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

Die Autoren danken Daniil Nikitichev und Steffi Mendes für ihren Rat zur Verwendung von Meshmixer und Fernando Perez-Garcia für seinen Rat zur Verwendung von 3D Slicer und für die Bereitstellung von Code, um einige der Verarbeitungsschritte zu automatisieren.
Diese Arbeit wurde von Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] und National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS]- Finanzierung. TV wird von einem Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair unterstützt [RCSRF1819, 7,34].

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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.

Dieses Protokoll beschreibt den Herstellungsprozess eines patientenspezifischen Gehirn-Phantoms, das den Schädel-, Hirn- und vestibulären Schwannomtumor umfasst. 3D-Druckverfahren ermöglichten anatomisch genaue Details. Das hier beschriebene Phantom wurde erfolgreich mit dem gewünschten Maß an anatomischen Details hergestellt; CT und Ultraschall-Bildgebung wurden verwendet, um zu zeigen, dass der Tumor leicht mit beiden Modalitäten zu visualisieren war. Das Gewebe imitierendes Material, PVA-c, ist als gewebeimitierendes Material für Ultraschall-Phantome etabliert; seine akustischen und mechanischen Eigenschaften können mit Additiven und der Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen abgestimmt werden. Das Material ist leicht verfügbar, einfach zu bedienen und ungiftig. Bei wiederholtem Gebrauch hatte das Phantom eine ausreichende Haltbarkeit, um Manipulationen und Kontakt mit einer Ultraschallsonde während physikalischer Simulationen vestibulärer Schwannomoperationen standzuhalten.
Mehrere wichtige Schritte wurden als entscheidend für den Herstellungsprozess identifiziert. Erstens muss die Segmentierung von Strukturen für die Aufnahme in das Phantom die gewünschte Ebene anatomischer Details enthalten. Die Erstellung von genauen STL-Dateien und 3D-Formen folgt dann natürlich. Zweitens muss die Positionierung von Ebenen innerhalb der Kleinhirnform in Schritt 3.1.9 sorgfältig geprüft werden, damit das Phantom ohne Beschädigung leicht entfernt werden kann; es muss in genügend Stücke geschnitten werden, damit anatomische Details beibehalten werden können, während das Phantom entfernt werden kann, ohne in der Form stecken zu bleiben. In diesem Fall wurden mehrere Iterationen getestet und schließlich die Form in vier separate Stücke geschnitten. Der dritte wichtige Aspekt ist, dass während des PVA-c-Herstellungsprozesses (Abschnitt 4) der PVA-c auf Raumtemperatur abgekühlt werden muss (Schritt 4.1.6). Wenn dieser Schritt verpasst wird und heißes PVA-c zu den Formen hinzugefügt wird, kann dies dazu führen, dass die Formen schmelzen oder verzerren. Es ist auch wichtig, dass, sobald die Glaskugeln hinzugefügt werden (Schritte 5.1.2 – 5.1.4), die PVA-c nicht für mehr als etwa 10 Minuten sitzen gelassen wird; Wenn für einen längeren Zeitraum verlassen, werden die Glaskugeln nach unten absetzen, und das resultierende Phantom wird inhomogenen Ultraschallkontrast29haben. Sobald die Glaskugeln zugegeben sind, muss der PVA-c direkt in die Formen eingebracht und in den Gefrierschrank gelegt werden. Nach dem ersten Gefrierzyklus werden die Glaskugeln an der Stelle gesichert, und das Phantom kann bei Raumtemperatur verwendet werden. Schließlich ist es wichtig, dass die Formen sorgfältig versiegelt werden (z.B. mit Klebeband), bevor die PVA-c hinzugefügt wird, um Leckagen des Gemisches durch Lücken zu minimieren, in denen das separate Stück der Form zusammengefügt ist.
Das Protokoll hat mehrere Einschränkungen. Zum Beispiel ist eine spezielle Ausrüstung erforderlich, darunter ein Wasserbad und ein elektronischer Rührer. Ein Beschallungsgerät wird auch als Teil dieses Protokolls verwendet, aber der Beschallungsschritt (5.1.3) könnte durch zusätzliches elektronisches Rühren ersetzt werden; Mit dieser Alternative würde es jedoch länger dauern, eine homogene Mischung zu erreichen, als dies bei der Beschallung möglich ist. Eine Einschränkung von PVA-c ist, dass es im Laufe der Zeit abgebaut und verschimmelt. Die Zugabe von Kaliumsorbat, wie hier beschrieben, erhöht die Haltbarkeit des Phantoms, obwohl es noch in einem luftdichten Behälter aufbewahrt werden muss. Eine zweite Einschränkung von PVA-c ist, dass Gefrier-Tau-Zyklen erforderlich sind, was die Zeit erhöht, die benötigt wird, um ein Phantom zu machen. Um die Phantomfertigungszeit zu minimieren, ist die Geschwindigkeit des Einfrierens und Auftauens eine wichtige Überlegung; Sobald das Phantom vollständig eingefroren oder vollständig aufgetaut ist, hat die Zeit, zu der es in diesem Zustand verbleibt, keinen signifikanten Einfluss auf das letzte Phantom16,30. Daher können die verwendeten Zykluslängen variiert werden, vorausgesetzt, dass das Phantom in jeder Phase des Zyklus vollständig eingefroren und aufgetaut ist. Zum Beispiel ist der Tumor im Phantom dieser Studie sehr klein, so dass kürzere Zyklen für den Tumor als für das Gehirn verwendet werden könnten. Schließlich ist der 3D-Druck der Formen und des Schädels ein zeitaufwändiger Prozess, der einen erheblichen Teil (3 Tage) der Gesamtzeit (1 Woche) verbraucht, die erforderlich ist, um ein Phantom mit diesem Protokoll herzustellen. Der verwendete Drucker war ab 2018 ein kommerzielles Modell; Der Druckvorgang konnte in kürzeren Zeitrahmen mit neueren, schnelleren Druckern abgeschlossen werden.
Das hier vorgestellte Hirn-Phantom könnte direkt für das klinische Training und die Validierung von Neuronavigationssystemen verwendet werden. Als Gewebenachmischmaterial ermöglicht PVA-c den wiederholten Einsatz des resultierenden Phantoms, beispielsweise als Trainingswerkzeug oder zur Validierung des intraoperativen Ultraschalls in der vestibulären Schwannomchirurgie, da es sich um ein haltbares und ungiftiges Material handelt. Daher ist die Herstellungsmethode komplementär zu den zuvor beschriebenen, in denen 3D-Druck verwendet wurde, um patientenspezifische Gehirnphantome20,21,22,23,24,25zu erstellen. Der Einsatz von PVA-c als TMM macht das Phantom für die Simulation der Neurochirurgie geeignet, da das Material wiederholten manuellen Manipulationen und Kontakten durch eine Ultraschallsonde standhält. Diese Arbeit schafft die Voraussetzungen für weitere quantitative Validierungsstudien. Die hier beschriebene Phantommethode ist sehr vielseitig und könnte verwendet werden, um viele Arten von patientenspezifischen Tumor-Phantomen herzustellen, die sich vom Gehirn bis zu anderen Organen erstrecken und über mehrere bildgebende Modalitäten hinweg kompatibel sind.

Phantome, die die spezifischen Eigenschaften biologischer Gewebe imitieren, sind eine nützliche Ressource für verschiedene experimentelle und lehrbringende Anwendungen. Gewebe-imitierende Phantome sind wichtig, um medizinische Geräte vor ihrer klinischen Anwendung zu charakterisieren1,2 und anatomische Phantome werden häufig in der Ausbildung von medizinischem Personal in allen Disziplinen3,4,5,6,7verwendet. Patientenspezifische anatomische Phantome mit entsprechenden gewebeimitierenden Eigenschaften sind oft ein kritischer Teil der Testumgebung und können das Vertrauen von Ärzten erhöhen, die lernen, ein neues Gerät zu verwenden8. Hohe Herstellungskosten und komplexe Fertigungsprozesse schließen jedoch häufig den routinemäßigen Einsatz patientenspezifischer Phantome aus. Hier wird ein Verfahren zur Herstellung eines langlebigen, patientenspezifischen Hirntumormodells mit leicht verfügbaren, kommerziellen Materialien beschrieben, die zur Ausbildung und Validierung von intraoperativem Ultraschall (US) mittels Computertomographie (CT) verwendet werden können. Das in dieser Studie beschriebene Phantom wurde anhand von Daten eines Patienten mit einem vestibulären Schwannom (einem gutartigen Hirntumor, der aus einem der Gleichgewichtsnerven hervorgeht, der das Gehirn mit dem Innenohr verbindet) erstellt, der sich anschließend einer Operation und Tumorresektion über eine retrosigmoide subkokipitale Kraniotomie10unterzog. Das Phantom wurde entwickelt, um ein integriertes intraoperatives Navigationssystem für den Einsatz bei dieser Art von Hirntumorchirurgie zu testen und zu validieren.
Um für diese Anwendung geeignet zu sein, muss das Hirntumor-Phantom mehrere Schlüsseleigenschaften besitzen. Erstens sollte es aus ungiftigen Materialien hergestellt werden, damit es sicher in einer klinischen Trainingsumgebung verwendet werden kann. Zweitens sollte es realistische bildgebende Eigenschaften haben; für die vorgesehene Anwendung umfassen diese speziell Ultraschalldämpfung und CT-Kontrast. Drittens sollte es ähnliche mechanische Eigenschaften wie menschliches Gewebe haben, so dass es auf die gleiche Weise behandelt werden kann. Viertens sollte das Phantom auf echten Patientendaten basieren, so dass es anatomisch genau ist und für die chirurgische Planung und Ausbildung verwendet werden kann. Schließlich müssen die verwendeten Materialien haltbar sein, damit das Phantom wiederholt verwendet werden kann.
Im Allgemeinen hängt das gewebeimittierte Material und die für ein Phantom gewählte Herstellungsmethode von der beabsichtigten Anwendung ab. Bei starren Strukturen wie dem Schädel sollte sich die gewählte Eigenschaft nicht verformen oder wasserlöslich machen und bei wiederholter Verwendung ein genaues Maß an anatomischen Detaillierungsgraden beibehalten können; Dies ist besonders wichtig, wenn das Phantom für Experimente verwendet wird, bei denen die Bildregistrierung verwendet wird, und für chirurgische Simulationszwecke. Mineralöl-basierte Materialien wie Gelwachs waren vielversprechend für Ultraschall9,11,12 und photoakustische13 bildgebende Anwendungen, jedoch, wenn sie wiederholten mechanischen Verformungen ausgesetzt werden sie friable, so kann nicht widerstehen längere Verwendung, vor allem mit Standard-mikrochirurgischen neurochirurgischen Instrumente. Agar und Gelatine sind wässrige Materialien, die auch häufig als gewebeimitende Materialien verwendet werden. Die Additive, die benötigt werden, um die akustischen Eigenschaften dieser Materialien einzustellen, sind bekannt14, aber sie haben eine begrenzte mechanische Festigkeit und sind nicht besonders langlebig, so sind nicht geeignet für diese Anwendung, wo das Phantom muss wiederholt behandelt werden.
Polyvinylalkohol-Kryogel (PVA-c) ist eine beliebte Wahl von gewebemimickenden Materialien, da seine akustischen und mechanischen Eigenschaften leicht durch Variation seiner Gefrier-Tau-Zyklen gestimmt werden können. Es hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften von PVA-c denen von Weichgeweben15,16,17,18ähneln. PVA-c-basierte Hirnphantome wurden erfolgreich für Ultraschall und CT-Bildgebung19eingesetzt. Das Material ist stark genug, um wiederholt verwendet zu werden, und es hat einen hohen Grad an Elastizität, so dass Phantomgewebe aus PVA-c manipuliert werden kann, ohne dauerhaft verformt zu werden. Polymilchsäure (PLA) ist ein leicht erhältliches starres Material und wurde zur Herstellung des Schädels verwendet, jedoch kann ein anderes Druckmaterial anstelle von PLA verwendet werden, wenn es ähnliche mechanische Eigenschaften hat und nicht wasserlöslich ist.
Insbesondere Gehirn-Phantome wurden mit unterschiedlichen Methoden hergestellt, abhängig von der erforderlichen Komplexität und den Geweben, die repliziert werden müssen20,21,22,23. In der Regel wird eine Form verwendet, und flüssiges Gewebe-imitierendes Material in sie gegossen. Einige Studien haben kommerzielle Formen24 verwendet, während andere 3D-gedruckte benutzerdefinierte Formen eines gesunden Gehirns verwenden, und simulieren Gehirnläsionen durch implantieren Markerkugeln und aufblasbare Katheter19,25. Nach bestem Wissen des Autors ist dies der erste Bericht eines 3D-gedruckten patientenspezifischen Hirntumor-Phantommodells, das mit gewebemimicisierendem Ultraschall und Röntgeneigenschaften erstellt wurde. Die gesamte Fertigung wird durch das Flussdiagramm in Abbildung 1visualisiert; der gesamte Prozess dauert etwa eine Woche.

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

Phantome sind wesentliche Werkzeuge für die klinische Ausbildung, chirurgische Planung und die Entwicklung neuartiger Medizinprodukte. Es ist jedoch schwierig, anatomisch genaue Kopf-Phantome mit realistischen Bildgebungseigenschaften des Gehirns zu erstellen, da Standard-Fertigungsmethoden nicht für die Replikation patientenspezifischer anatomischer Details optimiert sind und 3D-Druckmaterialien nicht für bildgebende Eigenschaften optimiert sind. Um ein neuartiges Navigationssystem für den Einsatz in der Hirntumorchirurgie zu testen und zu validieren, war ein anatomisch genaues Phantom mit realistischer Bildgebung und mechanischen Eigenschaften erforderlich. Daher wurde ein Phantom mit echten Patientendaten als Input und 3D-Druck von Formen entwickelt, um ein patientenspezifisches Kopf-Phantom zu fertigen, das Schädel, Gehirn und Tumor mit Ultraschall und Röntgenkontrast umfasst. Das Phantom hatte auch mechanische Eigenschaften, die es ermöglichten, das Phantomgewebe in ähnlicher Weise wie menschliches Gehirngewebe während der Operation zu manipulieren. Das Phantom wurde erfolgreich in einer chirurgischen Simulation in einem virtuellen Operationssaal getestet.
Die Phantomherstellungsmethode verwendet handelsübliche Materialien und ist leicht zu reproduzieren. Die 3D-Druckdateien können leicht geteilt werden, und die Technik kann angepasst werden, um viele verschiedene Arten von Tumor enummieren.

Nach dem beschriebenen Protokoll wurde ein anatomisch realistisches Phantom hergestellt, das aus einem patientenspezifischen Schädel, Gehirn und Tumor besteht. Die relevanten anatomischen Strukturen für das Phantom (Schädel, Gehirn, Tumor) werden anhand von Patienten-MRT- und CT-Daten segmentiert (Abbildung 2a,b). Die intraoperativen Ultraschalldaten des Patienten (Abbildung 2c; Abbildung 2d zeigt das gleiche Bild wie Abbildung 2c, aber mit dem skizzierten Tumor) wurde verwendet, um die Phantombilder mit den echten Patientenbildern zu vergleichen.
Für jedes Stück des Modells wurden Netze erstellt (Abbildung 3), die dann zur Herstellung der 3D-Formen verwendet wurden. Die Formen wurden einfach auf einen Akzidenzdrucker gedruckt und durch Zusammenschlitzen der Teile zusammengebaut. Die Kleinhirnform war die komplexeste zu entwerfen und zu montieren (Abbildung 4). Der Schädel (Abbildung 5a) war der schwierigste Teil zu drucken, da es Unterstützungmaterial erforderte, so war ein langsamer Prozess; Der gesamte Druck dauerte insgesamt drei Tage, was ein einschränkender Faktor im Protokoll ist.
Das fertige Phantom (Abbildung 5) war ein realistisches Modell eines Patienten Schädel, Gehirn und Tumor. Die beiden Gehirnhälften (Abbildung 5b) wurden getrennt produziert und haben ein realistisches Aussehen, mit dem Gyri und Sulci des Gehirns. Das ganze Phantom ist weiß in der Farbe, da dies die natürliche Farbe von PVA-c ist; dies kann leicht durch Hinzufügen von Farbstoff geändert werden, war aber nicht für die Anwendung notwendig. Das Kleinhirn (Abbildung 5c) passt bequem in die Basis des bedruckten Schädels und die Gehirnhälften sitzen obendrauf. Der Tumor ist im Kleinhirn gut sichtbar, da der zusätzliche Kontrast, der dem Tumor zugesetzt wird, dazu führt, dass es sich um eine weiße Farbe handelt, die ihn vom umgebenden Material trennt, an dem er sicher befestigt ist.
Das Phantom wurde sowohl mit CT als auch mit Ultraschall abgebildet (Abbildung 6a,b). Bariumsulfat wurde verwendet, um dem Tumor einen geeigneten CT-Kontrast zu geben, und das Phantombild (Abbildung 6a) zeigt, dass dies erreicht wurde, da der Tumor klar visualisiert ist. Der Schädel wurde nicht mit 100% Füllung gedruckt, um die Druckzeit zu reduzieren. Daher sieht der Schädel in den CT-Bildern nicht ganz realistisch aus, da die Gitterstruktur des Drucks zu sehen ist. Dies ist kein Problem für die Anwendung, da nur die Umrisse des Schädels für das Neuronavigationssystem benötigt werden. Der Schädel könnte mit 100% Füllung gedruckt werden, um diese reduzierte Genauigkeit des CT-Bildes zu vermeiden, würde aber Zeit für den Druckprozess hinzufügen. Glasmikrosphären wurden dem Kleinhirn, Gehirnhälften und Tumor für Ultraschallkontrast hinzugefügt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Tumor auch mit Ultraschallbildgebung sichtbar ist (Abbildung 6b) und vom umgebenden Gewebe unterschieden werden kann. Bei der visuellen Untersuchung zeigen die Ultraschallbilder, die aus dem Phantom gewonnen wurden (Abbildung 6b), und die vom Patienten erhaltenen (Abbildung 2c) zeigten, dass die im Phantom verwendeten Kontrastmittel wirksam zur Schaffung realistischer bildgebender Eigenschaften waren.
Das Phantom wurde während der chirurgischen Simulation in einem virtuellen Operationssaal getestet (Abbildung 7). Das Phantommodell wurde mit einer Standard-Schädelklemme auf dem Operationstisch positioniert und der CT-Scan des Phantoms wurde mit einem klinischen Neuronavigationssystem registriert. Ein retrosigmoider Ansatz für den Tumor wurde simuliert und der Tumor wurde mit einem klinischen Ultraschallsystem mit einem Gratloch-Ultraschallwandler abgebildet. Während der chirurgischen Simulation erwies sich das Phantommodell als stabil und es wurden keine Schäden durch die Manipulation des Phantoms in der gleichen Weise beobachtet, wie es das menschliche Gehirn während dieses Verfahrens sein würde, so dass es wiederholt unter den gleichen Bedingungen verwendet werden konnte.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Abbildung 1: Flussdiagramm, um die Schritte zu zeigen, die erforderlich sind, um ein patientenspezifisches PVA-c-Gehirnphantom zu machen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Abbildung 2: Patientendaten, die zum Erstellen eines Phantommodells verwendet werden. Datenquellen eines Patienten mit einem linksseitigen vestibulären Schwannom: (a) axial kontrastverstärktes T1-gewichtetes MRT, weißer Pfeil, der auf einen Tumor zeigt; (b) axialer, kontrastreicher CT-Scan, der zur Hervorhebung des Knochens, des weißen Pfeils, der auf einen durch den Tumor verursachten erweiterten internen Auditfleisch zeigt; (c) intraoperatives Ultraschallbild, das während der vestibulären Schwannomoperation gewonnen wird; (d) kommentiertes intraoperatives Ultraschallbild <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : Tumor (hyperechoisch auf Ultraschall), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : Gehirn (Kleinhirn). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Abbildung 3: Abgeschlossene Netze für jeden Abschnitt des Phantoms. STL Mesh für (a,b) Schädel, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : linksseitige retrosigmoide Kraniotomie; (c,d) zerebrale Hemisphären; (e,f) Tumor und Kleinhirn, <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">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Abbildung 4: 3D-gedruckte Kleinhirnform. 3D gedruckte Kleinhirnform komplett konstruiert (oben links) und die einzelnen Teile, die von 1 bis 4 nummeriert sind. Das Loch in Stück 2 (bezeichnet durch 'H') ermöglicht das Eingießen des PVA-c in die Form. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Abbildung 5: Abgeschlossenes Phantom. Das fertige Phantom (ein) Schädel (b) Phantom mit Schädel oben entfernt: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : retrosigmoide Kraniotomie, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : Tumor, Gehirn <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (Kleinhirn), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> Gehirn (rechte zerebrale Hemisphäre); (c) Kleinhirn und Tumor: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> Tumor, Gehirn <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (Kleinhirn). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Abbildung 6: CT- und Ultraschallbilder, die mit dem Phantom aufgenommen wurden. (a) Axiales CT-Bild des vollständigen Phantoms durch die Höhe der Schädelbasis und des Tumors, (b) Intraoperatives Ultraschallbild des Phantoms, das mit der Bohrloch-Ultraschallsonde durch die retrosigmoide Kraniotomie in einer Ebene etwa senkrecht zum Schädel aufgenommen wurde (Simulating surgery, the ceiming surgery, the cerebellum was retracted slightly in to image directly on the tumor). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: Tumor, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> Gehirn (Kleinhirn), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : linksseitige retrosigmoide Kraniotomie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Abbildung 7: Testen des Phantoms während der chirurgischen Simulation. Testen des Phantommodells durch chirurgische Simulation in einem virtuellen Operationssaal. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: Neuronavigationssystem mit dem registrierten Scan des CT-Phantommodells, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> : Ultraschallsystem zur Abbildung des Phantoms mit einem Gratloch-Ultraschallwandler (gesehen neben dem Ultraschallmonitor). Beachten Sie, dass das hier abgebildete Modell auf Daten basiert, die von verschiedenen Patienten mit einem rechtsseitigen Tumor erfasst wurden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

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

Patientenspezifische Polyvinylalkohol-Phantomfertigung mit Ultraschall- und Röntgenkontrast für die Planung von Hirntumorchirurgie

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung eines patientenspezifischen Schädel-, Hirn- und Tumor-Phantoms. Es verwendet 3D-Druck, um Formen zu erstellen, und Polyvinylalkohol (PVA-c) wird als Gewebe-Imitierenmaterial verwendet.

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

Phantommodelle sind wichtige Werkzeuge, aber es ist eine Herausforderung, sie anatomisch genau zu machen. Dieses Protokoll verwendet CT und Ultraschall, um ein patientenspezifisches Phantom zu erstellen, das einen Tumor enthält. Wir verwenden komplexe heterogene Modelle und 3D-Druck, um einen hohen Grad an atomaren Realismus zu erreichen.Patientenspezifische Hirnphantome sind sehr nützlich, da sie eine chirurgische Planung und klinische Ausbildung ermöglichen und es Chirurgen ermöglichen, neue Techniken zu praktizieren und neue Instrumente und Hardware zu testen. Nach Dem Erhalt präoperativer kontrastverstärkter T1-gewichteter MRT- und volumetrischer CT-Daten laden Sie die Bilder in ein 3D-Modellierungssoftwareprogramm und verwenden Sie das einfache Schnittwerkzeug, um die Gehirnsegmentierung in zwei Hemisphären aufzuteilen. Speichern Sie jede Hemisphäre als separate Rechts- und links gehirnsTl-Dateien und importieren Sie die Dateien in ein entsprechendes computergestütztes Design-Softwareprogramm.Verwenden Sie im Netzarbeitsbereich die Funktion "Reduzieren", um die Größe jedes Modells so weit wie möglich zu verringern, sodass es vom Programm verarbeitet werden kann, wobei alle erforderlichen Details beibehalten werden. Verwenden Sie im Volumenkörperarbeitsbereich das Werkzeug Netz zu BRep, um das importierte Netz in einen Körper zu konvertieren, der bearbeitet werden kann. Klicken Sie auf Erstellen und Feld, um ein Feld um den Tumor zu zeichnen, drehen Sie die Ansicht, um sicherzustellen, dass die Box den Tumor vollständig auf allen Seiten umschließt.Legen Sie im Menü "Vorgangs-Dropdown" das Feld als neuen Körper fest. Klicken Sie auf die Registerkarte Ändern und verwenden Sie das Kombinationswerkzeug, um den Tumor aus der Box zu schneiden, um eine Box mit einer hohlen Form des Tumors darin zu erstellen. Um Ebenen durch das Feld an den Stellen zu erstellen, an denen die Form geschnitten wird, klicken Sie auf Konstrukt und Mittelebene, um eine Ebene durch die Mitte des Felds zu erstellen.Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Mittelebene, und wählen Sie die Offsetebene aus, um die Ebene genauer zu positionieren. Verwenden Sie unter der Registerkarte Ändern die Funktion "Geteilter Körper", um die Form entlang der erstellten Ebenen zu teilen, und klicken Sie auf Skizze und Kreis mit mittlerem Durchmesser erstellen, um kleine kreisförmige Nieten zur Fläche jedes Teils der Form hinzuzufügen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, um die Kreise ein paar Millimeter auf einer Fläche nach außen zu extrudieren und sie auf der entsprechenden Fläche nach innen zu extrudieren.Speichern Sie dann jedes Stück der Form als separate STL-Datei. Um die 3D-Gehirn- und Tumorformen zu drucken, wählen Sie für ein schnelleres Drucken eine große Schichthöhe von etwa 0,2 Millimetern und einen niedrigen Füllwert von 20 % in der 3D-Drucksoftware aus. Wenn die Formen angemessen auf der Grundplatte positioniert sind, sollten Stützmaterialien nicht erforderlich sein.Drucken Sie die Formen mit einem starren Material wie Polymilchsäure. Bevor Sie die Schädelform drucken, wählen Sie Unterstützung in der Software hinzufügen, um PVA als Stützmaterial zu verwenden. Um die PVA für die Modelle vorzubereiten, erhitzen Sie 1, 800 Gramm entionisiertes Wasser auf 90 Grad Celsius in einem Zweiliter-Konuskolben und messen Sie 200 Gramm PVA-Pulver.Positionieren Sie einen elektronischen Rührer in den Kolben und achten Sie darauf, dass er die Unterseite oder die Seiten nicht berührt. Stellen Sie die Geschwindigkeit auf 1.500 Umdrehungen pro Minute ein. Fügen Sie das PVA-Pulver über einen Zeitraum von etwa 30 Minuten in den Kolben.Wenn die gesamte PVA hinzugefügt wurde, rühren Sie die Lösung für weitere 90 Minuten. Wenn ein klebriges Gel erhalten wurde, entfernen Sie den Kolben aus dem Wasserbad und bedecken Sie die Oberseite mit Plastikfolie, um die Bildung einer Haut auf dem Material zu verhindern. Sobald die PVA abgekühlt ist, erscheint sie transparent.Gießen Sie es in ein Becherglas. Winzige weiße Kristalle können beobachtet werden, aber alle Blasen auf der Oberfläche müssen sanft abgekratzt werden. Dann 0,5% Kaliumsorbat in die PVA als Konservierungsmittel geben und die Lösung gründlich rühren.Um die Phantome vorzubereiten, messen Sie genug PVA, um die Tumorform in ein Becherglas zu füllen und den Rest in ein separates Becherglas zu gießen. Um die PVA für den Tumor vorzubereiten, fügen Sie 1%Glas-Mikrosphären für Ultraschallkontrast und 5% Bariumsulfat für Röntgenkontrast zum ersten Becher hinzu. Rühren Sie die resultierende Lösung von Hand.Beschallen Sie den Becher, um eine homogene Mischung der Additive zu gewährleisten und die Lösung für etwa 10 Minuten abkühlen zu lassen, wodurch Blasen durch Abkratzen bei Bedarf entfernt werden. Sichern Sie die Tumorform zusammen und gießen Sie die PVA durch das Loch in der Oberseite der Form. Lassen Sie die PVA für ein paar Minuten ruhen, damit alle Blasen, die sich im Gießprozess bilden, durch das Loch entweichen können, bevor Sie die Form in einen Gefrierschrank von minus 20 Grad Celsius legen.Nach sechs Stunden die Form sechs Stunden bei Raumtemperatur auftauen. Wiederholen Sie den 12-stündigen Frost-Tau-Zyklus, und entfernen Sie dann vorsichtig die Form aus dem Modell. Erstellen Sie die Kleinhirn- und Gehirnhälftenmodelle in den entsprechenden Formen, wie gerade gezeigt.Nach dem zweiten Freeze-Tau-Zyklus für jedes Phantommodellstück, entfernen Sie vorsichtig die Modelle aus den Formen und legen Sie das Kleinhirntumor Phantom auf der Spitze an der Basis des Schädelbodenmodells. Legen Sie die beiden Gehirnhälften in den obersten Teil des Kleinhirntumorstücks und legen Sie die vier Dübel in jedem Raum auf das Schädelbodenmodell. Dann legen Sie den Schädel Top-Modell auf die Oberseite.Bei Bedarf kann das Modell in die gewünschte Position manövriert werden, um seine intraoperative Anwendung in der Chirurgie zu simulieren. Nach dem Protokoll, wie gezeigt, kann ein anatomisch realistisches Phantom hergestellt werden, das aus einem patientenspezifischen Schädel, Gehirn und Tumor besteht. Die relevanten anatomischen Strukturen für das Phantom werden anhand von Patienten-MRT- und CT-Daten segmentiert.Für jedes Stück des Modells können dann Netze erstellt werden, um die 3D-Formen wie gezeigt herzustellen. Die Kleinhirnform ist die komplexeste zu entwerfen und zu montieren. Der Schädel ist der schwierigste Teil zu drucken, da es Unterstützungsmaterial erfordert.Das fertige Phantom bietet ein realistisches Modell des Schädels, des Gehirns und des Tumors des Patienten. Die beiden Gehirnhälften werden getrennt produziert und haben ein realistisches Aussehen mit dem Gyri und Sulci des Gehirns. Das Kleinhirn passt bequem in die Basis des bedruckten Schädels und die Gehirnhälften sitzen auf dieser Struktur.Der Tumor ist im Kleinhirn gut sichtbar, da der zusätzliche Kontrast, der dem Tumor zugesetzt wird, zu einer nicht-weißen Farbe führt, die ihn vom umgebenden Material trennt, an dem er befestigt ist. Der Tumor kann im Phantom sowohl mit CT- als auch mit Ultraschall-Bildgebung visualisiert werden. Die intraoperativen Ultraschalldaten des Patienten können dann verwendet werden, um die Phantombilder mit den realen Patientenbildern zu vergleichen.Achten Sie bei der Erstellung der Formen besonders auf die Position der Schnitte, um sicherzustellen, dass das Phantom entfernt werden kann, wenn es sich verfestigt hat. Durch die Erstellung eines patientenspezifischen Gehirn-Phantoms konnten wir ein neuartiges neuronales Navigationssystem testen, das auch zur Schulung von Neurochirurgen in der Verwendung von intraoperativem Ultraschall verwendet werden kann.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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Biotechnik

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