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

摘要

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。

摘要

幻象是临床训练、手术规划和开发新型医疗设备的重要工具。然而，创建具有逼真的脑成像特性的解剖学上精确的头部幻象是具有挑战性的，因为标准制造方法没有经过优化，无法复制任何患者特定的解剖细节，3D 打印材料也未针对成像特性进行优化。为了测试和验证一种用于脑肿瘤手术使用的新导航系统，需要一种具有逼真的成像和机械性能的解剖学精确幻象。因此，利用真实患者数据作为输入和模具的 3D 打印，利用超声波和 X 射线对比度制造由头骨、大脑和肿瘤组成的患者特异性头部幻像。幻象也有机械特性，允许以类似手术方式操作幻象组织。在虚拟手术室的手术模拟中，对幻象进行了成功的测试。

幻像制造方法使用市售材料，易于复制。3D 打印文件可以方便地共享，并且该技术可以适应以包含许多不同类型的肿瘤。

引言

模拟生物组织特定特性的幻象是各种实验和教学应用的有用资源。组织模仿幻象是必要的特征医疗器械之前，其^{临床使用1，2}和解剖幻象经常用于培训所有学科^{的医务人员3，4，5，6，7。}患者特定的解剖幻象，具有适当的组织模仿特性，往往是测试环境的关键部分，可以增加临床医生谁正在学习使用新设备^8的信心。然而，高昂的制造成本和复杂的制造工艺往往排除了患者特定幻象的常规使用。在这里，介绍了一种方法，用于制造一个持久的，患者特定的脑肿瘤模型使用现成的，商业材料，可用于培训和验证术中超声（美国）使用计算机断层扫描（CT）成像。本研究中描述的幻象是使用前庭颅骨（一种由连接大脑和内耳的平衡神经引起的良性脑肿瘤）的患者的数据创建的，该患者随后通过逆转录下颅切除术¹⁰进行了手术和肿瘤切除。幻影是为了测试和验证一个集成的术中导航系统，用于这种类型的脑肿瘤手术。

为了适合这个应用，脑肿瘤幻象需要具备几个关键特性。首先，应采用无毒材料制成，在临床训练环境中可以安全使用。其次，它应具有逼真的成像特性;对于预期应用，这些具体包括超声波衰减和CT对比度。第三，它应该具有与人体组织类似的机械性能，以便可以以同样的方式处理。第四，幻象应基于真实的患者数据，使其解剖准确，可用于手术规划和训练。最后，使用的材料必须耐用，以便可以重复使用幻像。

通常，为幻像选择的组织模仿材料和制造方法取决于预期应用。对于像头骨这样的刚性结构，所选属性不应变形或水溶性，并且应该能够保持准确的解剖细节水平，反复使用;当使用幻像进行使用图像注册的实验和手术模拟时，这一点尤其重要。矿物油基材料，如凝胶蜡，在^{超声波9、11、12}和光声¹³成像应用中已大有可为，然而，当受到反复的机械变形时，它们变得易碎，因此无法承受长期使用，尤其是标准显微外科神经外科仪器。水凝胶和明胶是水性材料，也常用作组织模仿材料。调整这些材料的声学特性所需的添加剂^{是众所周知的14，}但它们的机械强度有限，不是特别耐用，因此不适合这种应用，因为幻象需要反复处理。

聚乙烯醇低温凝胶 （PVA-c） 是组织模仿材料的流行选择，因为它的声学和机械性能可以通过改变其冷冻循环来轻松调整。研究显示PVA-c的特性与软组织^{15、16、17、18的特性相似}。基于PVA-c的大脑幻象已经成功地用于超声波和CT成像^19。该材料足够坚固，可以重复使用，并且具有很高的弹性，因此可以操纵由PVA-c制作的幻象组织，而不会永久变形。聚乳酸（PLA）是一种现成的刚性材料，用于制造头骨，但是，如果具有相似的机械性能且不溶于水，可以使用不同的印刷材料代替PLA。

特别是脑幻象是使用不同的方法制造的，这取决于所需的复杂程度和需要复制的组织20，21，22，23。通常，使用模具，液体组织模仿材料倒入。一些研究已经使用商业^模具24，而另一些使用3D打印定制模具的健康大脑，并模拟脑损伤植入标记球和充气导管19，25。据作者所知，这是3D打印的患者特异性脑肿瘤幻象模型的第一份报告，该模型采用组织模拟超声波和X射线特性创建。总的制造由图1中的流程图可视化;整个过程大约需要一周时间才能完成。

研究方案

这项研究根据《赫尔辛基宣言》中表达的原则进行，并经国家保健系统健康研究局和研究伦理委员会（18/LO/0266）批准。获得知情同意，所有成像数据在分析前都完全匿名。

1. 数据

1. 获取术前对比度增强型 T1 加权磁共振成像 （MRI） 和体积计算断层扫描 （CT） 数据。
   1. 如果以医学数字成像和通信 （DICOM） 格式获得，请转换为神经成像信息学技术倡议²⁶ （NiFTI） 格式进行处理和分析。
2. 获取术内超声波数据。

2. 分割

1. 安装软件以对患者数据进行分段。
2. 头骨分割
   注: 分割头骨的步骤大致遵循克莱默和奎格利概述的步骤²⁷ 上 https://radmodules.com/，但被调整，以创建一个适当大小的颅骨切除术。
   1. 在分段软件中加载患者的体积 CT 扫描，打开 分段编辑器模块 并创建新名为"骷髅"的分段。
   2. 使用"阈值"功能突出显示头骨。
   3. 删除任何不需要的分段（例如，皮肤钙化、可骨、C1/2、胶体过程、CT 患者框架以及图像中嵌入的任何注释）。使用"剪刀"功能在 3D 中查看模型时移除零件，并使用"擦除"功能手动断开任何不需要的结构后使用"岛屿"功能。
   4. 使用"油漆"和"绘制"功能（例如，乳腺骨的皮质边缘和乳腺骨）手动校正在阈值过程中遗漏的任何间隙。
   5. 使用"绘制"和"绘制"函数填充前兆，并创建一个 5 mm 突出的尖峰，可保护幻像模型的下部。
      注:尖峰的位置最好在日冕和下垂图像平面上确定。
   6. 应用"平滑"功能。使用 1.0 mm（3 × 3 × 1 像素）的中位数平滑设置，以最大限度地减少丢失的细节量。
      注:如果幻像模型必须包括一个完整的完整的头骨（例如，为了便于手术模拟创建一个适当的位置颅骨切除术），移动到步骤2.2.15;但是，如果模型中需要颅骨切除术，请完成步骤 2.2.7 到 2.2.14。
   7. 单击"添加"以添加新的分段并将其名称为"骷髅颅骨切除术"。
   8. 在 "分段"模块 中，使用"复制/移动分段"选项卡将"骷 髅"分割复制到"骷髅颅骨切除术 "。
      注:为了能够执行步骤 2.2.9 到 2.2.13 中所述的功能，需要"骷髅"和"骷髅颅骨切除术"分割
   9. 使用"剪刀"功能在"骷髅颅骨切除术"中去除大小适当的颅骨切除术。
      注:这样创建颅骨切除术也将移除另一侧的颅骨部分，因此需要步骤 2.2.11 到 2.2.14。
   10. 单击 "添加" 并添加新的分段;命名它 '只有颅骨切除术' 。
   11. 在"仅颅骨切除术"中，选择分割"骷髅颅骨切除术"，并使用"逻辑运算符"功能从"骷髅切除术"中减去"骷髅颅骨切除术"。
   12. 使用"剪刀"功能擦除肿瘤正确一侧所需的颅骨切除术以外的所有内容，从而节省"仅颅骨切除术"。
   13. 在"骷髅颅骨切除术"中，使用"逻辑运算符"函数从"骷髅切除术"中减去"仅颅骨切除术"并保存。
   14. 打开"分段" 模块，导出"骷髅颅骨切除术"作为立体光刻 （STL） 文件。
   15. 打开 3D 建模软件并导入 STL 文件"骷髅颅骨切除术"。
       注:如果模型以条纹粉红色显示，通过选择完整的模型（选择"翻转"）完成"翻转法线"|双击）然后 '编辑|翻转法线'。模型现在将变成灰色，可以编辑。确保"视图对象浏览器"已打开。
   16. 减少三角形的数量，以缩短计算时间。
   17. 选择完整的模型（选择|双击 将模型变为橙色），然后 '编辑|减少'。默认的"减少"功能设置为 50%，因此重复，直到达到所需的缩减。目标是三角形总数 < 500，000。
   18. 应用 "平滑 "功能， 确保 "形状保留" 框保持勾选。选择完整的模型，然后"变形|平滑'。
   19. 单击"分析"，然后单击"检查器"，然后使用此函数检测模型中的任何小缺陷，然后单击自动修复（建议"平填充"选择）。
   20. 使用"编辑/平面"剪切功能剪切"骷髅"以创建顶部和底部。选择 [保留两个切片] 和 [重新填充]填充类型。使用"着色器"功能将头骨更改为透明，以提供更好的头骨内部视图，并调整平面，使其与头骨底座平行。
   21. 通过选择"编辑"来分隔|将外壳'和重命名Skull_Top""和Skull_Bottom"。
       注:不要移动其位置。单击"眼睛"图标可从视图中删除其中一个。
   22. 单击"Meshmix"，然后选择"圆柱体"以创建定位销，并编辑大小为 4 mm × 10 mm × 4 mm（'编辑|转换 '）。通过单击Skull_Bottom从视图中删除的眼睛图标来隐藏"Skull_Bottom"。
   23. 选择 '编辑|对齐平面。将出现一个附加的透明圆柱体。在"对齐"窗口中，为"目标"选择"曲面点"（左键端透明圆柱体）和"移动 +左键下"的"Skull_Top"）。
   24. 使用 '编辑|变换'功能使用绿色箭头将定位销移动到头骨中，并使用蓝色和红色箭头调整位置。重命名"Dowel_Anterior"。
   25. 在对象浏览器中，浏览器制作 3 个副本Dowel_Posterior""Dowel_Left"""Dowel_Right"。
   26. 使用"编辑"将每个定位销移动到|转换' 函数。
       注:请勿移动或更改定位销在绿色平面中的位置。
   27. 创建每个副本，但将所有副本保留在同一位置，并创建一个额外的定位销，并调整为 3 mm × 10 mm × 3 mm。
   28. 使用"布尔差"功能为头骨中的定位器创建孔。首先选择Skull_Top"，然后在对象浏览器中选择一个定位。在 [布尔差]选项卡中，确保关闭 [自动减少] 。对每个定位销进行又重复。
   29. 隐藏"Skull_Top"，并查看"Skull_Bottom"，然后对每个定位销重复上述"布尔差"功能。
   30. 导出"Skull_Top"，"Skull_Bottom"和"Dowel"作为单独的二进制STL文件。
3. 脑组织分割
   1. 上传大脑的对比度增强型T1MRI，http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF并下载其输出。这是一个开源的分包工具，用于T1加权图像，利用测地线信息流^{（GIF）算法28}执行大脑提取和组织分割。
   2. 打开分段软件并加载对比度增强的 T1 MRI 和 GIF 分包输出文件。
   3. 打开"分段编辑器"模块并创建新的分段。
   4. 选择适当的标签并组合它们以形成单个分段。例如，脑和死头膜标签图可以组合创建一个模型，称为"大脑"，中脑、脑干、小脑和紫外结构可以组合在一起，以创建第二个模型，称为"脑脑"。
   5. 使用"平滑"功能（建议中位数 2.00 mm，5 × 5 × 3 像素）。
   6. 使用"剪刀"功能删除任何不需要的或错误的分段。
   7. 保存"大脑"和"小脑"分段。
   8. 打开"分段"模块，导出"大脑"和"小脑"作为STL文件。
4. 肿瘤分割
   1. 打开分段软件并加载对比度增强型 T1 MRI。
   2. 打开"段编辑器"模块并创建新名为"Tumor"的细分。
   3. 使用"阈值"功能突出显示肿瘤。
   4. 使用"绘制"、"绘制"和"擦除"功能更正分割。
   5. 应用"平滑"功能（建议中位数 2.00 mm 5 x 5 x 3 像素）。
   6. 创建名为"Cerebellum_Tumor"的新分段。
   7. 使用"逻辑运算符"和"逻辑运算符"组合"Cerebellum"模型和"|添加' 函数。
   8. 保存"肿瘤"和"Cerebellum_Tumor"分段。
   9. 打开"分段"模块，导出"肿瘤"和"Cerebellum_Tumor"作为 STL 文件。
      注:在分段过程结束时，提供以下文件:"Skull_Top"，"Skull_Bottom"，"杜维尔"，"大脑"，"小脑"，"肿瘤"，"Cerebellum_Tumor"。

3.3D脑/肿瘤模具和骷髅的印刷

1. 创建大脑和肿瘤模具
   1. 使用 3D 建模软件中的"平面切割"工具将"大脑"分割成两个半球。
   2. 将每个半球保存为单独的 STL 文件"右脑"和"左脑"。
   3. 将 STL 文件"Tumor"导入计算机辅助设计 （CAD） 软件。
   4. 单击 [网格] 选项卡，然后使用 [减少] 函数来减小模型的大小，以便程序可以处理它 - 目的是尽可能减小大小，同时保留所有必要的细节。
   5. 单击"实体" 选项卡并使用"网格到 BRep"工具将导入的网格转换为可操作的实体。如果无法完成此操作，则在步骤 3.1.3 中网格未减小。
   6. 单击 [创建[然后[框'，并在肿瘤周围绘制一个框。选择此选项可创建此"新身体"，并旋转视图以确保框将肿瘤完全封闭在四面。
   7. 在修改选项卡中，使用"组合"工具从框中切割肿瘤（工具体）。"目标体"。然后，这将留下一个盒子，里面有肿瘤的空心形状。
   8. 检查空出框是否存在。将这个盒子切成适当数量的碎片，这样一旦模具被填充，就可以在不损坏内部幻象的情况下被分得来。对于这里的肿瘤，它足以将盒子一分为二，但对于幻象的其他部分，需要更多的碎片。
   9. 在需要切割模具的位置通过框创建平面。单击[构造" 然后[ 中平面 " 通过框的中心创建平面。右键单击创建的平面并选择"偏移平面"以更精确地定位平面。
   10. 使用"修改"选项卡中的"拆分主体"功能沿创建的平面拆分模具。
   11. 通过右键单击并选择"移动/复制"，移动模具的单个部分，使所有件件都朝向外。
   12. 通过单击"创建草图"然后"中心直径圆"，并在每个面上绘制小圆圈，将铆钉添加到模具的每一块表面（以便它可以牢固地配合在一起）。右键单击[拉伸] 这些圆圈在一张表面上向外几毫米， 并在相应的表面上向内拉伸它们。
       注:向内挤压的圆需要比向外挤压的圆稍大一点（大约 1.5 mm），以便它们能紧贴在一起。
   13. 将模具的每一块保存为单独的 STL 文件。
   14. 对于"脑左"，"右脑"和"小脑肿瘤"，重复步骤 3.1.4 = 3.1.14。
       注:使用文件"小脑肿瘤"，而不仅仅是"小脑瘤"来创建模具意味着模具中将有一个空间，用于在构建过程中插入肿瘤。
2. 打印 3D 模具
   1. 安装或打开 3D 打印软件。
   2. 打开打印软件中模具的每一件 STL 文件，然后旋转它，以便它平放在构建板上。可以向构建板添加多个模具件并同时打印这些模具。
   3. 选择大层高度（约 0.2 mm）和低填充值（约 20%）加快打印速度。使用刚体材料（如聚乳酸 （PLA））打印模具。如果模具位置适当，则不需要支撑材料。
3. 打印骷髅
   1. 打开打印软件中的"骷髅顶部"文件，选择大层高度（约 0.2 mm）和低填充值（约 20%）。
   2. 在 PLA 中打印头骨模型，但与步骤 3.2.3 相比，需要支持材料，因此在软件中选择"添加支持"。PVA 用作支撑材料，因为它以后可以用水溶解。
   3. 对于"骷髅底部"，重复步骤 3.3.1 和 3.3.2。
   4. 一旦头骨的顶部和底部被打印出来，将它们淹没在水中过夜，以溶解PVA支撑材料。
      注:如果使用温水，支撑材料会更快地溶解，但如果水太热，就会使印刷的PLA变形。因此，最好使用冷水，让印刷品过夜。

4. PVA-c 的准备工作

1. 测量 200 g PVA 粉末并设置在侧面。
2. 将 1800 g 的去电水加热至 90°C，并加入 2L 圆锥烧瓶中。
   注:水需要几乎沸腾，所以PVA粉末很容易溶解，但如果水达到100°C，一些将损失蒸发，这是要避免的。
3. 将锥形烧瓶悬浮在温度控制水浴中，温度设置为 90°C。
4. 将电子搅拌器放在烧瓶中，确保它不会接触底部或侧面，并设定转速为 1500 rpm。
   注:检查水是否均匀搅拌，两侧或底部没有停滞点。
5. 逐渐将PVA粉末加入圆锥烧瓶，超过30分钟，然后离开它搅拌约90分钟。所得凝胶是组织模仿材料PVA-c。
6. 从水浴中取出锥形烧瓶，将内装物倒入烧杯中。用保鲜膜盖住顶部，防止在PVA-c顶部形成皮肤。让 PVA-c 冷却至室温（约 20°C）。冷却后，PVA-c 将透明。微小的白色晶体在PVA-c中可以看到，但表面出现的任何气泡都必须轻轻刮掉。
7. 将0.5 w/w%山梨酸钾加入PVA-c作为防腐剂，并手动搅拌。
8. PVA-c 如果在浇注到模具之前，在保鲜膜中覆盖几天，可以在室温下保持。

5. 幻影装配

1. 测量出足够的PVA-c，将肿瘤模具填充到烧杯中。
2. 在肿瘤的PVA-c中，加入1个w/w%玻璃微球进行超声波对比，加入5 w/w% 硫酸盐进行X射线对比，然后用手搅拌。
   注:可能需要测量出肿瘤的过量PVA-c，以便这些百分比是可测量的量。
3. 对烧杯进行声波化，以确保添加剂的均匀混合。
4. 离开冷却，让任何形成的气泡逃脱，大约10分钟，然后刮掉表面的任何气泡。
   注:在将 PVA-c 倒入模具之前，不要长时间离开，不要超过 10 分钟，因为玻璃球会沉淀到烧杯底部。一旦幻像被冻结，这将不再是一个问题，最终的幻像可以在室温下使用。
5. 将肿瘤模具固定在一起（胶带可用于覆盖模具中的连接），并通过模具顶部的孔倒入 PVA-c 中。离开几分钟，让浇注过程中形成的任何气泡从孔中逸出，然后直接放入冰柜中。
6. 对肿瘤进行两次冷冻循环;这里的每个周期包括6小时冷冻在-20°C和6小时在室温下解冻。然后，小心地从模具中取出。
7. 将肿瘤放入小脑模具中的相应空间，然后构造小脑模具的其余部分并固定在一起。
8. 到剩余的PVA-c添加0.05 w/w%玻璃微球，然后重复步骤5.1.3和5.1.4。
9. 将PVA-c倒入小脑模具中，使其包围已放置在内部的肿瘤。此外，将混合物倒入每个大脑半球的模具中。
10. 在每个大脑半球和小脑上执行两个冷冻循环;这里的每个周期包括24小时冷冻在-20°C和24小时在室温下解冻。
    注:12小时冷冻后12小时解冻的循环也有效，允许在更短的时间内创建幻像。选择24小时，方便应用，避免每12小时返回实验室。
11. 幻象第二次解冻后，小心地将其从模具中取出并放入打印的头骨中。
    注:不使用时，已完成的 PVA-c 幻像应存放在冰箱中的密封容器中，并可按此方式保存数周
12. 要完成，请将"脑肿瘤"幻象放在"骷髅底部"模型底部的尖峰上。两个脑半球（"左脑"和"右脑"）的模型被放置在顶部，并插入到"小脑肿瘤"的最上面部分。
13. 将四个定位销放在"骷髅底部"模型的每个空间中，并在顶部放置"骷髅顶部"模型。如果需要，模型可操纵到所需位置，以模拟手术中的术中使用。

6. 幻影成像

1. 超声成像
   1. 将超声波凝胶涂抹到成像探头上。
      注:凝胶不在术中使用，但可用于模拟，不会显著改变临床工作流程或采集图像的质量。
   2. 通过颅骨切除术对大脑和肿瘤进行成像，使用临床扫描仪和毛刺孔探针。
2. CT 成像
   1. 在 CT 扫描仪中成像整个幻像。

结果

按照所述协议，一个解剖上逼真的幻象被制造出来，它包括一个病人特异性的头骨，大脑和肿瘤。使用患者MRI和CT数据对幻象（头骨、脑、肿瘤）的相关解剖结构进行分割（图2a，b）。患者术中超声数据（图2c;图2d显示与图2c相同的图像，但用肿瘤勾勒出来）用于将幻像图像与真实患者图像进行比较。

为模型的每个部分创建网格（图3），然后用于制造3D模具。模具很容易印在商业打印机上，通过将碎片插入一起组装。小脑模具是设计和组装最复杂的（图4）。头骨 （图 5a） 是最难打印的部分， 因为它需要支持材料， 所以是一个缓慢的过程;整个打印总共花了三天时间完成，这是协议中的一个限制因素。

完成的幻象（图5）是病人头骨、大脑和肿瘤的现实模型.两个大脑半球（图5b）是分开产生的，具有逼真的外观，具有大脑的陀螺和硫化物特征。整个幻像是白色，因为这是PVA-c的自然颜色;这可以很容易地通过添加染料来改变，但不需要为应用。小脑（图5c）舒适地适合印刷的头骨底部，大脑半球坐在上面。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它是一种非白色的颜色，将其与周围的材料分离，而周围材料是牢固地连接到的。

幻象是用CT和超声波成像的（图6a，b）。硫酸铵用于给肿瘤适当的CT对比，而幻象图像（图6a）显示，这是实现的，因为肿瘤是清晰可视化的。头骨没有100%填充，以减少打印时间。因此，头骨在 CT 图像中看起来并不完全真实，因为可以看到打印的晶格结构。这不是一个应用程序的问题，因为只有头骨的轮廓需要神经导航系统。头骨可以打印 100% 填充，以避免 CT 图像的精度降低，但会为打印过程增加时间。玻璃微球被添加到小脑，脑半球和肿瘤超声波对比。结果表明，肿瘤也可见于超声波成像（图6b），可与周围组织区分开来。在目视检查中，从幻像（图6b）获得的超声波图像和从患者获得的超声波图像（图2c）表明幻像中使用的对比剂对创建逼真的成像特性是有效的。

幻象在虚拟手术室的手术模拟中进行了测试（图7）。幻像模型被放置在手术台上使用标准的头骨夹和幻影的CT扫描登记使用临床神经导航系统。模拟了肿瘤的逆转性方法，并使用带毛刺孔超声传感器的临床超声系统对肿瘤进行了成像。在手术模拟过程中，幻象模型被证明是稳定的，没有观察到从操纵幻象，以与人脑在手术过程中一样的方式，因此可以在相同的条件下反复使用。

图1:流程图，显示使患者特定的PVA-c大脑幻象所需的步骤。请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:用于创建幻像模型的患者数据。左侧前庭血红膜患者的数据来源:（ a ）轴向对比度增强型 T1 加权 MRI，指向肿瘤的白色箭头;（b） 轴向非对比度CT扫描窗口，以突出骨骼，白色箭头指向肿瘤引起的扩大内听觉肉质;（c） 在前庭子宫癌手术期间获得的术内超声波图像;（d） 带注释的术中超声 图像:肿瘤（超声超声 ），:大脑（小脑）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:完成幻像每个部分的网格。STL网格为 （a，b） 头骨 ， : 左侧逆形颅骨切除术;（c，d） 脑半球;（e，f） 肿瘤和小脑， :肿瘤. 请单击此处查看此图的较大版本。

图4:3D打印小脑模具。3D 打印小脑模具完全构造（左上）和单独的件，编号从 1 到 4。第 2 件中的孔（以"H"表示）使 PVA-c 能够倒入模具中。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 5:已完成幻像。完成幻象 （a） 头骨 （b） 幻象与头骨顶部删除: : 逆转性颅 骨切除术， : 肿瘤， 脑 （脑）， 大脑 （右脑半球）;（c） 小脑和肿瘤 :肿瘤 、脑（小脑）。 请单击此处查看此图的较大版本。

图6:用幻像采集的CT和超声波图像。（a） 完全幻象的轴向 CT 图像通过头骨基础和肿瘤的水平， （ b ）术中超声图像的幻象通过毛刺孔超声探针通过反原颅骨切除术在大致垂直于头骨的平面（模拟手术，小脑被稍微缩回，以便直接在肿瘤上成像）。 : 肿瘤 ， 脑 （脑）， : 左侧逆转录颅骨切除术。 请单击此处查看此图的较大版本。

图7:在手术模拟期间测试幻像。在虚拟手术室中通过手术模拟测试幻像模型。 : 显示 CT 幻象模型注册扫描的神经导航 系统，:用于使用毛刺孔超声波传感器成像幻象的超声波系统（见位于超声波监视器旁边）。请注意，此处所示的模型基于从具有右侧肿瘤的不同患者获得的数据。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

该协议详细介绍了患者特定大脑幻象的制造过程，包括头骨、大脑和前庭脑膜肿瘤。3D 打印方法可实现解剖学上准确的细节。此处描述的幻象已成功制造，具有所需的解剖细节水平;CT和超声波成像用于证明肿瘤很容易用两种模式可视化。模仿材料PVA-c的组织是超声波幻象的组织模仿材料;其声学和机械性能可用添加剂和冻结循环的数量进行调整。该材料是现成的，易于使用，无毒。经过反复使用，幻象具有足够的耐用性，能够承受手术和在前庭手术的物理模拟过程中与超声波探针的接触。

几个关键步骤被确定为对制造过程至关重要。首先，要包含在幻像中的结构的分割必须包括所需的解剖细节级别。然后，创建准确的STL文件和3D模具自然。其次，步骤3.1.9中小脑模具内平面的定位必须慎重考虑，以便可以方便地去除幻象，而不会损坏;它必须切成足够的碎片，以便保留解剖细节，同时使幻像被移除而不卡在模具中。在这种情况下，测试了几个迭代，最后模具被切成四个独立的部分。第三个关键考虑是，在 PVA-c 制造过程中（第 4 节），PVA-c 必须保持冷却至室温（步骤 4.1.6）。如果错过此步骤，将热 PVA-c 添加到模具中，则可能导致模具熔化或扭曲。还必须一旦添加玻璃球体（步骤 5.1.2 = 5.1.4），PVA-c 不会静坐超过 10 分钟;如果离开很长一段时间，玻璃球将稳定到底部，由此产生的幻象将有不均匀的超声波对比度^29。添加玻璃球后，必须将 PVA-c 直接添加到模具中并放入冰柜中。第一个冻结循环后，玻璃球体将固定在该位置，幻象可以在室温下使用。最后，在添加 PVA-c 之前，必须仔细密封模具（例如，带胶带），以最大限度地减少混合物通过模具单独拼凑在一起的缝隙中的泄漏。

该协议有几个限制。例如，需要一些专业设备，包括水浴和电子搅拌器。声波器也用作本协议的一部分，但声波步骤（5.1.3）可以替换为额外的电子搅拌;然而，有了这种替代方法，实现均匀的混合物需要更长的时间，而不是使用声波。PVA-c 的一个限制是，它随着时间的推移而降解并发霉。山梨酸钾的添加，如这里所述，增加了幻影的保质期，尽管它仍必须保存在一个气密的容器中。PVA-c 的第二个限制是需要冻结解冻周期，这会增加制作幻像所需的时间。为了尽量减少幻象制造时间，一个关键考虑是冻结和解冻的速度;一旦幻象完全冻结或完全解冻，它保持该状态的时间不会显著影响最终的幻象^16，30。因此，使用的周期长度可以变化，前提是幻象在周期的每个阶段完全冻结和解冻。例如，本研究幻象中的肿瘤非常小，因此肿瘤的周期比大脑周期短。最后，3D 打印模具和头骨是一个耗时的过程，它消耗了使用此协议制造幻像所需的总时间（3 周）的很大一部分（3 天）。使用的打印机是 2018 年的商用型号;使用更新、更快的打印机，可以在更短的时间内完成打印过程。

这里介绍的大脑幻象可以直接用于神经导航系统的临床训练和验证。作为组织模仿材料，PVA-c 使生成的幻象能够反复使用，例如作为训练工具或用于前庭脑膜手术中手术的宫内超声验证，因为它是一种耐用且无毒的材料。因此，制造方法与先前描述的3D打印用于创建患者特定大脑幻象20、21、22、23、24、25。使用PVA-c作为TMM使幻象适合用于神经外科的模拟，因为材料可以承受反复的手动操作和超声波探针的接触。这项工作为进一步的定量验证研究定下阶段。此处描述的幻象方法非常通用，可用于制造多种类型的患者特异性肿瘤幻象，从大脑扩展到其他器官，具有多种成像模式的兼容性。

材料

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