Method Article
* Эти авторы внесли равный вклад
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.
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.
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.
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
2. Сегментация
3.3D Печать мозга / Опухолевые формы и черепа
4. Подготовка PVA-c
5. Фантомная ассамблея
6. Призрачные изображения
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.
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.
Авторы не имеют каких-либо конфликтов интересов, чтобы объявить.
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".
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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены