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

저자는 3D 슬라이서를 사용하고 처리 단계의 일부를 자동화하는 코드를 제공하기위한 메쉬 믹서와 페르난도 페레즈 가르시아를 사용하여 자신의 조언에 대한 다니일 니키티체프와 스테피 멘데스에게 감사드립니다.
이 작품은 웰컴 트러스트 [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] 및 국가 뇌 호소 [NBA / NSG / SBS] 자금. TV는 메드트로닉 Inc/로얄 아카데미 오브 엔지니어링 연구 위원장 [RCSRF1819\7\34]에 의해 지원됩니다.

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저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

이 프로토콜은 두개골, 뇌 및 전정 슈완노마 종양을 포함하는 환자 특정 뇌 팬텀의 제조 과정을 자세히 설명합니다. 해부학적으로 정확한 세부 사항을 달성할 수 있는 3D 프린팅 방법. 여기에 설명된 팬텀은 해부학적 세부 사항의 원하는 수준으로 성공적으로 제조되었다; CT와 초음파 화상 진찰은 종양이 두 양식으로 쉽게 시각화되었다는 것을 보여주기 위하여 이용되었습니다. 조직을 모방하는 물질인 PVA-c는 초음파 팬텀을 위한 조직 모방 물질로 잘 확립되어 있습니다. 음향 및 기계적 특성은 첨가제와 동결 해동 사이클의 수로 조정할 수 있습니다. 재료는 쉽게 사용할 수 있습니다, 사용하기 간단하고 무독성. 반복된 사용으로, 유령은 전정 슈완노마 수술의 물리적 시뮬레이션 중에 조작과 초음파 프로브와의 접촉을 견딜 수있는 충분한 내구성을 가지고 있었다.
몇 가지 주요 단계는 제조 공정에 중요한 것으로 확인되었습니다. 첫째, 유령에 포함하기 위한 구조의 세분화에는 해부학적 세부 사항의 원하는 수준을 포함해야 한다. 정확한 STL 파일과 3D 금형의 생성은 자연스럽게 따릅니다. 둘째, 3.1.9 단계에서 소뇌 금형 내의 비행기 의 위치는 신중하게 고려되어야하므로 팬텀을 손상없이 쉽게 제거 할 수 있습니다. 해부학적 세부 사항을 유지하도록 충분한 조각으로 잘라야 하며, 금형에 갇히지 않고 팬텀을 제거할 수 있어야 합니다. 이 경우 여러 번의 반복을 테스트하고 마침내 금형을 4개의 별도 조각으로 절단했습니다. 세 번째 주요 고려 사항은 PVA-c 제조 공정(섹션 4) 동안 PVA-c를 실온(4.1.6단계)으로 식히도록 남겨두어야 한다는 것입니다. 이 단계를 놓치고 핫 PVA-c가 금형에 추가되면 금형이 녹거나 왜곡될 수 있습니다. 유리 구가 추가되면 (단계 5.1.2 – 5.1.4) PVA-c는 약 10 분 이상 앉아 있지 않는 것이 중요합니다. 장기간 방치하면 유리 구가 바닥에 정착하고, 그 결과 팬텀은 불균일한 초음파대조(29)를갖게 된다. 유리 구가 추가되면 PVA-c를 금형에 직접 추가하고 냉동실에 넣어야 합니다. 첫 번째 동결 주기 후 유리 구는 제자리에 고정되고 팬텀을 실온에서 사용할 수 있습니다. 마지막으로, PVA-c를 첨가하기 전에 금형을 신중하게 밀봉(예: 테이프로)하는 것이 중요하며, 금형의 분리된 조각이 결합된 틈새를 통해 혼합물의 누출을 최소화하는 것이 중요하다.
프로토콜에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 예를 들어 수조와 전자 교반기 등 일부 전문 장비가 필요합니다. 초음파 처리기는 또한이 프로토콜의 일부로 사용되지만 초음파 처리 단계 (5.1.3)는 추가 전자 교반으로 대체 될 수 있습니다. 그러나, 이 대안으로, 초음파 처리의 사용과 함께 가능한 것보다 균일 한 혼합물을 달성하는 데 시간이 오래 걸릴 것입니다. PVA-c의 한 가지 제한은 시간이 지남에 따라 저하되고 곰팡이가 된다는 것입니다. 여기에 설명된 바와 같이 소르바테 칼륨을 첨가하면 여전히 밀폐 용기에 보관해야 하지만 팬텀의 유통 기한이 증가합니다. PVA-c의 두 번째 제한은 동결 해동 주기가 필요하므로 팬텀을 만드는 데 필요한 시간이 증가한다는 것입니다. 팬텀 제작 시간을 최소화하기 위해, 주요 고려 사항은 동결 및 해동 속도입니다. 팬텀이 완전히 얼어 붙거나 완전히 해동되면 해당 상태로 남아있는 시간은 최종 팬텀16,30에크게 영향을 미치지 않습니다. 따라서, 사용되는 사이클 길이는 팬텀이 완전히 동결되고 사이클의 각 단계에서 해동되는 경우 다양할 수 있다. 예를 들면, 이 연구 결과의 유령에 있는 종양은 아주 작습니다, 그래서 더 짧은 주기는 두뇌를 위해 보다는 종양을 위해 이용될 수 있었습니다. 마지막으로, 금형과 두개골을 3D 프린팅하는 것은 이 프로토콜을 사용하여 팬텀을 제작하는 데 필요한 총 시간(1주)의 상당 부분(3일)을 소비하는 시간이 많이 소요되는 과정입니다. 사용된 프린터는 2018년부터 상용 모델이었습니다. 더 새롭고 빠른 프린터를 사용하여 인쇄 프로세스를 짧은 시간 내에 완료할 수 있습니다.
여기에 제시 된 뇌 팬텀은 신경 항내 시스템의 임상 훈련 및 검증을 위해 직접 사용할 수 있습니다. 조직을 모방하는 물질로서, PVA-c는 내구성과 비독성 물질이므로, 예를 들어 훈련 도구로 또는 전정 슈완노마 수술에서 수술 내 초음파의 검증을 위해 반복적으로 사용할 수 있게 한다. 이와 같이, 제조 방법은 3D 프린팅이 환자 특정 뇌팬텀(20,21,22, 23,24, 25)을생성하는 데 사용되었다고 이전에 기술된 것과 상보적이다. TMM로서 PVA-c를 사용하면 물질이 초음파 프로브의 반복된 수동 조작 및 접촉을 견딜 수 있기 때문에 신경 외과 시뮬레이션에 사용하기에 적합한 팬텀을 만듭니다. 이 작업은 추가 정량적 검증 연구의 단계를 설정합니다. 여기에 설명된 팬텀 방법은 매우 다양하며 여러 이미징 양식에 걸쳐 호환성을 통해 뇌에서 다른 장기로 확장되는 많은 유형의 환자 특정 종양 팬텀을 조작하는 데 사용할 수 있습니다.

생물학적 조직의 특정 특성을 모방한 팬텀은 다양한 실험 및 교육 응용 분야에 유용한 리소스입니다. 조직 모방 팬텀은 임상 사용1,2 및 해부학 팬텀이 모든 분야의 의료진 양성에 자주 사용되는 임상 사용1,2 및 해부학 팬텀 전에 의료 기기를 특성화하는 데 필수적입니다3,4,5,6,7. 적절한 조직 모방 특성으로 만든 환자 별 해부학 팬텀은 종종 테스트 환경의 중요한 부분이며 새로운 장치8을사용하는 법을 배우는 임상의의 신뢰를 높일 수 있습니다. 그러나 높은 제조 비용과 복잡한 제조 공정은 종종 환자 별 팬텀의 일상적인 사용을 배제합니다. 여기서, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 영상을 이용하여 수술 내 초음파(US)의 훈련 및 검증에 사용될 수 있는, 상용 소재를 사용하여 내구성이 뛰어나고 환자별 뇌종양 모델을 제조하는 방법을 설명한다. 이 연구에서 설명된 팬텀은 전정 슈완노마(뇌와 내이를 연결하는 균형 신경 중 하나에서 발생하는 양성 뇌종양)을 가진 환자의 데이터를 사용하여 만들어졌으며, 이들은 이후 레트로 시그널수복절제술(10)을통해 수술 및 종양 절제술을 받았다. 유령은 뇌종양 수술의 이 모형 도중 사용하기 위하여 통합한 수술 내 네비게이션 시스템을 시험하고 검증하기 위하여 개발되었습니다.
이 응용 프로그램에 적합하기 위해 뇌 종양 팬텀은 몇 가지 주요 특성을 소유해야합니다. 첫째, 비독성 물질로 만들어야하므로 임상 훈련 환경에서 안전하게 사용할 수 있습니다. 둘째, 현실적인 이미징 특성이 있어야 합니다. 의도된 적용을 위해, 이들은 특히 초음파 감쇠 및 CT 대비를 포함합니다. 셋째, 인간 조직과 유사한 기계적 특성을 가져야 만 동일한 방식으로 처리될 수 있습니다. 넷째, 팬텀은 해부학적으로 정확하고 수술 계획 및 훈련에 사용할 수 있도록 실제 환자 데이터를 기반으로해야합니다. 마지막으로 사용되는 재료는 내구성이 있어야 팬텀을 반복적으로 사용할 수 있습니다.
일반적으로, 유령을 위해 선택된 조직 모방 물질 및 제조 방법은 의도된 용도에 따라 다릅니다. 두개골과 같은 단단한 구조물의 경우 선택한 특성은 변형되거나 수용성이 없어야하며 반복된 사용으로 정확한 수준의 해부학 적 세부 사항을 유지할 수 있어야 합니다. 이는 이미지 등록이 사용되는 실험과 수술 시뮬레이션 목적으로 팬텀을 사용할 때 특히 중요합니다. 젤 왁스와 같은 미네랄 오일 기반 재료는 초음파9,11, 12 및 광음향13 이미징 응용 분야에서 유망하고 있지만 반복되는 기계적 변형을 겪으면 경박할 수 있으므로 특히 표준 미세 수술 신경 외과 기기에서 확장 된 사용을 견딜 수 없습니다. 한천과 젤라틴은 조직 모방 재료로도 일반적으로 사용되는 수성 물질입니다. 이러한 재료의 음향 특성을 조정하는 데 필요한 첨가제는 잘 알려져 있습니다14,하지만 그들은 기계적 강도가 제한되어 있으며, 특히 내구성이 없기 때문에 팬텀을 반복적으로 처리해야하는이 응용 프로그램에 적합하지 않습니다.
폴리 비닐 알코올 냉동젤 (PVA-c)는 동결 해동 주기를 변화시켜 음향 및 기계적 특성을 쉽게 조정할 수 있기 때문에 조직 모방 재료의 인기있는 선택입니다. PVA-c의특성은 연조직(15,16,17,18)과유사한 것으로 나타났다. PVA-c 기반 뇌 팬텀은 초음파 및 CT 이미징19에성공적으로 사용되어 왔다. 재료는 반복적으로 사용할 수 있을 만큼 강하며, 탄성이 높기 때문에 PVA-c로 만든 팬텀 조직은 영구적으로 변형되지 않고 조작될 수 있습니다. 폴리락산(PLA)은 쉽게 사용할 수 있는 강성 물질이며 두개골을 제조하는 데 사용되었지만, 유사한 기계적 특성이 있고 수용성이 없는 경우 PLA 대신 다른 인쇄 재료를 사용할 수 있다.
특히 뇌 유령은 필요한 복잡성수준과20,21,22,23을복제해야 하는 조직에 따라 다양한 방법을 사용하여 제조되었다. 일반적으로 곰팡이가 사용되고 액체 조직을 모방한 물질이 그 위에 부어 있습니다. 일부 연구는 상용 금형 을 사용했다 24 다른 건강 한 두뇌의 3D 인쇄 된 사용자 정의 금형을 사용 하는 동안, 마커 구체와 팽창식 카테터를 이식 하 여 뇌 병 변을 시뮬레이션19,25. 저자의 지식의 최고에, 이것은 조직을 모방 초음파 및 엑스레이 속성으로 만든 3D 인쇄 된 환자 특정 뇌종양 팬텀 모델의 첫 번째 보고서입니다. 총 제작은 도 1의순서도에 의해 시각화됩니다. 전체 프로세스를 완료하는 데 약 1주일이 걸립니다.

<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

팬텀은 임상 훈련, 외과 계획 및 새로운 의료 기기 개발을위한 필수 도구입니다. 그러나 표준 제조 방법이 환자 별 해부학 적 세부 사항을 복제하도록 최적화되지 않고 3D 프린팅 재료가 이미징 특성에 최적화되지 않기 때문에 현실적인 뇌 이미징 특성을 가진 해부학적으로 정확한 헤드 팬텀을 만드는 것은 어렵습니다. 뇌종양 수술 중 사용하기 위한 새로운 네비게이션 시스템을 테스트하고 검증하기 위해서는 현실적인 이미징 및 기계적 특성을 가진 해부학적으로 정확한 유령이 필요했습니다. 따라서, 실제 환자 데이터를 입력 및 3D 프린팅으로 사용하여 초음파 및 X선 대비를 모두 갖춘 두개골, 뇌 및 종양을 포함하는 환자 특정 헤드 팬텀을 제조하는 팬텀이 개발되었다. 유령은 또한 팬텀 조직이 수술 중에 인간의 뇌 조직을 처리하는 방법과 유사한 방식으로 조작 될 수있는 기계적 특성을 가지고 있었다. 가상 수술실에서 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을 성공적으로 테스트했습니다.
팬텀 제작 방법은 시판되는 재료를 사용하며 재현이 용이합니다. 3D 프린팅 파일은 쉽게 공유 할 수 있으며, 기술은 종양의 많은 다른 유형을 포괄하도록 적응 할 수있다.

기술된 프로토콜에 따라 해부학적으로 사실적인 유령이 제조되었으며, 이는 환자 특정 두개골, 뇌 및 종양으로 구성됩니다. 팬텀(두개골, 뇌, 종양)에 대한 관련 해부학 적 구조는 환자 MRI 및 CT 데이터를 사용하여 세분화된다(그림2a,b). 환자 수술 내 초음파 데이터(도 2c; 도 2d는 도 2c와동일한 이미지를 나타내지만 종양이 설명된 경우)는 가상 이미지를 실제 환자 이미지와 비교하는 데 사용되었습니다.
메쉬는 모델의 각조각(그림 3)에대해 만들어졌으며, 이들은 3D 금형을 제조하는 데 사용되었다. 금형은 상업용 프린터에 쉽게 인쇄되어 조각을 함께 슬롯하여 조립했습니다. 소뇌 몰은 설계 및 조립에 가장 복잡한(그림 4). 두개골(그림 5a)은지지재가 필요하므로 인쇄하기가 가장 어려웠기 때문에 느린 공정이 었기 때문에; 전체 인쇄를 완료하는 데 총 3일이 걸렸으며 이는 프로토콜의 제한 요소입니다.
완성된유령(도 5)은환자 두개골, 뇌 및 종양의 현실적인 모델이었습니다. 두 뇌반구(도5b)는별도로 생산되었으며, 뇌의 자리와 설시를 특징으로 하는 사실적인 외관을 가지고 있다. 전체 팬텀은 PVA-c의 자연스러운 색상이기 때문에 흰색입니다. 이것은 염료를 추가하여 쉽게 변경할 수 있지만 응용 프로그램에 필요하지 않았습니다. 소뇌(그림 5c)는인쇄 된 두개골의 기지에 편안하게 맞고 뇌 반구는이 위에 앉아 있습니다. 종양은 소뇌에서 쉽게 볼 수 있으며, 종양에 추가된 추가 대조는 주변 물질과 분리되는 오프 화이트 색상으로 발생하므로 단단히 부착됩니다.
유령은 CT와 초음파(그림 6a, b)로이미지되었습니다. 황산염 은 종양에 적합한 CT 대비를 제공하기 위해 사용되었고, 유령이미지(도 6a)는종양이 명확하게 시각화됨에 따라 이것이 달성되었다는 것을 보여준다. 두개골은 인쇄 시간을 줄이기 위해 100 % 채우기로 인쇄되지 않았습니다. 따라서, 두개골은 CT 이미지에서 완전히 사실적으로 보이지 않으며, 인쇄물의 격자 구조를 볼 수 있기 때문이다. 신경 탐색 시스템에는 두개골의 윤곽만 필요하기 때문에 응용 프로그램에는 문제가 되지 않습니다. 두개골은 CT 이미지의 정확도가 감소하지 않도록 100 % 채우기로 인쇄 할 수 있지만 인쇄 프로세스에 시간을 추가합니다. 유리 미세구는 초음파 대비를 위해 소뇌, 뇌 반구 및 종양에 첨가되었다. 결과는 종양이 초음파 화상 진찰(도 6b)로또한 볼 수 있고 주변 조직과 구별될 수 있다는 것을 보여줍니다. 육안 검사에서, 팬텀(도6b)으로부터얻은 초음파 영상(도2c)은팬텀에 사용된 콘트라스트제가 사실적인 이미징 특성을 만드는 데 효과적이었다는 것을 보여준다.
가상 수술실에서 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을테스트하였다(그림 7). 팬텀 모델은 표준 두개골 클램프를 사용하여 수술 용 수술대에 위치하였고, 유령의 CT 스캔은 임상 신경 탐색 시스템을 사용하여 등록되었다. 종양에 대한 레트로시그로이드 접근법을 시뮬레이션하고 종양은 버 홀 초음파 트랜스듀서가있는 임상 초음파 시스템을 사용하여 이미지화되었다. 수술 시뮬레이션 동안, 팬텀 모델은 안정되어 입증되었고 인간의 뇌가이 절차 중에 있을 것과 같은 방식으로 팬텀을 조작하여 손상이 관찰되지 않았기 때문에 동일한 조건에서 반복적으로 사용할 수 있었습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> 그림 1: 순서도는 환자 특정 PVA-c 뇌 팬텀을 만드는 데 필요한 단계를 표시합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> 그림 2: 팬텀 모델을 만드는 데 사용되는 환자 데이터입니다. 좌측 전정 슈완노마를 가진 환자의 데이터 소스:(a)축 대비-강화된 T1 계측 MRI, 종양을 가리키는 백색 화살표; (b)축 비대비 CT 스캔창은 종양에 의한 확장된 내부 청각 육류를 가리키는 뼈, 백색 화살표를 강조하기 위해 창으로; (c)전정 슈완노마 수술 중 얻은 수술 중 초음파 영상; (d)수술 중 초음파 이미지에 음장 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 종양 (초음파에 과초), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : 뇌 (소뇌). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> 그림 3: 팬텀의 각 섹션에 대한 완료된 메쉬입니다. STL 메쉬(a,b)두개골, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : 좌측 레트로 시그민성 두개골 절제술; (c,d)대뇌 반구; (e,f)종양 및 소뇌, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 종양. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> 그림 4: 3D 프프린트 소뇌 몰드. 3D 프프린트 소뇌 몰드(왼쪽 위)와 1에서 4까지 번호가 매겨진 별도의 조각. 2번 피스의 구멍('H'로 표시)을 통해 PVA-c를 금형에 부을 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> 그림 5: 완성된 팬텀. 완성된 유령(a)두개골(b)두개골 상단 제거 팬텀: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : retrosigmoid 두개골 절제술, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 종양, 뇌 <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (소뇌), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> 뇌 (오른쪽 대뇌 반구); (c)소뇌 및 종양: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : 종양, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> 뇌 (소뇌). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> 그림 6: 유령으로 획득한 CT 및 초음파 이미지. (a)두개골 기저및 종양의 수준을 통해 완전한 유령의 축 CT 이미지,(b)두개골에 수직으로 평면에서 레트로 시 그민로이드 두개골 절제술을 통해 버 구멍 초음파 프로브로 획득 된 팬텀의 수술 내 초음파 이미지 (시뮬레이션 수술, 소뇌는 종양에 직접 이미지하기 위해 약간 철회되었다). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: 종양, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> 뇌(소뇌), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : 좌측 레트로시그민성 두개골 절제술. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> 그림 7: 수술 시뮬레이션 중에 팬텀을 테스트합니다. 가상 수술실에서 수술 시뮬레이션을 통해 팬텀 모델을 테스트합니다. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: CT 팬텀 모델의 등록 스캔을 표시하는 신경 탐색 시스템: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> 버 홀 초음파 트랜스듀서로 유령을 이미지화하는 데 사용되는 초음파 시스템(초음파 모니터 옆에 위치). 여기에 그림 모델은 오른쪽 면 종양을 가진 다른 환자에서 얻은 데이터를 기반으로 합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

뇌종양 수술 계획을 위한 초음파 및 엑스레이 대비를 가진 환자 특정 폴리비닐 알콜 팬텀 제조

이 프로토콜은 환자 특정 두개골, 뇌 및 종양 팬텀의 제조를 설명합니다. 3D 프린팅을 사용하여 금형을 만들고 폴리 비닐 알코올(PVA-c)은 조직을 모방하는 재료로 사용됩니다.

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

팬텀 모델은 중요한 도구이지만 해부학적으로 정확하게 만드는 것은 어렵습니다. 이 프로토콜은 CT와 초음파를 사용하여 종양을 포함하는 환자 특정 팬텀을 만듭니다. 우리는 복잡한 이질적 모델과 3D 프린팅을 사용하여 높은 수준의 해부학적 리얼리즘을 달성합니다.환자 별 뇌 팬텀은 수술 계획 및 임상 교육을 허용하므로 매우 유용하며 외과 의사가 새로운 기술을 연습하고 새로운 기기및 하드웨어를 테스트 할 수 있습니다. 수술 전 대비 강화된 T1 가중치 MRI 및 체피 CT 데이터를 얻은 후 이미지를 3D 모델링 소프트웨어 프로그램에 로드하고 일반 절단 도구를 사용하여 뇌 세분화를 두 반구로 분할합니다. 각 반구를 별도의 오른쪽 및 왼쪽 뇌 STL 파일로 저장하고 파일을 적절한 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어 프로그램으로 가져옵니다.메시 작업 영역에서 는 감소 함수를 사용하여 각 모델의 크기를 가능한 한 줄여 프로그램에 의해 처리될 수 있도록 하면서 필요한 모든 세부 사항을 유지합니다. 솔리드 작업 영역에서 메시를 BRep 도구로 사용하여 가져온 메시를 조작할 수 있는 바디로 변환합니다. 상자를 클릭하여 생성 및 상자를 클릭하여 종양 주위에 상자를 그려 서 보기를 회전하여 상자가 모든 면에서 종양을 완전히 둘러싸는지 확인합니다.작업 드롭다운 메뉴에서 상자를 새 본체로 지정합니다. 수정 탭을 클릭하고 결합 도구를 사용하여 상자에서 종양을 잘라 내종양의 빈 모양으로 상자를 만듭니다. 금형이 절단되는 장소에서 상자를 통해 평면을 만들려면 구성과 중간 평면을 클릭하여 상자 중앙을 통해 평면을 만듭니다.미드플레인을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 오프셋 평면을 선택하여 평면을 보다 정확하게 배치합니다. 수정 탭에서 분할 본체 함수를 사용하여 생성된 평면을 따라 금형을 분할하고 스케치 및 중앙 직경 원을 클릭하여 금형의 각 조각의 얼굴에 작은 원형 리벳을 추가합니다. 마우스 오른쪽 단추를 클릭하여 한 면에 몇 밀리미터 바깥쪽으로 원을 돌출하고 해당 얼굴에 안쪽으로 돌출합니다.그런 다음 금형의 각 조각을 별도의 STL 파일로 저장합니다. 3D 뇌 및 종양 금형을 인쇄하려면 인쇄 속도가 빨라지려면 3D 프린팅 소프트웨어에서 약 0.2 밀리미터의 큰 층 높이와 낮은 채우기 값을 선택합니다. 금형이 베이스 플레이트에 적절하게 배치되는 경우 지지 재료가 필요하지 않습니다.폴리락산과 같은 단단한 재료를 사용하여 금형을 인쇄합니다. 두개골 금형을 인쇄하기 전에 소프트웨어에서 지원 기능을 추가하여 PVA를 지원 재료로 사용합니다. 모델에 대한 PVA를 준비하려면 1, 800그램의 산화물을 2리터 원추형 플라스크에서 섭씨 90도로 가열하고 200그램의 PVA 파우더를 측정합니다.플라스크에 전자 교반기배치하여 바닥이나 측면을 만지지 않도록 주의하십시오. 속도를 분당 1, 500회전으로 설정합니다. 약 30분 동안 플라스크에 PVA 파우더를 넣습니다.모든 PVA가 추가되면 90분 동안 용액을 저어줍니다. 끈적끈적한 젤을 얻은 경우, 물 목욕에서 플라스크를 제거하고 재료 위에 피부의 형성을 방지하기 위해 플라스틱 랩으로 상단을 덮습니다. 식으면 PVA가 투명하게 표시됩니다.비커에 붓습니다. 작은 백색 결정이 관찰될 수 있지만 표면의 모든 기포는 부드럽게 긁어야합니다. 그런 다음 방부제로 PVA에 0.5% 칼륨 소르바테를 넣고 용액을 철저히 저어줍니다.유령을 준비하려면 종양 금형을 비커로 채우고 나머지를 별도의 비커에 붓기 위해 충분한 PVA를 측정합니다. 종양용 PVA를 준비하려면 초음파 대비를 위해 1% 유리 미세구와 첫 번째 비커와 는 X선 대비를 위해 황산염 5%를 추가합니다. 결과용액을 손으로 저어줍니다.비커를 초음파 처리하여 첨가제의 균일한 혼합을 보장하고 용액이 약 10 분 동안 냉각되도록 하여 필요에 따라 긁어 내어 거품을 제거하십시오. 종양 금형을 함께 고정하고 금형 상단의 구멍을 통해 PVA를 붓습니다. PVA가 붓는 과정에서 형성된 거품이 구멍을 통해 탈출할 수 있도록 몇 분 동안 휴식을 취한 후 몰드를 섭씨 영하 20도의 냉동고에 넣습니다.6시간 후 실온에서 6시간 동안 금형을 해동합니다. 12시간 동결 해동 주기를 반복한 다음 모델에서 금형을 조심스럽게 제거합니다. 방금 입증 된 대로 적절한 금형에 소뇌 및 뇌 반구 모델을 만듭니다.각 팬텀 모델 조각에 대한 두 번째 동결 해동 주기 후, 조심스럽게 금형에서 모델을 제거하고 두개골 바닥 모델의 바닥에 스파이크에 소뇌 종양 유령을 배치합니다. 소뇌 종양 조각의 가장 위부분에 두 개의 뇌 반구를 놓고 두개골 바닥 모델에 각 공간에 네 개의 다울을 놓습니다. 그런 다음 두개골 상단 모델을 위에 놓습니다.필요한 경우, 모델은 수술에서 수술 내 사용을 시뮬레이션하기 위해 원하는 위치로 기동 될 수있다. 입증 된 프로토콜에 따라, 환자 특정 두개골로 구성된 해부학적으로 현실적인 유령, 뇌, 종양을 조작 할 수있다. 팬텀에 대한 관련 해부학 구조는 환자 MRI 및 CT 데이터를 사용하여 분할됩니다.그런 다음 모델의 각 조각에 대해 Meshes를 만들어 3D 금형을 시연한 대로 제조할 수 있습니다. 소뇌 금형은 설계 및 조립에 가장 복잡합니다. 두개골은 지지 재료가 필요하기 때문에 인쇄하기가 가장 어려운 부분입니다.완성 된 팬텀은 환자의 두개골, 뇌 및 종양의 현실적인 모델을 제공합니다. 두 뇌 반구는 별도로 생산되며 뇌의 자이리와 황시를 특징으로하는 현실적인 모양을 가지고 있습니다. 소뇌는 인쇄 된 두개골의 기지에 편안하게 맞고 뇌 반구는이 구조의 상단에 앉아있습니다.종양은 종양에 추가된 추가 대조가 부착되는 주변 물질과 분리되는 오프 화이트 색상을 초래하기 때문에 소뇌에서 쉽게 볼 수 있습니다. 종양은 CT와 초음파 화상 진찰 둘 다를 가진 유령에서 시각화될 수 있습니다. 환자 수술 중 초음파 데이터는 가상 이미지를 실제 환자 이미지와 비교하는 데 사용할 수 있습니다.금형을 만들 때 절단의 위치에 특별한주의를 기울여 팬텀이 고화될 때 제거할 수 있도록 하십시오. 환자 전용 뇌 팬텀을 생성함으로써 수술 중 초음파 를 사용하여 신경 외과 의사를 양성하는 데 사용할 수있는 새로운 신경 탐색 시스템을 테스트 할 수있었습니다.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

명암 초음파 마약 베어링 Nanoparticle 배달 및 Microvascular 절제를 통해 마우스에서 Gliomas의 치료 타겟

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

연구

생체공학

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

솔루션의 생물 고분자의 작은 및 와이드 앵글 X-레이 산란 연구

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

심장의 환자 별 모델링 : 심실 섬유 오리엔테이션의 추정

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

디자인과 소프트 모듈 형 로봇의 탄성 장치의 제작 최소 침습 수술

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

대화형, 환자 전용 모델을 사용 하 여 깊은 두뇌 자극 치료를 위한 신경 섬유 책자를 대상으로

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

폴 리 비닐 알코올-Co-Itaconic 산 Hydrogels 이종 없는 조건 하에서 다양 한 강성에 인간의 Pluripotent 줄기 세포 문화

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

인간 섬유근육 조직을 시각화하기 위해 인산화산 제제를 사용한 마이크로 X선 컴퓨터 단층 촬영 사용

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

문맥 고혈압 식별에 중점을 둔 초음파 영상을 사용한 조영 강화 저고조파 보조 압력 추정(SHAPE)

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

수술 전 계획 및 실습 교육에서 응용 프로그램을 갖춘 환자 별 실리콘 심장 모델 생성

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 ...