Пациент-специфический поливинил Алкоголь Фантом Изготовление с ультразвуком и рентгеновским контрастом для планирования хирургии опухоли головного мозга

Это исследование проводилось в соответствии с принципами, выраженными в Хельсинкской декларации, и было одобрено Управлением по исследованиям в области здравоохранения и Комитетом по этике исследований (18/LO/0266). Информированное согласие было получено, и все данные изображений были полностью обезличены до анализа. 1. Данные Получение предиструпоинной контрастной T1-взвешенной магнитно-резонансной томографии (МРТ) и объемной компьютерной томографии (КТ). При получении в формате Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) переведить в формат Neuroimaging Informatics Technology Initiative26 (NiFTI) для обработки и анализа. Получение интраоперационных ультразвуковых данных. 2. Сегментация Установка программного обеспечения для сегментации данных пациента с. Сегментация черепаПРИМЕЧАНИЕ: Шаги, связанные с сегментированием черепа широко следовать тем, изложенные Крамер и Куигли27 На https://radmodules.com/, но адаптированы для создания соответствующей размера краниотомии.Загрузите томтрическую КТ пациента в программное обеспечение сегментации, откройте модуль редактора сегмента и создайте новую сегментацию под названием «Череп». Используйтефункцию «Порог»для выделения черепа. Удалите любые нежелательные сегментации (например, кальцификации кожи, челюсти, C1/2, стилоидный процесс, рамку пациента КТ и любые аннотации, встроенные в изображение). Используйтефункцию «Ножницы»,чтобы удалить детали при просмотре модели в 3D и использовать функцию«Острова»после ручного отключения любых нежелательных структур с помощьюфункции «Стереть». Вручную исправьте любые пробелы в сегментации, которые были пропущены во время порогасиспользованием функций «Краска» и«Ничья»(например, ламина папиракея, корковый край мастоидной кости и этмоидная кость). Используйтефункции «Краска»и«Ничья»,чтобы заполнить foramen magnum и создать 5-мм выступающий шип, на котором может быть закреплена нижняя часть фантомной модели.ПРИМЕЧАНИЕ: Расположение шипа лучше всего определяется на корональных и sagittal плоскостях изображения. Применитефункцию «Сглаживание». Используйте средний параметр сглаживания 1,0 мм (3 × 3 × 1 пиксель), чтобы свести к минимуму количество потерянных деталей.ПРИМЕЧАНИЕ: Если фантомная модель должна включать в себя полный нетронутый череп (например, для облегчения хирургического моделирования создания надлежащим образом расположенной краниотомии), перейти к шагу 2.2.15; однако, если в модели требуется краниотомия, выполните шаги от 2.2.7 до 2.2.14. Нажмите’Добавить’, чтобы добавить новую сегментацию и назвать его ‘Череп Краниотомия’. В модуле ‘Сегментации’ скопируйте сегментацию черепа на “Черепную краниотомию” с помощью вкладки “Копировать/перемещать сегменты”.ПРИМЕЧАНИЕ: Сегментации «Череп» и «Череп Краниотомия» необходимы для того, чтобы иметь возможность выполнять функции, описанные в шагах от 2.2.9 до 2.2.13 Используйтефункцию«Ножницы», чтобы удалить краниотомию соответствующего размера в «Краниотомии черепа».ПРИМЕЧАНИЕ: Создание краниотомии таким образом, также, удалить добавление части черепа на противоположной стороне, следовательно, необходимость шагов 2.2.11 до 2.2.14. Нажмите кнопку “Добавить” и добавьте новую сегментацию; назовите его “Только краниотомия”. В «Только краниотомии» выберите сегментацию «Черепная краниотомия» и используйтефункцию «Логическийоператор», чтобы вычесть «Черепную краниотомию» из «Черепа». Используйтефункцию «Ножницы»,чтобы стереть все, кроме желаемой краниотомии на правильной стороне опухоли, сохраняя только краниотомию. В “Черепа Краниотомия” использовать функцию”Логическийоператор”, чтобы вычесть “Краниотомия только” из “Череп” и сохранить. Откройте модуль«Сегментации» и экспортировать «Черепную краниотомию» в качестве файла стереолитографии (STL). Откройте программное обеспечение для 3D-моделирования и импортируемый файл STL ‘Skull Craniotomy’.ПРИМЕЧАНИЕ: Если модель появляется в полосатый розовый завершить ‘Flip Normals’ функции, выбрав полную модель (Выберите | Двойной клик), а затем ‘Редактировать | Флип Нормальные’. Теперь модель станет серой и может быть отредактирована. Убедитесь, что ‘ Просмотр объектовбраузер ‘ включен. Уменьшите количество треугольников, чтобы улучшить вычислительное время. Выберите полную модель(Выберите | Двойной щелчок превращает модель оранжевый), то’ Редактировать | Уменьшить’. Функция’Уменьшить’ по умолчаниюустановлена на уровне 50%, так что повторяйте до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое сокращение. Цель для общего числа треугольников Lt; 500,000. Примените функцию«Сглаживание», гарантируя,что коробка «Сохранениеформы» остается галочкой. Выберите полную модель, азатем ‘ Деформация | Гладкий’. Нажмите”Анализ”, затем “Инспектор”и использовать эту функцию для обнаружения любых небольших дефектов в модели и нажмите авторемонт (предложите ‘Flat-Fill’ выбор). Вырежьте ‘Череп’, чтобы создать верхнюю и нижнюю части,используя функцию разреза ‘Edit/Plane’. Выберитетип заполнения ‘ Keep Both Slices’и ‘Remeshed’ Измените череп на прозрачныйс функцией ‘Shaders’,чтобы обеспечить лучший внутренний вид черепа и отрегулировать плоскость так, чтобы она была параллельно основанию черепа. Отдельные оболочки, выбрав ‘Редактировать | Отдельные оболочки’и переименовать ‘Skull_Top’ и ‘Skull_Bottom’ в браузере объектов.ПРИМЕЧАНИЕ: Не двигайтесь своими позициями. Нажмите значок глаза, чтобы удалить один или другой из зрения. Нажмите’Meshmix’, затем выберите ‘Cylinder’,чтобы создать дюбель и отредактировать размер до 4 мм × 10 мм × 4 мм (‘Edit | Преобразование’). Скрыть “Skull_Bottom”, нажав на значок глаза, чтобы удалить из виду. Выберите ‘Редактировать | Выровнять’ плоскости. Появится дополнительный прозрачный цилиндр. В окне’Выровнять’, выберите ‘Surface point’ (левый щелчок конца прозрачного цилиндра) для ‘Источник’ и ‘Surface point'(Shift – левый щелчок под поверхностью ‘Skull_Top’) для ‘Назначения’. Использование ‘Редактировать | Преобразование’ функция двигаться дюбель в череп с помощью зеленой стрелки и настроить положение с синими и красными стрелками. Переименовать ‘Dowel_Anterior’. В объекте браузер делает 3 копии и переименовывает «Dowel_Posterior», «Dowel_Left» и «Dowel_Right». Переместите каждый дюбель в нужное место,используя ‘| Преобразование’ функции.ПРИМЕЧАНИЕ: Не двигайтесь и не меняйтесь положение дюбеля в зеленой плоскости. Создавайте копии каждого, но храните все копии в одном месте и создавайте дополнительный дюбель и реизируйте до 3 мм × 10 мм × 3 мм. Переименовате ‘Dowel’. Создавайте отверстия для дюбелей в черепе с помощьюфункции «Булинскаяразница». Сначала выберите Skull_Top”, а затем выберите дюбель в браузере объекта. В вкладке’Boolean Difference’убедитесь, что ‘Автоматическоесокращение’ выключено. Повторите для каждого дюбель в свою очередь. Скрыть “Skull_Top” и просматривать “Skull_Bottom”, повторяя выше ‘Boolean Разница’ функция для каждого дюбель в свою очередь. Экспорт ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’ и ‘Dowel’ как отдельные двоичные файлы STL. Сегментация тканей мозга Загрузите контраст расширенной T1 МРТ мозга, чтобы http://niftyweb.cs.ucl.ac.uk/program.php?p=GIF и скачать его выход. Это инструмент с открытым исходным кодом для T1-взвешенных изображений, который использует геодезический информационный поток (GIF) алгоритм28 для выполнения извлечения мозга и сегментации тканей. Открытое программное обеспечение сегментации и загрузить контраст расширенный T1 МРТ и GIF parcellation выход файла. Откройте модуль’Segment Editor’и создайте новую сегментацию. Выберите соответствующие метки и объедините их для формирования единой сегментации. Например, карты меток головного мозга и диэнцефалона могут быть объединены для создания одной модели, именуемой «мозг» и мидбрейн, ствол мозга, мозжечка и вермианской структуры могут быть объединены для создания второй модели, именуемой «Церебеллум». Используйтефункцию «Сглаживание»(предлагается медиана 2,00 мм, 5 × 5 × 3 пикселей). Используйтефункцию «Ножницы»для удаления нежелательных или ошибочных сегментирований. Сохраните сегментации ‘Brain’ и ‘Cerebellum’. Откройте модуль’Сегментации’и экспорт ‘Brain’ и ‘Cerebellum’ как файлы STL. Сегментация опухолей Открытое программное обеспечение сегментации и загрузить контраст расширенной T1 МРТ. Откройте модуль редакторасегмента исоздайте новую сегментацию под названием «Опухоль». Используйтефункцию «Порог»для выделения опухоли. Исправьте сегментацию с помощьюфункций ‘Paint’,’Draw’и ‘Erase’. Применитефункцию ‘Smoothing'(предлагается медиана 2,00 мм 5 x 5 x 3 пикселя). Создайте новую сегментацию под названием «Cerebellum_Tumor». Объедините модель «Cerebellum» и «Tumor» с помощью«Логических операторов | Добавить’ функцию. Сохранить ‘Tumor’ и ‘Cerebellum_Tumor’ сегментации. Откройте модуль’Сегментации’и экспорт ‘Tumor’ и ‘Cerebellum_Tumor’ как файлы STL.ПРИМЕЧАНИЕ: В конце процесса сегментации доступны следующие файлы: ‘Skull_Top’, ‘Skull_Bottom’, ‘Dowel’, ‘Brain’, ‘Cerebellum’, ‘Tumor’, ‘Cerebellum_Tumor’. 3.3D Печать мозга / Опухолевые формы и черепа Создание мозга и опухолевых форм Разделите сегментацию ‘Brain’ на два полушария, используя инструмент’Plane cut’в программном обеспечении для 3D-моделирования. Сохраните каждое полушарие в качестве отдельного файла STL ‘Brain right’ и ‘Brain left’. Импорт файла STL ‘Tumor’ в программное обеспечение для компьютерного проектирования (CAD). Нажмите навкладку«сетка», а затем используйте функцию«Уменьшить»для уменьшения размера модели, чтобы она можно было обрабатывать программой – цель состоит в том, чтобы уменьшить размер как можно больше, сохраняя при этом все необходимые детали. Нажмите на«твердую» вкладку ииспользуйте инструмент «Mesh to BRep»для преобразования импортируемой сетки в тело, которым можно манипулировать. Если это действие не может быть завершено, сетка не была уменьшена достаточно в шаге 3.1.3. Нажмите’ Создайте’Тогда ‘Box’ и нарисуйте коробку вокруг опухоли. Выберите, чтобы создать этокак ‘Новоетело’ и поверните вид, чтобы обеспечить окно полностью ограждает опухоль со всех сторон. В вкладке модификации используйтеинструмент ‘Combine’, чтобы вырезать опухоль (‘Tool Body’)из коробки (‘TargetBody’). Это позволит оставить коробку с полой формой опухоли внутри него. Убедитесь, что выдолбленная коробка присутствует. Вырезать эту коробку на соответствующее количество частей, так что как только плесень заполнена, она может быть ценится отдельно, не повреждая фантом внутри. Для опухоли здесь достаточно разделить коробку на две части, но для других частей фантома требуется больше кусочков. Создавайте плоскости через коробку в местах, которые плесень должна быть сокращена. Нажмите’Построить ‘ затем ‘Midplane’, чтобы создать самолет через центр коробки. Нажмите правой кнопкой мыши на созданной плоскостии выберите’ Offset Plane ‘ для более точного позиционирования плоскости. Используйтефункцию ‘Split Body’ввкладке ‘Modify’, чтобы разделить форму вдоль созданных плоскостей. Перемещение отдельных частей формы, по правую нажав и выбрав ‘Move / Copy’, так что все части сталкиваются наружу. Добавьте заклепки к лицам каждого куска формы (чтобы он мог безопасно совместиться), нажав на ‘Создайтеэскиз ‘, то ‘Круг диаметрацентра’ и на каждом лице, рисуя небольшие круги. Правыйщелчок, то ‘ Extrude’ эти круги наружу несколько миллиметров на одном лице и выдавить их внутрь на соответствующем лице.ПРИМЕЧАНИЕ: Круги, которые экструдированы внутрь должны быть немного больше – примерно 1,5 мм – чем те, которые экструдированы наружу, так что они будут соответствовать друг другу уютно. Сохраните каждый кусок формы в качестве отдельного файла STL. Повторите шаги 3.1.4 – 3.1.14 для ‘Мозг слева’, ‘Мозг справа’ и ‘Cerebellum опухоли’.ПРИМЕЧАНИЕ: Использование файла “Cerebellum опухоли”, а не только “Cerebellum”, чтобы создать форму означает, что плесень будет иметь пространство в нем для опухоли, которые будут вставлены во время строительства. Печать 3D формы Установка или открытие программного обеспечения для 3D-печати. Откройте файл STL для каждого куска формы в печатном программном обеспечении и поверните его так, чтобы он лежит плашмя против пластины сборки. Можно добавить несколько частей плесени к пластине сборки и распечатать их одновременно. Выберите высоту большого слоя (около 0,2 мм) и низкое значение заполнения (около 20%) для более быстрой печати. Печать формы с использованием жесткого материала, таких как полилактическая кислота (PLA). Если формы расположены надлежащим образом, вспомогательный материал не является необходимым. Распечатать Череп Откройте файл ‘Skull Top’ в печатном программном обеспечении и выберите высоту большого слоя (около 0,2 мм) и низкое значение заполнения (около 20%). Печать модели черепа в НОАК, но в отличие от шага 3.2.3, вспомогательный материал будет необходимо, так что выберите ‘Добавить поддержку’ в программном обеспечении. PVA используется в качестве опорного материала, поскольку впоследствии он может быть растворен с водой. Повторите шаги 3.3.1 и 3.3.2 для ‘SkullBottom’. После того, как верхняя и нижняя части черепа были напечатаны, погрузить их в воду на ночь, чтобы растворить от PVA вспомогательный материал.ПРИМЕЧАНИЕ: Вспомогательный материал будет растворяться гораздо быстрее, если теплая вода используется, но если вода слишком теплая, она будет деформировать печатных НОАК. Поэтому предпочтительнее использовать прохладную воду и оставить отпечаток под водой на ночь. 4. Подготовка PVA-c Измерьте 200 г порошка PVA и установите в сторону. Нагрейте 1800 г деионизированной воды до 90 градусов по Цельсию и добавьте в коническую колбу 2L.ПРИМЕЧАНИЕ: Вода должна быть почти кипения, чтобы PVA порошок будет растворяться легко, но если вода достигает 100 градусов по Цельсию, некоторые из них будут потеряны для испарения, которое следует избегать. Приостановить коническую колбу в контролируемой температурой водяной бане при температуре 90 градусов по Цельсию. Распоиснительную электронную мешалку в колбу, чтобы она не касался ни дна, ни боковых сторон, и установите скорость до 1500 об/мин.ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что вода шевелится равномерно и нет застойных точек по бокам или снизу. Постепенно добавить порошок PVA в конической колбе, около 30 минут, а затем оставить его перемешать еще около 90 мин. Полученный гель является тканевым материалом PVA-c. Снимите коническую колбу с водяной бани и вылейте содержимое в стакан. Обложка верхней с цепляться пленки для предотвращения образования кожи на верхней части PVA-c. Оставьте PVA-c остыть до комнатной температуры (около 20 градусов по Цельсию). После охлаждения PVA-c будет прозрачным. Крошечные белые кристаллы можно увидеть в PVA-c, но любые пузырьки, появляющиеся на поверхности, должны быть аккуратно соскобленые. Добавить 0,5 ж/w% сорбат калия в PVA-c в качестве консерванта, и вручную хорошо перемешать. PVA-c можно оставить при комнатной температуре, если он покрыт пленкой цепляться в течение нескольких дней, прежде чем он налил в формы. 5. Фантомная ассамблея Измерьте достаточно PVA-c для того чтобы заполнить прессформу тумора в стакан. К PVA-c для опухоли добавьте 1 w/w% стеклянных микросфер для ультразвукового контраста и 5 w/w% барий сульфат для рентгеновского контраста, и перемешайте вручную.ПРИМЕЧАНИЕ: Это может быть необходимо для измерения избыточного PVA-c для опухоли, так что эти проценты являются измеримой суммы. Sonicate стакан для обеспечения однородного смешивания добавок. Оставьте остыть и дайте любым пузырям, образовавшимся для побега, около 10 минут, а затем соскребать любые пузырьки с поверхности.ПРИМЕЧАНИЕ: Не оставляйте в течение длительного периода, как только стеклянные сферы были добавлены, не более 10 минут, прежде чем налить PVA-C в форму, как стеклянные сферы будут оседать на дно стакана. После того, как фантом был заморожен, это больше не будет проблемой, и окончательный фантом может быть использован при комнатной температуре. Безопасные опухоли плесень вместе (лента может быть использована для покрытия соединений в форме) и влить PVA-c через отверстие в верхней части формы. Оставьте на несколько минут, чтобы любые пузырьки, образующиеся в процессе заливки, чтобы избежать через отверстие, а затем поместить прямо в морозильную камеру. Выполните два цикла замораживания-оттепели на опухоли; каждый цикл здесь состоит из 6 ч замораживания при -20 градусов по Цельсию и 6 ч оттаивания при комнатной температуре. Затем аккуратно удалить из формы. Поместите опухоль в соответствующее пространство для него в мозжечковой плесени, а затем построить остальную часть мозжечка формы и обеспечить его вместе. К остальным PVA-c добавляют 0,05 в/w% стеклянных микросфер, затем повторяют шаги 5.1.3 и 5.1.4. Налейте PVA-c в мозжечковую форму, что позволяет ему окружать опухоль, которая была помещена внутрь. Кроме того, залить смесь в формы для каждого полушария мозга. Выполните два цикла замораживания оттепели на каждом полушарии мозга и мозжечка; каждый цикл здесь состоит из 24 ч замораживания при -20 градусов по Цельсию и 24 ч оттаивания при комнатной температуре.ПРИМЕЧАНИЕ: Циклы с замораживанием 12 ч с последующим оттаиванием 12 ч также эффективны, чтобы позволить фантому быть созданным за меньшее время. 24 ч был выбран для удобства применения, чтобы избежать возвращения в лабораторию каждые 12 ч. После того, как фантомы оттаяли во второй раз, тщательно удалить их из форм и поместить в печатный череп.ПРИМЕЧАНИЕ: Когда не используется, завершенные PVA-C фантомы должны храниться в герметичном контейнере в холодильнике, и может храниться в течение нескольких недель таким образом Для завершения поместите фантом “Cerebellum tumor” на шип у основания модели “Skull Bottom”. Модели двух полушарий мозга («Мозг слева» и «Мозг справа») расположены сверху и прорези в верхней части «опухоли Церебеллума». Поместите четыре дюбеля в каждом пространстве на модели ‘Skull Bottom’ и поместите модель ‘Skull Top’ сверху. При необходимости модель может быть маневрирована в нужное положение для имитации интраоперационного использования в хирургии. 6. Призрачные изображения Ультразвуковая визуализация Нанесите ультразвуковой гель на зонд для визуализации.ПРИМЕЧАНИЕ: Гель не используется интраоперационной, но может быть использован в моделировании и не существенно изменить клинический рабочий процесс или качество приобретенных изображений. Изображение мозга и опухоли через краниотомию, с клиническим сканером и заусенцев отверстие зонда. КТ-изображение Изображение всего фантома в КТ сканере.