Patiënt-specifieke Polyvinyl Alcohol Phantom Fabricatie met echografie en X-Ray Contrast voor brain tumor chirurgie Planning

Deze studie werd uitgevoerd volgens de beginselen uitgedrukt in de Verklaring van Helsinki en werd goedgekeurd door de NHS Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). Geïnformeerde toestemming werd verkregen, en alle beeldvormingsgegevens werden volledig geanonimiseerd vóór analyse. 1. Verkrijg vooraf operatieve, met contrast verbeterde T1-gewogen Magnetic Resonance Imaging (MRI) en volumetrische computertomografie (CT) gegevens. Als verworven in Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) formaat, converteren naar Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) formaat voor verwerking en analyse. Verkrijg intraoperatieve echografiegegevens. 2. Segmentatie Installeer software om de patiëntgegevens mee te segmenteren. SchedelsegmentatieOPMERKING: De stappen die betrokken zijn bij het segmenteren van de schedel in grote lijnen volgen die geschetst door Cramer en Quigley27 Op https://radmodules.com/, maar zijn aangepast om een geschikte craniotomie te creëren.Laad de volumetrische CT-scan van de patiënt in segmentatiesoftware, open de segmenteditormodule en creëer nieuwe segmentatie met de naam ‘Skull’. Gebruik de functie’Drempel’om de schedel te markeren. Verwijder ongewenste segmentaties (bijvoorbeeld huidverkalkingen, onderkaak, C1/2, styloïdeproces, het CT-patiëntenframe en eventuele annotaties die in de afbeelding zijn ingebed). Gebruik de functie’Schaar’om onderdelen te verwijderen bij het bekijken van het model in 3D en gebruik te maken van de functie’Eilanden’nadat u met de functie’Wissen’handmatig ongewenste structuren hebt losgekoppeld. Corticale rand van het mastoïde bot en ethmoïde bot handmatig corrigeren in de segmentatie die tijdens het drempelsen werden gemist met behulp van de functies ‘Paint’ en ‘Draw’ (bijvoorbeeld lamina papyracea, corticale rand van het mastoïde bot en ethmoïde bot). Gebruik de functies ‘Paint’ en ‘Draw’ om de foramen magnum in te vullen en een 5 mm uitstekende spike te creëren waarop het onderste deel van het fantoommodel kan worden vastgezet.OPMERKING: De locatie van de piek wordt het best bepaald op de coronale en sagittale beeldvlakken. Pas de functie’Smoothing’ toe. Gebruik een mediane smoothing-instelling van 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixels) om de hoeveelheid verloren details te minimaliseren.OPMERKING: Als het fantoommodel een volledig intacte schedel moet bevatten (bijvoorbeeld om chirurgische simulatie van het creëren van een op de juiste plaats gelegen schedel te vergemakkelijken), ga dan naar stap 2.2.15; Als er echter een craniotomie in het model nodig is, moet u de stappen 2.2.7 tot en met 2.2.14 voltooien. Klik op ‘Toevoegen’om een nieuwe segmentatie toe te voegen en noem het ‘Skull Craniotomy’. Kopieer in de module ‘Segmentaties’ de segmentatie ‘Skull’ over naar ‘Skull Craniotomy’ via het tabblad ‘Copy/Move Segments’.OPMERKING: Zowel de segmentatie ‘Skull’ als ‘Skull Craniotomy’ zijn nodig om de in de stappen 2.2.9 tot en met 2.2.13 beschreven functies te kunnen uitvoeren Gebruik de functie’Schaar’om een op de juiste manier grote craniotomie in ‘Skull Craniotomie’ te verwijderen.OPMERKING: Het creëren van de craniotomie op deze manier zal ook een toevoeging gedeelte van de schedel aan de andere kant vandaar de noodzaak voor stappen 2.2.11 tot 2.2.14. Klik op ‘Toevoegen’ en voeg een nieuwe segmentatie toe; noem het ‘Craniotomie Only’. Selecteer in ‘Craniotomy Only’ de segmentatie ‘Skull Craniotomy’ en gebruik de functie ‘Logical Operator’om ‘Skull Craniotomie’ af te trekken van ‘Skull’. Gebruik de functie’Schaar’om alles te wissen behalve de gewenste craniotomie aan de juiste kant van de tumor, waardoor ‘Craniotomie Only’ wordt opgeslagen. In ‘Skull Craniotomy’ gebruik je de functie ‘Logical Operator’om ‘Craniotomie only’ af te trekken van ‘Skull’ en op te slaan. Open demodule Segmentaties en exporteer de ‘Skull Craniotomy’ als een stereolithografie (STL) bestand. Open 3D-modelleringssoftware en importeer het STL-bestand ‘Skull Craniotomy’.OPMERKING: Als het model in gestreept roze wordt weergegeven, voltooit u de functie’Flip Normals’door het volledige model te selecteren (Selecteer | Dubbelklik) en vervolgens ‘Bewerk | Flip Normals’. Het model wordt nu grijs en kan worden bewerkt. Zorg ervoor dat’Browser voor weergaveobjecten’is ingeschakeld. Verminder het aantal driehoeken om de rekentijd te verbeteren. Selecteer het volledige model (Selecteer | Dubbelklik kleurt het model oranje) en’Bewerk | Verminderen’. De standaard functie’Reduce’is ingesteld op 50% dus herhaal totdat de gewenste reductie is bereikt. Streef naar een totaal aantal driehoeken < 500.000. Breng’Smoothing’functie aan zodat het vakje’Shape Preserving’aangevinkt blijft. Selecteer het volledige model en selecteer vervolgens ‘Misvorming | Glad’. Klik op’Analyse’ en klik vervolgens op ‘Inspector’en gebruik deze functie om kleine defecten in het model op te sporen en klik op automatische reparatie (stel’Flat-fill’selectie voor). Snijd ‘Skull’ om een boven- en onderkant te maken met de’Edit/Plane’cut-functie. Selecteer het vultype’Houd beide segmenten’en ‘Remeshed’in. Verander de schedel in transparant met de functie’Shaders’om een beter inwendig beeld van de schedel te bieden en het vlak zo aan te passen dat het parallel is aan de schedelbasis. Scheid schalen door’| bewerken’ te selecteren Afzonderlijke schelpen’ en hernoemen ‘Skull_Top’ en ‘Skull_Bottom’ in de objecten browser.LET OP: Verplaats hun posities niet. Klik op het oogpictogram om het ene of het andere uit de weergave te verwijderen. Klik op’Meshmix’ en selecteer ‘Cylinder’om een handdoek te maken en bewerk grootte tot 4 mm × 10 mm × 4 mm (‘Edit | Transformeren’). Verberg ‘Skull_Bottom’ door op het oogpictogram te klikken om uit beeld te verwijderen. Selecteer ‘| bewerken Lijn’ vliegtuigen. Er verschijnt een extra transparante cilinder. Kies in het venster’Uitlijnen’ de optie ‘Surface point’ (links klik op transparante cilinder) voor de ‘Bron’ en ‘Surface point'(Shift + links klik onder de ‘Skull_Top’) voor de ‘Bestemming’. De| bewerken Transformeerde functie verplaats de dowel in de schedel met behulp van de groene pijl en pas de positie aan met blauwe en rode pijlen. Wijzig de naam ‘Dowel_Anterior’. Maak in de objectbrowser 3 kopieën en hernoemen ‘Dowel_Posterior’, ‘Dowel_Left’ en ‘Dowel_Right’. Verplaats elke handdoek naar de gewenste locatie met behulp van de ‘Edit | Transform’ functie.LET OP: Beweeg of verander de positie van de handdoek in het groene vlak niet. Maak kopieën van elk, maar bewaar alle kopieën op dezelfde locatie en maak een extra handdoek en maak het formaat van 3 mm × 10 mm × 3 mm. Hernoemen ‘Dowel’. Maak gaten voor Deuvels in de schedel met behulp van de’Boolean Difference’functie. Selecteer eerst ‘Skull_Top’ en selecteer vervolgens een dowel in de objectbrowser. In het tabblad’Boolean Difference’wordt ervoor gezorgd dat’Auto-reduce’wordt uitgeschakeld. Herhaal dit voor elke handdoek op zijn beurt. Verberg ‘Skull_Top’ en bekijk ‘Skull_Bottom’ herhalen van de bovenstaande’Boolean Difference’ functie voor elke dowel op zijn beurt. Exporteer ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’ en ‘Dowel’ als afzonderlijke binaire STL-bestanden. Hersenweefselsegmentatie Upload de contrast verbeterde T1 MRI van de hersenen naar http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF en download de output. Dit is een open-source pakketverwijde tool voor T1-gewogen beelden die gebruik maakt van een Geodesic Information Flow (GIF) algoritme28 om hersenextractie en weefselsegmentatie uit te voeren. Open segmentatiesoftware en laad het contrastvereend T1 MRI- en GIF-pakketuitvoerbestand. Open de module’Segmenteditor’en maak een nieuwe segmentatie. Selecteer de juiste labels en combineer ze om één segmentatie te vormen. Zo kunnen cerebrale en diencephalon label kaarten worden gecombineerd tot één model te maken, aangeduid als ‘Brain’ en midbrain, hersenstam, cerebellum en vermian structuren kunnen worden gecombineerd tot een tweede model aangeduid als ‘Cerebellum’. Gebruik de functie’Smoothing'(voorgesteld mediaan 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixels). Gebruik de functie’Schaar’om ongewenste of foutieve segmentaties te verwijderen. Sla ‘Brain’ en ‘Cerebellum’ segmentaties. Open ‘Segmentations’module en exporteer ‘Brain’ en ‘Cerebellum’ als STL-bestanden. Tumorsegmentatie Open segmentatiesoftware en laad de contrastverbes ter t.v. T1 MRI. Open de module’Segment editor’en maak nieuwe segmentatie met de naam ‘Tumor’. Gebruik de functie’Drempel’om de tumor te markeren. Corrigeer de segmentatie met de functies ‘Paint’,’Tekenen’ en’Wissen’. Pas de functie’Smoothing’aan (voorgesteld mediaan 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixels). Maak een nieuwe segmentatie met de naam ‘Cerebellum_Tumor’. Combineer het ‘Cerebellum’-model en ‘Tumor’ met behulp van de ‘Logical Operators | Voeg’ functie toe. Sla ‘Tumor’ en ‘Cerebellum_Tumor’ segmentaties. Open ‘Segmentations’module en exporteer ‘Tumor’ en ‘Cerebellum_Tumor’ als STL-bestanden.LET OP: Aan het einde van het segmentatieproces zijn de volgende bestanden beschikbaar: ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’, ‘Dowel’, ‘Brain’, ‘Cerebellum’, ‘Tumor’, ‘Cerebellum_Tumor’. 3.3D Afdrukken van brain / tumor mallen en schedel Maak de hersenen en tumor mallen Splits de segmentatie ‘Brain’ op in twee halfronden, met behulp van het’Plane cut’tool in 3D-modelleringssoftware. Sla elk halfrond op als een apart STL-bestand ‘Brain right’ en ‘Brain left’. Importeer het STL-bestand ‘Tumor’ in cad-software (computer-aided design). Klik op het tabblad’mesh’en gebruik vervolgens de functie ‘Reduce’ om de grootte van het model te verkleinen, zodat het door het programma kan worden behandeld – het doel is om de grootte zoveel mogelijk te verkleinen, terwijl nog steeds alle details behouden die nodig zijn. Klik op het tabblad’effen’ en gebruik het gereedschap’Mesh naar BRep’om het geïmporteerde net om te zetten in een lichaam dat kan worden gemanipuleerd. Als deze actie niet kan worden voltooid, is het gaas in stap 3.1.3 niet voldoende verkleind. Klik op ‘Maak’ dan ‘Doos’ en teken een doos rond de tumor. Selecteer om dit te maken als een ‘Nieuw lichaam’ en draai de weergave om ervoor te zorgen dat de doos de tumor aan alle kanten volledig omsluit. Gebruik in het tabblad Wijzigen het gereedschap’Combineren’om de tumor (het ‘Gereedschapslichaam’)uit de doos (het ‘Doellichaam’) te snijden. Dit zal dan een doos met een holle vorm van de tumor erin laten. Controleer of de uitgeholde doos aanwezig is. Snijd deze doos in een passend aantal stukken, zodat zodra de mal is gevuld, het kan worden gewaardeerd uit elkaar zonder beschadiging van het fantoom binnen. Voor de tumor hier, is het genoeg om de doos in tweeën te splitsen, maar voor de andere delen van het fantoom zijn meer stukken nodig. Maak vliegtuigen door de doos op de plaatsen die de mal moet worden gesneden. Klik op ‘Construct’ dan ‘Midplane’ om een vlak te maken door het midden van de doos. Klik met de rechtermuisknop op het gemaakte vlak en kies’Offset vlak’om het vlak nauwkeuriger te positioneren. Gebruik de functie’Split Body’op het tabblad ‘Wijzigen’om de mal te splitsen langs de gemaakte vlakken. Verplaats de afzonderlijke stukken van de mal, door met de rechtermuisknop te klikken en te selecteren ‘Move / Copy’, zodat alle stukken naar buiten worden gericht. Voeg klinknagels toe aan de gezichten van elk stuk van de mal (zodat het veilig in elkaar past), door te klikken op ‘Maak schets’ dan ‘ Centrumdiameter cirkel’ en op elk gezicht, het tekenen van kleine cirkels. Klik met de rechtermuisknop opdezecirkels die een paar millimeter naar buiten gaan op één gezicht en extrudeer ze naar binnen op het bijbehorende gezicht.OPMERKING: De naar binnen geëxtrudeerde cirkels moeten iets groter zijn – ongeveer 1,5 mm – dan de cirkels die naar buiten worden geëxtrudeerd, zodat ze goed in elkaar passen. Sla elk stuk van de mal op als een apart STL-bestand. Herhaal stap 3.1.4 – 3.1.14 voor ‘Brain left’, ‘Brain right’ en ‘Cerebellum tumor’.OPMERKING: Met behulp van het bestand ‘Cerebellum tumor’ in plaats van alleen ‘Cerebellum’ om de mal te creëren betekent dat de mal zal een ruimte in het voor de tumor worden ingevoegd tijdens de bouw. Print de 3D-mallen Installeer of open 3D-afdruksoftware. Open het STL-bestand voor elk stuk van de mal in de afdruksoftware en draai het zo dat het plat tegen de bouwplaat ligt. Het is mogelijk om meerdere malstukken aan de bouwplaat toe te voegen en deze tegelijkertijd af te drukken. Kies een grote laaghoogte (ongeveer 0,2 mm) en een lage invulwaarde (ongeveer 20%) voor sneller afdrukken. Print de mallen met behulp van een stijf materiaal zoals Polymelkzuur (PLA). Als de mallen op de juiste manier zijn geplaatst, is ondersteuningsmateriaal niet nodig. Print de schedel Open het bestand ‘Skull Top’ in de afdruksoftware en kies een grote laaghoogte (ongeveer 0,2 mm) en een lage infillwaarde (ongeveer 20%). Print het schedelmodel in PLA, maar in tegenstelling tot stap 3.2.3 is ondersteuningsmateriaal vereist, dus selecteer ‘Ondersteuning toevoegen’in de software. PVA wordt gebruikt als het steunmateriaal omdat het later kan worden opgelost met water. Herhaal stap 3.3.1 en 3.3.2 voor ‘Skull Bottom’. Zodra de boven- en onderkant van de schedel zijn afgedrukt, dompel ze ‘s nachts onder in water om het PVA-ondersteuningsmateriaal op te lossen.LET OP: Het steunmateriaal lost veel sneller op als warm water wordt gebruikt, maar als het water te warm is, zal het de gedrukte PLA vervormen. Daarom is het beter om koel water te gebruiken en de print ‘s nachts ondergedompeld te laten. 4. Voorbereiding van PVA-c Meet 200 g PVA-poeder en zet aan de zijkant. Verwarm 1800 g gedeïmiseerd water tot 90 °C en voeg toe aan een 2L conische kolf.OPMERKING: Het water moet bijna koken, zodat het PVA-poeder gemakkelijk oplost, maar als het water 100 °C bereikt, zullen sommige verloren gaan aan verdamping, die moet worden vermeden. Hang de conische kolf op in een temperatuurgestuurd waterbad dat op 90 °C is ingesteld. Plaats een elektronische roerder in de kolf, zodat deze de onderkant of zijkanten niet raakt en de snelheid op 1500 tpm zet.LET OP: Controleer of het water gelijkmatig beweegt en er geen stilstaande punten aan de zijkanten of onderkant zijn. Voeg geleidelijk het PVA-poeder toe aan de conische kolf, ongeveer 30 minuten, en laat het vervolgens ongeveer 90 minuten roeren. De resulterende gel is het weefsel-nabootsend materiaal PVA-c. Haal conische kolf uit het waterbad en giet de inhoud in een beker. Bedek de bovenkant met kleeffolie om de vorming van een huid bovenop de PVA-c te voorkomen. Laat de PVA-c afkoelen tot kamertemperatuur (ongeveer 20 °C). Eenmaal afgekoeld is de PVA-c transparant. Kleine witte kristallen kunnen worden gezien in de PVA-c, maar alle bellen verschijnen op het oppervlak moet voorzichtig worden afgeschraapt. Voeg 0,5 w/w% kaliumsorase toe aan de PVA-c als conserveermiddel en roer handmatig goed. De PVA-c kan worden overgelaten op kamertemperatuur als bedekt met kleeffolie voor een paar dagen voordat het wordt gegoten in mallen. 5. Phantom Assembly Meet genoeg PVA-c om de tumor schimmel te vullen in een beker. Voeg aan de PVA-c voor de tumor 1 w/w% glazen microsferen toe voor ultrasone contrast en 5 w/w% Barium Sulfaat voor röntgencontrast en roer met de hand.OPMERKING: Het kan nodig zijn om overtollige PVA-c voor de tumor te meten, zodat deze percentages een meetbare hoeveelheid zijn. Soniceer het bekerglas om homogene vermenging van de additieven te garanderen. Laat afkoelen en laat eventuele bellen gevormd om te ontsnappen, ongeveer 10 min, dan schraap eventuele bubbels van het oppervlak.OPMERKING: Laat niet voor langere tijd na de glazen bollen zijn toegevoegd, niet langer dan ongeveer 10 minuten, voordat het gieten van de PVA-c in een mal, als de glazen bollen zal vestigen op de bodem van het bekerglas. Zodra het fantoom is bevroren, zal dit niet langer een punt van zorg, en de laatste fantoom kan worden gebruikt bij kamertemperatuur. Zet de tumor schimmel samen (tape kan worden gebruikt om de joins in de mal te dekken) en giet in de PVA-c door het gat in de bovenkant van de mal. Laat gedurende een paar minuten om eventuele bubbels gevormd in het gietproces om te ontsnappen door het gat, dan direct in de vriezer. Voer twee vries-dooi cycli op de tumor uit; elke cyclus hier bestaat uit 6 uur vriesen bij -20 °C en 6 uur ontdooien bij kamertemperatuur. Verwijder vervolgens voorzichtig uit de mal. Plaats de tumor in de overeenkomstige ruimte voor het in de cerebellum schimmel, dan de bouw van de rest van het cerebellum schimmel en zet het samen. Voeg aan de resterende PVA-c 0,05 w/w% glazen microsferen toe en herhaal vervolgens stappen 5.1.3 en 5.1.4. Giet de PVA-c in de cerebellum schimmel, waardoor het de tumor die is geplaatst binnen te omringen. Bovendien, giet het mengsel in de mallen voor elke hersenhelft. Voer twee vriesdooicycli uit op elk hersenrondisfeer en het cerebellum; elke cyclus hier bestaat uit 24 uur vriesen bij -20 °C en 24 uur ontdooien bij kamertemperatuur.OPMERKING: Cycli met 12 uur bevriezen gevolgd door 12 uur ontdooien ook effectief, zodat het fantoom te worden gemaakt in minder tijd. 24 uur werd gekozen voor het gemak van toepassing, om te voorkomen dat terug te keren naar het lab om de 12 uur. Zodra de fantomen voor de tweede keer ontdooid zijn, verwijder ze voorzichtig uit de mallen en plaats ze in de geprinte schedel.OPMERKING: Wanneer niet in gebruik, moeten de voltooide PVA-c fantomen worden opgeslagen in een luchtdichte container in de koelkast, en kan worden bewaard voor een paar weken op deze manier Voor voltooiing plaatst u het ‘Cerebellum tumor’ fantoom op de spike aan de basis van het ‘Skull Bottom’ model. De modellen van twee hersenhelften (‘Hersenen links’ en ‘Brain right’) worden bovenop geplaatst en in het bovenste deel van de ‘Cerebellum tumor’ geplaatst. Plaats de vier deuvels in elke ruimte op het ‘Skull Bottom’ model en plaats ‘Skull Top’ model erop. Indien nodig kan het model vervolgens in de gewenste positie worden gemanoeuvreerd om intraoperatief gebruik in de chirurgie te simuleren. 6. Phantom Imaging Echografie Breng ultrasone gel aan op de beeldsonde.OPMERKING: Gel wordt niet intraoperatief gebruikt, maar kan worden gebruikt in simulatie en verandert de klinische workflow of de kwaliteit van de verworven beelden niet significant. Beeld de hersenen en tumor door de craniotomie, met een klinische scanner en braamgatsonde. CT-beeldvorming Beeld het hele fantoom in een CT-scanner.