Fabricação fantasma do álcool polivinyl específico do paciente com ultrassom e contraste de raios-X para planejamento de cirurgia de tumor cerebral

Este estudo foi realizado de acordo com os princípios expressos na Declaração de Helsinque e foi aprovado pelo Nhs Health Research Authority and Research Ethics Committee (18/LO/0266). O consentimento informado foi obtido, e todos os dados de imagem foram completamente anonimizados antes da análise. 1. Dados Obtenha dados de ressonância magnética (MrI) ponderados por contraste pré-operatório e dados de tomografia computadorizada volumosa (TC). Se adquirido no formato De Imagem Digital e Comunicações em Medicina (DICOM), converta-se no formato Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) para processamento e análise. Obtenha dados de ultrassom intraoperatório. 2. Segmentação Instale software para segmentar os dados do paciente. Segmentação do crânioNOTA: As etapas envolvidas na segmentação do crânio seguem amplamente as descritas por Cramer e Quigley27 Em https://radmodules.com/, mas são adaptados para criar uma craniotomia de tamanho apropriado.Carregue a tomografia volumosa do paciente em software de segmentação, abra o módulo Editor de Segmento e crie uma nova segmentação chamada ‘Skull’. Use a função’Limiar’para destacar o crânio. Remova quaisquer segmentações indesejadas (por exemplo, calcificações de pele, mandíbula, C1/2, processo estiloide, quadro do paciente de TC e quaisquer anotações incorporadas na imagem). Use a função ‘ Tesoura ‘ para removerpeçasao visualizar o modelo em 3D e fazer uso da função ‘Ilhas’ depois de desconectar manualmente quaisquer estruturasindesejadasusando a função ‘ Apagar ‘. Corrija manualmente quaisquer lacunas na segmentação que foram perdidas durante o limiar usando as funções ‘Paint’ e ‘Draw’ (por exemplo, lamina papyracea, borda cortical do osso mastoide e osso ethmóide). Use as funções ‘Paint’ e ‘Draw’ para preencher o foramen magnum e criar um pico de saliência de 5 mm sobre o qual a parte inferior do modelo fantasma pode ser protegida.NOTA: A localização do pico é melhor determinada nos planos de imagem coronal e sagital. Aplique a função ‘Suavização’. Use uma configuração de suavização mediana de 1,0 mm (3 × 3 × 1 pixels) para minimizar a quantidade de detalhes perdidos.NOTA: Se o modelo fantasma deve incluir um crânio intacto completo (por exemplo, para facilitar a simulação cirúrgica da criação de uma craniotomia apropriadamente localizada), mova-se para a etapa 2.2.15; no entanto, se for necessária uma craniotomia no modelo, complete as etapas 2.2.7 a 2.2.14. Clique em ‘Adicionar’ para adicionar uma nova segmentação e nomeá-la ‘Craniotomia da Caveira’. No módulo ‘Segmentações’, copie a segmentação ‘Caveira’ para ‘Craniotomia do Crânio’ usando a guia ‘Segmentos copiar/mover’.NOTA: Tanto as segmentações ‘Caveira’ quanto ‘Craniotomia do Crânio’ são necessárias para poder executar as funções descritas nas etapas 2.2.9 a 2.2.13 Use a função ‘Tesoura’para remover uma craniotomia de tamanho apropriado em ‘Craniotomia do Crânio’.NOTA: Criar a craniotomia desta forma removerá, também, uma porção adicional do crânio no lado oposto, daí a necessidade das etapas 2.2.11 para 2.2.14. Clique em ‘Adicionar’ e adicione uma nova segmentação; nomeie-o “Só craniotomia”. Em ‘Craniotomia Apenas’ selecione a segmentação ‘Craniotomia do Crânio’ e use a função ‘Operador Lógico’ para subtrair ‘Craniotomia do Crânio’ de ‘Caveira’. Use a função ‘Tesoura’para apagar tudo, exceto a craniotomia desejada no lado correto do tumor, salvando ‘Apenas Craniotomia’. Em ‘Craniotomia do Crânio’ use a função ‘Operador Lógico’ para subtrair ‘apenas Craniotomia’ de ‘Caveira’ e salvar. Abra o módulo ‘Segmentações’ e exporte a ‘Craniotomia do Crânio’ como um arquivo de estereolithografia (STL). Abra o software de modelagem 3D e importe o arquivo STL ‘Craniotomia da Caveira’.NOTA: Se o modelo aparecer em rosa listrado completar a função ‘Flip Normals’selecionando o modelo completo (Selecione | Clique duas vezes) e, em seguida, ‘Editar | Flip Normals’. O modelo agora ficará cinza e pode ser editado. Certifique-se de que’Exibir objetos navegador’ está ligado. Reduza o número de triângulos para melhorar o tempo computacional. Selecione o modelo completo (Selecione | Clique duas vezes torna o modelo laranja) em seguida ‘Editar | Reduza’. A função padrão ‘Reduzir’ é definida em 50% para se repetir até que a redução desejada seja alcançada. Aponte para um número total de triângulos < 500.000. Aplique a função ‘Suavização’ garantindo que a caixa ‘Preservação da forma’ permaneça marcada. Selecione o modelo completo e , em seguida,’Deform | Suave’. Clique em ‘Análise’ euse esta função para detectar quaisquer pequenos defeitos no modelo e clique em auto-reparo (sugere seleção de ‘preenchimento plano’). Corte ‘Caveira’ para criar uma parte superior e inferior usando a função de corte ‘Editar/Plano’. Selecione o tipo de preenchimento ‘Keep Both Slices’ e ‘Remeshed’. Mude o crânio para transparente com a função ‘Shaders’ para fornecer uma melhor visão interna do crânio e ajustar o plano de modo que ele seja paralelo à base do crânio. Separar conchas selecionando ‘Editar | Separar conchas’ e renomear ‘Skull_Top’ e ‘Skull_Bottom’ dentro do navegador de objetos.NOTA: Não mova suas posições. Clique no ícone dos olhos para remover um ou outro da exibição. Clique em ‘Meshmix’ e selecione ‘Cilindro’ para criar um dowel e editar tamanho de 4 mm × 10 mm × 4 mm (‘Editar | Transformar’). Ocultar ‘Skull_Bottom’ clicando no ícone dos olhos para remover da exibição. Selecione’Editar | Alinharaviões. Um cilindro transparente adicional aparecerá. Na janela’Alinhar’, escolha ‘Ponto de superfície’ (cilindro transparente de ponta esquerda) para o ‘Ponto de superfície’ e ‘Ponto de superfície'(Shift + clique esquerdo abaixo da superfície de ‘Skull_Top’) para o ‘Destino’. Usando o ‘Editar | Transforme’ função mover dowel em crânio usando o arqueiro verde e ajustar posição com setas azuis e vermelhas. Renomeie “Dowel_Anterior”. No navegador de objetos faça 3 cópias e renomeie ‘Dowel_Posterior’, ‘Dowel_Left’ e ‘Dowel_Right’. Mova cada dowel para o local desejado usando o ‘Editar | Transformar’ função.NOTA: Não se mova ou mude a posição do dowel no plano verde. Crie cópias de cada um, mas mantenha todas as cópias no mesmo local e crie um dowel adicional e redimensione para 3 mm × 10 mm × 3 mm. Renomear ‘Dowel’. Crie furos para Dowels no crânio usando a função ‘Diferença Booleana’. Selecione ‘Skull_Top’ primeiro e selecione um dowel no navegador do objeto. Na guia ‘Diferença Booleana’ certifique-se’ reduzir automaticamente ‘ é desligado. Repita para cada dowel por sua vez. Esconda ‘Skull_Top’ e veja ‘Skull_Bottom’ repetindo a função acima ‘Diferença Booleana’ para cada dowel por sua vez. Exporte ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’ e ‘Dowel’ como arquivos STL binários separados. Segmentação de tecido cerebral Carregue a ressonância magnética T1 aprimorada de contraste do cérebro para http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF e baixe sua saída. Esta é uma ferramenta de parcelamento de código aberto para imagens ponderadas em T1 que utiliza um algoritmo GIF (Geodesic Information Flow, fluxo de informações geodésica)28 para realizar extração cerebral e segmentação de tecidos. Abra o software de segmentação e carregue o arquivo de saída de r mri e gif aprimorado de contraste. Abra o módulo ‘Editor de Segmentos’ e crie uma nova segmentação. Selecione os rótulos apropriados e combine-os para formar uma única segmentação. Por exemplo, mapas de rótulos cerebrais e diencephalon podem ser combinados para criar um modelo, chamado ‘Cérebro’ e midbrain, cérebro, cerebelo e estruturas vermianas podem ser combinados para criar um segundo modelo chamado ‘Cerebellum’. Use a função ‘Suavização’ (sugerida mediana 2,00 mm, 5 × 5 × 3 pixels). Use a função ‘Tesoura’para remover quaisquer segmentações indesejadas ou errôneas. Salvar segmentações ‘Cérebro’ e ‘Cerebelo’. Abra o módulo ‘Segmentações’ e exporte ‘Brain’ e ‘Cerebellum’ como arquivos STL. Segmentação de tumores Abra o software de segmentação e carregue a ressonância magnética T1 aprimorada de contraste. Abra o módulo ‘Editor de Segmentos’ e crie uma nova segmentação chamada ‘Tumor’. Use a função’Limiar’para destacar o tumor. Corrija a segmentação usando as funções ‘Paint’, ‘Draw’ e ‘Erase’. Aplique a função ‘Suavização’ (sugerido mediana 2,00 mm 5 x 5 x 3 pixels). Crie uma nova segmentação chamada ‘Cerebellum_Tumor’. Combine o modelo ‘Cerebellum’ e ‘Tumor’ usando o ‘Operadores Lógicos | Adicionea função. Salvar segmentações ‘Tumor’ e ‘Cerebellum_Tumor’. Abra o módulo ‘Segmentações’ e exporte ‘Tumor’ e ‘Cerebellum_Tumor’ como arquivos STL.NOTA: Ao final do processo de segmentação, estão disponíveis os seguintes arquivos: ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’, ‘Dowel’, ‘Cérebro’, ‘Cerebelo’, ‘Tumor’, ‘Cerebellum_Tumor’. Impressão 3.3D de moldes cerebrais/tumores e crânio Criar os moldes do cérebro e tumor Divida a segmentação ‘Cérebro’ em dois hemisférios, usando a ferramenta ‘Corte de plano’ em software de modelagem 3D. Salve cada hemisfério como um arquivo STL separado ‘Brain right’ e ‘Brain left’. Importe o arquivo STL ‘Tumor’ para o software CAD (Computer-Aided Design, design auxiliado por computador). Clique na guia ‘malha’ e, em seguida, use a função ‘Reduzir’ para reduzir o tamanho do modelo para que ele possa ser manuseado pelo programa – o objetivo é reduzir o tamanho o máximo possível, mantendo todos os detalhes necessários. Clique na guia’sólido’ e use a ferramenta ‘Malha para BRep’ para converter a malha importada em um corpo que pode ser manipulado. Se essa ação não puder ser concluída, a malha não foi reduzida o suficiente na etapa 3.1.3. Clique em ‘Criar’ então ‘Caixa’ e desenhar uma caixa em torno do tumor. Selecione para criar isso como um ‘Novo Corpo’ e gire a vista para garantir que a caixa inclua completamente o tumor em todos os lados. Na guia de modificação, use a ferramenta ‘Combine’ para cortar o tumor (o ‘ Corpo daFerramenta’) da caixa (o ‘Corpo alvo’). Isso então deixará uma caixa com uma forma oca do tumor dentro dela. Verifique se a caixa vazia está presente. Corte esta caixa em um número apropriado de peças para que, uma vez preenchido o molde, ele possa ser valorizado separado sem danificar o fantasma dentro. Para o tumor aqui, basta dividir a caixa em duas, mas para as outras partes do fantasma, mais peças são necessárias. Crie planos através da caixa nos lugares que o molde precisa ser cortado. Clique em ‘Construct’ then ‘Midplane’ para criar um plano através do centro da caixa. Clique com o botão direito do mouse no plano criado e escolha ‘Offset Plane’ para posicionar o plano com mais precisão. Use a função ‘Split Body’ na guia ‘Modificar’ para dividir o molde ao longo dos planos criados. Mova as peças individuais do molde, clicando com o botão direito do mouse e selecionando ‘Mover/Copiar’, de modo que todas as peças estejam voltadas para fora. Adicione rebites aos rostos de cada pedaço do molde (para que ele possa se encaixar com segurança), clicando em ‘Criar esboço’ então ‘ círculo de diâmetrodo centro’ e em cada rosto, desenhando pequenos círculos. Clique com o botão direito de’Extrude’ esses círculos para fora alguns milímetros em um rosto e extrudam-nos para dentro no rosto correspondente.NOTA: Os círculos que são extrudados para dentro precisam ser ligeiramente maiores – aproximadamente 1,5 mm – do que aqueles que são extrudados para fora, de modo que eles se encaixam perfeitamente. Salve cada pedaço do molde como um arquivo STL separado. Repetir passos 3.1.4 – 3.1.14 para ‘Cérebro esquerdo’, ‘cérebro certo’ e ‘tumor cerebelo’.NOTA: Usar o arquivo ‘tumor cerebelo’ em vez de apenas ‘Cerebelo’ para criar o molde significa que o molde terá um espaço nele para que o tumor seja inserido durante a construção. Imprima os moldes 3D Instale ou abra software de impressão 3D. Abra o arquivo STL para cada pedaço do molde no software de impressão e gire-o para que ele fique plano contra a placa de construção. É possível adicionar várias peças de molde à placa de construção e imprimi-las simultaneamente. Escolha uma grande altura de camada (em torno de 0,2 mm) e baixo valor de enchimento (cerca de 20%) para impressão mais rápida. Imprima os moldes usando um material rígido, como o ácido polilático (PLA). Se os moldes estiverem posicionados adequadamente, o material de suporte não é necessário. Imprima o crânio Abra o arquivo ‘Skull Top’ no software de impressão e escolha uma grande altura de camada (cerca de 0,2 mm) e baixo valor de enchimento (cerca de 20%). Imprima o modelo do crânio em PLA, mas em contraste com a etapa 3.2.3, será necessário material de suporte, então selecione ‘Adicionar suporte’ no software. O PVA é usado como material de suporte, pois pode ser dissolvido posteriormente com água. Repetimos as etapas 3.3.1 e 3.3.2 para ‘Fundo daCaveira’. Uma vez que a parte superior e inferior do crânio tenham sido impressas, submerse-os na água durante a noite para dissolver o material de suporte pva.NOTA: O material de suporte se dissolverá muito mais rápido se a água morna for usada, mas se a água estiver muito quente, ela deformará o PLA impresso. Portanto, é preferível usar água fria e deixar a impressão submersa durante a noite. 4. Preparação de PVA-c Meça 200 g de pó PVA e coloque para o lado. Aqueça 1800 g de água deionizada a 90 °C e adicione a um frasco cônico de 2L.NOTA: A água precisa estar quase fervendo para que o pó PVA se dissolva prontamente, mas se a água atingir 100 °C, algumas serão perdidas para a evaporação, que deve ser evitada. Suspenda o frasco cônico em um banho de água controlado pela temperatura a 90 °C. Posicione um agitador eletrônico no frasco, garantindo que ele não toque na parte inferior ou lateral, e ajuste a velocidade para 1500 rpm.NOTA: Verifique se a água está mexendo uniformemente e não há pontos estagnados nas laterais ou na parte inferior. Adicione gradualmente o pó PVA ao frasco cônico, ao longo de cerca de 30 minutos, depois deixe-o mexer por cerca de 90 minutos. O gel resultante é o material que imita o tecido PVA-c. Remova o frasco cônico do banho de água e despeje o conteúdo em um béquer. Cubra a parte superior com filme agarrado para evitar a formação de uma pele em cima do PVA-c. Deixe o PVA-c esfriar até a temperatura ambiente (em torno de 20 °C). Uma vez resfriado, o PVA-c será transparente. Cristais brancos minúsculos podem ser vistos no PVA-c, mas quaisquer bolhas que apareçam na superfície devem ser suavemente raspadas. Adicione 0,5 w/w% de sorbato de potássio ao PVA-c como conservante, e mexa manualmente bem. O PVA-c pode ser deixado à temperatura ambiente se coberto de filme agarrado por alguns dias antes de ser derramado em moldes. 5. Montagem Fantasma Meça pva-c suficiente para preencher o molde do tumor em um béquer. Ao PVA-c para o tumor, adicione 1 w/w% de microesferas de vidro para contraste de ultrassom e 5 w/w% sulfato de bário para contraste de raios-X, e mexa à mão.NOTA: Pode ser necessário medir o excesso de PVA-c para o tumor para que esses percentuais sejam uma quantidade mensurável. Sonicar o béquer para garantir a mistura homogênea dos aditivos. Deixe esfriar e deixe que quaisquer bolhas se formem para escapar, em torno de 10 minutos, em seguida, raspe quaisquer bolhas da superfície.NOTA: Não deixe por um período prolongado uma vez que as esferas de vidro tenham sido adicionadas, não mais do que cerca de 10 minutos, antes de despejar o PVA-c em um molde, pois as esferas de vidro se estabelecerão no fundo do béquer. Uma vez que o fantasma tenha sido congelado, isso não será mais uma preocupação, e o fantasma final pode ser usado à temperatura ambiente. Fixar o molde do tumor junto (a fita pode ser usada para cobrir as junções no molde) e despeje o PVA-c através do orifício na parte superior do molde. Deixe por alguns minutos para permitir que quaisquer bolhas formadas no processo de derramamento escapem pelo orifício e, em seguida, coloque diretamente no congelador. Realizar dois ciclos de congelamento no tumor; cada ciclo aqui consiste em 6h de congelamento a -20 °C e 6h de descongelamento à temperatura ambiente. Em seguida, remova cuidadosamente do molde. Coloque o tumor no espaço correspondente para ele no molde de cerebelo, em seguida, construa o resto do molde de cerebelo e fixá-lo juntos. Para o PVA-c restante adicionar microesferas de vidro de 0,05 w/w, em seguida, repetir as etapas 5.1.3 e 5.1.4. Despeje o PVA-c no molde de cerebelo, permitindo que ele cersia o tumor que foi colocado dentro. Além disso, despeje a mistura nos moldes para cada hemisfério cerebral. Realizar dois ciclos de congelamento em cada hemisfério cerebral e no cerebelo; cada ciclo aqui consiste em 24h de congelamento a -20 °C e 24h de descongelamento à temperatura ambiente.NOTA: Ciclos com congelamento de 12h seguidos de descongelamento de 12h também eficazes, para permitir que o fantasma seja criado em menos tempo. 24 h foi escolhido para facilitar a aplicação, para evitar o retorno ao laboratório a cada 12 horas. Uma vez que os fantasmas tenham descongelado pela segunda vez, remova-os cuidadosamente dos moldes e coloque-os no crânio impresso.NOTA: Quando não estiver em uso, os fantasmas PVA-c completos devem ser armazenados em um recipiente hermético na geladeira, e podem ser mantidos por algumas semanas desta forma Para conclusão, coloque o fantasma ‘tumor cerebelo’ no espeto na base do modelo ‘Fundo do Crânio’. Os modelos de dois hemisférios cerebrais (‘Cérebro esquerdo’ e ‘Cérebro à direita’) são colocados em cima e slot na parte superior do ‘tumor cerebelo’. Coloque os quatro dowels em cada espaço no modelo ‘Skull Bottom’ e coloque o modelo ‘Skull Top’ na parte superior. Se necessário, o modelo pode então ser manobrado na posição desejada para simular o uso intraoperatório na cirurgia. 6. Imagem Fantasma Ultrassom Aplique gel de ultrassom na sonda de imagem.NOTA: O gel não é usado intraoperatóriamente, mas pode ser usado em simulação e não altera significativamente o fluxo de trabalho clínico ou a qualidade das imagens adquiridas. Imagem do cérebro e tumor através da craniotomia, com um scanner clínico e sonda de orifício de rebarba. Imagem ct Imagem de todo o fantasma em um tomógrafo.