Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Patient-specifikke Polyvinyl Alkohol Phantom Fabrikation med ultralyd og X-Ray Kontrast til brain tumor kirurgi planlægning

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

Summary

Denne protokol beskriver fremstilling af en patient specifik kraniet, hjernen og tumor fantom. Det bruger 3D-print til at skabe forme, og polyvinyl alkohol (PVA-c) bruges som væv efterligne materiale.

Abstract

Fantomer er vigtige redskaber til klinisk træning, kirurgisk planlægning og udvikling af nyt medicinsk udstyr. Det er dog udfordrende at skabe anatomisk præcise hovedtomtomtegn med realistiske hjernebilledegenskaber, fordi standardfabrikationsmetoder ikke er optimeret til at replikere patientspecifikke anatomiske detaljer, og 3D-printmaterialer ikke er optimeret til billeddannelsesegenskaber. For at teste og validere en ny navigationssystem til brug under hjernetumor kirurgi, en anatomisk præcis fantom med realistiske billeddannelse og mekaniske egenskaber var påkrævet. Derfor blev der udviklet et fantom ved hjælp af reelle patientdata som input og 3D-printning af forme for at fremstille et patientspecifikt hovedtomtom, der omfatter kraniet, hjernen og tumoren med både ultralyd og røntgenkontrast. Fantomet havde også mekaniske egenskaber, der tillod fantomvæv, der skal manipuleres på samme måde som, hvordan humant hjernevæv håndteres under operationen. Fantomet blev testet under en kirurgisk simulering i en virtuel operationsstue.

Fantomfabrikationsmetoden bruger kommercielt tilgængelige materialer og er nem at reproducere. 3D-printfilerne kan let deles, og teknikken kan tilpasses til at omfatte mange forskellige typer tumor.

Introduction

Fantomer efterligne de specifikke egenskaber af biologiske væv er en nyttig ressource for forskellige eksperimentelle og undervisning applikationer. Vævs efterlignende fantomer er afgørende for at karakterisere medicinsk udstyr forud for dereskliniske anvendelse 1,2 og anatomiske fantomer bruges ofte i uddannelsen af medicinsk personale i alle discipliner3,4,5,6,7. Patientspecifikke anatomiske fantomer lavet med passende vævs-efterligne egenskaber er ofte en kritisk del af testmiljøet og kan øge tilliden hos klinikere, der er ved at lære at bruge en ny enhed8. Men høje produktionsomkostninger og komplekse fabrikationsprocesser udelukker ofte rutinemæssig brug af patientspecifikke fantomer. Her er en metode beskrevet for fremstilling af en holdbar, patient-specifikke hjernetumor model ved hjælp af let tilgængelige, kommercielle materialer, som kan bruges til uddannelse og validering af intraoperativ ultralyd (US) ved hjælp af edb-tomografi (CT) billeddannelse. Fantomet beskrevet i denne undersøgelse blev oprettet ved hjælp af data fra en patient med en vestibulær schwannoma (en godartet hjernetumor som følge af en af de balancenerver, der forbinder hjernen og det indre øre), som efterfølgende gennemgik kirurgi og tumor resektion via en retrosigmoid suboccipital kraniotomi10. Fantomet blev udviklet for at teste og validere et integreret intraoperativt navigationssystem til brug under denne type hjernetumorkirurgi.

For at være egnet til denne ansøgning, hjernen tumor fantom skal have flere vigtige egenskaber. For det første bør det være lavet af ikke-giftige materialer, så det kan sikkert bruges i en klinisk uddannelse miljø. For det andet bør det have realistiske billeddannelse egenskaber; til den påtænkte anvendelse omfatter disse specifikt ultralyddæmpning og CT-kontrast. For det tredje bør det have lignende mekaniske egenskaber til humant væv, så det kan håndteres på samme måde. For det fjerde bør fantomet være baseret på reelle patientdata, så det er anatomisk korrekt og kan bruges til kirurgisk planlægning og træning. Endelig skal de anvendte materialer være holdbare, så fantomet kan bruges gentagne gange.

Generelt afhænger det vævs efterlignende materiale og fremstillingsmetode, der er valgt til et fantom, af den påtænkte anvendelse. For stive strukturer som kraniet, bør den valgte egenskab ikke deformere eller være vandopløselige, og det bør være i stand til at opretholde et nøjagtigt niveau af anatomiske detaljer med gentagen brug; Dette er især vigtigt, når du bruger fantomet til eksperimenter, hvor billedregistrering anvendes, og til kirurgiske simuleringsformål. Mineralolie baserede materialer såsom gel voks har været lovende for ultralyd9,11,12 og fotoakustisk13 billeddannelse applikationer, men når de udsættes for gentagne mekaniske deformation de bliver smuldrende, så kan ikke modstå udvidet brug, især med standard mikrokirurgiske neurokirurgi instrumenter. Agar og gelatine er vandige materialer, der også er almindeligt anvendt som væv-efterligne materialer. De tilsætningsstoffer, der er nødvendige for at justere de akustiske egenskaber af disse materialer ervelkendte 14,men de har begrænset mekanisk styrke og er ikke særlig holdbare, så er ikke egnet til denne ansøgning, hvor fantomet skal håndteres gentagne gange.

Polyvinyl alkohol cryogel (PVA-c) er et populært valg af væv-efterligne materiale, fordi dens akustiske og mekaniske egenskaber let kan indstilles ved at variere sin fryse-tø cykler. Det er blevet påvist , at PVA-c's egenskaber svarer til egenskaberne for blødt væv15,16,17,18. PVA-c-baserede hjernetomtomer er blevet anvendt med succes til ultralyd og CT-billeddannelse19. Materialet er stærkt nok til at blive brugt gentagne gange, og det har en høj grad af elasticitet, så fantomvæv lavet af PVA-c kan manipuleres uden at blive permanent deformeret. Polylaktisk syre (PLA) er et let tilgængeligt stift materiale og blev brugt til fremstilling af kraniet, men et andet trykmateriale kan anvendes i stedet for PLA, hvis det har lignende mekaniske egenskaber og ikke er vandopløseligt.

Især hjernetomtomater er blevet fremstillet ved hjælp af forskellige metoder, afhængigt af graden af kompleksitet, der kræves, og detvæv,der skal replikeres20,21,22,23. Normalt er en støbeform anvendes, og flydende væv-efterligne materiale hældes i det. Nogle undersøgelser har brugt kommercielle forme24, mens andre bruger 3D-printede brugerdefinerede forme af en sund hjerne, og simulere hjernelæsioner ved at implantere markør kugler og oppustelige katetre19,25. Så meget som forfatteren ved, er dette den første rapport fra en 3D-printet patientspecifik hjernesvulstommodel skabt med vævs efterlignende ultralyd og røntgenegenskaber. Den samlede fabrikation visualiseres af rutediagrammet i figur 1; hele processen tager omkring en uge at fuldføre.

Protocol

Denne undersøgelse blev gennemført i overensstemmelse med principperne i Helsingfors-erklæringen og blev godkendt af NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Informeret samtykke blev indhentet, og alle billeddannelsesdata blev fuldstændig anonymiseret før analyse.

1. Data

  1. Få præoperativ kontrast-forbedret T1-vægtet Magnetic Resonance Imaging (MR) og volumetriske computertomografi (CT) data.
    1. Hvis erhvervet i Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) format, konvertere til Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) format til behandling og analyse.
  2. Få data om intraoperativ ultralyd.

2. Segmentering

  1. Installer software til at segmentere patientdata med.
  2. Kraniet segmentering
    BEMÆRK: De trin, der er involveret i segmentering af kraniet bredt følge dem, der er skitseret af Cramer og Quigley27https://radmodules.com/, men er tilpasset til at skabe en passende størrelse kraniotomi.
    1. Indlæs patientens volumetriske CT-scanning i segmenteringssoftware, åbn segmenteditormodulet, og opret ny segmentering med navnet 'Skull'.
    2. Brug funktionen 'Threshold' til at fremhæve kraniet.
    3. Fjern uønskede segmenteringer (f.eks. hudforkalkninger, underkæbe, C1/2, styloidproces, CT-patientrammen og eventuelle anmærkninger, der er indlejret i billedet). Brug funktionen 'Saks' til at fjerne dele, når du ser modellen i 3D, og gør brug af 'Islands' funktion efter manuelt at have frakoblet uønskede strukturer ved hjælp af funktionen 'Slet'.
    4. Ret manuelt eventuelle huller i segmenteringen, som blev overset under tærskelværdierne ved hjælp af funktionerne 'Paint' og 'Draw' (f.eks. lamina papyracea, den kortikale kant af mastoidknoglen og ethmoid knoglen).
    5. Brug funktionerne 'Paint' og 'Draw' til at udfylde foramen magnum og skabe en 5 mm fremspringende spike, hvorpå den nederste del af fantommodellen kan sikres.
      BEMÆRK: Placeringen af spike bestemmes bedst på koronale og sagittale billede planer.
    6. Anvend funktionen 'Udjævning'' . Brug en median udjævningsindstilling på 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixel) for at minimere mængden af mistede detaljer.
      BEMÆRK: Hvis fantommodellen skal indeholde et komplet intakt kranium (f.eks. for at lette kirurgisk simulering af at skabe en passende beliggende kraniotomi), skal du gå til trin 2.2.15; Hvis der kræves kraniotomi i modellen, skal trin 2.2.7 til 2.2.14 dog udføres.
    7. Klik på' Tilføj' for at tilføje en ny segmentering og navngive den 'Skull Craniotomy'.
    8. I modulet 'Segmentering' skal du kopiere segmenteringen 'Kranie' til 'Kranietomi' ved hjælp af fanen 'Kopier/flyt segmenter'.
      BEMÆRK: Både segmenterne 'Skull' og 'Skull Craniotomy' er nødvendige for at kunne udføre de funktioner, der er beskrevet i trin 2.2.9 til 2.2.13
    9. Brug funktionen 'Saks 'til at fjerne en passende størrelse kraniotomi i 'Skull Craniotomy'.
      BEMÆRK: Oprettelse af kraniotomi på denne måde vil også fjerne en ekstra del af kraniet på den modsatte side dermed behovet for trin 2.2.11 til 2.2.14.
    10. Klik på 'Tilføj', og tilføj en ny segmentering. navngive det 'Craniotomy Only'.
    11. I 'Craniotomy Only' skal du vælge segmenteringen 'Skull Craniotomy' og bruge funktionen 'Logisk operator'til at trække 'Kranietomi' fra 'Skull'.
    12. Brug funktionen 'Saks' til at slette alt undtagen den ønskede kraniotomi på den korrekte side af tumoren, hvilket sparer 'Kun craniotomy'.
    13. I 'Skull Craniotomy' skal du bruge funktionen 'Logisk operator'til kun at trække 'Craniotomy' fra 'Skull' og gemme.
    14. Åbnmodulet 'Segmenteringer', og eksportér 'Skull Craniotomy' som en STL-fil (Stereolithography).
    15. Åbn 3D-modelleringssoftwaren, og importer STL-filen 'Skull Craniotomy'.
      BEMÆRK: Hvis modellen vises i stribet pink, skal funktionen 'Flip Normals' fuldføres ved at vælge hele modellen (Vælg | Dobbeltklik) og derefter 'Rediger | Flip Normals'. Modellen bliver nu grå og kan redigeres. Kontroller,at ' Vis objekter Browser' er slået til.
    16. Reducer antallet af trekanter for at forbedre beregningstiden.
    17. Vælg hele modellen(Vælg | Dobbeltklik bliver modellen orange) og derefter 'Rediger | Reducer'. Funktionen 'Reducer 'er indstillet til 50 %, så gentag, indtil den ønskede reduktion er opnået. Mål for et samlet antal trekanter < 500.000.
    18. Anvend funktionen 'Udjævning' sikrer, at feltet 'Shape Preserving' forbliver markeret. Vælg hele modellen og derefter 'Deform | Glat'.
    19. Klik på'Analyse' og derefter 'Inspector'og brug denne funktion til at registrere eventuelle små fejl i modellen, og klik på auto-reparation (foreslå 'Flat-fill' valg).
    20. Klip 'Skull' for at oprette en top og bund ved hjælp af 'Edit /Plane' cut-funktionen. Vælg ' Behold begge udsnit ' og 'Remeshed 'udfyldningstype. Skift kraniet til gennemsigtig med 'Shaders' funktion for at give et bedre internt overblik over kraniet og justere flyet, så det er parallelt med kraniet base.
    21. Adsk> Skaller ved at vælge' Rediger | Adskjà ̧geskaller ' og omdøbe 'Skull_Top' og 'Skull_Bottom' i objektbrowseren.
      BEMÆRK: Flyt ikke deres positioner. Klik på øjeikonet for at fjerne det ene eller det andet fra visningen.
    22. Klik på'Meshmix' og vælg derefter 'Cylinder' forat oprette et dyvel og redigere størrelse til 4 mm × 10 mm × 4 mm ('Rediger | Transformering«). Skjul 'Skull_Bottom' ved at klikke på øjeikonet for at fjerne det fra visningen.
    23. Vælg 'Rediger | Juster' fly. Der vises en ekstra gennemsigtig cylinder. I vinduet'Juster' skal du vælge 'Surface point' (venstre klik på gennemsigtig cylinder) for 'Kilde' og 'Surface point' (Skift + venstre klik undersiden af 'Skull_Top') for 'Destination'.
    24. Brug af 'Rediger | Omdan' funktion flytte dyvel i kraniet ved hjælp af den grønne pil og justere position med blå og røde pile. Omdøb 'Dowel_Anterior'.
    25. I objektbrowseren skal du tage 3 kopier og omdøbe 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' og 'Dowel_Right'.
    26. Flyt hvert dyne til den ønskede placering ved hjælp af 'Rediger | Transformer' funktion.
      BEMÆRK: Bevæg eller rediger ikke dyvelens position i det grønne plan.
    27. Opret kopier af hver, men opbevar alle kopier på samme sted og opret en ekstra dyvel og tilpas størrelsen til 3 mm × 10 mm × 3 mm. Omdøb 'Dyvel'.
    28. Opret huller til dyvler i kraniet ved hjælp af funktionen'Boolean Difference'. Vælg 'Skull_Top' først, og vælg derefter et dyvel i objektbrowseren. I fanen 'Boolesk forskel' skal du sørgefor, at ' Auto-reducer' er slukket. Gentag for hver dyvel igen.
    29. Skjul 'Skull_Top' og se 'Skull_Bottom' og gentag ovenstående 'Booleske Forskel'funktion for hver dyvel efter tur.
    30. Eksporter 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' og 'Dwel' som separate binære STL-filer.
  3. Segmentering af hjernevæv
    1. Upload kontrasten forbedret T1 MR i hjernen til at http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF og downloade sit output. Dette er et open source-pakkeværktøj til T1-vægtede billeder, der anvender en GIF-algoritme (Geodesic Information Flow)28 til at udføre hjerneudvinding og vævssegmentering.
    2. Åbn segmenteringssoftwaren, og indlæs den fordærvne T1 MRI- og GIF-pakkelagringsudgangsfil.
    3. Åbn modulet 'Segmenteditor', og opret en ny segmentering.
    4. Vælg de relevante etiketter, og kombiner dem til en enkelt segmentering. For eksempel kan cerebral og diencephalon etiket kort kombineres for at skabe en model, benævnt 'Brain' og midbrain, hjernestamme, lillehjernen og vermian strukturer kan kombineres for at skabe en anden model benævnt 'Cerebellum'.
    5. Brug funktionen 'Udjævning' (foreslået median 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixel).
    6. Brug funktionen 'Saks 'til at fjerne uønskede eller fejlagtige segmenteringer.
    7. Gem 'Brain' og 'Cerebellum' segmenteringer.
    8. Åbn 'Segmenteringer' modul og eksport 'Brain' og 'Cerebellum' som STL filer.
  4. Tumor segmentering
    1. Åbn segmenteringssoftwaren, og indlæs kontrasten forbedret T1 MRI.
    2. Åbn modulet 'Segmenteditor', og opret en ny segmentering med navnet 'Tumor'.
    3. Brug funktionen 'Threshold' til at fremhæve tumoren.
    4. Ret segmenteringen ved hjælp affunktionerne' Paint ', 'Draw' og 'Erase'.
    5. Funktionen 'Udjævning' (foreslået median 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixel).
    6. Opret en ny segmentering med navnet 'Cerebellum_Tumor'.
    7. Kombiner 'Cerebellum' model og 'Tumor' ved hjælp af'Logiske operatorer | Tilføj' funktion.
    8. Gem 'Tumor' og 'Cerebellum_Tumor' segmenteringer.
    9. Åbn 'Segmenteringer' modul og eksport 'Tumor' og 'Cerebellum_Tumor' som STL filer.
      BEMÆRK: I slutningen af segmenteringsprocessen findes følgende filer: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Cerebellum', 'Tumor', 'Cerebellum_Tumor'.

3.3D trykning af hjerne / tumor forme og kraniet

  1. Opret hjernen og tumor forme
    1. Opdel segmenteringen 'Brain' i to halvkugler ved hjælp af værktøjet 'Plane cut' i 3D-modelleringssoftware.
    2. Gem hver halvkugle som en separat STL fil 'Brain højre' og 'Brain venstre'.
    3. Importer STL-filen 'Tumor' til CAD-software (Computer Aided Design).
    4. Klik på 'mesh' fanen og derefter bruge 'Reduce' funktion til at reducere størrelsen af modellen, så det kan håndteres af programmet - målet er at reducere størrelsen så meget som muligt, samtidig med at alle de nødvendige detaljer.
    5. Klik på fanen'massiv' og brug værktøjet 'Mesh to BRep' til at konvertere den importerede maske til en krop, der kan manipuleres. Hvis denne handling ikke kan fuldføres, blev masken ikke reduceret nok i trin 3.1.3.
    6. Klik på' Opret' så 'Box' og tegne en boks omkring tumoren. Vælg for at oprette dette som en 'Ny krop' og rotere visningen for at sikre boksen helt omslutter tumoren på alle sider.
    7. I fanen rediger skal du bruge værktøjet 'Kombiner' til at skære tumoren (den 'Tool Body') fra boksen ('Target Body'). Dette vil derefter efterlade en kasse med en hul form af tumoren inde i den.
    8. Kontroller, at den udhulede boks er til stede. Skær denne boks i et passende antal stykker, så når formen er fyldt, kan det blive værdsat fra hinanden uden at beskadige fantom indeni. For tumoren her, er det nok at opdele boksen i to, men for de andre dele af fantomet, flere stykker er nødvendige.
    9. Opret fly gennem kassen på de steder, at formen skal skæres. Klik på' Construct' then 'Midplane' for at oprette et plan gennem midten af boksen. Højreklik på det oprettede plan, og vælg 'Offset Plane' for at placere flyet mere præcist.
    10. Brug funktionen 'Split Body' i fanen 'Rediger' til at opdele formen langs de oprettede planer.
    11. Flyt de enkelte stykker af formen, ved at højreklikke og vælge 'Flyt / Kopier', så alle brikkerne vender udad.
    12. Tilføj nitter til ansigterne på hvert stykke af formen (så det kan passe sikkert sammen), ved at klikke på 'Opret skitse' så ' Centerdiameter cirkel' og på hvert ansigt, tegning små cirkler. Højreklik derefter 'Extrude' disse cirkler udad et par millimeter på den ene side og ekstrudere dem indad på det tilsvarende ansigt.
      BEMÆRK: De cirkler, der ekstruderes indad, skal være lidt større - ca. 1,5 mm - end dem, der ekstruderes udad, så de passer tæt sammen.
    13. Gem hvert stykke af formen som en separat STL-fil.
    14. Gentag trin 3.1.4 til 3.1.14 for 'Brain venstre', 'Brain højre' og 'Cerebellum tumor'.
      BEMÆRK: Brug af filen 'Cerebellum tumor' snarere end blot 'Cerebellum' for at skabe formen betyder, at formen vil have en plads i det for tumor, der skal indsættes under opførelsen.
  2. Udskriv 3D-forme
    1. Installer eller åbn 3D-udskrivningssoftware.
    2. Åbn STL-filen for hvert stykke af formen i tryksoftwaren, og roter den, så den ligger fladt mod byggepladen. Det er muligt at tilføje flere mug stykker til byggepladen og til at udskrive disse samtidigt.
    3. Vælg en stor laghøjde (ca. 0,2 mm) og lav infillværdi (ca. 20 %) for hurtigere udskrivning. Udskriv forme ved hjælp af et stift materiale som polylaktisk syre (PLA). Hvis formene er placeret korrekt, støtte materiale er ikke nødvendigt.
  3. Udskriv kraniet
    1. Åbn filen 'Skull Top' i tryksoftwaren, og vælg en stor laghøjde (ca. 0,2 mm) og lav infillværdi (ca. 20 %).
    2. Udskriv kraniemodellen i PLA, men i modsætning til trin 3.2.3 kræves der støttemateriale, så vælg 'Tilføj support' i softwaren. PVA anvendes som støttemateriale, da det senere kan opløses væk med vand.
    3. Gentag trin 3.3.1 og 3.3.2 for 'SkullBottom'.
    4. Når toppen og bunden af kraniet er blevet trykt, nedsænkes dem i vand natten over for at opløse væk PVA støttemateriale.
      BEMÆRK: Støttematerialet opløses meget hurtigere, hvis der anvendes varmt vand, men hvis vandet er for varmt, vil det deformere den trykte PLA. Derfor er det at foretrække at bruge koldt vand og lade printet nedsænkes natten over.

4. Udarbejdelse af PVA-c

  1. Mål 200 g PVA pulver og sæt til siden.
  2. 1800 g deioniseret vand opvarmes til 90 °C, og der tilsættes en konisk kolbe på 2L.
    BEMÆRK: Vandet skal næsten koge, så PVA-pulveret let opløses, men hvis vandet når 100 °C, vil nogle gå tabt til fordampning, hvilket skal undgås.
  3. Den koniske kolbe anbringes i et temperaturkontrolleret vandbad, der er indstillet til 90 °C.
  4. Anbed en elektronisk omrører i kolben, så den ikke rører bunden eller siderne, og indstille hastigheden til 1500 omdrejninger i minuttet.
    BEMÆRK: Kontroller, at vandet går jævnt i omrøring, og at der ikke er stillestående punkter i siderne eller bunden.
  5. Gradvist tilsættes PVA pulver til den koniske kolbe, over omkring 30 min, derefter overlade det til at røre i omkring en anden 90 min. Den resulterende gel er det vævsud efterlignende materiale PVA-c.
  6. Den koniske kolbe fjernes fra vandbadet, og indholdet hældes i et bægerglas. Dæk toppen med plastfolie for at forhindre dannelsen af en hud på toppen af PVA-c. Lad PVA-c køle af til stuetemperatur (ca. 20 °C). Når den er afkølet, vil PVA-c være gennemsigtig. Bittesmå hvide krystaller kan ses i PVA-c, men eventuelle bobler, der vises på overfladen, skal forsigtigt skrabes af.
  7. Tilsæt 0,5 w / w% kalium sorbate til PVA-c som konserveringsmiddel, og manuelt røre godt.
  8. PVA-c kan efterlades ved stuetemperatur, hvis dækket i plastfolie i et par dage, før det hældes i forme.

5. Fantomsamling

  1. Mål nok PVA-c til at fylde tumorform i et bægerglas.
  2. Til PVA-c for tumoren, tilsæt 1 w/ w% glas mikrosfærer til ultralyd kontrast og 5 w / w% Barium Sulfat for X-ray kontrast, og rør i hånden.
    BEMÆRK: Det kan være nødvendigt at måle overskydende PVA-c for tumoren, så disse procenter er et målbart beløb.
  3. Sonikere bægerglasset for at sikre en ensartet blanding af tilsætningsstofferne.
  4. Lad det køle af og lad eventuelle bobler dannet undslippe, omkring 10 min, derefter skrabe eventuelle bobler fra overfladen.
    BEMÆRK: Lad ikke i længere tid, når glaskuglerne er blevet tilsat, ikke længere end ca. 10 min, før PVA-c hældes i en støbeform, da glaskuglerne vil sætte sig til bunden af bægeret. Når fantomet er blevet frosset, vil dette ikke længere være et problem, og det endelige fantom kan bruges ved stuetemperatur.
  5. Fastgør tumorform sammen (tape kan bruges til at dække sammenføjninger i formen) og hæld i PVA-c gennem hullet i toppen af formen. Lad i et par minutter for at tillade eventuelle bobler dannet i hælde processen til at flygte gennem hullet, derefter placere lige ind i fryseren.
  6. Udfør to fryse-tø cykler på tumoren; hver cyklus her består af 6 timers frysning ved -20 °C og 6 timers optøning ved stuetemperatur. Derefter forsigtigt fjerne fra mug.
  7. Placer tumoren i den tilsvarende plads til det i lillehjernen formen, derefter konstruere resten af lillehjernen formen og sikre det sammen.
  8. Til de resterende PVA-c tilføje 0,05 w / w% glas mikrosfærer, derefter gentage trin 5.1.3 og 5.1.4.
  9. Hæld PVA-c i lillehjernen formen, gør det muligt at omgive tumor, der er blevet placeret inde. Derudover hæld blandingen i forme for hver hjernehalvdel.
  10. Udfør to fryse-tø cykler på hver hjernehalvdel og lillehjernen; hver cyklus her består af 24 timers frysning ved -20 °C og 24 timers optøning ved stuetemperatur.
    BEMÆRK: Cykler med 12 timers frysning efterfulgt af 12 timers optøning også effektiv, så fantomet kan skabes på kortere tid. 24 timer blev valgt for nem anvendelse, for at undgå at vende tilbage til laboratoriet hver 12 timer.
  11. Når fantomerne er optøet for anden gang, skal du forsigtigt fjerne dem fra formene og placere sig i det trykte kranium.
    BEMÆRK: Når de færdige PVA-c-fantomer ikke er i brug, skal de opbevares i en lufttæt beholder i køleskabet og opbevares i et par uger på denne måde
  12. For færdiggørelse, placere 'Cerebellum tumor' fantom på spike i bunden af 'Skull Bottom' model. Modellerne af to hjernehalvdel ('Hjerne til venstre' og 'Hjerne til højre') placeres øverst og syr ind i den øverste del af 'Cerebellum tumor'.
  13. Placer de fire dyvler i hvert rum på 'Skull Bottom'-modellen, og placer 'Skull Top'-modellen på toppen. Hvis det er nødvendigt, kan modellen derefter manøvreres i den ønskede position til at simulere intraoperativ brug i kirurgi.

6. Fantombilleder

  1. Ultralydsscanning
    1. Påfør ultralydgel på billedsonden.
      BEMÆRK: Gel anvendes ikke intraoperativt, men kan anvendes i simulering og ændrer ikke den kliniske arbejdsgang eller kvaliteten af de erhvervede billeder væsentligt.
    2. Billede hjernen og tumor gennem kraniotomi, med en klinisk scanner og burr hul sonde.
  2. CT-billeddannelse
    1. Billede hele fantomet i en CT-scanner.

Representative Results

Efter den beskrevne protokol, en anatomisk realistisk fantom blev fremstillet, som består af en patient-specifikke kranium, hjerne og tumor. De relevante anatomiske strukturer for fantomet (kraniet, hjernen, tumoren) er segmenteret ved hjælp af patient MR-scanning og CT-data (Figur 2a,b). Patientens intraoperative ultralydsdata (Figur 2c; Figur 2d viser det samme billede som Figur 2c, men med tumoren skitseret) blev brugt til at sammenligne fantombilleder til den virkelige patient billeder.

Masker blev skabt for hvert stykke af modellen (Figur 3), og disse blev derefter brugt til fremstilling af 3D-forme. Formene blev let trykt på et trykkeri og samlet ved at stikke brikkerne sammen. Lillehjernen formen var den mest komplekse at designe og samle (Figur 4). Kraniet (Figur 5a) var den sværeste del at udskrive, da det krævede støtte materiale, så var en langsom proces; hele udskriften tog i alt tre dage at fuldføre, hvilket er en begrænsende faktor i protokollen.

Den færdige fantom( Figur 5) var en realistisk model af en patient kranium, hjerne og tumor. De to hjernehalvdel (Figur 5b) blev produceret separat, og har et realistisk udseende, og byder på gyri og sulci af hjernen. Hele fantomet er hvidt i farven, da dette er den naturlige farve PVA-c; dette kan nemt ændres ved at tilføje farvestof, men var ikke nødvendigt for ansøgningen. Lillehjernen (Figur 5c) passer komfortabelt ind i bunden af det trykte kranium og hjernehalvdel sidder oven på dette. Tumoren er let synlig i lillehjernen, som den ekstra kontrast tilføjet til tumoren resulterer i at det er en off-white farve, der adskiller det fra det omgivende materiale, som er det sikkert knyttet til.

Fantomet blev afbildet med både CT og ultralyd (Figur 6a,b). Bariumsulfat blev brugt til at give tumoren passende CT kontrast, og fantombilledet (Figur 6a)viser, at dette blev opnået, da tumoren er klart visualiseret. Kraniet blev ikke trykt med 100% infill, for at reducere den tid, det tog at udskrive. Derfor ser kraniet ikke helt realistisk ud i CT-billederne, fordi gitterstrukturen af printet kan ses. Dette er ikke et problem for ansøgningen, da kun omridset af kraniet er nødvendig for neuronavigation system. Kraniet kunne udskrives med 100% infill for at undgå denne reducerede nøjagtighed af CT-billedet, men ville tilføje tid på trykprocessen. Glas mikrosfærer blev tilføjet til lillehjernen, hjernehalvdel og tumor for ultralyd kontrast. Resultaterne viser, at tumoren også er synlig med ultralydsscanning (Figur 6b)og kan skelnes fra det omgivende væv. Ved besigtigelse viser ultralydsbillederne fra fantomet (Figur 6b), og dem, der er fremkommer fra patienten (Figur 2c), at de kontrastmidler, der blev anvendt i fantomet, var effektive til at skabe realistiske billedegenskaber.

Fantomet blev testet under kirurgisk simulering i en virtuel operationsstue( Figur 7). Fantommodellen blev placeret på det kirurgiske operationsbord ved hjælp af en standard kranieklemme, og CT-scanningen af fantomet blev registreret ved hjælp af et klinisk neuronavigationssystem. En retrosigmoid tilgang til tumoren blev simuleret og tumoren blev afbildet ved hjælp af et klinisk ultralydssystem med en burr hul ultralyd transducer. Under den kirurgiske simulering viste fantommodellen sig at være stabil, og der blev ikke observeret nogen skade ved at manipulere fantomet på samme måde som den menneskelige hjerne ville være under denne procedure, så den kunne bruges gentagne gange under de samme forhold.

Figure 1
Figur 1: Rutediagram for at vise de trin, der kræves for at gøre en patient specifik PVA-c hjerne fantom. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Patientdata, der bruges til at oprette fantommodel. Datakilder til en patient med en venstresidet vestibulær schwannoma: ( a )aksialkontrast-forstærket T1-vægtet MR, hvid pil peger mod tumor; b) aksial ikke-kontrast CT-scanning vindue for at fremhæve knogle, hvid pil peger mod en udvidet intern auditiv meatus forårsaget af tumoren; c) intraoperativt ultralydsbillede opnået under en vestibulær schwannomaoperation d) kommenteret intraoperativt ultralydsbillede Equation 1 : tumor (hyperechoisk på ultralyd), Equation 4 : hjerne (lillehjernen). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Fuldførte masker for hver sektion af fantomet. STL-maske til (a,b) Equation 2 kranium: venstresidet retrosigmoid kraniotomi; c,d) hjernehalvdel (e,f)tumor og lillehjernen, Equation 1 : tumor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: 3D trykt lillehjerneform. 3D trykt lillehjernen skimmel fuldt konstrueret (øverst til venstre) og de separate stykker, som er nummereret fra 1 til 4. Hullet i stykke 2 (angivet med 'H') gør det muligt at hælde PVA-c i formen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: Fuldført fantom. Den færdige fantom (a)kranium( b ) fantom med kraniet top fjernet: Equation 2 : retrosigmoid kraniotomi, Equation 1 : tumor, hjerne Equation 4 (lillehjernen), Equation 5 hjernen (højre cerebral halvkugle); (c) lillehjernen og tumor: Equation 1 : tumor, hjerne Equation 4 (lillehjernen). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: CT- og ultralydsbilleder erhvervet med fantomet. (a)Axial CT billede af komplet fantom gennem niveauet af kraniet base og tumor, (b) Intraoperativ ultralyd billede af fantom erhvervet med burr hul ultralyd sonde gennem retrosigmoid kraniotomi i et plan omtrent vinkelret på kraniet (Simulering kirurgi, lillehjernen blev trukket lidt tilbage for at billedet direkte på tumoren). Equation 1: tumor, Equation 4 hjerne (lillehjernen), Equation 2 : venstresidet retrosigmoid kraniotomi. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: Test af fantomet under kirurgisk simulering. Test af fantommodellen gennem kirurgisk simulering på en virtuel operationsstue. Equation 6: neuronavigation system viser den registrerede scanning af CT phantom model, Equation 3 : ultralyd system, der anvendes til at billedet fantom med en burr hul ultralyd transducer (set placeret ved siden af ultralydmonitor). Bemærk modellen afbilledet her er baseret på data erhvervet fra forskellige patient med en højresidet tumor. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Denne protokol beskriver fabrikationsprocessen af en patient specifik hjerne fantom, som omfatter kraniet, hjernen, og vestibulære schwannoma tumor. 3D-printmetoder gjorde det muligt at opnå anatomisk nøjagtige detaljer. Fantomet beskrevet her blev med succes fremstillet med det ønskede niveau af anatomiske detaljer; CT og ultralyd imaging blev brugt til at påvise, at tumoren var let visualiseret med begge modaliteter. Vævet efterligne materiale, PVA-c, er veletableret som et væv-efterligne materiale til ultralydtomtomre; dens akustiske og mekaniske egenskaber kan indstilles med tilsætningsstoffer og antallet af fryse-tø cykler. Materialet er let tilgængeligt, enkelt at bruge og ikke-giftigt. Ved gentagen brug havde fantomet tilstrækkelig holdbarhed til at modstå manipulation og kontakt med en ultralydssonde under fysiske simuleringer af vestibulær schwannomaoperation.

Flere vigtige skridt blev identificeret som værende afgørende for fremstillingsprocessen. For det første skal segmenteringen af strukturer til optagelse i fantomet omfatte det ønskede niveau af anatomiske detaljer. Oprettelsen af nøjagtige STL filer og 3D forme derefter følger naturligt. For det andet skal placeringen af fly i lillehjernen i trin 3.1.9 overvejes nøje, således at fantomet let kan fjernes uden skader; det skal skæres i nok stykker til at tillade anatomiske detaljer, der skal bevares, samtidig med at fantomet skal fjernes uden at sidde fast i formen. I dette tilfælde blev flere iterationer testet og endelig formen blev skåret i fire separate stykker. Den tredje vigtige overvejelse er, at PVA-c under fremstillingsprocessen (afsnit 4) skal overlades til stuetemperatur (trin 4.1.6). Hvis dette trin er savnet og varm PVA-c er føjet til forme, kan det forårsage forme til at smelte eller fordreje. Det er også afgørende, at når glaskuglerne er tilsat (trin 5.1.2 til 5.1.4), er PVA-c ikke overladt til at sidde i mere end omkring 10 minutter; hvis venstre i en længere periode, vil glaskuglerne bosætte sig til bunden, og den resulterende fantom vil have inhomogen ultralydskontrast29. Når glaskuglerne er tilsat, skal PVA-c tilsættes direkte i formene og placeres i fryseren. Efter den første frysecyklus fastgøres glaskuglerne på stedet, og fantomet kan bruges ved stuetemperatur. Endelig er det vigtigt, at formene er omhyggeligt forseglet (f.eks med tape), før PVA-c tilsættes, for at minimere lækage af blandingen gennem huller, hvor den separate stykke af formen sluttede sammen.

Protokollen har flere begrænsninger. For eksempel er nogle specialudstyr påkrævet, herunder et vandbad og en elektronisk omrører. En soniker bruges også som en del af denne protokol, men sonikeringstrinnet (5.1.3) kan erstattes med yderligere elektronisk omrøring; Men med dette alternativ ville det tage længere tid at opnå en homogen blanding, end det er muligt ved brug af sonikering. En begrænsning af PVA-c er, at det nedbrydes over tid og bliver mugne. Tilføjelsen af kaliumsorbat, som beskrevet her, øger fantomets holdbarhed, selv om det stadig skal opbevares i en lufttæt beholder. En anden begrænsning af PVA-c er, at fryse-tø cykler er påkrævet, hvilket øger den tid, der kræves for at gøre et fantom. For at minimere fantom fabrikation tid, en vigtig overvejelse er hastigheden af frysning og optøning; når fantomet enten er helt frosset eller helt optøet, påvirker den tid, det forbliver i denne tilstand, ikke i væsentlig grad det endelige fantom16,30. Derfor kan de anvendte cykluslængder varieres, forudsat at fantomet er helt frosset og optøet på hvert trin i cyklussen. For eksempel, tumoren i fantomet i denne undersøgelse er meget lille, så kortere cykler kan bruges til tumor end for hjernen. Endelig 3D udskrivning af forme og kraniet er en tidskrævende proces, der forbruger en betydelig del (3 dage) af den samlede tid (1 uge), der kræves for at fremstille et fantom med denne protokol. Printeren var en kommerciel model fra 2018. udskrivningsprocessen kan afsluttes i kortere tidsrammer med brug af nyere, hurtigere printere.

Hjernetomtomtomeret her kunne bruges direkte til klinisk træning og validering af neuronavigationssystemer. Som væv efterligne materiale, PVA-c gør det muligt for den resulterende fantom, der skal anvendes gentagne gange, for eksempel som et træningsværktøj eller til validering af intraoperativ ultralyd i vestibulær schwannoma kirurgi, da det er en holdbar og ikke-giftigt materiale. Som sådan er fremstillingsmetoden et supplement til dem, der tidligere er beskrevet, hvor 3D-print blev brugt til at skabe patientspecifikke hjernetomtomtegn20,21,22,23,24,25. Brugen af PVA-c som TMM gør fantomet egnet til brug i simulering af neurokirurgi, da materialet kan modstå gentagne manuel manipulation og kontakt fra en ultralydssonde. Dette arbejde sætter scenen for yderligere kvantitative valideringsundersøgelser. Den fantom metode, der er beskrevet her, er meget alsidig og kan bruges til at fremstille mange typer af patientspecifikke tumortomtomer, der strækker sig fra hjernen til andre organer, med kompatibilitet på tværs af flere billeddannelse modaliteter.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at erklære.

Acknowledgments

Forfatterne takker Daniil Nikitichev og Steffi Mendes for deres råd om brug meshmixer og Fernando Perez-Garcia for hans råd om at bruge 3D Slicer og for at give os kode til at automatisere nogle af de forarbejdningstrin.

Dette arbejde blev støttet af Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] og National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS] finansiering. TV understøttes af en Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [RCSRF1819\7\34].

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Craven, C., et al. Development of a modelled anatomical replica for training young neurosurgeons. British Journal of Neurosurgery. 28 (6), 707-712 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Hunt, A., et al. Low cost anatomically realistic renal biopsy phantoms for interventional radiology trainees. European Journal of Radiology. 82 (4), 594-600 (2013).
  8. 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).
  9. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed moulds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), (2018).
  10. Samii, M., Matthies, C. Management of 1000 vestibular schwannomas (acoustic neuromas): hearing function in 1000 tumor resections. Neurosurgery. 40 (2), 242-248 (1997).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1151 (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Khaled, W., et al. Evaluation of Material Parameters of PVA Phantoms for Reconstructive Ultrasound Elastography. 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. , 1329-1332 (2007).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), (2018).
  23. Tsai, A., et al. Creation and Validation of a Simulator for Neonatal Brain Ultrasonography: A Pilot Study. Academic Radiology. 24 (1), 76-83 (2017).
  24. Reinertsen, I., Collins, D. L. A realistic phantom for brain-shift simulations. Medical Physics. 33 (9), 3234-3240 (2006).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Cramer, J., Quigley, E. Advanced Visualization and 3D Printing. Learning Lab at the Society for Imaging Informatics in Medicine annual meeting. , (2019).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).

Tags

Bioengineering ultralydtomtomre røntgentomtomer 3D-print neurokirurgi vestibulær schwannoma polyvinylalkohol
Patient-specifikke Polyvinyl Alkohol Phantom Fabrikation med ultralyd og X-Ray Kontrast til brain tumor kirurgi planlægning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mackle, E. C., Shapey, J., Maneas,More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter