Detta protokoll beskriver tillverkning av en patient specifik skalle, hjärnan och tumör phantom. Den använder 3D-utskrift för att skapa formar, och polyvinylalkohol (PVA-c) används som vävnaden härma material.
Phantoms är viktiga verktyg för klinisk utbildning, kirurgisk planering och utveckling av nya medicintekniska produkter. Det är dock utmanande att skapa anatomiskt noggranna huvudfantomer med realistiska hjärnavbildningsegenskaper eftersom standardanställningsmetoder inte är optimerade för att replikera någon patientspecifik anatomisk detalj och 3D-utskriftsmaterial inte är optimerade för bildhanteringsegenskaper. För att testa och validera ett nytt navigationssystem för användning under hjärntumörkirurgi krävdes en anatomiskt noggrann fantom med realistisk bildbehandling och mekaniska egenskaper. Därför utvecklades en fantom med hjälp av verkliga patientdata som indata och 3D-utskrift av formar för att fabricera en patient-specifika huvudet fantom bestående av skallen, hjärnan och tumör med både ultraljud och röntgen kontrast. Fantomen hade också mekaniska egenskaper som gjorde att fantomvävnaden kunde manipuleras på ett liknande sätt som hur mänsklig hjärnvävnad hanteras under operationen. Fantomen testades framgångsrikt under en kirurgisk simulering i en virtuell operationssal.
Phantom fabrication metoden använder kommersiellt tillgängliga material och är lätt att reproducera. 3D-utskriftsfilerna kan lätt delas, och tekniken kan anpassas till att omfatta många olika typer av tumörer.
Phantoms härma specifika egenskaper biologiska vävnader är en användbar resurs för olika experimentella och undervisning tillämpningar. Vävnad-härma fantomer är avgörande för att karakterisera medicintekniska produkterförederas kliniska användning1,2 och anatomiska fantomer används ofta i utbildningen av medicinsk personal i alla discipliner3,4,5,6,7. Patientspecifika anatomiska fantomer gjorda med lämpliga vävnadsliknande egenskaper är ofta en kritisk del av testmiljön och kan öka förtroendet hos kliniker som lär sig använda en ny enhet8. Höga tillverkningskostnader och komplexa tillverkningsprocesser utesluter dock ofta rutinmässig användning av patientspecifika fantomer. Här beskrivs en metod för tillverkning av en tålig, patientspecifik hjärna tumör modell med hjälp av lätt tillgängliga, kommersiella material, som kan användas för utbildning och validering av intraoperativ ultraljud (US) med hjälp av datortomografi (CT) imaging. Den phantom beskrivs i denna studie skapades med hjälp av data från en patient med en vestibulära schwannoma (en godartad hjärntumör som härrör från en av balansen nerver som förbinder hjärnan och innerörat) som därefter genomgick kirurgi och tumör samband via en retrosigmoid suboccipital craniotomy10. Fantomen utvecklades i syfte att testa och validera ett integrerat intraoperativt navigationssystem för användning under denna typ av hjärntumörkirurgi.
För att vara lämplig för denna ansökan, hjärntumör phantom behöver inneha flera viktiga egenskaper. Först bör den vara gjord av giftfria material, så det kan säkert användas i en klinisk utbildning miljö. Andra, Det bör ha realistiska bildegenskaper; för den avsedda applikationen, dessa specifikt omfatta ultraljud dämpning och CT kontrast. För det tredje bör det ha liknande mekaniska egenskaper som mänsklig vävnad så att den kan hanteras på samma sätt. För det fjärde bör fantomen baseras på verkliga patientdata, så att den är anatomiskt noggrann och kan användas för kirurgisk planering och träning. Slutligen måste de material som används vara hållbara, så att fantomen kan användas upprepade gånger.
I allmänhet beror det vävnadshärande material och tillverkningsmetod som valts för en fantom på den avsedda applikationen. För styva strukturer som skallen, bör den valda egenskapen inte deformeras eller vara vattenlöslig och det bör kunna upprätthålla en exakt nivå av anatomisk detalj med upprepad användning; detta är särskilt viktigt när du använder fantomen för experiment där bildregistrering används och för kirurgiska simuleringsändamål. Mineralolja baserade material såsom gel vax har varit lovande för ultraljud9,11,12 och fotoakustiska13 bildframställning applikationer, dock, när de utsätts för upprepad mekanisk deformation de blir friable, så kan inte motstå utökad användning, särskilt med standard mikrokirurgiska neurokirurgi instrument. Agar och gelatin är vattenhaltiga material som också används ofta som vävnad-härma material. De tillsatser som behövs för att justera de akustiska egenskaperna hos dessamaterial är välkända 14, men de har begränsad mekanisk hållfasthet och är inte särskilt hållbara så är inte lämpliga för denna applikation, där fantomen behöver hanteras upprepade gånger.
Polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) är ett populärt val av vävnad-härma material, eftersom dess akustiska och mekaniska egenskaper kan lätt anpassas genom att variera dess frys-tö cykler. Det har visat sig att egenskaperna hos PVA-c liknar egenskaperna hosmjukvävnader 15,16,17,18. PVA-c baserade hjärnan fantomer har använts framgångsrikt för ultraljud och CT imaging19. Materialet är tillräckligt starkt för att användas upprepade gånger, och det har en hög grad av elasticitet, så fantomvävnad gjord av PVA-c kan manipuleras utan att vara permanent deformerad. Polylactic syra (PLA) är ett lätt tillgängligt styvt material och användes för att tillverka skallen, dock kan ett annat tryckmaterial användas i stället för PLA, om det har liknande mekaniska egenskaper och inte är vattenlösligt.
Brain fantomer i synnerhet har fabricerats med olika metoder, beroende på graden av komplexitet som krävs och de vävnader som behöver replikeras20,21,22,23. Vanligtvis används en mögel, och flytande vävnad-härma material hälls i den. Vissa studier har använt kommersiellaformar 24 medan andra använder 3D-tryckta anpassade formar av en frisk hjärna, och simulera hjärnskador genom att implantera markör sfärer och uppblåsbarakatetrar 19,25. Så här väl är detta den första rapporten från en 3D-tryckt patientspecifik hjärntumörfantommodell skapad med vävnadshärmanande ultraljud och röntgenegenskaper. Den totala tillverkning visualiseras av flödesschemat i figur 1; hela processen tar cirka en vecka att slutföra.
Detta protokoll detaljer tillverkningsprocessen av en patient specifik hjärnan fantom, som inkluderar skallen, hjärnan och vestibulära schwannoma tumör. 3D-utskriftsmetoder som tillåts för anatomiskt noggrann detaljrikedom som ska uppnås. Den fantom som beskrivs här var framgångsrikt tillverkas med önskad nivå av anatomiska detaljer; CT och ultraljud imaging användes för att visa att tumör var lätt visualiseras med båda modaliteter. Vävnaden härma material, PVA-c, är väl etablerad som en vävnad-härma material för ultraljuds phantoms; dess akustiska och mekaniska egenskaper kan stämmas med tillsatser och antalet frys-töcykler. Materialet är lätt tillgängligt, enkelt att använda och giftfritt. Med upprepade användning, hade fantom tillräcklig hållbarhet att motstå manipulation och kontakt med en ultraljud sond under fysiska simuleringar av vestibulära schwannoma kirurgi.
Flera viktiga steg identifierades som kritiska för tillverkningsprocessen. Först måste segmenteringen av strukturer för införande i fantomen innehålla den önskade nivån av anatomiska detaljer. Skapandet av korrekta STL-filer och 3D-formar följer sedan naturligt. För det andra måste placeringen av plan inom lillhjärnan mögel i steg 3.1.9 övervägas noggrant, så att fantomen lätt kan avlägsnas, utan skador; den måste skäras i tillräckligt många bitar för att anatomiska detaljer ska kunna behållas, samtidigt som det gör det möjligt att avlägsna fantomen utan att fastna i formen. I detta fall testades flera iterationer och slutligen skars formen i fyra separata bitar. Den tredje viktiga hänsynen är att under PVA-c tillverkningsprocessen (avsnitt 4) måste PVA-c lämnas för att svalna till rumstemperatur (steg 4.1.6). Om detta steg missas och varm PVA-c läggs till formar, kan det orsaka formarna att smälta eller förvränga. Det är också avgörande att när väl glassfärerna väl har lagts till (steg 5.1.2 – 5.1.4) lämnas inte PVA-c att sitta i mer än cirka 10 minuter; om de lämnas under en längre tid kommer glassfärerna att lägga sig till botten, och den resulterande fantomen kommer att ha inhomogen ultraljudskontrast29. När glassfärerna har lagts till måste PVA-c läggas direkt i formarna och placeras i frysen. Efter den första fryscykeln kommer glassfärerna att säkras på platsen, och fantomen kan användas i rumstemperatur. Slutligen är det viktigt att formar är noggrant förseglade (t.ex. med tejp) innan PVA-c tillsätts, för att minimera läckage av blandningen genom luckor där den separata biten av mögel sammanfogade.
Protokollet har flera begränsningar. Till exempel krävs viss specialutrustning, inklusive ett vattenbad och en elektronisk omrörare. En soniker används också som en del av detta protokoll, men ultraljudsbehandling steg (5.1.3) skulle kunna ersättas med ytterligare elektronisk omrörning; dock med detta alternativ, det skulle ta längre tid att uppnå en homogen blandning än vad som är möjligt med användning av ultraljudsbehandling. En begränsning av PVA-c är att det bryts ned med tiden och blir möglig. Tillsats av kaliumsorbat, som beskrivs här, ökar fantomens hållbarhet, även om den fortfarande måste hållas i en lufttät behållare. En andra begränsning av PVA-c är att freeze-töcykler krävs, vilket ökar den tid som krävs för att göra en fantom. För att minimera fantom tillverkningstid, en viktig hänsyn är hastigheten på frysning och upptining; när fantomen antingen är helt fryst eller helt tinad, påverkar den tid som den förblir i det tillståndet inte signifikant den slutligafantomen 16,30. Därför kan de använda cykellängderna varieras, förutsatt att fantomen är helt frusen och tinas i varje steg i cykeln. Till exempel är tumören i fantomen i denna studie mycket liten, så kortare cykler kan användas för tumören än för hjärnan. Slutligen är 3D-utskrift av formar och skalle en tidskrävande process som förbrukar en betydande del (3 dagar) av den totala tiden (1 vecka) som krävs för att fabricera en fantom med detta protokoll. Skrivaren som användes var en kommersiell modell från 2018; utskriftsprocessen kunde slutföras i kortare tidsramar med användning av nyare, snabbare skrivare.
Hjärnan fantom presenteras här skulle kunna användas direkt för klinisk utbildning och validering av neuronavigation system. Som vävnaden härma material, gör PVA-c det resulterande fantomen kan användas upprepade gånger, till exempel som ett utbildningsverktyg eller för validering av intraoperativt ultraljud i vestibulära schwannoma kirurgi, eftersom det är en varaktig och giftfri material. Som sådan är fabriceringsmetoden komplement till de som tidigare beskrivits där 3D-utskrift användes för att skapa patientspecifika hjärnstomvar20,21,22,23,24,25. Användningen av PVA-c som TMM gör fantomen lämplig för användning vid simulering av neurokirurgi, eftersom materialet tål upprepad manuell manipulation och kontakt från en ultraljudssond. Detta arbete lägger fram scenen för ytterligare kvantitativa valideringsstudier. Den fantommetod som beskrivs här är mycket mångsidig och skulle kunna användas för att fabricera många typer av patientspecifika tumörfantomer, som sträcker sig från hjärnan till andra organ, med kompatibilitet över flera bildframställning modaliteter.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Daniil Nikitichev och Steffi Mendes för deras råd om hur du använder Meshmixer och Fernando Perez-Garcia för hans råd om hur du använder 3D Slicer och för att ge oss kod för att automatisera några av bearbetningsstegen.
Detta arbete stöddes av Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] och National Brain Appeal [NBA / NSG / SBS] finansiering. TV stöds av en Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Ordförande [RCSRF1819\7\34].
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 |