Name: patient-specific polyvinyl alcohol phantom fabrication with ultrasound and x-ray contrast for brain tumor surgery planning
Uploaded: 2020-07-14T14:00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning at JoVE.com

يشكر المؤلفان دانيل نيكيتشيف وستيفي مينديز على نصيحتهما بشأن استخدام Meshmixer وفرناندو بيريز غارسيا على نصيحته بشأن استخدام 3D Slicer ولتوفير رمز لنا لأتمتة بعض خطوات المعالجة.
وقد دعم هذا العمل صندوق ويلكوم الاستئماني [203145Z/16/Z; 203148/Z/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1)، MRC [MC_PC_17180] والوطنية الدماغ نداء [الدوري الاميركي للمحترفين / NSG / SBS] التمويل. ويدعم التلفزيون من قبل شركة ميدتروك / الأكاديمية الملكية للبحوث الهندسية كرسي [RCSRF1819\7\34].

<ol>
	<li>Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+tissue+substitutes+for+ultrasound+imaging.">A review of tissue substitutes for ultrasound imaging.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (6), 861-873 (2010).</li><li>Hwang, J., Ramella-Roman, J. C., Nordstrom, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Introduction:+Feature+Issue+on+Phantoms+for+the+Performance+Evaluation+and+Validation+of+Optical+Medical+Imaging+Devices.">Introduction: Feature Issue on Phantoms for the Performance Evaluation and Validation of Optical Medical Imaging Devices.</a> Biomedical Optics Express. 3 (6), 1399 (2012).</li><li>Maul, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasound+simulators:+Experience+with+the+SonoTrainer+and+comparative+review+of+other+training+systems.">Ultrasound simulators: Experience with the SonoTrainer and comparative review of other training systems.</a> Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 24 (5), 581-585 (2004).</li><li>Craven, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+modelled+anatomical+replica+for+training+young+neurosurgeons.">Development of a modelled anatomical replica for training young neurosurgeons.</a> British Journal of Neurosurgery. 28 (6), 707-712 (2014).</li><li>Zhang, L., Kamaly, I., Luthra, P., Whitfield, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simulation+in+neurosurgical+training:+a+blueprint+and+national+approach+to+implementation+for+initial+years+trainees.">Simulation in neurosurgical training: a blueprint and national approach to implementation for initial years trainees.</a> British Journal of Neurosurgery. 30 (5), 577-581 (2016).</li><li>Leff, D. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Validation+of+an+oncoplastic+breast+simulator+for+assessment+of+technical+skills+in+wide+local+excision.">Validation of an oncoplastic breast simulator for assessment of technical skills in wide local excision.</a> British Journal of Surgery. 103 (3), 207-217 (2016).</li><li>Hunt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+cost+anatomically+realistic+renal+biopsy+phantoms+for+interventional+radiology+trainees.">Low cost anatomically realistic renal biopsy phantoms for interventional radiology trainees.</a> European Journal of Radiology. 82 (4), 594-600 (2013).</li><li>Pacioni, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patient-specific+ultrasound+liver+phantom:+materials+and+fabrication+method.">Patient-specific ultrasound liver phantom: materials and fabrication method.</a> International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 10 (7), 1065-1075 (2015).</li><li>Maneas, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anatomically+realistic+ultrasound+phantoms+using+gel+wax+with+3D+printed+moulds.">Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed moulds.</a> Physics in Medicine and Biology. 63 (1), (2018).</li><li>Samii, M., Matthies, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Management+of+1000+vestibular+schwannomas+(acoustic+neuromas):+hearing+function+in+1000+tumor+resections.">Management of 1000 vestibular schwannomas (acoustic neuromas): hearing function in 1000 tumor resections.</a> Neurosurgery. 40 (2), 242-248 (1997).</li><li>Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I. B. G. B., Deana, A. M., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stable+phantom+materials+for+ultrasound+and+optical+imaging.">Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging.</a> Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).</li><li>Vieira, S. L., Pavan, T. Z., Junior, J. E., Carneiro, A. A. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paraffin-Gel+Tissue-Mimicking+Material+for+Ultrasound-Guided+Needle+Biopsy+Phantom.">Paraffin-Gel Tissue-Mimicking Material for Ultrasound-Guided Needle Biopsy Phantom.</a> Ultrasound in Medicine &amp; Biology. 39 (12), 2477-2484 (2013).</li><li>Maneas, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gel+wax-based+tissue-mimicking+phantoms+for+multispectral+photoacoustic+imaging.">Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging.</a> Biomedical Optics Express. 9 (3), 1151 (2018).</li><li>Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue-mimicking+agar/gelatin+materials+for+use+in+heterogeneous+elastography+phantoms.">Tissue-mimicking agar/gelatin materials for use in heterogeneous elastography phantoms.</a> Physics in Medicine and Biology. 50 (23), 5597-5618 (2005).</li><li>Duboeuf, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+PVA+cryogel+Young&#8217;s+modulus+stability+with+time,+controlled+by+a+simple+reliable+technique.">Investigation of PVA cryogel Young&#8217;s modulus stability with time, controlled by a simple reliable technique.</a> Medical Physics. 36 (2), 656-661 (2009).</li><li>Fromageau, J., Brusseau, E., Vray, D., Gimenez, G., Delachartre, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+PVA+cryogel+for+intravascular+ultrasound+elasticity+imaging.">Characterization of PVA cryogel for intravascular ultrasound elasticity imaging.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 50 (10), 1318-1324 (2003).</li><li>Fromageau, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+polyvinyl+alcohol+cryogel+mechanical+properties+with+four+ultrasound+elastography+methods+and+comparison+with+gold+standard+testings.">Estimation of polyvinyl alcohol cryogel mechanical properties with four ultrasound elastography methods and comparison with gold standard testings.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 54 (3), 498-508 (2007).</li><li>Khaled, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+Material+Parameters+of+PVA+Phantoms+for+Reconstructive+Ultrasound+Elastography.">Evaluation of Material Parameters of PVA Phantoms for Reconstructive Ultrasound Elastography.</a> 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. , 1329-1332 (2007).</li><li>Chen, S. J. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+anthropomorphic+polyvinyl+alcohol+brain+phantom+based+on+Colin27+for+use+in+multimodal+imaging.">An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging.</a> Medical Physics. 39 (1), 554-561 (2012).</li><li>Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+3D+Printing+to+Create+Personalized+Brain+Models+for+Neurosurgical+Training+and+Preoperative+Planning.">Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning.</a> World Neurosurgery. 90, 668-674 (2016).</li><li>Weinstock, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creation+of+a+novel+simulator+for+minimally+invasive+neurosurgery:+Fusion+of+3D+printing+and+special+effects.">Creation of a novel simulator for minimally invasive neurosurgery: Fusion of 3D printing and special effects.</a> Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 20 (1), 1-9 (2017).</li><li>Grillo, F. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patient-specific+neurosurgical+phantom:+assessment+of+visual+quality,+accuracy,+and+scaling+effects.">Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), (2018).</li><li>Tsai, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creation+and+Validation+of+a+Simulator+for+Neonatal+Brain+Ultrasonography:+A+Pilot+Study.">Creation and Validation of a Simulator for Neonatal Brain Ultrasonography: A Pilot Study.</a> Academic Radiology. 24 (1), 76-83 (2017).</li><li>Reinertsen, I., Collins, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+realistic+phantom+for+brain-shift+simulations.">A realistic phantom for brain-shift simulations.</a> Medical Physics. 33 (9), 3234-3240 (2006).</li><li>Mobashsher, A. T., Abbosh, A. M., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microwave+system+to+detect+traumatic+brain+injuries+using+compact+unidirectional+antenna+and+wideband+transceiver+with+verification+on+realistic+head+phantom.">Microwave system to detect traumatic brain injuries using compact unidirectional antenna and wideband transceiver with verification on realistic head phantom.</a> IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 62 (9), 1826-1836 (2014).</li><li>Cox, R. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+(sort+of)+new+image+data+format+standard:+NiFTI-1.">A (sort of) new image data format standard: NiFTI-1.</a> 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. 22, (2004).</li><li>Cramer, J., Quigley, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+Visualization+and+3D+Printing.">Advanced Visualization and 3D Printing.</a> Learning Lab at the Society for Imaging Informatics in Medicine annual meeting. , (2019).</li><li>Cardoso, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geodesic+Information+Flows:+Spatially-Variant+Graphs+and+Their+Application+to+Segmentation+and+Fusion.">Geodesic Information Flows: Spatially-Variant Graphs and Their Application to Segmentation and Fusion.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (9), 1976-1988 (2015).</li><li>Dong, J., Zhang, Y., Wei-Ning, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Walled+vessel-mimicking+phantom+for+ultrasound+imaging+using+3D+printing+with+a+water-soluble+filament:+design+principle,+fluid-structure+interaction+(FSI)+simulation,+and+experimental+validation.">Walled vessel-mimicking phantom for ultrasound imaging using 3D printing with a water-soluble filament: design principle, fluid-structure interaction (FSI) simulation, and experimental validation.</a> Physics in Medicine &amp; Biology. , 0 (2020).</li><li>Jiang, S., Liu, S., Feng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PVA+hydrogel+properties+for+biomedical+application.">PVA hydrogel properties for biomedical application.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 4 (7), 1228-1233 (2011).</li></ol>

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.

هذا البروتوكول تفاصيل عملية تصنيع المريض نوع من شبح الدماغ، والتي تشمل الجمجمة والدماغ، ورم الشوانونوما الدهليزي. سمحت طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد بتحقيق التفاصيل الدقيقة تشريحياً. تم تصنيع الشبح الموصوف هنا بنجاح مع المستوى المطلوب من التفاصيل التشريحية. تم استخدام التصوير المقطعي والتصوير بالموجات فوق الصوتية لإثبات أن الورم كان مرئيًا بسهولة مع كلا الأسلوبين. الأنسجة تقليد المواد، PVA-C، هو راسخة كمادة تقليد الأنسجة للأشباح بالموجات فوق الصوتية. يمكن ضبط خصائصه الصوتية والميكانيكية مع المواد المضافة وعدد دورات التجميد ذوبان. المواد متاحة بسهولة، بسيطة للاستخدام وغير سامة. مع الاستخدام المتكرر ، كان لدى الشبح متانة كافية لتحمل التلاعب والاتصال بمسبار الموجات فوق الصوتية أثناء المحاكاة البدنية لجراحة الشوانونوما الدهليزية.
وقد تم تحديد عدة خطوات رئيسية باعتبارها حاسمة بالنسبة لعملية التصنيع. أولاً، يجب أن يتضمن تجزئة الهياكل لإدراجها في الأطياف المستوى المطلوب من التفاصيل التشريحية. إنشاء ملفات STL دقيقة وقوالب 3D ثم يتبع بشكل طبيعي. ثانيا، يجب النظر بعناية في تحديد مواقع الطائرات داخل قالب المخيخ في الخطوة 3.1.9، بحيث يمكن إزالة الشبح بسهولة، دون ضرر؛ يجب أن تكون قطع إلى ما يكفي من القطع للسماح بالاحتفاظ بالتفاصيل التشريحية، مع تمكين الشبح ليتم إزالتها دون أن تتعثر في القالب. في هذه الحالة، تم اختبار عدة تكرارات وأخيرا تم قطع القالب إلى أربع قطع منفصلة. الاعتبار الرئيسي الثالث هو أنه أثناء عملية التصنيع PVA-C (القسم 4)، يجب ترك PVA-c لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة (الخطوة 4.1.6). إذا غاب عن هذه الخطوة ويتم إضافة الساخنة PVA-C إلى القوالب، فإنه يمكن أن يسبب قوالب لذوبان أو تشويه. ومن الأهمية بمكان أيضاً أن لا يبقى الـ PVA-c ليجلس لأكثر من 10 دقائق بمجرد إضافة النواحي الزجاجية (الخطوات 5-1-2 - 5.1.4). إذا تركت لفترة طويلة من الزمن، فإن المجالات الزجاجية يستقر إلى أسفل، والوهمية الناتجة سيكون لها تباين الموجات فوق الصوتية غير متجانسة29. مرة واحدة يتم إضافة المجالات الزجاجية، يجب إضافة PVA-C مباشرة في القوالب ووضعها في الثلاجة. بعد دورة التجميد الأولى، سيتم تأمين المجالات الزجاجية في المكان، ويمكن استخدام الشبح في درجة حرارة الغرفة. وأخيرا، من المهم أن تكون القوالب مختومة بعناية (على سبيل المثال، مع الشريط) قبل إضافة PVA-C، لتقليل تسرب الخليط من خلال الثغرات حيث قطعة منفصلة من القالب انضمت معا.
البروتوكول له عدة قيود. على سبيل المثال، هناك حاجة إلى بعض المعدات المتخصصة، بما في ذلك حمام مائي وناشر إلكتروني. ويستخدم أيضا صوتناتور كجزء من هذا البروتوكول، ولكن يمكن استبدال خطوة sonication (5.1.3) مع التحريك الإلكترونية إضافية؛ ومع ذلك، مع هذا البديل، فإنه سوف يستغرق وقتا أطول لتحقيق خليط متجانس مما هو ممكن مع استخدام سونيكيشن. أحد القيود من PVA-c هو أنه يتحلل مع مرور الوقت ويصبح متعفن. إضافة سوربات البوتاسيوم، كما هو موضح هنا، يزيد من العمر الافتراضي الوهمية، على الرغم من أنه لا يزال يجب الاحتفاظ بها في حاوية ضيقة الهواء. وهناك قيد ثان من PVA-C هو أن دورات التجميد ذوبان مطلوبة، مما يزيد من مقدار الوقت اللازم لجعل الوهمية. لتقليل وقت التصنيع الوهمي ، فإن أحد الاعتبارات الرئيسية هو سرعة التجميد والذوبان ؛ مرة واحدة يتم تجميد الشبح إما تماما أو ذاب تماما، والوقت الذي لا يزال في تلك الدولة لا يؤثر بشكل كبير على الوهمية النهائية16،30. لذلك، يمكن أن تختلف أطوال دورة المستخدمة، شريطة أن يتم تجميد الشبح تماما وذوبان في كل مرحلة من مراحل الدورة. على سبيل المثال ، الورم في شبح هذه الدراسة صغير جدا ، لذلك يمكن استخدام دورات أقصر للورم من الدماغ. وأخيرا ، 3D طباعة القوالب والجمجمة هي عملية تستغرق وقتا طويلا التي تستهلك جزءا كبيرا (3 أيام) من الوقت الإجمالي (1 أسبوع) المطلوبة لاصطناق وهمية مع هذا البروتوكول. كانت الطابعة المستخدمة نموذجًا تجاريًا من عام 2018؛ وكانت هذه الطابعة من طراز 2018. ويمكن إكمال عملية الطباعة في أطر زمنية أقصر باستخدام الطابعات الأحدث وأسرع.
يمكن استخدام شبح الدماغ المعروض هنا مباشرة للتدريب السريري والتحقق من صحة أنظمة الملاحة العصبية. كما الأنسجة تقليد المواد، PVA-C تمكن من أن تستخدم وهمية الناتجة مرارا وتكرارا، على سبيل المثال كأداة للتدريب أو للتحقق من الموجات فوق الصوتية داخل العملية في جراحة الشوانونوما الدهليزية، كما هو مادة دائمة وغير سامة. على هذا النحو، وطريقة تصنيع مكملة لتلك التي سبق وصفها التي استخدمت الطباعة 3D لخلق المريض أطياف الدماغ محددة20،21،22،23،24،25. استخدام PVA-c كما TMM يجعل الشبح مناسبة للاستخدام في محاكاة جراحة الأعصاب، والمواد يمكن أن تحمل التلاعب اليدوي المتكرر والاتصال من مسبار الموجات فوق الصوتية. ويمهد هذا العمل الطريق لمزيد من دراسات التحقق الكمي. الطريقة الوهمية الموصوفة هنا متعددة الاستخدامات للغاية ويمكن استخدامها لاختلاق العديد من أنواع أشباح الأورام الخاصة بالمريض ، وتمتد من الدماغ إلى أجهزة أخرى ، مع التوافق عبر العديد من طرائق التصوير.

إن الأطياف التي تحاكي الخصائص المحددة للأنسجة البيولوجية هي مورد مفيد لمختلف التطبيقات التجريبية والتعليمية. أطياف محاكاة الأنسجة ضرورية لتوصيف الأجهزة الطبية قبل استخدامها السريري1،2 والأشباح التشريحية تستخدم في كثير من الأحيان في تدريب الطاقم الطبي في جميع التخصصات3،4،5،6،7. الأطياف التشريحية الخاصة بالمريض المصنوعة من خصائص محاكاة الأنسجة المناسبة غالبًا ما تكون جزءًا مهمًا من بيئة الاختبار ويمكن أن تزيد من ثقة الأطباء الذين يتعلمون استخدام جهاز جديد8. ومع ذلك، فإن تكاليف التصنيع العالية وعمليات التصنيع المعقدة غالباً ما تحول دون الاستخدام الروتيني للأشباح الخاصة بالمريض. هنا، يتم وصف طريقة لتصنيع دائم، نموذج ورم الدماغ المريض محددة باستخدام المواد التجارية المتاحة بسهولة، والتي يمكن استخدامها للتدريب والتحقق من الموجات فوق الصوتية داخل العملية (الولايات المتحدة) باستخدام التصوير المقطعي المحوسب (CT). تم إنشاء الشبح الموصوف في هذه الدراسة باستخدام بيانات من مريض مصاب بـ schwannoma الدهليزي (ورم حميد في الدماغ ناشئ عن أحد الأعصاب التوازنية التي تربط الدماغ والأذن الداخلية) خضع بعد ذلك لعملية جراحية واستئصال الورم عن طريق استئصال القحف تحت ال الخشنة10. وقد تم تطوير الشبح من أجل اختبار والتحقق من صحة نظام الملاحة داخل العملية المتكاملة لاستخدامها خلال هذا النوع من جراحة ورم في الدماغ.
من أجل أن تكون مناسبة لهذا التطبيق، ورم الدماغ الوهمية يحتاج إلى امتلاك العديد من الخصائص الرئيسية. أولاً، يجب أن تكون مصنوعة من مواد غير سامة، لذلك يمكن استخدامها بأمان في بيئة التدريب السريري. ثانياً، يجب أن يكون لها خصائص تصوير واقعية؛ للتطبيق المقصود، وتشمل هذه على وجه التحديد التوهين بالموجات فوق الصوتية والتباين CT. ثالثاً، يجب أن يكون لها خصائص ميكانيكية مماثلة للأنسجة البشرية بحيث يمكن التعامل معها بنفس الطريقة. رابعاً، ينبغي أن يستند الشبح إلى بيانات حقيقية عن المريض، بحيث يكون دقيقاً تشريحياً ويمكن استخدامه للتخطيط الجراحي والتدريب. وأخيرا، يجب أن تكون المواد المستخدمة دائمة، بحيث يمكن استخدام الشبح مرارا وتكرارا.
بشكل عام، تعتمد مادة محاكاة الأنسجة وطريقة التصنيع المختارة للوهم الوهمي على التطبيق المقصود. للهياكل جامدة مثل الجمجمة، وينبغي أن لا تشوه الملكية المختارة أو تكون قابلة للذوبان في الماء، وأنها ينبغي أن تكون قادرة على الحفاظ على مستوى دقيق من التفاصيل التشريحية مع الاستخدام المتكرر. وهذا مهم بشكل خاص عند استخدام الشبح للتجارب حيث يتم استخدام تسجيل الصور ولأغراض المحاكاة الجراحية. المواد المعدنية القائمة على الزيوت مثل هلام الشمع كانت واعدة لالموجات فوق الصوتية9،11،12 وphotoacoustic13 تطبيقات التصوير ، ومع ذلك ، عندما تتعرض للتشوه الميكانيكية المتكررة تصبح قابلة للتفتيت ، لذلك لا يمكن تحمل استخدام الموسعة ، وخاصة مع أدوات الجراحة العصبية المجهرية القياسية. أجار والجيلاتين هي المواد مائي التي تستخدم أيضا عادة كما أنسجة محاكاة المواد. الإضافات اللازمة لضبط الخصائص الصوتية لهذه المواد معروفة جيدا14، ولكن لديهم قوة ميكانيكية محدودة وليست دائمة بشكل خاص لذلك ليست مناسبة لهذا التطبيق ، حيث يحتاج الشبح إلى التعامل معها بشكل متكرر.
البولي فينيل الكحول cryogel (PVA-C) هو خيار شعبي من الأنسجة تقليد المواد، وذلك لأن خصائصه الصوتية والميكانيكية يمكن ضبطها بسهولة من خلال تغيير دورات تجميد ذوبان. وقد تبين أن خصائص PVA-c مماثلة لتلك الأنسجة الرخوة15،16،17،18. PVA-C وقد استخدمت أشباح الدماغ القائمة بنجاح للتصوير بالموجات فوق الصوتية والتصوير المقطعي19. المواد قوية بما يكفي لاستخدامها مرارا وتكرارا، ولها درجة عالية من المرونة، لذلك يمكن التلاعب الأنسجة الوهمية المصنوعة من PVA-C دون أن تكون مشوهة بشكل دائم. حمض متعدد الولاتيك (PLA) هو مادة صلبة متاحة بسهولة، واستخدمت لتصنيع الجمجمة، ومع ذلك، يمكن استخدام مواد الطباعة المختلفة بدلا من جيش التحرير الشعبي، إذا كان لديه خصائص ميكانيكية مماثلة وليس للذوبان في الماء.
وقد تم تصنيع أشباح المخ على وجه الخصوص باستخدام أساليب مختلفة، اعتمادا على مستوى التعقيد المطلوب والأنسجة التي تحتاج إلى تكرار20،21،22،23. عادة، يتم استخدام قالب، وتتدفق المواد السائلة تقليد الأنسجة في ذلك. وقد استخدمت بعض الدراسات قوالب تجارية24 بينما تستخدم أخرى 3D المطبوعة قوالب مخصصة من الدماغ السليم، ومحاكاة آفات الدماغ عن طريق زرع مجالات علامة والقسطرة نفخ19،25. على حد علم المؤلف ، وهذا هو أول تقرير من 3D المطبوعة المريض ورم الدماغ نموذج وهمية محددة تم إنشاؤها مع الأنسجة محاكاة الموجات فوق الصوتية وخصائص الأشعة السينية. يتم تصور التصنيع الكلي من قبل المخطط الانسيابي في الشكل 1؛ العملية برمتها يستغرق حوالي أسبوع لإكمال.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>AutodeskFusion 360</td>
			<td>Autodesk Inc., San Rafael, California, United States</td>
			<td>https://www.autodesk.co.uk/products/fusion-360/overview</td>
			<td>CAD software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Barium sulphate</td>
			<td>Source Chemicals</td>
			<td>-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CT scanner</td>
			<td>Medtronic Inc, Minneapolis, USA</td>
			<td>-</td>
			<td>O-arm 3D mobile X-ray imaging system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass microspheres</td>
			<td>Boud Minerals</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mechanical stirrer</td>
			<td>IKA</td>
			<td>4442002</td>
			<td>Eurostar Digital 20, IKA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meshmixer</td>
			<td>Autodesk Inc., San Rafael, California, United States</td>
			<td>http://www.meshmixer.com</td>
			<td>3D modelling software. Version 3.5.484 used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neuronavigation system</td>
			<td>Medtronic Inc, Minneapolis, USA</td>
			<td>-</td>
			<td>S7 Stealth Station</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PLA</td>
			<td>Ultimaker (Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands)</td>
			<td>UM9016</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium sorbate</td>
			<td>Meridianstar</td>
			<td>-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVA</td>
			<td>Ultimaker</td>
			<td>-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVA powder</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>363146</td>
			<td>99%+ hydrolysed, average molecular weight 85,000-140,000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sonicator</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>12893543</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker Cura</td>
			<td>Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands</td>
			<td>https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura</td>
			<td>3D printing software. Version 4.0.0 used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultimaker S5 Printer</td>
			<td>Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands</td>
			<td>-</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound scanner</td>
			<td>BK Medical, Luton, UK</td>
			<td>-</td>
			<td>BK 5000 scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water bath</td>
			<td>IKA</td>
			<td>20009381</td>
			<td>HBR4 control, IKA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Slicer</td>
			<td>http://slicer.org</td>
			<td>-</td>
			<td>Software used to segment patient data. Version 4.10.2 used</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

patient-specific polyvinyl alcohol phantom fabrication with ultrasound and x-ray contrast for brain tumor surgery planning

الأشباح هي أدوات أساسية للتدريب السريري والتخطيط الجراحي وتطوير الأجهزة الطبية الجديدة. ومع ذلك ، فإنه من الصعب خلق أشباح الرأس دقيقة تشريحيا مع خصائص واقعية تصوير الدماغ لأن أساليب التصنيع القياسية ليست الأمثل لتكرار أي تفاصيل التشريحية الخاصة المريض ومواد الطباعة 3D ليست الأمثل لخصائص التصوير. من أجل اختبار والتحقق من صحة نظام الملاحة الجديدة لاستخدامها أثناء جراحة ورم الدماغ، كان مطلوبا وهمية دقيقة تشريحيا مع التصوير واقعية وخصائص ميكانيكية. لذلك ، تم تطوير شبح باستخدام بيانات المريض الحقيقية كمدخلات وطباعة 3D للقوالب لاختلاق شبح رأس خاص بالمريض يتكون من الجمجمة والدماغ والورم مع كل من الموجات فوق الصوتية والأشعة السينية على النقيض. كان للوهمي أيضا خصائص ميكانيكية سمحت بتلاعب الأنسجة الوهمية بطريقة مماثلة لكيفية التعامل مع أنسجة الدماغ البشرية أثناء الجراحة. تم اختبار الشبح بنجاح خلال محاكاة جراحية في غرفة العمليات الافتراضية.
تستخدم طريقة التصنيع الوهمية المواد المتاحة تجارياً وهي سهلة التكاثر. يمكن مشاركة ملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد بسهولة ، ويمكن تكييف هذه التقنية لتشمل العديد من أنواع الورم المختلفة.

بعد البروتوكول الموصوف ، تم تصنيع شبح واقعي تشريحيًا ، والذي يتكون من جمجمة ومخ ورم خاص بالمريض. يتم تقسيم الهياكل التشريحية ذات الصلة للوهم (الجمجمة والدماغ والورم) باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي المريض وبيانات CT(الشكل 2أ، ب). المريض بيانات الموجات فوق الصوتية العملية(الشكل 2C; الشكل 2D يظهر نفس الصورة مثل 2c الشكل، ولكن مع الورم المبين) تم استخدامها لمقارنة الصور الوهمية لصور المريض الحقيقي.
تم إنشاء الشبكات لكل قطعة من النموذج (الشكل 3)، ثم تم استخدامها لتصنيع قوالب 3D. كانت القوالب مطبوعة بسهولة على طابعة تجارية وتجميعها عن طريق وضع القطع معاً. وكان العفن المخيخ الأكثر تعقيدا لتصميم وتجميع (الشكل 4). الجمجمة (الشكل 5a) كانت أصعب جزء لطباعة كما أنها تتطلب مواد الدعم، لذلك كانت عملية بطيئة. استغرق مجموع طباعة ما مجموعه ثلاثة أيام لإكمال، وهو عامل يحد في البروتوكول.
كان الشبح المكتمل(الشكل 5)نموذجًا واقعيًا لجمجمة المريض والدماغ والورم. تم إنتاج نصفي الدماغ(الشكل 5b)بشكل منفصل ، ويكون لهما مظهر واقعي ، ويضم الجيري و sulci للدماغ. الشبح كله أبيض اللون، لأن هذا هو اللون الطبيعي لPVA-c. هذا يمكن بسهولة أن تتغير بإضافة صبغ ولكن لم يكن ضروريا للتطبيق. المخيخ(الشكل 5c)يناسب بشكل مريح في قاعدة الجمجمة المطبوعة ونصف الكرة في الدماغ الجلوس على رأس هذا. الورم مرئي بسهولة في المخيخ، كما أن التباين الإضافي المضاف إلى نتائج الورم في كونه لون أبيض يفصله عن المواد المحيطة بها، وهو ما تعلق عليه بشكل آمن.
وقد صورت الشبح مع كل من التصوير المقطعي والموجات فوق الصوتية(الشكل 6أ، ب). تم استخدام كبريتات الباريوم لإعطاء الورم المقابلة CT المناسبة، والصورة الوهمية(الشكل 6a)يظهر أن هذا تم تحقيقه، كما هو تصور الورم بوضوح. لم تطبع الجمجمة مع ملء 100٪ ، من أجل تقليل الوقت المُتَخَذ للطباعة. لذلك ، لا تبدو الجمجمة واقعية تمامًا في صور CT ، نظرًا لأنه يمكن رؤية بنية شعرية للطباعة. هذه ليست مشكلة للتطبيق، حيث أن هناك حاجة فقط إلى مخطط الجمجمة لنظام الملاحة العصبية. ويمكن طباعة الجمجمة مع ملء 100٪ لتجنب هذه الدقة انخفاض من الصورة CT، ولكن من شأنه أن يضيف الوقت على عملية الطباعة. وأضيف microspheres الزجاج إلى المخيخ، نصفي الدماغ والورم لتباين الموجات فوق الصوتية. تظهر النتائج أن الورم هو أيضا مرئية مع التصوير بالموجات فوق الصوتية(الشكل 6b) ويمكن تمييزها عن الأنسجة المحيطة بها. على الفحص البصري، والصور الموجات فوق الصوتية التي تم الحصول عليها من الوهمية(الشكل 6b)،وتلك التي تم الحصول عليها من المريض (الشكل 2c) تبين أن العوامل التباين المستخدمة في الوهمية كانت فعالة لخلق خصائص التصوير واقعية.
تم اختبار الشبح أثناء المحاكاة الجراحية في غرفة العمليات الافتراضية (الشكل 7). تم وضع النموذج الوهمي على طاولة العمليات الجراحية باستخدام مشبك الجمجمة القياسي وتم تسجيل الأشعة المقطعية للوهم الوهمي باستخدام نظام إعادة تنشيط الخلايا العصبية السريرية. تم محاكاة نهج retrosigmoid للورم وتم تصوير الورم باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية السريرية مع محول الموجات فوق الصوتية ثقب بور. خلال المحاكاة الجراحية، أثبت النموذج الوهمي أنه مستقر ولم يلاحظ أي ضرر من التلاعب بالوهم بنفس الطريقة التي سيكون بها الدماغ البشري أثناء هذا الإجراء، لذلك يمكن استخدامه بشكل متكرر في ظل نفس الظروف.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> الشكل 1: مخطط انسيابي لإظهار الخطوات المطلوبة لجعل المريض محددة PVA-C الدماغ الوهمية. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> الشكل 2: بيانات المرضى المستخدمة لإنشاء نموذج وهمي. مصادر البيانات للمريض مع شوانونوما الدهليزية من جانب اليسار: (أ) محوري التباين معززة T1-مرجح التصوير بالرنين المغناطيسي, السهم الأبيض مشيرا نحو الورم; (ب) محوري غير النقيض التصوير المقطعي الضوئي نافذة لتسليط الضوء على العظام, السهم الأبيض مشيرا نحو لحم السمعية الداخلية الموسعة الناجمة عن الورم; (ج) صورة الموجات فوق الصوتية أثناء العملية التي تم الحصول عليها أثناء جراحة الشوانونوما الدهليزية؛ (د) صورة الموجات فوق الصوتية داخل العملية المشروحة <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : الورم (فرط التشاتويك على الموجات فوق <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> الصوتية) ، : الدماغ (المخيخ). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> الشكل 3: الشبكات المكتملة لكل قسم من الشبكات الوهمية. STL شبكة لـ (a,b) الجمجمة, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : الجانب الأيسر retrosigmoid استئصال القحف; (ج ، د) نصفي الكرة الدماغية ؛ (e, f) ورم ومخيخ, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : ورم. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> الشكل 4: 3D العفن المخيخ المطبوعة. 3D مطبوعة المخيخ العفن شيدت بالكامل (أعلى اليسار) وقطع منفصلة، والتي يتم ترقيمها من 1 إلى 4. ثقب في قطعة 2 (المشار إليها من قبل 'H') تمكن PVA-c أن تصب في القالب. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> الشكل 5: الوهمية المكتملة. الشبح النهائي (a) الجمجمة (ب) الوهمية مع قمة الجمجمة إزالتها: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : استئصال القحف retrosigmoid ، <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : ورم ، <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> والدماغ (المخيخ) ، <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> والدماغ (نصف الكرة الدماغية الأيمن) ؛ (ج) المخيخ والورم: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> الورم, الدماغ <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (المخيخ). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> الشكل 6: التصوير المقطعي المحوسب وصور الموجات فوق الصوتية التي تم الحصول عليها مع الشبح. (أ) صورة محورية من الشبح من خلال كامل من خلال مستوى قاعدة الجمجمة والورم ، (ب) صورة الموجات فوق الصوتية داخل العملية من الوهمية المكتسبة مع ثقب ثقب مسبار الموجات فوق الصوتية من خلال استئصال القحف retrosigmoid في طائرة عمودي تقريبا على الجمجمة (محاكاة الجراحة ، تم سحب المخيخ قليلا من أجل الصورة مباشرة على الورم). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: ورم, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> الدماغ (المخيخ), : اليسار من جانب استئصال <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> القحف. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> الشكل 7: اختبار الشبح أثناء المحاكاة الجراحية. اختبار النموذج الوهمي من خلال المحاكاة الجراحية في غرفة العمليات الافتراضية. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: نظام العصبية التي تعرض المسح الضوئي المسجل للنموذج الوهمية CT, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> : نظام الموجات فوق الصوتية المستخدمة لتصوير الوهمية مع ثقب ثقب مُضغ فوق الصوتي محول (ينظر إلى وضعه بجوار شاشة الموجات فوق الصوتية). لاحظ أن النموذج في الصورة هنا يستند إلى البيانات المكتسبة من مريض مختلف مع ورم من جانب الحق. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning at JoVE.com

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

المريض خاص بوليفينيل الكحول تصنيع الوهمية مع الموجات فوق الصوتية والأشعة السينية على النقيض للتخطيط جراحة ورم الدماغ

يصف هذا البروتوكول تلفيق جمجمة ومخ ورم مريض محدد. ويستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء قوالب، ويستخدم الكحول البولي فينيل (PVA-C) كما أنسجة محاكاة المواد.

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...

النماذج الوهمية هي أدوات مهمة ، ولكن من الصعب جعلها دقيقة تشريحيا. يستخدم هذا البروتوكول التصوير المقطعي المحوسب والموجات فوق الصوتية لإنشاء شبح خاص بمريض يتضمن ورمًا. نحن نستخدم نماذج غير متجانسة معقدة والطباعة ثلاثية الأبعاد لتحقيق درجة عالية من الواقعية التشريحية.إن أشباح الدماغ الخاصة بمريض معينة مفيدة للغاية لأنها تسمح بالتخطيط الجراحي والتدريب السريري، كما أنها تسمح للجراحين بممارسة تقنيات جديدة واختبار أدوات وأجهزة جديدة. بعد الحصول على ما قبل الجراحة تعزيز T1-مرجح التصوير بالرنين المغناطيسي والبيانات المقطعية الحجمية، تحميل الصور في برنامج النمذجة 3D واستخدام أداة قطع عادي لتقسيم تقسيم الدماغ إلى نصفين. حفظ كل نصف الكرة الأرضية كما منفصلة اليمين واليسار الدماغ STL الملفات واستيراد الملفات في برنامج مناسب تصميم بمساعدة الكمبيوتر.في مساحة العمل الشبكية، استخدم وظيفة تقليل تقليل حجم كل طراز قدر الإمكان بحيث يمكن معالجتها بواسطة البرنامج مع الاحتفاظ بكافة التفاصيل الضرورية. في مساحة العمل الصلبة، استخدم أداة شبكة BRep لتحويل الشبكة المستوردة إلى نص يمكن معالجته. انقر فوق إنشاء ومربع لرسم مربع حول الورم، وتناوب وجهة النظر لضمان أن مربع يحيط تماما الورم على جميع الجوانب.في القائمة المنسدلة العملية، قم بتعيين المربع كجسد جديد. انقر فوق علامة التبويب تعديل واستخدام أداة الجمع لخفض الورم من مربع لإنشاء مربع مع شكل أجوف من الورم داخله. لإنشاء طائرات من خلال مربع في الأماكن التي سيتم قطع القالب، انقر فوق بناء و midplane لإنشاء طائرة من خلال وسط المربع.انقر بزر الماوس الأيمن فوق الطائرة الوسطى وحدد مستوى الإزاحة لوضع الطائرة بدقة أكبر. تحت علامة التبويب تعديل، واستخدام وظيفة انقسام الجسم لتقسيم القالب على طول الطائرات التي تم إنشاؤها وانقر فوق إنشاء رسم ووسط دائرة قطرها لإضافة المسامير دائرية صغيرة إلى وجه كل قطعة من القالب. انقر بزر الماوس الأيمن لقذف الدوائر إلى الخارج بضعة ملليمترات على وجه واحد وقذفها إلى الداخل على الوجه المقابل.ثم حفظ كل قطعة من القالب كملف STL منفصلة. لطباعة قوالب الدماغ والأورام ثلاثية الأبعاد، لطباعة أسرع، حدد ارتفاع طبقة كبيرة تبلغ حوالي 0.2 ملليمتر وقيمة الردم المنخفضة 20٪ في برنامج الطباعة ثلاثي الأبعاد. إذا تم وضع القوالب بشكل مناسب على لوحة القاعدة، يجب أن لا تكون مواد الدعم ضرورية.طباعة القوالب باستخدام مادة جامدة مثل حمض متعدد الولاتيك. قبل طباعة قالب الجمجمة، حدد إضافة الدعم في البرنامج لاستخدام PVA كمادة الدعم. لإعداد PVA للنماذج، سخني 1، 800 غرام من الماء الأيون إلى 90 درجة مئوية في قارورة مخروطية لترين وقياس 200 غرام من مسحوق PVA.ضع مُحركًا إلكترونيًا في القارورة ، مع الحرص على عدم لمسه الجزء السفلي أو الجانبين. تعيين السرعة إلى 1,500 الثورات في الدقيقة. يُضاف مسحوق PVA إلى القارورة على مدى 30 دقيقة.عندما تم إضافة كل من PVA، تحريك الحل لمدة 90 دقيقة إضافية. عندما تم الحصول على هلام لزجة، وإزالة القارورة من حمام الماء وتغطية الجزء العلوي مع التفاف من البلاستيك لمنع تشكيل الجلد على رأس المواد. بمجرد تبريدها، ستظهر PVA شفافة.صبها في القارص. ويمكن ملاحظة بلورات بيضاء صغيرة، ولكن يجب أن يتم كشط أي فقاعات على السطح برفق قبالة. ثم إضافة 0.5٪ سوربات البوتاسيوم إلى PVA كمادة حافظة واثارة شاملة الحل.لإعداد الأشباح ، وقياس ما يكفي من PVA لملء قالب الورم في منقار وصب بقية في منقار منفصل. لتحضير PVA للورم، أضف 1٪ ميكروفرات زجاجية للتباين بالموجات فوق الصوتية و5٪ كبريتات الباريوم للأشعة السينية على النقيض من الكأس الأول. حرك الحل الناتج باليد.سونيكاتي الكقار لضمان خلط متجانسة من المواد المضافة والسماح للحل لتبرد لمدة 10 دقيقة تقريبا، وإزالة أي فقاعات عن طريق كشط حسب الضرورة. تأمين الورم القالب معا وصب PVA من خلال ثقب في الجزء العلوي من القالب. السماح لPVA للراحة لبضع دقائق للسماح لأي فقاعات تشكلت في عملية صب للهروب من خلال الحفرة، قبل وضع القالب في ثلاجة ناقص 20 درجة مئوية.بعد ست ساعات، ذوبان القالب لمدة ست ساعات في درجة حرارة الغرفة. كرر دورة التجميد ذوبان 12 ساعة، ثم إزالة بعناية القالب من النموذج. إنشاء المخيخ والدماغ نماذج نصف الكرة الأرضية في قوالب مناسبة كما أظهرت للتو.بعد دورة التجميد ذوبان الثانية لكل قطعة نموذج وهمية، وإزالة بعناية النماذج من القوالب ووضع شبح ورم المخيخ على ارتفاع في قاعدة النموذج أسفل الجمجمة. ضع نصفي الدماغ في الجزء العلوي من قطعة ورم المخيخ ووضع المسامير الأربعة في كل مساحة على نموذج أسفل الجمجمة. ثم ضع نموذج الجمجمة العلوي على القمة.إذا لزم الأمر، قد يكون النموذج مناورة في الموضع المطلوب لمحاكاة استخدامه داخل العملية في الجراحة. بعد البروتوكول كما هو موضح، يمكن أن تكون ملفقة وهمية واقعية تشريحيا تتكون من الجمجمة محددة المريض، والدماغ، والورم. يتم تقسيم الهياكل التشريحية ذات الصلة للوهم الوهمي باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي المريض وبيانات CT.ثم يمكن إنشاء الشبكات لكل قطعة من النموذج لتصنيع قوالب 3D كما هو موضح. إن قالب المخيخ هو الأكثر تعقيداً لتصميم وتجميع. الجمجمة هي الجزء الأكثر صعوبة لطباعة لأنها تتطلب مواد الدعم.يقدم الشبح المكتمل نموذجًا واقعيًا لجمجمة المريض ومخه ورمًا. يتم إنتاج نصفي الدماغين بشكل منفصل ولديهما مظهر واقعي يضم الجيري و sulci للدماغ. المخيخ يناسب بشكل مريح في قاعدة الجمجمة المطبوعة ونصف الكرة الأرضية في الدماغ الجلوس على رأس هذا الهيكل.الورم هو واضح بسهولة في المخيخ كما أن التباين الإضافي إضافة إلى نتائج الورم في لون أبيض يفصله عن المواد المحيطة التي تعلق عليه. يمكن تصور الورم في الشبح مع التصوير المقطعي بالموجات فوق الصوتية والتصوير بالموجات فوق الصوتية. يمكن بعد ذلك استخدام بيانات الموجات فوق الصوتية داخل العملية للمرضى لمقارنة الصور الوهمية بصور المريض الحقيقية.عند إنشاء قوالب، وإيلاء اهتمام خاص لموقف من التخفيضات لضمان أن الوهمية سوف تكون قادرة على إزالتها عندما يكون قد توطدت. من خلال إنشاء شبح الدماغ الخاص بالمريض ، تمكنا من اختبار نظام ملاحة عصبي جديد يمكن استخدامه أيضًا لتدريب جراحي الأعصاب على استخدام الموجات فوق الصوتية داخل العملية.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Contrast Ultrasound Targeted Treatment of Gliomas in Mice via Drug-Bearing Nanoparticle Delivery and Microvascular Ablation

الموجات فوق الصوتية على النقيض المستهدفة علاج الاورام الدبقية في الفئران عن طريق تسليم المخدرات جسيمات متناهية الصغر ، إذ تضع وتذرية الاوعية الدموية الدقيقة

We are developing minimally-invasive contrast agent microbubble based therapeutic approaches in which the permeabilization and/or ablation of the ...

Small and Wide Angle X-Ray Scattering Studies of Biological Macromolecules in Solution

الصغيرة وعلى نطاق واسع زاوية التشتت الدراسات راي X-الجزيئات البيولوجية في الحل

In this paper, Small and Wide Angle X-ray Scattering (SWAXS) analysis of macromolecules is demonstrated through experimentation. SWAXS is a technique ...

Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

المريض محددة النمذجة من القلب: تقدير توجهات الألياف البطيني

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

PLGA Nanoparticles Formed by Single- or Double-emulsion with Vitamin E-TPGS

Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) is a biocompatible member of the aliphatic polyester family of biodegradable polymers. PLGA has long been a popular ...

Design and Fabrication of an Elastomeric Unit for Soft Modular Robots in Minimally Invasive Surgery

تصميم وتصنيع وحدة المرنة لينة وحدات الروبوتات في جراحة المناظير

In recent years, soft robotics technologies have aroused increasing interest in the medical field due to their intrinsically safe interaction in ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

استهداف مساحات الألياف العصبية للعلاج تحفيز الدماغ العميق باستخدام نماذج تفاعلية، والخاصة بالمريض

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

Human Pluripotent Stem Cell Culture on Polyvinyl Alcohol-Co-Itaconic Acid Hydrogels with Varying Stiffness Under Xeno-Free Conditions

ثقافة الخلايا الجذعية Pluripotent البشرية على حمض البولي فينيل الكحول-Co-إيتاكونيك الهلاميات المائية مع صلابة متفاوتة تحت ظروف خالية من كرة

The effect of physical cues, such as the stiffness of biomaterials on the proliferation and differentiation of stem cells, has been investigated by ...

Use of Micro X-ray Computed Tomography with Phosphotungstic Acid Preparation to Visualize Human Fibromuscular Tissue

استخدام التصوير المقطعي المحوسب للأشعة السينية الدقيقة مع إعداد حمض فوسفيوالتنغستن لتصور الأنسجة الليفية البشرية

Manual dissection and histological observation are common methods used to investigate human tissues. However, manual dissection can damage delicate ...

Contrast-Enhanced Subharmonic Aided Pressure Estimation (SHAPE) Using Ultrasound Imaging with a Focus on Identifying Portal Hypertension

Contrast-Enhanced Subharmonic Aided Pressure Estimation SHAPE Using Ultrasound Imaging with a Focus on Identifying Portal Hypertension

تقدير الضغط بمساعدة دون التوافقي المعزز بالتباين (SHAPE) باستخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية مع التركيز على تحديد ارتفاع ضغط الدم البابي

Noninvasive, accurate measurement of pressures within the human body has long been an important but elusive clinical goal. Contrast agents for ultrasound ...

Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training

إنشاء نماذج القلب السيليكون المريض محددة مع تطبيقات في خطط ما قبل الجراحة والتدريب العملي على

Three dimensional&#160;models can be a valuable tool for surgeons as they develop surgical plans and medical fellows as they learn about complex cases. In ...