פרוטוקול זה מתאר את ייצור הגולגולת, המוח ופנטום הגידול הספציפיים למטופל. הוא משתמש בהדפסה תלת-ממדית כדי ליצור תבניות, ואלכוהול פוליוויניל (PVA-c) משמש כחומר חיקוי הרקמה.
פאנטום הם כלים חיוניים להכשרה קלינית, תכנון כירורגי ופיתוח מכשור רפואי חדשני. עם זאת, זה מאתגר ליצור פנטומי ראש מדויקים אנטומית עם תכונות הדמיה מוחית מציאותית כי שיטות ייצור סטנדרטיות אינן ממוטבות כדי לשכפל כל פרט אנטומי ספציפי למטופל וחומרי הדפסה תלת-ממדיים אינם מותאמים למאפייני הדמיה. על מנת לבדוק ולאמת מערכת ניווט חדשנית לשימוש במהלך ניתוח גידול במוח, נדרש פנטום מדויק מבחינה אנטומית עם הדמיה מציאותית ומאפיינים מכניים. לכן, פנטום פותח באמצעות נתוני מטופל אמיתיים כקלט והדפסה תלת מימדית של תבניות כדי להמציא פנטום ראש ספציפי למטופל הכולל את הגולגולת, המוח והגידול עם ניגודיות אולטרסאונד ורנטגן. הפנטום היה גם תכונות מכניות שאיפשרו את רקמת הפנטום להיות מניפולציה באופן דומה לאופן שבו רקמת המוח האנושית מטופלת במהלך הניתוח. הפנטום נבדק בהצלחה במהלך סימולציה כירורגית בחדר ניתוח וירטואלי.
שיטת ייצור הפנטום משתמשת בחומרים מסחריים זמינים וקל להתרבות. ניתן לשתף בקלות את קובצי ההדפסה בתלת-ממד, ואת הטכניקה ניתן להתאים כדי להקיף סוגים רבים ושונים של גידול.
פאנטומים המחקים את התכונות הספציפיות של רקמות ביולוגיות הם משאב שימושי עבור יישומים ניסיוניים והוראה שונים. פאנטומים מחקים רקמות חיוניים כדי לאפיין מכשירים רפואיים לפני השימושהקליני שלהם 1,2 ופנטומים אנטומיים משמשים לעתים קרובות בהכשרת צוות רפואי בכלהתחומים 3,4,5,6,7. פאנטומים אנטומיים ספציפיים למטופל שנעשו עם תכונות מתאימות לחיקוי רקמות הם לעתים קרובות חלק קריטי של סביבת הבדיקה והוא יכול להגביר את הביטחון של רופאים הלומדים להשתמש במכשירחדש 8. עם זאת, עלויות ייצור גבוהות ותהליכי ייצור מורכבים מונעים לעתים קרובות את השימוש השגרתי בפנטומים ספציפיים למטופל. כאן, שיטה מתוארת לייצור עמיד, מודל גידול במוח ספציפי למטופל באמצעות זמין, חומרים מסחריים, אשר ניתן להשתמש בהם עבור אימון ואימות של אולטרסאונד תוך ניתוחי (ארה”ב) באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) הדמיה. הפנטום המתואר במחקר זה נוצר באמצעות נתונים של חולה עם שוואנומה שיווי המשקל (גידול שפיר במוח הנובע מאחד עצבי האיזון המחבר את המוח ואת האוזן הפנימית) אשר לאחר מכן עבר ניתוח כריתה הגידול באמצעות retrosigmoid subraniotomy subraniotomy10. הפנטום פותח על מנת לבדוק ולאמת מערכת ניווט תוך ניתוחית משולבת לשימוש במהלך סוג זה של ניתוח גידול במוח.
על מנת להיות מתאים ליישום זה, פנטום הגידול במוח צריך להחזיק מספר תכונות מפתח. ראשית, זה צריך להיות עשוי מחומרים רעילים, כך שזה יכול לשמש בבטחה בסביבת אימון קליני. שנית, זה צריך להיות תכונות הדמיה מציאותית; עבור היישום המיועד, אלה כוללים במיוחד את ההטלה אולטרסאונד ניגודיות CT. שלישית, זה צריך להיות תכונות מכניות דומות לרקמה אנושית, כך שניתן לטפל בו באותו אופן. רביעית, הפנטום צריך להיות מבוסס על נתוני מטופל אמיתיים, כך שהוא מדויק מבחינה אנטומית ונוהג לשמש לתכנון כירורגי והכשרה. לבסוף, החומרים המשמשים חייבים להיות עמידים, כך הפנטום ניתן להשתמש שוב ושוב.
באופן כללי, חומר חיקוי הרקמות ושיטת ההמצאה שנבחרו עבור פנטום תלויים ביישום המיועד. עבור מבנים נוקשים כמו הגולגולת, המאפיין שנבחר לא צריך להיות מעוות או להיות מסיס במים והוא אמור להיות מסוגל לשמור על רמה מדויקת של פרטים אנטומיים עם שימוש חוזר ונשנה; זה חשוב במיוחד בעת שימוש בפנטום לניסויים שבהם נעשה שימוש ברישום תמונה ולמטרות סימולציה כירורגית. חומרים מבוססי שמן מינרלי כגון שעווהג’ל כבר מבטיח אולטרסאונד 9,11,12 ו photoacoustic13 יישומי הדמיה, עם זאת, כאשר נתון עיוות מכני חוזר הם הופכים פריך, ולכן לא יכול לעמוד בשימוש ממושך, במיוחד עם מכשירים נוירוכירורגיים מיקרוכירורגיים סטנדרטיים. אגר וג’לטין הם חומרים מימיים המשמשים גם כחומרים מחקי רקמות. התוספים הדרושים כדי להתאים את המאפיינים האקוסטיים שלחומרים אלה ידועים היטב 14, אבל יש להם כוח מכני מוגבל והם לא עמידים במיוחד ולכן אינם מתאימים ליישום זה, שבו הפנטום צריך להיות מטופל שוב ושוב.
פוליוויניל אלכוהול קריוגל (PVA-c) היא בחירה פופולרית של חומר מחקה רקמות, כי המאפיינים האקוסטיים והמכניים שלה ניתן לכוונן בקלות על ידי שינוי מחזורי ההפשרה שלה. הוכח כי המאפיינים של PVA-c דומים לאלה שלרקמות רכות 15,16,17,18. PVA-c מבוססי פנטומי המוח שימשו בהצלחה עבור אולטרסאונד והדמיה CT19. החומר חזק מספיק כדי לשמש שוב ושוב, ויש לו רמה גבוהה של גמישות, כך רקמת פנטום עשוי PVA-c ניתן לתפעל מבלי להיות מעוות לצמיתות. חומצה פולילקטית (PLA) הוא חומר קשיח זמין בקלות שימש לייצור הגולגולת, עם זאת, חומר הדפסה שונה ניתן להשתמש במקום PLA, אם יש לו תכונות מכניות דומות והוא לא מסיס במים.
פנטומי המוח בפרט כבר מפוברק בשיטות שונות, בהתאם לרמת המורכבות הנדרשת ואת הרקמות שישלשכפל 20,21,22,23. בדרך כלל, עובש משמש, וחומר חיקוי רקמות נוזלי נשפך לתוכו. מספר מחקרים השתמשו בתבניותמסחריות 24 בעוד שאחרים משתמשים בתבניות מותאמות אישית בהדפסה תלת-ממד של מוח בריא, ומדמה נגעים במוח על ידי השתלת ספירות סמן וצנתריםמתנפחים 19,25. כמיטב ידיעת המחבר, זהו הדו”ח הראשון של מודל פנטום גידול במוח ספציפי למטופל בהדפסה תלת-ממד שנוצר עם תכונות אולטרסאונד ורנטגן מחקות רקמות. ההמצאה הכוללת מתדמית על ידי תרשים הזרימה איור 1; השלמת התהליך כולו אורכת כשבוע.
פרוטוקול זה מפרט את תהליך הייצור של פנטום מוחי ספציפי למטופל, הכולל את הגידול בשוואנומה של הגולגולת, המוח ושיוויון. שיטות הדפסה תלת-ממדיות אפשרו השגת פרטים מדויקים מבחינה אנטומית. הפנטום המתואר כאן יוצר בהצלחה עם הרמה הרצויה של פרטים אנטומיים; CT והדמיה אולטרסאונד שימשו כדי להדגים כי הגידול היה חזותי בקלות עם שתי הטכניקות. חומר חיקוי הרקמה, PVA-c, מבוסס היטב כחומר מחקה רקמות עבור פאנטום קולי; ניתן לכוונן את תכונותיו האקוסטיות והמכניות עם תוספים ומספר מחזורי הפשרת ההקפאה. החומר זמין, פשוט לשימוש ולא רעיל. עם שימוש חוזר ונשנה, הפנטום היה עמיד מספיק כדי לעמוד מניפולציה ומגע עם בדיקה אולטרסאונד במהלך סימולציות פיזיות של ניתוח שוואנומה שיוויבן.
מספר שלבים מרכזיים זוהו כבינויים לתהליך הייצור. ראשית, פילוח המבנים להכללה בפנטום חייב לכלול את הרמה הרצויה של פרטים אנטומיים. היצירה של קבצי STL מדויקים ותבניות 3D לאחר מכן כדלקמן באופן טבעי. שנית, יש לשקול בזהירות את מיקום המטוסים בתוך תבנית המוח הקטן בשלב 3.1.9, כך שניתן יהיה להסיר את הפנטום בקלות, ללא נזק; זה חייב להיות חתוך לחתיכות מספיק כדי לאפשר פרטים אנטומיים להישמר, תוך מתן פנטום להיות מוסר מבלי להיתקע בתבנית. במקרה זה, נבדקו מספר חזרות ולבסוף התבנית נחתכה לארבע חתיכות נפרדות. השיקול העיקרי השלישי הוא כי במהלך תהליך הייצור PVA-c (סעיף 4), PVA-c יש להשאיר להתקרר לטמפרטורת החדר (שלב 4.1.6). אם שלב זה הוא החמיץ ו PVA-c חם מתווסף תבניות, זה יכול לגרום תבניות להמיס או לעוות. זה גם חיוני כי לאחר כדורי זכוכית מתווספים (שלבים 5.1.2 – 5.1.4), PVA-c לא נשאר לשבת במשך יותר מ 10 דקות; אם נשאר לתקופה ממושכת של זמן, כדורי הזכוכית יישבו לתחתית, ואת הפנטום וכתוצאה מכך יהיה ניגוד אולטרסאונד inhomogeneous29. לאחר הוספת כדורי הזכוכית, יש להוסיף את ה- PVA-c ישירות לתבניות ולהניחו במקפיא. לאחר מחזור ההקפאה הראשון, כדורי הזכוכית יהיו מאובטחים במקום, ואת הפנטום ניתן להשתמש בטמפרטורת החדר. לבסוף, חשוב כי התבניות אטומות בקפידה (למשל, עם סרט הדבקה) לפני PVA-c מתווסף, כדי למזער את הדליפה של התערובת דרך פערים שבו חלק נפרד של התבנית חברו יחד.
לפרוטוקול יש מספר מגבלות. לדוגמה, כמה ציוד מומחה נדרש, כולל אמבט מים ומערבב אלקטרוני. Sonicator משמש גם כחלק פרוטוקול זה, אבל שלב sonication (5.1.3) יכול להיות מוחלף עם ערבוב אלקטרוני נוסף; עם זאת, עם חלופה זו, זה ייקח יותר זמן כדי להשיג תערובת הומוגנית מאשר אפשרי עם השימוש sonication. מגבלה אחת של PVA-c היא כי הוא משפיל לאורך זמן הופך מעופש. התוספת של אשלגן סורבט, כמתואר כאן, מגבירה את חיי המדף של הפנטום, אם כי עדיין יש לשמור אותו במיכל אטום לאוויר. מגבלה שנייה של PVA-c היא כי מחזורי הפשרה בהקפאה נדרשים, מה שמגדיל את משך הזמן הנדרש כדי להפוך את הפנטום. כדי למזער את זמן ייצור הפנטום, שיקול מרכזי הוא מהירות ההקפאה וההפשרה; ברגע שהפנטום קפוא לחלוטין או מופשר במלואו, הזמן שהוא נשאר במצב זה אינו משפיע באופן משמעותי עלהפנטום הסופי 16,30. לכן, אורכי המחזור המשמשים יכולים להיות מגוונים, בתנאי שהפנטום קפוא לחלוטין ומופשר בכל שלב במחזור. לדוגמה, הגידול בפנטום של מחקר זה הוא קטן מאוד, כך מחזורים קצרים יותר יכול לשמש עבור הגידול מאשר עבור המוח. לבסוף, הדפסה תלת מימדית של התבניות והגולגולת היא תהליך שצורך חלק משמעותי (3 ימים) מהזמן הכולל (שבוע) הנדרש כדי להמציא פנטום עם פרוטוקול זה. המדפסת בה נעשה שימוש הייתה דגם מסחרי משנת 2018; ניתן להשלים את תהליך ההדפסה במסגרות זמן קצרות יותר עם שימוש במדפסות חדשות ומהירות יותר.
פנטום המוח המוצג כאן יכול לשמש ישירות לאימון קליני ואימות של מערכות נוירון. כחומר חיקוי הרקמה, PVA-c מאפשר להשתמש בפנטום שנוצר שוב ושוב, למשל ככלי אימון או לאימות אולטרסאונד תוך ניתוחי בניתוח שוואנומה שיווי משקל, מכיוון שהוא חומר עמיד ולא רעיל. ככזה, שיטת ההמצאה משלימה לאלה שתוארו בעבר שבהם נעשה שימוש בהדפסה תלת-ממדית כדי ליצור פאנטומים שלהמוח הספציפי למטופל 20,21,22,23,24,25. השימוש PVA-c כמו TMM עושה את הפנטום מתאים לשימוש בסימולציה של נוירוכירורגיה, כמו החומר יכול לעמוד מניפולציה ידנית חוזרת ונשנית ומגע מבדיקה אולטרסאונד. עבודה זו קובעת את הקרקע למחקרי אימות כמותיים נוספים. שיטת הפנטום המתוארת כאן היא רב-תכליתית מאוד ויתשמש לייצור סוגים רבים של פאנטומים של גידולים ספציפיים למטופל, המשתרעים מהמוח לאיברים אחרים, עם תאימות על פני מספר שיטות הדמיה.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים דניל Nikitichev ו Steffi מנדס על עצתם על השימוש Meshmixer ופרננדו פרז-גרסיה על עצתו על שימוש 3D Slicer ועל מתן לנו קוד כדי להפוך חלק שלבי העיבוד.
עבודה זו נתמכה על ידי Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], מימון MRC [MC_PC_17180] וערעור המוח הלאומי [NBA/NSG/SBS]. טלוויזיה נתמכת על ידי מדטרוניק Inc / רויאל האקדמיה למחקר הנדסי יו”ר [RCSRF1819 \7\34].
AutodeskFusion 360 | Autodesk Inc., San Rafael, California, United States | https://www.autodesk.co.uk/products/fusion-360/overview | CAD software |
Barium sulphate | Source Chemicals | – | |
CT scanner | Medtronic Inc, Minneapolis, USA | – | O-arm 3D mobile X-ray imaging system |
Glass microspheres | Boud Minerals | ||
Mechanical stirrer | IKA | 4442002 | Eurostar Digital 20, IKA |
Meshmixer | Autodesk Inc., San Rafael, California, United States | http://www.meshmixer.com | 3D modelling software. Version 3.5.484 used |
Neuronavigation system | Medtronic Inc, Minneapolis, USA | – | S7 Stealth Station |
PLA | Ultimaker (Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands) | UM9016 | |
Potassium sorbate | Meridianstar | – | |
PVA | Ultimaker | – | |
PVA powder | Sigma-Aldrich | 363146 | 99%+ hydrolysed, average molecular weight 85,000-140,000 |
Sonicator | Fisher Scientific | 12893543 | |
Ultimaker Cura | Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands | https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura | 3D printing software. Version 4.0.0 used |
Ultimaker S5 Printer | Ultimaker BV, Utrecht, Netherlands | – | |
Ultrasound scanner | BK Medical, Luton, UK | – | BK 5000 scanner |
Water bath | IKA | 20009381 | HBR4 control, IKA |
3D Slicer | http://slicer.org | – | Software used to segment patient data. Version 4.10.2 used |