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

De auteurs bedanken Daniil Nikitichev en Steffi Mendes voor hun advies over het gebruik van Meshmixer en Fernando Perez-Garcia voor zijn advies over het gebruik van 3D Slicer en voor het verstrekken van ons code om een aantal van de verwerkingsstappen te automatiseren.
Dit werk werd ondersteund door Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] en National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS] financiering. TV wordt ondersteund door een Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [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>

De auteurs hebben geen belangenconflicten te verklaren.

Dit protocol beschrijft het fabricageproces van een patiënt specifieke hersenen fantoom, die de schedel, hersenen, en vestibulaire schwannoma tumor omvat. 3D-printmethoden maakt het mogelijk om anatomisch nauwkeurige details te bereiken. Het hier beschreven fantoom werd met succes vervaardigd met het gewenste niveau van anatomische details; CT en echografie werden gebruikt om aan te tonen dat de tumor gemakkelijk werd gevisualiseerd met beide modaliteiten. Het weefsel dat materiaal nabootst, PVA-c, is goed ingeburgerd als weefsel-nabootsend materiaal voor ultrasone fantomen; de akoestische en mechanische eigenschappen kunnen worden afgestemd met additieven en het aantal vriesdooicycli. Het materiaal is direct beschikbaar, eenvoudig te gebruiken en niet giftig. Bij herhaald gebruik had het fantoom voldoende duurzaamheid om manipulatie en contact met een ultrasone sonde te weerstaan tijdens fysieke simulaties van vestibulaire schwannomachirurgie.
Verschillende belangrijke stappen werden geïdentificeerd als cruciaal voor het fabricageproces. Ten eerste moet de segmentatie van structuren voor opname in het fantoom het gewenste niveau van anatomische details omvatten. Het maken van nauwkeurige STL-bestanden en 3D-mallen volgt dan op natuurlijke wijze. Ten tweede moet de positionering van vlakken in de cerebellummal in stap 3.1.9 zorgvuldig worden overwogen, zodat het fantoom gemakkelijk kan worden verwijderd, zonder schade; het moet in voldoende stukken worden gesneden om anatomische details te kunnen behouden, terwijl het mogelijk is het fantoom te verwijderen zonder vast te komen te zitten in de mal. In dit geval werden verschillende iteraties getest en uiteindelijk werd de mal in vier afzonderlijke stukken gesneden. De derde belangrijke overweging is dat tijdens het PVA-c-productieproces (punt 4) de PVA-c moet worden overgelaten om af te koelen tot kamertemperatuur (stap 4.1.6). Als deze stap wordt gemist en hete PVA-c wordt toegevoegd aan de mallen, kan het leiden tot de mallen te smelten of te vervormen. Het is ook van cruciaal belang dat zodra de glazen bollen zijn toegevoegd (stappen 5.1.2 – 5.1.4), de PVA-c niet langer dan ongeveer 10 minuten blijft zitten; indien links voor een langere periode van tijd, zal de glazen bollen vestigen op de bodem, en de resulterende fantoom zal inhomogene echografie contrast29hebben. Zodra de glazen bollen zijn toegevoegd, moet de PVA-c direct in de mallen worden toegevoegd en in de vriezer worden geplaatst. Na de eerste vriescyclus worden de glazen bollen op de plaats vastgezet en kan het fantoom bij kamertemperatuur worden gebruikt. Ten slotte is het belangrijk dat de mallen zorgvuldig worden verzegeld (bijvoorbeeld met tape) voordat de PVA-c wordt toegevoegd, om lekkage van het mengsel te minimaliseren door hiaten waar de afzonderlijke stukjes van de mal met elkaar verbonden zijn.
Het protocol heeft verschillende beperkingen. Er is bijvoorbeeld een aantal specialistische apparatuur nodig, waaronder een waterbad en een elektronische roerder. Een sonicator wordt ook gebruikt als onderdeel van dit protocol, maar de sonicatiestap (5.1.3) kan worden vervangen door extra elektronisch roeren; met dit alternatief zou het echter langer duren om een homogeen mengsel te bereiken dan mogelijk is met het gebruik van sonicatie. Een beperking van PVA-c is dat het degradeert na verloop van tijd en wordt beschimmeld. De toevoeging van kaliumsorase, zoals hier beschreven, verhoogt de houdbaarheid van het fantoom, hoewel het nog steeds in een luchtdichte container moet worden bewaard. Een tweede beperking van PVA-c is dat vries-dooi cycli nodig zijn, die de hoeveelheid tijd die nodig is om een fantoom te maken verhoogt. Om fantoomfabricagetijd te minimaliseren, is een belangrijke overweging de snelheid van het bevriezen en ontdooien; zodra het fantoom volledig bevroren of volledig ontdooid is , heeft de tijd dat het in die toestand blijft geen significante invloed op het uiteindelijke fantoom16,30. Daarom kunnen de gebruikte cycluslengtes worden gevarieerd, op voorwaarde dat het fantoom volledig bevroren en ontdooid is in elke fase van de cyclus. Bijvoorbeeld, de tumor in het fantoom van deze studie is erg klein, dus kortere cycli kunnen worden gebruikt voor de tumor dan voor de hersenen. Ten slotte is 3D-printen van de mallen en schedel een tijdrovend proces dat een aanzienlijk deel (3 dagen) van de totale tijd (1 week) verbruikt die nodig is om een fantoom met dit protocol te fabriceren. De gebruikte printer was een commercieel model uit 2018; het afdrukproces kan worden voltooid in kortere termijnen met het gebruik van nieuwere, snellere printers.
Het hier gepresenteerde hersentoom kan direct worden gebruikt voor klinische training en validatie van neuronavigatiesystemen. Als het weefsel dat materiaal nabootst, maakt PVA-c het mogelijk om het resulterende fantoom herhaaldelijk te gebruiken, bijvoorbeeld als trainingsinstrument of voor de validatie van intraoperatieve echografie bij vestibulaire schwannomachirurgie, omdat het een duurzaam en niet-toxisch materiaal is. Als zodanig is de fabricagemethode complementair aan de eerder beschreven methoden waarbij 3D-printen werd gebruikt om patiëntspecifieke hersentooms20,21,22,23,24,25te creëren . Het gebruik van PVA-c als de TMM maakt het fantoom geschikt voor gebruik in simulatie van neurochirurgie, omdat het materiaal bestand is tegen herhaalde handmatige manipulatie en contact van een ultrasone sonde. Dit werk vormt de weg naar verdere kwantitatieve validatiestudies. De hier beschreven fantoommethode is zeer veelzijdig en kan worden gebruikt om vele soorten patiëntspecifieke tumortooms te fabriceren, die zich uitstrekken van de hersenen tot andere organen, met compatibiliteit over verschillende beeldvormingsmodaliteiten.

Fantomen die de specifieke eigenschappen van biologische weefsels nabootsen, zijn een nuttige hulpbron voor verschillende experimentele en onderwijstoepassingen. Weefsel-nabootsende fantomen zijn essentieel om medische hulpmiddelen te karakteriseren voorafgaand aan hun klinisch gebruik1,2 en anatomische fantomen worden vaak gebruikt bij de opleiding van medisch personeel in alle disciplines3,4,5,6,7. Patiëntspecifieke anatomische fantomen gemaakt met de juiste weefsel-nabootsende eigenschappen zijn vaak een essentieel onderdeel van de testomgeving en kunnen het vertrouwen van clinici die leren om een nieuw apparaat te gebruiken8. Hoge productiekosten en complexe fabricageprocessen sluiten echter vaak het routinematige gebruik van patiëntspecifieke fantomen uit. Hier wordt een methode beschreven voor de productie van een duurzaam, patiëntspecifiek hersentumormodel met behulp van direct beschikbare, commerciële materialen, die kunnen worden gebruikt voor de training en validatie van intraoperatieve echografie (VS) met behulp van geautomatiseerde tomografie (CT) beeldvorming. Het in deze studie beschreven fantoom is gemaakt met behulp van gegevens van een patiënt met een vestibulaire schwannoma (een goedaardige hersentumor die voortvloeit uit een van de evenwichtszenuwen die de hersenen en het binnenoor verbinden) die vervolgens een operatie en tumorresectie onderging via een retrosigmoid suboccipitale craniotomie10. Het fantoom werd ontwikkeld om een geïntegreerd intraoperatief navigatiesysteem te testen en te valideren voor gebruik tijdens dit type hersentumorchirurgie.
Om geschikt te zijn voor deze toepassing, moet het hersentumortoom verschillende belangrijke eigenschappen bezitten. Ten eerste moet het worden gemaakt van niet-toxische materialen, zodat het veilig kan worden gebruikt in een klinische trainingsomgeving. Ten tweede moet het realistische beeldvormingseigenschappen hebben; voor de beoogde toepassing, deze specifiek omvatten echografie demping en CT contrast. Ten derde moet het vergelijkbare mechanische eigenschappen hebben als menselijk weefsel, zodat het op dezelfde manier kan worden behandeld. Ten vierde moet het fantoom gebaseerd zijn op echte patiëntgegevens, zodat het anatomisch nauwkeurig is en kan worden gebruikt voor chirurgische planning en training. Ten slotte moeten de gebruikte materialen duurzaam zijn, zodat het fantoom herhaaldelijk kan worden gebruikt.
In het algemeen is het weefsel-nabootsen materiaal en fabricage methode gekozen voor een fantoom afhankelijk van de beoogde toepassing. Voor stijve structuren zoals de schedel mag de gekozen eigenschap niet vervormen of in water oplosbaar zijn en moet het in staat zijn om een nauwkeurig niveau van anatomische details te behouden bij herhaald gebruik; dit is vooral belangrijk bij het gebruik van het fantoom voor experimenten waarbij beeldregistratie wordt gebruikt en voor chirurgische simulatiedoeleinden. Minerale olie gebaseerde materialen zoals gel wax zijn veelbelovend voorechografie 9,11,12 en foto-akoestische13 imaging toepassingen, echter, wanneer onderworpen aan herhaalde mechanische vervorming worden ze friable, dus niet bestand tegen langdurig gebruik, vooral met standaard microchirurgische neurochirurgie instrumenten. Agar en gelatine zijn waterige materialen die ook vaak worden gebruikt als weefsel-nabootsen materialen. De additieven die nodig zijn om de akoestische eigenschappen van deze materialen aan te passen zijn bekend14, maar ze hebben een beperkte mechanische sterkte en zijn niet bijzonder duurzaam, dus zijn niet geschikt voor deze toepassing, waar het fantoom herhaaldelijk moet worden behandeld.
Polyvinyl alcohol cryogel (PVA-c) is een populaire keuze van weefsel-nabootsend materiaal, omdat de akoestische en mechanische eigenschappen gemakkelijk kunnen worden afgestemd door het variëren van de vries-dooi cycli. Gebleken is dat de eigenschappen van PVA-c vergelijkbaar zijn met die van zachte weefsels15,16,17,18. PVA-c gebaseerde hersentooms zijn met succes gebruikt voor echografie en CT imaging19. Het materiaal is sterk genoeg om herhaaldelijk te worden gebruikt, en het heeft een hoge mate van elasticiteit, dus fantoomweefsel gemaakt van PVA-c kan worden gemanipuleerd zonder permanent vervormd te zijn. Polymelkzuur (PLA) is een direct beschikbaar stijf materiaal en werd gebruikt om de schedel te vervaardigen, maar een ander drukmateriaal kan worden gebruikt in plaats van PLA, als het vergelijkbare mechanische eigenschappen heeft en niet in water oplosbaar is.
Met name hersentooms zijn vervaardigd met behulp van verschillende methoden, afhankelijk van het vereiste complexiteitsniveau en de weefsels die moeten worden gerepliceerd20,21,22,23. Meestal wordt een mal gebruikt, en vloeibaar weefsel-nabootsend materiaal gegoten in het. Sommige studies hebben gebruikt commerciële mallen24, terwijl anderen gebruik maken van 3D-geprinte aangepaste mallen van een gezond brein, en simuleren hersenletsels door het implanteren van marker bollen en opblaasbare katheters19,25. Voor zover de auteur weet, is dit het eerste rapport van een 3D-geprint patiëntspecifiek hersentumortoommodel gemaakt met weefsel-nabootsende echografie en röntgeneigenschappen. De totale fabricage wordt gevisualiseerd door het stroomdiagram in figuur 1; het hele proces duurt ongeveer een week om te voltooien.

<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

Phantoms zijn essentiële instrumenten voor klinische training, chirurgische planning en de ontwikkeling van nieuwe medische hulpmiddelen. Het is echter een uitdaging om anatomisch nauwkeurige hoofdtooms te maken met realistische hersenbeeldvormingseigenschappen, omdat standaardfabricagemethoden niet zijn geoptimaliseerd om patiëntspecifieke anatomische details te repliceren en 3D-printmaterialen niet zijn geoptimaliseerd voor beeldeigenschappen. Om een nieuw navigatiesysteem te testen en te valideren voor gebruik tijdens hersentumorchirurgie, was een anatomisch nauwkeurig fantoom met realistische beeldvorming en mechanische eigenschappen vereist. Daarom werd een fantoom ontwikkeld met behulp van echte patiëntgegevens als input en 3D-printen van mallen om een patiëntspecifiek hoofdtoom te fabriceren dat bestaat uit de schedel, hersenen en tumor met zowel echografie als röntgencontrast. Het fantoom had ook mechanische eigenschappen die het mogelijk maakte het fantoomweefsel te manipuleren op een vergelijkbare manier als hoe menselijk hersenweefsel wordt behandeld tijdens de operatie. Het fantoom werd met succes getest tijdens een chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer.
De phantom fabricage methode maakt gebruik van commercieel beschikbare materialen en is gemakkelijk te reproduceren. De 3D-printbestanden kunnen gemakkelijk worden gedeeld, en de techniek kan worden aangepast aan veel verschillende soorten tumor omvatten.

Volgens het beschreven protocol werd een anatomisch realistisch fantoom vervaardigd, dat bestaat uit een patiëntspecifieke schedel, hersenen en tumor. De relevante anatomische structuren voor het fantoom (schedel, hersenen, tumor) worden gesegmenteerd met behulp van MRI- en CT-gegevens van de patiënt(figuur 2a,b). De intraoperatieve echografiegegevens van de patiënt (figuur 2c; Figuur 2d toont hetzelfde beeld als figuur 2c, maar met de tumor geschetst) werd gebruikt om de fantoombeelden te vergelijken met de echte patiënt beelden.
Mazen werden gemaakt voor elk stuk van het model(figuur 3), en deze werden vervolgens gebruikt om de 3D-mallen te vervaardigen. De mallen werden gemakkelijk gedrukt op een commerciële printer en gemonteerd door slotting de stukken samen. De cerebellum mal was de meest complexe te ontwerpen en monteren(figuur 4). De schedel (Figuur 5a) was het moeilijkste deel om af te drukken als het nodig ondersteunend materiaal, dus was een langzaam proces; de hele afdruk duurde in totaal drie dagen, wat een beperkende factor is in het protocol.
Het voltooide fantoom (figuur 5) was een realistisch model van een patiënt schedel, hersenen en tumor. De twee hersenhelften (Figuur 5b) werden afzonderlijk geproduceerd, en hebben een realistische uitstraling, met de gyri en sulci van de hersenen. Het hele fantoom is wit van kleur, want dit is de natuurlijke kleur van PVA-c; dit kan gemakkelijk worden veranderd door het toevoegen van kleurstof, maar was niet nodig voor de toepassing. Het cerebellum (Figuur 5c) past comfortabel in de basis van de gedrukte schedel en de hersenhelften zitten op de top van deze. De tumor is gemakkelijk zichtbaar in het cerebellum, als het extra contrast toegevoegd aan de tumor resulteert in het feit dat het een off-witte kleur die het scheidt van het omringende materiaal, dat is het veilig bevestigd aan.
Het fantoom werd afgebeeld met zowel CT als echografie(figuur 6a,b). Bariumsulfaat werd gebruikt om de tumor een passend CT-contrast te geven, en het fantoombeeld (figuur 6a) toont aan dat dit werd bereikt, omdat de tumor duidelijk is gevisualiseerd. De schedel werd niet bedrukt met 100% infill, om de tijd die nodig is voor het afdrukken te verminderen. Daarom ziet de schedel er niet helemaal realistisch uit in de CT-beelden, omdat de roosterstructuur van de afdruk kan worden gezien. Dit is geen probleem voor de toepassing, omdat alleen de omtrek van de schedel nodig is voor het neuronavigatiesysteem. De schedel kan worden afgedrukt met 100% infill om deze verminderde nauwkeurigheid van de CT-afbeelding te voorkomen, maar zou tijd toevoegen aan het afdrukproces. Glazen microsferen werden toegevoegd aan het cerebellum, hersenhelften en tumor voor echografie contrast. De resultaten tonen aan dat de tumor ook zichtbaar is met echografie(figuur 6b)en kan worden onderscheiden van het omliggende weefsel. Bij visuele inspectie tonen de echografiebeelden van het fantoom (figuur 6b)en die van de patiënt (figuur 2c) aan dat de contrastmiddelen die in het fantoom werden gebruikt, effectief waren voor het creëren van realistische beeldvormingseigenschappen.
Het fantoom werd getest tijdens chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer(figuur 7). Het fantoommodel werd op de chirurgische operatietafel geplaatst met behulp van een standaard schedelklem en de CT-scan van het fantoom werd geregistreerd met behulp van een klinisch neuronavigatiesysteem. Een retrosigmoid benadering van de tumor werd gesimuleerd en de tumor werd afgebeeld met behulp van een klinisch ultrasone systeem met een braamgat echografie transducer. Tijdens de chirurgische simulatie bleek het fantoommodel stabiel te zijn en werd er geen schade waargenomen door het manipuleren van het fantoom op dezelfde manier als het menselijk brein tijdens deze procedure zou zijn, zodat het herhaaldelijk onder dezelfde omstandigheden kon worden gebruikt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Figuur 1: Flowchart om de stappen te laten zien die nodig zijn om een patiënt specifieke PVA-c hersenen fantoom te maken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Figuur 2: Patiëntgegevens die worden gebruikt om fantoommodel te maken. Gegevensbronnen van een patiënt met een linkszijdige vestibulaire schwannoma: (a) axiale contrast-verbeterde T1-gewogen MRI, witte pijl die naar tumor wijst; b) axiale CT-scan zonder contrast venster om bot te markeren, witte pijl die wijst naar een uitgebreide interne auditieve meatus veroorzaakt door de tumor; c) intraoperatieve echografie die tijdens de vestibulaire schwannoma-operatie is verkregen; d) geannoteerd intraooperatief echografisch beeld <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor (hyperechoïsche echografie), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : hersenen (cerebellum). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Figuur 3: Voltooide mazen voor elk deel van het fantoom. STL mesh voor (a,b) schedel, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : linkszijdige retrosigmoid craniotomie; c,d) hersenhelften; (e,f) tumor en cerebellum, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Figuur 4: 3D-geprinte cerebellummal. 3D geprinte cerebellum mal volledig gebouwd (linksboven) en de afzonderlijke stukken, die zijn genummerd van 1 tot 4. Het gat in stuk 2 (aangeduid met 'H') maakt het mogelijk de PVA-c in de mal te gieten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Figuur 5: Voltooid fantoom. De afgewerkte fantoom (a) schedel (b) fantoom met schedel top verwijderd: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : retrosigmoid craniotomie, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, hersenen <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cerebellum), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> hersenen (rechter hersenhelft); c) cerebellum en tumor: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, hersenen <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cerebellum). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Figuur 6: CT- en echografiebeelden die met het fantoom zijn verkregen. (a) Axiaal CT beeld van volledige fantoom door het niveau van de schedel basis en tumor, (b) Intraoperatieve echografie beeld van fantoom verworven met braam gat echografie sonde door de retrosigmoid craniotomie in een vlak ongeveer loodrecht op de schedel (Simuleren chirurgie, het cerebellum werd iets ingetrokken om direct beeld op de tumor). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: tumor, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> hersenen (cerebellum), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : linkszijdige retrosigmoid craniotomie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Figuur 7: Het testen van het fantoom tijdens chirurgische simulatie. Het testen van het fantoommodel door middel van chirurgische simulatie in een virtuele operatiekamer. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: neuronavigatie systeem met de geregistreerde scan van de CT fantoom model, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> : echografie systeem gebruikt om het beeld van het fantoom met een braamgat echografie transducer (gezien gepositioneerd naast de echografie monitor). Let op het model hier afgebeeld is gebaseerd op gegevens verkregen van verschillende patiënt met een rechtszijdige tumor. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</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

Patiënt-specifieke Polyvinyl Alcohol Phantom Fabricatie met echografie en X-Ray Contrast voor brain tumor chirurgie Planning

Dit protocol beschrijft de fabricage van een patiënt specifieke schedel, hersenen en tumor fantoom. Het maakt gebruik van 3D-printen om mallen te maken, en polyvinyl alcohol (PVA-c) wordt gebruikt als het weefsel nabootsen materiaal.

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

Phantom modellen zijn belangrijke instrumenten, maar het is een uitdaging om ze anatomisch nauwkeurig te maken. Dit protocol maakt gebruik van CT en echografie om een patiënt-specifieke fantoom dat een tumor omvat te creëren. We gebruiken complexe heterogene modellen en 3D-printen om een hoge mate van anatomisch realisme te bereiken.Patiëntspecifieke hersentooms zijn zeer nuttig omdat ze chirurgische planning en klinische training mogelijk maken, en ze stellen chirurgen in staat om nieuwe technieken te oefenen en nieuwe instrumenten en hardware te testen. Na het verkrijgen van preoperatieve contrast-verbeterde T1-gewogen MRI en volumetrische CT-gegevens, laad de beelden in een 3D-modellering softwareprogramma en gebruik maken van de plain cut tool om de hersenen segmentatie splitsen in twee hemisferen. Sla elke hemisfeer op als afzonderlijke STL-bestanden met rechts en links en importeer de bestanden in een geschikt computerondersteund ontwerpsoftwareprogramma.Gebruik in de mesh-werkruimte de reduce-functie om de grootte van elk model zo veel mogelijk te verkleinen, zodat het door het programma kan worden afgehandeld terwijl alle benodigde details behouden blijven. Gebruik in de vaste werkruimte het gereedschap Mesh naar BRep om het geïmporteerde net om te zetten in een behuizing die kan worden gemanipuleerd. Klik op maken en vak om een doos te trekken rond de tumor, het draaien van de weergave om ervoor te zorgen dat de doos volledig omsluit de tumor aan alle kanten.Wijs de doos in het vervolgkeuzemenu van de bewerking aan als een nieuwe instantie. Klik op het tabblad wijzigen en gebruik het gereedschap combineren om de tumor uit de doos te snijden om een doos te maken met een holle vorm van de tumor erin. Om vliegtuigen te maken door de doos op de plaatsen die de mal zal worden gesneden, klik op construct en midplane om een vliegtuig te maken door het midden van de doos.Klik met de rechtermuisknop op het middenvlak en selecteer offsetvlak om het vlak nauwkeuriger te positioneren. Gebruik onder het tabblad Wijzigen de split body-functie om de mal langs de gemaakte vlakken te splitsen en klik op schets- en middendiametercirkel maken om kleine cirkelvormige klinknagels toe te voegen aan het gezicht van elk stuk van de mal. Klik met de rechtermuisknop om de cirkels een paar millimeter op één gezicht naar buiten te extruderen en ze naar binnen te extruderen op het overeenkomstige gezicht.Sla vervolgens elk stuk van de mal op als een apart STL-bestand. Om de 3D-hersen- en tumormallen af te drukken, selecteert u voor sneller afdrukken een grote laaghoogte van ongeveer 0,2 millimeter en een lage infillwaarde van 20% in de 3D-printsoftware. Als de mallen op de juiste manier op de bodemplaat zijn geplaatst, zijn ondersteunende materialen niet nodig.Print de mallen met behulp van een stijf materiaal, zoals polymelkzuur. Voordat u de schedelmal afdrukt, selecteert u ondersteuning toevoegen in de software om PVA als ondersteuningsmateriaal te gebruiken. Om de PVA voor te bereiden op de modellen, verwarm 1, 800 gram gedeïïsiseerd water tot 90 graden Celsius in een twee liter conische kolf en meet 200 gram PVA-poeder.Plaats een elektronische roerder in de kolf, zorg ervoor dat het niet de onderkant of zijkanten raakt. Stel de snelheid in op 1.500 omwentelingen per minuut. Voeg het PVA-poeder gedurende een periode van ongeveer 30 minuten toe aan de kolf.Wanneer alle PVA is toegevoegd, roer de oplossing voor een extra 90 minuten. Wanneer een kleverige gel is verkregen, verwijder de kolf uit het waterbad en bedek de bovenkant met plastic folie om de vorming van een huid op de top van het materiaal te voorkomen. Eenmaal koel, zal de PVA transparant lijken.Giet het in een beker. Kleine witte kristallen kunnen worden waargenomen, maar eventuele bellen op het oppervlak moeten voorzichtig worden afgeschraapt. Voeg vervolgens 0,5% kaliumsorase toe aan de PVA als conserveermiddel en roer de oplossing grondig door.Om de fantomen voor te bereiden, meet voldoende PVA om de tumor schimmel te vullen in een beker en giet de rest in een apart bekerglas. Om de PVA voor te bereiden op de tumor, voeg 1% glazen microsferen toe voor ultrasone contrast en 5% bariumsulfaat voor x-ray contrast met het eerste bekerglas. Roer de resulterende oplossing met de hand.Soniceer het bekerglas om homogene vermenging van de additieven te garanderen en laat de oplossing afkoelen voor ongeveer 10 minuten, het verwijderen van eventuele bubbels door schrapen als dat nodig is. Zet de tumor schimmel samen en giet de PVA door het gat in de bovenkant van de mal. Laat de PVA een paar minuten rusten om eventuele bellen die in het gietproces zijn gevormd, door het gat te laten ontsnappen, voordat u de mal in een min 20 graden Celsius vriezer plaatst.Na zes uur ontdooit u de mal zes uur bij kamertemperatuur. Herhaal de 12-uurs vries-dooi cyclus, verwijder dan voorzichtig de mal uit het model. Maak de cerebellum en hersenhelft modellen in de juiste mallen zoals net aangetoond.Na de tweede vries-dooi cyclus voor elk fantoom model stuk, voorzichtig verwijderen van de modellen uit de mallen en plaats de cerebellum tumor fantoom op de spike aan de basis van de schedel bodem model. Plaats de twee hersenhelften in het bovenste deel van de cerebellum tumor stuk en plaats de vier deuvels in elke ruimte op de schedel bodem model. Plaats dan de schedel top model op de top.Indien nodig kan het model in de gewenste positie worden gemanoeuvreerd om het intraoperatieve gebruik in de chirurgie te simuleren. Volgens het protocol zoals aangetoond, een anatomisch realistisch fantoom bestaande uit een patiënt-specifieke schedel, hersenen en tumor kan worden vervaardigd. De relevante anatomische structuren voor het fantoom worden gesegmenteerd met behulp van MRI- en CT-gegevens van de patiënt.Mazen kunnen vervolgens worden gemaakt voor elk stuk van het model om de 3D-mallen te vervaardigen zoals aangetoond. De cerebellum mal is de meest complexe te ontwerpen en te monteren. De schedel is het moeilijkste deel om af te drukken omdat het ondersteunend materiaal vereist.Het voltooide fantoom biedt een realistisch model van de schedel, hersenen en tumor van de patiënt. De twee hersenhelften worden afzonderlijk geproduceerd en hebben een realistische uitstraling met de gyri en sulci van de hersenen. Het cerebellum past comfortabel in de basis van de geprinte schedel en de hersenhelften zitten bovenop deze structuur.De tumor is gemakkelijk zichtbaar in het cerebellum als het extra contrast toegevoegd aan de tumor resulteert in een off-witte kleur die het scheidt van het omringende materiaal waaraan het is bevestigd. De tumor kan worden gevisualiseerd in het fantoom met zowel CT en echografie. De intraoperatieve echografiegegevens van de patiënt kunnen vervolgens worden gebruikt om de fantoombeelden te vergelijken met de echte patiëntbeelden.Let bij het maken van de mallen vooral op de positie van de sneden om ervoor te zorgen dat het fantoom kan worden verwijderd wanneer het gestold is. Door het creëren van een patiënt-specifieke hersenen fantoom, hebben we in staat geweest om een nieuw neuraal navigatiesysteem dat ook kan worden gebruikt om neurochirurgen te trainen in het gebruik van intraoperatieve echografie te testen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Contrast Echografie doelgerichte behandeling van gliomen in Muizen via Drug-Bearing Nanodeeltje Levering en microvasculaire Ablation

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

Kleine en Wide Angle X-ray scattering Studies van biologische macromoleculen in oplossing

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

Patiënt-specifieke modellering van het Hart: Schatting van ventriculaire vezeloriëntaties

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

Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

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

Richtend neuronale Fiber traktaten voor diepe brein stimulatie therapie met behulp van interactieve, patiënt-specifieke modellen

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

Menselijke pluripotente stamcel cultuur op Polyvinyl Alcohol-Co-itacon zuur Hydrogels met verschillende stijfheid onder voorwaarden Xeno-gratis

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

Gebruik van micro X-Ray computertomografie met Foshotungstic zuur preparaat om menselijk Fibromusculair weefsel te visualiseren

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

Contrast-Enhanced Subharmonic Aided Pressure Estimation (SHAPE) met behulp van echografie met een focus op het identificeren van portale hypertensie

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

Creatie van patiëntspecifieke siliconen cardiale modellen met toepassingen in pre-chirurgische plannen en hands-on training

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 ...