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

Les auteurs remercient Daniil Nikitichev et Steffi Mendes pour leurs conseils sur l’utilisation de Meshmixer et Fernando Perez-Garcia pour ses conseils sur l’utilisation de Slicer 3D et pour nous fournir du code pour automatiser certaines des étapes de traitement.
Ce travail a été soutenu par Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] et National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS] financement. Tv est soutenu par un 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>

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.

Ce protocole détaille le processus de fabrication d’un fantôme spécifique de cerveau de patient, qui inclut le crâne, le cerveau, et la tumeur vestibulaire de schwannoma. Les méthodes d’impression 3D ont permis d’obtenir des détails anatomiquement précis. Le fantôme décrit ici a été fabriqué avec succès avec le niveau désiré de détail anatomique ; La formation image de CT et d’ultrason ont été employées pour démontrer que la tumeur a été facilement visualisée avec les deux modalités. Le matériau imitant le tissu, PVA-c, est bien établi comme matériau imitant les tissus pour les fantômes ultrasoniques; ses propriétés acoustiques et mécaniques peuvent être réglées avec des additifs et le nombre de cycles gel-dégel. Le matériau est facilement disponible, simple à utiliser et non toxique. Avec l’utilisation répétée, le fantôme a eu la durabilité suffisante pour résister à la manipulation et au contact avec une sonde d’ultrason pendant des simulations physiques de chirurgie vestibulaire de schwannoma.
Plusieurs étapes clés ont été identifiées comme étant essentielles au processus de fabrication. Tout d’abord, la segmentation des structures pour l’inclusion dans le fantôme doit inclure le niveau désiré de détail anatomique. La création de fichiers STL précis et de moules 3D suit alors naturellement. Deuxièmement, le positionnement des plans dans le moule du cervelet à l’étape 3.1.9 doit être examiné avec soin, de sorte que le fantôme puisse être facilement enlevé, sans dommage; il doit être coupé en suffisamment de morceaux pour permettre aux détails anatomiques d’être conservés, tout en permettant au fantôme d’être enlevé sans rester coincé dans le moule. Dans ce cas, plusieurs itérations ont été testées et finalement le moule a été coupé en quatre morceaux distincts. La troisième considération clé est que pendant le processus de fabrication pva-c (section 4), le PVA-c doit être laissé refroidir à température ambiante (étape 4.1.6). Si cette étape est manquée et chaud PVA-c est ajouté aux moules, il peut causer les moules à fondre ou à déformer. Il est également crucial qu’une fois les sphères de verre ajoutées (étapes 5.1.2 – 5.1.4), le PVA-c ne soit pas laissé reposer pendant plus de 10 minutes; s’il est laissé pendant une période prolongée, les sphères de verre s’installeront vers le bas, et le fantôme résultant aura le contraste inhomogèned’ultrason 29. Une fois que les sphères de verre sont ajoutées, le PVA-c doit être ajouté directement dans les moules et placé dans le congélateur. Après le premier cycle de gel, les sphères de verre seront fixées sur place, et le fantôme peut être utilisé à température ambiante. Enfin, il est important que les moules soient soigneusement scellés (p. ex., avec du ruban adhésif) avant l’ajout du PVA-c, afin de minimiser les fuites du mélange à travers les lacunes où le moule séparé s’est uni.
Le protocole a plusieurs limites. Par exemple, certains équipements spécialisés sont nécessaires, y compris un bain d’eau et un agitateur électronique. Un sonicateur est également utilisé dans le cadre de ce protocole, mais l’étape de sonication (5.1.3) pourrait être remplacée par une agitation électronique supplémentaire; toutefois, avec cette alternative, il faudrait plus de temps pour parvenir à un mélange homogène que ce qui est possible avec l’utilisation de la sonication. Une limitation de PVA-c est qu’il se dégrade au fil du temps et devient moisi. L’ajout de sorbate de potassium, tel que décrit ici, augmente la durée de conservation du fantôme, bien qu’il doit encore être conservé dans un contenant étanche à l’air. Une deuxième limitation de PVA-c est que des cycles gel-dégel sont nécessaires, ce qui augmente le temps nécessaire pour faire un fantôme. Pour réduire au minimum le temps de fabrication fantôme, une considération clé est la vitesse de congélation et de dégel; une fois que le fantôme est complètement gelé ou entièrement décongelé, le temps qu’il reste dans cet état n’affecte pas significativement le fantôme final16,30. Par conséquent, les longueurs de cycle utilisées peuvent être variées, à condition que le fantôme soit complètement gelé et décongelé à chaque étape du cycle. Par exemple, la tumeur dans le fantôme de cette étude est très petite, de sorte que des cycles plus courts pourraient être utilisés pour la tumeur que pour le cerveau. Enfin, l’impression 3D des moules et du crâne est un processus long qui consomme une partie importante (3 jours) du temps total (1 semaine) nécessaire pour fabriquer un fantôme avec ce protocole. L’imprimante utilisée était un modèle commercial à partir de 2018; le processus d’impression pourrait être complété dans des délais plus courts avec l’utilisation d’imprimantes plus nouvelles et plus rapides.
Le fantôme cérébral présenté ici pourrait être utilisé directement pour la formation clinique et la validation des systèmes de neuronavigation. Comme matériau imitant les tissus, PVA-c permet d’utiliser le fantôme résultant à plusieurs reprises, par exemple comme un outil de formation ou pour la validation de l’échographie peropératoire dans la chirurgie vestibulaire schwannoma, car il s’agit d’un matériau durable et non toxique. En tant que tel, la méthode de fabrication est complémentaire à celles décrites précédemment dans lesquelles l’impression 3D a été utilisée pour créer des fantômes spécifiques au cerveau du patient20,21,22,23,24,25. L’utilisation de PVA-c comme TMM rend le fantôme approprié pour une utilisation dans la simulation de la neurochirurgie, car le matériau peut résister à la manipulation manuelle répétée et le contact à partir d’une sonde à ultrasons. Ces travaux prépare le terrain pour d’autres études quantitatives de validation. La méthode fantôme décrite ici est très polyvalente et pourrait être utilisée pour fabriquer de nombreux types de fantômes tumoraux spécifiques au patient, s’étendant du cerveau à d’autres organes, avec compatibilité entre plusieurs modalités d’imagerie.

Les fantômes imitant les propriétés spécifiques des tissus biologiques sont une ressource utile pour diverses applications expérimentales et pédagogiques. Les fantômes imitant les tissus sont essentiels pour caractériser les dispositifs médicaux avantleur utilisation clinique 1,2 et les fantômes anatomiques sont fréquemment utilisés dans la formation du personnel médical dans toutes les disciplines3,4,5,6,7. Les fantômes anatomiques spécifiques au patient, qui ont des propriétés imitant les tissus appropriés, sont souvent une partie essentielle de l’environnement d’essai et peuvent accroître la confiance des cliniciens qui apprennent à utiliser un nouvelappareil 8. Cependant, des coûts de fabrication élevés et des processus de fabrication complexes empêchent souvent l’utilisation systématique de fantômes spécifiques aux patients. Ici, une méthode est décrite pour la fabrication d’un modèle durable, spécifique au patient tumeur cérébrale en utilisant facilement disponible, des matériaux commerciaux, qui peuvent être utilisés pour la formation et la validation de l’échographie peropératoire (US) en utilisant la tomographie informatisée (CT) imagerie. Le fantôme décrit dans cette étude a été créé utilisant des données d’un patient présentant un schwannoma vestibulaire (une tumeur bénigne de cerveau résultant d’un des nerfs d’équilibre reliant le cerveau et l’oreille interne) qui plus tard a subi la chirurgie et la résection de tumeur par l’intermédiaire d’une craniotomy suboccipital rétrosigmoid10. Le fantôme a été développé afin de tester et de valider un système intégré de navigation peropératoire pour une utilisation au cours de ce type de chirurgie tumorale du cerveau.
Afin d’être adapté à cette application, le fantôme tumeur au cerveau doit posséder plusieurs propriétés clés. Tout d’abord, il doit être fait de matériaux non toxiques, de sorte qu’il peut être utilisé en toute sécurité dans un environnement de formation clinique. Deuxièmement, il devrait avoir des propriétés d’imagerie réalistes; pour l’application prévue, ceux-ci incluent spécifiquement l’atténuation d’ultrason et le contraste de CT. Troisièmement, il devrait avoir des propriétés mécaniques similaires aux tissus humains afin qu’il puisse être manipulé de la même manière. Quatrièmement, le fantôme doit être basé sur des données réelles sur les patients, de sorte qu’il est anatomiquement précis et peut être utilisé pour la planification chirurgicale et la formation. Enfin, les matériaux utilisés doivent être durables, de sorte que le fantôme peut être utilisé à plusieurs reprises.
En général, le matériau imitant les tissus et la méthode de fabrication choisie pour un fantôme dépend de l’application prévue. Pour les structures rigides comme le crâne, la propriété choisie ne doit pas se déformer ou être soluble dans l’eau et il devrait être en mesure de maintenir un niveau précis de détail anatomique avec une utilisation répétée; ceci est particulièrement important lors de l’utilisation du fantôme pour les expériences où l’enregistrement d’image est utilisé et à des fins de simulation chirurgicale. Les matériaux à base d’huile minérale tels que la cire de gel ont été prometteurspour les ultrasons 9,11,12 et photoacoustiques13 applications d’imagerie, cependant, lorsqu’ils sont soumis à des déformations mécaniques répétées, ils deviennent friables, ne peut donc pas résister à une utilisation prolongée, en particulier avec les instruments de neurochirurgie microchirurgical standard. L’agar et la gélatine sont des matériaux aqueux qui sont également couramment utilisés comme matériaux imitant les tissus. Les additifs nécessaires pour ajuster les propriétés acoustiques de ces matériaux sontbien connus 14, mais ils ont une résistance mécanique limitée et ne sont pas particulièrement durables, donc ne sont pas adaptés à cette application, où le fantôme doit être manipulé à plusieurs reprises.
Le cryogel d’alcool polyvinyle (PVA-c) est un choix populaire de matériau imitant les tissus, parce que ses propriétés acoustiques et mécaniques peuvent facilement être réglées en variant ses cycles gel-dégel. Il a été démontré que les propriétés de PVA-c sont similaires à celles des tissus mous15,16,17,18. Les fantômes cérébraux à base de PVA-c ont été utilisés avec succès pour l’échographie et l’imagerie CT19. Le matériau est assez fort pour être utilisé à plusieurs reprises, et il a un haut degré d’élasticité, de sorte que le tissu fantôme fait de PVA-c peut être manipulé sans être déformé en permanence. L’acide polylactique (PLA) est un matériau rigide facilement disponible et a été utilisé pour fabriquer le crâne, cependant, un matériau d’impression différent peut être utilisé à la place de pla, si elle a des propriétés mécaniques similaires et n’est pas soluble dans l’eau.
Les fantômes cérébraux en particulier ont été fabriqués en utilisant différentes méthodes, selon le niveau de complexité requis et les tissus qui doivent être répliqués20,21,22,23. Habituellement, un moule est employé, et le matériel liquide de tissu-imitant versé dedans. Certaines études ont utilisé des moules commerciaux24 tandis que d’autres utilisent des moules personnalisés imprimés en 3D d’un cerveau sain, et simulent des lésions cérébrales en implantant des sphères marqueurs et des cathétersgonflables 19,25. Au meilleur de la connaissance de l’auteur, c’est le premier rapport d’un modèle fantôme 3D-imprimé patient-spécifique de tumeur de cerveau créé avec l’ultrason de tissu-imitant et les propriétés de rayon X. La fabrication totale est visualisée par le débit de la figure 1; l’ensemble du processus prend environ une semaine.

<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

Les fantômes sont des outils essentiels pour la formation clinique, la planification chirurgicale et le développement de nouveaux dispositifs médicaux. Cependant, il est difficile de créer des fantômes de tête anatomiquement précis avec des propriétés réalistes d’imagerie cérébrale parce que les méthodes de fabrication standard ne sont pas optimisées pour reproduire n’importe quel détail anatomique spécifique au patient et les matériaux d’impression 3D ne sont pas optimisés pour les propriétés d’imagerie. Afin de tester et de valider un nouveau système de navigation pour une utilisation pendant la chirurgie de tumeur cérébrale, un fantôme anatomiquement précis avec l’imagerie réaliste et les propriétés mécaniques a été exigé. Par conséquent, un fantôme a été développé en utilisant des données réelles du patient comme entrée et impression 3D des moules pour fabriquer un fantôme de tête spécifique au patient comprenant le crâne, le cerveau et la tumeur avec l’ultrason et le contraste de rayon X. Le fantôme avait également des propriétés mécaniques qui ont permis au tissu fantôme d’être manipulé d’une manière similaire à la façon dont le tissu cérébral humain est manipulé pendant la chirurgie. Le fantôme a été testé avec succès lors d’une simulation chirurgicale dans une salle d’opération virtuelle.
La méthode de fabrication fantôme utilise des matériaux disponibles dans le commerce et est facile à reproduire. Les fichiers d’impression 3D peuvent être facilement partagés, et la technique peut être adaptée pour englober de nombreux types différents de tumeurs.

Suivant le protocole décrit, un fantôme anatomiquement réaliste a été fabriqué, qui se compose d’un crâne, d’un cerveau et d’une tumeur patients-spécifiques. Les structures anatomiques pertinentes pour le fantôme (crâne, cerveau, tumeur) sont segmentées à l’aide de données d’IRM et de Tomodens humains(figure 2a,b). Les données d’échographie intraopératoire du patient( figure 2c; La figure 2d montre la même image que la figure 2c,mais avec la tumeur décrite) a été utilisée pour comparer les images fantômes aux images réelles des patients.
Des mailles ont été créées pour chaque pièce du modèle (figure 3), et celles-ci ont ensuite été utilisées pour fabriquer les moules 3D. Les moules ont été facilement imprimés sur une imprimante commerciale et assemblés en fendant les pièces ensemble. Le moule cervelet était le plus complexe à concevoir et à assembler (Figure 4). Le crâne (Figure 5a) était la partie la plus difficile à imprimer car il avait besoin de matériel de soutien, il en était de même d’un processus lent; l’impression entière a pris un total de trois jours pour terminer, qui est un facteur limitant dans le protocole.
Le fantôme achevé (Figure 5) était un modèle réaliste d’un crâne patient, le cerveau et la tumeur. Les deux hémisphères cérébraux (figure 5b) ont été produits séparément, et ont une apparence réaliste, mettant en vedette le gyri et les sulci du cerveau. Tout le fantôme est de couleur blanche, car c’est la couleur naturelle de PVA-c; cela peut facilement être changé en ajoutant du colorant, mais n’était pas nécessaire pour l’application. Le cervelet (Figure 5c) s’intègre confortablement dans la base du crâne imprimé et les hémisphères cérébraux sont assis sur le dessus de cela. La tumeur est facilement visible dans le cervelet, car le contraste supplémentaire ajouté à la tumeur en résulte qu’il s’agit d’une couleur blanc éteint qui la sépare du matériau environnant, auquel elle est solidement attachée.
Le fantôme a été photographié à la fois avec ct et ultrasons( Figure 6a,b). Le sulfate de baryum a été employé pour donner à la tumeur le contraste approprié de CT, et l’image fantôme (figure 6a) montre que ceci a été réalisé, car la tumeur est clairement visualisée. Le crâne n’a pas été imprimé avec 100% de remplissage, afin de réduire le temps pris pour l’impression. Par conséquent, le crâne ne semble pas tout à fait réaliste dans les images CT, parce que la structure en treillis de l’impression peut être vu. Ce n’est pas un problème pour l’application, comme seul le contour du crâne est nécessaire pour le système de neuronavigation. Le crâne pourrait être imprimé avec 100% de remplissage pour éviter cette précision réduite de l’image CT, mais ajouterait du temps sur le processus d’impression. Des microsphères en verre ont été ajoutés au cervelet, aux hémisphères cérébraux et à la tumeur pour le contraste d’ultrason. Les résultats montrent que la tumeur est également visible avec l’imagerie par ultrasons (Figure 6b) et peut être distinguée du tissu environnant. Lors de l’inspection visuelle, les images échographiques obtenues à partir du fantôme (figure 6b) et celles obtenues auprès du patient (figure 2c) montrent que les agents de contraste utilisés dans le fantôme étaient efficaces pour créer des propriétés d’imagerie réalistes.
Le fantôme a été testé lors d’une simulation chirurgicale dans une salle d’opération virtuelle( Figure 7). Le modèle fantôme a été placé sur la table chirurgicale d’opération utilisant une pince standard de crâne et le balayage de CT du fantôme a été enregistré utilisant un système clinique de neuronavigation. Une approche rétrosigmoid à la tumeur a été simulée et la tumeur a été imaged utilisant un système clinique d’ultrason avec un transducteur d’ultrason de trou de bavure. Au cours de la simulation chirurgicale, le modèle fantôme s’est avéré stable et aucun dommage n’a été observé de manipuler le fantôme de la même manière que le cerveau humain serait au cours de cette procédure, de sorte qu’il pourrait être utilisé à plusieurs reprises dans les mêmes conditions.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Figure 1 : Flowchart pour montrer les étapes requises pour rendre fantôme un cerveau PVA-c spécifique au patient. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Figure 2 : Données des patients utilisées pour créer un modèle fantôme. Sources de données d’un patient présentant un schwannoma vestibulaire gauche: (a) axial contrast-enhanced T1-weighted MRI, flèche blanche pointant vers la tumeur ; b) balayage axial de CT non-contraste windowed pour mettre en évidence l’os, flèche blanche pointant vers un meatus auditif interne étendu provoqué par la tumeur ; c)image intraopératoire d’ultrason obtenue pendant la chirurgie vestibulaire de schwannoma ; d) image annotée par ultrasons peropératoires <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumeur (hyperéchoïque à l’échographie), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : cerveau (cervelet). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Figure 3 : Mailles complétées pour chaque section du fantôme. Maille STL pour (a,b) crâne, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomie rétrosigmoïde gauche; (c,d) hémisphères cérébraux; (e,f) tumeur et cervelet, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumeur. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Figure 4 : Moule imprimé 3D de cervelet. Moule à cervelet imprimé 3D entièrement construit (en haut à gauche) et les pièces séparées, qui sont numérotées de 1 à 4. Le trou dans la pièce 2 (indiqué par « H ») permet à la PVA-c d’être versée dans le moule. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Figure 5 : Fantôme terminé. Le fantôme fini (un) crâne ( b )fantômeavec le sommet du crâne enlevé: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomie rétrosigmoid, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumeur, cerveau <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cervelet), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> cerveau (hémisphère cérébral droit); c) cervelet et tumeur : <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> tumeur, cerveau <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cervelet). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Figure 6 : Images ct et ultrasons acquises avec le fantôme. (a) Image Axiale de CT du fantôme complet par le niveau de la base de crâne et de la tumeur, (b) image intraopératoire d’ultrason du fantôme acquise avec la sonde d’ultrason de trou de bavure par la craniotomie rétrosigmoid dans un plan approximativement perpendiculaire au crâne (Simulant la chirurgie, le cervelet a été rétracté légèrement afin d’image directement sur la tumeur). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: tumeur, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> cerveau (cervelet), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomie rétrosigmoïde gauche. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Figure 7 : Tester le fantôme pendant la simulation chirurgicale. Tester le modèle fantôme par simulation chirurgicale dans une salle d’opération virtuelle. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: système de neuronavigation affichant le balayage enregistré du modèle fantôme de CT, : système <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> d’ultrason utilisé pour l’image du fantôme avec un transducteur d’ultrason de trou de bavure (vu placé à côté du moniteur d’ultrason). Notez que le modèle représenté ici est basé sur des données acquises auprès de différents patients avec une tumeur du côté droit. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</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

Fabrication fantôme d’alcool de polyvinyle patient-spécifique avec l’ultrason et le contraste de rayon X pour la planification de chirurgie de tumeur de cerveau

Ce protocole décrit la fabrication d’un crâne spécifique patient, cerveau et fantôme de tumeur. Il utilise l’impression 3D pour créer des moules, et l’alcool polyvinyle (PVA-c) est utilisé comme matériau imitant les tissus.

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

Les modèles fantômes sont des outils importants, mais il est difficile de les rendre anatomiquement précis. Ce protocole utilise la Tomodensive et l’échographie pour créer un fantôme spécifique au patient qui comprend une tumeur. Nous utilisons des modèles hétérogènes complexes et l’impression 3D pour atteindre un haut degré de réalisme anatomique.Les fantômes cérébraux spécifiques aux patients sont très utiles car ils permettent la planification chirurgicale et la formation clinique, et ils permettent aux chirurgiens de pratiquer de nouvelles techniques et de tester de nouveaux instruments et matériels. Après avoir obtenu des données préopératoires d’IRM et de TOT volumétriques pondérées en contraste, chargez les images dans un logiciel de modélisation 3D et utilisez l’outil de coupe ordinaire pour diviser la segmentation du cerveau en deux hémisphères. Enregistrez chaque hémisphère sous forme de fichiers STL distincts du cerveau droit et gauche et importez les fichiers dans un logiciel de conception assisté par ordinateur approprié.Dans l’espace de travail en maille, utilisez la fonction réduire pour diminuer autant que possible la taille de chaque modèle afin qu’il puisse être manipulé par le programme tout en conservant tous les détails nécessaires. Dans l’espace de travail solide, utilisez l’outil maillage en BRep pour convertir le maillage importé en un corps qui peut être manipulé. Cliquez sur créer et boîte pour dessiner une boîte autour de la tumeur, en tournant la vue pour s’assurer que la boîte enferme complètement la tumeur de tous les côtés.Dans le menu de dropdown d’opération, désignez la boîte comme un nouveau corps. Cliquez sur l’onglet modifier et utiliser l’outil de moissonneuse-batteuse pour couper la tumeur de la boîte pour créer une boîte avec une forme creuse de la tumeur à l’intérieur de celui-ci. Pour créer des plans à travers la boîte dans les endroits où le moule sera coupé, cliquez sur construire et midplane pour créer un plan à travers le centre de la boîte.Cliquez à droite sur le plan intermédiaire et sélectionnez le plan offset pour positionner l’avion plus précisément. Sous l’onglet modifier, utilisez la fonction corps fendu pour diviser le moule le long des plans créés et cliquez sur créer croquis et cercle de diamètre central pour ajouter de petits rivets circulaires à la face de chaque morceau du moule. Cliquez à droite pour extruder les cercles vers l’extérieur de quelques millimètres sur un visage et les extruder vers l’intérieur sur le visage correspondant.Ensuite, enregistrez chaque morceau du moule comme un fichier STL séparé. Pour imprimer le cerveau 3D et les moules tumoraux, pour une impression plus rapide, sélectionnez une grande hauteur de couche d’environ 0,2 millimètre et une faible valeur de remplissage de 20% dans le logiciel d’impression 3D. Si les moules sont placés de façon appropriée sur la plaque de base, les matériaux de soutien ne devraient pas être nécessaires.Imprimez les moules à l’aide d’un matériau rigide tel que l’acide polylactique. Avant d’imprimer le moule crânne, sélectionnez ajouter un support dans le logiciel pour utiliser PVA comme matériau de support. Pour préparer le PVA pour les modèles, chauffer 1800 grammes d’eau déionisée à 90 degrés Celsius dans un flacon conique de deux litres et mesurer 200 grammes de poudre de PVA.Placez un agitateur électronique dans le flacon, en prenant soin qu’il ne touche pas le fond ou les côtés. Réglez la vitesse à 1500 révolutions par minute. Ajouter la poudre de PVA au flacon sur une période d’environ 30 minutes.Lorsque tout le PVA a été ajouté, remuer la solution pendant 90 minutes supplémentaires. Lorsqu’un gel collant a été obtenu, retirer le flacon du bain d’eau et couvrir le dessus d’une pellicule plastique pour empêcher la formation d’une peau sur le dessus du matériau. Une fois refroidie, la PVA apparaîtra transparente.Versez-le dans un bécher. De minuscules cristaux blancs peuvent être observés, mais toutes les bulles à la surface doivent être doucement grattées. Ajoutez ensuite 0,5% de sorbate de potassium à l’AOP comme agent de conservation et remuez soigneusement la solution.Pour préparer les fantômes, mesurez suffisamment de PVA pour remplir le moule tumoral dans un bécher et versez le reste dans un bécher séparé. Pour préparer le PVA pour la tumeur, ajoutez 1% de microsphère en verre pour le contraste ultrasonique et 5% de sulfate de baryum pour le contraste de rayons X au premier bécher. Remuer la solution qui en résulte à la main.Sonicate le bécher pour assurer le mélange homogène des additifs et permettre à la solution de refroidir pendant environ 10 minutes, en enlevant toutes les bulles en raclant au besoin. Fixer le moule tumoral ensemble et verser le PVA à travers le trou dans le haut du moule. Laissez la PVA reposer pendant quelques minutes pour permettre à toutes les bulles formées dans le processus de coulée de s’échapper par le trou, avant de placer le moule dans un congélateur de moins 20 degrés Celsius.Après six heures, décongeler le moule pendant six heures à température ambiante. Répétez le cycle gel-dégel de 12 heures, puis retirez soigneusement le moule du modèle. Créez les modèles du cervelet et de l’hémisphère cérébral dans les moules appropriés comme nous venons de le démontrer.Après le deuxième cycle gel-dégel pour chaque pièce modèle fantôme, retirez soigneusement les modèles des moules et placez le fantôme de tumeur de cervelet sur la pointe à la base du modèle inférieur de crâne. Placez les deux hémisphères cérébraux dans la partie supérieure de la pièce tumorale du cervelet et placez les quatre chevilles dans chaque espace sur le modèle du bas du crâne. Ensuite, placez le top model crâne sur le dessus.Si nécessaire, le modèle peut être manœuvré dans la position désirée pour simuler son utilisation peropératoire en chirurgie. Suivant le protocole tel que démontré, un fantôme anatomiquement réaliste composé d’un crâne, d’un cerveau et d’une tumeur spécifiques au patient peut être fabriqué. Les structures anatomiques pertinentes pour le fantôme sont segmentées à l’aide des données d’IRM et de TOC du patient.Des mailles peuvent alors être créées pour chaque morceau du modèle pour fabriquer les moules 3D comme démontré. Le moule cervelet est le plus complexe à concevoir et à assembler. Le crâne est la partie la plus difficile à imprimer car il nécessite du matériel de soutien.Le fantôme complété offre un modèle réaliste du crâne, du cerveau, et de la tumeur du patient. Les deux hémisphères cérébraux sont produits séparément et ont une apparence réaliste mettant en vedette le gyri et les sulci du cerveau. Le cervelet s’insère confortablement dans la base du crâne imprimé et les hémisphères cérébraux sont assis au-dessus de cette structure.La tumeur est facilement visible dans le cervelet car le contraste supplémentaire ajouté à la tumeur entraîne une couleur blanc-blanc qui la sépare du matériau environnant auquel elle est attachée. La tumeur peut être visualisée dans le fantôme avec ct et imagerie par ultrasons. Les données d’ultrason peropératoire patient peuvent alors être employées pour comparer les images fantômes aux images réelles de patient.Lors de la création des moules, accorder une attention particulière à la position des coupes pour s’assurer que le fantôme sera en mesure d’être enlevé quand il s’est solidifié. En créant un fantôme cérébral spécifique au patient, nous avons pu tester un nouveau système de navigation neuronale qui peut également être utilisé pour former les neurochirurgiens à l’utilisation de l’échographie peropératoire.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

L&#39;échographie de contraste ciblées traitement des gliomes chez la souris via la livraison de drogue nanoparticules-Bearing et l&#39;ablation microvasculaire

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

Recherche

Bio-ingénierie

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

Les petites et Wide Angle études diffraction des rayons X de macromolécules biologiques en solution

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

Spécifique au patient Modeling of the Heart: Estimation des orientations des fibres ventriculaires

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

Conception et fabrication d&#39;une unité élastomère pour Soft robots modulaires en chirurgie mini-invasive

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

Ciblage des fibres neuronales Tracts pour la thérapie de Stimulation cérébrale profonde à l’aide de modèles interactifs, spécifiques à un Patient

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

Culture de cellules souches pluripotentes humaines sur Polyvinyl alcool-Co-itaconique acides Hydrogels avec raideur variable dans des Conditions sans Xeno

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

Utilisation de la tomographie calculée par rayons X micro avec préparation d'acide phosphotungstic pour visualiser le tissu fibromusculaire humain

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

Estimation de la pression assistée par sous-harmonique améliorée par contraste (SHAPE) à l’aide de l’imagerie par ultrasons en mettant l’accent sur l’identification de l’hypertension portale

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

Création de modèles cardiaques en silicone spécifiques au patient avec des applications dans les plans pré-chirurgicaux et la formation pratique

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 ...