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
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著者らは、3Dスライサーの使用に関するアドバイスと、処理手順の一部を自動化するためのコードを提供してくれたMeshmixerとフェルナンド・ペレス・ガルシアのアドバイスに対するダニエル・ニキティチェフとステフィ・メンデスに感謝する。
この作品はウェルカム・トラスト[203145Z/16/Z;203148/Z/16/Z;によってサポートされました。WT106882],EPSRC [NS/A000050/1;NS/A000049/1]、MRC[MC_PC_17180]とナショナルブレインアピール[NBA / NSG/SBS]の資金調達。テレビはメドトロニック社/王立工学アカデミー研究委員長[RCSRF1819\7\34]によってサポートされています。

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著者は宣言する利害の対立を持っていません。

このプロトコルは、頭蓋骨、脳、および前庭シュワンノマ腫瘍を含む患者固有の脳ファントムの製造プロセスを詳述する。3D印刷方法により、解剖学的に正確なディテールを実現できます。ここで説明したファントムは、解剖学的詳細の所望のレベルで正常に製造されました。CTおよび超音波画像診断は、腫瘍が両方のモダリティで容易に視覚化されることを実証するために使用された。組織模倣材料、PVA-cは、超音波ファントムのための組織模倣材料として十分に確立されています。その音響および機械的特性は添加物および凍結融解周期の数と調整することができる。材料は容易に利用でき、使用し易く、無毒である。繰り返し使用すると、ファントムは前庭シュワンノマ手術の物理的シミュレーション中に操作と超音波プローブとの接触に耐えるのに十分な耐久性を有していた。
いくつかの重要なステップは、製造プロセスにとって重要であると特定されました。まず、ファントムに含まれる構造のセグメンテーションは、解剖学的詳細の所望のレベルを含まなければならない。正確なSTLファイルと3D金型の作成は自然に従います。第二に、ステップ3.1.9の小脳型内の平面の位置を慎重に考慮する必要があります。解剖学的なディテールを保持するのに十分な部分にカットする必要があり、鋳型に詰まりることなくファントムを取り除くようにする必要があります。この場合、いくつかの反復がテストされ、最終的に金型が4つの別々の部分に切断されました。3番目の重要な考慮事項は、PVA-c製造プロセス(セクション4)の間に、PVA-cを室温まで冷却する必要があるということです(ステップ4.1.6)。このステップが見逃され、ホット PVA-c が金型に追加されると、金型が溶融したり歪んだりする可能性があります。ガラス球体が追加されると(ステップ5.1.2 - 5.1.4)、PVA-cは約10分以上座るために残されないことも重要です。長期間放置すると、ガラス球は底面に落ち着き、得られた幻影は不均一な超音波コントラスト29を有する。ガラス球体を追加したら、PVA-cを金型に直接追加して冷凍庫に入れなければなりません。最初の凍結サイクルの後、ガラス球は場所に固定され、幻影は室温で使用することができる。最後に、PVA-cを追加する前に、鋳型を慎重に密閉(例えばテープで)、金型の別々の部分が結合した隙間を通して混合物の漏れを最小限に抑えることが重要です。
プロトコルには、いくつかの制限があります。例えば、水浴や電子撹拌機など、いくつかの専門機器が必要です。超音波処理器もこのプロトコルの一部として使用されますが、超音波処理ステップ(5.1.3)は、追加の電子攪拌に置き換えることができます。しかし、この代替では、超音波処理を使用して可能であるよりも均質な混合物を達成するために時間がかかります。PVA-cの1つの制限は、時間の経過とともに劣化し、カビになることです。ここで説明したように、ソルビン酸カリウムの添加は、ファントムの貯蔵寿命を増加させますが、それでも気密容器に保管する必要があります。PVA-cの第2の制限は、凍結融解サイクルが必要であり、ファントムを作るのに必要な時間が長くなることである。ファントムの製作時間を最小限に抑えるために、重要な考慮事項は凍結と解凍の速度です。ファントムが完全に凍結または完全に解凍されると、その状態に残る時間は最終的なファントム16、30に大きな影響を与えません。したがって、使用されるサイクル長は、ファントムがサイクルの各段階で完全に凍結および解凍されることを知れば、変化させることができる。例えば、この研究の幻影の腫瘍は非常に小さいので、脳よりも腫瘍に短いサイクルを使用することができます。最後に、金型と頭蓋骨を3Dプリントすることは、このプロトコルでファントムを製造するために必要な合計時間(1週間)のかなりの部分(3日)を消費する時間のかかるプロセスです。使用したプリンターは2018年の商用モデルでした。印刷プロセスは、より新しい高速プリンタを使用して、より短い時間枠で完了することができます。
ここで提示された脳ファントムは、臨床トレーニングと神経ナビゲーションシステムの検証に直接使用することができます。組織模倣材料として、PVA-cは、結果として得られた幻影を繰り返し使用することを可能にし、例えば、トレーニングツールとして、または前庭シュワンノマ手術における術中超音波の検証のために、耐久性があり、非毒性の材料である。このように、製造方法は、患者固有の脳ファントム20、21、22、23、24、25を作成するために3Dプリンティングを使用した以前に説明したものと相補的である。TMMとしてのPVA-cの使用は、材料が超音波プローブからの繰り返し手動操作および接触に耐えることができるので、脳神経外科のシミュレーションで使用するのに適したファントムを作る。この研究は、さらなる定量的検証研究の段階を設定します。ここで説明するファントム法は非常に汎用性が高く、脳から他の器官まで、いくつかのイメージングモダリティに適合する多くのタイプの患者特異的腫瘍ファントムを作製するために使用することができる。

生物組織の特定の特性を模倣するファントムは、様々な実験および教育用途に有用なリソースです。組織模倣ファントムは、臨床使用前に医療機器を特徴付けるために不可欠である1、2および解剖学的ファントムは、すべての分野で医療スタッフのトレーニングに頻繁に使用される3,4,5,6,7.適切な組織模倣特性を有する患者特異的解剖学的ファントムは、しばしば試験環境の重要な部分であり、新しい装置8を使用することを学んでいる臨床医の信頼を高めることができる。しかし、高い製造コストと複雑な製造プロセスは、多くの場合、患者固有のファントムの日常的な使用を妨げる。ここで、コンピュータ断層撮影(CT)画像を用いて術中超音波(US)のトレーニングおよび検証に使用できる、容易に入手可能な、市販材料を用いて、耐久性のある患者特異的脳腫瘍モデルを製造するための方法が記載されている。本研究で説明した幻影は、前庭シュワノマ(脳と内耳をつなぐバランス神経の1つから生じる良性脳腫瘍)を有する患者からのデータを用いて作成され、その後、後眼科下頭骨頭切除術10を介して手術および腫瘍切除を受けた。このファントムは、このタイプの脳腫瘍手術中に使用するための統合された術中ナビゲーションシステムをテストし、検証するために開発されました。
このアプリケーションに適するためには、脳腫瘍ファントムは、いくつかの重要な特性を有する必要があります。まず、非毒性物質で作られているので、臨床トレーニング環境で安全に使用できます。第二に、それは現実的なイメージングプロパティを持っている必要があります。意図された適用のために、これらは具体的に超音波減衰およびCTコントラストを含む。第三に、それは同じように扱うことができるように、人間の組織と同様の機械的特性を有するべきである。第4に、幻影は、それが解剖学的に正確であり、外科計画および訓練のために使用することができるように、実際の患者データに基づいているべきである。最後に、使用される材料は、ファントムを繰り返し使用できるように、耐久性がなければなりません。
一般に、幻影のために選ばれる組織模倣材料および製造方法は、意図された用途に依存する。頭蓋骨のような剛性構造の場合、選択された特性は変形したり水溶性であってはなりませんし、繰り返し使用して解剖学的詳細の正確なレベルを維持することができるはずです。これは、画像登録を使用する実験や手術シミュレーションの目的でファントムを使用する場合に特に重要です。ゲルワックスなどの鉱物油系材料は、超音波9、11、12および光音響13イメージング用途に有望であったが、繰り返し機械的変形を施すと、それらは取り外れ可能になるため、特に標準的なマイクロ外科脳神経外科器具では、延長使用に耐えられない。寒天とゼラチンは、組織を模倣する材料としても一般的に使用される水性材料です。これらの材料の音響特性を調整するために必要な添加剤は、よく知られている14は、彼らは限られた機械的強度を有し、特に耐久性がないので、ファントムを繰り返し処理する必要があるこのアプリケーションには適していません。
ポリビニルアルコールクライオゲル(PVA-c)は、その音響および機械的特性は、その凍結融解サイクルを変化させることによって容易に調整することができるので、組織模倣材料の一般的な選択である。PVA-cの特性は、軟組織15、16、17、18の特性と類似していることが示されている。PVA-cベースの脳ファントムは、超音波およびCTイメージング19のために正常に使用されている。材料は繰り返し使用できるほど強く、高い弾性を有するため、PVA-cで作られた幻影組織は永久に変形することなく操作できます。ポリ乳酸(PLA)は、容易に入手可能な硬質材料であり、頭蓋骨の製造に使用されたが、異なる印刷材料は、PLAの代わりに使用することができるが、それは同様の機械的特性を有し、水溶性でない場合。
特に脳ファントムは、必要な複雑さのレベルと複製する必要がある組織に応じて、異なる方法で製造されています20,21,22,23.通常、金型が使用され、液体組織模倣材料が注がれます。いくつかの研究は、健康な脳の3Dプリントカスタム金型を使用しながら、市販の金型24を使用し、マーカー球とインフレータブルカテーテル19、25を埋め込んで脳の病変をシミュレートしています。著者の知る限りでは、これは組織模倣超音波およびX線特性で作成された3Dプリントされた患者固有の脳腫瘍ファントムモデルの最初のレポートです。全体の製造は図 1のフローチャートによって視覚化されます。全体のプロセスが完了するまでに約1週間かかります。

<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

幻影は臨床訓練、外科計画および新しい医療機器の開発のための必須の用具である。しかし、標準的な製造方法は患者固有の解剖学的詳細を複製するように最適化されておらず、3Dプリンティング材料はイメージング特性に最適化されていないため、現実的な脳イメージング特性を持つ解剖学的に正確なヘッドファントムを作成することは困難です。脳腫瘍手術中に使用する新しいナビゲーションシステムをテストおよび検証するためには、現実的なイメージングと機械的特性を持つ解剖学的に正確なファントムが必要でした。したがって、実際の患者データを入力として開発し、カビの3Dプリンティングを行い、超音波とX線のコントラストの両方を持つ頭蓋骨、脳および腫瘍を含む患者固有の頭部ファントムを製造しました。ファントムはまた、手術中に人間の脳組織を処理する方法と同様の方法でファントム組織を操作することを可能にする機械的特性を有していた。幻影はバーチャル手術室の外科シミュレーションの間に正常にテストされた。
ファントム製作方法は、市販の材料を使用し、再現が容易です。3D印刷ファイルは容易に共有することができ、技術は多くの異なるタイプの腫瘍を包含するように適応することができる。

記載されたプロトコルに従って、解剖学的に現実的な幻影を作製し、これは患者固有の頭蓋骨、脳および腫瘍からなる。ファントム(頭蓋骨、脳、腫瘍)に関連する解剖学的構造は、患者MRIおよびCTデータを使用してセグメント化される(図2a,b)。患者の手術中超音波データ(図2c;図2dは図2cと同じ画像を示すが、腫瘍を輪郭を描いた)を用いて、実際の患者画像とファントム画像を比較した。
メッシュはモデルの各部分(図3)に対して作成され、3D金型の製造に使用されました。金型は簡単に印刷印刷し、一緒にピースをスロッティングして組み立てました。小脳型は、設計と組み立てが最も複雑でした(図4)。頭蓋骨(図5a)は、サポート材料を必要とするため、印刷するのが最も困難な部分であったため、プロセスが遅かった。全体の印刷は、プロトコルの制限要因である、完了するまでに合計3日かかりました。
完成した幻影(図5)は、患者の頭蓋骨、脳および腫瘍の現実的なモデルであった。2つの脳半球(図5b)は別々に作製され、脳のジャイリとスルチを特徴とする現実的な外観を持っています。PVA-cの自然な色であるため、ファントム全体が白色です。これは、染料を加えることで簡単に変更できますが、アプリケーションには必要ありませんでした。小脳(図5c)は、印刷された頭蓋骨の基部に快適に収まり、脳半球がこの上に座っています。腫瘍は小脳で容易に見えるが、腫瘍に追加された余分なコントラストは、それがしっかりと付着している周囲の材料からそれを分離するオフホワイト色になる。
幻影は、CTと超音波の両方で画像化された(図6a,b)。硫酸バリウムを用いて腫瘍に適切なCTコントラストを与え、かつ幻影画像(図6a)は、腫瘍が明確に可視化されるように、これが達成されたことを示している。頭蓋骨は、印刷にかかる時間を短縮するために、100%の面材で印刷されませんでした。したがって、印刷物の格子構造が見られるため、頭蓋骨はCT画像では完全に現実的には見えません。これは、神経ナビゲーションシステムに必要なのは頭蓋骨の輪郭だけであるため、アプリケーションにとって問題ではありません。頭蓋骨は、CT画像のこの低下した精度を避けるために100%の面材で印刷することができますが、印刷プロセスに時間を追加します。ガラス微小球は、超音波コントラストのために小脳、脳半球および腫瘍に加えられた。結果は、腫瘍が超音波画像検査(図6b)でも視見可能であり、周囲の組織と区別できることを示している。目視検査では、ファントム(図6b)から得られた超音波画像と患者から得られた画像(図2c)は、幻影に使用される造影剤が現実的な画像特性を作り出すために有効であったことを示している。
仮想手術室での手術シミュレーション中に、ファントムを試験した(図7)。ファントムモデルは、標準的な頭蓋骨クランプを使用して手術用手術台に配置され、幻影のCTスキャンは臨床神経ナビゲーションシステムを使用して登録された。腫瘍へのレトロシグモイドアプローチをシミュレートし、腫瘍はバリ穴超音波トランスデューサーを備えた臨床超音波システムを使用して画像化された。手術シミュレーション中、幻影モデルは安定していることが判明し、この処置中と同じように人間の脳を操作しても損傷は認められず、同じ条件下で繰り返し使用することができました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> 図1:患者固有のPVA-c脳ファントムを作るために必要なステップを示すフローチャート。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> 図2:ファントムモデルの作成に使用される患者データ左辺前庭シュワンノマを有する患者のデータソース:(a ) 軸コントラスト強化T1加重MRI, 腫瘍を指す白い矢印;(b) 腫瘍によって引き起こされる拡大された内部聴覚肉に向かって指し示す骨、白い矢印を強調するために窓付き軸方向の非対照CTスキャン;(c)前庭シュワンノマ手術中に得られた術中超音波画像;(d) アトンセト術中超音波画像 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 腫瘍 (超音波上の過周症), : 脳 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (小脳). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> 図3:ファントムの各セクションのメッシュが完成しました。STL メッシュ(a,b)頭蓋骨, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : 左辺のレトロシグモイド頭蓋切り出し術;(c,d) 大脳半球;(e, f) 腫瘍と小脳, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 腫瘍. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> 図4:3Dプリント小脳型。3Dプリント小脳金型は完全に構築された(左上)と1から4に番号が付いている別々の部分、ピース2の穴(Hで示される)はPVA-cを型に注ぎ込むのを可能にする。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> 図5:ファントムが完成しました。完成したファントム(a)頭蓋骨(b)頭蓋骨の上を取り除いたファントム: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : : 腫瘍 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> 、 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> 脳(小脳)、 <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> 脳(右脳半球);(c)小脳と腫瘍: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> 腫瘍、 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> 脳(小脳)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> 図6:幻影で取得したCTおよび超音波画像。(a)頭蓋骨の基部および腫瘍のレベルを通して完全な幻影の軸方向CT画像、(b)頭蓋骨に対して垂直な面で、後眼頭蓋開裂術を通してバリ穴超音波プローブを介して取得した幻影の術中超音波画像(手術をシミュレートし、小脳を腫瘍に直接画像化するためにわずかに引き込んだ)。<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">:腫瘍、 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> 脳(小脳 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> )、左面のレトロシグモイド開頭術。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> 図7:手術シミュレーション中にファントムを試験する。仮想手術室での手術シミュレーションを通じてファントムモデルをテストする。 <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">:CTファントムモデルの登録スキャンを表示するニューロナビゲーションシステム <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> 、:バリ穴超音波トランスデューサ(超音波モニターの隣に配置されている見られる)でファントムを画像化するために使用される超音波システム。ここに示すモデルは、右側の腫瘍を持つ異なる患者から取得したデータに基づいていることに注意してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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

超音波による患者特異的ポリビニルアルコールファントム作製法とX線コントラストによる脳腫瘍手術計画

このプロトコルは、患者固有の頭蓋骨、脳および腫瘍ファントムの製造について説明する。3Dプリンティングを使用して金型を作成し、ポリビニルアルコール(PVA-c)を組織模倣材料として使用しています。

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

ファントムモデルは重要なツールですが、解剖学的に正確にするのは難しいです。このプロトコルは、腫瘍を含む患者固有のファントムを作成するためにCTおよび超音波を使用する。我々は、解剖学的リアリズムの高度を達成するために、複雑な異種モデルと3Dプリンティングを使用しています。患者固有の脳ファントムは、外科的計画と臨床訓練を可能にし、外科医が新しい技術を練習し、新しい器具およびハードウェアをテストすることを可能にするので、非常に有用である。術前コントラスト強化 T1 加重 MRI および体積 CT データを取得した後、画像を 3D モデリング ソフトウェア プログラムにロードし、プレーン カット ツールを使用して脳のセグメンテーションを 2 つの半球に分割します。各半球を別々の右脳と左脳STLファイルとして保存し、適切なコンピュータ支援設計ソフトウェアプログラムにファイルをインポートします。メッシュ ワークスペースで、reduce 関数を使用して各モデルのサイズをできるだけ小さくし、必要な詳細をすべて保持したままプログラムで処理できるようにします。ソリッド ワークスペースで、メッシュを使用して BRep ツールを使用し、インポートしたメッシュを操作可能なボディに変換します。[作成] と [ボックス] をクリックして、腫瘍の周囲にボックスを描画し、ビューを回転して、ボックスがすべての側面の腫瘍を完全に囲むよう確認します。操作ドロップダウンメニューで、ボックスを新しいボディとして指定します。[修正]タブをクリックし、結合ツールを使用してボックスから腫瘍を切り取り、内部の腫瘍の中の中空の形状を持つボックスを作成します。金型をカットする場所でボックスを通して平面を作成するには、[構築]および[中平面]をクリックして、ボックスの中心を通る平面を作成します。ミッドプレーンを右クリックし、オフセット平面を選択して、平面をより正確に配置します。[修正]タブで、分割ボディ機能を使用して作成した平面に沿って金型を分割し、[スケッチと中心直径円を作成]をクリックして、金型の各面に小さな円形のリベットを追加します。右クリックすると、1 つの面で数ミリメートル外側に円を押し出し、対応する面上で内側に押し出します。次に、金型の各部分を個別の STL ファイルとして保存します。3D脳および腫瘍の金型を印刷するには、より高速な印刷のために、3D印刷ソフトウェアで約0.2ミリメートルの大きな層の高さと20%の低い面材値を選択します。金型がベースプレート上に適切に配置されている場合、支持材料は必要ありません。ポリ乳酸などの硬質材料を使用して金型を印刷します。スカルモールドを印刷する前に、ソフトウェアでサポートを追加して、サポート材料として PVA を使用するように選択します。モデルのためにPVAを準備するために、2リットルの円錐形フラスコで摂氏90度に脱イオン水の1、800グラムを加熱し、PVA粉末の200グラムを測定します。フラスコに電子スターラーを置き、底部や側面に触れないように注意してください。速度を毎分1,500回転に設定します。約30分間にわたってフラスコにPVA粉末を加えます。PVAをすべて追加したら、さらに90分間溶液をかき混ぜます。粘着性のゲルが得られたら、水浴からフラスコを取り出し、上部をラップで覆い、材料の上に皮膚が形成されるのを防ぎます。冷却すると、PVAは透明に見えます。ビーカーに注ぎます。小さな白い結晶が観察されるかもしれませんが、表面上の気泡は穏やかに削り取らなければなりません。その後、防腐剤として0.5%ソルベートカリウムをPVAに加え、溶液を徹底的に攪拌します。ファントムを準備するには、腫瘍モールドをビーカーに充填するのに十分なPVAを測定し、残りを別のビーカーに注ぎます。腫瘍のためにPVAを準備するには、超音波対比のために1%ガラス微小球を加え、第1ビーカーとX線コントラストに対して5%硫酸バリウムを加える。得られた溶液を手でかき混ぜます。ビーカーを超音波処理して、添加剤の均質な混合を確保し、溶液を約10分間冷却し、必要に応じて擦り傷して気泡を除去します。腫瘍のカビを一緒に固定し、型の上部の穴からPVAを注ぎます。PVAが数分間休み、注ぐプロセスで形成された気泡が穴から抜け出せるようにしてから、金型をマイナス20度の冷凍庫に入れます。6時間後、室温で6時間、金型を解凍します。12 時間のフリーズ解凍サイクルを繰り返し、モデルから金型を慎重に取り外します。ちょうど実証したように、適切な金型で小脳と脳半球モデルを作成します。各ファントムモデルピースの2回目の凍結融解サイクルの後、金型からモデルを慎重に取り除き、小脳腫瘍ファントムを頭蓋骨底面モデルの基部のスパイクに置きます。2つの脳半球を小脳腫瘍片の最上部に配置し、頭蓋骨底モデルの各空間に4つのダボを配置します。その後、頭蓋骨のトップモデルを上に置きます。必要に応じて、モデルは、手術におけるその術中の使用をシミュレートするために所望の位置に操縦することができる。実証されたプロトコルに従って、患者固有の頭蓋骨、脳、および腫瘍からなる解剖学的に現実的な幻影を作製することができる。ファントムの関連解剖構造は患者MRIおよびCTデータを使用してセグメント化される。モデルの各部分にメッシュを作成し、実演したように 3D 金型を製造できます。小脳型は設計し、組み立てる最も複雑である。頭蓋骨は、サポート材料を必要とするため、印刷するのが最も困難な部分です。完成した幻影は患者の頭蓋骨、脳および腫瘍の現実的なモデルを提供する。2つの脳半球は別々に生産され、脳のジャイリとスルチを特徴とする現実的な外観を持っています。小脳は、印刷された頭蓋骨の基部に快適にフィットし、脳半球はこの構造の上に座っています。腫瘍は小脳で容易に見えるため、腫瘍に追加された余分なコントラストは、それが取り付けられている周囲の材料から分離するオフホワイト色になります。腫瘍は、CTおよび超音波画像診断の両方で幻影で視覚化することができる。患者の術中超音波データは、実際の患者画像と幻像を比較するために使用することができる。金型を作成する場合は、切削の位置に特に注意を払い、ファントムが固まったときに取り除くことができるようにしてください。患者固有の脳ファントムを作成することにより、術中超音波を使用して神経外科医を訓練するためにも使用できる新しい神経ナビゲーションシステムをテストすることができました。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

コントラストの超音波は、薬剤ベアリングナノ粒子デリバリーと微小血管アブレーションを経由してマウスの神経膠腫の治療を対象と

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溶液中の生体高分子の小型·広角X線散乱による研究

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 ...

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

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

低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

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

対話型、患者固有のモデルを用いた脳深部刺激療法の神経繊維の管を対象と

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