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Bioingegneria

Fabbricazione fantasma di alcol polivinile specifico per il paziente con ultrasuoni e contrasto a raggi X per la pianificazione della chirurgia del tumore al cervello

Published: July 14, 2020
doi:
10.3791/61344
, , , , , , ,
1Wellcome / EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences,University College London, 2Department of Medical Physics and Biomedical Engineering,University College London, 3Department of Neurosurgery,National Hospital for Neurology and Neurosurgery, 4School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences,King’s College London, 5The Ear Institute,University College London, 6The Royal National Throat, Nose and Ear Hospital, London

Summary

Questo protocollo descrive la fabbricazione di un paziente specifico del cranio, del cervello e del tumore fantasma. Utilizza la stampa 3D per creare stampi e l’alcol polivinilico (PVA-c) viene utilizzato come materiale imitante tissutale.

Abstract

I fantasmi sono strumenti essenziali per l’allenamento clinico, la pianificazione chirurgica e lo sviluppo di nuovi dispositivi medici. Tuttavia, è difficile creare fantasmi della testa anatomicamente accurati con proprietà realistiche di imaging cerebrale perché i metodi di fabbricazione standard non sono ottimizzati per replicare alcun dettaglio anatomico specifico del paziente e i materiali di stampa 3D non sono ottimizzati per le proprietà di imaging. Al fine di testare e convalidare un nuovo sistema di navigazione da utilizzare durante la chirurgia del tumore al cervello, era necessario un fantasma anatomicamente accurato con immagini realistiche e proprietà meccaniche. Pertanto, un fantasma è stato sviluppato utilizzando i dati reali dei pazienti come input e stampa 3D di stampi per fabbricare un fantasma della testa specifico del paziente che comprende il cranio, il cervello e il tumore con ultrasuoni e contrasto a raggi X. Il fantasma aveva anche proprietà meccaniche che permettevano al tessuto fantasma di essere manipolato in modo simile al modo in cui il tessuto cerebrale umano viene gestito durante l’intervento chirurgico. Il fantasma è stato testato con successo durante una simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale.

Il metodo di fabbricazione fantasma utilizza materiali disponibili in commercio ed è facile da riprodurre. I file di stampa 3D possono essere facilmente condivisi e la tecnica può essere adattata per includere molti tipi diversi di tumore.

Introduction

I fantasmi che imitano le proprietà specifiche dei tessuti biologici sono una risorsa utile per varie applicazioni sperimentali e didattiche. I fantasmi che imitano i tessuti sono essenziali per caratterizzare i dispositivi medici prima del lorouso clinico 1,2 e i fantasmi anatomici sono frequentemente utilizzati nella formazione del personale medico in tutte lediscipline 3,4,5,6,7. I fantasmi anatomici specifici del paziente realizzati con adeguate proprietà di imitazione dei tessuti sono spesso una parte critica dell’ambiente di test e possono aumentare la fiducia dei medici che stanno imparando a utilizzare un nuovo dispositivo8. Tuttavia, gli elevati costi di produzione e i complessi processi di fabbricazione spesso impediscono l’uso di routine di fantasmi specifici del paziente. Qui, viene descritto un metodo per la produzione di un modello di tumore al cervello durevole e specifico del paziente utilizzando materiali commerciali prontamente disponibili, che possono essere utilizzati per l’allenamento e la convalida di ultrasuoni intraoperatori (US) utilizzando l’imaging computerizzato della tomografia (CT). Il fantasma descritto in questo studio è stato creato utilizzando i dati di un paziente con uno schwannoma vestibolare (un tumore benigno al cervello derivante da uno dei nervi dell’equilibrio che collegano il cervello e l’orecchio interno) che successivamente è stato sottoposto a chirurgia e resezione tumorale tramite una craniotomia suboccipitale retrosigmoide10. Il fantasma è stato sviluppato al fine di testare e convalidare un sistema di navigazione intraoperatoria integrato per l’uso durante questo tipo di chirurgia del tumore al cervello.

Per essere adatto a questa applicazione, il fantasma tumorale cerebrale deve possedere diverse proprietà chiave. In primo luogo, dovrebbe essere fatto di materiali non tossici, in modo che possa essere tranquillamente utilizzato in un ambiente di allenamento clinico. In secondo luogo, dovrebbe avere proprietà di imaging realistiche; per l’applicazione prevista, questi includono specificamente l’attenuazione degli ultrasuoni e il contrasto CT. In terzo luogo, dovrebbe avere proprietà meccaniche simili al tessuto umano in modo che possa essere maneggiato allo stesso modo. In quarto luogo, il fantasma dovrebbe essere basato su dati reali del paziente, in modo che sia anatomicamente accurato e possa essere utilizzato per la pianificazione chirurgica e l’allenamento. Infine, i materiali utilizzati devono essere durevoli, in modo che il fantasma possa essere utilizzato ripetutamente.

In generale, il materiale che imita i tessuti e il metodo di fabbricazione scelto per un fantasma dipende dall’applicazione prevista. Per strutture rigide come il cranio, la proprietà scelta non deve deformarsi o essere solubile in acqua e dovrebbe essere in grado di mantenere un livello accurato di dettaglio anatomico con uso ripetuto; questo è particolarmente importante quando si utilizza il fantasma per esperimenti in cui viene utilizzata la registrazione delle immagini e per scopi di simulazione chirurgica. I materiali a base di olio minerale come la cera gel sono stati promettenti per le applicazioni di imagingad ultrasuoni 9,11, 12 e fotoacustici13, tuttavia, quando sottoposti a ripetute deformazioni meccaniche diventano friabili, quindi non possono resistere all’uso prolungato, specialmente con strumenti neurochirurgia microchirurgici standard. L’agar e la gelatina sono materiali acquosi che sono anche comunemente usati come materiali che imitano i tessuti. Gli additivi necessari per regolare le proprietà acustiche di questi materiali sonoben noti 14, ma hanno una resistenza meccanica limitata e non sono particolarmente resistenti, quindi non sono adatti per questa applicazione, dove il fantasma deve essere maneggiato ripetutamente.

Il criogel di alcol polivinile (PVA-c) è una scelta popolare di materiale che imita i tessuti, perché le sue proprietà acustiche e meccaniche possono essere facilmente sintonizzate variando i suoi cicli di congelamento-scongelamento. È stato dimostrato che le proprietà del PVA-c sono simili a quelle dei tessuti molli15,16,17,18. I fantasmi cerebrali basati su PVA-c sono stati utilizzati con successo per gli ultrasuoni e l’imagingTC 19. Il materiale è abbastanza forte da essere usato ripetutamente, e ha un alto grado di elasticità, quindi il tessuto fantasma fatto di PVA-c può essere manipolato senza essere permanentemente deformato. L’acido polilattico (PLA) è un materiale rigido prontamente disponibile ed è stato utilizzato per produrre il cranio, tuttavia, un diverso materiale di stampa può essere utilizzato al posto del PLA, se ha proprietà meccaniche simili e non è solubile in acqua.

I fantasmi cerebrali in particolare sono stati fabbricati utilizzando diversi metodi, a seconda del livello di complessità richiesto e dei tessuti che devono esserereplicati 20,21,22,23. Di solito, viene utilizzato uno stampo e viene versato materiale liquido che imita i tessuti. Alcuni studi hanno utilizzato stampi commerciali24 mentre altri usano stampi personalizzati stampati in 3D di un cervello sano e simulano lesioni cerebrali impiantando sfere marcatori e cateteri gonfiabili19,25. Per quanto ne so, questo è il primo rapporto di un modello fantasma tumorale cerebrale specifico del paziente stampato in 3D creato con ultrasuoni che imitano i tessuti e proprietà a raggi X. La fabbricazione totale è visualizzata dal diagramma di flusso nella figura 1; il completamento dell’intero processo richiede circa una settimana.

Protocol

Questo studio è stato condotto secondo i principi espressi nella Dichiarazione di Helsinki ed è stato approvato dall’Autorità per la ricerca sanitaria del SSN e dal Comitato etico della ricerca (18/LO/0266). È stato ottenuto il consenso informato e tutti i dati di imaging sono stati completamente anonimizzati prima dell’analisi. 1. Dati Ottenere dati di risonanza magnetica ponderata T1 (MRI) e tomografia computerizzata volumetrica (CT) potenziati dal contrasto preoperatorio. Se acquisito in formato DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), convertirsi in formato Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) per l’elaborazione e l’analisi. Ottenere dati ecografiche intraoperatori. 2. Segmentazione Installare software con cui segmentare i dati del paziente. Segmentazione del cranioNOTA: I passaggi coinvolti nella segmentazione del cranio seguono ampiamente quelli delineati da Cramer e Quigley27 su https://radmodules.com/, ma sono adattati per creare una craniotomia di dimensioni adeguate.Caricare la TAC volumetrica del paziente nel software di segmentazione, aprire il modulo Editor segmenti e creare una nuova segmentazione denominata ‘Skull’. Usate la funzione’ Soglia’ per evidenziare il cranio. Rimuovere eventuali segmentazioni indesiderate (ad esempio, calcificazioni cutanee, madibola, C1/2, processo dello stiloide, frame del paziente CT e eventuali annotazioni incorporate all’interno dell’immagine). Usate la funzione ‘Forbici’ per rimuovere le parti quando si visualizza il modello in 3D e fare uso della funzione ‘Isole’ dopo aver scollegato manualmente tutte le struttureindesiderateusando la funzione ‘ Cancella ‘. Correggere manualmente eventuali spazi vuoti nella segmentazione che sono stati mancati durante la soglia usando le funzioni ‘Paint’ e ‘Draw’ (ad esempio, papyracea lamina, bordo corticale dell’osso mastoide e osso etmoide). Usate le funzioni ‘Paint’ e ‘Draw’ per riempire il foramen magnum e creare un picco sporgente di 5 mm su cui la parte inferiore del modello fantasma può essere fissata.NOTA: La posizione del picco è meglio determinata sui piani di immagine coronale e sagittale. Applicate la funzione ‘Smoothing’. Usa un’impostazione di smussatura mediana di 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixel) per ridurre al minimo la quantità di dettagli persi.NOTA: Se il modello fantasma deve includere un cranio integro completo (ad esempio, per facilitare la simulazione chirurgica della creazione di una craniotomia posizionata in modo appropriato), passare al passaggio 2.2.15; tuttavia, se nel modello è necessaria una craniotomia, completare i passaggi da 2.2.7 a 2.2.14. Fare clicsu’ Aggiungi ‘ per aggiungere una nuova segmentazione e denominarla ‘Cranio Craniotomy’. Nel modulo ‘Segmentazioni’ copiare la segmentazione ‘Teschio’ su ‘Cranio Craniotomy’ utilizzando la scheda ‘Copia/Sposta segmenti’.NOTA: Entrambe le segmentazioni “Cranio” e “Cranio Craniotomia” sono necessarie per poter svolgere le funzioni descritte nei passaggi da 2.2.9 a 2.2.13 Utilizzare la funzione “Forbici” per rimuovere una craniotomia di dimensioni appropriato in ‘Craniotomia cranica’.NOTA: La creazione della craniotomia in questo modo rimuoverà anche una porzione di teschio sul lato opposto, da cui la necessità di passi da 2.2.11 a 2.2.14. Fare clic su ‘Aggiungi’ e aggiungere una nuova segmentazione; chiamalo ‘Craniotomy Only’. In ‘Solo craniotomia’ selezionare la segmentazione ‘Cranio Craniotomia’ e utilizzare la funzione ‘Operatore logico’ per sottrarre ‘Craniotomia cranica’ da ‘Cranio’. Utilizzare la funzione ‘Forbici’ per cancellare tutto tranne la craniotomia desiderata sul lato corretto del tumore, salvando ‘Craniotomia solo’. In ‘Cranio Craniotomy’ usa la funzione ‘Operatore Logico’ per sottrarre ‘Craniotomia solo’ da ‘Teschio’ e salvare. Apriteil modulo ‘ Segmentations’ ed esportate la ‘Craniotomia teschio’ come file stereolitografico (STL). Aprire il software di modellazione 3D e importare il file STL ‘Skull Craniotomy’.NOTA: se il modello viene visualizzato in rosa a strisce, completate la funzione ‘Inverti normali’ selezionando il modello completo(Selezionate | Fare doppio clicsu , quindi su ‘Modifica | Capovolgi normali’. Il modello diventerà ora grigio e può essere modificato. Verificare che’ Visualizza visualizzatoreoggetti ‘ sia attivato. Ridurre il numero di triangoli per migliorare il tempo computazionale. Selezionate il modello completo(Selezionate | Il doppio clic diventa arancione per il modello, quindi’ Modifica | Riduci’. La funzione di default ‘Reduce’ è impostata al 50%, quindi ripetere fino a raggiungere la riduzione desiderata. Puntare a un numero totale di triangoli < 500.000. Applicare lafunzione ‘ Smoothing’ assicurando che la casella ‘Shape Preserving’ rimanga selezionata. Selezionate il modello completo, quindi ‘Deforma (Deform | Liscio’. Fare clic su ‘Analisi ‘, quindi su ‘Ispettore’e utilizzare questa funzione per rilevare eventuali piccoli difetti nel modello e fare clic su Ripristino automatico (suggerire la selezione ‘Flat-fill’). Tagliare ‘Skull’ per creare una parte superiore e inferiore utilizzando la funzione di taglio ‘Edit/Plane’. Selezionare il tipo di riempimento ‘Keep Both Slices’e ‘ Remeshed’. Cambia teschio in trasparente con la funzione ‘Shaders’ per fornire una migliore visione interna del cranio e regolare il piano in modo che sia parallelo alla base del cranio. Separare le shell selezionando ‘Modifica | Separare le shell’ e rinominare ‘Skull_Top’ e ‘Skull_Bottom’ all’interno del browser degli oggetti.NOTA: Non spostare le loro posizioni. Fare clic sull’icona dell’occhio per rimuovere l’uno o l’altro dalla visualizzazione. Fate clic su ‘Meshmix’, quindi selezionate ‘Cilindro’ per creare un tassello e modificate le dimensioni a 4 mm × 10 mm × 4 mm (‘Modifica | Trasforma». Nascondere ‘Skull_Bottom’ facendo clic sull’icona dell’occhio da rimuovere dalla visualizzazione. Selezionare ‘Modifica | Allinearei piani. Apparirà un cilindro trasparente aggiuntivo. Nella finestra ‘Allinea’ scegliete ‘Punto superficie’ (clic sinistro clic su estremità cilindro trasparente) per ‘Origine’ e ‘Punto superficie’ (MAIUSC + sottosuolo clic sinistro di ‘Skull_Top’) per ‘Destinazione’. Utilizzodell’opzione ‘ Modifica | Lafunzione Trasforma ‘ sposta il tassello nel cranio usando la freccia verde e regola la posizione con frecce blu e rosse. Rinominare ‘Dowel_Anterior’. Nel visualizzatore oggetti creare 3 copie e rinominare ‘Dowel_Posterior’, ‘Dowel_Left’ e ‘Dowel_Right’. Spostare ogni tassello nella posizione desiderata utilizzando l’opzione ‘Modifica | Transform’.NOTA: Non spostare o modificare la posizione del tassello nel piano verde. Creare copie di ciascuna, ma conservare tutte le copie nella stessa posizione e creare un tassello aggiuntivo e ridimensionare a 3 mm × 10 mm × 3 mm. Creare fori per i tasselli nel cranio usando la funzione ‘Differenza booleana’. Selezionare prima ‘Skull_Top’ e quindi selezionare un tassello nel visualizzatore oggetti. Nella scheda ‘Differenza booleana’ assicura che ‘Riduzione automatica’ sia disattivata. Ripetere per ogni tassello a turno. Nascondere ‘Skull_Top’ e visualizzare ‘Skull_Bottom’ ripetendo a turno la funzione ‘Differenza booleana’ precedente per ogni tassello. Esportare ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’ e ‘Dowel’ come file STL binari separati. Segmentazione del tessuto cerebrale Carica la risonanza prima di T1 migliorata a contrasto del cervello per http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF e scaricarne l’output. Questo è uno strumento di parcellazione open source per immagini ponderate T1 che utilizza un algoritmo GIF (Geodesic Information Flow)28 per eseguire l’estrazione cerebrale e la segmentazione dei tessuti. Aprire il software di segmentazione e caricare il file di output di parcellazione T1 MRI e GIF migliorato a contrasto. Aprire il modulo ‘Editor segmenti’ e creare una nuova segmentazione. Selezionare le etichette appropriate e combinarle per formare una singola segmentazione. Ad esempio, le mappe delle etichette cerebrali e diencefalo possono essere combinate per creare un modello, indicato come “Cervello” e le strutture del cervello, del tronco encefalico, del cervelletto e dei parassiti possono essere combinate per creare un secondo modello definito “Cervelletto”. Utilizzare la funzione ‘Smoothing’ (mediana consigliata 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixel). Utilizzare la funzione’ Forbici’ per rimuovere qualsiasi segmentazione indesiderata o errata. Salva le segmentazioni “Cervello” e “Cervelletto”. Aprire ilmodulo ‘ Segmentations’ ed esportare ‘Brain’ e ‘Cerebellum’ come file STL. Segmentazione tumorale Aprire il software di segmentazione e caricare la risonanza prima T1 migliorata a contrasto. Aprire il modulo ‘Segment Editor’ e creare una nuova segmentazione denominata ‘Tumor’. Utilizzare la funzione’ Soglia’ per evidenziare il tumore. Correggere la segmentazione utilizzando le funzioni ‘Paint’, ‘Draw’ e’ Erase’. Applicate la funzione ‘Smoothing’ (mediana consigliata 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixel). Creare una nuova segmentazione denominata ‘Cerebellum_Tumor’. Combina il modello “Cervelletto” e “Tumore” usando il “Logical Operators | Funzione Add’. Salva le segmentazioni ‘Tumor’ e ‘Cerebellum_Tumor’. Aprire ilmodulo ‘ Segmentations’ ed esportare ‘Tumor’ e ‘Cerebellum_Tumor’ come file STL.NOTA: Al termine del processo di segmentazione, sono disponibili i seguenti file: ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’, ‘Dowel’, ‘Brain’, ‘Cerebellum’, ‘Tumor’, ‘Cerebellum_Tumor’. 3.3D stampa di muffe cerebrali/ tumorali e teschio Creare gli stampi cerebrali e tumorali Dividi la segmentazione “Cervello” in due emisferi, usando lo strumento “Plane cut” nel software di modellazione 3D. Salvare ogni emisfero come file STL separato ‘Brain right’ e ‘Brain left’. Importare il file STL ‘Tumor’ nel software CAD (Computer-Aided Design). Fare clic sulla scheda ‘mesh’ e quindi utilizzare la funzione ‘Reduce’ per ridurre le dimensioni del modello in modo che possa essere gestito dal programma – l’obiettivo è quello di ridurre le dimensioni il più possibile, pur mantenendo tutti i dettagli necessari. Fate clic sullascheda ‘ solido ‘ e utilizzate lo strumento ‘ Mesh toBRep’ per convertire la mesh importata in un corpo che può essere manipolato. Se questa azione non può essere completata, la mesh non è stata ridotta a sufficienza nel passaggio 3.1.3. Fare clic su ‘Crea’ quindi ‘Scatola’ e disegnare una scatola attorno al tumore. Selezionare questa opzione come ” Nuovo Corpo “e ruotarela vista per assicurarsi che la scatola racchiude completamente il tumore su tutti i lati. Nella scheda modifica, usate lo strumento ‘Combina’ per tagliare il tumore (il ‘Corpo utensile’) dalla scatola (il ‘Corpo bersaglio’). Questo lascerà quindi una scatola con una forma cava del tumore al suo interno. Verificare che sia presente la casella svuotata. Tagliare questa scatola in un numero appropriato di pezzi in modo che una volta riempito lo stampo, possa essere apprezzato senza danneggiare il fantasma all’interno. Per il tumore qui, è sufficiente dividere la scatola in due, ma per le altre parti del fantasma, sono necessari più pezzi. Create piani attraverso la casella nei punti in cui lo stampo deve essere tagliato. Fate clicsu’ Costruisci ‘ quindi’ Midplane’ per creare un piano attraverso il centro della scatola. Fate clic con il pulsante destro del mouse sul piano creato escegliete’ Piano offset ‘ per posizionare il piano in modo più preciso. Utilizzate la funzione ‘Split Body’ nella scheda ‘Modifica’ per dividere lo stampo lungo i piani creati. Spostate i singoli pezzi dello stampo, facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando ‘Sposta/Copia’, in modo che tutti i pezzi siano rivolti verso l’esterno. Aggiungere rivetti alle facce di ogni pezzo dello stampo (in modo che possa adattarsi saldamente), facendo clic su ‘Crea schizzo’ quindi ‘Cerchio di diametro centrale’ e su ogni faccia, disegnando piccoli cerchi. Fare clic con il pulsantedestro del mouse,quindi ‘ Estrudere ‘ questi cerchi verso l’esterno di qualche millimetro su una faccia ed estruderli verso l’interno sulla faccia corrispondente.NOTA: I cerchi estrusi verso l’interno devono essere leggermente più grandi – circa 1,5 mm – rispetto a quelli estrusi verso l’esterno, in modo che si adattino perfettamente. Salvate ogni pezzo dello stampo come file STL separato. Ripetere i passaggi da 3.1.4 a 3.1.14 per ‘Brain left’, ‘Brain right’ e ‘Cerebellum tumor’.NOTA: L’utilizzo del file ‘Cerebellum tumor’ piuttosto che semplicemente ‘Cerebellum’ per creare lo stampo significa che lo stampo avrà uno spazio in esso per il tumore da inserire durante la costruzione. Stampare gli stampi 3D Installare o aprire software di stampa 3D. Aprire il file STL per ogni pezzo dello stampo nel software di stampa e ruotarlo in modo che si trovi piatto contro la piastra di costruzione. È possibile aggiungere più pezzi di stampo alla piastra di costruzione e stamparli contemporaneamente. Scegli un’altezza dello strato di grandi dimensioni (circa 0,2 mm) e un basso valore di riempimento (circa il 20%) per una stampa più veloce. Stampare gli stampi utilizzando un materiale rigido come l’acido polilattico (PLA). Se gli stampi sono posizionati in modo appropriato, il materiale di supporto non è necessario. Stampa il teschio Aprire il file “Skull Top” nel software di stampa e scegliere un’altezza dello strato di grandi dimensioni (circa 0,2 mm) e un basso valore di riempimento (circa il 20%). Stampare il modello skull in PLA, ma a differenza del passaggio 3.2.3, sarà necessario materiale di supporto, quindi selezionare ‘Aggiungisupporto ‘ nel software. Il PVA viene utilizzato come materiale di supporto in quanto può essere successivamente sciolto via con acqua. Ripetere i passaggi 3.3.1 e 3.3.2 per ‘Skull Bottom’. Una volta stampati la parte superiore e inferiore del cranio, immergerli in acqua durante la notte per sciogliere il materiale di supporto del PVA.NOTA: Il materiale di supporto si dissolverà molto più velocemente se viene utilizzata acqua calda, ma se l’acqua è troppo calda, deformerà il PLA stampato. Pertanto, è preferibile utilizzare acqua fredda e lasciare la stampa sommersa durante la notte. 4. Preparazione del PVA-c Misurare 200 g di polvere di PVA e impostare di lato. Scaldare 1800 g di acqua deionizzata a 90 °C e aggiungere a un pallone conico 2L.NOTA: L’acqua deve essere quasi bollente in modo che la polvere di PVA si dissolva facilmente, ma se l’acqua raggiunge i 100 °C, alcune si perderanno per evaporazione, che deve essere evitata. Sospendere il pallone conico in un bagno d’acqua a temperatura controllata fissato a 90 °C. Posizionare un agitatore elettronico nel pallone, assicurandosi che non tocchi il fondo o i lati e impostare la velocità a 1500 giri/min.NOTA: Controllare che l’acqua si mescola uniformemente e non ci siano punti stagnanti ai lati o sul fondo. Aggiungere gradualmente la polvere di PVA al pallone conico, per circa 30 minuti, quindi lasciarla mescolare per circa altri 90 minuti. Il gel risultante è il materiale che imita i tessuti PVA-c. Rimuovere il pallone conico dal bagno d’acqua e versare il contenuto in un becher. Coprire la parte superiore con pellicola di aggrappamento per evitare la formazione di una pelle sopra il PVA-c. Lasciare raffreddare il PVA-c a temperatura ambiente (circa 20 °C). Una volta raffreddato, il PVA-c sarà trasparente. Piccoli cristalli bianchi possono essere visti nel PVA-c, ma eventuali bolle che appaiono sulla superficie devono essere delicatamente raschiate via. Aggiungere 0,5 w/w% di sorbato di potassio al PVA-c come conservante e mescolare manualmente bene. Il PVA-c può essere lasciato a temperatura ambiente se coperto in pellicola di aggrappamento per alcuni giorni prima di essere versato negli stampi. 5. Assemblaggio fantasma Misurare abbastanza PVA-c da riempire lo stampo tumorale in un becher. Al PVA-c per il tumore, aggiungere 1 w/w% di microsfere di vetro per il contrasto ecografico e 5 w/w% di solfato di bario per il contrasto dei raggi X e mescolare a mano.NOTA: Potrebbe essere necessario misurare il PVA-c in eccesso per il tumore in modo che queste percentuali siano una quantità misurabile. Sonicare il becher per garantire la miscelazione omogenea degli additivi. Lasciare raffreddare e lasciare fuoriuscire eventuali bolle formate, circa 10 minuti, quindi raschiare eventuali bolle dalla superficie.NOTA: Non lasciare per un lungo periodo una volta aggiunte le sfere di vetro, non più lunghe di circa 10 minuti, prima di versare il PVA-c in uno stampo, poiché le sfere di vetro si depositeranno sul fondo del becher. Una volta che il fantasma è stato congelato, questo non sarà più un problema, e il fantasma finale può essere utilizzato a temperatura ambiente. Fissare insieme lo stampo tumorale (il nastro può essere utilizzato per coprire i join nello stampo) e versare il PVA-c attraverso il foro nella parte superiore dello stampo. Lasciare per alcuni minuti per consentire a eventuali bolle formate nel processo di versamento di fuoriuscire attraverso il foro, quindi posizionare direttamente nel congelatore. Eseguire due cicli di congelamento-disgelo sul tumore; ogni ciclo qui consiste in 6 ore di congelamento a -20 °C e 6 ore di scongelamento a temperatura ambiente. Quindi, rimuovere con cura dalla muffa. Posizionare il tumore nello spazio corrispondente per esso nello stampo del cervelletto, quindi costruire il resto dello stampo del cervelletto e fissarlo insieme. Al restante PVA-c aggiungere 0,05 w/w% di microsfere di vetro, quindi ripetere i passaggi 5.1.3 e 5.1.4. Versare il PVA-c nello stampo del cervelletto, permettendogli di circondare il tumore che è stato posto all’interno. Inoltre, versare la miscela negli stampi per ogni emisfero cerebrale. Eseguire due cicli di congelamento-scongelamento su ogni emisfero cerebrale e sul cervelletto; ogni ciclo qui consiste in 24 ore di congelamento a -20 °C e 24 ore di scongelamento a temperatura ambiente.NOTA: Cicli con congelamento di 12 ore seguiti da uno scongelamento di 12 ore anche efficace, per consentire la creazione del fantasma in meno tempo. 24 ore è stato scelto per facilità di applicazione, per evitare di tornare in laboratorio ogni 12 ore. Una volta che i fantasmi si sono scongelati per la seconda volta, rimuoverli con cura dagli stampi e posizionarli nel cranio stampato.NOTA: Quando non sono in uso, i fantasmi PVA-c completati devono essere conservati in un contenitore ermetico in frigo e possono essere conservati per alcune settimane in questo modo Per il completamento, posizionare il fantasma del “tumore del Cervelletto” sul picco alla base del modello “Skull Bottom”. I modelli di due emisferi cerebrali (‘Cervello a sinistra’ e ‘Cervello a destra’) sono posizionati sopra e si infilano nella parte più alta del ‘tumore del Cervelletto’. Posiziona i quattro tasselli in ogni spazio sul modello “Skull Bottom” e posiziona il modello “Skull Top” in cima. Se necessario, il modello può quindi essere manovrato nella posizione desiderata per simulare l’uso intraoperatorio in chirurgia. 6. Imaging fantasma Imaging ad ultrasuoni Applicare il gel ad ultrasuoni alla sonda di imaging.NOTA: Il gel non viene utilizzato in modo intraoperatorio ma può essere utilizzato nella simulazione e non modifica in modo significativo il flusso di lavoro clinico o la qualità delle immagini acquisite. Immagine del cervello e del tumore attraverso la craniotomia, con uno scanner clinico e una sonda del buco della bava. CT Imaging Immagine dell’intero fantasma in uno scanner CT.

Representative Results

Seguendo il protocollo descritto, è stato fabbricato un fantasma anatomicamente realistico, che consiste in un cranio, un cervello e un tumore specifici del paziente. Le strutture anatomiche rilevanti per il fantasma (cranio, cervello, tumore) sono segmentate utilizzando i dati della risonanza e della TC del paziente (Figura 2a,b). I dati ecografici intraoperatori del paziente (Figura 2c; La figura 2d mostra la stessa immagine della Figura 2c, ma con il tumore delineato) è stata utilizzata per confrontare le immagini fantasma con le immagini reali del paziente. Sono state create mesh per ogni pezzo del modello (Figura 3), che sono state poi utilizzate per produrre gli stampi 3D. Gli stampi erano facilmente stampabili su una stampante commerciale e assemblati infilando i pezzi insieme. Lo stampo del cervelletto era il più complesso da progettare e assemblare(Figura 4). Il cranio (Figura 5a) era la parte più difficile da stampare in quanto richiedeva materiale di supporto, quindi era un processo lento; l’intera stampa ha richiesto un totale di tre giorni per essere completata, il che è un fattore limitante nel protocollo. Il fantasma completato (Figura 5) era un modello realistico di cranio, cervello e tumore di un paziente. I due emisferi cerebrali (Figura 5b) sono stati prodotti separatamente, e hanno un aspetto realistico, con il giro e il sulci del cervello. L’intero fantasma è di colore bianco, in quanto questo è il colore naturale di PVA-c; questo può essere facilmente modificato aggiungendo colorante ma non era necessario per l’applicazione. Il cervelletto (Figura 5c) si inserisce comodamente nella base del cranio stampato e l’emisfero cerebrale si trova sopra questo. Il tumore è facilmente visibile nel cervelletto, poiché il contrasto extra aggiunto al tumore si traduce in un colore bianco troppo bianco che lo separa dal materiale circostante, a cui è saldamente attaccato. Il fantasma è stato immaginato sia con TC che con ultrasuoni(Figura 6a,b). Il solfato di bario è stato usato per dare al tumore un adeguato contrasto CT, e l’immagine fantasma (Figura 6a) mostra che questo è stato raggiunto, poiché il tumore è chiaramente visualizzato. Il cranio non è stato stampato con tamponamento al 100%, al fine di ridurre i tempi di stampa. Pertanto, il cranio non sembra del tutto realistico nelle immagini CT, perché la struttura reticolare della stampa può essere vista. Questo non è un problema per l’applicazione, poiché è necessario solo il contorno del cranio per il sistema di astigazione neuronale. Il cranio potrebbe essere stampato con tamponamento al 100% per evitare questa ridotta precisione dell’immagine CT, ma aggiungerebbe tempo al processo di stampa. Microsfere di vetro sono state aggiunte al cervelletto, agli emisferi cerebrali e al tumore per il contrasto ecografico. I risultati mostrano che il tumore è visibile anche con l’imaging ad ultrasuoni (Figura 6b) e può essere distinto dal tessuto circostante. Durante l’ispezione visiva, le immagini ad ultrasuoni ottenute dal fantasma (Figura 6b) e quelle ottenute dal paziente (Figura 2c) mostrano che gli agenti di contrasto utilizzati nel fantasma erano efficaci per creare proprietà di imaging realistiche. Il fantasma è stato testato durante la simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale (Figura 7). Il modello fantasma è stato posizionato sul tavolo operatorio chirurgico utilizzando un morsetto crano standard e la TAC del fantasma è stata registrata utilizzando un sistema clinico di rimozione neuronale. È stato simulato un approccio retrosigmoide al tumore e il tumore è stato immaginato utilizzando un sistema di ultrasuoni clinici con un trasduttore ad ultrasuoni a buca di bava. Durante la simulazione chirurgica, il modello fantasma si dimostrò stabile e non fu osservato alcun danno dalla manipolazione del fantasma nello stesso modo in cui il cervello umano sarebbe stato durante questa procedura, quindi poteva essere usato ripetutamente nelle stesse condizioni. Figura 1: Diagramma di flusso per mostrare i passaggi necessari per rendere fantasma il cervello PVA-c specifico di un paziente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Dati del paziente utilizzati per creare un modello fantasma. Fonti di dati di un paziente con uno schwannoma vestibolare lato sinistro: ( a )risonanzaprima del peso T1 potenziata dal contrasto assiale, freccia bianca rivolta verso il tumore; (b)TAC assiale senza contrasto finestra per evidenziare ossa, freccia bianca rivolta verso un meato uditivo interno espanso causato dal tumore; cimmagine ecograficaintraoperatoria ottenuta durante l’intervento vestibolare di schwannoma; (d) immagine ecografica intraoperatoria annotata: tumore (iperecoico sugli ultrasuoni), : cervello (cervelletto). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Mesh completate per ogni sezione del fantasma. Rete STL per cranio (a,b), : craniotomia retrosigmoidea laterale sinistra; (c,d) emisferi cerebrali; (e,f) tumore e cervelletto, : tumore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Stampo cerebellum stampato in 3D. Stampo cerebellum stampato in 3D completamente costruito (in alto a sinistra) e i pezzi separati, che sono numerati da 1 a 4. Il foro nel pezzo 2 (indicato da ‘H’) consente di versare il PVA-c nello stampo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: Fantasma completato. Il fantasma finito (a) teschio (b) fantasma con la parte superiore del cranio rimossa: : craniotomia retrosigmoide, : tumore, cervello (cervelletto), cervello (emisfero cerebrale destro); (e) cervelletto e tumore: : tumore, cervello (cervelletto). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6: Immagini CT ed ecografiche acquisite con il fantasma. ( a ) Immagine TCassialedel fantasma completo attraverso il livello della base cranica e del tumore, ( b )Immagine ecograficaintraoperatoria del fantasma acquisita con sonda ad ultrasuoni del buco della bava attraverso la craniotomia retrosigmoide in un piano approssimativamente perpendicolare al cranio (Simulando l’intervento chirurgico, il cervelletto è stato leggermente retratto per immagine direttamente sul tumore). : tumore, cervello (cervelletto), : craniotomia retrosigmoide dalla parte sinistra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 7: Test del fantasma durante la simulazione chirurgica. Test del modello fantasma attraverso la simulazione chirurgica in una sala operatoria virtuale. : sistema di neuronavigation che mostra la scansione registrata del modello fantasma CT: sistema ad ultrasuoni utilizzato per l’immagine del fantasma con un trasduttore ad ultrasuoni a foro di bava (visto posizionato accanto al monitor ad ultrasuoni). Si noti che il modello qui raffigurato si basa sui dati acquisiti da diversi pazienti con un tumore sul lato destro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Questo protocollo descrive in dettaglio il processo di fabbricazione di un fantasma cerebrale specifico del paziente, che include il cranio, il cervello e il tumore dello schwannoma vestibolare. I metodi di stampa 3D hanno permesso di ottenere dettagli anatomicamente accurati. Il fantasma qui descritto è stato prodotto con successo con il livello desiderato di dettaglio anatomico; L’imaging TC ed ecografico sono stati utilizzati per dimostrare che il tumore è stato facilmente visualizzato con entrambe le modalità. Il materiale imitante tissutale, PVA-c, è ben consolidato come materiale che imita i tessuti per i fantasmi ultrasonici; le sue proprietà acustiche e meccaniche possono essere sintonizzate con additivi e il numero di cicli di congelamento-scongelamento. Il materiale è prontamente disponibile, semplice da usare e atossico. Con l’uso ripetuto, il fantasma aveva una durata sufficiente per resistere alla manipolazione e al contatto con una sonda ad ultrasuoni durante le simulazioni fisiche di chirurgia vestibolare di schwannoma.

Diversi passaggi chiave sono stati identificati come fondamentali per il processo di fabbricazione. In primo luogo, la segmentazione delle strutture per l’inclusione nel fantasma deve includere il livello desiderato di dettaglio anatomico. La creazione di file STL accurati e stampi 3D segue quindi naturalmente. In secondo luogo, il posizionamento dei piani all’interno dello stampo del cervelletto nel passaggio 3.1.9 deve essere considerato attentamente, in modo che il fantasma possa essere prontamente rimosso, senza danni; deve essere tagliato in pezzi sufficienti per consentire di mantenere i dettagli anatomici, consentendo al contempo di rimuovere il fantasma senza rimanere bloccato nello stampo. In questo caso, sono state testate diverse iterazioni e infine lo stampo è stato tagliato in quattro pezzi separati. La terza considerazione fondamentale è che durante il processo di produzione del PVA-c (sezione 4), il PVA-c deve essere lasciato raffreddare a temperatura ambiente (fase 4.1.6). Se questo passaggio viene perso e il PVA-c caldo viene aggiunto agli stampi, può causare la fusione o la distorsione degli stampi. È inoltre fondamentale che una volta aggiunte le sfere di vetro (passaggi da 5.1.2 a 5.1.4), il PVA-c non sia lasciato riposare per più di circa 10 minuti; se lasciate per un periodo di tempo prolungato, le sfere di vetro si depositeranno sul fondo e il fantasma risultante avrà un contrasto ecografico disomogeneo29. Una volta aggiunte le sfere di vetro, il PVA-c deve essere aggiunto direttamente negli stampi e posto nel congelatore. Dopo il primo ciclo di congelamento, le sfere di vetro verranno fissate nel luogo e il fantasma può essere utilizzato a temperatura ambiente. Infine, è importante che gli stampi siano accuratamente sigillati (ad esempio, con nastro adesivo) prima dell’aggiunta del PVA-c, per ridurre al minimo la perdita della miscela attraverso spazi vuoti in cui il pezzo separato dello stampo unito insieme.

Il protocollo ha diverse limitazioni. Ad esempio, sono necessarie alcune attrezzature specialistiche, tra cui un bagno d’acqua e un agitatore elettronico. Un sonicatore è anche usato come parte di questo protocollo, ma la fase di sonicazione (5.1.3) potrebbe essere sostituita con agitazione elettronica aggiuntiva; tuttavia, con questa alternativa, ci vorrebbe più tempo per ottenere una miscela omogenea di quanto sia possibile con l’uso della sonicazione. Una limitazione di PVA-c è che si degrada nel tempo e diventa ammuffisco. L’aggiunta di sorbato di potassio, come descritto qui, aumenta la durata di conservazione del fantasma, anche se deve ancora essere conservato in un contenitore ermetico. Una seconda limitazione di PVA-c è che sono necessari cicli di congelamento-disgelo, il che aumenta la quantità di tempo necessaria per creare un fantasma. Per ridurre al minimo il tempo di fabbricazione fantasma, una considerazione chiave è la velocità di congelamento e scongelamento; una volta che il fantasma è completamente congelato o completamente scongelato, il tempo in cui rimane in quello stato non influisce in modo significativo sul fantasmafinale 16,30. Pertanto, le lunghezze del ciclo utilizzate possono essere varie, a condizione che il fantasma sia completamente congelato e scongelato in ogni fase del ciclo. Per esempio, il tumore nel fantasma di questo studio è molto piccolo, quindi cicli più brevi potrebbero essere usati per il tumore che per il cervello. Infine, la stampa 3D degli stampi e del cranio è un processo che richiede molto tempo e consuma una parte significativa (3 giorni) del tempo totale (1 settimana) necessario per fabbricare un fantasma con questo protocollo. La stampante utilizzata è stata un modello commerciale del 2018; il processo di stampa potrebbe essere completato in tempi più brevi con l’uso di stampanti più nuove e veloci.

Il fantasma cerebrale qui presentato potrebbe essere utilizzato direttamente per l’allenamento clinico e la convalida dei sistemi di astigazione neuronale. Come materiale imitante tissutale, il PVA-c consente di utilizzare ripetutamente il fantasma risultante, ad esempio come strumento di allenamento o per la convalida di ultrasuoni intraoperatori nella chirurgia vestibolare schwannoma, in quanto è un materiale durevole e non tossico. Come tale, il metodo di fabbricazione è complementare a quelli precedentemente descritti in cui la stampa 3D è stata utilizzata per creare fantasmi cerebralispecifici del paziente 20,21,22,23,24,25. L’uso di PVA-c come TMM rende il fantasma adatto per l’uso nella simulazione della neurochirurgia, in quanto il materiale può resistere a ripetute manipolazioni manuali e contatto da una sonda ad ultrasuoni. Questo lavoro prepara le fasi di ulteriori studi quantitativi di convalida. Il metodo fantasma descritto qui è molto versatile e potrebbe essere usato per fabbricare molti tipi di fantasmi tumorali specifici del paziente, che si estendono dal cervello ad altri organi, con compatibilità attraverso diverse modalità di imaging.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori ringraziano Daniil Nikitichev e Steffi Mendes per i loro consigli sull’utilizzo di Meshmixer e Fernando Perez-Garcia per i suoi consigli sull’utilizzo di 3D Slicer e per averci fornito codice per automatizzare alcune delle fasi di elaborazione.

Questo lavoro è stato supportato da 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] finanziamento. La TV è supportata da una cattedra di ricerca Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering [RCSRF1819\7\34].

Materials

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
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Riferimenti

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Mackle, E. C., Shapey, J., Maneas, E., Saeed, S. R., Bradford, R., Ourselin, S., Vercauteren, T., Desjardins, A. E. Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning. J. Vis. Exp. (161), e61344, doi:10.3791/61344 (2020).
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