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患者特异性聚乙烯酒精幻影制造与超声波和X射线对比脑肿瘤手术规划

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair

Journal (Bioengineering)

Visualizing Angiogenesis by Multiphoton Microscopy In Vivo in Genetically Modified 3D-PLGA/nHAp Scaffold for Calvarial Critical Bone Defect Repair

3D Bioprinting of Murine Cortical Astrocytes for Engineering Neural-Like Tissue

Journal (Bioengineering)

3D Bioprinting of Murine Cortical Astrocytes for Engineering Neural-Like Tissue

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患者特异性聚乙烯酒精幻影制造与超声波和X射线对比脑肿瘤手术规划

Article DOI: 10.3791/61344-v

July 14th, 2020 •

Eleanor C. Mackle*^1,2, Jonathan Shapey*^1,2,3,4, Efthymios Maneas^1,2, Shakeel R. Saeed^3,5,6, Robert Bradford³, Sebastien Ourselin⁴, Tom Vercauteren⁴, Adrien E. Desjardins^1,2

¹Wellcome / EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences, University College London, ²Department of Medical Physics and Biomedical Engineering, University College London, ³Department of Neurosurgery, National Hospital for Neurology and Neurosurgery, ⁴School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, ⁵The Ear Institute, University College London, ⁶The Royal National Throat, Nose and Ear Hospital, London

* These authors contributed equally

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July 14th, 2020

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该协议描述了患者特定头骨、大脑和肿瘤幻象的制造。它使用 3D 打印来制造模具，聚乙烯醇（PVA-c）用作组织模仿材料。

Transcript

幻像模型是重要的工具，但要使其在解剖学上准确是具有挑战性的。该协议使用CT和超声波创建一个患者特定的幻象，其中包括一个肿瘤。我们使用复杂的异构模型和 3D 打印来实现高度的解剖真实感。

患者特异性大脑幻象是非常有用的，因为它们允许手术规划和临床训练，他们允许外科医生实践新技术和测试新的仪器和硬件。获得术前对比度增强型 T1 加权 MRI 和体积 CT 数据后，将图像加载到 3D 建模软件程序中，并使用纯切割工具将大脑分割分成两个半球。将每个半球保存为单独的左右脑 STL 文件，并导入适当的计算机辅助设计软件程序。

在网格工作区中，使用缩小函数尽可能减小每个模型的大小，以便程序可以处理它，同时仍保留所有必要的细节。在实体工作区中，使用网格到 BRep 工具将导入的网格转换为可操作的实体。单击"创建"和"框"，在肿瘤周围绘制一个框，旋转视图，以确保盒子将肿瘤完全封闭在四面。

在操作下拉菜单中，将框指定为新正文。单击修改选项卡并使用组合工具从框中切割肿瘤，以创建一个盒子，其中肿瘤的空心形状。若要在要切割模具的位置中通过框创建平面，请单击构造和中间平面以通过框的中心创建平面。

右键单击中间平面并选择偏移平面以更精确地定位平面。在"修改"选项卡下，使用分割主体功能沿创建的平面分割模具，然后单击创建草图和中心直径圆，将小圆形铆钉添加到模具的每一块表面。右键单击可将圆向外拉伸一张面上的几毫米，并在相应的面上向内拉伸。

然后将模具的每个部分保存为单独的 STL 文件。要打印 3D 脑和肿瘤模具，为了加快打印速度，请在 3D 打印软件中选择约 0.2 毫米的大层高度和低填充值 20%。如果模具正确放置在底板上，则不需要支撑材料。

使用聚乳酸等刚性材料打印模具。在打印头骨模具之前，选择在软件中添加支持，以使用 PVA 作为支撑材料。要为型号准备 PVA，在两升锥形烧瓶中加热 1，800 克去电化水至 90 摄氏度，并测量出 200 克 PVA 粉末。

将电子搅拌器放在烧瓶中，注意它不会接触底部或侧面。将速度设置为每分钟 1，500 转。将 PVA 粉末加入烧瓶，时间约 30 分钟。

添加所有 PVA 后，搅拌解决方案 90 分钟。获得粘性凝胶后，从水浴中取下烧瓶，用塑料包装盖住顶部，以防止在材料顶部形成皮肤。冷却后，PVA 将显示为透明。

倒入烧杯中。可以观察到微小的白色晶体，但表面的任何气泡都必须轻轻刮掉。然后将0.5%的山梨酸钾加入PVA作为防腐剂，彻底搅拌溶液。

要准备幻象，测量出足够的PVA，将肿瘤模具填充到烧杯中，然后将其余部分倒入单独的烧杯中。要为肿瘤准备PVA，添加1%的玻璃微球进行超声波对比，将5%硫酸钾添加到第一个烧杯的X射线对比中。用手搅拌生成的溶液。

声化烧杯，确保添加剂的均匀混合，让溶液冷却约10分钟，必要时通过刮擦去除任何气泡。将肿瘤模具固定在一起，将 PVA 倒入模具顶部的孔中。在将模具放入零下 20 摄氏度的冰柜中之前，让 PVA 休息几分钟，让浇注过程中形成的任何气泡从孔中逸出。

六小时后，在室温下解冻模具六小时。重复 12 小时的冻融循环，然后小心地从模型上取下模具。创建小脑和脑半球模型在适当的模具，刚才演示。

在每个幻象模型件的第二个冻结解冻周期后，小心地从模具中取出模型，将小脑肿瘤幻象放在头骨底部模型底部的尖峰上。将两个脑半球放入小脑肿瘤片的最上半部分，并在头骨底部模型的每个空间中放置四个定位销。然后将头骨顶部模型放在顶部。

如果需要，模型可操纵到所需位置，以模拟其在手术中的术中使用。按照所证明的协议，可以制造一个由患者特异性头骨、大脑和肿瘤组成的解剖逼真的幻象。使用患者MRI和CT数据对幻象的相关解剖结构进行分割。

然后，可以为模型的每一块创建网格，以制造 3D 模具，如演示。小脑模具是最复杂的设计和组装。头骨是最难打印的部分，因为它需要支撑材料。

完成的幻象为患者的头骨、大脑和肿瘤提供了逼真的模型。两个大脑半球是分开产生的，具有大脑的陀螺和硫化物的逼真外观。小脑舒适地适合印刷的头骨底部，大脑半球位于这种结构的顶部。

肿瘤很容易在小脑中可见，因为添加到肿瘤的额外对比度导致非白色颜色，将其与它所附的周围材料分开。肿瘤可以通过CT和超声波成像在幻象中可视化。然后，患者术中超声数据可用于将幻像图像与真实患者图像进行比较。

创建模具时，请特别注意切割的位置，以确保幻像在凝固后能够被移除。通过创建患者特异性大脑幻象，我们已经能够测试一种新的神经导航系统，该系统也可用于训练神经外科医生使用术中超声。

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