Summary
Этот протокол описывает изготовление пациента конкретного черепа, мозга и опухоли фантома. Он использует 3D-печать для создания форм, а поливиниловый спирт (PVA-c) используется в качестве ткани, имитируя материал.
Abstract
Фантомы являются важными инструментами для клинической подготовки, хирургического планирования и разработки новых медицинских устройств. Тем не менее, это сложно создать анатомически точные фантомы головы с реалистичными свойствами визуализации мозга, потому что стандартные методы изготовления не оптимизированы для репликации каких-либо конкретных пациентов анатомических деталей и 3D-печати материалов не оптимизированы для визуализации свойства. Для того, чтобы проверить и проверить новую навигационную систему для использования во время операции опухоли головного мозга, анатомически точный фантом с реалистичной визуализации и механических свойств не требуется. Таким образом, фантом был разработан с использованием реальных данных пациента в качестве ввода и 3D-печати форм для изготовления пациента конкретных головной фантом, состоящий из черепа, мозга и опухоли с ультразвуком и рентгеновским контрастом. Фантом также имел механические свойства, которые позволили фантомной ткани манипулировать таким же образом, как человеческая ткань мозга обрабатывается во время операции. Фантом был успешно протестирован во время хирургического моделирования в виртуальной операционной.
Метод фантомного изготовления использует коммерчески доступные материалы и прост в воспроизведении. Файлы 3D-печати могут быть легко общими, и метод может быть адаптирован, чтобы охватить множество различных типов опухолей.
Introduction
Фантомы, имитирующие специфические свойства биологических тканей, являются полезным ресурсом для различных экспериментальных и учебных применений. Ткань-мимикрирует фантомы имеют важное значение для характеристики медицинскихустройств до их клинического использования 1,2 и анатомические фантомы часто используются в обучениимедицинского персонала во всех дисциплинах 3,4,5,6,7. Специфические анатомические фантомы, сделанные с соответствующими тканевыми свойствами, часто являются важной частью тестовой среды и могут повысить доверие врачей, которые учатся использоватьновое устройство 8. Однако высокие производственные затраты и сложные процессы изготовления часто исключают регулярное использование фантомов для конкретных пациентов. Здесь описан метод производства прочной, конкретной для пациента модели опухоли головного мозга с использованием легкодоступных коммерческих материалов, которые могут быть использованы для обучения и проверки интраоперационного ультразвука (США) с использованием компьютеризированной томографии (КТ). Фантом, описанный в этом исследовании, был создан на основе данных пациента с вестибулярной шванномой (доброкачественная опухоль мозга, возникающая в результате одного из балансовых нервов, соединяющих мозг и внутреннее ухо), который впоследствии перенес операцию и ресекцию опухоли с помощью ретрозигмоидной подкоппипитальнойкраниотомии 10. Фантом был разработан для того, чтобы проверить и проверить интегрированную интраоперационную навигационную систему для использования во время этого типа хирургии опухоли головного мозга.
Для того, чтобы быть пригодным для этого приложения, фантом опухоли мозга должен обладать несколькими ключевыми свойствами. Во-первых, он должен быть сделан из нетоксичных материалов, так что он может безопасно использоваться в клинической среде подготовки. Во-вторых, он должен иметь реалистичные свойства изображения; для предполагаемого применения, они конкретно включают ультразвуковое затухание и контраст КТ. В-третьих, он должен иметь аналогичные механические свойства человеческой ткани, так что он может быть обработан таким же образом. В-четвертых, фантом должен основываться на реальных данных пациента, так что он анатомически точен и может быть использован для хирургического планирования и обучения. Наконец, используемые материалы должны быть прочными, так что фантом может быть использован повторно.
В целом, ткань-мимикряющий материал и метод изготовления, выбранный для фантома, зависит от предполагаемого применения. Для жестких структур, таких как череп, выбранное свойство не должно деформироваться или быть водорастворимым и оно должно быть в состоянии поддерживать точный уровень анатомических деталей при повторном использовании; это особенно важно при использовании фантома для экспериментов, где используется регистрация изображений и для хирургических целей моделирования. Минеральное масло на основе материалов, таких как гель воск были перспективнымидля ультразвука 9,11,12 и фотоакустические13 изображений приложений, однако, когда подвергаются повторной механической деформации они становятся рыхлыми, поэтому не может выдержать длительное использование, особенно со стандартными микрохирургическими инструментами нейрохирургии. Агар и желатин являются aqueous материалов, которые также широко используются в качестве тканей имитирующих материалов. Добавки, необходимые для регулировки акустических свойств этих материалов,хорошо известны 14,но они имеют ограниченную механическую прочность и не особенно долговечны, поэтому не подходят для этого приложения, где фантом должен быть неоднократно обработан.
Поливиниловый спирт криогель (PVA-c) является популярным выбором тканево-мимикрирующих материалов, потому что его акустические и механические свойства могут быть легко настроены путем изменения циклов замораживания оттепели. Было показано, что свойства PVA-c аналогичны свойствам мягкихтканей 15,16,17,18. PVA-c фантомы мозга успешно используются для ультразвуковой и КТ-изображения19. Материал достаточно силен, чтобы его можно было использовать повторно, и он имеет высокую степень эластичности, поэтому фантомной тканью из PVA-c можно манипулировать, не будучи постоянно деформированным. Полилактическая кислота (НОАК) является легкодоступным жестким материалом и использовалась для изготовления черепа, однако вместо НОАК можно использовать другой печатный материал, если он имеет схожие механические свойства и не растворяется в воде.
Мозг фантомы, в частности, были изготовлены с использованием различных методов, в зависимости от уровня сложности требуется итканей, которые должны быть воспроизведены 20,21,22,23. Как правило, форма используется, и жидкие ткани имитирующих материал вылил в него. Некоторые исследования использовали коммерческиеформы 24 в то время как другие используют 3D-печатные пользовательские формы здорового мозга, и имитировать поражения мозга путем имплантации маркерных сфер и надувныекатетеры 19,25. К лучшему из знаний автора, это первый доклад 3D-печатной пациента конкретных опухоли головного мозга фантомной модели, созданной с тканью имитирующих ультразвуковые и рентгеновские свойства. Общее изготовление визуализируется шаром потока на рисунке 1; весь процесс занимает около недели.
Protocol
Это исследование проводилось в соответствии с принципами, выраженными в Хельсинкской декларации, и было одобрено Управлением по исследованиям в области здравоохранения и Комитетом по этике исследований (18/LO/0266). Информированное согласие было получено, и все данные изображений были полностью обезличены до анализа.
1. Данные
- Получение предиструпоинной контрастной T1-взвешенной магнитно-резонансной томографии (МРТ) и объемной компьютерной томографии (КТ).
- При получении в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) переведить в формат Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) для обработки и анализа.
- Получение интраоперационных ультразвуковых данных.
2. Сегментация
- Установка программного обеспечения для сегментации данных пациента с.
- Сегментация черепа
ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги, связанные с сегментированием черепа широко следовать тем, изложенные Крамер и Куигли27 На https://radmodules.com/, но адаптированы для создания соответствующей размера краниотомии.- Загрузите томтрическую КТ пациента в программное обеспечение сегментации, откройте модуль редактора сегмента и создайте новую сегментацию под названием «Череп».
- Используйтефункцию «Порог»для выделения черепа.
- Удалите любые нежелательные сегментации (например, кальцификации кожи, челюсти, C1/2, стилоидный процесс, рамку пациента КТ и любые аннотации, встроенные в изображение). Используйтефункцию «Ножницы»,чтобы удалить детали при просмотре модели в 3D и использовать функцию«Острова»после ручного отключения любых нежелательных структур с помощьюфункции «Стереть».
- Вручную исправьте любые пробелы в сегментации, которые были пропущены во время порогасиспользованием функций «Краска» и«Ничья»(например, ламина папиракея, корковый край мастоидной кости и этмоидная кость).
- Используйтефункции «Краска»и«Ничья»,чтобы заполнить foramen magnum и создать 5-мм выступающий шип, на котором может быть закреплена нижняя часть фантомной модели.
ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение шипа лучше всего определяется на корональных и sagittal плоскостях изображения. - Применитефункцию «Сглаживание». Используйте средний параметр сглаживания 1,0 мм (3 × 3 × 1 пиксель), чтобы свести к минимуму количество потерянных деталей.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если фантомная модель должна включать в себя полный нетронутый череп (например, для облегчения хирургического моделирования создания надлежащим образом расположенной краниотомии), перейти к шагу 2.2.15; однако, если в модели требуется краниотомия, выполните шаги от 2.2.7 до 2.2.14. - Нажмите'Добавить', чтобы добавить новую сегментацию и назвать его 'Череп Краниотомия'.
- В модуле 'Сегментации' скопируйте сегментацию черепа на "Черепную краниотомию" с помощью вкладки "Копировать/перемещать сегменты".
ПРИМЕЧАНИЕ: Сегментации «Череп» и «Череп Краниотомия» необходимы для того, чтобы иметь возможность выполнять функции, описанные в шагах от 2.2.9 до 2.2.13 - Используйтефункцию«Ножницы», чтобы удалить краниотомию соответствующего размера в «Краниотомии черепа».
ПРИМЕЧАНИЕ: Создание краниотомии таким образом, также, удалить добавление части черепа на противоположной стороне, следовательно, необходимость шагов 2.2.11 до 2.2.14. - Нажмите кнопку "Добавить" и добавьте новую сегментацию; назовите его "Только краниотомия".
- В «Только краниотомии» выберите сегментацию «Черепная краниотомия» и используйтефункцию «Логическийоператор», чтобы вычесть «Черепную краниотомию» из «Черепа».
- Используйтефункцию «Ножницы»,чтобы стереть все, кроме желаемой краниотомии на правильной стороне опухоли, сохраняя только краниотомию.
- В "Черепа Краниотомия" использовать функцию"Логическийоператор", чтобы вычесть "Краниотомия только" из "Череп" и сохранить.
- Откройте модуль«Сегментации» и экспортировать «Черепную краниотомию» в качестве файла стереолитографии (STL).
- Откройте программное обеспечение для 3D-моделирования и импортируемый файл STL 'Skull Craniotomy'.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если модель появляется в полосатый розовый завершить 'Flip Normals' функции, выбрав полную модель (Выберите | Двойной клик), а затем 'Редактировать | Флип Нормальные'. Теперь модель станет серой и может быть отредактирована. Убедитесь, что ' Просмотр объектовбраузер ' включен. - Уменьшите количество треугольников, чтобы улучшить вычислительное время.
- Выберите полную модель(Выберите | Двойной щелчок превращает модель оранжевый), то' Редактировать | Уменьшить'. Функция'Уменьшить' по умолчаниюустановлена на уровне 50%, так что повторяйте до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое сокращение. Цель для общего числа треугольников Lt; 500,000.
- Примените функцию«Сглаживание», гарантируя,что коробка «Сохранениеформы» остается галочкой. Выберите полную модель, азатем ' Деформация | Гладкий'.
- Нажмите"Анализ", затем "Инспектор"и использовать эту функцию для обнаружения любых небольших дефектов в модели и нажмите авторемонт (предложите 'Flat-Fill' выбор).
- Вырежьте 'Череп', чтобы создать верхнюю и нижнюю части,используя функцию разреза 'Edit/Plane'. Выберитетип заполнения ' Keep Both Slices'и 'Remeshed' Измените череп на прозрачныйс функцией 'Shaders',чтобы обеспечить лучший внутренний вид черепа и отрегулировать плоскость так, чтобы она была параллельно основанию черепа.
- Отдельные оболочки, выбрав 'Редактировать | Отдельные оболочки'и переименовать 'Skull_Top' и 'Skull_Bottom' в браузере объектов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не двигайтесь своими позициями. Нажмите значок глаза, чтобы удалить один или другой из зрения. - Нажмите'Meshmix', затем выберите 'Cylinder',чтобы создать дюбель и отредактировать размер до 4 мм × 10 мм × 4 мм ('Edit | Преобразование'). Скрыть "Skull_Bottom", нажав на значок глаза, чтобы удалить из виду.
- Выберите 'Редактировать | Выровнять' плоскости. Появится дополнительный прозрачный цилиндр. В окне'Выровнять', выберите 'Surface point' (левый щелчок конца прозрачного цилиндра) для 'Источник' и 'Surface point'(Shift - левый щелчок под поверхностью 'Skull_Top') для 'Назначения'.
- Использование 'Редактировать | Преобразование' функция двигаться дюбель в череп с помощью зеленой стрелки и настроить положение с синими и красными стрелками. Переименовать 'Dowel_Anterior'.
- В объекте браузер делает 3 копии и переименовывает «Dowel_Posterior», «Dowel_Left» и «Dowel_Right».
- Переместите каждый дюбель в нужное место,используя '| Преобразование' функции.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не двигайтесь и не меняйтесь положение дюбеля в зеленой плоскости. - Создавайте копии каждого, но храните все копии в одном месте и создавайте дополнительный дюбель и реизируйте до 3 мм × 10 мм × 3 мм. Переименовате 'Dowel'.
- Создавайте отверстия для дюбелей в черепе с помощьюфункции «Булинскаяразница». Сначала выберите Skull_Top", а затем выберите дюбель в браузере объекта. В вкладке'Boolean Difference'убедитесь, что 'Автоматическоесокращение' выключено. Повторите для каждого дюбель в свою очередь.
- Скрыть "Skull_Top" и просматривать "Skull_Bottom", повторяя выше 'Boolean Разница' функция для каждого дюбель в свою очередь.
- Экспорт 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' и 'Dowel' как отдельные двоичные файлы STL.
- Сегментация тканей мозга
- Загрузите контраст расширенной T1 МРТ мозга, чтобы http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF и скачать его выход. Это инструмент с открытым исходным кодом для T1-взвешенных изображений, который использует геодезический информационный поток (GIF) алгоритм28 для выполнения извлечения мозга и сегментации тканей.
- Открытое программное обеспечение сегментации и загрузить контраст расширенный T1 МРТ и GIF parcellation выход файла.
- Откройте модуль'Segment Editor'и создайте новую сегментацию.
- Выберите соответствующие метки и объедините их для формирования единой сегментации. Например, карты меток головного мозга и диэнцефалона могут быть объединены для создания одной модели, именуемой «мозг» и мидбрейн, ствол мозга, мозжечка и вермианской структуры могут быть объединены для создания второй модели, именуемой «Церебеллум».
- Используйтефункцию «Сглаживание»(предлагается медиана 2,00 мм, 5 × 5 × 3 пикселей).
- Используйтефункцию «Ножницы»для удаления нежелательных или ошибочных сегментирований.
- Сохраните сегментации 'Brain' и 'Cerebellum'.
- Откройте модуль'Сегментации'и экспорт 'Brain' и 'Cerebellum' как файлы STL.
- Сегментация опухолей
- Открытое программное обеспечение сегментации и загрузить контраст расширенной T1 МРТ.
- Откройте модуль редакторасегмента исоздайте новую сегментацию под названием «Опухоль».
- Используйтефункцию «Порог»для выделения опухоли.
- Исправьте сегментацию с помощьюфункций 'Paint','Draw'и 'Erase'.
- Применитефункцию 'Smoothing'(предлагается медиана 2,00 мм 5 x 5 x 3 пикселя).
- Создайте новую сегментацию под названием «Cerebellum_Tumor».
- Объедините модель «Cerebellum» и «Tumor» с помощью«Логических операторов | Добавить' функцию.
- Сохранить 'Tumor' и 'Cerebellum_Tumor' сегментации.
- Откройте модуль'Сегментации'и экспорт 'Tumor' и 'Cerebellum_Tumor' как файлы STL.
ПРИМЕЧАНИЕ: В конце процесса сегментации доступны следующие файлы: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Cerebellum', 'Tumor', 'Cerebellum_Tumor'.
3.3D Печать мозга / Опухолевые формы и черепа
- Создание мозга и опухолевых форм
- Разделите сегментацию 'Brain' на два полушария, используя инструмент'Plane cut'в программном обеспечении для 3D-моделирования.
- Сохраните каждое полушарие в качестве отдельного файла STL 'Brain right' и 'Brain left'.
- Импорт файла STL 'Tumor' в программное обеспечение для компьютерного проектирования (CAD).
- Нажмите навкладку«сетка», а затем используйте функцию«Уменьшить»для уменьшения размера модели, чтобы она можно было обрабатывать программой – цель состоит в том, чтобы уменьшить размер как можно больше, сохраняя при этом все необходимые детали.
- Нажмите на«твердую» вкладку ииспользуйте инструмент «Mesh to BRep»для преобразования импортируемой сетки в тело, которым можно манипулировать. Если это действие не может быть завершено, сетка не была уменьшена достаточно в шаге 3.1.3.
- Нажмите' Создайте'Тогда 'Box' и нарисуйте коробку вокруг опухоли. Выберите, чтобы создать этокак 'Новоетело' и поверните вид, чтобы обеспечить окно полностью ограждает опухоль со всех сторон.
- В вкладке модификации используйтеинструмент 'Combine', чтобы вырезать опухоль ('Tool Body')из коробки ('TargetBody'). Это позволит оставить коробку с полой формой опухоли внутри него.
- Убедитесь, что выдолбленная коробка присутствует. Вырезать эту коробку на соответствующее количество частей, так что как только плесень заполнена, она может быть ценится отдельно, не повреждая фантом внутри. Для опухоли здесь достаточно разделить коробку на две части, но для других частей фантома требуется больше кусочков.
- Создавайте плоскости через коробку в местах, которые плесень должна быть сокращена. Нажмите'Построить ' затем 'Midplane', чтобы создать самолет через центр коробки. Нажмите правой кнопкой мыши на созданной плоскостии выберите' Offset Plane ' для более точного позиционирования плоскости.
- Используйтефункцию 'Split Body'ввкладке 'Modify', чтобы разделить форму вдоль созданных плоскостей.
- Перемещение отдельных частей формы, по правую нажав и выбрав 'Move / Copy', так что все части сталкиваются наружу.
- Добавьте заклепки к лицам каждого куска формы (чтобы он мог безопасно совместиться), нажав на 'Создайтеэскиз ', то 'Круг диаметрацентра' и на каждом лице, рисуя небольшие круги. Правыйщелчок, то ' Extrude' эти круги наружу несколько миллиметров на одном лице и выдавить их внутрь на соответствующем лице.
ПРИМЕЧАНИЕ: Круги, которые экструдированы внутрь должны быть немного больше - примерно 1,5 мм - чем те, которые экструдированы наружу, так что они будут соответствовать друг другу уютно. - Сохраните каждый кусок формы в качестве отдельного файла STL.
- Повторите шаги 3.1.4 - 3.1.14 для 'Мозг слева', 'Мозг справа' и 'Cerebellum опухоли'.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование файла "Cerebellum опухоли", а не только "Cerebellum", чтобы создать форму означает, что плесень будет иметь пространство в нем для опухоли, которые будут вставлены во время строительства.
- Печать 3D формы
- Установка или открытие программного обеспечения для 3D-печати.
- Откройте файл STL для каждого куска формы в печатном программном обеспечении и поверните его так, чтобы он лежит плашмя против пластины сборки. Можно добавить несколько частей плесени к пластине сборки и распечатать их одновременно.
- Выберите высоту большого слоя (около 0,2 мм) и низкое значение заполнения (около 20%) для более быстрой печати. Печать формы с использованием жесткого материала, таких как полилактическая кислота (PLA). Если формы расположены надлежащим образом, вспомогательный материал не является необходимым.
- Распечатать Череп
- Откройте файл 'Skull Top' в печатном программном обеспечении и выберите высоту большого слоя (около 0,2 мм) и низкое значение заполнения (около 20%).
- Печать модели черепа в НОАК, но в отличие от шага 3.2.3, вспомогательный материал будет необходимо, так что выберите 'Добавить поддержку' в программном обеспечении. PVA используется в качестве опорного материала, поскольку впоследствии он может быть растворен с водой.
- Повторите шаги 3.3.1 и 3.3.2 для 'SkullBottom'.
- После того, как верхняя и нижняя части черепа были напечатаны, погрузить их в воду на ночь, чтобы растворить от PVA вспомогательный материал.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вспомогательный материал будет растворяться гораздо быстрее, если теплая вода используется, но если вода слишком теплая, она будет деформировать печатных НОАК. Поэтому предпочтительнее использовать прохладную воду и оставить отпечаток под водой на ночь.
4. Подготовка PVA-c
- Измерьте 200 г порошка PVA и установите в сторону.
- Нагрейте 1800 г деионизированной воды до 90 градусов по Цельсию и добавьте в коническую колбу 2L.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вода должна быть почти кипения, чтобы PVA порошок будет растворяться легко, но если вода достигает 100 градусов по Цельсию, некоторые из них будут потеряны для испарения, которое следует избегать. - Приостановить коническую колбу в контролируемой температурой водяной бане при температуре 90 градусов по Цельсию.
- Распоиснительную электронную мешалку в колбу, чтобы она не касался ни дна, ни боковых сторон, и установите скорость до 1500 об/мин.
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что вода шевелится равномерно и нет застойных точек по бокам или снизу. - Постепенно добавить порошок PVA в конической колбе, около 30 минут, а затем оставить его перемешать еще около 90 мин. Полученный гель является тканевым материалом PVA-c.
- Снимите коническую колбу с водяной бани и вылейте содержимое в стакан. Обложка верхней с цепляться пленки для предотвращения образования кожи на верхней части PVA-c. Оставьте PVA-c остыть до комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию). После охлаждения PVA-c будет прозрачным. Крошечные белые кристаллы можно увидеть в PVA-c, но любые пузырьки, появляющиеся на поверхности, должны быть аккуратно соскобленые.
- Добавить 0,5 ж/w% сорбат калия в PVA-c в качестве консерванта, и вручную хорошо перемешать.
- PVA-c можно оставить при комнатной температуре, если он покрыт пленкой цепляться в течение нескольких дней, прежде чем он налил в формы.
5. Фантомная ассамблея
- Измерьте достаточно PVA-c для того чтобы заполнить прессформу тумора в стакан.
- К PVA-c для опухоли добавьте 1 w/w% стеклянных микросфер для ультразвукового контраста и 5 w/w% барий сульфат для рентгеновского контраста, и перемешайте вручную.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть необходимо для измерения избыточного PVA-c для опухоли, так что эти проценты являются измеримой суммы. - Sonicate стакан для обеспечения однородного смешивания добавок.
- Оставьте остыть и дайте любым пузырям, образовавшимся для побега, около 10 минут, а затем соскребать любые пузырьки с поверхности.
ПРИМЕЧАНИЕ: Не оставляйте в течение длительного периода, как только стеклянные сферы были добавлены, не более 10 минут, прежде чем налить PVA-C в форму, как стеклянные сферы будут оседать на дно стакана. После того, как фантом был заморожен, это больше не будет проблемой, и окончательный фантом может быть использован при комнатной температуре. - Безопасные опухоли плесень вместе (лента может быть использована для покрытия соединений в форме) и влить PVA-c через отверстие в верхней части формы. Оставьте на несколько минут, чтобы любые пузырьки, образующиеся в процессе заливки, чтобы избежать через отверстие, а затем поместить прямо в морозильную камеру.
- Выполните два цикла замораживания-оттепели на опухоли; каждый цикл здесь состоит из 6 ч замораживания при -20 градусов по Цельсию и 6 ч оттаивания при комнатной температуре. Затем аккуратно удалить из формы.
- Поместите опухоль в соответствующее пространство для него в мозжечковой плесени, а затем построить остальную часть мозжечка формы и обеспечить его вместе.
- К остальным PVA-c добавляют 0,05 в/w% стеклянных микросфер, затем повторяют шаги 5.1.3 и 5.1.4.
- Налейте PVA-c в мозжечковую форму, что позволяет ему окружать опухоль, которая была помещена внутрь. Кроме того, залить смесь в формы для каждого полушария мозга.
- Выполните два цикла замораживания оттепели на каждом полушарии мозга и мозжечка; каждый цикл здесь состоит из 24 ч замораживания при -20 градусов по Цельсию и 24 ч оттаивания при комнатной температуре.
ПРИМЕЧАНИЕ: Циклы с замораживанием 12 ч с последующим оттаиванием 12 ч также эффективны, чтобы позволить фантому быть созданным за меньшее время. 24 ч был выбран для удобства применения, чтобы избежать возвращения в лабораторию каждые 12 ч. - После того, как фантомы оттаяли во второй раз, тщательно удалить их из форм и поместить в печатный череп.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда не используется, завершенные PVA-C фантомы должны храниться в герметичном контейнере в холодильнике, и может храниться в течение нескольких недель таким образом - Для завершения поместите фантом "Cerebellum tumor" на шип у основания модели "Skull Bottom". Модели двух полушарий мозга («Мозг слева» и «Мозг справа») расположены сверху и прорези в верхней части «опухоли Церебеллума».
- Поместите четыре дюбеля в каждом пространстве на модели 'Skull Bottom' и поместите модель 'Skull Top' сверху. При необходимости модель может быть маневрирована в нужное положение для имитации интраоперационного использования в хирургии.
6. Призрачные изображения
- Ультразвуковая визуализация
- Нанесите ультразвуковой гель на зонд для визуализации.
ПРИМЕЧАНИЕ: Гель не используется интраоперационной, но может быть использован в моделировании и не существенно изменить клинический рабочий процесс или качество приобретенных изображений. - Изображение мозга и опухоли через краниотомию, с клиническим сканером и заусенцев отверстие зонда.
- Нанесите ультразвуковой гель на зонд для визуализации.
- КТ-изображение
- Изображение всего фантома в КТ сканере.
Representative Results
Следуя описанному протоколу, был изготовлен анатомически реалистичный фантом, который состоит из конкретного черепа, мозга и опухоли пациента. Соответствующие анатомические структуры для фантома (череп, мозг, опухоль) сегментированы с использованием данных МРТ и КТ пациента(рисунок 2a,b). Внутриоперационые ультразвуковые данные пациента(рисунок 2c; Рисунок 2d показывает то же изображение, как рисунок 2c, но с опухолью изложены) был использован для сравнения фантомных изображений с реальными изображениями пациента.
Сетки были созданы для каждой части модели(рисунок 3), и они затем были использованы для производства 3D формы. Формы были легко напечатаны на коммерческом принтере и собраны путем прорези части вместе. Мозжечок плесень была самой сложной для проектирования и сборки(рисунок 4). Череп(рисунок 5a) был самой трудной частью для печати, поскольку он требовал поддержки материала, так что был медленный процесс; весь отпечаток занял в общей сложности три дня, что является ограничивающим фактором в протоколе.
Завершенный фантом(рисунок 5) был реалистичной моделью черепа пациента, мозга и опухоли. Два полушария мозга(рисунок 5b) были произведены отдельно, и имеют реалистичный внешний вид, показывая гири и sulci мозга. Весь фантом белого цвета, так как это естественный цвет PVA-c; это можно легко изменить путем добавлять краситель но не было обязательно для применения. Мозжечок(рисунок 5c) удобно вписывается в основание печатного черепа и полушария мозга сидеть на вершине этого. Опухоль легко видна в мозжечках, так как дополнительный контраст, добавленный к опухоли, приводит к его небелому цвету, отделяет его от окружающего материала, к которому он надежно прикреплен.
Фантом был изображен с КТ и ультразвуком(рисунок 6a,b). Барий сульфат был использован, чтобы дать опухоли соответствующий контраст КТ, и фантомноеизображение (рисунок 6a) показывает, что это было достигнуто, так как опухоль четко визуализированы. Череп не был напечатан со 100% заполнения, с тем чтобы уменьшить время, затязанное для печати. Таким образом, череп не выглядит вполне реалистично на КТ изображения, потому что решетка структуры печати можно увидеть. Это не проблема для применения, так как только контур черепа необходим для нейронавигации системы. Череп может быть напечатан со 100% заполнением, чтобы избежать этой сниженной точности изображения КТ, но добавит времени на процесс печати. Стеклянные микросферы были добавлены в мозжечок, полушария мозга и опухоли для ультразвукового контраста. Результаты показывают, что опухоль также видна с помощью ультразвуковой визуализации(рисунок 6b) и может быть отличается от окружающих тканей. При визуальном осмотре ультразвуковые изображения, полученные из фантома(рисунок 6b),и полученные от пациента(рисунок 2c) показывают,что контрастные агенты, используемые в фантоме, были эффективны для создания реалистичных свойств изображения.
Фантом был протестирован во время хирургического моделирования в виртуальной операционной(рисунок 7). Фантомная модель была расположена на хирургическом операционном столе с использованием стандартного зажима черепа, а компьютерная томография фантома была зарегистрирована с помощью клинической системы нейронавигации. Был смоделирован ретрозигмоидный подход к опухоли, и опухоль была изображена с помощью клинической ультразвуковой системы с заусенцем ультразвукового отверстия. Во время хирургического моделирования, фантомная модель оказалась стабильной и никаких повреждений не наблюдалось от манипулирования фантом так же, как человеческий мозг будет во время этой процедуры, так что он может быть использован повторно в тех же условиях.
Рисунок 1: Flowchart, чтобы показать шаги, необходимые, чтобы сделать пациента конкретных PVA-C мозга фантом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Данные пациентов, используемые для создания фантомной модели. Источники данных пациента с левосторонней вестибулярной шванномой:a) a) axial contrast-утонченная T1-взвешенная МРТ, белая стрелка указывая к тумору; b) осьнаянеконтрастная КТ, отливная для выделения кости, белая стрелка, указывающая на расширенный внутренний слуховой мясо, вызванный опухолью; c) интраоперационноеультразвуковое изображение, полученное во время операции на вестибулярной шванноме; d)аннотированное интраоперационное 
ультразвуковое изображение: опухоль (гиперехоик на УЗИ), 
: мозг (мозжечок). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Завершенные сетки для каждого раздела фантома. Сетка STL длячерепа a,b, 
: левая ретрозигмоидная краниотомия; c,d)полушария головного мозга; (e,f)опухоль и мозжечок, : опухоль. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: 3D печатных мозжечка формы. 3D печатных мозжечка плесень полностью построена (вверху слева) и отдельные части, которые пронумерованы от 1 до 4. Отверстие в куске 2 (обозначаемое 'H') позволяет налить PVA-c в форму. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Завершенный фантом. Готовый фантом(a) череп(b)фантом с верхней частью черепа удален: : ретрозигмоидная краниотомия, : опухоль, мозг (мозжечок), 
мозг (правое полушарие головного мозга); c)мозжечок и опухоль: : опухоль, мозг (мозжечок). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: КТ и ультразвуковые изображения, полученные с помощью фантома. a)Axial CT изображение полного фантома через уровень основания черепа и тумора, (b)Интраоперационное ультразвуковое изображение фантома приобретенного с зондом ультразвука отверстия заусенца через ретрозигмоидную краниотомию в плоскости приблизительно перпендикулярно к черепу (Имитация хирургии, мозжечок был вытягиван немножко для того чтобы изображение сразу на туморе). : опухоль, мозг (мозжечок), : левая ретрозигмоидная краниотомия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Тестирование фантома во время хирургического моделирования. Тестирование фантомной модели с помощью хирургического моделирования в виртуальной операционной. 
: нейронавигация системы отображения зарегистрированного сканирования КТ фантомной модели, : ультразвуковая система используется 
для изображения фантома с заусенцев ультразвукового предуцера (видел расположен рядом с ультразвуковым монитором). Обратите внимание, что изображенная здесь модель основана на данных, полученных от разных пациентов с правосторонней опухолью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Discussion
Этот протокол подробно процесс изготовления пациента конкретных фантом мозга, который включает в себя череп, мозг, и вестибулярной опухоли шванномы. Методы 3D-печати позволили достичь анатомически точных деталей. Описанный здесь фантом был успешно изготовлен с желаемым уровнем анатомических деталей; КТ и ультразвуковая визуализация были использованы, чтобы продемонстрировать, что опухоль была легко визуализирована с обоими условиями. Ткань, имитирующая материал, PVA-c, хорошо зарекомендовала себя как тканевым материалом для ультразвуковых фантомов; его акустические и механические свойства могут быть настроены с добавками и количество циклов замораживания-оттепели. Материал легко доступен, прост в использовании и не токсичен. При повторном использовании, фантом имел достаточную прочность, чтобы выдержать манипуляции и контакт с ультразвуковым зондом во время физического моделирования вестибулярной хирургии шванномы.
Было определено, что несколько ключевых шагов имеют решающее значение для процесса изготовления. Во-первых, сегментация структур для включения в фантом должна включать желаемый уровень анатомических деталей. Создание точных файлов STL и 3D форм затем следует естественно. Во-вторых, необходимо тщательно рассмотреть положение плоскостей в мозжечковой форме в шаге 3.1.9, с тем чтобы фантом можно было легко удалить без повреждений; она должна быть разрезана на достаточное количество частей, чтобы анатомические детали, которые будут сохранены, в то время как позволяет фантом, чтобы быть удалены, не застревая в форме. В этом случае было протестировано несколько итераций, и, наконец, плесень была разрезана на четыре отдельные части. Третье ключевое соображение заключается в том, что в процессе производства PVA-c (раздел 4) PVA-c должен быть оставлен для охлаждения до комнатной температуры (шаг 4.1.6). Если этот шаг пропущен и горячий PVA-c добавляется в формы, это может привести к плесени расплава или искажения. Важно также, чтобы после добавления стеклянных сфер (шаги 5.1.2 - 5.1.4), PVA-c не остается сидеть более 10 минут; если оставить в течение длительного периода времени, стеклянные сферы будут оседать на дно, и в результате фантом будет иметь неоднородный ультразвуковойконтраст 29. После добавления стеклянных сфер PVA-c должен быть добавлен непосредственно в форму и помещен в морозильную камеру. После первого цикла замораживания, стеклянные сферы будут закреплены на месте, и фантом может быть использован при комнатной температуре. Наконец, важно, чтобы формы тщательно запечатаны (например, с лентой) до добавления PVA-c, чтобы свести к минимуму утечку смеси через зазоры, где отдельные части формы объединились.
Протокол имеет ряд ограничений. Например, требуется некоторое специальное оборудование, включая водяную баню и электронный мешалка. В рамках этого протокола также используется звуковой звуковой знак, но звуковой шаг (5.1.3) может быть заменен дополнительным электронным перемешиванием; однако, с этой альтернативой, это займет больше времени для достижения однородной смеси, чем это возможно с использованием sonication. Одним из ограничений PVA-c является то, что он ухудшается с течением времени и становится заплесневелый. Добавление сорбата калия, как описано здесь, увеличивает срок годности фантома, хотя он все еще должен храниться в герметичном контейнере. Второе ограничение PVA-c заключается в том, что циклы замораживания оттепели необходимы, что увеличивает время, необходимое для того, чтобы сделать фантом. Чтобы свести к минимуму время изготовления фантомов, ключевым фактором является скорость замораживания и оттаивания; как только фантом либо полностью заморожен, либо полностью разморожен, время, которое он остается в этом состоянии, существенно не влияет наокончательный фантом 16,30. Таким образом, используемые длины цикла могут быть разнообразными, при условии, что фантом полностью заморожен и разморожен на каждом этапе цикла. Например, опухоль в фантоме этого исследования очень мала, поэтому для опухоли могут быть использованы более короткие циклы, чем для мозга. Наконец, 3D печать форм и черепа является трудоемким процессом, который потребляет значительную часть (3 дня) от общего времени (1 неделя), необходимого для изготовления фантома с помощью этого протокола. Используемый принтер был коммерческой моделью с 2018 года; процесс печати может быть завершен в более короткие сроки с использованием новых, более быстрых принтеров.
Представленный здесь фантом мозга может быть использован непосредственно для клинической подготовки и проверки нейронных систем. Как ткань, имитирующая материал, PVA-c позволяет повторно использовать полученный фантом, например, в качестве учебного пособия или для проверки интраоперационного ультразвука в вестибулярной хирургии шванномы, так как это прочный и нетоксичный материал. Таким образом, метод изготовления дополняет те ранее описанные, в которых 3D печать была использована для создания пациентаконкретных фантомов мозга 20,21,22,23,24,25. Использование PVA-c в качестве TMM делает фантом пригодным для использования в имитации нейрохирургии, так как материал может выдерживать неоднократные ручные манипуляции и контакт с ультразвуковым зондом. Эта работа закладывает основу для дальнейших исследований количественной проверки. Описанный здесь фантомный метод является очень универсальным и может быть использован для изготовления многих типов фантомов опухоли, специфичных для пациента, простирающихся от мозга к другим органам, с совместимостью через несколько методов визуализации.
Disclosures
Авторы не имеют каких-либо конфликтов интересов, чтобы объявить.
Acknowledgments
Авторы благодарят Даниила Никитичева и Штеффи Мендес за советы по использованию Meshmixer и Фернандо Перес-Гарсия за его советы по использованию 3D Slicer и за предоставление нам код для автоматизации некоторых этапов обработки.
Эта работа была поддержана Wellcome Trust (203145)/16/З; 203148/No/16/З; WT106882, EPSRC (NS/A000050/1); NS/A000049/1», MRC (MC_PC_17180) и Национальный призыв к мозгу (NBA/NSG/SBS). Телевизор поддерживается Medtronic Inc / Королевская академия инженерных исследований председатель "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).
