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

Os autores agradecem a Daniil Nikitichev e Steffi Mendes por seus conselhos sobre o uso de Meshmixer e Fernando Perez-Garcia por seu conselho sobre o uso do 3D Slicer e por nos fornecer código para automatizar algumas das etapas de processamento.
Este trabalho foi apoiado pela 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]. A TV é apoiada por uma Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [RCSRF1819\7\34].

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Os autores não têm conflitos de interesse para declarar.

Este protocolo detalha o processo de fabricação de um paciente fantasma cerebral específico, que inclui o crânio, cérebro e tumor schwannoma vestibular. Métodos de impressão 3D permitiram que detalhes anatomicamente precisos fossem alcançados. O fantasma descrito aqui foi fabricado com sucesso com o nível desejado de detalhes anatômicos; Foram utilizadas tomografias computadorizadas e ultrassonografia para demonstrar que o tumor foi facilmente visualizado com ambas as modalidades. O tecido que imita o material, PVA-c, é bem estabelecido como um material imitador de tecido para fantasmas ultrassônicos; suas propriedades acústicas e mecânicas podem ser ajustadas com aditivos e o número de ciclos de congelamento. O material está prontamente disponível, simples de usar e não tóxico. Com uso repetido, o fantasma teve durabilidade suficiente para resistir à manipulação e contato com uma sonda de ultrassom durante simulações físicas da cirurgia de schwannoma vestibular.
Várias etapas-chave foram identificadas como sendo críticas ao processo de fabricação. Em primeiro lugar, a segmentação de estruturas para inclusão no fantasma deve incluir o nível desejado de detalhes anatômicos. A criação de arquivos STL precisos e moldes 3D segue naturalmente. Em segundo lugar, o posicionamento dos planos dentro do molde de cerebelo na etapa 3.1.9 deve ser considerado cuidadosamente, de modo que o fantasma possa ser prontamente removido, sem danos; ele deve ser cortado em pedaços suficientes para permitir que detalhes anatômicos sejam retidos, permitindo que o fantasma seja removido sem ficar preso no molde. Neste caso, várias iterações foram testadas e, finalmente, o molde foi cortado em quatro pedaços separados. A terceira consideração fundamental é que durante o processo de fabricação do PVA-c (seção 4), o PVA-c deve ser deixado para esfriar à temperatura ambiente (passo 4.1.6). Se este passo for perdido e o PVA-c quente for adicionado aos moldes, pode fazer com que os moldes derretam ou distorçam. Também é crucial que, uma vez adicionadas as esferas de vidro (etapas 5.1.2 – 5.1.4), o PVA-c não seja deixado para sentar por mais de 10 minutos; se deixado por um período prolongado de tempo, as esferas de vidro se estabelecerão até o fundo, e o fantasma resultante terá contraste de ultrassom inhomogêneo29. Uma vez adicionadas as esferas de vidro, o PVA-c deve ser adicionado diretamente nos moldes e colocado no congelador. Após o primeiro ciclo de congelamento, as esferas de vidro serão fixadas no local, e o fantasma pode ser usado à temperatura ambiente. Por fim, é importante que os moldes estejam cuidadosamente selados (por exemplo, com fita) antes que o PVA-c seja adicionado, para minimizar o vazamento da mistura através de lacunas onde o pedaço separado do molde se juntou.
O protocolo tem várias limitações. Por exemplo, alguns equipamentos especializados são necessários, incluindo um banho de água e um agitador eletrônico. Um sonicator também é usado como parte deste protocolo, mas a etapa de sônica (5.1.3) poderia ser substituída por agitação eletrônica adicional; no entanto, com essa alternativa, levaria mais tempo para alcançar uma mistura homogênea do que é possível com o uso de sônicação. Uma limitação do PVA-c é que ele se degrada ao longo do tempo e se torna mofado. A adição de sorbato de potássio, como descrito aqui, aumenta a vida útil do fantasma, embora ainda deva ser mantido em um recipiente a ar apertado. Uma segunda limitação do PVA-c é que são necessários ciclos de congelamento, o que aumenta o tempo necessário para fazer um fantasma. Para minimizar o tempo de fabricação fantasma, uma consideração fundamental é a velocidade de congelamento e descongelamento; uma vez que o fantasma está totalmente congelado ou totalmente descongelado, o tempo que permanece nesse estado não afeta significativamente o fantasma final16,30. Portanto, os comprimentos de ciclo utilizados podem ser variados, desde que o fantasma esteja totalmente congelado e descongelado em cada etapa do ciclo. Por exemplo, o tumor no fantasma deste estudo é muito pequeno, então ciclos mais curtos poderiam ser usados para o tumor do que para o cérebro. Finalmente, a impressão 3D dos moldes e do crânio é um processo demorado que consome uma parte significativa (3 dias) do tempo total (1 semana) necessário para fabricar um fantasma com este protocolo. A impressora utilizada foi um modelo comercial de 2018; o processo de impressão poderia ser concluído em prazos mais curtos com o uso de impressoras mais novas e mais rápidas.
O fantasma cerebral apresentado aqui poderia ser usado diretamente para treinamento clínico e validação de sistemas de neuronavigação. Como o tecido imitando o material, o PVA-c permite que o fantasma resultante seja usado repetidamente, por exemplo, como ferramenta de treinamento ou para a validação do ultrassom intraoperatório na cirurgia de schwannoma vestibular, por ser um material durável e não tóxico. Como tal, o método de fabricação é complementar aos descritos anteriormente em que a impressão 3D foi usada para criar fantasmas cerebrais específicos do paciente20,21,22,23,24,25. O uso de PVA-c como tmm torna o fantasma adequado para uso em simulação de neurocirurgia, pois o material pode suportar manipulação manual repetida e contato de uma sonda de ultrassom. Este trabalho prepara o cenário para novos estudos de validação quantitativa. O método fantasma descrito aqui é muito versátil e poderia ser usado para fabricar muitos tipos de fantasmas tumorais específicos do paciente, estendendo-se do cérebro para outros órgãos, com compatibilidade em várias modalidades de imagem.

Fantasmas imitando as propriedades específicas dos tecidos biológicos são um recurso útil para várias aplicações experimentais e de ensino. Fantasmas imitadores de tecidos são essenciais para caracterizar dispositivos médicos antes de seu uso clínico1,2 e fantasmas anatômicos são frequentemente utilizados na formação da equipe médica em todas as disciplinas3,4,5,6,7. Fantasmas anatômicos específicos do paciente feitos com propriedades adequadas de imitação de tecidos são muitas vezes uma parte crítica do ambiente de testes e podem aumentar a confiança dos médicos que estão aprendendo a usar um novo dispositivo8. No entanto, os altos custos de fabricação e os processos complexos de fabricação muitas vezes impedem o uso rotineiro de fantasmas específicos do paciente. Aqui, um método é descrito para a fabricação de um modelo de tumor cerebral durável e específico para o paciente usando materiais comerciais prontamente disponíveis, que podem ser usados para o treinamento e validação do ultrassom intraoperatório (EUA) usando imagens informatizadas de tomografia (TC). O fantasma descrito neste estudo foi criado utilizando dados de um paciente com um schwannoma vestibular (um tumor cerebral benigno decorrente de um dos nervos de equilíbrio que ligam o cérebro e o ouvido interno) que posteriormente foram submetidos a cirurgia e ressecção tumoral através de uma craniotomia suboccipital retrosigmóide10. O fantasma foi desenvolvido para testar e validar um sistema integrado de navegação intraoperatória para uso durante este tipo de cirurgia de tumor cerebral.
Para ser adequado para esta aplicação, o fantasma do tumor cerebral precisa possuir várias propriedades-chave. Primeiro, deve ser feito de materiais não tóxicos, para que possa ser usado com segurança em um ambiente de treinamento clínico. Em segundo lugar, deve ter propriedades de imagem realistas; para a aplicação pretendida, estes incluem especificamente atenuação de ultrassom e contraste ct. Em terceiro lugar, deve ter propriedades mecânicas semelhantes ao tecido humano para que possa ser manuseado da mesma forma. Em quarto lugar, o fantasma deve ser baseado em dados reais do paciente, de modo que seja anatomicamente preciso e possa ser usado para planejamento cirúrgico e treinamento. Por fim, os materiais utilizados devem ser duráveis, para que o fantasma possa ser usado repetidamente.
Em geral, o material imitador de tecido e o método de fabricação escolhido para um fantasma depende da aplicação pretendida. Para estruturas rígidas como o crânio, a propriedade escolhida não deve se deformar ou ser solúvel em água e deve ser capaz de manter um nível preciso de detalhes anatômicos com uso repetido; isso é especialmente importante ao usar o fantasma para experimentos onde o registro de imagem é usado e para fins de simulação cirúrgica. Materiais à base de óleo mineral, como cera de gel, têm sido promissores para o ultrassom9,11,12 e13 aplicações fotográficas de imagem, no entanto, quando submetidos a repetida deformação mecânica tornam-se friáveis, por isso não podem suportar o uso prolongado, especialmente com instrumentos de neurocirurgia microcirúrgica padrão. Ágar e gelatina são materiais aquosos que também são comumente usados como materiais de imitação de tecido. Os aditivos necessários para ajustar as propriedades acústicas desses materiais são bem conhecidos14, mas têm resistência mecânica limitada e não são particularmente duráveis, por isso não são adequados para esta aplicação, onde o fantasma precisa ser manipulado repetidamente.
O criogel de álcool polivinyl (PVA-c) é uma escolha popular de material imitador de tecidos, pois suas propriedades acústicas e mecânicas podem ser facilmente ajustadas variando seus ciclos de congelamento. Foi demonstrado que as propriedades do PVA-c são semelhantes às dos tecidos moles15,16,17,18. Os fantasmas cerebrais baseados em PVA-c têm sido usados com sucesso para ultrassom e tomografia computadorizada19. O material é forte o suficiente para ser usado repetidamente, e tem um alto grau de elasticidade, de modo que o tecido fantasma feito de PVA-c pode ser manipulado sem ser permanentemente deformado. O ácido polilático (PLA) é um material rígido prontamente disponível e foi usado para fabricar o crânio, porém, um material de impressão diferente pode ser usado no lugar de PLA, se tiver propriedades mecânicas semelhantes e não for solúvel em água.
Os fantasmas cerebrais, em particular, foram fabricados utilizando diferentes métodos, dependendo do nível de complexidade necessário e dos tecidos que precisam ser replicados20,21,22,23. Normalmente, um molde é usado, e material de imitação de tecido líquido derramado nele. Alguns estudos têm usado moldes comerciais24, enquanto outros usam moldes personalizados impressos em 3D de um cérebro saudável, e simulam lesões cerebrais implantando esferas de marcadores e cateteres infláveis19,25. Para o melhor do conhecimento do autor, este é o primeiro relatório de um modelo fantasma de tumor cerebral 3D impresso no paciente criado com propriedades de ultrassom e raios-X que imitam tecidos. A fabricação total é visualizada pelo fluxograma na Figura 1; todo o processo leva cerca de uma semana para ser concluído.

<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

Os fantasmas são ferramentas essenciais para o treinamento clínico, planejamento cirúrgico e desenvolvimento de novos dispositivos médicos. No entanto, é desafiador criar fantasmas de cabeça anatomicamente precisos com propriedades realistas de imagem cerebral, porque os métodos de fabricação padrão não são otimizados para replicar qualquer detalhe anatômico específico do paciente e materiais de impressão 3D não são otimizados para propriedades de imagem. Para testar e validar um novo sistema de navegação para uso durante a cirurgia do tumor cerebral, foi necessário um fantasma anatomicamente preciso com imagens realistas e propriedades mecânicas. Portanto, um fantasma foi desenvolvido utilizando dados reais do paciente como entrada e impressão 3D de moldes para fabricar um fantasma de cabeça específico do paciente que compreende o crânio, cérebro e tumor com contraste de ultrassom e raios-X. O fantasma também tinha propriedades mecânicas que permitiam que o tecido fantasma fosse manipulado de forma semelhante à forma como o tecido cerebral humano é manipulado durante a cirurgia. O fantasma foi testado com sucesso durante uma simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual.
O método de fabricação fantasma usa materiais disponíveis comercialmente e é fácil de reproduzir. Os arquivos de impressão 3D podem ser facilmente compartilhados, e a técnica pode ser adaptada para abranger muitos tipos diferentes de tumor.

Seguindo o protocolo descrito, um fantasma anatomicamente realista foi fabricado, que consiste em um crânio, cérebro e tumor específicos do paciente. As estruturas anatômicas relevantes para o fantasma (crânio, cérebro, tumor) são segmentadas utilizando-se dados de ressonância magnética e tomografia do paciente(Figura 2a,b). Os dados de ultrassom intraoperatório do paciente (Figura 2c; A Figura 2d mostra a mesma imagem da Figura 2c,mas com o tumor delineado) foi usada para comparar as imagens fantasmas com as imagens reais do paciente.
As malhas foram criadas para cada peça do modelo (Figura 3),e estas foram então utilizadas para fabricar os moldes 3D. Os moldes eram facilmente impressos em uma impressora comercial e montados por slotting as peças juntos. O molde de cerebelo foi o mais complexo para projetar e montar(Figura 4). O crânio (Figura 5a) foi a parte mais difícil de imprimir, pois exigia material de apoio, por isso foi um processo lento; toda a impressão levou um total de três dias para ser concluída, o que é um fator limitante no protocolo.
O fantasma completo (Figura 5) foi um modelo realista de crânio, cérebro e tumor do paciente. Os dois hemisférios cerebrais (Figura 5b) foram produzidos separadamente, e têm uma aparência realista, apresentando o giro e sulco do cérebro. Todo o fantasma é de cor branca, pois esta é a cor natural do PVA-c; isso pode ser facilmente alterado adicionando corante, mas não foi necessário para a aplicação. O cerebelo(Figura 5c)encaixa-se confortavelmente na base do crânio impresso e os hemisférios cerebrais se sentam em cima disso. O tumor é facilmente visível no cerebelo, pois o contraste extra adicionado ao tumor resulta em uma cor off-white que o separa do material circundante, que é firmemente ligado.
O fantasma foi imageado tanto com tomografia quanto ultrassom (Figura 6a,b). O sulfato de bário foi usado para dar o contraste de tomografia apropriada ao tumor, e a imagem fantasma (Figura 6a) mostra que isso foi alcançado, pois o tumor é claramente visualizado. O crânio não foi impresso com 100% de enchimento, a fim de reduzir o tempo de impressão. Portanto, o crânio não parece totalmente realista nas imagens ct, pois a estrutura da rede da impressão pode ser vista. Este não é um problema para a aplicação, pois apenas o contorno do crânio é necessário para o sistema de neuronavigação. O crânio poderia ser impresso com 100% de enchimento para evitar essa precisão reduzida da imagem ct, mas adicionaria tempo ao processo de impressão. Microesferas de vidro foram adicionadas ao cerebelo, hemisférios cerebrais e tumor para contraste de ultrassom. Os resultados mostram que o tumor também é visível com ultrassom(Figura 6b)e pode ser distinguido do tecido circundante. Na inspeção visual, as imagens de ultrassom obtidas a partir do fantasma (Figura 6b), e as obtidas do paciente (Figura 2c) mostram que os agentes de contraste utilizados no fantasma foram eficazes para a criação de propriedades de imagem realistas.
O fantasma foi testado durante a simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual(Figura 7). O modelo fantasma foi posicionado na mesa de operação cirúrgica utilizando um grampo de crânio padrão e a tomografia computadorizada do fantasma foi registrada utilizando-se um sistema clínico de neuronavigação. Uma abordagem retrosigmóide ao tumor foi simulada e o tumor foi imageado usando um sistema de ultrassom clínico com um transdutor de ultrassom de orifício de rebarba. Durante a simulação cirúrgica, o modelo fantasma mostrou-se estável e nenhum dano foi observado da manipulação do fantasma da mesma forma que o cérebro humano seria durante este procedimento, de modo que poderia ser usado repetidamente sob as mesmas condições.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Figura 1: Fluxograma para mostrar os passos necessários para tornar um paciente específico PVA-c cérebro fantasma. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Figura 2: Dados do paciente usados para criar modelo fantasma. Fontes de dados de um paciente com um schwannoma vestibular de lado esquerdo: (a) ressonância magnética ponderada por T1 ponderada por contraste axial, seta branca apontando para o tumor; (b) tomografia computadorizada axial sem contraste com janelas para destacar osso, seta branca apontando para um meatus auditivo interno expandido causado pelo tumor; cImagem de ultrassom intraoperatória obtida durante a cirurgia de schwannoma vestibular; dImagem anotada de ultrassom intraoperatório: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> tumor (hiperecóico no ultrassom), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : cérebro (cerebelo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Figura 3: Malhas completas para cada seção do fantasma. Malha STL para(a,b) crânio, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmóide lateral esquerda; (c,d) hemisférios cerebrais; (e,f) tumor e cerebelo, <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">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Figura 4: Molde de cerebelo impresso em 3D. Molde de cerebelo impresso em 3D totalmente construído (canto superior esquerdo) e as peças separadas, que são numeradas de 1 a 4. O orifício na peça 2 (denotado por 'H') permite que o PVA-c seja derramado no molde. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Figura 5: Fantasma completo. O fantasma acabado (a) crânio(b) fantasma com topo do crânio removido: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmóide, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, cérebro <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cerebelo), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> cérebro (hemisfério cerebral direito); (c) cerebelo e tumor: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, cérebro <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cerebelo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig05large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Figura 6: Imagens de tomografia e ultrassom adquiridas com o fantasma. (a) Imagem de tomografia axial de fantasma completo através do nível da base do crânio e tumor, (b) Imagem de ultrassom intraoperatório de fantasma adquirida com sonda de ultrassom de orifício de rebarba através da craniotomia retrosigmóide em um plano aproximadamente perpendicular ao crânio (Simulando cirurgia, o cerebelo foi ligeiramente retraído para imagem diretamente sobre o tumor). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: tumor, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> cérebro (cerebelo), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craniotomia retrosigmóide lateral esquerda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Figura 7: Testando o fantasma durante a simulação cirúrgica. Testando o modelo fantasma através de simulação cirúrgica em uma sala de cirurgia virtual. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: sistema de neuronavigação exibindo a varredura registrada do modelo fantasma da tomografia, : sistema de <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> ultrassom usado para visualizar o fantasma com um transdutor de ultrassom de orifício de rebarba (visto posicionado ao lado do monitor de ultrassom). Note que o modelo aqui retratado é baseado em dados adquiridos de diferentes pacientes com um tumor do lado direito. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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

Fabricação fantasma do álcool polivinyl específico do paciente com ultrassom e contraste de raios-X para planejamento de cirurgia de tumor cerebral

Este protocolo descreve a fabricação de um paciente específico crânio, cérebro e tumor fantasma. Ele usa impressão 3D para criar moldes, e o álcool polivinyl (PVA-c) é usado como o tecido imitando material.

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

Modelos fantasmas são ferramentas importantes, mas é desafiador torná-los anatomicamente precisos. Este protocolo usa tomografia e ultrassom para criar um fantasma específico do paciente que inclui um tumor. Usamos modelos heterogêneos complexos e impressão 3D para alcançar um alto grau de realismo anatômico.Os fantasmas cerebrais específicos do paciente são altamente úteis, pois permitem o planejamento cirúrgico e o treinamento clínico, e permitem que os cirurgiões pratiquem novas técnicas e testem novos instrumentos e hardware. Depois de obter dados de ressonância magnética e tomografia volumosas com peso de contraste pré-operatório, carregue as imagens em um programa de software de modelagem 3D e use a ferramenta de corte simples para dividir a segmentação cerebral em dois hemisférios. Salve cada hemisfério como arquivos STL cerebrais separados e esquerdos e importe os arquivos em um programa de software de design apropriado auxiliado por computador.No espaço de trabalho de malha, use a função de redução para diminuir o tamanho de cada modelo o máximo possível para que ele possa ser manuseado pelo programa, mantendo todos os detalhes necessários. No espaço de trabalho sólido, use a tela para a ferramenta BRep para converter a malha importada em um corpo que pode ser manipulado. Clique em criar e encaixe para desenhar uma caixa ao redor do tumor, girando a vista para garantir que a caixa inclua completamente o tumor em todos os lados.No menu suspenso da operação, designe a caixa como um novo corpo. Clique na guia de modificação e use a ferramenta combinar para cortar o tumor da caixa para criar uma caixa com uma forma oca do tumor dentro dele. Para criar planos através da caixa nos lugares que o molde será cortado, clique em construir e no plano médio para criar um plano através do centro da caixa.Clique com o botão direito do mouse no plano médio e selecione o plano offset para posicionar o plano com mais precisão. Sob a guia de modificação, use a função do corpo dividido para dividir o molde ao longo dos planos criados e clique em criar esboço e círculo de diâmetro central para adicionar pequenos rebites circulares à face de cada pedaço do molde. Clique com o botão direito do mouse para extruir os círculos para fora alguns milímetros em um rosto e extrudá-los para dentro no rosto correspondente.Em seguida, salve cada pedaço do molde como um arquivo STL separado. Para imprimir os moldes cerebrais e tumores 3D, para impressão mais rápida, selecione uma grande altura de camada de cerca de 0,2 milímetros e um baixo valor de enchimento de 20% no software de impressão 3D. Se os moldes estiverem posicionados adequadamente na placa base, os materiais de suporte não devem ser necessários.Imprima os moldes usando um material rígido, como o ácido polilático. Antes de imprimir o molde do crânio, selecione adicionar suporte no software para usar PVA como material de suporte. Para preparar o PVA para os modelos, aqueça 1.800 gramas de água deionizada a 90 graus Celsius em um frasco cônico de dois litros e meça 200 gramas de pó PVA.Posicione um agitador eletrônico no frasco, tomando cuidado para que ele não toque na parte inferior ou lateral. Defina a velocidade para 1.500 revoluções por minuto. Adicione o pó PVA ao frasco durante um período de cerca de 30 minutos.Quando todo o PVA tiver sido adicionado, mexa a solução por mais 90 minutos. Quando um gel pegajoso tiver sido obtido, remova o frasco do banho de água e cubra a parte superior com plástico para evitar a formação de uma pele em cima do material. Uma vez frio, o PVA parecerá transparente.Despeje em um béquer. Cristais brancos minúsculos podem ser observados, mas quaisquer bolhas na superfície devem ser suavemente raspadas. Em seguida, adicione 0,5% de sorbato de potássio ao PVA como conservante e mexa completamente a solução.Para preparar os fantasmas, meça PVA suficiente para preencher o molde do tumor em um béquer e despeje o resto em um béquer separado. Para preparar o PVA para o tumor, adicione microesferas de vidro para contraste de ultrassom e sulfato de 5% de bário para contraste de raios-X com o primeiro béquer. Mexa a solução resultante manualmente.Sonicar o béquer para garantir a mistura homogênea dos aditivos e permitir que a solução esfrie por cerca de 10 minutos, removendo quaisquer bolhas raspando conforme necessário. Fixar o molde do tumor e despeje o PVA através do orifício na parte superior do molde. Deixe o PVA descansar por alguns minutos para permitir que quaisquer bolhas formadas no processo de derramamento escapem através do orifício, antes de colocar o molde em um congelador de menos 20 graus Celsius.Depois de seis horas, descongele o molde por seis horas em temperatura ambiente. Repita o ciclo de congelamento de 12 horas e remova cuidadosamente o molde do modelo. Crie os modelos de cerebelo e hemisfério cerebral nos moldes apropriados como apenas demonstrado.Após o segundo ciclo de congelamento para cada peça modelo fantasma, remova cuidadosamente os modelos dos moldes e coloque o fantasma do tumor de cerebelo no espeto na base do modelo inferior do crânio. Coloque os dois hemisférios cerebrais na parte superior da peça do tumor de cerebelo e coloque as quatro dowels em cada espaço no modelo inferior do crânio. Em seguida, coloque o modelo superior do crânio em cima.Se necessário, o modelo pode ser manobrado na posição desejada para simular seu uso intraoperatório na cirurgia. Seguindo o protocolo, como demonstrado, um fantasma anatomicamente realista consistindo de um crânio, cérebro e tumor específicos do paciente pode ser fabricado. As estruturas anatômicas relevantes para o fantasma são segmentadas utilizando-se dados de ressonância magnética e tomografia do paciente.As malhas podem então ser criadas para cada peça do modelo para fabricar os moldes 3D como demonstrado. O molde de cerebelo é o mais complexo para projetar e montar. O crânio é a parte mais difícil de imprimir, pois requer material de apoio.O fantasma completo oferece um modelo realista do crânio, cérebro e tumor do paciente. Os dois hemisférios cerebrais são produzidos separadamente e têm uma aparência realista com o giro e sulco do cérebro. O cerebelo se encaixa confortavelmente na base do crânio impresso e os hemisférios cerebrais se sentam em cima desta estrutura.O tumor é facilmente visível no cerebelo, pois o contraste extra adicionado ao tumor resulta em uma cor off-white que o separa do material circundante ao qual está ligado. O tumor pode ser visualizado no fantasma com tomografia computadorizada e ultrassom. Os dados de ultrassom intraoperatório do paciente podem então ser usados para comparar as imagens fantasmas com as imagens reais do paciente.Ao criar os moldes, preste especial atenção à posição dos cortes para garantir que o fantasma possa ser removido quando tiver se solidificado. Ao criar um fantasma cerebral específico do paciente, pudemos testar um novo sistema de navegação neural que também pode ser usado para treinar neurocirurgiões no uso de ultrassom intraoperatório.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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Bioengenharia

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