患者特异性聚乙烯酒精幻影制造与超声波和X射线对比脑肿瘤手术规划

这项研究根据《赫尔辛基宣言》中表达的原则进行，并经国家保健系统健康研究局和研究伦理委员会（18/LO/0266）批准。获得知情同意，所有成像数据在分析前都完全匿名。 1. 数据 获取术前对比度增强型 T1 加权磁共振成像 （MRI） 和体积计算断层扫描 （CT） 数据。 如果以医学数字成像和通信 （DICOM） 格式获得，请转换为神经成像信息学技术倡议26 （NiFTI） 格式进行处理和分析。 获取术内超声波数据。 2. 分割 安装软件以对患者数据进行分段。 头骨分割注： 分割头骨的步骤大致遵循克莱默和奎格利概述的步骤27 上 https://radmodules.com/，但被调整，以创建一个适当大小的颅骨切除术。在分段软件中加载患者的体积 CT 扫描，打开 分段编辑器模块 并创建新名为”骷髅”的分段。 使用”阈值”功能突出显示头骨。 删除任何不需要的分段（例如，皮肤钙化、可骨、C1/2、胶体过程、CT 患者框架以及图像中嵌入的任何注释）。使用”剪刀”功能在 3D 中查看模型时移除零件，并使用”擦除”功能手动断开任何不需要的结构后使用”岛屿”功能。 使用”油漆”和”绘制”功能（例如，乳腺骨的皮质边缘和乳腺骨）手动校正在阈值过程中遗漏的任何间隙。 使用”绘制”和”绘制”函数填充前兆，并创建一个 5 mm 突出的尖峰，可保护幻像模型的下部。注：尖峰的位置最好在日冕和下垂图像平面上确定。 应用”平滑”功能。使用 1.0 mm（3 × 3 × 1 像素）的中位数平滑设置，以最大限度地减少丢失的细节量。注：如果幻像模型必须包括一个完整的完整的头骨（例如，为了便于手术模拟创建一个适当的位置颅骨切除术），移动到步骤2.2.15;但是，如果模型中需要颅骨切除术，请完成步骤 2.2.7 到 2.2.14。 单击”添加”以添加新的分段并将其名称为”骷髅颅骨切除术”。 在 “分段”模块 中，使用”复制/移动分段”选项卡将”骷 髅”分割复制到”骷髅颅骨切除术 “。注：为了能够执行步骤 2.2.9 到 2.2.13 中所述的功能，需要”骷髅”和”骷髅颅骨切除术”分割 使用”剪刀”功能在”骷髅颅骨切除术”中去除大小适当的颅骨切除术。注：这样创建颅骨切除术也将移除另一侧的颅骨部分，因此需要步骤 2.2.11 到 2.2.14。 单击 “添加” 并添加新的分段;命名它 ‘只有颅骨切除术’ 。 在”仅颅骨切除术”中，选择分割”骷髅颅骨切除术”，并使用”逻辑运算符”功能从”骷髅切除术”中减去”骷髅颅骨切除术”。 使用”剪刀”功能擦除肿瘤正确一侧所需的颅骨切除术以外的所有内容，从而节省”仅颅骨切除术”。 在”骷髅颅骨切除术”中，使用”逻辑运算符”函数从”骷髅切除术”中减去”仅颅骨切除术”并保存。 打开”分段” 模块，导出”骷髅颅骨切除术”作为立体光刻 （STL） 文件。 打开 3D 建模软件并导入 STL 文件”骷髅颅骨切除术”。注：如果模型以条纹粉红色显示，通过选择完整的模型（选择”翻转”）完成”翻转法线”|双击）然后 ‘编辑|翻转法线’。模型现在将变成灰色，可以编辑。确保”视图对象浏览器”已打开。 减少三角形的数量，以缩短计算时间。 选择完整的模型（选择|双击 将模型变为橙色），然后 ‘编辑|减少’。默认的”减少”功能设置为 50%，因此重复，直到达到所需的缩减。目标是三角形总数 < 500，000。 应用 “平滑 “功能， 确保 “形状保留” 框保持勾选。选择完整的模型，然后”变形|平滑’。 单击”分析”，然后单击”检查器”，然后使用此函数检测模型中的任何小缺陷，然后单击自动修复（建议”平填充”选择）。 使用”编辑/平面”剪切功能剪切”骷髅”以创建顶部和底部。选择 [保留两个切片] 和 [重新填充]填充类型。使用”着色器”功能将头骨更改为透明，以提供更好的头骨内部视图，并调整平面，使其与头骨底座平行。 通过选择”编辑”来分隔|将外壳’和重命名Skull_Top””和Skull_Bottom”。注：不要移动其位置。单击”眼睛”图标可从视图中删除其中一个。 单击”Meshmix”，然后选择”圆柱体”以创建定位销，并编辑大小为 4 mm × 10 mm × 4 mm（’编辑|转换 ‘）。通过单击Skull_Bottom从视图中删除的眼睛图标来隐藏”Skull_Bottom”。 选择 ‘编辑|对齐平面。将出现一个附加的透明圆柱体。在”对齐”窗口中，为”目标”选择”曲面点”（左键端透明圆柱体）和”移动 +左键下”的”Skull_Top”）。 使用 ‘编辑|变换’功能使用绿色箭头将定位销移动到头骨中，并使用蓝色和红色箭头调整位置。重命名”Dowel_Anterior”。 在对象浏览器中，浏览器制作 3 个副本Dowel_Posterior””Dowel_Left”””Dowel_Right”。 使用”编辑”将每个定位销移动到|转换’ 函数。注：请勿移动或更改定位销在绿色平面中的位置。 创建每个副本，但将所有副本保留在同一位置，并创建一个额外的定位销，并调整为 3 mm × 10 mm × 3 mm。 使用”布尔差”功能为头骨中的定位器创建孔。首先选择Skull_Top”，然后在对象浏览器中选择一个定位。在 [布尔差]选项卡中，确保关闭 [自动减少] 。对每个定位销进行又重复。 隐藏”Skull_Top”，并查看”Skull_Bottom”，然后对每个定位销重复上述”布尔差”功能。 导出”Skull_Top”，”Skull_Bottom”和”Dowel”作为单独的二进制STL文件。 脑组织分割 上传大脑的对比度增强型T1MRI，http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF并下载其输出。这是一个开源的分包工具，用于T1加权图像，利用测地线信息流（GIF）算法28执行大脑提取和组织分割。 打开分段软件并加载对比度增强的 T1 MRI 和 GIF 分包输出文件。 打开”分段编辑器”模块并创建新的分段。 选择适当的标签并组合它们以形成单个分段。例如，脑和死头膜标签图可以组合创建一个模型，称为”大脑”，中脑、脑干、小脑和紫外结构可以组合在一起，以创建第二个模型，称为”脑脑”。 使用”平滑”功能（建议中位数 2.00 mm，5 × 5 × 3 像素）。 使用”剪刀”功能删除任何不需要的或错误的分段。 保存”大脑”和”小脑”分段。 打开”分段”模块，导出”大脑”和”小脑”作为STL文件。 肿瘤分割 打开分段软件并加载对比度增强型 T1 MRI。 打开”段编辑器”模块并创建新名为”Tumor”的细分。 使用”阈值”功能突出显示肿瘤。 使用”绘制”、”绘制”和”擦除”功能更正分割。 应用”平滑”功能（建议中位数 2.00 mm 5 x 5 x 3 像素）。 创建名为”Cerebellum_Tumor”的新分段。 使用”逻辑运算符”和”逻辑运算符”组合”Cerebellum”模型和”|添加’ 函数。 保存”肿瘤”和”Cerebellum_Tumor”分段。 打开”分段”模块，导出”肿瘤”和”Cerebellum_Tumor”作为 STL 文件。注：在分段过程结束时，提供以下文件：”Skull_Top”，”Skull_Bottom”，”杜维尔”，”大脑”，”小脑”，”肿瘤”，”Cerebellum_Tumor”。 3.3D脑/肿瘤模具和骷髅的印刷 创建大脑和肿瘤模具 使用 3D 建模软件中的”平面切割”工具将”大脑”分割成两个半球。 将每个半球保存为单独的 STL 文件”右脑”和”左脑”。 将 STL 文件”Tumor”导入计算机辅助设计 （CAD） 软件。 单击 [网格] 选项卡，然后使用 [减少] 函数来减小模型的大小，以便程序可以处理它 – 目的是尽可能减小大小，同时保留所有必要的细节。 单击”实体” 选项卡并使用”网格到 BRep”工具将导入的网格转换为可操作的实体。如果无法完成此操作，则在步骤 3.1.3 中网格未减小。 单击 [创建[然后[框’，并在肿瘤周围绘制一个框。选择此选项可创建此”新身体”，并旋转视图以确保框将肿瘤完全封闭在四面。 在修改选项卡中，使用”组合”工具从框中切割肿瘤（工具体）。”目标体”。然后，这将留下一个盒子，里面有肿瘤的空心形状。 检查空出框是否存在。将这个盒子切成适当数量的碎片，这样一旦模具被填充，就可以在不损坏内部幻象的情况下被分得来。对于这里的肿瘤，它足以将盒子一分为二，但对于幻象的其他部分，需要更多的碎片。 在需要切割模具的位置通过框创建平面。单击[构造” 然后[ 中平面 ” 通过框的中心创建平面。右键单击创建的平面并选择”偏移平面”以更精确地定位平面。 使用”修改”选项卡中的”拆分主体”功能沿创建的平面拆分模具。 通过右键单击并选择”移动/复制”，移动模具的单个部分，使所有件件都朝向外。 通过单击”创建草图”然后”中心直径圆”，并在每个面上绘制小圆圈，将铆钉添加到模具的每一块表面（以便它可以牢固地配合在一起）。右键单击[拉伸] 这些圆圈在一张表面上向外几毫米， 并在相应的表面上向内拉伸它们。注：向内挤压的圆需要比向外挤压的圆稍大一点（大约 1.5 mm），以便它们能紧贴在一起。 将模具的每一块保存为单独的 STL 文件。 对于”脑左”，”右脑”和”小脑肿瘤”，重复步骤 3.1.4 = 3.1.14。注：使用文件”小脑肿瘤”，而不仅仅是”小脑瘤”来创建模具意味着模具中将有一个空间，用于在构建过程中插入肿瘤。 打印 3D 模具 安装或打开 3D 打印软件。 打开打印软件中模具的每一件 STL 文件，然后旋转它，以便它平放在构建板上。可以向构建板添加多个模具件并同时打印这些模具。 选择大层高度（约 0.2 mm）和低填充值（约 20%）加快打印速度。使用刚体材料（如聚乳酸 （PLA））打印模具。如果模具位置适当，则不需要支撑材料。 打印骷髅 打开打印软件中的”骷髅顶部”文件，选择大层高度（约 0.2 mm）和低填充值（约 20%）。 在 PLA 中打印头骨模型，但与步骤 3.2.3 相比，需要支持材料，因此在软件中选择”添加支持”。PVA 用作支撑材料，因为它以后可以用水溶解。 对于”骷髅底部”，重复步骤 3.3.1 和 3.3.2。 一旦头骨的顶部和底部被打印出来，将它们淹没在水中过夜，以溶解PVA支撑材料。注：如果使用温水，支撑材料会更快地溶解，但如果水太热，就会使印刷的PLA变形。因此，最好使用冷水，让印刷品过夜。 4. PVA-c 的准备工作 测量 200 g PVA 粉末并设置在侧面。 将 1800 g 的去电水加热至 90°C，并加入 2L 圆锥烧瓶中。注：水需要几乎沸腾，所以PVA粉末很容易溶解，但如果水达到100°C，一些将损失蒸发，这是要避免的。 将锥形烧瓶悬浮在温度控制水浴中，温度设置为 90°C。 将电子搅拌器放在烧瓶中，确保它不会接触底部或侧面，并设定转速为 1500 rpm。注：检查水是否均匀搅拌，两侧或底部没有停滞点。 逐渐将PVA粉末加入圆锥烧瓶，超过30分钟，然后离开它搅拌约90分钟。所得凝胶是组织模仿材料PVA-c。 从水浴中取出锥形烧瓶，将内装物倒入烧杯中。用保鲜膜盖住顶部，防止在PVA-c顶部形成皮肤。让 PVA-c 冷却至室温（约 20°C）。冷却后，PVA-c 将透明。微小的白色晶体在PVA-c中可以看到，但表面出现的任何气泡都必须轻轻刮掉。 将0.5 w/w%山梨酸钾加入PVA-c作为防腐剂，并手动搅拌。 PVA-c 如果在浇注到模具之前，在保鲜膜中覆盖几天，可以在室温下保持。 5. 幻影装配 测量出足够的PVA-c，将肿瘤模具填充到烧杯中。 在肿瘤的PVA-c中，加入1个w/w%玻璃微球进行超声波对比，加入5 w/w% 硫酸盐进行X射线对比，然后用手搅拌。注：可能需要测量出肿瘤的过量PVA-c，以便这些百分比是可测量的量。 对烧杯进行声波化，以确保添加剂的均匀混合。 离开冷却，让任何形成的气泡逃脱，大约10分钟，然后刮掉表面的任何气泡。注：在将 PVA-c 倒入模具之前，不要长时间离开，不要超过 10 分钟，因为玻璃球会沉淀到烧杯底部。一旦幻像被冻结，这将不再是一个问题，最终的幻像可以在室温下使用。 将肿瘤模具固定在一起（胶带可用于覆盖模具中的连接），并通过模具顶部的孔倒入 PVA-c 中。离开几分钟，让浇注过程中形成的任何气泡从孔中逸出，然后直接放入冰柜中。 对肿瘤进行两次冷冻循环;这里的每个周期包括6小时冷冻在-20°C和6小时在室温下解冻。然后，小心地从模具中取出。 将肿瘤放入小脑模具中的相应空间，然后构造小脑模具的其余部分并固定在一起。 到剩余的PVA-c添加0.05 w/w%玻璃微球，然后重复步骤5.1.3和5.1.4。 将PVA-c倒入小脑模具中，使其包围已放置在内部的肿瘤。此外，将混合物倒入每个大脑半球的模具中。 在每个大脑半球和小脑上执行两个冷冻循环;这里的每个周期包括24小时冷冻在-20°C和24小时在室温下解冻。注：12小时冷冻后12小时解冻的循环也有效，允许在更短的时间内创建幻像。选择24小时，方便应用，避免每12小时返回实验室。 幻象第二次解冻后，小心地将其从模具中取出并放入打印的头骨中。注：不使用时，已完成的 PVA-c 幻像应存放在冰箱中的密封容器中，并可按此方式保存数周 要完成，请将”脑肿瘤”幻象放在”骷髅底部”模型底部的尖峰上。两个脑半球（”左脑”和”右脑”）的模型被放置在顶部，并插入到”小脑肿瘤”的最上面部分。 将四个定位销放在”骷髅底部”模型的每个空间中，并在顶部放置”骷髅顶部”模型。如果需要，模型可操纵到所需位置，以模拟手术中的术中使用。 6. 幻影成像 超声成像 将超声波凝胶涂抹到成像探头上。注：凝胶不在术中使用，但可用于模拟，不会显著改变临床工作流程或采集图像的质量。 通过颅骨切除术对大脑和肿瘤进行成像，使用临床扫描仪和毛刺孔探针。 CT 成像 在 CT 扫描仪中成像整个幻像。