JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

المريض خاص بوليفينيل الكحول تصنيع الوهمية مع الموجات فوق الصوتية والأشعة السينية على النقيض للتخطيط جراحة ورم الدماغ

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

يصف هذا البروتوكول تلفيق جمجمة ومخ ورم مريض محدد. ويستخدم الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء قوالب، ويستخدم الكحول البولي فينيل (PVA-C) كما أنسجة محاكاة المواد.

Abstract

الأشباح هي أدوات أساسية للتدريب السريري والتخطيط الجراحي وتطوير الأجهزة الطبية الجديدة. ومع ذلك ، فإنه من الصعب خلق أشباح الرأس دقيقة تشريحيا مع خصائص واقعية تصوير الدماغ لأن أساليب التصنيع القياسية ليست الأمثل لتكرار أي تفاصيل التشريحية الخاصة المريض ومواد الطباعة 3D ليست الأمثل لخصائص التصوير. من أجل اختبار والتحقق من صحة نظام الملاحة الجديدة لاستخدامها أثناء جراحة ورم الدماغ، كان مطلوبا وهمية دقيقة تشريحيا مع التصوير واقعية وخصائص ميكانيكية. لذلك ، تم تطوير شبح باستخدام بيانات المريض الحقيقية كمدخلات وطباعة 3D للقوالب لاختلاق شبح رأس خاص بالمريض يتكون من الجمجمة والدماغ والورم مع كل من الموجات فوق الصوتية والأشعة السينية على النقيض. كان للوهمي أيضا خصائص ميكانيكية سمحت بتلاعب الأنسجة الوهمية بطريقة مماثلة لكيفية التعامل مع أنسجة الدماغ البشرية أثناء الجراحة. تم اختبار الشبح بنجاح خلال محاكاة جراحية في غرفة العمليات الافتراضية.

تستخدم طريقة التصنيع الوهمية المواد المتاحة تجارياً وهي سهلة التكاثر. يمكن مشاركة ملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد بسهولة ، ويمكن تكييف هذه التقنية لتشمل العديد من أنواع الورم المختلفة.

Introduction

إن الأطياف التي تحاكي الخصائص المحددة للأنسجة البيولوجية هي مورد مفيد لمختلف التطبيقات التجريبية والتعليمية. أطياف محاكاة الأنسجة ضرورية لتوصيف الأجهزة الطبية قبل استخدامها السريري1،2 والأشباح التشريحية تستخدم في كثير من الأحيان في تدريب الطاقم الطبي في جميع التخصصات3،4،5،6،7. الأطياف التشريحية الخاصة بالمريض المصنوعة من خصائص محاكاة الأنسجة المناسبة غالبًا ما تكون جزءًا مهمًا من بيئة الاختبار ويمكن أن تزيد من ثقة الأطباء الذين يتعلمون استخدام جهاز جديد8. ومع ذلك، فإن تكاليف التصنيع العالية وعمليات التصنيع المعقدة غالباً ما تحول دون الاستخدام الروتيني للأشباح الخاصة بالمريض. هنا، يتم وصف طريقة لتصنيع دائم، نموذج ورم الدماغ المريض محددة باستخدام المواد التجارية المتاحة بسهولة، والتي يمكن استخدامها للتدريب والتحقق من الموجات فوق الصوتية داخل العملية (الولايات المتحدة) باستخدام التصوير المقطعي المحوسب (CT). تم إنشاء الشبح الموصوف في هذه الدراسة باستخدام بيانات من مريض مصاب بـ schwannoma الدهليزي (ورم حميد في الدماغ ناشئ عن أحد الأعصاب التوازنية التي تربط الدماغ والأذن الداخلية) خضع بعد ذلك لعملية جراحية واستئصال الورم عن طريق استئصال القحف تحت ال الخشنة10. وقد تم تطوير الشبح من أجل اختبار والتحقق من صحة نظام الملاحة داخل العملية المتكاملة لاستخدامها خلال هذا النوع من جراحة ورم في الدماغ.

من أجل أن تكون مناسبة لهذا التطبيق، ورم الدماغ الوهمية يحتاج إلى امتلاك العديد من الخصائص الرئيسية. أولاً، يجب أن تكون مصنوعة من مواد غير سامة، لذلك يمكن استخدامها بأمان في بيئة التدريب السريري. ثانياً، يجب أن يكون لها خصائص تصوير واقعية؛ للتطبيق المقصود، وتشمل هذه على وجه التحديد التوهين بالموجات فوق الصوتية والتباين CT. ثالثاً، يجب أن يكون لها خصائص ميكانيكية مماثلة للأنسجة البشرية بحيث يمكن التعامل معها بنفس الطريقة. رابعاً، ينبغي أن يستند الشبح إلى بيانات حقيقية عن المريض، بحيث يكون دقيقاً تشريحياً ويمكن استخدامه للتخطيط الجراحي والتدريب. وأخيرا، يجب أن تكون المواد المستخدمة دائمة، بحيث يمكن استخدام الشبح مرارا وتكرارا.

بشكل عام، تعتمد مادة محاكاة الأنسجة وطريقة التصنيع المختارة للوهم الوهمي على التطبيق المقصود. للهياكل جامدة مثل الجمجمة، وينبغي أن لا تشوه الملكية المختارة أو تكون قابلة للذوبان في الماء، وأنها ينبغي أن تكون قادرة على الحفاظ على مستوى دقيق من التفاصيل التشريحية مع الاستخدام المتكرر. وهذا مهم بشكل خاص عند استخدام الشبح للتجارب حيث يتم استخدام تسجيل الصور ولأغراض المحاكاة الجراحية. المواد المعدنية القائمة على الزيوت مثل هلام الشمع كانت واعدة لالموجات فوق الصوتية9،11،12 وphotoacoustic13 تطبيقات التصوير ، ومع ذلك ، عندما تتعرض للتشوه الميكانيكية المتكررة تصبح قابلة للتفتيت ، لذلك لا يمكن تحمل استخدام الموسعة ، وخاصة مع أدوات الجراحة العصبية المجهرية القياسية. أجار والجيلاتين هي المواد مائي التي تستخدم أيضا عادة كما أنسجة محاكاة المواد. الإضافات اللازمة لضبط الخصائص الصوتية لهذه المواد معروفة جيدا14، ولكن لديهم قوة ميكانيكية محدودة وليست دائمة بشكل خاص لذلك ليست مناسبة لهذا التطبيق ، حيث يحتاج الشبح إلى التعامل معها بشكل متكرر.

البولي فينيل الكحول cryogel (PVA-C) هو خيار شعبي من الأنسجة تقليد المواد، وذلك لأن خصائصه الصوتية والميكانيكية يمكن ضبطها بسهولة من خلال تغيير دورات تجميد ذوبان. وقد تبين أن خصائص PVA-c مماثلة لتلك الأنسجة الرخوة15،16،17،18. PVA-C وقد استخدمت أشباح الدماغ القائمة بنجاح للتصوير بالموجات فوق الصوتية والتصوير المقطعي19. المواد قوية بما يكفي لاستخدامها مرارا وتكرارا، ولها درجة عالية من المرونة، لذلك يمكن التلاعب الأنسجة الوهمية المصنوعة من PVA-C دون أن تكون مشوهة بشكل دائم. حمض متعدد الولاتيك (PLA) هو مادة صلبة متاحة بسهولة، واستخدمت لتصنيع الجمجمة، ومع ذلك، يمكن استخدام مواد الطباعة المختلفة بدلا من جيش التحرير الشعبي، إذا كان لديه خصائص ميكانيكية مماثلة وليس للذوبان في الماء.

وقد تم تصنيع أشباح المخ على وجه الخصوص باستخدام أساليب مختلفة، اعتمادا على مستوى التعقيد المطلوب والأنسجة التي تحتاج إلى تكرار20،21،22،23. عادة، يتم استخدام قالب، وتتدفق المواد السائلة تقليد الأنسجة في ذلك. وقد استخدمت بعض الدراسات قوالب تجارية24 بينما تستخدم أخرى 3D المطبوعة قوالب مخصصة من الدماغ السليم، ومحاكاة آفات الدماغ عن طريق زرع مجالات علامة والقسطرة نفخ19،25. على حد علم المؤلف ، وهذا هو أول تقرير من 3D المطبوعة المريض ورم الدماغ نموذج وهمية محددة تم إنشاؤها مع الأنسجة محاكاة الموجات فوق الصوتية وخصائص الأشعة السينية. يتم تصور التصنيع الكلي من قبل المخطط الانسيابي في الشكل 1؛ العملية برمتها يستغرق حوالي أسبوع لإكمال.

Protocol

وقد أجريت هذه الدراسة وفقا للمبادئ التي أعرب عنها في إعلان هلسنكي، وقد وافقت عليها هيئة البحوث الصحية التابعة لدائرة الصحة الوطنية ولجنة أخلاقيات البحوث (18/LO/0266). وتم الحصول على الموافقة المستنيرة، وتم إخفاء جميع بيانات التصوير تماما قبل التحليل. 1- البيانات الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وحجمي المحوسبة (CT) قبل العملية المحسنة على التباين T1. إذا تم الحصول عليها في شكل التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM)، قم بالتحويل إلى تنسيق مبادرة تكنولوجيا المعلوماتية26 (NiFTI) للمعالجة والتحليل. الحصول على بيانات الموجات فوق الصوتية أثناء العملية. 2- التقسيم تثبيت البرنامج لتقسيم بيانات المريض مع. تجزئة الجمجمةملاحظة: الخطوات التي ينطوي عليها تقسيم الجمجمة تتبع على نطاق واسع تلك التي حددها Cramer وQuigley27 في https://radmodules.com/، ولكن يتم تكييفها لإنشاء استئصال القحف بالحجم المناسب.قم بتحميل الفحص المقطعي المحوسب الخاص بالمريض في برنامج التقسيم، وفتح وحدة محرر الشرائح وإنشاء تجزئة جديدة تسمى “الجمجمة”. استخدم وظيفة’Threshold’لتسليط الضوء على الجمجمة. إزالة أي تجزئة غير مرغوب فيها (على سبيل المثال، تكلسات الجلد، الفك السفلي، C1/2، عملية ستايلويد، إطار المريض CT، وأية تعليقات جزءا لا يتجزأ من الصورة). استخدام’مقص’وظيفة لإزالة أجزاء عند عرض النموذج في 3D والاستفادة من ‘جزر’ وظيفة بعد قطع يدويا أي هياكل غير المرغوب فيها باستخدام’محو’ وظيفة. تصحيح يدويا أي ثغرات في تجزئة التي غاب خلال العتبة باستخدام’الطلاء’و ‘رسم’ وظائف (على سبيل المثال، لامينا papyracea، حافة القشرية من عظم الدروات والعظام ethmoid). استخدام’الطلاء’ و ‘رسم’ وظائف لملء ماغنوم foramen وخلق ارتفاع 5 مم جاحظ التي يمكن تأمين الجزء السفلي من نموذج وهمية.ملاحظة: يتم تحديد موقع الارتفاع على أفضل نحو على طائرات صورة التاجية والقوقعة. تطبيق وظيفة’تجانس’. استخدم إعداد تجانس متوسط يبلغ 1.0 مم (3 × 3 × بكسل) لتقليل مقدار التفاصيل المفقودة.ملاحظة: إذا كان يجب أن يتضمن النموذج الوهمي جمجمة كاملة سليمة (على سبيل المثال، لتسهيل المحاكاة الجراحية لإنشاء استئصال القحف في موقع مناسب)، انتقل إلى الخطوة 2.2.15؛ ومع ذلك، إذا كان مطلوبا استئصال القحف في النموذج، واستكمال الخطوات 2.2.7 إلى 2.2.14. انقر على ‘إضافة’ لإضافة تجزئة جديدة وتسمي ذلك ‘الجمجمة القحف’. في وحدة “التجزئة”، انسخ تجزئة “الجمجمة” إلى “جمجمة القحف” باستخدام علامة التبويب “نسخ/نقل شرائح”.ملاحظة: هناك حاجة إلى كل من تجزئة “الجمجمة” و “استئصال القحف الجمجمة” من أجل أن تكون قادرة على أداء المهام الموضحة في الخطوات 2.2.9 إلى 2.2.13 استخدام’مقص’وظيفة لإزالة استئصال القحف الحجم بشكل مناسب في ‘الجمجمة القحف’.ملاحظة: خلق القحف بهذه الطريقة سوف، أيضا، إزالة جزء إضافي من الجمجمة على الجانب الآخر وبالتالي الحاجة إلى الخطوات 2.2.11 إلى 2.2.14. انقر فوق “إضافة” ثم أضف تقسيم جديد; سمها ‘استئصال القحف فقط’. في ‘القحف فقط’ حدد تجزئة ‘الجمجمة القحف’ واستخدام’عامل منطقي’وظيفة لطرح ‘الجمجمة القحف’ من ‘الجمجمة’. استخدام’مقص’ وظيفة لمحو كل شيء ما عدا استئصال القحف المطلوب على الجانب الصحيح من الورم, حفظ ‘القحف فقط’. في ‘الجمجمة القحف’ استخدام’عامل منطقي’وظيفة لطرح ‘القحف فقط’ من ‘الجمجمة’ وحفظ. افتح وحدة’تجزئة’ ثم قم بتصدير “جمجمة القحف” كملف stereolithography (STL). فتح برنامج النمذجة 3D واستيراد ملف STL ‘الجمجمة القحف”.ملاحظة: إذا ظهر النموذج باللون الوردي المخطط إكمال وظيفة’انعكاس عادي’عن طريق تحديد النموذج الكامل (حدد | انقر نقراً مزدوجاً) ثم “تحرير | الوجه العادي’. سيتحول النموذج الآن إلى اللون الرمادي ويمكن تحريره. تأكد من تشغيلمستعرض عرض الكائنات. تقليل عدد المثلثات لتحسين الوقت الحسابي. حدد النموذج الكامل (حدد | النقر المزدوج يتحول النموذج البرتقالي) ثم’تحرير | الحد من’. الافتراضي ‘تخفيض’ يتم تعيين وظيفة في 50٪ حتى كرر حتى يتحقق التخفيض المطلوب. استهدف العدد الإجمالي للمثلثات < 500,000. تطبيق ‘تجانس’ وظيفة ضمان ‘شكل الحفاظ على’ مربع لا يزال تكتك. حدد النموذج الكامل ثم “تشوه | على نحو سلس’. انقر على’تحليل’ ثم ‘المفتش’واستخدام هذه الوظيفة للكشف عن أي عيوب صغيرة في النموذج وانقر على إصلاح السيارات (اقتراح’تعبئة مسطحة’التحديد). قص ‘الجمجمة’ لإنشاء أعلى وأسفل باستخدام’تحرير / الطائرة’ وظيفة قطع. حدد ‘الاحتفاظ بكل من الشرائح’ و ‘Remeshed’ نوع التعبئة. تغيير الجمجمة إلى شفافة مع وظيفة’شادرس’لتوفير أفضل عرض داخلي للجمجمة وضبط الطائرة بحيث يكون موازيا لقاعدة الجمجمة. قذائف منفصلة عن طريق تحديد’تحرير | قذائف منفصلة’ وإعادة تسمية ‘Skull_Top’ و ‘Skull_Bottom’ داخل متصفح الكائنات.ملاحظة: لا تقم بنقل مواقعها. انقر على أيقونة العين لإزالة واحدة أو أخرى من العرض. انقر على’Meshmix’ ثم حدد ‘اسطوانة’لإنشاء الوويل وحجم التحرير إلى 4 مم × 10 مم × 4 مم (‘تحرير| Transform’). إخفاء “Skull_Bottom” بالنقر على أيقونة العين لإزالة من العرض. حدد”تحرير | محاذاة’ الطائرات. ستظهر أسطوانة شفافة إضافية. في نافذة”محاذاة”، اختر “نقطة السطح” (الاسطوانة الشفافة لـ “المصدر” و”نقطة السطح”(Shift + النقرة اليسرى تحت سطح “Skull_Top”) لـ “الوجهة”. استخدام |تحرير تحويل’ وظيفة تحريك الوتد إلى الجمجمة باستخدام السهم الأخضر وضبط الموقف مع السهام الزرقاء والحمراء. إعادة تسمية ‘Dowel_Anterior’. في متصفح الكائن جعل 3 نسخ وإعادة تسمية ‘Dowel_Posterior’، ‘Dowel_Left’ و ‘Dowel_Right’. نقل كل الوَوَل إلى الموقع المطلوب باستخدام’تحرير | تحويل’ وظيفة.ملاحظة: لا تقم بتحريك موضع الوَوَل في المستوى الأخضر أو تغييره. إنشاء نسخ من كل ولكن الاحتفاظ بجميع النسخ في نفس الموقع وإنشاء الوسخ إضافية وتغيير حجمها إلى 3 مم × 10 مم × 3 ملم. إعادة تسمية ‘Dowel’. خلق ثقوب لمسامير في الجمجمة باستخدام’الفرق منطقية’ وظيفة. حدد “Skull_Top” أولاً ثم حدد الوَوَيّة في مستعرض الكائن. في علامة التبويب”الفرق المنطقية”تأكد من أن”الخفض التلقائي”هو إيقاف التشغيل. كرر لكل دوويل بدوره. إخفاء ‘Skull_Top’ وعرض ‘Skull_Bottom’ تكرار ما سبق’الفرق منطقية’ وظيفة لكل الوَيَدِل بدوره. تصدير “Skull_Top” و “Skull_Bottom” و “Dowel” كملفات STL ثنائية منفصلة. تجزئة أنسجة الدماغ تحميل التصوير بالرنين المغناطيسي T1 المحسنة على النقيض من الدماغ http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF وتنزيل إخراجها. هذا هو أداة تجزئة مفتوحة المصدر للصور المرجحة T1 التي تستخدم تدفق المعلومات الجيوديسية (GIF)خوارزمية 28 لتنفيذ استخراج الدماغ وتجزئة الأنسجة. فتح برنامج تقسيم وتحميل التباين المحسن T1 MRI وملف الإخراج GIF. افتح الوحدة النمطية’محرر المقطع’وأنشئ تجزئة جديدة. حدد التسميات المناسبة وقم بدمجها لتشكيل تجزئة واحدة. على سبيل المثال، يمكن الجمع بين خرائط التسمية الدماغية وdiencephalon لإنشاء نموذج واحد، ويشار إلى “الدماغ” وmisbrain، الدماغ، المخيخ والهياكل فيرميا يمكن الجمع بين لإنشاء نموذج ثان يشار إليه باسم “المخيخ”. استخدم وظيفة’تجانس'(متوسط مقترح 2.00 مم، 5 × 5 × 3 بكسل). استخدم وظيفة’Scissors’لإزالة أي تجزئة غير مرغوب فيها أو خاطئة. حفظ ‘الدماغ’ و ‘المخيخ’ تجزئة. فتح’تجزئة’وحدة وتصدير ‘الدماغ’ و ‘المخيخ’ كملفات STL. تجزئة الورم افتح برنامج التقسيم وحمّل التصوير بالرنين المغناطيسي T1 المحسن على التباين. افتح الوحدة النمطية”محرر المقطع”وأنشئ تجزئة جديدة تسمى “الورم”. استخدام’عتبة’ وظيفة لتسليط الضوء على الورم. قم بتصحيح التقسيم باستخدام وظائف’Paint’،’Draw’و ‘Erase’. تطبيق وظيفة’تجانس'(متوسط المقترح 2.00 ملم 5 × 5 × 3 بكسل). إنشاء تجزئة جديدة باسم ‘Cerebellum_Tumor’. الجمع بين ‘المخيخ’ ونموذج ‘الورم’ باستخدام’عوامل منطقية | إضافة’ الدالة. حفظ ‘الورم’ و ‘Cerebellum_Tumor’ تجزئة. فتح’تقسيم’ وحدة وتصدير ‘الورم’ و ‘Cerebellum_Tumor’ كملفات STL.ملاحظة: في نهاية عملية التجزئة، تتوفر الملفات التالية: “Skull_Top”، “Skull_Bottom”، “دوويل”، “الدماغ”، “المخ” ، “الورم”، “Cerebellum_Tumor”. 3.3D الطباعة من قوالب الدماغ / الورم والجمجمة إنشاء قوالب الدماغ والورم تقسيم ‘الدماغ’ تقسيم إلى نصفين ، وذلك باستخدام’طائرة قطع’ أداة في برنامج النمذجة 3D. حفظ كل نصف الكرة الأرضية كملف STL منفصلة ‘الدماغ الحق’ و ‘الدماغ اليسار’. استيراد ملف STL ‘ورم’ في برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD). انقر فوق علامة التبويب’شبكة’ثم استخدم وظيفة’Reduce’لتقليل حجم النموذج بحيث يمكن التعامل معه من قبل البرنامج – والهدف هو تقليل الحجم قدر الإمكان، مع الاحتفاظ بجميع التفاصيل الضرورية. انقر فوق علامة التبويب’الصلبة’ واستخدام’شبكة إلى BRep’أداة لتحويل شبكة المستوردة إلى النص الأساسي الذي يمكن التلاعب به. إذا كان لا يمكن إكمال هذا الإجراء، لم يتم تقليل شبكة كافية في الخطوة 3.1.3. انقر على ‘إنشاء’ ثم ‘مربع’ ورسم مربع حول الورم. حدد لإنشاء هذا كـ’الجسم الجديد’وتدوير طريقة العرض لضمان مربع يحيط تماما الورم على جميع الجوانب. في علامة التبويب تعديل، استخدم أداة ‘دمج’ لقطع الورم(‘ أداة الجسم’) من مربع (الهدف ‘الجسم’). ثم يترك هذا الصندوق مع شكل أجوف من الورم داخله. تحقق من وجود مربع مُجوّف. قطع هذا المربع إلى عدد مناسب من القطع بحيث بمجرد ملء القالب، يمكن أن يكون الثمينة بعيدا دون الإضرار داخل الشبح. للورم هنا، يكفي تقسيم الصندوق إلى قسمين، لكن بالنسبة للأجزاء الأخرى من الشبح، هناك حاجة إلى المزيد من القطع. إنشاء طائرات من خلال مربع في الأماكن التي العفن يحتاج إلى قطع. انقر فوق ‘بناء’ ثم ‘منتصف الطائرة’ لإنشاء طائرة من خلال وسط المربع. انقر بزر الماوس الأيمن فوق الطائرة التي تم إنشاؤها واختيار’إزاحة الطائرة’لوضع الطائرة أكثر دقة. استخدم الدالة’Split Body’في علامة التبويب’تعديل’لتقسيم القالب على طول الـ planes التي تم إنشاؤها. نقل القطع الفردية من القالب، عن طريق النقر على الحق واختيار’نقل / نسخ’،بحيث تواجه جميع القطع إلى الخارج. إضافة برشاغ إلى وجوه كل قطعة من القالب (حتى يمكن أن يصلح معا بشكل آمن)، عن طريق النقر على ‘إنشاء رسم’ ثم ‘ الدائرةقطر المركز’ وعلى كل وجه، رسم دوائر صغيرة. انقر بزر الماوس الأيمن ثم’البثق’ هذه الدوائر إلى الخارج بضعة ملليمترات على وجه واحد وقذف لهم إلى الداخل على الوجه المقابل.ملاحظة: يجب أن تكون الدوائر التي يتم مقذوفها إلى الداخل أكبر قليلاً – حوالي 1.5 ملم – من الدوائر التي يتم مقذوفها إلى الخارج ، بحيث تناسب بعضها البعض بشكل مريح. حفظ كل قطعة من القالب كملف STL منفصلة. كرر الخطوات 3.1.4 – 3.1.14 لـ “الدماغ الأيسر” و “الدماغ الأيمن” و “ورم المخيخ”.ملاحظة: استخدام الملف ‘المخيخ ورم’ بدلا من مجرد ‘المخيخ’ لخلق القالب يعني أن العفن سيكون لها مساحة في ذلك للورم ليتم إدراجها أثناء البناء. طباعة قوالب 3D تثبيت أو فتح برنامج الطباعة ثلاثية الأبعاد. افتح ملف STL لكل قطعة من القالب في برامج الطباعة وتناوب عليه بحيث تقع مسطحة ضد لوحة البناء. فمن الممكن لإضافة قطع العفن متعددة إلى لوحة بناء وطباعة هذه في وقت واحد. اختر ارتفاع طبقة كبيرة (حوالي 0.2 مم) وقيمة الردم المنخفضة (حوالي 20٪) للطباعة أسرع. طباعة القوالب باستخدام مادة جامدة مثل حمض بوليلاكتيك (جيش التحرير الشعبي). إذا تم وضع القوالب بشكل مناسب، فإن مواد الدعم ليست ضرورية. طباعة الجمجمة افتح ملف “جمجمة الأعلى” في برنامج الطباعة واختر ارتفاع طبقة كبيرة (حوالي 0.2 مم) وقيمة الردم المنخفضة (حوالي 20٪). طباعة نموذج الجمجمة في جيش التحرير الشعبى الصينى ولكن على النقيض من الخطوة 3.2.3، وسوف تكون هناك حاجة إلى مواد الدعم، لذلك حدد إلى ‘إضافة دعم’ في البرنامج. ويستخدم PVA كمادة الدعم كما أنه يمكن في وقت لاحق أن يذوب بعيدا بالماء. كرر الخطوات 3.3.1 و 3.3.2 ل ‘الجمجمة أسفل’. بمجرد طباعة الجزء العلوي والسفلي من الجمجمة ، غمرها في الماء بين عشية وضحاها لإذابة مواد الدعم PVA.ملاحظة: مواد الدعم سوف تذوب بعيدا أسرع بكثير إذا تم استخدام الماء الدافئ، ولكن إذا كان الماء دافئا جدا، فإنه سيتم تشويه جيش التحرير الشعبى الصينى المطبوعة. لذلك، فمن الأفضل استخدام الماء البارد وترك الطباعة مغمورة بين عشية وضحاها. 4. إعداد PVA-c قياس 200 غرام من مسحوق PVA وتعيين إلى الجانب. سخني 1800 غرام من الماء غير المتين إلى 90 درجة مئوية وأضيف إلى قارورة مخروطية 2L.ملاحظة: الماء يحتاج إلى أن يكون الغليان تقريبا حتى مسحوق PVA سوف تذوب بسهولة، ولكن إذا كان الماء يصل إلى 100 درجة مئوية، وبعض سوف تضيع إلى التبخر، والتي يجب تجنبها. تعليق قارورة مخروطية في حمام المياه التي تسيطر عليها درجة الحرارة تعيين في 90 درجة مئوية. ضع جهاز نقل إلكتروني في القارورة، مما يضمن عدم لمسها للقاع أو الجانبين، وحدد السرعة إلى 1500 دورة في الدقيقة.ملاحظة: تحقق من أن الماء هو اثارة بالتساوي وليس هناك نقاط راكدة في الجانبين أو أسفل. أضيفي تدريجياً مسحوق PVA إلى القارورة المخروطية، على بعد حوالي 30 دقيقة، ثم اتركيه ليحرك لمدة 90 دقيقة أخرى. الهلام الناتج هو مادة محاكاة الأنسجة PVA-c. إزالة قارورة مخروطية من حمام الماء وصب محتويات في منقار. تغطية الجزء العلوي مع فيلم التشبث لمنع تشكيل الجلد على رأس PVA-c. اترك PVA-c لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة (حوالي 20 درجة مئوية). بمجرد تبريدها، فإن PVA-C تكون شفافة. ويمكن رؤية بلورات بيضاء صغيرة في PVA-c، ولكن يجب أن يتم كشط أي فقاعات تظهر على السطح برفق. إضافة 0.5 ث / ث ٪ سوربات البوتاسيوم إلى PVA -C كمادة حافظة ، ويحرك يدويا جيدا. يمكن ترك PVA-c في درجة حرارة الغرفة إذا تم تغطيتها في فيلم التشبث لبضعة أيام قبل أن يتم صبه في قوالب. 5. جمعية فانتوم قياس ما يكفي من PVA-c لملء قالب الورم في منقار. إلى PVA-c للورم، إضافة 1 ث / ث٪ ميكروفيرس الزجاج على النقيض من الموجات فوق الصوتية و 5 ث / ث ٪ كبريتات الباريوم للتباين الأشعة السينية، ويحرك باليد.ملاحظة: قد يكون من الضروري قياس فائض PVA-C للورم بحيث تكون هذه النسب المئوية كمية قابلة للقياس. سونيكاتي منقار لضمان خلط متجانسة من المواد المضافة. يترك ليبرد والسماح لأي فقاعات شكلت للهروب، حوالي 10 دقيقة، ثم كشط أي فقاعات من السطح.ملاحظة: لا تترك لفترة طويلة مرة واحدة تم إضافة المجالات الزجاجية، لم يعد من حوالي 10 دقيقة، قبل صب PVA-c في قالب، كما سوف تستقر المجالات الزجاجية إلى الجزء السفلي من الكأس. بمجرد تجميد الشبح ، لن يكون هذا مصدر قلق بعد الآن ، ويمكن استخدام الشبح النهائي في درجة حرارة الغرفة. تأمين قالب الورم معا (الشريط يمكن استخدامها لتغطية الصلات في القالب) وتصب في PVA-C من خلال ثقب في الجزء العلوي من القالب. يترك لبضع دقائق للسماح لأي فقاعات تشكلت في عملية صب للهروب من خلال ثقب، ثم وضع مباشرة في الثلاجة. إجراء دورتين تجميد ذوبان على الورم; كل دورة هنا تتكون من 6 ح من التجمد في -20 درجة مئوية و 6 ح من ذوبان في درجة حرارة الغرفة. ثم، إزالة بعناية من العفن. وضع الورم في الفضاء المقابلة لذلك في قالب المخيخ، ثم بناء بقية قالب المخيخ وتأمينه معا. إلى المتبقي PVA-c إضافة 0.05 ث/ ث٪ الزجاج microspheres ثم كرر الخطوات 5.1.3 و 5.1.4. صب PVA-c في قالب المخيخ، مما يسمح لها بتطويق الورم الذي تم وضعه في الداخل. بالإضافة إلى ذلك، صب الخليط في قوالب لكل نصف الكرة الأرضية الدماغ. تنفيذ دورتين تجميد ذوبان في كل نصف الدماغ المخ والمخيخ; كل دورة هنا تتكون من 24 ساعة من التجمد عند -20 درجة مئوية و 24 ساعة من الذوبان في درجة حرارة الغرفة.ملاحظة: دورات مع 12 ساعة تجميد تليها 12 ح ذوبان فعالة أيضا، للسماح الوهمية التي سيتم إنشاؤها في وقت أقل. 24 ح تم اختياره لسهولة التطبيق، لتجنب العودة إلى المختبر كل 12 ساعة. بمجرد أن تذوب الأشباح للمرة الثانية ، قم بإزالتها بعناية من القوالب ووضعها في الجمجمة المطبوعة.ملاحظة: عندما لا تكون قيد الاستخدام، يجب تخزين الأشباح PVA-C المكتملة في حاوية محكمة الإغلاق في الثلاجة، ويمكن الاحتفاظ بها لبضعة أسابيع بهذه الطريقة للانتهاء، ضع شبح “ورم المخيخ” على الارتفاع في قاعدة نموذج “الجمجمة السفلي”. يتم وضع نماذج من نصفي الدماغ (‘الدماغ اليسار’ و ‘الدماغ الحق’) على رأس وفتحة في الجزء العلوي من ‘ورم المخيخ’. ضع المسامير الأربعة في كل مساحة على نموذج “الجمجمة السفلي” ووضع نموذج “قمة الجمجمة” على القمة. إذا لزم الأمر، قد يكون النموذج ثم مناورة في الموضع المطلوب لمحاكاة استخدام داخل العملية في الجراحة. 6. التصوير الوهمي التصوير بالموجات فوق الصوتية تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على مسبار التصوير.ملاحظة: لا يستخدم جل خلال العملية ولكن يمكن استخدامها في المحاكاة ولا يغير بشكل كبير سير العمل السريري أو نوعية الصور المكتسبة. صورة الدماغ والورم من خلال استئصال القحف، مع الماسح الضوئي السريري ومسبار ثقب البور. التصوير المقطعي صورة الشبح كله في ماسح ضوئي CT.

Representative Results

بعد البروتوكول الموصوف ، تم تصنيع شبح واقعي تشريحيًا ، والذي يتكون من جمجمة ومخ ورم خاص بالمريض. يتم تقسيم الهياكل التشريحية ذات الصلة للوهم (الجمجمة والدماغ والورم) باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي المريض وبيانات CT(الشكل 2أ، ب). المريض بيانات الموجات فوق الصوتية العملية(الشكل 2C; الشكل 2D يظهر نفس الصورة مثل 2c الشكل، ولكن مع الورم المبين) تم استخدامها لمقارنة الصور الوهمية لصور المريض الحقيقي. تم إنشاء الشبكات لكل قطعة من النموذج (الشكل 3)، ثم تم استخدامها لتصنيع قوالب 3D. كانت القوالب مطبوعة بسهولة على طابعة تجارية وتجميعها عن طريق وضع القطع معاً. وكان العفن المخيخ الأكثر تعقيدا لتصميم وتجميع (الشكل 4). الجمجمة (الشكل 5a) كانت أصعب جزء لطباعة كما أنها تتطلب مواد الدعم، لذلك كانت عملية بطيئة. استغرق مجموع طباعة ما مجموعه ثلاثة أيام لإكمال، وهو عامل يحد في البروتوكول. كان الشبح المكتمل(الشكل 5)نموذجًا واقعيًا لجمجمة المريض والدماغ والورم. تم إنتاج نصفي الدماغ(الشكل 5b)بشكل منفصل ، ويكون لهما مظهر واقعي ، ويضم الجيري و sulci للدماغ. الشبح كله أبيض اللون، لأن هذا هو اللون الطبيعي لPVA-c. هذا يمكن بسهولة أن تتغير بإضافة صبغ ولكن لم يكن ضروريا للتطبيق. المخيخ(الشكل 5c)يناسب بشكل مريح في قاعدة الجمجمة المطبوعة ونصف الكرة في الدماغ الجلوس على رأس هذا. الورم مرئي بسهولة في المخيخ، كما أن التباين الإضافي المضاف إلى نتائج الورم في كونه لون أبيض يفصله عن المواد المحيطة بها، وهو ما تعلق عليه بشكل آمن. وقد صورت الشبح مع كل من التصوير المقطعي والموجات فوق الصوتية(الشكل 6أ، ب). تم استخدام كبريتات الباريوم لإعطاء الورم المقابلة CT المناسبة، والصورة الوهمية(الشكل 6a)يظهر أن هذا تم تحقيقه، كما هو تصور الورم بوضوح. لم تطبع الجمجمة مع ملء 100٪ ، من أجل تقليل الوقت المُتَخَذ للطباعة. لذلك ، لا تبدو الجمجمة واقعية تمامًا في صور CT ، نظرًا لأنه يمكن رؤية بنية شعرية للطباعة. هذه ليست مشكلة للتطبيق، حيث أن هناك حاجة فقط إلى مخطط الجمجمة لنظام الملاحة العصبية. ويمكن طباعة الجمجمة مع ملء 100٪ لتجنب هذه الدقة انخفاض من الصورة CT، ولكن من شأنه أن يضيف الوقت على عملية الطباعة. وأضيف microspheres الزجاج إلى المخيخ، نصفي الدماغ والورم لتباين الموجات فوق الصوتية. تظهر النتائج أن الورم هو أيضا مرئية مع التصوير بالموجات فوق الصوتية(الشكل 6b) ويمكن تمييزها عن الأنسجة المحيطة بها. على الفحص البصري، والصور الموجات فوق الصوتية التي تم الحصول عليها من الوهمية(الشكل 6b)،وتلك التي تم الحصول عليها من المريض (الشكل 2c) تبين أن العوامل التباين المستخدمة في الوهمية كانت فعالة لخلق خصائص التصوير واقعية. تم اختبار الشبح أثناء المحاكاة الجراحية في غرفة العمليات الافتراضية (الشكل 7). تم وضع النموذج الوهمي على طاولة العمليات الجراحية باستخدام مشبك الجمجمة القياسي وتم تسجيل الأشعة المقطعية للوهم الوهمي باستخدام نظام إعادة تنشيط الخلايا العصبية السريرية. تم محاكاة نهج retrosigmoid للورم وتم تصوير الورم باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية السريرية مع محول الموجات فوق الصوتية ثقب بور. خلال المحاكاة الجراحية، أثبت النموذج الوهمي أنه مستقر ولم يلاحظ أي ضرر من التلاعب بالوهم بنفس الطريقة التي سيكون بها الدماغ البشري أثناء هذا الإجراء، لذلك يمكن استخدامه بشكل متكرر في ظل نفس الظروف. الشكل 1: مخطط انسيابي لإظهار الخطوات المطلوبة لجعل المريض محددة PVA-C الدماغ الوهمية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 2: بيانات المرضى المستخدمة لإنشاء نموذج وهمي. مصادر البيانات للمريض مع شوانونوما الدهليزية من جانب اليسار: (أ) محوري التباين معززة T1-مرجح التصوير بالرنين المغناطيسي, السهم الأبيض مشيرا نحو الورم; (ب) محوري غير النقيض التصوير المقطعي الضوئي نافذة لتسليط الضوء على العظام, السهم الأبيض مشيرا نحو لحم السمعية الداخلية الموسعة الناجمة عن الورم; (ج) صورة الموجات فوق الصوتية أثناء العملية التي تم الحصول عليها أثناء جراحة الشوانونوما الدهليزية؛ (د) صورة الموجات فوق الصوتية داخل العملية المشروحة : الورم (فرط التشاتويك على الموجات فوق الصوتية) ، : الدماغ (المخيخ). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: الشبكات المكتملة لكل قسم من الشبكات الوهمية. STL شبكة لـ (a,b) الجمجمة, : الجانب الأيسر retrosigmoid استئصال القحف; (ج ، د) نصفي الكرة الدماغية ؛ (e, f) ورم ومخيخ, : ورم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: 3D العفن المخيخ المطبوعة. 3D مطبوعة المخيخ العفن شيدت بالكامل (أعلى اليسار) وقطع منفصلة، والتي يتم ترقيمها من 1 إلى 4. ثقب في قطعة 2 (المشار إليها من قبل ‘H’) تمكن PVA-c أن تصب في القالب. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 5: الوهمية المكتملة. الشبح النهائي (a) الجمجمة (ب) الوهمية مع قمة الجمجمة إزالتها: : استئصال القحف retrosigmoid ، : ورم ، والدماغ (المخيخ) ، والدماغ (نصف الكرة الدماغية الأيمن) ؛ (ج) المخيخ والورم: الورم, الدماغ (المخيخ). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 6: التصوير المقطعي المحوسب وصور الموجات فوق الصوتية التي تم الحصول عليها مع الشبح. (أ) صورة محورية من الشبح من خلال كامل من خلال مستوى قاعدة الجمجمة والورم ، (ب) صورة الموجات فوق الصوتية داخل العملية من الوهمية المكتسبة مع ثقب ثقب مسبار الموجات فوق الصوتية من خلال استئصال القحف retrosigmoid في طائرة عمودي تقريبا على الجمجمة (محاكاة الجراحة ، تم سحب المخيخ قليلا من أجل الصورة مباشرة على الورم). : ورم, الدماغ (المخيخ), : اليسار من جانب استئصال القحف. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: اختبار الشبح أثناء المحاكاة الجراحية. اختبار النموذج الوهمي من خلال المحاكاة الجراحية في غرفة العمليات الافتراضية. : نظام العصبية التي تعرض المسح الضوئي المسجل للنموذج الوهمية CT, : نظام الموجات فوق الصوتية المستخدمة لتصوير الوهمية مع ثقب ثقب مُضغ فوق الصوتي محول (ينظر إلى وضعه بجوار شاشة الموجات فوق الصوتية). لاحظ أن النموذج في الصورة هنا يستند إلى البيانات المكتسبة من مريض مختلف مع ورم من جانب الحق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

هذا البروتوكول تفاصيل عملية تصنيع المريض نوع من شبح الدماغ، والتي تشمل الجمجمة والدماغ، ورم الشوانونوما الدهليزي. سمحت طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد بتحقيق التفاصيل الدقيقة تشريحياً. تم تصنيع الشبح الموصوف هنا بنجاح مع المستوى المطلوب من التفاصيل التشريحية. تم استخدام التصوير المقطعي والتصوير بالموجات فوق الصوتية لإثبات أن الورم كان مرئيًا بسهولة مع كلا الأسلوبين. الأنسجة تقليد المواد، PVA-C، هو راسخة كمادة تقليد الأنسجة للأشباح بالموجات فوق الصوتية. يمكن ضبط خصائصه الصوتية والميكانيكية مع المواد المضافة وعدد دورات التجميد ذوبان. المواد متاحة بسهولة، بسيطة للاستخدام وغير سامة. مع الاستخدام المتكرر ، كان لدى الشبح متانة كافية لتحمل التلاعب والاتصال بمسبار الموجات فوق الصوتية أثناء المحاكاة البدنية لجراحة الشوانونوما الدهليزية.

وقد تم تحديد عدة خطوات رئيسية باعتبارها حاسمة بالنسبة لعملية التصنيع. أولاً، يجب أن يتضمن تجزئة الهياكل لإدراجها في الأطياف المستوى المطلوب من التفاصيل التشريحية. إنشاء ملفات STL دقيقة وقوالب 3D ثم يتبع بشكل طبيعي. ثانيا، يجب النظر بعناية في تحديد مواقع الطائرات داخل قالب المخيخ في الخطوة 3.1.9، بحيث يمكن إزالة الشبح بسهولة، دون ضرر؛ يجب أن تكون قطع إلى ما يكفي من القطع للسماح بالاحتفاظ بالتفاصيل التشريحية، مع تمكين الشبح ليتم إزالتها دون أن تتعثر في القالب. في هذه الحالة، تم اختبار عدة تكرارات وأخيرا تم قطع القالب إلى أربع قطع منفصلة. الاعتبار الرئيسي الثالث هو أنه أثناء عملية التصنيع PVA-C (القسم 4)، يجب ترك PVA-c لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة (الخطوة 4.1.6). إذا غاب عن هذه الخطوة ويتم إضافة الساخنة PVA-C إلى القوالب، فإنه يمكن أن يسبب قوالب لذوبان أو تشويه. ومن الأهمية بمكان أيضاً أن لا يبقى الـ PVA-c ليجلس لأكثر من 10 دقائق بمجرد إضافة النواحي الزجاجية (الخطوات 5-1-2 – 5.1.4). إذا تركت لفترة طويلة من الزمن، فإن المجالات الزجاجية يستقر إلى أسفل، والوهمية الناتجة سيكون لها تباين الموجات فوق الصوتية غير متجانسة29. مرة واحدة يتم إضافة المجالات الزجاجية، يجب إضافة PVA-C مباشرة في القوالب ووضعها في الثلاجة. بعد دورة التجميد الأولى، سيتم تأمين المجالات الزجاجية في المكان، ويمكن استخدام الشبح في درجة حرارة الغرفة. وأخيرا، من المهم أن تكون القوالب مختومة بعناية (على سبيل المثال، مع الشريط) قبل إضافة PVA-C، لتقليل تسرب الخليط من خلال الثغرات حيث قطعة منفصلة من القالب انضمت معا.

البروتوكول له عدة قيود. على سبيل المثال، هناك حاجة إلى بعض المعدات المتخصصة، بما في ذلك حمام مائي وناشر إلكتروني. ويستخدم أيضا صوتناتور كجزء من هذا البروتوكول، ولكن يمكن استبدال خطوة sonication (5.1.3) مع التحريك الإلكترونية إضافية؛ ومع ذلك، مع هذا البديل، فإنه سوف يستغرق وقتا أطول لتحقيق خليط متجانس مما هو ممكن مع استخدام سونيكيشن. أحد القيود من PVA-c هو أنه يتحلل مع مرور الوقت ويصبح متعفن. إضافة سوربات البوتاسيوم، كما هو موضح هنا، يزيد من العمر الافتراضي الوهمية، على الرغم من أنه لا يزال يجب الاحتفاظ بها في حاوية ضيقة الهواء. وهناك قيد ثان من PVA-C هو أن دورات التجميد ذوبان مطلوبة، مما يزيد من مقدار الوقت اللازم لجعل الوهمية. لتقليل وقت التصنيع الوهمي ، فإن أحد الاعتبارات الرئيسية هو سرعة التجميد والذوبان ؛ مرة واحدة يتم تجميد الشبح إما تماما أو ذاب تماما، والوقت الذي لا يزال في تلك الدولة لا يؤثر بشكل كبير على الوهمية النهائية16،30. لذلك، يمكن أن تختلف أطوال دورة المستخدمة، شريطة أن يتم تجميد الشبح تماما وذوبان في كل مرحلة من مراحل الدورة. على سبيل المثال ، الورم في شبح هذه الدراسة صغير جدا ، لذلك يمكن استخدام دورات أقصر للورم من الدماغ. وأخيرا ، 3D طباعة القوالب والجمجمة هي عملية تستغرق وقتا طويلا التي تستهلك جزءا كبيرا (3 أيام) من الوقت الإجمالي (1 أسبوع) المطلوبة لاصطناق وهمية مع هذا البروتوكول. كانت الطابعة المستخدمة نموذجًا تجاريًا من عام 2018؛ وكانت هذه الطابعة من طراز 2018. ويمكن إكمال عملية الطباعة في أطر زمنية أقصر باستخدام الطابعات الأحدث وأسرع.

يمكن استخدام شبح الدماغ المعروض هنا مباشرة للتدريب السريري والتحقق من صحة أنظمة الملاحة العصبية. كما الأنسجة تقليد المواد، PVA-C تمكن من أن تستخدم وهمية الناتجة مرارا وتكرارا، على سبيل المثال كأداة للتدريب أو للتحقق من الموجات فوق الصوتية داخل العملية في جراحة الشوانونوما الدهليزية، كما هو مادة دائمة وغير سامة. على هذا النحو، وطريقة تصنيع مكملة لتلك التي سبق وصفها التي استخدمت الطباعة 3D لخلق المريض أطياف الدماغ محددة20،21،22،23،24،25. استخدام PVA-c كما TMM يجعل الشبح مناسبة للاستخدام في محاكاة جراحة الأعصاب، والمواد يمكن أن تحمل التلاعب اليدوي المتكرر والاتصال من مسبار الموجات فوق الصوتية. ويمهد هذا العمل الطريق لمزيد من دراسات التحقق الكمي. الطريقة الوهمية الموصوفة هنا متعددة الاستخدامات للغاية ويمكن استخدامها لاختلاق العديد من أنواع أشباح الأورام الخاصة بالمريض ، وتمتد من الدماغ إلى أجهزة أخرى ، مع التوافق عبر العديد من طرائق التصوير.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يشكر المؤلفان دانيل نيكيتشيف وستيفي مينديز على نصيحتهما بشأن استخدام Meshmixer وفرناندو بيريز غارسيا على نصيحته بشأن استخدام 3D Slicer ولتوفير رمز لنا لأتمتة بعض خطوات المعالجة.

وقد دعم هذا العمل صندوق ويلكوم الاستئماني [203145Z/16/Z; 203148/Z/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1)، MRC [MC_PC_17180] والوطنية الدماغ نداء [الدوري الاميركي للمحترفين / NSG / SBS] التمويل. ويدعم التلفزيون من قبل شركة ميدتروك / الأكاديمية الملكية للبحوث الهندسية كرسي [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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Culjat, M. O., Goldenberg, D., Tewari, P., Singh, R. S. A review of tissue substitutes for ultrasound imaging. Ultrasound in Medicine and Biology. 36 (6), 861-873 (2010).
  2. Hwang, J., Ramella-Roman, J. C., Nordstrom, R. Introduction: Feature Issue on Phantoms for the Performance Evaluation and Validation of Optical Medical Imaging Devices. Biomedical Optics Express. 3 (6), 1399 (2012).
  3. Maul, H., et al. Ultrasound simulators: Experience with the SonoTrainer and comparative review of other training systems. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. 24 (5), 581-585 (2004).
  4. Craven, C., et al. Development of a modelled anatomical replica for training young neurosurgeons. British Journal of Neurosurgery. 28 (6), 707-712 (2014).
  5. Zhang, L., Kamaly, I., Luthra, P., Whitfield, P. Simulation in neurosurgical training: a blueprint and national approach to implementation for initial years trainees. British Journal of Neurosurgery. 30 (5), 577-581 (2016).
  6. Leff, D. R., et al. Validation of an oncoplastic breast simulator for assessment of technical skills in wide local excision. British Journal of Surgery. 103 (3), 207-217 (2016).
  7. Hunt, A., et al. Low cost anatomically realistic renal biopsy phantoms for interventional radiology trainees. European Journal of Radiology. 82 (4), 594-600 (2013).
  8. Pacioni, A., et al. Patient-specific ultrasound liver phantom: materials and fabrication method. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 10 (7), 1065-1075 (2015).
  9. Maneas, E., et al. Anatomically realistic ultrasound phantoms using gel wax with 3D printed moulds. Physics in Medicine and Biology. 63 (1), (2018).
  10. Samii, M., Matthies, C. Management of 1000 vestibular schwannomas (acoustic neuromas): hearing function in 1000 tumor resections. Neurosurgery. 40 (2), 242-248 (1997).
  11. Cabrelli, L. C., Pelissari, P. I. B. G. B., Deana, A. M., Carneiro, A. A. O., Pavan, T. Z. Stable phantom materials for ultrasound and optical imaging. Physics in Medicine and Biology. 62 (2), 432-447 (2017).
  12. Vieira, S. L., Pavan, T. Z., Junior, J. E., Carneiro, A. A. O. Paraffin-Gel Tissue-Mimicking Material for Ultrasound-Guided Needle Biopsy Phantom. Ultrasound in Medicine & Biology. 39 (12), 2477-2484 (2013).
  13. Maneas, E., et al. Gel wax-based tissue-mimicking phantoms for multispectral photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express. 9 (3), 1151 (2018).
  14. Madsen, E. L., Hobson, M. A., Shi, H., Varghese, T., Frank, G. R. Tissue-mimicking agar/gelatin materials for use in heterogeneous elastography phantoms. Physics in Medicine and Biology. 50 (23), 5597-5618 (2005).
  15. Duboeuf, F., et al. Investigation of PVA cryogel Young’s modulus stability with time, controlled by a simple reliable technique. Medical Physics. 36 (2), 656-661 (2009).
  16. Fromageau, J., Brusseau, E., Vray, D., Gimenez, G., Delachartre, P. Characterization of PVA cryogel for intravascular ultrasound elasticity imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 50 (10), 1318-1324 (2003).
  17. Fromageau, J., et al. Estimation of polyvinyl alcohol cryogel mechanical properties with four ultrasound elastography methods and comparison with gold standard testings. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 54 (3), 498-508 (2007).
  18. Khaled, W., et al. Evaluation of Material Parameters of PVA Phantoms for Reconstructive Ultrasound Elastography. 2007 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. , 1329-1332 (2007).
  19. Chen, S. J. S., et al. An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging. Medical Physics. 39 (1), 554-561 (2012).
  20. Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning. World Neurosurgery. 90, 668-674 (2016).
  21. Weinstock, P., et al. Creation of a novel simulator for minimally invasive neurosurgery: Fusion of 3D printing and special effects. Journal of Neurosurgery: Pediatrics. 20 (1), 1-9 (2017).
  22. Grillo, F. W., et al. Patient-specific neurosurgical phantom: assessment of visual quality, accuracy, and scaling effects. 3D Printing in Medicine. 4 (1), (2018).
  23. Tsai, A., et al. Creation and Validation of a Simulator for Neonatal Brain Ultrasonography: A Pilot Study. Academic Radiology. 24 (1), 76-83 (2017).
  24. Reinertsen, I., Collins, D. L. A realistic phantom for brain-shift simulations. Medical Physics. 33 (9), 3234-3240 (2006).
  25. Mobashsher, A. T., Abbosh, A. M., Wang, Y. Microwave system to detect traumatic brain injuries using compact unidirectional antenna and wideband transceiver with verification on realistic head phantom. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 62 (9), 1826-1836 (2014).
  26. Cox, R. W., et al. A (sort of) new image data format standard: NiFTI-1. 10th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. 22, (2004).
  27. Cramer, J., Quigley, E. Advanced Visualization and 3D Printing. Learning Lab at the Society for Imaging Informatics in Medicine annual meeting. , (2019).
  28. Cardoso, M. J., et al. Geodesic Information Flows: Spatially-Variant Graphs and Their Application to Segmentation and Fusion. IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (9), 1976-1988 (2015).
  29. Dong, J., Zhang, Y., Wei-Ning, L. Walled vessel-mimicking phantom for ultrasound imaging using 3D printing with a water-soluble filament: design principle, fluid-structure interaction (FSI) simulation, and experimental validation. Physics in Medicine & Biology. , 0 (2020).
  30. Jiang, S., Liu, S., Feng, W. PVA hydrogel properties for biomedical application. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 4 (7), 1228-1233 (2011).

Tags

Patient-specificPolyvinyl AlcoholPhantomUltrasoundX-rayContrastBrain TumorSurgery PlanningCT3D PrintingAnatomical RealismSurgical PlanningClinical TrainingMRI3D Modeling3D PrintingMoldTumorBrain

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image