Beyin Tümörü Cerrahisi Planlaması için Ultrason ve X-Ray Kontrastı ile Hastaya Özel Polivinil Alkol Phantom İmalatı

Özet

Bu protokol, bir hastanın belirli kafatası, beyin ve tümör hayalet imal açıklar. Bu kalıp oluşturmak için 3D baskı kullanır ve polivinil alkol (PVA-c) doku taklit malzeme olarak kullanılır.

Özet

Hayaletler klinik eğitim, cerrahi planlama ve yeni tıbbi cihazların geliştirilmesi için gerekli araçlardır. Ancak, standart üretim yöntemleri herhangi bir hastaya özgü anatomik detay ı çoğaltmak için optimize değildir ve 3D baskı malzemeleri görüntüleme özellikleri için optimize edilmez, çünkü gerçekçi beyin görüntüleme özellikleri ile anatomik olarak doğru kafa hayaletler oluşturmak zordur. Beyin tümörü cerrahisi sırasında kullanılmak üzere yeni bir navigasyon sistemini test etmek ve doğrulamak için gerçekçi görüntüleme ve mekanik özelliklere sahip anatomik olarak doğru bir hayalet emretmek gerekiyordu. Bu nedenle, bir hayalet giriş ve kalıpların 3D baskı olarak gerçek hasta verileri kullanılarak hem ultrason ve X-Ray kontrastı ile kafatası, beyin ve tümör oluşan bir hastaya özgü kafa hayalet imal geliştirilmiştir. Hayalet aynı zamanda hayalet dokunun ameliyat sırasında insan beyin dokusunun nasıl ele alınılamasına benzer bir şekilde manipüle edilmesine izin veren mekanik özelliklere sahipti. Hayalet, sanal bir ameliyathanedeki cerrahi simülasyon sırasında başarılı bir şekilde test edildi.

Hayalet üretim yöntemi ticari olarak kullanılabilir malzemeler kullanır ve çoğaltılması kolaydır. 3D baskı dosyaları kolayca paylaşılabilir ve teknik tümörün birçok farklı türde kapsayacak şekilde uyarlanabilir.

Giriş

Biyolojik dokuların özel özelliklerini taklit eden hayaletler çeşitli deneysel ve öğretim uygulamaları için yararlı bir kaynaktır. Doku taklit hayaletler klinik kullanım dan önce tıbbi cihazlar karakterize etmek için gereklidir^1,2 ve anatomik hayaletler sık lıkla tüm disiplinlerde tıbbi personelin eğitiminde kullanılır^3,4,5,6,7. Uygun doku taklit özellikleri ile yapılan hastaya özgü anatomik hayaletler genellikle test ortamının kritik bir parçasıdır ve yeni bir cihaz kullanmayı öğrenen klinisyenlerin güvenini artırabilir⁸. Ancak, yüksek üretim maliyetleri ve karmaşık üretim süreçleri genellikle hastaya özel hayaletlerin rutin kullanımını engellemektedir. Burada, bilgisayarlı tomografi (BT) görüntüleme kullanarak intraoperatif ultrason (US) eğitimi ve doğrulaması için kullanılabilecek hazır, ticari malzemeler kullanılarak dayanıklı, hastaya özgü bir beyin tümörü modeli üretmek için bir yöntem tanımlanmıştır. Bu çalışmada açıklanan hayalet bir vestibüler schwannoma olan bir hastanın verileri kullanılarak oluşturuldu (beyin ve iç kulak bağlayan denge sinirlerinden biri kaynaklanan iyi huylu bir beyin tümörü) daha sonra bir retrosigmoid suboccipital kraniotomi ile cerrahi ve tümör rezeksiyonu yapıldı¹⁰. Hayalet test etmek ve beyin tümörü cerrahisi bu tür sırasında kullanılmak üzere entegre bir intraoperatif navigasyon sistemi doğrulamak için geliştirilmiştir.

Bu uygulamaya uygun olabilmek için beyin tümörü hayaletinin birkaç temel özelliğe sahip olması gerekir. İlk olarak, toksik olmayan malzemelerden yapılmalıdır, böylece güvenli bir klinik eğitim ortamında kullanılabilir. İkinci olarak, gerçekçi görüntüleme özellikleri olmalıdır; amaçlanan uygulama için, bu özellikle ultrason zayıflama ve BT kontrastı içerir. Üçüncü olarak, aynı şekilde ele alınabilir, böylece insan dokusuna benzer mekanik özelliklere sahip olmalıdır. Dördüncü olarak, hayalet gerçek hasta verilerine dayalı olmalıdır, böylece anatomik olarak doğru ve cerrahi planlama ve eğitim için kullanılabilir. Son olarak, kullanılan malzemeler dayanıklı olmalıdır, böylece hayalet tekrar tekrar kullanılabilir.

Genel olarak, bir hayalet için seçilen doku taklit malzemesi ve üretim yöntemi amaçlanan uygulamaya bağlıdır. Kafatası gibi sert yapılar için, seçilen özellik deforme veya suda çözünür olmamalı ve tekrarlanan kullanımı ile anatomik detay doğru bir düzeyde korumak gerekir; bu özellikle görüntü kaydının kullanıldığı deneylerde ve cerrahi simülasyon amaçlı hayalet ilerlerken önemlidir. Jel balmumu gibi mineral yağ bazlı malzemeler ultrason için umut verici olmuştur^9,11,12 ve fotoakustik¹³ görüntüleme uygulamaları, ancak, tekrarlanan mekanik deformasyona maruz kaldığında onlar friable hale, bu yüzden uzun kullanım dayanamıyor, özellikle standart mikrocerrahi nöroşirürji aletleri ile. Agar ve jelatin de yaygın doku taklit malzemeleri olarak kullanılan sulu malzemelerdir. Bu malzemelerin akustik özelliklerini ayarlamak için gerekli katkı maddeleri iyi bilinen¹⁴, ama sınırlı mekanik dayanıma sahip ve özellikle dayanıklı değildir bu nedenle hayalet tekrar tekrar ele alınması gereken bu uygulama için uygun değildir.

Polivinil alkol kriyogel (PVA-c) doku taklit malzeme popüler bir seçimdir, akustik ve mekanik özellikleri kolayca donma-çözülme döngüleri değiştirerek ayarlanabilir çünkü. PVA-c özelliklerinin yumuşak dokuların¹⁵,^16,17,18'inebenzediği gösterilmiştir. PVA-c tabanlı beyin fantomları ultrason ve BT görüntüleme için başarıyla kullanılmıştır¹⁹. Malzeme tekrar tekrar kullanılacak kadar güçlüdür ve yüksek derecede elastikiyete sahiptir, bu nedenle PVA-c'den yapılmış hayalet doku kalıcı olarak deforme olmadan manipüle edilebilir. Polilaktik asit (PLA) hazır bir sert malzemedir ve kafatası üretimi için kullanılan, ancak, farklı bir baskı malzemesi PLA yerine kullanılabilir, benzer mekanik özelliklere sahiptir ve suda çözünür değilse.

Özellikle beyin hayaletleri gerekli karmaşıklık düzeyine bağlı olarak, farklı yöntemler kullanılarak imal edilmiştir ve çoğaltılması gereken dokular^20,21,22,23. Genellikle, bir kalıp kullanılır ve sıvı doku taklit malzemesi içine dökülür. Bazı çalışmalar da sağlıklı bir beynin 3D baskılı özel kalıpları kullanırken ticari kalıplar²⁴ kullanmış ve marker küreler ve şişme kateterler^19,25implante ederek beyin lezyonları simüle . Yazarın bilgi nin en iyi için, bu doku taklit ultrason ve X-Ray özellikleri ile oluşturulan bir 3D baskılı hastaya özgü beyin tümörü hayalet modelinin ilk raporudur. Toplam üretim Şekil 1'dekiakış şeması ile görselleştirilir; tüm sürecin tamamlanması yaklaşık bir hafta sürer.

Protokol

Bu çalışma Helsinki Bildirgesi'nde ifade edilen ilkelere göre yürütülmüş ve NHS Sağlık Araştırma Kurumu ve Araştırma Etik Komitesi (18/LO/0266) tarafından onaylanmıştır. Bilgilendirilmiş onam alındı ve tüm görüntüleme verileri analiz edilmeden önce tamamen anonimhale getirildi.

1. Veri

1. Ameliyat öncesi kontrastlı t1 ağırlıklı Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ve hacimsel bilgisayarlı tomografi (BT) verilerini elde edin.
   1. Tıpta Dijital Görüntüleme ve İletişim (DICOM) formatında elde edilirse, işleme ve analiz için Nörogörüntüleme Bilişim Teknolojisi Girişimi²⁶ (NiFTI) formatına dönüştürün.
2. İntraoperatif ultrason verilerini alın.

2. Segmentasyon

1. Hasta verilerini segmente etmek için yazılım yükleyin.
2. Kafatası segmentasyonu
   NOT: Kafatasının ayrıayrı parçalanmasında yer alan adımlar Cramer ve Quigley tarafından özetlenen adımları geniş ölçüde takip²⁷ -ını https://radmodules.com/, ama uygun büyüklükte kraniyotomi oluşturmak için uyarlanmıştır.
   1. Segmentasyon yazılımında hastanın hacimsel BT taraması yükleyin, Segment Editor modülunu açın ve 'Skull' adlı yeni segmentasyon oluşturun.
   2. Kafatasını vurgulamak için 'Threshold' işlevini kullanın.
   3. İstenmeyen segmentasyonları (örn. cilt kalsifikasyonları, mandibula, C1/2, stiloid proses, CT hasta çerçevesi ve görüntünün içine gömülü ek açıklamaları) kaldırın. Modeli 3B olarak görüntülerken parçaları kaldırmak ve'Sil ' işlevini kullanarak istenmeyen yapıların elle kesilmesinden sonra 'Adalar' işlevini kullanmak için 'Makas' işlevini kullanın.
   4. 'Paint' ve 'Draw' fonksiyonları (örneğin, lamina papyracea, mastoid kemiğin kortikal kenarı ve etmoid kemik) kullanarak eşik leme sırasında kaçırılan segmentasyondaki boşlukları manuel olarak düzeltin.
   5. Foramen magnum'u doldurmak ve hayalet modelin alt kısmının sabitlenebildiği 5 mm çıkıntılı bir başak oluşturmak için 'Paint' ve 'Draw' fonksiyonlarını kullanın.
      NOT: Başak yeri en iyi koronal ve sagittal görüntü düzlemleri üzerinde belirlenir.
   6. ' Smoothing ' işleviniuygulayın. Kaybolan ayrıntı miktarını en aza indirmek için 1,0 mm (3 × 3 × 1 piksel) ortanca yumuşatma ayarı kullanın.
      NOT: Eğer hayalet model tam bir bozulmamış kafatası içermelidir (örneğin, uygun bir kraniyotomi oluşturma cerrahi simülasyon kolaylaştırmak için), adım 2.2.15 hareket; ancak, modelde kraniyotomi gerekiyorsa, 2.2.7-2.2.14 adımlarını tamamlayın.
   7. Yeni bir segmentasyon eklemek ve adını 'Skull Craniotomy' olarak adlandırmak için 'Ekle'seçeneğini tıklatın.
   8. 'Segmentasyonlar' modülünde, 'Segmentleri Kopyala/Taşı' sekmesini kullanarak 'Skull Craniotomy' üzerinden 'Skull' segmentasyonunu kopyalayın.
      NOT: 2.2.9-2.2.13 adımlarında açıklanan işlevleri yerine getirebilmek için hem 'Kafatası' hem de 'Skull Craniotomy' segmentasyonlarına ihtiyaç vardır.
   9. 'Skull Kraniotomi'de uygun büyüklükteki kraniyotomiyi kaldırmak içinmakas' işlevini kullanın.
      NOT: Kraniyotominin bu şekilde oluşturulması, aynı zamanda karşı tarafta kafatasının ilave bir kısmını ortadan kaldıracak ve böylece 2.2.11 ila 2.2.14 adımlarına ihtiyaç dolacaktır.
   10. 'Ekle'yi tıklatın ve yeni bir segmentasyon ekleyin; adını 'Sadece Kraniyotomi' olarak adlandır.
   11. 'Sadece Kraniyotomi'de 'Skull Craniotomy' segmentasyonunu seçin ve 'Skull Craniotomy'yi 'Skull'dan çıkarmak için'Mantıksal Operatör'işlevini kullanın.
   12. 'Makas' işlevini kullanarak tümörün doğru tarafında istenilen kraniotomi dışında her şeyi silmek için 'Sadece Kraniyotomi' kaydedin.
   13. 'Skull Craniotomy'de 'Mantıksal Operatör'işlevini kullanarak 'Kafatası'dan 'Sadece Kraniyotomi'yi çıkarır ve kaydedin.
   14. 'Segmentasyonlar' modüllerini açın ve stereolitografi (STL) dosyası olarak 'Skull Craniotomy'yi dışa aktarın.
   15. 3B modelleme yazılımını açın ve STL dosyasını 'Skull Craniotomy' olarak aktarın.
       NOT: Model çizgili pembe görünürse tam modeli seçerek 'Flip Normals' işlevini tamamlayın (| seçin Çift tıklayın) ve sonra '|'yı edit Flip Normals'. Model şimdi gri ye dönüşür ve düzenlenebilir. 'Nesneleri Görüntüle Tarayıcı'nın açık olduğundan emin olun.
   16. Hesaplama süresini artırmak için üçgen sayısını azaltın.
   17. Modelin tamamını seçin (| seçin Çift tıklatma modeli turuncu döner) sonra '| edit Azaltın'. Varsayılan 'Reduce' işlevi %50 olarak ayarlanır, bu nedenle istenilen azaltma elde edilene kadar tekrarlayın. Toplam üçgen sayısını < 500.000 hedefleyin.
   18. 'Shape Preserving' kutusunun işaretli kalmasını sağlayan 'Yumuşatma' işlevini uygulayın. Modelin tamamını seçin ve'Deform | Pürüzsüz'.
   19. 'Çözümle' sonra 'Denetçi'seçeneğini tıklatın ve modeldeki küçük hataları algılamak için bu işlevi kullanın ve otomatik onarımı tıklatın ('Düz dolgu' seçimini önerin).
   20. 'Edit/Plane' kesme işlevini kullanarak üst ve alt oluşturmak için 'Kafatası'yı kesin. 'Her Iki Dilimi De Koru' ve 'Remeshed' dolgu türünü seçin. Kafatasının 'Shaders' fonksiyonu ile saydam olarak değiştirin kafatası daha iyi bir iç görünüm sağlamak ve kafatası tabanına paralel olacak şekilde düzlemi ayarlayın.
   21. ' |'yi edit'i seçerek ayrı kabukları Nesnelerintarayıcısı içinde 'Skull_Top' ve 'Skull_Bottom' kabuklarını ayırın ve yeniden adlandırın.
       NOT: Konumlarını hareket ettirin. Bir veya diğerini görünümden kaldırmak için göz simgesini tıklatın.
   22. 'Meshmix' seçeneğini tıklayın ve 'Silindir'seçeneğini belirleyerek 4 mm × 10 mm × 4 mm'Edit | Dönüştürün'). Görünümden kaldırmak için göz simgesine tıklayarak 'Skull_Bottom' gizleyin.
   23. '|'yı Edit'i seçin Uçakları hizala. Ek bir saydam silindir görüntülenir. 'Hizala' penceresinde, 'Kaynak' ve 'Yüzey noktası'(Shift + sol tıklama 'Skull_Top') için 'Hedef' için 'Yüzey noktası' (sol tıklama sonu saydam silindir) seçeneğini belirleyin.
   24. 'Edit |'ni kullanma Transform' fonksiyonu yeşil ok kullanarak kafatası içine dübel hareket ve mavi ve kırmızı oklar ile konumunu ayarlayın. 'Dowel_Anterior' olarak adlandırın.
   25. Nesne tarayıcısında 3 kopya yapın ve 'Dowel_Posterior', 'Dowel_Left' ve 'Dowel_Right' olarak yeniden adlandırın.
   26. Her dübeli ' Edit | kullanarak istenilen konuma taşıyın Transform' fonksiyonu.
       NOT: Yeşil düzlemde dübelin konumunu hareket ettirmayın veya değiştirmeyin.
   27. Her birinin kopyalarını oluşturun ama tüm kopyaları aynı yerde saklayın ve ek bir dübel oluşturun ve 3 mm × 10 mm × 3 mm. 'Dowel' adını yeniden boyutlandırın.
   28. 'Boolean Difference' işlevini kullanarak kafatasında dübeller için delikler oluşturun. Önce 'Skull_Top' seçin ve ardından nesne tarayıcısında bir dübel seçin. 'Boolean Difference' sekmesinde 'Otomatik azaltma' ''nın kapat'a geçmesini sağlar. Sırayla her dübel için tekrarlayın.
   29. 'Skull_Top' gizleyin ve sırayla her dübel için yukarıdaki'Boolean Difference' işlevini yineleyerek 'Skull_Bottom' görüşün.
   30. 'Skull_Top', 'Skull_Bottom' ve 'Dowel' dosyalarını ayrı ikili STL dosyaları olarak dışa aktarın.
3. Beyin dokusu segmentasyonu
   1. Http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF ve çıkış indirmek için beynin kontrast geliştirilmiş T1 MRG yükleyin. Bu beyin çıkarma ve doku segmentasyonu gerçekleştirmek için bir Jeodezik Bilgi Akışı (GIF)^{algoritması 28} kullanan T1 ağırlıklı görüntüler için bir açık kaynak parcellation aracıdır.
   2. Segmentasyon yazılımı açın ve kontrast geliştirilmiş T1 MRI ve GIF parcellation çıkış dosyası yükleyin.
   3. 'Segment Düzenleyicisi' modülunu açın ve yeni bir segmentasyon oluşturun.
   4. Uygun etiketleri seçin ve bunları birleştirerek tek bir segmentasyon oluşturacak şekilde birleştirin. Örneğin, serebral ve diensefalon etiket haritaları bir model oluşturmak için kombine edilebilir, olarak adlandırılan 'Beyin' ve orta beyin, beyin sapı, beyincik ve vermiyen yapılar 'Beyincik' olarak adlandırılan ikinci bir model oluşturmak için kombine edilebilir.
   5. 'Smoothing' işlevini kullanın (önerilen ortanca 2.00 mm, 5 × 5 × 3 piksel).
   6. İstenmeyen veya hatalı segmentasyonları kaldırmak için 'Makas'işlevini kullanın.
   7. 'Beyin' ve 'Beyincik' segmentasyonlarını kaydedin.
   8. 'Segmentasyonlar'modüllerini açın ve 'Beyin' ve 'Beyincik'i STL dosyaları olarak dışa aktarın.
4. Tümör segmentasyonu
   1. Segmentasyon yazılımı açın ve kontrast geliştirilmiş T1 MRG yükleyin.
   2. 'Segment Editor' modülunu açın ve 'Tümör' adlı yeni segmentasyon oluşturun.
   3. Tümörü vurgulamak için 'Threshold' işlevini kullanın.
   4. 'Paint', 'Draw' ve 'Delete' işlevlerini kullanarak segmentasyonu düzeltin.
   5. 'Smoothing' işlevini uygulayın (önerilen ortanca 2.00 mm 5 x 5 x 3 piksel).
   6. 'Cerebellum_Tumor' adlı yeni bir bölümoluşturma.
   7. 'Beyincik' modelini ve 'Tümör'u ' Mantıksal Operatörler' kullanarak birleştirerek| 'fonksiyonu ekleyin.
   8. 'Tümör' ve 'Cerebellum_Tumor' segmentasyonlarını kaydedin.
   9. 'Segmentasyonlar' modüllerini açın ve 'Tümör' ve 'Cerebellum_Tumor'ı STL dosyaları olarak dışa aktarın.
      NOT: Segmentasyon sürecinin sonunda aşağıdaki dosyalar mevcuttur: 'Skull_Top', 'Skull_Bottom', 'Dowel', 'Brain', 'Beyincik', 'Tümör', 'Cerebellum_Tumor'.

3.3D Beyin/Tümör Kalıpları ve Kafatası Baskısı

1. Beyin ve tümör kalıpları oluşturun
   1. 3D modelleme yazılımında'Düzlem kesim' aracını kullanarak 'Beyin' segmentasyonunu iki yarımküreye bölün.
   2. Her yarımküreyi ayrı bir STL dosyası 'Beyin sağ' ve 'Beyin sol' olarak kaydedin.
   3. STL dosyasını 'Tümör' dosyasını bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımına aktarın.
   4. 'mesh' sekmesini tıklatın ve ardından 'Küçültme' işlevini kullanarak modelin boyutunu küçülterek program tarafından işlenebilir – amaç, gerekli tüm ayrıntıları korurken boyutu mümkün olduğunca azaltmaktır.
   5. 'Katı' sekmesini tıklatın ve içe aktarılan kafesi manipüle edilebilen bir gövdeye dönüştürmek için 'Mesh to BRep' aracını kullanın. Bu eylem tamamlanamıyorsa, 3.1.3 adımda kafes yeterince küçültülmedi.
   6. 'Oluştur' sonra 'Box' 'a tıklayın ve tümörün etrafına bir kutu çizin. Bir 'Yeni Vücut' olarak bu oluşturmak için seçin ve kutu tamamen her tarafta tümör içine emin olmak için görünümü döndürmek.
   7. Değiştir sekmesinde, 'Birleş' aracını kullanarak tümörü ('Tool Body') kutudan(' Hedef Gövde') kesin. Bu daha sonra içinde tümör içi boş bir şekil ile bir kutu bırakacaktır.
   8. İçi boş kutunun mevcut olup olmadığını kontrol edin. Bu kutuyu uygun sayıda parçaya kesin, böylece kalıp doldurulduktan sonra içindeki hayalete zarar vermeden birbirinden ayrı prizebiçilebilir. Buradaki tümör için kutuyu ikiye bölmek yeterli, ama hayaletin diğer kısımları için daha fazla parçaya ihtiyaç var.
   9. Kalıbın kesilmesi gereken yerlerde kutunun içinden düzlemler oluşturun. Kutunun ortasından bir düzlem oluşturmak için 'Construct' sonra 'Orta Düzlem''yi tıklatın. Oluşturulan düzleme sağ tıklayın ve uçağı daha hassas konumlandırmak için 'Ofset Düzlemi'seçin.
   10. Kalıbı oluşturulan düzlemler boyunca bölmek için 'Değiştir' sekmesinde 'Split Body' işlevini kullanın.
   11. Tüm parçaların dışa dönük olması için 'Taşı/Kopyala'seçeneğini seçerek kalıbın tek tek parçalarını hareket ettirin.
   12. Kalıbın her parçasının yüzlerine perçin ler ekleyin (böylece güvenli bir şekilde sığabilecek), 'Çizim oluştur' sonra ' Merkezçapı daire' ve her yüze küçük daireler çizerek. Sağ tıklayın sonra 'Extrude' Bu daireler dışa doğru bir yüz üzerinde birkaç milimetre ve ilgili yüz üzerinde içe doğru onları ekstrüzyon.
       NOT: İçe doğru ekstrüzyon olan dairelerin dışa doğru ekstrüzyon yapanlardan biraz daha büyük olması gerekir.
   13. Kalıbın her parçasını ayrı bir STL dosyası olarak kaydedin.
   14. 'Beyin sol', 'Beyin sağ' ve 'Beyincik tümörü' için 3.1.4 – 3.1.14 adımlarını tekrarlayın.
       NOT: Kalıbı oluşturmak için sadece 'Beyincik' yerine 'Beyincik tümörü' dosyasını kullanmak, kalıbın yapı sırasında tümöre yerleştirilmesi için bir boşluk oluşturacağı anlamına gelir.
2. 3B kalıpları yazdırın
   1. 3B yazdırma yazılımı yükleyin veya açın.
   2. Baskı yazılımındaki kalıbın her parçası için STL dosyasını açın ve yapı plakasına karşı düz olacak şekilde döndürün. Yapı plakasına birden fazla kalıp parçası eklemek ve bunları aynı anda yazdırmak mümkündür.
   3. Büyük bir katman yüksekliği (yaklaşık 0,2 mm) ve düşük dolgu değeri (%20 civarı) seçin daha hızlı yazdırma için. Polilaktik asit (PLA) gibi sert bir malzeme kullanarak kalıpları yazdırın. Kalıplar uygun şekilde yerleştirilmişse, destek malzemesi gerekli değildir.
3. Kafatasını Yazdır
   1. Yazdırma yazılımındaki 'Skull Top' dosyasını açın ve büyük bir katman yüksekliği (yaklaşık 0,2 mm) ve düşük dolgu değeri (%20 civarında) seçin.
   2. Kafatası modelini PLA'ya yazdırın ancak adım 3.2.3'ün aksine destek malzemesi gerekecektir, bu nedenle yazılımda'Destek ekle'seçeneğini belirleyin. PVA daha sonra su ile çözülebildiği için destek malzemesi olarak kullanılır.
   3. 'Skull Bottom' için 3.3.1 ve 3.3.2 adımlarınıtekrarlayın.
   4. Kafatasının üst ve alt kısmı basıldıktan sonra, PVA destek malzemesini eritmek için bir gecede suya batırın.
      NOT: Sıcak su kullanılırsa destek malzemesi çok daha hızlı çözünür, ancak su çok sıcaksa, baskılı PLA deforme olur. Bu nedenle, serin su kullanmak ve baskı bir gecede batık bırakmak tercih edilir.

4. PVA-c hazırlanması

1. Ölçü 200 g PVA tozu ve yan ayarlayın.
2. Isı 1800 g deiyonize su 90 °C ve 2L konik şişe ekleyin.
   NOT: PVA tozukolayca eriyecek, ancak su 100 °C'ye ulaşırsa, bazıları buharlaşmadan kurtulacak ve bu da kaçınılması gereken suyun neredeyse kaynaması gerekir.
3. 90 °C'de sıcaklık kontrollü bir su banyosunda konik şişeyi askıya alın.
4. Elektronik bir karıştırıcıyı şişeye yerleştirin, böylece alt veya yanlara dokunmamasını sağlar ve hızı 1500 rpm'ye ayarlayın.
   NOT: Suyun eşit olarak karıştırıldığını ve yanlarda veya altkısımda durgun noktalar olmadığından kontrol edin.
5. Yavaş yavaş konik şişe pva tozu ekleyin, yaklaşık 30 dk üzerinde, sonra başka bir 90 dakika civarında karıştırmak için bırakın. Ortaya çıkan jel doku taklit malzemesi PVA-c olduğunu.
6. Su banyosundan konik şişeçıkarın ve bir beher içine içeriğini dökün. PVA-c'nin üstünde bir deri oluşumunu önlemek için üst kısmı yapışkan filmle kaplayın. PVA-c'yi oda sıcaklığına kadar soğumaya bırakın (yaklaşık 20 °C). Soğuduktan sonra, PVA-c saydam olacaktır. Küçük beyaz kristaller PVA-c görülebilir, ancak yüzeyde görünen herhangi bir kabarcıklar yavaşça kazınmış olmalıdır.
7. PVA-c'ye koruyucu olarak %0,5 w/w potasyum sorbat ekleyin ve elle iyice karıştırın.
8. PVA-c, kalıplara dökülmeden önce birkaç gün boyunca yapışkan filmle kaplanırsa oda sıcaklığında bırakılabilir.

5. Hayalet Montaj

1. Bir beher içine tümör kalıbını doldurmak için yeterli PVA-c ölçün.
2. Tümör için PVA-c için, ultrason kontrastı için 1 w/w% cam mikroküre ler ve X-ışını kontrastı için %5 w/w Baryum Sülfat ekleyin ve elle karıştırın.
   NOT: Tümör için fazla PVA-c ölçümü gerekebilir, böylece bu yüzdeler ölçülebilir bir miktardır.
3. Katkı maddelerinin homojen bir şekilde karıştırılmasını sağlamak için kabı sonicate edin.
4. Soğumaya bırakın ve 10 dk civarında, kaçmak için oluşan herhangi bir kabarcıklar izin, sonra yüzeyden herhangi bir kabarcıklar kazımak.
   NOT: Cam küreler kabın dibine yerleşeceği için PVA-c'yi bir kalıba dökmeden önce, cam küreler 10 dakikadan fazla olmamak üzere, cam küreler eklendikten sonra uzun süre bırakmayın. Hayalet dondurulduktan sonra, bu artık bir sorun olmayacak ve son hayalet oda sıcaklığında kullanılabilir.
5. Birlikte tümör kalıbı güvenli (bant kalıp birleşimleri kapsayacak şekilde kullanılabilir) ve kalıp üst delik üzerinden PVA-c dökün. Birkaç dakika için delikten kaçmak için döküm sürecinde oluşan kabarcıklar izin vermek için bırakın, sonra dondurucu içine düz yerleştirin.
6. Tümör üzerinde iki donma-çözülme döngüsü gerçekleştirin; buradaki her döngü -20 °C'de 6 saat donma ve oda sıcaklığında 6 saat erimeden oluşur. Daha sonra, dikkatlice kalıp tan çıkarın.
7. Beyincik kalıbında bunun için ilgili alana tümör yerleştirin, sonra beyincik kalıp geri kalanı inşa ve birlikte güvenli.
8. Kalan PVA-c için 0.05 w / w% cam mikroküreler ekleyin, sonra adımları tekrarlayın 5.1.3 ve 5.1.4.
9. PVA-c'yi beyincik kalıbına dökün, böylece içine yerleştirilen tümörün etrafını sarın. Ayrıca, her beyin hemisfer için kalıplar içine karışımı dökün.
10. Her beyin hemisferve beyincik üzerinde iki donma-çözülme döngüleri gerçekleştirin; buradaki her döngü -20 °C'de 24 saat donma ve oda sıcaklığında 24 saat erimeden oluşur.
    NOT: 12 saat donma ile döngüleri 12 saat erime de etkili, hayalet daha kısa sürede oluşturulmasını sağlamak için. Her 12 saatte bir laboratuvara dönmemek için uygulama kolaylığı için 24 saat seçildi.
11. Hayaletler ikinci kez çözüldükten sonra, dikkatlice kalıpları çıkarın ve basılı kafatası içine yerleştirin.
    NOT: Kullanımda olmadığı nda, tamamlanmış PVA-c fantomları buzdolabında hava geçirmez bir kapta saklanmalıdır ve bu şekilde birkaç hafta saklanabilir
12. Tamamlanması için, 'Skull Bottom' modelinin tabanında başak üzerinde 'Beyincik tümörü' hayalet yerleştirin. İki beyin hemisferinin ('Beyin sol' ve 'Beyin sağ') modelleri üst ve yuva 'Beyincik tümörü'nün en üst kısmına yerleştirilir.
13. 'Skull Bottom' modeliüzerinde her alanda dört dübel yerleştirin ve üstüne 'Skull Top' modeli yerleştirin. Gerekirse, model daha sonra cerrahi intraoperatif kullanımı simüle etmek için istenilen konuma manevra olabilir.

6. Hayalet Görüntüleme

1. Ultrason Görüntüleme
   1. Görüntüleme sondasına ultrason jeli uygulayın.
      NOT: Jel intraoperatif olarak kullanılmaz, ancak simülasyonda kullanılabilir ve klinik iş akışını veya edinilmiş görüntülerin kalitesini önemli ölçüde değiştirmez.
   2. Beyin ve tümörü kraniyotomi yoluyla, klinik tarayıcı ve çapak deliği sondasıyla görüntüle.
2. BT Görüntüleme
   1. Tüm hayaleti ct tarayıcısında görüntüle.

Sonuçlar

Açıklanan protokolün ardından, anatomik olarak gerçekçi bir hayalet, hastaya özgü bir kafatası, beyin ve tümörden oluşan bir imal edildi. Hayaletin ilgili anatomik yapıları (kafatası, beyin, tümör) hasta MRG ve BT verileri kullanılarak bölümlere ayrılır(Şekil 2a,b). Hasta intraoperatif ultrason verileri (Şekil 2c; Şekil 2d Şekil 2cile aynı görüntüyü gösterir , ancak tümör ana hatlarıyla) gerçek hasta görüntüleri ile hayalet görüntüleri karşılaştırmak için kullanılmıştır.

Meshes modelin her parçası için oluşturuldu(Şekil 3), ve bu daha sonra 3D kalıpları üretmek için kullanılmıştır. Kalıplar kolayca bir ticari yazıcıya basılmış ve parçaları bir araya getirerek monte edilmiştir. Beyincik kalıbı, tasarlanması ve montajı için en karmaşık olandı (Şekil 4). Kafatası(Şekil 5a)destek malzemesi gerektirdiği için yazdırılması en zor kısımdı, bu yüzden yavaş bir süreçti; tüm baskının tamamlanması toplam üç gün sürdü, bu da protokolde sınırlayıcı bir faktördür.

Tamamlanan hayalet(Şekil 5)bir hasta kafatası, beyin ve tümör gerçekçi bir model oldu. İki beyin hemisferi(Şekil 5b)ayrı ayrı üretildi ve beynin gyri ve sulci'sini içeren gerçekçi bir görünüme sahip. Bu PVA-c doğal rengi olduğu gibi tüm hayalet, renkli beyaz; bu kolayca boya ekleyerek değiştirilebilir ama uygulama için gerekli değildi. Beyincik(Şekil 5c)baskılı kafatası tabanına rahatça sığar ve beyin hemisferbunun üzerine oturur. Tümör beyincik kolayca görülebilir, ekstra kontrast tümör sonuçları olarak onu çevreleyen malzemeden ayıran bir off-beyaz renk olarak sonuçlanır, hangi güvenli bir şekilde bağlı.

Hayalet hem BT hem de ultrason ile görüntülenmiştir(Şekil 6a,b). Baryum sülfat tümöre uygun CT kontrastı vermek için kullanıldı ve tombul görüntü(Şekil 6a)tümör açıkça görselleştirilince bunun sağlandığını göstermektedir. Kafatası, baskı için alınan süreyi azaltmak için %100 dolgu ile yazdırılmamamıştır. Bu nedenle, kafatası CT görüntülerde tamamen gerçekçi görünmüyor, baskı kafes yapısı görülebilir çünkü. Bu uygulama için bir sorun değildir, kafatası nın sadece anahat nöronavigasyon sistemi için gerekli olduğu gibi. Kafatası, CT görüntüsünün bu azaltılmış doğruluğunu önlemek için %100 dolgu ile yazdırılabilir, ancak yazdırma işlemine zaman ekler. Ultrason kontrastı için serebellum, beyin hemisferleri ve tümöre cam mikroküreler eklendi. Sonuçlar, tümörün ultrason görüntüleme(Şekil 6b)ile de görülebildiğini ve çevre dokudan ayırt edilebilebilen sonuçlar dır. Görsel incelemede, hayaletten elde edilen ultrason görüntüleri(Şekil 6b),ve hastadan elde edilenler(Şekil 2c)hayalette kullanılan kontrast maddelerin gerçekçi görüntüleme özellikleri oluşturmada etkili olduğunu göstermektedir.

Hayalet sanal bir ameliyathanede cerrahi simülasyon sırasında test edildi(Şekil 7). Hayalet model cerrahi ameliyat masasına standart bir kafatası kelepçesi kullanılarak yerleştirilmiş ve hayaletin CT taraması klinik nöronavigasyon sistemi kullanılarak kaydedilmiştir. Tümöre retrosigmoid yaklaşım simüle edildi ve tümör çapak deliği ultrason transdüseri ile klinik ultrason sistemi kullanılarak görüntülendi. Cerrahi simülasyon sırasında, hayalet modelin stabil olduğu kanıtlandı ve hayaletin manipüle edilmesinde insan beyninin bu işlem sırasında olduğu gibi herhangi bir hasar gözlenmedi, böylece aynı koşullar altında tekrar tekrar kullanılabilirdi.

Şekil 1: Akış şeması bir hastaya özel PVA-c beyin fantomu yapmak için gereken adımları göstermek için. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Hayalet modeli oluşturmak için kullanılan hasta verileri. Sol taraflı vestibüler schwannoma olan bir hastanın veri kaynakları: (a) eksenel kontrastlı gelişmiş T1 ağırlıklı MRG, tümöre işaret eden beyaz ok; (b) kemik vurgulamak için pencereli eksenel kontrastsız CT taraması, beyaz ok tümör nedeniyle genişletilmiş bir iç işitsel meatus doğru işaret; (c) vestibüler schwannoma cerrahisi sırasında elde edilen intraoperatif ultrason görüntüsü; (d) açıklamalı intraoperatif ultrason görüntüsü : tümör (ultrasonda hiperekoik), : beyin (serebellum). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Hayaletin her bölümü için tamamlanmış meshes. STL mesh için (a,b) kafatası, : sol taraflı retrosigmoid kraniyotomi; (c,d) serebral hemisferler; (e,f) tümör ve serebellum, : tümör. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: 3D baskılı beyincik küf. 3D baskılı beyincik kalıp tamamen inşa (sol üst) ve 1 ile 4 numaralandırılır ayrı parçalar. Parça 2'deki delik ('H' ile gösterilir) PVA-c'nin kalıba dökülmesini sağlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Tamamlanmış hayalet. Bitmiş hayalet (a) kafatası (b) kafatası üst kaldırıldı ile hayalet: : retrosigmoid kraniotomi, : tümör, beyin (beyincik), beyin (sağ serebral hemisfer); (c) serebellum ve tümör: : tümör, beyin (serebellum). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Tomografi ve ultrason görüntüleri hayalet ile elde edinimi. (a) kafatası tabanı ve tümör düzeyi ile tam hayalet eksenel CT görüntü, (b) Kafatası yaklaşık dik bir düzlemde retrosigmoid kraniyotomi ile burr delik ultrason probu ile elde edilen hayalet intraoperatif ultrason görüntüsü (Simüle cerrahi, beyincik tümör doğrudan görüntü için biraz geri çekildi). : tümör, beyin (beyincik), : sol taraflı retrosigmoid kraniyotomi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Cerrahi simülasyon sırasında hayalet test. Sanal bir ameliyathanede cerrahi simülasyon yoluyla hayalet modeli test. : BT hayalet modelinin kayıtlı tarama sını gösteren nöronavigasyon sistemi: hayaleti çapak deliği ultrason transdüseri ile görüntülemek için kullanılan ultrason sistemi (ultrason monitörünün yanında konumlandırılmış olarak görülür). Burada resimdeki modelin sağ taraflı tümörü olan farklı bir hastadan elde edilen verilere dayandığını unutmayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

Bu protokol, kafatası, beyin ve vestibüler schwannoma tümörü içeren bir hastaya özgü beyin fantomunun üretim sürecini ayrıntılarıyla anlatır. Anatomik olarak doğru ayrıntının elde edilmesine olanak sağlayan 3B yazdırma yöntemleri. Burada açıklanan hayalet istenilen anatomik detay seviyesi ile başarıyla üretildi; Bt ve ultrason görüntüleme, tümörün her iki yöntemle de kolayca görüntülenebilen olduğunu göstermek için kullanıldı. Doku taklit malzeme, PVA-c, iyi ultrasonik hayaletler için bir doku taklit malzeme olarak kurulmuştur; akustik ve mekanik özellikleri katkı maddeleri ve donma-çözülme döngülerinin sayısı ile ayarlanabilir. Malzeme kullanıma hazır, kullanımı basit ve toksik olmayan. Tekrarlanan kullanım ile, hayalet vestibüler schwannoma cerrahi fiziksel simülasyonları sırasında manipülasyon ve ultrason sondası ile temas dayanacak kadar dayanıklılık vardı.

Birkaç önemli adımın üretim süreci için kritik olduğu belirlendi. İlk olarak, hayalet dahil etmek için yapıların segmentasyonu anatomik detay istenilen düzeyde içermelidir. Doğru STL dosyaları ve 3D kalıpları oluşturulması sonra doğal olarak izler. İkinci olarak, adım 3.1.9 serebellum kalıp içinde uçakların konumlandırma dikkatle düşünülmelidir, böylece hayalet kolayca kaldırılabilir, zarar vermeden; anatomik detayların muhafaza edilmesine izin verecek kadar parçalara kesilmelidir, bir diğer inise de kalıba saplanmadan hayaletin uzaklaştırılmasını sağlar. Bu durumda, birkaç yineleme test edildi ve son olarak kalıp dört ayrı parçaya kesildi. Üçüncü önemli husus, PVA-c üretim süreci sırasında (bölüm 4), PVA-c'nin oda sıcaklığına soğumaya bırakılması gerektiğidir (adım 4.1.6). Bu adım kaçırılırsa ve sıcak PVA-c kalıplara eklenirse, kalıpların erimesine veya bozulmasına neden olabilir. Ayrıca cam küreler eklendikten sonra (adım 5.1.2 – 5.1.4), PVA-c'nin yaklaşık 10 dakikadan fazla oturması çok önemlidir; uzun bir süre için bırakılırsa, cam küreler dibe yerleşecek ve ortaya çıkan hayalet homojen ultrason^{kontrastı 29}olacaktır. Cam küreler eklendikten sonra, PVA-c doğrudan kalıplara eklenmeli ve dondurucuya yerleştirilmelidir. İlk donma döngüsünden sonra, cam küreler yerde sabitlenecek ve hayalet oda sıcaklığında kullanılabilir. Son olarak, pva-c eklenmeden önce kalıpların dikkatlice mühürlenmiş olması (örn. bantla) önemlidir, kalıpayrı parçanın birleştiği boşluklardan karışımın kaçmasını en aza indirmek için.

Protokolün birkaç sınırlaması vardır. Örneğin, su banyosu ve elektronik karıştırıcı da dahil olmak üzere bazı özel ekipmanlar gereklidir. Bir sonicator da bu protokolün bir parçası olarak kullanılır, ancak sonication adım (5.1.3) ek elektronik karıştırma ile değiştirilebilir; ancak, bu alternatif ile, sonication kullanımı ile mümkün olandan daha homojen bir karışım elde etmek için daha uzun sürer. PVA-c bir sınırlama zaman içinde bozulur ve küf haline olmasıdır. Potasyum sorbat eklenmesi, burada açıklandığı gibi, hayalet raf ömrünü artırır, hala bir hava geçirmez konteyner içinde tutulması gerekir rağmen. PVA-c'nin ikinci bir sınırlaması, bir hayalet yapmak için gereken süreyi artıran donma-çözülme döngülerinin gerekli olmasıdır. Hayalet üretim süresini en aza indirmek için, önemli bir husus donma ve çözülme hızıdır; bir kez hayalet ya tamamen dondurulmuş ya da tamamen çözülmüş, bu durumda kalır zaman önemli ölçüde son hayalet^{etkilemez 16,30}. Bu nedenle, kullanılan döngü uzunlukları, hayalettamamen dondurulmuş ve döngüsünün her aşamasında çözülmüş olması koşuluyla, çeşitli olabilir. Örneğin, bu çalışmanın hayalet tümör çok küçük, bu yüzden daha kısa döngüleri beyin için daha tümör için kullanılabilir. Son olarak, kalıpları ve kafatasını 3Boyutlu yazdırma, bu protokolle bir hayalet imal etmek için gereken toplam sürenin (1 hafta) önemli bir kısmını (3 gün) tüketen zaman alan bir işlemdir. Kullanılan yazıcı 2018'den itibaren ticari bir modeldi; yazdırma işlemi daha yeni ve daha hızlı yazıcılar kullanımıyla daha kısa zaman dilimlerinde tamamlanabilir.

Burada sunulan beyin hayaleti doğrudan klinik eğitim ve nöronavigasyon sistemlerinin doğrulanması için kullanılabilir. Doku taklit malzemesi olarak, PVA-c ortaya çıkan hayalet tekrar tekrar kullanılmasını sağlar, örneğin bir eğitim aracı olarak veya vestibüler schwannoma cerrahisinde intraoperatif ultrason doğrulama için, dayanıklı ve toksik olmayan bir malzeme olduğu gibi. Bu nedenle, üretim yöntemi daha önce 3D baskı hasta ya da belirli beyin hayaletleri oluşturmak için kullanılan açıklanan tamamlayıcı^{20,21,22,23,24,25}. TMM olarak PVA-c kullanımı hayalet nöroşirürji simülasyonu için uygun hale getirir, malzeme tekrarlanan manuel manipülasyon ve bir ultrason sondası temas dayanabilir gibi. Bu çalışma daha fazla nicel doğrulama çalışmaları için zemin hazırlar. Burada açıklanan hayalet yöntem çok yönlüdür ve çeşitli görüntüleme yöntemleri arasında uyumluluk ile, beyinden diğer organlara uzanan, hastaya özgü tümör hayaletler birçok türde imal etmek için kullanılabilir.

Malzemeler

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