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

Los autores agradecen a Daniil Nikitichev y Steffi Mendes por sus consejos sobre el uso de Meshmixer y Fernando Pérez-García por sus consejos sobre el uso de 3D Slicer y por proporcionarnos código para automatizar algunos de los pasos de procesamiento.
Esta obra fue apoyada por Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] y National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS]. La TV es apoyada por una Cátedra de Investigación de medtronic Inc / Royal Academy of Engineering [RCSRF1819-7-34].

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Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.

Este protocolo detalla el proceso de fabricación de un fantasma cerebral específico del paciente, que incluye el cráneo, el cerebro y el tumor de schwannoma vestibular. Los métodos de impresión 3D permitieron alcanzar detalles anatómicamente precisos. El fantasma descrito aquí fue fabricado con éxito con el nivel deseado de detalle anatómico; Se utilizaron imágenes por tomografía computarizada y ultrasonido para demostrar que el tumor se visualizaba fácilmente con ambas modalidades. El material de imitación de tejido, PVA-c, está bien establecido como un material de imitación de tejido para fantasmas ultrasónicos; sus propiedades acústicas y mecánicas se pueden ajustar con aditivos y el número de ciclos de congelación y descongelación. El material es fácilmente disponible, fácil de usar y no tóxico. Con el uso repetido, el fantasma tenía suficiente durabilidad para soportar la manipulación y el contacto con una sonda de ultrasonido durante simulaciones físicas de la cirugía de schwannoma vestibular.
Se identificaron varios pasos clave como críticos para el proceso de fabricación. En primer lugar, la segmentación de las estructuras para su inclusión en el fantasma debe incluir el nivel deseado de detalle anatómico. La creación de archivos STL precisos y moldes 3D sigue naturalmente. En segundo lugar, el posicionamiento de los planos dentro del molde del cerebelo en el paso 3.1.9 debe considerarse cuidadosamente, de modo que el fantasma pueda ser fácilmente eliminado, sin daños; debe cortarse en piezas suficientes para permitir que se conserven los detalles anatómicos, al tiempo que se permite que el fantasma se retire sin quedarse atascado en el molde. En este caso, se probaron varias iteraciones y finalmente el molde se cortó en cuatro piezas separadas. La tercera consideración clave es que durante el proceso de fabricación de PVA-c (sección 4), el PVA-c debe dejarse enfriar a temperatura ambiente (paso 4.1.6). Si se pierde este paso y se añade PVA-c caliente a los moldes, puede hacer que los moldes se derritan o distorsionen. También es crucial que una vez que se añaden las esferas de vidrio (pasos 5.1.2 – 5.1.4), el PVA-c no se deja reposar durante más de 10 minutos; si se deja durante un período prolongado de tiempo, las esferas de vidrio se asentarán en el fondo, y el fantasma resultante tendrá un contraste de ultrasonido inhomogéneo29. Una vez que se añaden las esferas de vidrio, el PVA-c debe añadirse directamente a los moldes y colocarse en el congelador. Después del primer ciclo de congelación, las esferas de vidrio se asegurarán en el lugar, y el fantasma se puede utilizar a temperatura ambiente. Por último, es importante que los moldes estén cuidadosamente sellados (por ejemplo, con cinta adhesiva) antes de añadir el PVA-c, para minimizar la fuga de la mezcla a través de huecos donde la pieza separada del molde se une.
El protocolo tiene varias limitaciones. Por ejemplo, se requiere algún equipo especializado, incluyendo un baño de agua y un agitador electrónico. Un sonicador también se utiliza como parte de este protocolo, pero el paso de sonicación (5.1.3) podría ser reemplazado por agitación electrónica adicional; sin embargo, con esta alternativa, tomaría más tiempo lograr una mezcla homogénea de lo que es posible con el uso de sonicación. Una limitación de PVA-c es que se degrada con el tiempo y se vuelve mohoso. La adición de sorbato de potasio, como se describe aquí, aumenta la vida útil del fantasma, aunque todavía debe mantenerse en un recipiente hermético. Una segunda limitación de PVA-c es que se requieren ciclos de congelación-descongelación, lo que aumenta la cantidad de tiempo necesario para hacer un fantasma. Para minimizar el tiempo de fabricación fantasma, una consideración clave es la velocidad de congelación y descongelación; una vez que el fantasma está completamente congelado o totalmente descongelado, el tiempo que permanece en ese estado no afecta significativamente al fantasma final16,30. Por lo tanto, las longitudes de ciclo utilizadas pueden variar, siempre que el fantasma esté completamente congelado y descongelado en cada etapa del ciclo. Por ejemplo, el tumor en el fantasma de este estudio es muy pequeño, por lo que se podrían utilizar ciclos más cortos para el tumor que para el cerebro. Finalmente, la impresión 3D de los moldes y el cráneo es un proceso que consume mucho tiempo y que consume una porción significativa (3 días) del tiempo total (1 semana) necesario para fabricar un fantasma con este protocolo. La impresora utilizada fue un modelo comercial de 2018; el proceso de impresión podría completarse en plazos de tiempo más cortos con el uso de impresoras más nuevas y rápidas.
El fantasma cerebral presentado aquí podría ser utilizado directamente para el entrenamiento clínico y la validación de los sistemas de neuronavigación. Como material de imitación de tejido, PVA-c permite que el fantasma resultante se utilice repetidamente, por ejemplo como una herramienta de entrenamiento o para la validación de ultrasonido intraoperatorio en cirugía de schwannoma vestibular, ya que es un material duradero y no tóxico. Como tal, el método de fabricación es complementario a aquellos descritos anteriormente en los que se utilizó la impresión 3D para crear fantasmas cerebrales específicos del paciente20,21,22,23,24,25. El uso de PVA-c como el TMM hace que el fantasma sea adecuado para su uso en simulación de neurocirugía, ya que el material puede soportar la manipulación manual repetida y el contacto de una sonda de ultrasonido. Este trabajo establece las bases para más estudios cuantitativos de validación. El método fantasma descrito aquí es muy versátil y podría utilizarse para fabricar muchos tipos de fantasmas tumorales específicos del paciente, que se extienden desde el cerebro a otros órganos, con compatibilidad a través de varias modalidades de diagnóstico por imágenes.

Los fantasmas que imitan las propiedades específicas de los tejidos biológicos son un recurso útil para diversas aplicaciones experimentales y didácticas. Los fantasmas de imitación de tejidos son esenciales para caracterizar los dispositivos médicos antes de su uso clínico1,2 y los fantasmas anatómicos se utilizan con frecuencia en la formación del personal médico en todas las disciplinas3,4,5,6,7. Los fantasmas anatómicos específicos del paciente fabricados con propiedades apropiadas de imitación de tejidos son a menudo una parte crítica del entorno de pruebas y pueden aumentar la confianza de los médicos que están aprendiendo a usar un nuevo dispositivo8. Sin embargo, los altos costos de fabricación y los complejos procesos de fabricación a menudo impiden el uso rutinario de fantasmas específicos del paciente. Aquí, se describe un método para la fabricación de un modelo de tumor cerebral duradero y específico del paciente utilizando materiales comerciales fácilmente disponibles, que se pueden utilizar para el entrenamiento y validación de ultrasonido intraoperatorio (EE.UU.) mediante imágenes por tomografía computarizada (TC). El fantasma descrito en este estudio fue creado utilizando datos de un paciente con un schwannoma vestibular (un tumor cerebral benigno que surge de uno de los nervios de equilibrio que conectan el cerebro y el oído interno) que posteriormente se sometió a una cirugía y resección tumoral a través de una craneoccipital suboccipital retrosigmoide10. El fantasma fue desarrollado con el fin de probar y validar un sistema de navegación intraoperatorio integrado para su uso durante este tipo de cirugía de tumor cerebral.
Con el fin de ser adecuado para esta aplicación, el fantasma tumor cerebral necesita poseer varias propiedades clave. En primer lugar, debe estar hecho de materiales no tóxicos, por lo que se puede utilizar con seguridad en un entorno de entrenamiento clínico. En segundo lugar, debe tener propiedades de imagen realistas; para la aplicación prevista, estos incluyen específicamente la atenuación por ultrasonido y el contraste de TC. En tercer lugar, debe tener propiedades mecánicas similares al tejido humano para que pueda ser manejado de la misma manera. En cuarto lugar, el fantasma debe basarse en datos reales del paciente, de modo que sea anatómicamente preciso y pueda utilizarse para la planificación quirúrgica y el entrenamiento. Por último, los materiales utilizados deben ser duraderos, de modo que el fantasma se pueda utilizar repetidamente.
En general, el material de imitación de tejido y el método de fabricación elegido para un fantasma dependen de la aplicación prevista. Para estructuras rígidas como el cráneo, la propiedad elegida no debe deformarse o ser soluble en agua y debe ser capaz de mantener un nivel preciso de detalle anatómico con el uso repetido; esto es especialmente importante cuando se utiliza el fantasma para experimentos donde se utiliza el registro de imágenes y para fines de simulación quirúrgica. Los materiales a base de aceite mineral como la cera de gel han sido prometedores para aplicaciones de ultrasonido9,11,12 y fotoacústica13, sin embargo, cuando se someten a deformación mecánica repetida se vuelven friables, por lo que no pueden soportar un uso prolongado, especialmente con instrumentos de neurocirugía microquirúrgica estándar. El agar y la gelatina son materiales acuosos que también se utilizan comúnmente como materiales de imitación de tejidos. Los aditivos necesarios para ajustar las propiedades acústicas de estos materiales son bien conocidos14,pero tienen una resistencia mecánica limitada y no son particularmente duraderos por lo que no son adecuados para esta aplicación, donde el fantasma necesita ser manejado repetidamente.
El criogel de alcohol polivinílico (PVA-c) es una opción popular de material de imitación de tejidos, ya que sus propiedades acústicas y mecánicas se pueden ajustar fácilmente variando sus ciclos de congelación y deshielo. Se ha demostrado que las propiedades de PVA-c son similares a las de los tejidos blandos15,16,17,18. Los fantasmas cerebrales basados en PVA-c se han utilizado con éxito para ultrasonidos e imágenes por TC19. El material es lo suficientemente fuerte como para ser utilizado repetidamente, y tiene un alto grado de elasticidad, por lo que el tejido fantasma hecho de PVA-c puede ser manipulado sin ser deformado permanentemente. El ácido poliláctico (PLA) es un material rígido fácilmente disponible y se utilizó para fabricar el cráneo, sin embargo, se puede utilizar un material de impresión diferente en lugar de PLA, si tiene propiedades mecánicas similares y no es soluble en agua.
Los fantasmas cerebrales en particular han sido fabricados utilizando diferentes métodos, dependiendo del nivel de complejidad requerido y los tejidos que necesitan ser replicados20,21,22,23. Por lo general, se utiliza un molde, y el material de imitación de tejido líquido se vierte en él. Algunos estudios han utilizado moldes comerciales24 mientras que otros utilizan moldes personalizados impresos en 3D de un cerebro sano, y simulan lesiones cerebrales mediante la implantación de esferas de marcadores y catéteres inflables19,25. Hasta el mejor conocimiento del autor, este es el primer informe de un modelo fantasma de tumor cerebral específico del paciente impreso en 3D creado con ultrasonido de imitación de tejidos y propiedades de rayos X. La fabricación total es visualizada por el diagrama de flujo en la Figura 1; todo el proceso tarda alrededor de una semana en completarse.

<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

Los fantasmas son herramientas esenciales para la formación clínica, la planificación quirúrgica y el desarrollo de nuevos dispositivos médicos. Sin embargo, es difícil crear fantasmas de cabeza anatómicamente precisos con propiedades de imagen cerebral realistas porque los métodos de fabricación estándar no están optimizados para replicar ningún detalle anatómico específico del paciente y los materiales de impresión 3D no están optimizados para propiedades de imagen. Con el fin de probar y validar un novedoso sistema de navegación para su uso durante la cirugía de tumor cerebral, se requería un fantasma anatómicamente preciso con imágenes realistas y propiedades mecánicas. Por lo tanto, un fantasma fue desarrollado utilizando datos reales del paciente como entrada e impresión 3D de moldes para fabricar un fantasma de cabeza específico del paciente que comprende el cráneo, el cerebro y el tumor con ultrasonido y contraste de rayos X. El fantasma también tenía propiedades mecánicas que permitían manipular el tejido fantasma de manera similar a cómo se maneja el tejido cerebral humano durante la cirugía. El fantasma fue probado con éxito durante una simulación quirúrgica en un quirófano virtual.
El método de fabricación fantasma utiliza materiales disponibles comercialmente y es fácil de reproducir. Los archivos de impresión 3D se pueden compartir fácilmente, y la técnica se puede adaptar para abarcar muchos tipos diferentes de tumor.

Siguiendo el protocolo descrito, se fabricó un fantasma anatómicamente realista, que consiste en un cráneo, cerebro y tumor específicos del paciente. Las estructuras anatómicas relevantes para el fantasma (cráneo, cerebro, tumor) se segmentan utilizando datos de RMN y TC del paciente (Figura 2a,b). Los datos de ultrasonido intraoperatorio del paciente(Figura 2c; La Figura 2d muestra la misma imagen que la Figura 2c,pero con el tumor esbozado) se utilizó para comparar las imágenes fantasma con las imágenes reales del paciente.
Se crearon mallas para cada pieza del modelo(Figura 3),y luego se utilizaron para fabricar los moldes 3D. Los moldes se imprimían fácilmente en una impresora comercial y se ensamblaban al juntar las piezas. El molde de cerebelo fue el más complejo de diseñar y ensamblar(Figura 4). El cráneo (Figura 5a) era la parte más difícil de imprimir, ya que requería material de soporte, por lo que era un proceso lento; la impresión completa tardó un total de tres días en completarse, lo que es un factor limitante en el protocolo.
El fantasma completado (Figura 5) era un modelo realista de un cráneo paciente, cerebro y tumor. Los dos hemisferios cerebrales (Figura 5b) se produjeron por separado, y tienen un aspecto realista, con el gyri y sulci del cerebro. Todo el fantasma es de color blanco, ya que este es el color natural de PVA-c; esto se puede cambiar fácilmente añadiendo tinte, pero no era necesario para la aplicación. El cerebelo (Figura 5c) encaja cómodamente en la base del cráneo impreso y los hemisferios cerebrales se sientan encima de esto. El tumor es fácilmente visible en el cerebelo, ya que el contraste adicional añadido al tumor resulta en que sea un color blanquecino que lo separa del material circundante, que está firmemente unido.
El fantasma fue imán con TC y ultrasonido(Figura 6a,b). El sulfato de bario se utilizó para dar al tumor un contraste de TC adecuado, y la imagen fantasma (Figura 6a) muestra que esto se logró, ya que el tumor se visualiza claramente. El cráneo no se imprimió con 100% de relleno, con el fin de reducir el tiempo necesario para la impresión. Por lo tanto, el cráneo no se ve completamente realista en las imágenes de TC, porque se puede ver la estructura de celosía de la impresión. Esto no es un problema para la aplicación, ya que sólo se necesita el contorno del cráneo para el sistema de neuronavigación. El cráneo podría imprimirse con un relleno 100% para evitar esta precisión reducida de la imagen CT, pero añadiría tiempo al proceso de impresión. Se añadieron microesferas de vidrio al cerebelo, hemisferios cerebrales y tumor para el contraste de ultrasonidos. Los resultados muestran que el tumor también es visible con imágenes por ultrasonido (Figura 6b) y se puede distinguir del tejido circundante. En la inspección visual, las imágenes de ultrasonido obtenidas del fantasma(Figura 6b), y las obtenidas del paciente (Figura 2c) muestran que los agentes de contraste utilizados en el fantasma fueron eficaces para crear propiedades de imagen realistas.
El fantasma fue probado durante la simulación quirúrgica en un quirófano virtual (Figura 7). El modelo fantasma se posicionó en la mesa de operaciones quirúrgica utilizando una abrazadera de cráneo estándar y la tomografía computarizada del fantasma se registró utilizando un sistema de neuronavigación clínica. Se simuló un enfoque retrosigmoide del tumor y el tumor se hizo con una imagen utilizando un sistema de ultrasonido clínico con un transductor de ultrasonido de agujero de rebaba. Durante la simulación quirúrgica, el modelo fantasma demostró ser estable y no se observó ningún daño por manipular el fantasma de la misma manera que el cerebro humano sería durante este procedimiento, por lo que podría ser utilizado repetidamente en las mismas condiciones.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig01.jpg"> Figura 1: Diagrama de flujo para mostrar los pasos necesarios para hacer que un paciente específico PVA-c cerebro fantasma. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig02.jpg"> Figura 2: Datos del paciente utilizados para crear un modelo fantasma. Fuentes de datos de un paciente con un schwannoma vestibular del lado izquierdo: (a) RMN ponderada por T1 con contraste axial, flecha blanca que apunta hacia el tumor; (b) tomografía computarizada axial sin contraste con ventanas para resaltar el hueso, flecha blanca que apunta hacia una carnosa auditiva interna expandida causada por el tumor; (c) imagen de ultrasonido intraoperatorio obtenida durante la cirugía de schwannoma vestibular; (d) imagen de ultrasonido intraoperatorio anotado <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor (hiperecoico en ultrasonido), <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> : cerebro (cerebelo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig03.jpg"> Figura 3: Mallas completadas para cada sección del fantasma. Malla STL para cráneo (a,b), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craneotomía retrosigmoide del lado izquierdo; (c,d) hemisferios cerebrales; (e,f) tumor y 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">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig04.jpg"> Figura 4: molde de cerebelo impreso en 3D. Molde de cerebelo impreso en 3D completamente construido (arriba a la izquierda) y las piezas separadas, que están numeradas del 1 al 4. El orificio de la pieza 2 (denotado por 'H') permite que el PVA-c se vierta en el molde. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig04large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig05.jpg"> Figura 5: Fantasma completado. El fantasma terminado (a) cráneo (b) fantasma con la parte superior del cráneo eliminado: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craneotomía retrosigmoide, <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, cerebro <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> (cerebelo), <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/61344/icon05.jpg"> cerebro (hemisferio cerebral derecho); (c) cerebelo y tumor: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg"> : tumor, cerebro <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">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig06.jpg"> Figura 6: Imágenes de TC y ultrasonido adquiridas con el fantasma. (a) Imagen de TC axial del fantasma completo a través del nivel de la base del cráneo y el tumor, (b) Imagen de ultrasonido intraoperatorio del fantasma adquirida con sonda de ultrasonido de agujero de rebaba a través de la craneotomía retrosigmoide en un plano aproximadamente perpendicular al cráneo (Simulación de cirugía, el cerebelo se retrajo ligeramente con el fin de imagen directamente sobre el tumor). <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61344/icon01.jpg">: tumor, <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/61344/icon04.jpg"> cerebro (cerebelo), <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/61344/icon02.jpg"> : craneotomía retrosigmoide del lado izquierdo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig06large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61344/61344fig07.jpg"> Figura 7: Prueba del fantasma durante la simulación quirúrgica. Prueba del modelo fantasma a través de la simulación quirúrgica en un quirófano virtual. <img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/61344/icon06.jpg">: sistema de neuronavigación que muestra la exploración registrada del modelo fantasma CT, <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/61344/icon03.jpg"> : sistema de ultrasonido utilizado para la imagen del fantasma con un transductor de ultrasonido de agujero de rebaba (visto situado junto al monitor de ultrasonido). Tenga en cuenta que el modelo que se muestra aquí se basa en datos adquiridos de diferentes pacientes con un tumor del lado derecho. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61344/61344fig07large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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

Fabricación fantasma de alcohol polivinílico específica del paciente con ultrasonido y contraste de rayos X para la planificación de la cirugía de tumor cerebral

Este protocolo describe la fabricación de un cráneo específico del paciente, cerebro y fantasma tumoral. Utiliza la impresión 3D para crear moldes, y el alcohol polivinílico (PVA-c) se utiliza como material de imitación de tejido.

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

Los modelos Phantom son herramientas importantes, pero es difícil hacerlos anatómicamente precisos. Este protocolo utiliza tc y ultrasonido para crear un fantasma específico del paciente que incluye un tumor. Utilizamos modelos heterogéneos complejos e impresión 3D para lograr un alto grado de realismo anatómico.Los fantasmas cerebrales específicos del paciente son muy útiles, ya que permiten la planificación quirúrgica y la formación clínica, y permiten a los cirujanos practicar nuevas técnicas y probar nuevos instrumentos y hardware. Después de obtener datos preoperatorios de resonancia magnética ponderada por T1 con contraste y TC volumétrica, cargue las imágenes en un programa de software de modelado 3D y utilice la herramienta de corte plano para dividir la segmentación cerebral en dos hemisferios. Guarde cada hemisferio como archivos STL de cerebro derecho e izquierdo separados e importe los archivos en un programa de software de diseño asistido por computadora adecuado.En el espacio de trabajo de malla, utilice la función de reducción para reducir el tamaño de cada modelo tanto como sea posible para que el programa pueda controlarlo sin dejar de conservar todos los detalles necesarios. En el espacio de trabajo sólido, utilice la herramienta malla a BRep para convertir la malla importada en un sólido que se pueda manipular. Haga clic en crear y cuadro para dibujar una caja alrededor del tumor, girando la vista para asegurarse de que la caja encierra completamente el tumor en todos los lados.En el menú desplegable de la operación, designe el cuadro como un nuevo cuerpo. Haga clic en la pestaña Modificar y utilice la herramienta combinar para cortar el tumor de la caja para crear una caja con una forma hueca del tumor dentro de él. Para crear planos a través del cuadro en los lugares en los que se cortará el molde, haga clic en construir y plano medio para crear un plano a través del centro del cuadro.Haga clic con el botón derecho en el plano medio y seleccione el plano de desfase para colocar el plano con mayor precisión. En la ficha Modificar, utilice la función de sólido dividido para dividir el molde a lo largo de los planos creados y haga clic en Crear croquis y círculo de diámetro central para añadir pequeños remaches circulares a la cara de cada pieza del molde. Haga clic con el botón derecho del 20o para extruir los círculos hacia afuera unos pocos milímetros en una cara y extruirlos hacia adentro en la cara correspondiente.A continuación, guarde cada pieza del molde como un archivo STL independiente. Para imprimir el cerebro 3D y los moldes tumorales, para una impresión más rápida, seleccione una altura de capa grande de aproximadamente 0,2 milímetros y un valor de relleno bajo del 20% en el software de impresión 3D. Si los moldes se colocan adecuadamente en la placa base, los materiales de soporte no deben ser necesarios.Imprima los moldes utilizando un material rígido como el ácido poliláctico. Antes de imprimir el molde de cráneo, seleccione Agregar soporte en el software para utilizar PVA como material de soporte. Para preparar el PVA para los modelos, calienta 1.800 gramos de agua desionizada a 90 grados Celsius en un matraz cónico de dos litros y mide 200 gramos de polvo de PVA.Coloque un agitador electrónico en el matraz, teniendo cuidado de que no toque la parte inferior o los lados. Ajuste la velocidad a 1.500 revoluciones por minuto. Añadir el polvo de PVA al matraz durante un período de unos 30 minutos.Cuando se haya añadido todo el PVA, revuelva la solución durante 90 minutos adicionales. Cuando se haya obtenido un gel pegajoso, retire el matraz del baño de agua y cubra la parte superior con una envoltura de plástico para evitar la formación de una piel encima del material. Una vez enfriar, el PVA aparecerá transparente.Vierta en un vaso de precipitados. Se pueden observar pequeños cristales blancos, pero cualquier burbuja en la superficie debe rasparse suavemente. A continuación, agregue 0,5% de sorbato de potasio al PVA como conservante y revuelva bien la solución.Para preparar los fantasmas, mida suficiente PVA para llenar el molde tumoral en un vaso de precipitados y vierta el resto en un vaso de precipitados separado. Para preparar el PVA para el tumor, agregue 1%microesferas de vidrio para el contraste de ultrasonido y 5%sulfato de bario para el contraste de rayos X al primer vaso de precipitados. Revuelva la solución resultante a mano.Sonicar el vaso de precipitados para asegurar una mezcla homogénea de los aditivos y permitir que la solución se enfríe durante unos 10 minutos, eliminando cualquier burbuja raspando según sea necesario. Asegure el molde tumoral y vierta el PVA a través del orificio en la parte superior del molde. Deje que el PVA descanse durante unos minutos para permitir que cualquier burbuja formada en el proceso de vertido escape a través del agujero, antes de colocar el molde en un congelador de menos 20 grados Centígrados.Después de seis horas, descongele el molde durante seis horas a temperatura ambiente. Repita el ciclo de congelación y descongelación de 12 horas y, a continuación, retire cuidadosamente el molde del modelo. Cree los modelos de cerebelo y hemisferio cerebral en los moldes apropiados como se acaba de demostrar.Después del segundo ciclo de congelación y descongelación para cada pieza de modelo fantasma, retire cuidadosamente los modelos de los moldes y coloque el fantasma tumoral cerebelo en la espiga en la base del modelo inferior del cráneo. Coloque los dos hemisferios cerebrales en la parte superior de la pieza tumoral del cerebelo y coloque los cuatro tacos en cada espacio en el modelo inferior del cráneo. A continuación, coloque el modelo superior del cráneo en la parte superior.Si es necesario, el modelo puede ser maniobrado en la posición deseada para simular su uso intraoperatorio en cirugía. Siguiendo el protocolo como se ha demostrado, se puede fabricar un fantasma anatómicamente realista que consiste en un cráneo, cerebro y tumor específicos del paciente. Las estructuras anatómicas relevantes para el fantasma se segmentan utilizando datos de RMN y TC del paciente.A continuación, se pueden crear mallas para cada pieza del modelo para fabricar los moldes 3D como se ha demostrado. El molde de cerebelo es el más complejo de diseñar y ensamblar. El cráneo es la parte más difícil de imprimir, ya que requiere material de apoyo.El fantasma completado ofrece un modelo realista del cráneo, el cerebro y el tumor del paciente. Los dos hemisferios cerebrales se producen por separado y tienen una apariencia realista con el gyri y el sulci del cerebro. El cerebelo encaja cómodamente en la base del cráneo impreso y los hemisferios cerebrales se encuentran en la parte superior de esta estructura.El tumor es fácilmente visible en el cerebelo ya que el contraste adicional añadido al tumor da como resultado un color blanquecino que lo separa del material circundante al que está unido. El tumor se puede visualizar en el fantasma con imágenes por tomografía computarizada y por ultrasonido. Los datos de ultrasonido intraoperatorio del paciente se pueden utilizar para comparar las imágenes fantasma con las imágenes reales del paciente.Al crear los moldes, preste especial atención a la posición de los cortes para asegurarse de que el fantasma será capaz de ser eliminado cuando se ha solidificado. Mediante la creación de un fantasma cerebral específico del paciente, hemos sido capaces de probar un nuevo sistema de navegación neuronal que también se puede utilizar para entrenar neurocirujanos en el uso de ultrasonido intraoperatorio.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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Investigación

Bioingeniería

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