超音波による患者特異的ポリビニルアルコールファントム作製法とX線コントラストによる脳腫瘍手術計画

この研究は、ヘルシンキ宣言で述べられた原則に従って実施され、NHS保健研究機関と研究倫理委員会(18/LO/0266)によって承認されました。インフォームド・コンセントが得られ、すべてのイメージングデータは分析前に完全に匿名化されました。 1. データ 術前のコントラスト強化 T1 加重磁気共鳴画像法 (MRI) および体積コンピュータ断層撮影 (CT) データを取得します。 デジタルイメージングと医学コミュニケーション(DICOM)形式で取得した場合は、処理と分析のためのニューロイメージング情報技術イニシアチブ26(NiFTI)形式に変換します。 術中超音波データを取得します。 2. セグメンテーション 患者データをセグメント化するソフトウェアをインストールします。 頭蓋骨のセグメンテーション注:頭蓋骨のセグメント化に関する手順は、クラマーとクイグリーによって概説されたものに広く従います27 に https://radmodules.com/が、適切なサイズの頭蓋骨の発生を作成するように調整されています。セグメンテーションソフトウェアで患者の容積CTスキャンをロードし、 セグメントエディタ モジュールを開き、「Skull」という名前の新しいセグメンテーションを作成します。 頭蓋骨を強調表示するには、しきい値関数を使用します。 不要なセグメンテーション(例えば、皮膚石灰化、下顎骨、C1/2、スタイロイドプロセス、CT患者フレーム、および画像内に埋め込まれた注釈)を取り除きます。’はさみ’ 関数を使用して、3D でモデルを表示するときに部品を削除し、 ‘Erase’ 関数を使用して不要な構造を手動で切断した後に 、島の関数を利用します。 ‘Paint’ と ‘Draw’ 関数 (ラミネパプイラセア、乳腺骨とエスモイド骨の皮質の縁) を使用して、しきい値の間に見逃されたセグメンテーションのギャップを手動で修正します。 ‘ペイント’ と ‘描画’ 関数を使用して、foramen マグナムを埋め、ファントム モデルの下部を固定できる 5 mm 突き出たスパイクを作成します。注: スパイクの位置は、コロナと矢状のイメージプレーンで最もよく決定されます。 ‘スムージング’ 関数を適用します。1.0 mm (3 × 3 × 1 ピクセル) の中央値スムージング設定を使用して、失われた詳細の量を最小限に抑えます。注:ファントムモデルが完全な無傷の頭蓋骨を含める必要がある場合(例えば、適切に位置する頭蓋切開術を作成する外科的シミュレーションを容易にするために)、ステップ2.2.15に進みます。ただし、モデルで頭蓋間術が必要な場合は、手順 2.2.7 ~ 2.2.14 を実行します。 新しいセグメンテーションを追加し、名前を「スカル頭切り」に追加するには、[追加] をクリックします。 「セグメンテーション」モジュールで、「スカル」セグメントを「スカル頭切開術」タブを使用してコピーします。注: 手順 2.2.9 ~ 2.2.13 で説明されている機能を実行するには、「スカル」と「頭蓋骨頭蓋切り出し術」の両方のセグメンテーションが必要です。 ‘はさみ’ 関数を使用して、頭蓋骨頭蓋切除術の適切なサイズを削除します。注:この方法で頭蓋切除術を作成すると、反対側の頭蓋骨の追加部分も取り除き、ステップ2.2.11〜2.2.14が必要になります。 [追加] をクリックして、新しいセグメンテーションを追加します。「頭蓋骨術のみ」と名前を付けます。 「頭蓋骨切除術のみ」では、セグメンテーション「スカル頭蓋頭切除術」を選択し、「カルカル」から「頭蓋骨切除術」を減算する’論理演算子’関数を使用します。 ‘はさみ’ 機能を使用して、腫瘍の正しい側の目的の頭蓋切除術以外のすべてを消去し、「頭蓋切除のみ」を保存します。 頭蓋骨切除術では’論理演算子’関数を使用して’頭蓋骨’から「頭蓋骨切除のみ」を減算して保存します。 セグメンテーションモジュールを 開き、ステレオリトグラフィ(STL)ファイルとして「頭蓋骨開頭術」をエクスポートします。 3Dモデリングソフトウェアを開き、STLファイル「頭蓋骨開頭術」をインポートします。注: モデルがストライプ ピンク色で表示された場合は、完全なモデルを選択して [法線を反転] 機能を完了|) をダブルクリックし、編集|法線を反転 ‘.モデルがグレーになり、編集できるようになります。’オブジェクトブラウザの表示’ がオンになっていることを確認します。 三角形の数を減らして計算時間を短縮します。 完全なモデルを選択します ([選択] |ダブルクリックすると モデルがオレンジ色に変わります) ‘編集|’を減らす。デフォルトのReduce関数は 50% に設定されているので、必要な削減が達成されるまで繰り返します。三角形の総数 < 500,000 を目指します。 ‘スムージング’ 関数を適用して、[形状保持] ボックスにチェックが付いたままであることを確認します。完全なモデルを選択し、デフォーム|滑らかな’。 ‘分析’ をクリックし 、’インスペクター’をクリックし、この関数を使用して、モデル内の小さな欠陥を検出し、自動修復 (推奨 ‘フラットフィル’ 選択) をクリックします。 ‘編集/平面’ カット機能を使用して上下を作成するために ‘Skull’ をカットします。[両方のスライスを保持]と [再メッシュ]フィル タイプを選択します。「Shaders」関数で頭蓋骨を透明に変更して、頭蓋骨のより良い内部ビューを提供し、スカルベースに平行になるように平面を調整します。 [ 編集 ] を選択してシェルを分離|シェルを分離し、オブジェクトブラウザ内で ‘Skull_Top’ と ‘Skull_Bottom’ の名前を変更します。注: ポジションを移動しないでください。目のアイコンをクリックして、どちらか一方をビューから削除します。 「メッシュミックス」 をクリックし 、「円柱」を選択してダボを作成し、4mm×10mm×4mmにサイズを編集します(‘編集|変換’)。目のアイコンをクリックして「Skull_Bottom」を非表示にして、ビューから削除します。 ‘編集|を選択します。’平面を整列します。追加の透明円柱が表示されます。[整列] ウィンドウで、[ソース] と [サーフェス ポイント] の [サーフェス ポイント] (左クリックして透明円柱をクリック)を選択し、[ターゲット] の [Skull_Top] の [シフト+左クリックアンダーサーフェイス] を選択します。 編集|の使用変換機能は、緑色の矢印を使用して頭蓋を頭蓋骨に移動し、青と赤の矢印で位置を調整します。’Dowel_Anterior’ の名前を変更します。 オブジェクトブラウザでコピーを3つ作成し、’Dowel_Posterior’、’Dowel_Left’、’Dowel_Right’の名前を変更します。 [ 編集 ] を使用して各ダボを目的の場所に移動|関数を変換します。注: 緑色の平面でダボの位置を移動したり変更したりしないでください。 それぞれのコピーを作成するが、同じ場所にすべてのコピーを維持し、追加のダウエルを作成し、3ミリメートル×10ミリメートル×3ミリメートルにサイズを変更します。 ‘ブール差’ 関数を使用して、頭蓋骨にダエルの穴を作成します。最初に「Skull_Top」を選択してから、オブジェクトブラウザでダボを選択します。[ブールの違い] タブで ‘自動削減’ がオフになっていることを確認します。各ダボについて順番に繰り返します。 「Skull_Top」を非表示にし、各ダボに対して上記の「ブール差」関数を繰り返す「Skull_Bottom」を表示します。 「Skull_Top」、’Skull_Bottom’、および’Dowel’を別々のバイナリSTLファイルとしてエクスポートします。 脳組織の分節 http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF し、その 出力をダウンロードするために、脳のコントラスト強化T1 MRIをアップロードします。これは、脳抽出および組織セグメンテーションを行うために測地線情報フロー(GIF)アルゴリズム28 を利用するT1重み画像用のオープンソースのパーセルツールである。 セグメンテーションソフトウェアを開き、コントラスト強化T1 MRIとGIFパーセル出力ファイルをロードします。 ‘ セグメント エディタ’ モジュールを開き、新しいセグメンテーションを作成します。 適切なラベルを選択し、それらを結合して単一のセグメンテーションを形成します。例えば、脳と脳のラベルマップを組み合わせて、「脳」と呼ばれる1つのモデルを作成することができ、中脳、脳幹、小脳および朱色の構造を組み合わせて、「小脳」と呼ばれる第2のモデルを作成することができます。 スムージング関数 (推奨中央値 2.00 mm、5 × 5 × 3 ピクセル) を使用します。 不要なセグメンテーションや誤ったセグメンテーションを削除するには、’はさみ’ 関数を使用します。 「脳」と「小脳」のセグメンテーションを保存します。 ‘セグメンテーション’ モジュールを開き、STL ファイルとして ‘Brain’ と ‘小脳’ をエクスポートします。 腫瘍セグメンテーション セグメンテーションソフトウェアを開き、コントラスト強化T1 MRIをロードします。 ‘ セグメント エディタ’ モジュールを開き、’腫瘍’ という名前の新しいセグメンテーションを作成します。 ‘しきい値’ 機能を使用して腫瘍を強調表示します。 ‘ペイント’、’描画’と’消去’ 関数を使用してセグメンテーションを修正します。 スムージング関数(推奨中央値 2.00 mm 5 x 5 x 3 ピクセル)を適用します。 「Cerebellum_Tumor」という名前の新しいセグメンテーションを作成します。 ‘論理演算子を使用して’小脳’モデルと「腫瘍」を組み合わせる|関数を追加します。 「腫瘍」と「Cerebellum_Tumor」のセグメンテーションを保存します。 ‘セグメンテーション’ モジュールを開き、STL ファイルとして ‘腫瘍’ と ‘Cerebellum_Tumor’ をエクスポートします。注: セグメンテーション プロセスの最後に、次のファイルが利用可能です: ‘Skull_Top’、’Skull_Bottom”、’ダウエル”、’脳’、’小脳’、’腫瘍’、’Cerebellum_Tumor’。 3.3D脳/腫瘍型と頭蓋骨の印刷 脳および腫瘍の型を作成します。 3D モデリング ソフトウェアの [平面カット] ツールを使用して、”Brain” のセグメンテーションを 2 つの半球に分割します。 各半球を別々のSTLファイル「ブレイン右」と「脳左」として保存します。 STLファイル「腫瘍」をコンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアにインポートします。 [メッシュ] タブをクリックし、Reduce 関数を使用して、プログラムで処理できるようにモデルのサイズを縮小します。 [ソリッド ] タブをクリックし、[メッシュからBRep]ツールを使用して、インポートしたメッシュを操作可能なボディに変換します。このアクションを完了できない場合、ステップ 3.1.3 ではメッシュが十分に縮小されませんでした。 [作成 ] をクリックし、ボックス’ をクリックし、腫瘍の周りにボックスを描画します。これを 「新しいボディ」として作成し、ビューを回転させて、ボックスがすべての側面の腫瘍を完全に囲むようにします。 [修正] タブで、[結合] ツールを使用して、ボックス (‘ターゲット ボディ’ ) から腫瘍(‘ツール ボディ’) を切り取ります。これは、その中に腫瘍の中空の形状を持つボックスを残します。 くり抜かれたボックスが存在することを確認します。金型が充填されたら、内部のファントムを損傷することなく、離れてプライズすることができるように、このボックスを適切な数の部分にカットします。ここでの腫瘍については、箱を2つに分割するだけで十分ですが、ファントムの他の部分では、より多くの部分が必要です。 金型をカットする必要がある場所で、ボックスを通して平面を作成します。ボックスの中央を通って平面を作成するには、[コンストラクト’ ‘ 次に’ Midplane’ をクリックします。作成した平面を右クリックし、[オフセット平面]を選択して、平面をより正確に配置します。 作成した平面に沿って金型を分割するには、[修正] タブの [分割ボディ] 機能を使用します。 モールドの個々の部分を移動するには、右クリックして [移動/コピー] を選択し、すべてのピースが外側を向いているようにします。 「スケッチを作成」をクリックし、「中心直径の円」をクリックして、各面に小さな円を描いて、金型の各面の面にリベットを追加します(しっかりと一緒にフィットできます)。右クリックして、これらの円を 1 つの面の数ミリメートル外側に向かってクリックし、対応する面に内側に押し出します。注: 内側に押し出される円は、外側に押し出されたものよりもわずかに大きくする必要があります ( 約 1.5 mm ) 、 ぴったりと一緒に収まるようにします。 金型の各部分を個別の STL ファイルとして保存します。 「脳左」「脳右」と「小脳腫瘍」の手順3.1.4-3.1.14を繰り返します。注: 単に「小脳」ではなく「小脳腫瘍」ファイルを使用して金型を作成すると、金型は建設中に腫瘍を挿入するためのスペースを持つことになります。 3D 金型をプリントする 3D 印刷ソフトウェアをインストールまたは開きます。 印刷ソフトウェアで金型の各部分の STL ファイルを開き、ビルド プレートに対して平らにするように回転させます。複数の金型片をビルドプレートに追加し、同時に印刷することが可能です。 大きなレイヤーの高さ(約0.2 mm)と低い面材値(約20%)を選択してくださいより速い印刷のために。ポリ乳酸(PLA)などの硬質材料を使用して金型を印刷します。金型が適切に配置されている場合、サポート材は必要ありません。 頭蓋骨を印刷する 印刷ソフトウェアで「スカルトップ」ファイルを開き、大きなレイヤーの高さ(約0.2mm)と低い面材値(約20%)を選択します。 PLA で頭蓋骨モデルを印刷しますが、手順 3.2.3 とは対照的に、サポート資料が必要になりますので、ソフトウェアで [サポートを追加] を選択します。PVAは後で水に溶かすことができるので、支持材料として使用されます。 「スカルボトム」の手順3.3.1と3.3.2を繰り返します。 頭蓋骨の上部と下部が印刷されたら、一晩水に沈め、PVA支持材料を溶解します。注:ウォームウォーターを使用するとサポート材の溶解速度が大幅に向上しますが、水が温すぎると印刷されたPLAが変形します。そのため、冷水を使用し、印刷物を一晩水没させたままにしておくのが好ましい。 4. PVA-cの準備 PVA粉末200gを測定し、側面にセットします。 1800gの脱イオン水を90°Cに加熱し、2L円錐形フラスコに加えます。注:水はほとんど沸騰してPVA粉末が容易に溶解する必要がありますが、水が100°Cに達すると、蒸発して失われるものがあり、避けるべきです。 円錐形フラスコを90°Cに設定した温度管理ウォーターバスに吊り下げます。 フラスコに電子撹拌機を置き、底面や側面に触れないようにし、速度を1500rpmに設定します。注:水が均等にかき混ぜていて、側面や底部に停滞点がないことを確認してください。 徐々に円錐フラスコにPVA粉末を加え、約30分以上、さらに90分程度かき混ぜます。得られたゲルは、組織模倣材料PVA−cである。 水浴から円錐形のフラスコを取り出し、中身をビーカーに注ぎます。PVA-cの上に皮膚の形成を防ぐために、しがみつくフィルムで上部を覆います。PVA-cを室温(約20°C)まで冷却したままにします。冷却すると、PVA-cは透明になります。PVA-cには小さな白い結晶が見えますが、表面に現れる気泡は穏やかに削り取らなければなりません。 0.5 w/w%のソルベートカリウムを防腐剤としてPVA-cに加え、手動でよくかき混ぜます。 PVA-cは、カビに注ぐ前に数日間、しがみつくフィルムで覆われた場合、室温で放置することができます。 5. ファントムアセンブリ 腫瘍の型をビーカーに充填するのに十分なPVA-cを測定します。 腫瘍のPVA-cに、超音波コントラスト用に1w/w%ガラス微小球を加え、X線コントラストに対して5w/w%硫酸バリウムを加え、手でかき混ぜる。注:腫瘍の過剰なPVA-cを測定して、これらの割合が測定可能な量になるようにする必要があるかもしれません。 添加剤の均質な混合を確実にするためにビーカーを超音波処理します。 冷却し、約10分、脱出するために形成された任意の気泡を許可し、表面から任意の泡を削ります。注:ガラス球体がビーカーの底に落ち着くので、PVA-cを金型に注ぐ前に、ガラス球体が追加された後、10分ほど長く放置しないでください。ファントムが凍結されると、これはもはや心配ではなく、最終的な幻影は室温で使用することができる。 腫瘍の型を一緒に固定し(テープを使用して金型内の結合をカバーすることができます)、金型上部の穴を通してPVA-cを注ぎます。数分間放置して、注ぐプロセスで形成された気泡が穴から抜け出し、冷凍庫にまっすぐ入れます。 腫瘍に対して2回の凍結融解サイクルを行う。ここでの各サイクルは、-20°Cでの凍結の6時間と室温で解凍する6時間で構成されています。その後、金型から慎重に取り出します。 腫瘍を小脳型の対応するスペースに入れ、残りの小脳カビを構築し、一緒に固定します。 残りの PVA-c に 0.05 w/w% ガラスマイクロスフィアを追加し、ステップ 5.1.3 と 5.1.4 を繰り返します。 PVA-cを小脳型に注ぎ、内部に置かれた腫瘍を取り囲むようにします。さらに、各脳半球の金型に混合物を注ぎます。 各脳半球と小脳に2つの凍結融解サイクルを実行します。ここでの各サイクルは、-20°Cで24時間の凍結と室温での解凍の24時間で構成されています。注:12時間の凍結と12 hの解凍も効果的なサイクルは、ファントムがより短い時間で作成されるようにします。24時間は、12時間ごとにラボに戻ることを避けるために、アプリケーションの容易さのために選ばれました。 ファントムが2度目の解凍をしたら、金型から慎重に取り出し、印刷された頭蓋骨に入れます。注:使用しない場合、完成したPVA-cファントムは冷蔵庫の気密容器に保管する必要があり、この方法で数週間保存することができます 完成するには、「小脳腫瘍」ファントムを「スカルボトム」モデルの基部のスパイクに置きます。2つの脳半球(「脳左」と「脳右」)のモデルは、「小脳腫瘍」の最上部に上とスロットに配置されます。 「スカルボトム」モデルの各スペースに4つのダボを配置し、「スカルトップ」モデルを上に配置します。必要に応じて、モデルは手術における術中使用をシミュレートするために所望の位置に操縦され得る。 6. ファントムイメージング 超音波画像診断 超音波ゲルを撮像プローブに適用します。注:ゲルは、術中に使用されていませんが、シミュレーションで使用することができ、臨床ワークフローや取得した画像の品質を大幅に変更しません。 臨床スキャナーとバリ穴プローブで、開頭術を通して脳と腫瘍を画像化します。 Ct CTスキャナでファントム全体をイメージします。