljudsdata (Figur 2c; Bild 2d visar samma bild som figur 2c, men med tumören skisserat) användes för att jämföra fantombilderna med de verkliga patientbilderna.
Maskor skapades för varje bit av modellen (Figur 3), och dessa användes sedan för att tillverka 3D-formar. Forsformarna var lätt tryckt på ett tryckeri och monteras genom slotting bitarna tillsammans. Lillhjärnan mögel var den mest komplexa att utforma och montera (Figur 4). Skallen (Figur 5a) var den svåraste delen att skriva ut eftersom det krävs stödmaterial, så var en långsam process; hela trycket tog totalt tre dagar att slutföra, vilket är en begränsande faktor i protokollet.
Den färdiga fantom (Figur 5) var en realistisk modell av en patient skalle, hjärna och tumör. De två hjärnhalvorna (Figur 5b) producerades separat, och har ett realistiskt utseende, med gyri och sulci i hjärnan. Hela fantomen är vit i färg, eftersom detta är den naturliga färgen på PVA-c; detta kan enkelt ändras genom att lägga till färgämne men var inte nödvändigt för ansökan. Lillhjärnan (Figur 5c) passar bekvämt in i basen av den tryckta skallen och hjärnhalvorna sitter ovanpå detta. Tumören är väl synlig i lillhjärnan, eftersom den extra kontrasten läggs till tumören resulterar i att det är en benvit färg som skiljer den från det omgivande materialet, som är det säkert fäst vid.
Fantomen avbildades med både CT och ultraljud (Bild 6a,b). Bariumsulfat användes för att ge tumören lämplig CT kontrast, och fantombilden (Figur 6a) visar att detta uppnåddes, eftersom tumören är tydligt visualiseras. Skallen trycktes inte med 100% utfyllnad, för att minska den tid det tagit för utskrift. Därför ser skallen inte helt realistisk i CT-bilderna, eftersom gallrets struktur av utskriften kan ses. Detta är inte ett problem för ansökan, eftersom endast konturerna av skallen behövs för neuronavigation systemet. Skallen kunde skrivas ut med 100% utfyllnad för att undvika denna minskade noggrannhet av CT-bilden, men skulle lägga tid på tryckprocessen. Glas mikrosfärer lades till lillhjärnan, hjärnhalvor och tumör för ultraljud kontrast. Resultaten visar att tumören också syns med ultraljudsavbildning (Figur 6b) och kan särskiljas från den omgivande vävnaden. Vid visuell inspektion visar de ultraljudsbilder som erhållits från fantomen (Figur 6b), och de som erhållits från patienten (Figur 2c) att kontrastmedel som används i fantomen var effektiva för att skapa realistiska bildegenskaper.
Fantomen testades under kirurgisk simulering i en virtuell operationssal (Bild 7). Fantommodellen var placerad på operationsbordet med hjälp av en standard skull klämma och datortomografi av fantomen registrerades med hjälp av en klinisk neuronavigation system. En retrosigmoid strategi för att tumören var simulerade och tumör var imaged med hjälp av ett kliniskt ultraljud system med en burr hål ultraljud omvandlare. Under den kirurgiska simuleringen visade sig fantommodellen vara stabil och inga skador observerades från att manipulera fantomen på samma sätt som den mänskliga hjärnan skulle vara under detta förfarande, så det kunde användas upprepade gånger under samma förhållanden.
Figur 1: Flödesschema för att visa de steg som krävs för att göra en patient specifik PVA-c hjärnan fantom. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 2: Patientdata som används för att skapa fantommodell. Datakällor av en patient med en vänstersidig vestibulära schwannoma: (en) axiell kontrast-förstärkt T1-viktade MRI, vit pil som pekar mot tumör; (b) axiell icke-kontrast DATORskanning fönster för att markera ben, vit pil som pekar mot en utökad intern hörselkött orsakas av tumören; (c) intraoperativ ultraljud bild erhålls under vestibulära schwannoma kirurgi; (d) kommenterad intraoperativ ultraljudsbild 
: tumör (hyperechoic på ultraljud), 
: hjärnan (lillhjärnan). Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 3: Färdiga maskor för varje sektion av fantomen. STL nät för (a,b) skalle, 
: vänstersidig retrosigmoid craniotomy; (c,d) hjärnhalvor; (e,f) tumör och lillhjärnan, : tumör. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 4: 3D tryckt lillhjärnan mögel. 3D tryckt lillhjärnan mögel helt konstruerade (överst till vänster) och de separata bitarna, som är numrerade från 1 till 4. Hålet i stycke 2 (betecknas med "H") gör det möjligt för PVA-c att hällas i formen. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 5: Avslutad fantom. Den färdiga fantom (a) skallen (b) fantom med skalle topp bort: : retrosigmoid craniotomy, : tumör, hjärna (lillhjärnan), 
hjärnan (höger cerebral hjärnhalva); (c) lillhjärnan och tumör: : tumör, hjärna (lillhjärnan). Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Figur 6: CT och ultraljudsbilder som förvärvats med fantomen. (a) Axial CT bild av fullständig fantom genom nivån på skallen bas och tumör, (b) Intraoperativ ultraljud bild av Phantom förvärvats med burr hål ultraljud sond genom retrosigmoid craniotomy i ett plan ungefär vinkelrätt mot skallen (Simulera kirurgi, cerebellum var tillbaka något för att bilden direkt på tumör). : tumör, hjärna (lillhjärnan), : vänstersidig retrosigmoid craniotomy. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 7: Testa fantomen under kirurgisk simulering. Testa fantommodellen genom kirurgisk simulering i en virtuell operationssal. 
: neuronavigation system som visar den registrerade skanningen av CT fantommodell, 
: ultraljud system som används för att avbilda fantomen med en burr hål ultraljud givare (sett placerad bredvid ultraljud monitor). Observera modellen bilden här är baserad på data som förvärvats från olika patienter med en högersidig tumör. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Discussion
Detta protokoll detaljer tillverkningsprocessen av en patient specifik hjärnan fantom, som inkluderar skallen, hjärnan och vestibulära schwannoma tumör. 3D-utskriftsmetoder som tillåts för anatomiskt noggrann detaljrikedom som ska uppnås. Den fantom som beskrivs här var framgångsrikt tillverkas med önskad nivå av anatomiska detaljer; CT och ultraljud imaging användes för att visa att tumör var lätt visualiseras med båda modaliteter. Vävnaden härma material, PVA-c, är väl etablerad som en vävnad-härma material för ultraljuds phantoms; dess akustiska och mekaniska egenskaper kan stämmas med tillsatser och antalet frys-töcykler. Materialet är lätt tillgängligt, enkelt att använda och giftfritt. Med upprepade användning, hade fantom tillräcklig hållbarhet att motstå manipulation och kontakt med en ultraljud sond under fysiska simuleringar av vestibulära schwannoma kirurgi.
Flera viktiga steg identifierades som kritiska för tillverkningsprocessen. Först måste segmenteringen av strukturer för införande i fantomen innehålla den önskade nivån av anatomiska detaljer. Skapandet av korrekta STL-filer och 3D-formar följer sedan naturligt. För det andra måste placeringen av plan inom lillhjärnan mögel i steg 3.1.9 övervägas noggrant, så att fantomen lätt kan avlägsnas, utan skador; den måste skäras i tillräckligt många bitar för att anatomiska detaljer ska kunna behållas, samtidigt som det gör det möjligt att avlägsna fantomen utan att fastna i formen. I detta fall testades flera iterationer och slutligen skars formen i fyra separata bitar. Den tredje viktiga hänsynen är att under PVA-c tillverkningsprocessen (avsnitt 4) måste PVA-c lämnas för att svalna till rumstemperatur (steg 4.1.6). Om detta steg missas och varm PVA-c läggs till formar, kan det orsaka formarna att smälta eller förvränga. Det är också avgörande att när väl glassfärerna väl har lagts till (steg 5.1.2 – 5.1.4) lämnas inte PVA-c att sitta i mer än cirka 10 minuter; om de lämnas under en längre tid kommer glassfärerna att lägga sig till botten, och den resulterande fantomen kommer att ha inhomogen ultraljudskontrast29. När glassfärerna har lagts till måste PVA-c läggas direkt i formarna och placeras i frysen. Efter den första fryscykeln kommer glassfärerna att säkras på platsen, och fantomen kan användas i rumstemperatur. Slutligen är det viktigt att formar är noggrant förseglade (t.ex. med tejp) innan PVA-c tillsätts, för att minimera läckage av blandningen genom luckor där den separata biten av mögel sammanfogade.
Protokollet har flera begränsningar. Till exempel krävs viss specialutrustning, inklusive ett vattenbad och en elektronisk omrörare. En soniker används också som en del av detta protokoll, men ultraljudsbehandling steg (5.1.3) skulle kunna ersättas med ytterligare elektronisk omrörning; dock med detta alternativ, det skulle ta längre tid att uppnå en homogen blandning än vad som är möjligt med användning av ultraljudsbehandling. En begränsning av PVA-c är att det bryts ned med tiden och blir möglig. Tillsats av kaliumsorbat, som beskrivs här, ökar fantomens hållbarhet, även om den fortfarande måste hållas i en lufttät behållare. En andra begränsning av PVA-c är att freeze-töcykler krävs, vilket ökar den tid som krävs för att göra en fantom. För att minimera fantom tillverkningstid, en viktig hänsyn är hastigheten på frysning och upptining; när fantomen antingen är helt fryst eller helt tinad, påverkar den tid som den förblir i det tillståndet inte signifikant den slutligafantomen 16,30. Därför kan de använda cykellängderna varieras, förutsatt att fantomen är helt frusen och tinas i varje steg i cykeln. Till exempel är tumören i fantomen i denna studie mycket liten, så kortare cykler kan användas för tumören än för hjärnan. Slutligen är 3D-utskrift av formar och skalle en tidskrävande process som förbrukar en betydande del (3 dagar) av den totala tiden (1 vecka) som krävs för att fabricera en fantom med detta protokoll. Skrivaren som användes var en kommersiell modell från 2018; utskriftsprocessen kunde slutföras i kortare tidsramar med användning av nyare, snabbare skrivare.
Hjärnan fantom presenteras här skulle kunna användas direkt för klinisk utbildning och validering av neuronavigation system. Som vävnaden härma material, gör PVA-c det resulterande fantomen kan användas upprepade gånger, till exempel som ett utbildningsverktyg eller för validering av intraoperativt ultraljud i vestibulära schwannoma kirurgi, eftersom det är en varaktig och giftfri material. Som sådan är fabriceringsmetoden komplement till de som tidigare beskrivits där 3D-utskrift användes för att skapa patientspecifika hjärnstomvar20,21,22,23,24,25. Användningen av PVA-c som TMM gör fantomen lämplig för användning vid simulering av neurokirurgi, eftersom materialet tål upprepad manuell manipulation och kontakt från en ultraljudssond. Detta arbete lägger fram scenen för ytterligare kvantitativa valideringsstudier. Den fantommetod som beskrivs här är mycket mångsidig och skulle kunna användas för att fabricera många typer av patientspecifika tumörfantomer, som sträcker sig från hjärnan till andra organ, med kompatibilitet över flera bildframställning modaliteter.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att deklarera.
Acknowledgments
Författarna tackar Daniil Nikitichev och Steffi Mendes för deras råd om hur du använder Meshmixer och Fernando Perez-Garcia för hans råd om hur du använder 3D Slicer och för att ge oss kod för att automatisera några av bearbetningsstegen.
Detta arbete stöddes av Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] och National Brain Appeal [NBA / NSG / SBS] finansiering. TV stöds av en Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Ordförande [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 |
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).
