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

Gli autori ringraziano Daniil Nikitichev e Steffi Mendes per i loro consigli sull'utilizzo di Meshmixer e Fernando Perez-Garcia per i suoi consigli sull'utilizzo di 3D Slicer e per averci fornito codice per automatizzare alcune delle fasi di elaborazione.
Questo lavoro è stato supportato da Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] e National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS] finanziamento. La TV è supportata da una cattedra di ricerca Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering [RCSRF1819\7\34].

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Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.

Questo protocollo descrive in dettaglio il processo di fabbricazione di un fantasma cerebrale specifico del paziente, che include il cranio, il cervello e il tumore dello schwannoma vestibolare. I metodi di stampa 3D hanno permesso di ottenere dettagli anatomicamente accurati. Il fantasma qui descritto è stato prodotto con successo con il livello desiderato di dettaglio anatomico; L'imaging TC ed ecografico sono stati utilizzati per dimostrare che il tumore è stato facilmente visualizzato con entrambe le modalità. Il materiale imitante tissutale, PVA-c, è ben consolidato come materiale che imita i tessuti per i fantasmi ultrasonici; le sue proprietà acustiche e meccaniche possono essere sintonizzate con additivi e il numero di cicli di congelamento-scongelamento. Il materiale è prontamente disponibile, semplice da usare e atossico. Con l'uso ripetuto, il fantasma aveva una durata sufficiente per resistere alla manipolazione e al contatto con una sonda ad ultrasuoni durante le simulazioni fisiche di chirurgia vestibolare di schwannoma.
Diversi passaggi chiave sono stati identificati come fondamentali per il processo di fabbricazione. In primo luogo, la segmentazione delle strutture per l'inclusione nel fantasma deve includere il livello desiderato di dettaglio anatomico. La creazione di file STL accurati e stampi 3D segue quindi naturalmente. In secondo luogo, il posizionamento dei piani all'interno dello stampo del cervelletto nel passaggio 3.1.9 deve essere considerato attentamente, in modo che il fantasma possa essere prontamente rimosso, senza danni; deve essere tagliato in pezzi sufficienti per consentire di mantenere i dettagli anatomici, consentendo al contempo di rimuovere il fantasma senza rimanere bloccato nello stampo. In questo caso, sono state testate diverse iterazioni e infine lo stampo è stato tagliato in quattro pezzi separati. La terza considerazione fondamentale è che durante il processo di produzione del PVA-c (sezione 4), il PVA-c deve essere lasciato raffreddare a temperatura ambiente (fase 4.1.6). Se questo passaggio viene perso e il PVA-c caldo viene aggiunto agli stampi, può causare la fusione o la distorsione degli stampi. È inoltre fondamentale che una volta aggiunte le sfere di vetro (passaggi da 5.1.2 a 5.1.4), il PVA-c non sia lasciato riposare per più di circa 10 minuti; se lasciate per un periodo di tempo prolungato, le sfere di vetro si depositeranno sul fondo e il fantasma risultante avrà un contrasto ecografico disomogeneo29. Una volta aggiunte le sfere di vetro, il PVA-c deve essere aggiunto direttamente negli stampi e posto nel congelatore. Dopo il primo ciclo di congelamento, le sfere di vetro verranno fissate nel luogo e il fantasma può essere utilizzato a temperatura ambiente. Infine, è importante che gli stampi siano accuratamente sigillati (ad esempio, con nastro adesivo) prima dell'aggiunta del PVA-c, per ridurre al minimo la perdita della miscela attraverso spazi vuoti in cui il pezzo separato dello stampo unito insieme.
Il protocollo ha diverse limitazioni. Ad esempio, sono necessarie alcune attrezzature specialistiche, tra cui un bagno d'acqua e un agitatore elettronico. Un sonicatore è anche usato come parte di questo protocollo, ma la fase di sonicazione (5.1.3) potrebbe essere sostituita con agitazione elettronica aggiuntiva; tuttavia, con questa alternativa, ci vorrebbe più tempo per ottenere una miscela omogenea di quanto sia possibile con l'uso della sonicazione. Una limitazione di PVA-c è che si degrada nel tempo e diventa ammuffisco. L'aggiunta di sorbato di potassio, come descritto qui, aumenta la durata di conservazione del fantasma, anche se deve ancora essere conservato in un contenitore ermetico. Una seconda limitazione di PVA-c è che sono necessari cicli di congelamento-disgelo, il che aumenta la quantità di tempo necessaria per creare un fantasma. Per ridurre al minimo il tempo di fabbricazione fantasma, una considerazione chiave è la velocità di congelamento e scongelamento; una volta che il fantasma è completamente congelato o completamente scongelato, il tempo in cui rimane in quello stato non influisce in modo significativo sul fantasmafinale 16,30. Pertanto, le lunghezze del ciclo utilizzate possono essere varie, a condizione che il fantasma sia completamente congelato e scongelato in ogni fase del ciclo. Per esempio, il tumore nel fantasma di questo studio è molto piccolo, quindi cicli più brevi potrebbero essere usati per il tumore che per il cervello. Infine, la stampa 3D degli stampi e del cranio è un processo che richiede molto tempo e consuma una parte significativa (3 giorni) del tempo totale (1 settimana) necessario per fabbricare un fantasma con questo protocollo. La stampante utilizzata è stata un modello commerciale del 2018; il processo di stampa potrebbe essere completato in tempi più brevi con l'uso di stampanti più nuove e veloci.
Il fantasma cerebrale qui presentato potrebbe essere utilizzato direttamente per l'allenamento clinico e la convalida dei sistemi di astigazione neuronale. Come materiale imitante tissutale, il PVA-c consente di utilizzare ripetutamente il fantasma risultante, ad esempio come strumento di allenamento o per la convalida di ultrasuoni intraoperatori nella chirurgia vestibolare schwannoma, in quanto è un materiale durevole e non tossico. Come tale, il metodo di fabbricazione è complementare a quelli precedentemente descritti in cui la stampa 3D è stata utilizzata per creare fantasmi cerebralispecifici del paziente 20,21,22,23,24,25. L'uso di PVA-c come TMM rende il fantasma adatto per l'uso nella simulazione della neurochirurgia, in quanto il materiale può resistere a ripetute manipolazioni manuali e contatto da una sonda ad ultrasuoni. Questo lavoro prepara le fasi di ulteriori studi quantitativi di convalida. Il metodo fantasma descritto qui è molto versatile e potrebbe essere usato per fabbricare molti tipi di fantasmi tumorali specifici del paziente, che si estendono dal cervello ad altri organi, con compatibilità attraverso diverse modalità di imaging.

I fantasmi che imitano le proprietà specifiche dei tessuti biologici sono una risorsa utile per varie applicazioni sperimentali e didattiche. I fantasmi che imitano i tessuti sono essenziali per caratterizzare i dispositivi medici prima del lorouso clinico 1,2 e i fantasmi anatomici sono frequentemente utilizzati nella formazione del personale medico in tutte lediscipline 3,4,5,6,7. I fantasmi anatomici specifici del paziente realizzati con adeguate proprietà di imitazione dei tessuti sono spesso una parte critica dell'ambiente di test e possono aumentare la fiducia dei medici che stanno imparando a utilizzare un nuovo dispositivo8. Tuttavia, gli elevati costi di produzione e i complessi processi di fabbricazione spesso impediscono l'uso di routine di fantasmi specifici del paziente. Qui, viene descritto un metodo per la produzione di un modello di tumore al cervello durevole e specifico del paziente utilizzando materiali commerciali prontamente disponibili, che possono essere utilizzati per l'allenamento e la convalida di ultrasuoni intraoperatori (US) utilizzando l'imaging computerizzato della tomografia (CT). Il fantasma descritto in questo studio è stato creato utilizzando i dati di un paziente con uno schwannoma vestibolare (un tumore benigno al cervello derivante da uno dei nervi dell'equilibrio che collegano il cervello e l'orecchio interno) che successivamente è stato sottoposto a chirurgia e resezione tumorale tramite una craniotomia suboccipitale retrosigmoide10. Il fantasma è stato sviluppato al fine di testare e convalidare un sistema di navigazione intraoperatoria integrato per l'uso durante questo tipo di chirurgia del tumore al cervello.
Per essere adatto a questa applicazione, il fantasma tumorale cerebrale deve possedere diverse proprietà chiave. In primo luogo, dovrebbe essere fatto di materiali non tossici, in modo che possa essere tranquillamente utilizzato in un ambiente di allenamento clinico. In secondo luogo, dovrebbe avere proprietà di imaging realistiche; per l'applicazione prevista, questi includono specificamente l'attenuazione degli ultrasuoni e il contrasto CT. In terzo luogo, dovrebbe avere proprietà meccaniche simili al tessuto umano in modo che possa essere maneggiato allo stesso modo. In quarto luogo, il fantasma dovrebbe essere basato su dati reali del paziente, in modo che sia anatomicamente accurato e possa essere utilizzato per la pianificazione chirurgica e l'allenamento. Infine, i materiali utilizzati devono essere durevoli, in modo che il fantasma possa essere utilizzato ripetutamente.
In generale, il materiale che imita i tessuti e il metodo di fabbricazione scelto per un fantasma dipende dall'applicazione prevista. Per strutture rigide come il cranio, la proprietà scelta non deve deformarsi o essere solubile in acqua e dovrebbe essere in grado di mantenere un livello accurato di dettaglio anatomico con uso ripetuto; questo è particolarmente importante quando si utilizza il fantasma per esperimenti in cui viene utilizzata la registrazione delle immagini e per scopi di simulazione chirurgica. I materiali a base di olio minerale come la cera gel sono stati promettenti per le applicazioni di imagingad ultrasuoni 9,11, 12 e fotoacustici13, tuttavia, quando sottoposti a ripetute deformazioni meccaniche diventano friabili, quindi non possono resistere all'uso prolungato, specialmente con strumenti neurochirurgia microchirurgici standard. L'agar e la gelatina sono materiali acquosi che sono anche comunemente usati come materiali che imitano i tessuti. Gli additivi necessari per regolare le proprietà acustiche di questi materiali sonoben noti 14, ma hanno una resistenza meccanica limitata e non sono particolarmente resistenti, quindi non sono adatti per questa applicazione, dove il fantasma deve essere maneggiato ripetutamente.
Il criogel di alcol polivinile (PVA-c) è una scelta popolare di materiale che imita i tessuti, perché le sue proprietà acustiche e meccaniche possono essere facilmente sintonizzate variando i suoi cicli di congelamento-scongelamento. È stato dimostrato che le proprietà del PVA-c sono simili a quelle dei tessuti molli15,16,17,18. I fantasmi cerebrali basati su PVA-c sono stati utilizzati con successo per gli ultrasuoni e l'imagingTC 19. Il materiale è abbastanza forte da essere usato ripetutamente, e ha un alto grado di elasticità, quindi il tessuto fantasma fatto di PVA-c può essere manipolato senza essere permanentemente deformato. L'acido polilattico (PLA) è un materiale rigido prontamente disponibile ed è stato utilizzato per produrre il cranio, tuttavia, un diverso materiale di stampa può essere utilizzato al posto del PLA, se ha proprietà meccaniche simili e non è solubile in acqua.
I fantasmi cerebrali in particolare sono stati fabbricati utilizzando diversi metodi, a seconda del livello di complessità richiesto e dei tessuti che devono esserereplicati 20,21,22,23. Di solito, viene utilizzato uno stampo e viene versato materiale liquido che imita i tessuti. Alcuni studi hanno utilizzato stampi commerciali24 mentre altri usano stampi personalizzati stampati in 3D di un cervello sano e simulano lesioni cerebrali impiantando sfere marcatori e cateteri gonfiabili19,25. Per quanto ne so, questo è il primo rapporto di un modello fantasma tumorale cerebrale specifico del paziente stampato in 3D creato con ultrasuoni che imitano i tessuti e proprietà a raggi X. La fabbricazione totale è visualizzata dal diagramma di flusso nella figura 1; il completamento dell'intero processo richiede circa una settimana.

<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

I fantasmi sono strumenti essenziali per l'allenamento clinico, la pianificazione chirurgica e lo sviluppo di nuovi dispositivi medici. Tuttavia, è difficile creare fantasmi della testa anatomicamente accurati con proprietà realistiche di imaging cerebrale perché i metodi di fabbricazione standard non sono ottimizzati per replicare alcun dettaglio anatomico specifico del paziente e i materiali di stampa 3D non sono ottimizzati per le proprietà di imaging. Al fine di testare e convalidare un nuovo sistema di navigazione da utilizzare durante la chirurgia del tumore al cervello, era necessario un fantasma anatomicamente accurato con immagini realistiche e proprietà meccaniche. Pertanto, un fantasma è stato sviluppato utilizzando i dati reali dei pazienti come input e stampa 3D di stampi per fabbricare un fantasma della testa specifico del paziente che comprende il cranio, il cervello e il tumore con ultrasuoni e contrasto a raggi X. Il fantasma aveva anche proprietà meccaniche che permettevano al tessuto fantasma di essere manipolato in modo simile al modo in cui il tessuto cerebrale umano viene gestito durante l'intervento chirurgico. Il fantasma è stato testato con successo durante una simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale.
Il metodo di fabbricazione fantasma utilizza materiali disponibili in commercio ed è facile da riprodurre. I file di stampa 3D possono essere facilmente condivisi e la tecnica può essere adattata per includere molti tipi diversi di tumore.

Seguendo il protocollo descritto, è stato fabbricato un fantasma anatomicamente realistico, che consiste in un cranio, un cervello e un tumore specifici del paziente. Le strutture anatomiche rilevanti per il fantasma (cranio, cervello, tumore) sono segmentate utilizzando i dati della risonanza e della TC del paziente (Figura 2a,b). I dati ecografici intraoperatori del paziente (Figura 2c; La figura 2d mostra la stessa immagine della Figura 2c, ma con il tumore delineato) è stata utilizzata per confrontare le immagini fantasma con le immagini reali del paziente.
Sono state create mesh per ogni pezzo del modello (Figura 3), che sono state poi utilizzate per produrre gli stampi 3D. Gli stampi erano facilmente stampabili su una stampante commerciale e assemblati infilando i pezzi insieme. Lo stampo del cervelletto era il più complesso da progettare e assemblare(Figura 4). Il cranio (Figura 5a) era la parte più difficile da stampare in quanto richiedeva materiale di supporto, quindi era un processo lento; l'intera stampa ha richiesto un totale di tre giorni per essere completata, il che è un fattore limitante nel protocollo.
Il fantasma completato (Figura 5) era un modello realistico di cranio, cervello e tumore di un paziente. I due emisferi cerebrali (Figura 5b) sono stati prodotti separatamente, e hanno un aspetto realistico, con il giro e il sulci del cervello. L'intero fantasma è di colore bianco, in quanto questo è il colore naturale di PVA-c; questo può essere facilmente modificato aggiungendo colorante ma non era necessario per l'applicazione. Il cervelletto (Figura 5c) si inserisce comodamente nella base del cranio stampato e l'emisfero cerebrale si trova sopra questo. Il tumore è facilmente visibile nel cervelletto, poiché il contrasto extra aggiunto al tumore si traduce in un colore bianco troppo bianco che lo separa dal materiale circostante, a cui è saldamente attaccato.
Il fantasma è stato immaginato sia con TC che con ultrasuoni(Figura 6a,b). Il solfato di bario è stato usato per dare al tumore un adeguato contrasto CT, e l'immagine fantasma (Figura 6a) mostra che questo è stato raggiunto, poiché il tumore è chiaramente visualizzato. Il cranio non è stato stampato con tamponamento al 100%, al fine di ridurre i tempi di stampa. Pertanto, il cranio non sembra del tutto realistico nelle immagini CT, perché la struttura reticolare della stampa può essere vista. Questo non è un problema per l'applicazione, poiché è necessario solo il contorno del cranio per il sistema di astigazione neuronale. Il cranio potrebbe essere stampato con tamponamento al 100% per evitare questa ridotta precisione dell'immagine CT, ma aggiungerebbe tempo al processo di stampa. Microsfere di vetro sono state aggiunte al cervelletto, agli emisferi cerebrali e al tumore per il contrasto ecografico. I risultati mostrano che il tumore è visibile anche con l'imaging ad ultrasuoni (Figura 6b) e può essere distinto dal tessuto circostante. Durante l'ispezione visiva, le immagini ad ultrasuoni ottenute dal fantasma (Figura 6b) e quelle ottenute dal paziente (Figura 2c) mostrano che gli agenti di contrasto utilizzati nel fantasma erano efficaci per creare proprietà di imaging realistiche.
Il fantasma è stato testato durante la simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale (Figura 7). Il modello fantasma è stato posizionato sul tavolo operatorio chirurgico utilizzando un morsetto crano standard e la TAC del fantasma è stata registrata utilizzando un sistema clinico di rimozione neuronale. È stato simulato un approccio retrosigmoide al tumore e il tumore è stato immaginato utilizzando un sistema di ultrasuoni clinici con un trasduttore ad ultrasuoni a buca di bava. Durante la simulazione chirurgica, il modello fantasma si dimostrò stabile e non fu osservato alcun danno dalla manipolazione del fantasma nello stesso modo in cui il cervello umano sarebbe stato durante questa procedura, quindi poteva essere usato ripetutamente nelle stesse condizioni.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Figura 1: Diagramma di flusso per mostrare i passaggi necessari per rendere fantasma il cervello PVA-c specifico di un paziente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Figura 2: Dati del paziente utilizzati per creare un modello fantasma. Fonti di dati di un paziente con uno schwannoma vestibolare lato sinistro: ( a )risonanzaprima del peso T1 potenziata dal contrasto assiale, freccia bianca rivolta verso il tumore; (b)TAC assiale senza contrasto finestra per evidenziare ossa, freccia bianca rivolta verso un meato uditivo interno espanso causato dal tumore; cimmagine ecograficaintraoperatoria ottenuta durante l'intervento vestibolare di schwannoma; (d) immagine ecografica intraoperatoria <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> annotata: tumore (iperecoico sugli ultrasuoni), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : cervello (cervelletto). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Figura 3: Mesh completate per ogni sezione del fantasma. Rete STL per cranio (a,b), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmoidea laterale sinistra; (c,d) emisferi cerebrali; (e,f) tumore e cervelletto, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumore. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Figura 4: Stampo cerebellum stampato in 3D. Stampo cerebellum stampato in 3D completamente costruito (in alto a sinistra) e i pezzi separati, che sono numerati da 1 a 4. Il foro nel pezzo 2 (indicato da 'H') consente di versare il PVA-c nello stampo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Figura 5: Fantasma completato. Il fantasma finito (a) teschio (b) fantasma con la parte superiore del cranio rimossa: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmoide, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumore, cervello <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cervelletto), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> cervello (emisfero cerebrale destro); (e) cervelletto e tumore: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumore, cervello <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cervelletto). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Figura 6: Immagini CT ed ecografiche acquisite con il fantasma. ( a ) Immagine TCassialedel fantasma completo attraverso il livello della base cranica e del tumore, ( b )Immagine ecograficaintraoperatoria del fantasma acquisita con sonda ad ultrasuoni del buco della bava attraverso la craniotomia retrosigmoide in un piano approssimativamente perpendicolare al cranio (Simulando l'intervento chirurgico, il cervelletto è stato leggermente retratto per immagine direttamente sul tumore). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: tumore, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> cervello (cervelletto), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmoide dalla parte sinistra. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Figura 7: Test del fantasma durante la simulazione chirurgica. Test del modello fantasma attraverso la simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: sistema di neuronavigation che mostra la scansione registrata del modello fantasma CT: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> sistema ad ultrasuoni utilizzato per l'immagine del fantasma con un trasduttore ad ultrasuoni a foro di bava (visto posizionato accanto al monitor ad ultrasuoni). Si noti che il modello qui raffigurato si basa sui dati acquisiti da diversi pazienti con un tumore sul lato destro. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>

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

Fabbricazione fantasma di alcol polivinile specifico per il paziente con ultrasuoni e contrasto a raggi X per la pianificazione della chirurgia del tumore al cervello

Questo protocollo descrive la fabbricazione di un paziente specifico del cranio, del cervello e del tumore fantasma. Utilizza la stampa 3D per creare stampi e l'alcol polivinilico (PVA-c) viene utilizzato come materiale imitante tissutale.

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

I modelli phantom sono strumenti importanti, ma è difficile renderli anatomicamente accurati. Questo protocollo utilizza TC ed ultrasuoni per creare un fantasma specifico del paziente che include un tumore. Utilizziamo complessi modelli eterogenei e stampa 3D per ottenere un alto grado di realismo anatomico.I fantasmi cerebrali specifici del paziente sono molto utili in quanto consentono la pianificazione chirurgica e l'allenamento clinico e consentono ai chirurghi di praticare nuove tecniche e testare nuovi strumenti e hardware. Dopo aver ottenuto la risonanza prima del contrasto potenziata con T1 e i dati CT volumetrici, caricare le immagini in un programma software di modellazione 3D e utilizzare lo strumento plain cut per dividere la segmentazione cerebrale in due emisferi. Salvare ogni emisfero come file STL cerebrali separati a destra e a sinistra e importare i file in un programma software di progettazione adatto al computer.Nel workspace mesh, utilizzate la funzione reduce per ridurre il più possibile le dimensioni di ogni modello in modo che possa essere gestito dal programma pur mantenendo tutti i dettagli necessari. Nel workspace solido, utilizzate lo strumento Mesh in BRep per convertire la mesh importata in un corpo che può essere manipolato. Fare clic su crea e selezionare per disegnare una casella intorno al tumore, ruotando la vista per assicurarsi che la scatola racchiuda completamente il tumore su tutti i lati.Nel menu a discesa dell'operazione designare la casella come nuovo corpo. Fare clic sulla scheda Modifica e utilizzare lo strumento combina per tagliare il tumore dalla scatola per creare una scatola con una forma cava del tumore al suo interno. Per creare piani attraverso la casella nei punti in cui verrà tagliato lo stampo, fate clic su costrutto e piano intermedio per creare un piano attraverso il centro della scatola.Fate clic con il pulsante destro del mouse sul piano intermedio e selezionate il piano di offset per posizionare il piano in modo più preciso. Nella scheda Modifica (Modify), utilizzate la funzione split body per dividere lo stampo lungo i piani creati e fate clic su Crea cerchio di sketch e diametro centrale per aggiungere piccoli rivetti circolari alla faccia di ogni pezzo dello stampo. Fate clic con il pulsante destro del mouse per estrudere i cerchi verso l'esterno di alcuni millimetri su una faccia ed estruderli verso l'interno sulla faccia corrispondente.Quindi salvare ogni pezzo dello stampo come file STL separato. Per stampare gli stampi cerebrali e tumorali 3D, per una stampa più veloce, selezionare un'altezza dello strato di circa 0,2 millimetri e un basso valore di riempimento del 20% nel software di stampa 3D. Se gli stampi sono posizionati in modo appropriato sulla piastra di base, i materiali di supporto non dovrebbero essere necessari.Stampare gli stampi utilizzando un materiale rigido come l'acido polilattico. Prima di stampare lo stampo del teschio, selezionare Aggiungi supporto nel software per utilizzare PVA come materiale di supporto. Per preparare il PVA per i modelli, riscaldare 1.800 grammi di acqua deionizzata a 90 gradi Celsius in un pallone conico da due litri e misurare 200 grammi di polvere di PVA.Posizionare un agitatore elettronico nel pallone, facendo attenzione che non tocchi il fondo o i lati. Imposta la velocità su 1.500 giri al minuto. Aggiungere la polvere di PVA al pallone per un periodo di circa 30 minuti.Una volta aggiunto tutto il PVA, mescolare la soluzione per altri 90 minuti. Quando è stato ottenuto un gel appiccicoso, rimuovere il pallone dal bagno d'acqua e coprire la parte superiore con un involucro di plastica per evitare la formazione di una pelle sopra il materiale. Una volta raffreddato, il PVA apparirà trasparente.Versalo in un becher. Si possono osservare minuscoli cristalli bianchi, ma eventuali bolle sulla superficie devono essere delicatamente raschiate via. Quindi aggiungere lo 0,5% di sorbato di potassio al PVA come conservante e mescolare accuratamente la soluzione.Per preparare i fantasmi, misurare abbastanza PVA da riempire lo stampo tumorale in un becher e versare il resto in un becher separato. Per preparare il PVA per il tumore, aggiungere l'1% di microsfere di vetro per il contrasto ecografico e il 5% di solfato di bario per il contrasto a raggi X con il primo becher. Mescolare la soluzione risultante a mano.Sonicare il becher per garantire la miscelazione omogenea degli additivi e lasciare raffreddare la soluzione per circa 10 minuti, rimuovendo eventuali bolle raschiando se necessario. Fissare lo stampo tumorale insieme e versare il PVA attraverso il foro nella parte superiore dello stampo. Lasciare riposare il PVA per alcuni minuti per consentire a eventuali bolle formate nel processo di versamento di fuoriuscire attraverso il foro, prima di posizionare lo stampo in un congelatore meno 20 gradi Celsius.Dopo sei ore, scongelare lo stampo per sei ore a temperatura ambiente. Ripetere il ciclo di congelamento-scongelamento di 12 ore, quindi rimuovere con cura lo stampo dal modello. Crea i modelli del cervelletto e dell'emisfero cerebrale negli stampi appropriati come appena dimostrato.Dopo il secondo ciclo di congelamento-scongelamento per ogni pezzo del modello fantasma, rimuovere con cura i modelli dagli stampi e posizionare il fantasma tumorale del cervelletto sul picco alla base del modello inferiore del cranio. Posizionare i due emisferi cerebrali nella parte superiore del pezzo tumorale del cervelletto e posizionare i quattro tasselli in ogni spazio sul modello inferiore del cranio. Quindi posiziona il modello superiore del cranio in cima.Se necessario, il modello può essere manovrato nella posizione desiderata per simulare il suo uso intraoperatorio in chirurgia. Seguendo il protocollo come dimostrato, è possibile fabbricare un fantasma anatomicamente realistico costituito da un cranio, un cervello e un tumore specifici del paziente. Le strutture anatomiche rilevanti per il fantasma sono segmentate utilizzando i dati della risonanza e della TC del paziente.Le mesh possono quindi essere create per ogni pezzo del modello per produrre gli stampi 3D come dimostrato. Lo stampo del cervelletto è il più complesso da progettare e assemblare. Il cranio è la parte più difficile da stampare in quanto richiede materiale di supporto.Il fantasma completato offre un modello realistico del cranio, del cervello e del tumore del paziente. I due emisferi cerebrali sono prodotti separatamente e hanno un aspetto realistico con il giro e il sulci del cervello. Il cervelletto si inserisce comodamente nella base del cranio stampato e gli emisferi cerebrali si trovano sopra questa struttura.Il tumore è facilmente visibile nel cervelletto in quanto il contrasto extra aggiunto al tumore si traduce in un colore bianco troppo bianco che lo separa dal materiale circostante a cui è attaccato. Il tumore può essere visualizzato nel fantasma sia con la TAC che con l'imaging ad ultrasuoni. I dati ecografico intraoperatori del paziente possono quindi essere utilizzati per confrontare le immagini fantasma con le immagini reali del paziente.Quando create gli stampi, prestare particolare attenzione alla posizione dei tagli per assicurarsi che il fantasma possa essere rimosso quando si è solidificato. Creando un fantasma cerebrale specifico del paziente, siamo stati in grado di testare un nuovo sistema di navigazione neurale che può anche essere usato per addestrare i neurochirurgia nell'uso degli ultrasuoni intraoperatori.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Mezzo di contrasto ecografico mirato trattamento dei gliomi nei topi tramite Drug-Bearing consegna delle nanoparticelle e ablazione microvascolari

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

Ricerca

Bioingegneria

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

Piccole e Wide Angle X-Ray Scattering Studi di macromolecole biologiche in soluzione

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

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

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

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Cultura di cellule staminali pluripotenti umane il polivinil alcool-Co-itaconico acido idrogel con diverse rigidità nelle circostanze senza Xeno

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

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