Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Pasientspesifikk polyvinylalkohol phantom fabrikasjon med ultralyd og røntgenkontrast for hjernesvulstkirurgi planlegging

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

Summary

Denne protokollen beskriver fabrikasjonen av en pasientspesifikk hodeskalle, hjerne og tumorfantom. Den bruker 3D-utskrift for å lage former, og polyvinylalkohol (PVA-c) brukes som vev etterligne materiale.

Abstract

Fantomer er viktige verktøy for klinisk trening, kirurgisk planlegging og utvikling av nye medisinske enheter. Det er imidlertid utfordrende å lage anatomisk nøyaktige hodefantomer med realistiske hjerneavbildningsegenskaper fordi standard fabrikasjonsmetoder ikke er optimalisert for å replikere noen pasientspesifikke anatomiske detaljer, og 3D-utskriftsmaterialer er ikke optimalisert for bildeegenskaper. For å teste og validere et nytt navigasjonssystem for bruk under hjernesvulstkirurgi, var det nødvendig med et anatomisk nøyaktig fantom med realistisk avbildning og mekaniske egenskaper. Derfor ble et fantom utviklet ved hjelp av ekte pasientdata som inngang og 3D-utskrift av former for å fremstille et pasientspesifikt hodefantom bestående av skallen, hjernen og svulsten med både ultralyd og røntgenkontrast. Fantomet hadde også mekaniske egenskaper som tillot fantomvevet å bli manipulert på samme måte som hvordan menneskelig hjernevev håndteres under operasjonen. Fantomet ble testet under en kirurgisk simulering i et virtuelt operasjonsrom.

Fantomfabrikasjonsmetoden bruker kommersielt tilgjengelige materialer og er enkel å reprodusere. 3D-utskriftsfilene kan lett deles, og teknikken kan tilpasses for å omfatte mange forskjellige typer svulster.

Introduction

Fantomer som etterligner de spesifikke egenskapene til biologiske vev er en nyttig ressurs for ulike eksperimentelle og undervisningsapplikasjoner. Vev-etterligne fantomer er avgjørende for å karakterisere medisinsk utstyr før deres kliniskebruk 1,2 og anatomiske fantomer brukes ofte i opplæring av medisinsk personell i alledisipliner 3,4,5,6,7. Pasientspesifikke anatomiske fantomer laget med passende vev-etterligne egenskaper er ofte en kritisk del av testmiljøet og kan øke tilliten til klinikere som lærer å bruke en ny enhet8. Høye produksjonskostnader og komplekse fabrikasjonsprosesser utelukker imidlertid ofte rutinemessig bruk av pasientspesifikke fantomer. Her er en metode beskrevet for produksjon av en holdbar, pasientspesifikk hjernesvulstmodell ved hjelp av lett tilgjengelige, kommersielle materialer, som kan brukes til opplæring og validering av intraoperativ ultralyd (US) ved hjelp av datastyrt tomografi (CT) avbildning. Fantomet som er beskrevet i denne studien ble opprettet ved hjelp av data fra en pasient med en vestibulær schwannom (en godartet hjernesvulst som oppstår fra en av balansenervene som forbinder hjernen og det indre øret) som senere gjennomgikk kirurgi og tumorrestering via en retrosigmoid suboccipital kraniotomi10. Fantomet ble utviklet for å teste og validere et integrert intraoperativt navigasjonssystem for bruk under denne typen hjernesvulstkirurgi.

For å være egnet for dette programmet må hjernesvulstfantomet ha flere viktige egenskaper. For det første bør den være laget av giftfrie materialer, slik at det trygt kan brukes i et klinisk treningsmiljø. For det andre bør det ha realistiske bildeegenskaper; for den tiltenkte applikasjonen, inkluderer disse spesielt ultralyds demping og CT-kontrast. For det tredje bør den ha lignende mekaniske egenskaper til menneskelig vev slik at det kan håndteres på samme måte. For det fjerde bør fantomet være basert på reelle pasientdata, slik at det er anatomisk nøyaktig og kan brukes til kirurgisk planlegging og trening. Til slutt må materialene som brukes være holdbare, slik at fantomet kan brukes gjentatte ganger.

Generelt avhenger vevsetterligningsmaterialet og fabrikasjonsmetoden som er valgt for et fantom, av den tiltenkte applikasjonen. For stive strukturer som skallen, bør den valgte egenskapen ikke deformeres eller være vannløselig, og den skal kunne opprettholde et nøyaktig nivå av anatomiske detaljer ved gjentatt bruk; Dette er spesielt viktig når du bruker fantomet til eksperimenter der bilderegistrering brukes og til kirurgiske simuleringsformål. Mineraloljebaserte materialer som gelvoks har vært lovende for ultralyd9,11,12 og fotoakustiske13 bildebehandlingsapplikasjoner, men når de blir utsatt for gjentatt mekanisk deformasjon, blir de friable, så kan ikke tåle utvidet bruk, spesielt med standard mikrokirurgiske nevrokirurgiske nevrokirurgiske instrumenter. Agar og gelatin er vandige materialer som også brukes ofte som vev-etterligne materialer. Tilsetningsstoffene som trengs for å justere de akustiske egenskapene til dissematerialene er velkjente 14,men de har begrenset mekanisk styrke og er ikke spesielt holdbare, så er ikke egnet for dette programmet, hvor fantomet må håndteres gjentatte ganger.

Polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) er et populært utvalg av vev-etterligne materiale, fordi dens akustiske og mekaniske egenskaper lett kan justeres ved å variere sine fryse-tine sykluser. Det har vist seg at egenskapene til PVA-c ligner på de av bløtvev15,16,17,18. PVA-c-baserte hjernefantomer har blitt brukt med hell for ultralyd og CT-avbildning19. Materialet er sterkt nok til å brukes gjentatte ganger, og det har en høy grad av elastisitet, slik at fantomvev laget av PVA-c kan manipuleres uten å bli permanent deformert. Polylaktisk syre (PLA) er et lett tilgjengelig stivt materiale og ble brukt til å produsere skallen, men et annet utskriftsmateriale kan brukes i stedet for PLA, hvis det har lignende mekaniske egenskaper og ikke er vannløselig.

Hjerne fantomer spesielt har blitt fabrikkert ved hjelp av ulike metoder, avhengig av nivået av kompleksitet som kreves og vev som må replikeres20,21,22,23. Vanligvis brukes en mugg, og flytende vev-etterlignende materiale helles i den. Noen studier har brukt kommersielleformer 24 mens andre bruker 3D-trykte tilpassede former av en sunn hjerne, og simulere hjernelesjoner ved å implantere markørkuler og oppblåsbare katetre19,25. Så vidt forfatterens kunnskap er dette den første rapporten om en 3D-trykt pasientspesifikk hjernesvulst fantommodell laget med vevs-etterligne ultralyd og røntgenegenskaper. Den totale fabrikasjonen visualiseres av flytskjemaet i figur 1; hele prosessen tar rundt en uke å fullføre.

Protocol

Denne studien ble utført i henhold til prinsippene uttrykt i Helsingfors-erklæringen og ble godkjent av NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Informert samtykke ble innhentet, og alle bildedata ble fullstendig anonymisert før analyse.

1. Data

  1. Få preoperativ kontrastforbedret T1-vektet Magnetic Resonance Imaging (MR) og volumetrisk computertomografi (CT) data.
    1. Hvis kjøpt i Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)-format, konvertere til Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) format for behandling og analyse.
  2. Få intraoperative ultralyddata.

2. Segmentering

  1. Installer programvare for å segmentere pasientdataene med.
  2. Skallen segmentering
    MERK: Trinnene som er involvert i segmentering av skallen følger bredt de som er skissert av Cramer og Quigley27https://radmodules.com/, men er tilpasset for å skape en passende størrelse kraniotomi.
    1. Last inn pasientens volumetriske CT-skanning i segmenteringsprogramvare, åpne Segment Editor-modulen og opprett ny segmentering kalt 'Skull'.
    2. Bruk'Terskel'-funksjonentil å markere skallen.
    3. Fjern uønskede segmenteringer (f.eks. hudforkalkninger, mandible, C1/2, stiloid prosess, CT pasientramme, og eventuelle merknader innebygd i bildet). Bruk'Scissors'-funksjonentil å fjerne deler når du ser på modellen i 3D og benytter'Islands'-funksjonenetter manuell frakobling av uønskede strukturer ved hjelp av 'Slett'-funksjonen.
    4. Korriger eventuelle hull i segmenteringen som ble savnet manuelt under terskel ved hjelp av'Paint'og 'Draw' funksjoner (f.eks lamina papyracea, kortikale kanten av mastoid bein og ethmoid bein).
    5. Bruk funksjonene 'Paint' og 'Draw' til å fylle ut foramen magnum og lage en 5 mm utstående pigg som den nedre delen av fantommodellen kan sikres.
      MERK: Plasseringen av spissen er best bestemt på koronar og sagittal bildeplan.
    6. Påfør'Utjevning'-funksjonen. Bruk en median utjevningsinnstilling på 1,0 mm (3 × 3 × 1 piksler) for å minimere mengden detaljer som går tapt.
      MERK: Hvis fantommodellen må inneholde en fullstendig intakt hodeskalle (f.eks. for å lette kirurgisk simulering av å skape en passende plassert kraniotomi), flytter du til trinn 2.2.15; Men hvis det kreves kraniotomi i modellen, fullfører du trinn 2.2.7 til 2.2.14.
    7. Klikk 'Legg til' for å legge til en ny segmentering og gi den navnet "Skull Craniotomy".
    8. I «Segmenteringer-modulen» kopierer du «Skallen»-segmenteringen over til «Skull Craniotomy» ved hjelp av «Kopier/flytt segmenter»,-fanen.
      MERK: Segmentasjonene "Skull" og "Skull Craniotomy" er nødvendig for å kunne utføre funksjonene som er beskrevet i trinn 2.2.9 til 2.2.13
    9. Bruk'Scissors'-funksjonentil å fjerne en kraniotomi i riktig størrelse i 'Skull Craniotomy'.
      MERK: Opprette kraniotomi på denne måten vil også fjerne en ekstra del av skallen på motsatt side derav behovet for trinn 2.2.11 til 2.2.14.
    10. Klikk på 'Legg til' og legg til en ny segmentering; navnet "Craniotomy Only".
    11. I 'Craniotomy Only' velger du segmenteringen 'Skull Craniotomy' og bruker'LogicalOperator'-funksjonen til å trekke 'Skull Craniotomy' fra 'Skull'.
    12. Bruk'Scissors'-funksjonen til å slette alt unntatt ønsket kraniotomi på riktig side av svulsten, og lagre 'Craniotomy Only'.
    13. I 'Skull Craniotomy' bruk'LogicalOperator'-funksjonen til å trekke 'Craniotomy bare' fra 'Skull' og lagre.
    14. Åpne 'Segmenteringer' modul og eksportere 'Skull Craniotomy' som en stereolitografi (STL) fil.
    15. Åpne 3D-modelleringsprogramvare og importer STL-filen 'Skull Craniotomy'.
      MERK: Hvis modellen vises i stripet rosa, fullfører du funksjonen 'Vend normaler'ved å velge hele modellen (Velg | Dobbeltklikk )og deretter 'Rediger | Flip Normals'. Modellen blir nå grå og kan redigeres. Kontroller at' Vis objekter Browser' er slått på.
    16. Reduser antall trekanter for å forbedre beregningstiden.
    17. Velg hele modellen (Velg | Dobbeltklikk svinger modellen oransje) og deretter 'Rediger | Reduser'. Standard'Reduser'-funksjonener satt til 50 % så gjenta til ønsket reduksjon er oppnådd. Sikt på et totalt antall trekanter < 500 000.
    18. Bruk 'utjevning' funksjon sikre 'Shape Bevare 'boksen forblir krysset. Velg hele modellen og deretterDeformer | Glatt'.
    19. Klikk 'Analyse' deretter 'Inspektør' og bruk denne funksjonen til å oppdage eventuelle små feil i modellen og klikk auto-reparasjon (foreslå 'Flat-fill' valg).
    20. Klipp 'Skull' for å lage en topp og bunn ved hjelp av 'Edit / Plane' cut funksjon. Velgfylltype Behold begge stykkeneog'Remeshed'fylltype. Bytt skallen til gjennomsiktig med' Shaders' funksjon for å gi en bedre intern visning av skallen og justere flyet slik at det er parallelt med skallen base.
    21. Separate skall ved å velge 'Rediger | Separate skall' og gi nytt navn Skull_Top" og "Skull_Bottom" i objektnettleseren.
      MERK: Ikke flytt posisjonene. Klikk på øyeikonet for å fjerne det ene eller det andre fra visningen.
    22. Klikk 'Meshmix' velg deretter 'Sylinder'for å opprette en plugg og redigere størrelse til 4 mm × 10 mm × 4 mm ('Rediger | Transform').). Skjul "Skull_Bottom" ved å klikke på øyeikonet for å fjerne fra visningen.
    23. Velg 'Rediger | Juster' fly. En ekstra gjennomsiktig sylinder vises. I'Juster'-vinduet velger du 'Overflatepunkt' (venstre klikk slutt gjennomsiktig sylinder) for 'Kilde' og 'Overflatepunkt' (Shift + venstre klikk under oppsving av 'Skull_Top') for 'Destinasjon'.
    24. Bruke 'Rediger | Transform' funksjon flytte pluggen inn i skallen ved hjelp av den grønne pilen og justere posisjon med blå og røde piler. Gi nytt navn til Dowel_Anterior.
    25. I objektleseren lager du 3 kopier og gir nytt navn til Dowel_Posterior", "Dowel_Left" og "Dowel_Right".
    26. Flytt hver plugg til ønsket sted ved hjelp av 'Rediger | Transform'funksjon.
      MERK: Ikke beveve eller endre posisjonen til pluggen i det grønne planet.
    27. Lag kopier av hver, men behold alle kopier på samme sted og lag en ekstra plugg og endre størrelse til 3 mm × 10 mm × 3 mm. Gi nytt navn til 'Dowel'.
    28. Lag hull for plugger i skallen ved hjelp av funksjonen'Boolsk forskjell'. Velg "Skull_Top" først, og velg deretter en plugg i objektnettleseren. I kategorien 'Boolskforskjell ' sørg for 'Auto-reduser' er slått av. Gjenta for hver plugg i sin tur.
    29. Skjul "Skull_Top" og se "Skull_Bottom" gjenta ovennevnte 'boolsk forskjell' funksjon for hver plugg i sin tur.
    30. Eksporter "Skull_Top", "Skull_Bottom" og "Dowel" som separate binære STL-filer.
  3. Segmentering av hjernevev
    1. Last opp kontrasten forbedret T1 MR i hjernen for å http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF og laste ned produksjonen. Dette er et åpen kildekode-parcelleringsverktøy for T1-vektede bilder som benytter en Geodesic Information Flow (GIF)algoritme 28 for å utføre hjerneutvinning og vevsegmentering.
    2. Åpne segmenteringsprogramvare og last inn kontrasten forbedret T1 MR og GIF parcellation output file.
    3. Åpne modulenSegmentredigering,og opprett en ny segmentering.
    4. Velg de riktige etikettene, og kombiner dem for å danne én segmentering. For eksempel kan cerebrale og diencephalon etikettkart kombineres for å lage en modell, referert til som "Brain" og midbrain, brainstem, cerebellum og vermian strukturer kan kombineres for å skape en annen modell referert til som "Cerebellum".
    5. Bruk'Utjevning'-funksjonen(foreslått median 2,00 mm, 5 × 5 × 3 piksler).
    6. Bruk'Scissors'-funksjonentil å fjerne uønskede eller feilaktige segmenteringer.
    7. Lagre 'Brain' og 'Cerebellum' segmenteringer.
    8. Åpne 'Segmenteringer' modul og eksport 'Brain' og 'Cerebellum' som STL-filer.
  4. Tumorsegmentering
    1. Åpne segmenteringsprogramvare og last inn kontrasten forbedret T1 MR.
    2. Åpne modulenSegmentredigering,og opprett ny segmentering kalt 'Tumor'.
    3. Bruk'Threshold'-funksjonentil å markere svulsten.
    4. Korriger segmenteringen ved hjelp av funksjonenePaint', 'Draw' og' Erase'.
    5. Påfør'Utjevning'-funksjonen(foreslått median 2,00 mm 5 x 5 x 3 piksler).
    6. Opprett en ny segmentering kalt Cerebellum_Tumor.
    7. Kombiner "Cerebellum" -modellen og "Tumor" ved hjelp av "Logiske operatører | Leggtil '-funksjonen.
    8. Lagre 'Tumor' og 'Cerebellum_Tumor' segmenteringer.
    9. Åpne 'Segmenteringer' modul og eksport 'Tumor' og 'Cerebellum_Tumor' som STL-filer.
      MERK: På slutten av segmenteringsprosessen er følgende filer tilgjengelige: "Skull_Top", "Skull_Bottom", "Dowel", "Brain", "Cerebellum", "Tumor", "Cerebellum_Tumor".

3.3D utskrift av hjerne / tumor former og hodeskalle

  1. Lag hjernen og tumorformer
    1. Del 'Brain' segmentering i to halvkuler, ved hjelp av 'Plane cut' verktøyet i 3D modellering programvare.
    2. Lagre hver halvkule som en egen STL-fil 'Brain right' og 'Brain left'.
    3. Importer STL-filen 'Tumor' til dataassistert design (CAD) programvare.
    4. Klikk på'mesh' -fanen, og bruk deretter'Reduser'-funksjonenfor å redusere størrelsen på modellen slik at den kan håndteres av programmet – målet er å redusere størrelsen så mye som mulig, samtidig som du beholder alle nødvendige detaljer.
    5. Klikk på'solid' -fanen og bruk'Mesh til BRep'-verktøyettil å konvertere det importerte nettet til en kropp som kan manipuleres. Hvis denne handlingen ikke kan fullføres, ble ikke nettet redusert nok i trinn 3.1.3.
    6. Klikk 'Opprett' deretter 'Box' og tegne en boks rundt svulsten. Velg for å opprette dette som en'Ny kropp'og rotere visningen for å sikre at boksen helt omslutter svulsten på alle sider.
    7. I kategorien endre bruker du verktøyet'Kombiner'til å kutte svulsten ('Tool Body') fra boksen ('Target Body'). Dette vil da forlate en boks med en hul form av svulsten inne i den.
    8. Kontroller at uthulingsboksen er til stede. Klipp denne boksen i et passende antall stykker slik at når formen er fylt, kan den bli verdsatt fra hverandre uten å skade fantomet inni. For svulsten her er det nok å dele boksen i to, men for de andre delene av fantomet er det nødvendig med flere stykker.
    9. Lag fly gjennom boksen på de stedene som formen må kuttes. Klikk 'Konstruer'deretter ' Midplane' for å opprette et fly gjennom midten av boksen. Høyreklikk på det opprettede flyet og velg' Offset Plane' for å plassere flyet mer presist.
    10. Bruk'Split Body'-funksjoneni kategorien 'Endre 'til å dele formen langs planene som er opprettet.
    11. Flytt de enkelte delene av formen ved å høyreklikke og velge 'Flytt / Kopier", slik at alle brikkene vender utover.
    12. Legg nagler til ansiktene på hver del av formen (slik at den kan passe godt sammen), ved å klikke 'Lag skisse' deretter ' Senterdiameter sirkel' og på hvert ansikt, tegne små sirkler. Høyreklikk deretter 'Ekstrude' disse sirklene utover noen få millimeter på ett ansikt og ekstrudere dem innover på tilsvarende ansikt.
      MERK: Sirklene som ekstruderes innover må være litt større - ca. 1,5 mm - enn de som ekstruderes utover, slik at de passer godt sammen.
    13. Lagre hver del av formen som en egen STL-fil.
    14. Gjenta trinn 3.1.4 – 3.1.14 for 'Hjerne venstre', 'Brain høyre' og 'Cerebellum tumor'.
      MERK: Ved hjelp av filen 'Cerebellum tumor' i stedet for bare 'Cerebellum' for å lage formen betyr at formen vil ha et rom i den for svulsten som skal settes inn under byggingen.
  2. Skrive ut 3D-formene
    1. Installer eller åpne programvare for 3D-utskrift.
    2. Åpne STL-filen for hver del av formen i utskriftsprogramvaren og roter den slik at den ligger flatt mot byggeplaten. Det er mulig å legge til flere muggstykker til byggeplaten og skrive ut disse samtidig.
    3. Velg en stor laghøyde (rundt 0,2 mm) og lav innfyllingsverdi (rundt 20 %) for raskere utskrift. Skriv ut formene ved hjelp av et stivt materiale som polylaktisk syre (PLA). Hvis formene er plassert riktig, er støttemateriale ikke nødvendig.
  3. Skriv ut skallen
    1. Åpne "Skull Top" -filen i utskriftsprogramvaren og velg en stor laghøyde (rundt 0,2 mm) og lav innfyllingsverdi (rundt 20%).
    2. Skriv ut skallen modell i PLA, men i motsetning til trinn 3.2.3, støttemateriale vil være nødvendig, så velg å 'Legg til støtte' i programvaren. PVA brukes som støttemateriale, da det senere kan oppløses med vann.
    3. Gjenta trinn 3.3.1 og 3.3.2 for 'Skull Bottom'.
    4. Når toppen og bunnen av skallen er trykt, senk dem ned i vann over natten for å oppløse PVA-støttematerialet.
      MERK: Støttematerialet vil oppløses mye raskere hvis varmt vann brukes, men hvis vannet er for varmt, vil det deformere den trykte PLA. Derfor er det å foretrekke å bruke kaldt vann og la utskriften være nedsenket over natten.

4. Tilberedning av PVA-c

  1. Mål 200 g PVA pulver og sett til siden.
  2. Varm 1800 g avionisert vann til 90 °C og tilsett en 2L konisk kolbe.
    MERK: Vannet må være nesten kokende slik at PVA pulveret vil oppløse lett, men hvis vannet når 100 ° C, vil noen gå tapt til fordampning, som skal unngås.
  3. Suspender den koniske kolben i et temperaturkontrollert vannbad satt til 90 °C.
  4. Plasser en elektronisk røre i kolben, sørg for at den ikke berører bunnen eller sidene, og sett hastigheten til 1500 o/min.
    MERK: Kontroller at vannet rører jevnt og at det ikke er stillestående punkter på sidene eller bunnen.
  5. Tilsett gradvis PVA-pulveret til den koniske kolben, over rundt 30 min, og la det røre i rundt 90 minutter. Den resulterende gelen er vev-etterligne materiale PVA-c.
  6. Fjern konisk kolbe fra vannbadet og hell innholdet i et beger. Dekk toppen med plastfolie for å forhindre dannelse av en hud på toppen av PVA-c. La PVA-c avkjøles til romtemperatur (rundt 20 °C). Når den er avkjølt, vil PVA-c være gjennomsiktig. Små hvite krystaller kan ses i PVA-c, men eventuelle bobler som vises på overflaten må forsiktig skrapes av.
  7. Tilsett 0,5 m/w% kaliumsorbat til PVA-c som konserveringsmiddel, og rør godt manuelt.
  8. PVA-c kan stå ved romtemperatur hvis den er dekket av plastfolie i noen dager før den helles i former.

5. Fantommontering

  1. Mål ut nok PVA-c til å fylle tumorformen i et beger.
  2. Til PVA-c for svulsten, tilsett 1 m / w% glassmikrosfærer for ultralydkontrast og 5 w / w% Barium Sulfate for røntgenkontrast, og rør for hånd.
    MERK: Det kan være nødvendig å måle ut overflødig PVA-c for svulsten slik at disse prosentandelene er en målbar mengde.
  3. Sonicate begeret for å sikre homogen blanding av tilsetningsstoffer.
  4. La avkjøles og la eventuelle bobler dannet for å unnslippe, rundt 10 min, og skrap deretter eventuelle bobler fra overflaten.
    MERK: Ikke la stå over lengre tid når glasskulene er lagt til, ikke lenger enn rundt 10 min, før du heller PVA-c i en form, da glasskulene vil slå seg til bunnen av begeret. Når fantomet er frosset, vil dette ikke lenger være en bekymring, og det endelige fantomet kan brukes ved romtemperatur.
  5. Fest tumorformen sammen (tape kan brukes til å dekke sammenføyningene i formen) og hell i PVA-c gjennom hullet i toppen av formen. La det stå i noen minutter for å tillate eventuelle bobler dannet i helleprosessen for å unnslippe gjennom hullet, og plasser deretter rett inn i fryseren.
  6. Utfør to fryse-tine sykluser på svulsten; hver syklus her består av 6 timer frysing ved -20 °C og 6 timer tining ved romtemperatur. Deretter fjerner du forsiktig fra mugg.
  7. Plasser svulsten i det tilsvarende rommet for den i lillehjernen, og konstruer deretter resten av lillehjernen og fest den sammen.
  8. Til de resterende PVA-c legge 0,05 m / w% glass mikrosfærer, og gjenta deretter trinn 5.1.3 og 5.1.4.
  9. Hell PVA-c i lillehjernen mold, slik at den kan omgi svulsten som er plassert inne. I tillegg hell blandingen i formene for hver hjernehalvkule.
  10. Utfør to fryse-tine sykluser på hver hjernehalvdel og lillehjernen; hver syklus her består av 24 timer frysing ved -20 °C og 24 timer tining ved romtemperatur.
    MERK: Sykluser med 12 timer frysing etterfulgt av 12 h tining også effektiv, slik at fantomet kan opprettes på kortere tid. 24 timer ble valgt for enkel påføring, for å unngå å gå tilbake til laboratoriet hver 12.
  11. Når fantomene har tint for andre gang, fjern dem forsiktig fra formene og legg dem i den trykte skallen.
    MERK: Når de ikke er i bruk, skal de ferdige PVA-c-fantomene oppbevares i en lufttett beholder i kjøleskapet, og kan oppbevares i noen uker på denne måten
  12. For ferdigstillelse, plasser fantomet "Cerebellum tumor" på spissen ved foten av "Skull Bottom"-modellen. Modellene av to hjernehalvkuler ('Hjerne til venstre' og 'Hjerne til høyre') er plassert på toppen og sporet inn i den øverste delen av 'Cerebellum tumor'.
  13. Plasser de fire pluggene i hvert rom på "Skull Bottom" -modellen og plasser "Skull Top" -modellen på toppen. Om nødvendig kan modellen manøvreres inn i ønsket posisjon for å simulere intraoperativ bruk i kirurgi.

6. Phantom Imaging

  1. Ultralyd Avbildning
    1. Påfør ultralydgel til bildeproben.
      MERK: Gel brukes ikke intraoperativt, men kan brukes i simulering og endrer ikke den kliniske arbeidsflyten eller kvaliteten på de oppkjøpte bildene betydelig.
    2. Bilde hjernen og svulsten gjennom kraniotomien, med en klinisk skanner og burr hullsonde.
  2. CT-bildebehandling
    1. Bilde hele fantomet i en CT-skanner.

Representative Results

Etter den beskrevne protokollen ble et anatomisk realistisk fantom fabrikkert, som består av en pasientspesifikk hodeskalle, hjerne og svulst. De relevante anatomiske strukturene for fantomet (hodeskalle, hjerne, svulst) segmenteres ved hjelp av pasientens MR- og CT-data (figur 2a,b). Pasientens intraoperative ultralyddata (Figur 2c; Figur 2d viser det samme bildet som Figur 2c, men med svulsten skissert) ble brukt til å sammenligne fantombildene med de virkelige pasientbildene.

Masker ble opprettet for hver del av modellen (figur 3), og disse ble deretter brukt til å produsere 3D-formene. Formene ble lett trykt på en kommersiell skriver og montert ved å slisse bitene sammen. Lillehjernen mold var den mest komplekse å designe og montere (Figur 4). Skallen (Figur 5a) var den vanskeligste delen å skrive ut som det krevde støttemateriale, så var en langsom prosess; hele utskriften tok totalt tre dager å fullføre, noe som er en begrensende faktor i protokollen.

Det ferdige fantomet (figur 5) var en realistisk modell av en pasientskalle, hjerne og svulst. De to hjernehalvdelene (figur 5b) ble produsert separat, og har et realistisk utseende, med gyri og sulci i hjernen. Hele fantomet er hvitt i fargen, da dette er den naturlige fargen på PVA-c; dette kan lett endres ved å legge fargestoff, men var ikke nødvendig for søknaden. Lillehjernen (figur 5c) passer komfortabelt inn i bunnen av den trykte skallen og hjernehalvdelene sitter på toppen av dette. Svulsten er lett synlig i lillehjernen, da den ekstra kontrasten som legges til svulsten, resulterer i at den er en off-white farge som skiller den fra det omkringliggende materialet, som er det sikkert festet til.

Fantomet ble avbildet med både CT og ultralyd (Figur 6a, b). Bariumsulfat ble brukt til å gi svulsten passende CT-kontrast, og fantombildet (Figur 6a) viser at dette ble oppnådd, da svulsten er tydelig visualisert. Skallen ble ikke trykt med 100% infill, for å redusere tiden det tok for utskrift. Derfor ser skallen ikke helt realistisk ut i CT-bildene, fordi gitterstrukturen på utskriften kan ses. Dette er ikke et problem for søknaden, da bare omrisset av skallen er nødvendig for nevronvigeringssystemet. Skallen kan skrives ut med 100% infill for å unngå denne reduserte nøyaktigheten av CT-bildet, men vil legge tid på utskriftsprosessen. Glassmikrosfærer ble lagt til lillehjernen, hjernehalvkulene og svulsten for ultralydkontrast. Resultatene viser at svulsten også er synlig med ultralydavbildning (figur 6b) og kan skilles fra det omkringliggende vevet. Ved visuell inspeksjon viser ultralydbildene hentet fra fantomet (figur 6b), og de som er hentet fra pasienten (figur 2c) at kontrastagentene som brukes i fantomet var effektive for å skape realistiske bildeegenskaper.

Fantomet ble testet under kirurgisk simulering i et virtuelt operasjonsrom (figur 7). Fantommodellen ble plassert på det kirurgiske operasjonsbordet ved hjelp av en standard hodeskalleklemme, og CT-skanningen av fantomet ble registrert ved hjelp av et klinisk nevronvigeringssystem. En retrosigmoid tilnærming til svulsten ble simulert og svulsten ble avbildet ved hjelp av et klinisk ultralydsystem med en burr hull ultralyd transduser. Under den kirurgiske simuleringen viste fantommodellen seg å være stabil, og ingen skade ble observert fra å manipulere fantomet på samme måte som den menneskelige hjernen ville være under denne prosedyren, slik at den kunne brukes gjentatte ganger under samme forhold.

Figure 1
Figur 1: Flytskjema for å vise trinnene som kreves for å lage en pasientspesifikk PVA-c hjernefantom. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Pasientdata som brukes til å lage fantommodell. Datakilder for en pasient med en venstresidet vestibulær schwannom: ( a )aksialkontrastforsterket T1-vektet MR, hvit pil som peker mot svulst; (b) aksial ikke-kontrast CT scan vinduer for å markere bein, hvit pil peker mot en utvidet intern auditiv meatus forårsaket av svulsten; (c)intraoperativ ultralyd bilde oppnådd under vestibulær schwannoma kirurgi; (d)kommentert intraoperativt Equation 1 ultralydbilde: svulst (hyperechoic på ultralyd), : hjerne Equation 4 (lillehjernen). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Fullførte masker for hver del av fantomet. STL mesh for (a,b) hodeskalle, Equation 2 : venstre sidig retrosigmoid kraniotomi; (c,d)cerebrale halvkuler; (e,f) svulst og lillehjernen, Equation 1 : svulst. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: 3D trykt lillehjernen mold. 3D trykt cerebellum mold fullt konstruert (øverst til venstre) og de separate brikkene, som er nummerert fra 1 til 4. Hullet i del 2 (merket med 'H') gjør at PVA-c kan helles i formen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Fullført fantom. Det ferdige fantomet (a) skallen (b) fantom med hodeskalletopp fjernet: Equation 2 : retrosigmoid kraniotomi, Equation 1 : svulst, hjerne Equation 4 (lillehjernen), Equation 5 hjerne (høyre hjernehalvkule); (c) lillehjernen og svulst: Equation 1 : svulst, hjerne Equation 4 (lillehjernen). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: CT- og ultralydbilder ervervet med fantomet. (a) AksialCT bilde av komplett fantom gjennom nivået av skallen base og svulst, (b) Intraoperativ ultralyd bilde av fantom ervervet med burr hull ultralyd sonde gjennom retrosigmoid kraniotomi i et plan omtrent vinkelrett på skallen (Simulere kirurgi, lillehjernen ble trukket litt tilbake for å bilde direkte på svulsten). Equation 1: svulst, Equation 4 hjerne (lillehjernen), Equation 2 : venstresidet retrosigmoid kraniotomi. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Testing av fantomet under kirurgisk simulering. Testing av fantommodellen gjennom kirurgisk simulering i et virtuelt operasjonsrom. Equation 6: neuronavigation system som viser den registrerte skanningen av CT fantom modellen, Equation 3 : ultralyd system brukes til å bilde fantomet med en burr hull ultralyd transduser (sett plassert ved siden av ultralydmonitoren). Legg merke til modellen avbildet her er basert på data hentet fra forskjellige pasienter med en høyresidig svulst. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Denne protokollen beskriver fabrikasjonsprosessen til et pasientspesifikt hjernefantom, som inkluderer skallen, hjernen og vestibulær schwannomasvulst. 3D-utskriftsmetoder gjorde det mulig å oppnå anatomisk nøyaktige detaljer. Fantomet som er beskrevet her ble produsert med ønsket nivå av anatomiske detaljer; CT og ultralydavbildning ble brukt til å demonstrere at svulsten lett ble visualisert med begge modaliteter. Vevet etterligner materiale, PVA-c, er godt etablert som et vev-etterlignende materiale for ultralyd fantomer; dens akustiske og mekaniske egenskaper kan justeres med tilsetningsstoffer og antall fryse-tine sykluser. Materialet er lett tilgjengelig, enkelt å bruke og giftfritt. Ved gjentatt bruk hadde fantomet tilstrekkelig holdbarhet til å tåle manipulasjon og kontakt med en ultralydsonde under fysiske simuleringer av vestibulær schwannomkirurgi.

Flere viktige trinn ble identifisert som kritiske for fabrikasjonsprosessen. For det første må segmenteringen av strukturer for inkludering i fantomet inkludere ønsket nivå av anatomiske detaljer. Opprettelsen av nøyaktige STL-filer og 3D-former følger deretter naturlig. For det andre må posisjonering av fly i lillehjernen i trinn 3.1.9 vurderes nøye, slik at fantomet lett kan fjernes, uten skade; Det må kuttes i nok stykker for å tillate anatomiske detaljer som skal beholdes, samtidig som fantomet kan fjernes uten å bli sittende fast i formen. I dette tilfellet ble flere iterasjoner testet og til slutt ble formen skåret i fire separate stykker. Det tredje viktige hensynet er at under PVA-c-produksjonsprosessen (avsnitt 4) må PVA-c avkjøles til romtemperatur (trinn 4.1.6). Hvis dette trinnet er savnet og varm PVA-c legges til formene, kan det føre til at formene smelter eller forvrenger. Det er også avgjørende at når glasskulene er lagt til (trinn 5.1.2 - 5.1.4), er PVA-c ikke igjen å sitte i mer enn rundt 10 minutter; hvis de blir igjen i en lengre periode, vil glasskulene bosette seg til bunnen, og det resulterende fantomet vil ha inhomogen ultralydkontrast29. Når glasskulene er tilsatt, må PVA-c legges direkte inn i formene og plasseres i fryseren. Etter den første frysesyklusen vil glasskulene bli sikret på stedet, og fantomet kan brukes ved romtemperatur. Til slutt er det viktig at formene er nøye forseglet (f.eks med tape) før PVA-c legges til, for å minimere lekkasje av blandingen gjennom hull der den separate delen av formen sluttet seg sammen.

Protokollen har flere begrensninger. For eksempel er det nødvendig med noe spesialutstyr, inkludert et vannbad og en elektronisk rører. En sonicator brukes også som en del av denne protokollen, men sonikeringstrinnet (5.1.3) kan erstattes med ekstra elektronisk omrøring; Men med dette alternativet ville det ta lengre tid å oppnå en homogen blanding enn det som er mulig ved bruk av sonikering. En begrensning av PVA-c er at den forringes over tid og blir moldy. Tilsetningen av kaliumsorbat, som beskrevet her, øker fantomets holdbarhet, selv om det fortsatt må holdes i en lufttett beholder. En annen begrensning av PVA-c er at fryse-tine sykluser er nødvendig, noe som øker tiden som kreves for å lage et fantom. For å minimere fantomfabrikasjonstid er en viktig vurdering hastigheten på frysing og tining; når fantomet enten er helt frosset eller helt tint, påvirker ikke tiden det forblir i den tilstanden den endeligefantomet 16,30 betydelig. Derfor kan sykluslengdene som brukes varieres, forutsatt at fantomet er helt frosset og tint på hvert trinn i syklusen. For eksempel er svulsten i fantomet i denne studien svært liten, så kortere sykluser kan brukes til svulsten enn for hjernen. Til slutt, 3D utskrift former og skallen er en tidkrevende prosess som bruker en betydelig del (3 dager) av den totale tiden (1 uke) som kreves for å dikte et fantom med denne protokollen. Skriveren som ble brukt var en kommersiell modell fra 2018; utskriftsprosessen kan fullføres i kortere tidsrammer ved bruk av nyere, raskere skrivere.

Hjernefantomet som presenteres her, kan brukes direkte til klinisk opplæring og validering av nevronvigeringssystemer. Som vev etterligne materiale, PVA-c gjør det resulterende fantomet som skal brukes gjentatte ganger, for eksempel som et treningsverktøy eller for validering av intraoperativ ultralyd i vestibulær schwannoma kirurgi, som det er et holdbart og giftfritt materiale. Som sådan er fabrikasjonsmetoden komplementære til de som tidligere er beskrevet der 3D-utskrift ble brukt til å lage pasientspesifikke hjernefantomer20,21,22,23,24,25. Bruken av PVA-c som TMM gjør fantomet egnet for bruk i simulering av nevrokirurgi, da materialet tåler gjentatt manuell manipulasjon og kontakt fra en ultralydsonde. Dette arbeidet setter scenen for ytterligere kvantitative valideringsstudier. Fantommetoden som er beskrevet her er svært allsidig og kan brukes til å fremstille mange typer pasientspesifikke tumorfantomer, som strekker seg fra hjernen til andre organer, med kompatibilitet på tvers av flere bildemodaliteter.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å erklære.

Acknowledgments

Forfatterne takker Daniil Nikitichev og Steffi Mendes for deres råd om bruk av Meshmixer og Fernando Perez-Garcia for hans råd om bruk av 3D Slicer og for å gi oss kode for å automatisere noen av behandlingstrinnene.

Dette arbeidet ble støttet av 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 støttes av 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 Utgave 161 ultralyd fantomer røntgen fantomer 3D-utskrift nevrokirurgi vestibulær schwannom polyvinylalkohol
Pasientspesifikk polyvinylalkohol phantom fabrikasjon med ultralyd og røntgenkontrast for hjernesvulstkirurgi planlegging
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