Denne protokollen beskriver fabrikasjonen av en pasientspesifikk hodeskalle, hjerne og tumorfantom. Den bruker 3D-utskrift for å lage former, og polyvinylalkohol (PVA-c) brukes som vev etterligne materiale.
Fantomer er viktige verktøy for klinisk trening, kirurgisk planlegging og utvikling av nye medisinske enheter. Det er imidlertid utfordrende å lage anatomisk nøyaktige hodefantomer med realistiske hjerneavbildningsegenskaper fordi standard fabrikasjonsmetoder ikke er optimalisert for å replikere noen pasientspesifikke anatomiske detaljer, og 3D-utskriftsmaterialer er ikke optimalisert for bildeegenskaper. For å teste og validere et nytt navigasjonssystem for bruk under hjernesvulstkirurgi, var det nødvendig med et anatomisk nøyaktig fantom med realistisk avbildning og mekaniske egenskaper. Derfor ble et fantom utviklet ved hjelp av ekte pasientdata som inngang og 3D-utskrift av former for å fremstille et pasientspesifikt hodefantom bestående av skallen, hjernen og svulsten med både ultralyd og røntgenkontrast. Fantomet hadde også mekaniske egenskaper som tillot fantomvevet å bli manipulert på samme måte som hvordan menneskelig hjernevev håndteres under operasjonen. Fantomet ble testet under en kirurgisk simulering i et virtuelt operasjonsrom.
Fantomfabrikasjonsmetoden bruker kommersielt tilgjengelige materialer og er enkel å reprodusere. 3D-utskriftsfilene kan lett deles, og teknikken kan tilpasses for å omfatte mange forskjellige typer svulster.
Fantomer som etterligner de spesifikke egenskapene til biologiske vev er en nyttig ressurs for ulike eksperimentelle og undervisningsapplikasjoner. Vev-etterligne fantomer er avgjørende for å karakterisere medisinsk utstyr før deres kliniskebruk 1,2 og anatomiske fantomer brukes ofte i opplæring av medisinsk personell i alledisipliner 3,4,5,6,7. Pasientspesifikke anatomiske fantomer laget med passende vev-etterligne egenskaper er ofte en kritisk del av testmiljøet og kan øke tilliten til klinikere som lærer å bruke en ny enhet8. Høye produksjonskostnader og komplekse fabrikasjonsprosesser utelukker imidlertid ofte rutinemessig bruk av pasientspesifikke fantomer. Her er en metode beskrevet for produksjon av en holdbar, pasientspesifikk hjernesvulstmodell ved hjelp av lett tilgjengelige, kommersielle materialer, som kan brukes til opplæring og validering av intraoperativ ultralyd (US) ved hjelp av datastyrt tomografi (CT) avbildning. Fantomet som er beskrevet i denne studien ble opprettet ved hjelp av data fra en pasient med en vestibulær schwannom (en godartet hjernesvulst som oppstår fra en av balansenervene som forbinder hjernen og det indre øret) som senere gjennomgikk kirurgi og tumorrestering via en retrosigmoid suboccipital kraniotomi10. Fantomet ble utviklet for å teste og validere et integrert intraoperativt navigasjonssystem for bruk under denne typen hjernesvulstkirurgi.
For å være egnet for dette programmet må hjernesvulstfantomet ha flere viktige egenskaper. For det første bør den være laget av giftfrie materialer, slik at det trygt kan brukes i et klinisk treningsmiljø. For det andre bør det ha realistiske bildeegenskaper; for den tiltenkte applikasjonen, inkluderer disse spesielt ultralyds demping og CT-kontrast. For det tredje bør den ha lignende mekaniske egenskaper til menneskelig vev slik at det kan håndteres på samme måte. For det fjerde bør fantomet være basert på reelle pasientdata, slik at det er anatomisk nøyaktig og kan brukes til kirurgisk planlegging og trening. Til slutt må materialene som brukes være holdbare, slik at fantomet kan brukes gjentatte ganger.
Generelt avhenger vevsetterligningsmaterialet og fabrikasjonsmetoden som er valgt for et fantom, av den tiltenkte applikasjonen. For stive strukturer som skallen, bør den valgte egenskapen ikke deformeres eller være vannløselig, og den skal kunne opprettholde et nøyaktig nivå av anatomiske detaljer ved gjentatt bruk; Dette er spesielt viktig når du bruker fantomet til eksperimenter der bilderegistrering brukes og til kirurgiske simuleringsformål. Mineraloljebaserte materialer som gelvoks har vært lovende for ultralyd9,11,12 og fotoakustiske13 bildebehandlingsapplikasjoner, men når de blir utsatt for gjentatt mekanisk deformasjon, blir de friable, så kan ikke tåle utvidet bruk, spesielt med standard mikrokirurgiske nevrokirurgiske nevrokirurgiske instrumenter. Agar og gelatin er vandige materialer som også brukes ofte som vev-etterligne materialer. Tilsetningsstoffene som trengs for å justere de akustiske egenskapene til dissematerialene er velkjente 14,men de har begrenset mekanisk styrke og er ikke spesielt holdbare, så er ikke egnet for dette programmet, hvor fantomet må håndteres gjentatte ganger.
Polyvinylalkohol cryogel (PVA-c) er et populært utvalg av vev-etterligne materiale, fordi dens akustiske og mekaniske egenskaper lett kan justeres ved å variere sine fryse-tine sykluser. Det har vist seg at egenskapene til PVA-c ligner på de av bløtvev15,16,17,18. PVA-c-baserte hjernefantomer har blitt brukt med hell for ultralyd og CT-avbildning19. Materialet er sterkt nok til å brukes gjentatte ganger, og det har en høy grad av elastisitet, slik at fantomvev laget av PVA-c kan manipuleres uten å bli permanent deformert. Polylaktisk syre (PLA) er et lett tilgjengelig stivt materiale og ble brukt til å produsere skallen, men et annet utskriftsmateriale kan brukes i stedet for PLA, hvis det har lignende mekaniske egenskaper og ikke er vannløselig.
Hjerne fantomer spesielt har blitt fabrikkert ved hjelp av ulike metoder, avhengig av nivået av kompleksitet som kreves og vev som må replikeres20,21,22,23. Vanligvis brukes en mugg, og flytende vev-etterlignende materiale helles i den. Noen studier har brukt kommersielleformer 24 mens andre bruker 3D-trykte tilpassede former av en sunn hjerne, og simulere hjernelesjoner ved å implantere markørkuler og oppblåsbare katetre19,25. Så vidt forfatterens kunnskap er dette den første rapporten om en 3D-trykt pasientspesifikk hjernesvulst fantommodell laget med vevs-etterligne ultralyd og røntgenegenskaper. Den totale fabrikasjonen visualiseres av flytskjemaet i figur 1; hele prosessen tar rundt en uke å fullføre.
Denne protokollen beskriver fabrikasjonsprosessen til et pasientspesifikt hjernefantom, som inkluderer skallen, hjernen og vestibulær schwannomasvulst. 3D-utskriftsmetoder gjorde det mulig å oppnå anatomisk nøyaktige detaljer. Fantomet som er beskrevet her ble produsert med ønsket nivå av anatomiske detaljer; CT og ultralydavbildning ble brukt til å demonstrere at svulsten lett ble visualisert med begge modaliteter. Vevet etterligner materiale, PVA-c, er godt etablert som et vev-etterlignende materiale for ultralyd fantomer; dens akustiske og mekaniske egenskaper kan justeres med tilsetningsstoffer og antall fryse-tine sykluser. Materialet er lett tilgjengelig, enkelt å bruke og giftfritt. Ved gjentatt bruk hadde fantomet tilstrekkelig holdbarhet til å tåle manipulasjon og kontakt med en ultralydsonde under fysiske simuleringer av vestibulær schwannomkirurgi.
Flere viktige trinn ble identifisert som kritiske for fabrikasjonsprosessen. For det første må segmenteringen av strukturer for inkludering i fantomet inkludere ønsket nivå av anatomiske detaljer. Opprettelsen av nøyaktige STL-filer og 3D-former følger deretter naturlig. For det andre må posisjonering av fly i lillehjernen i trinn 3.1.9 vurderes nøye, slik at fantomet lett kan fjernes, uten skade; Det må kuttes i nok stykker for å tillate anatomiske detaljer som skal beholdes, samtidig som fantomet kan fjernes uten å bli sittende fast i formen. I dette tilfellet ble flere iterasjoner testet og til slutt ble formen skåret i fire separate stykker. Det tredje viktige hensynet er at under PVA-c-produksjonsprosessen (avsnitt 4) må PVA-c avkjøles til romtemperatur (trinn 4.1.6). Hvis dette trinnet er savnet og varm PVA-c legges til formene, kan det føre til at formene smelter eller forvrenger. Det er også avgjørende at når glasskulene er lagt til (trinn 5.1.2 – 5.1.4), er PVA-c ikke igjen å sitte i mer enn rundt 10 minutter; hvis de blir igjen i en lengre periode, vil glasskulene bosette seg til bunnen, og det resulterende fantomet vil ha inhomogen ultralydkontrast29. Når glasskulene er tilsatt, må PVA-c legges direkte inn i formene og plasseres i fryseren. Etter den første frysesyklusen vil glasskulene bli sikret på stedet, og fantomet kan brukes ved romtemperatur. Til slutt er det viktig at formene er nøye forseglet (f.eks med tape) før PVA-c legges til, for å minimere lekkasje av blandingen gjennom hull der den separate delen av formen sluttet seg sammen.
Protokollen har flere begrensninger. For eksempel er det nødvendig med noe spesialutstyr, inkludert et vannbad og en elektronisk rører. En sonicator brukes også som en del av denne protokollen, men sonikeringstrinnet (5.1.3) kan erstattes med ekstra elektronisk omrøring; Men med dette alternativet ville det ta lengre tid å oppnå en homogen blanding enn det som er mulig ved bruk av sonikering. En begrensning av PVA-c er at den forringes over tid og blir moldy. Tilsetningen av kaliumsorbat, som beskrevet her, øker fantomets holdbarhet, selv om det fortsatt må holdes i en lufttett beholder. En annen begrensning av PVA-c er at fryse-tine sykluser er nødvendig, noe som øker tiden som kreves for å lage et fantom. For å minimere fantomfabrikasjonstid er en viktig vurdering hastigheten på frysing og tining; når fantomet enten er helt frosset eller helt tint, påvirker ikke tiden det forblir i den tilstanden den endeligefantomet 16,30 betydelig. Derfor kan sykluslengdene som brukes varieres, forutsatt at fantomet er helt frosset og tint på hvert trinn i syklusen. For eksempel er svulsten i fantomet i denne studien svært liten, så kortere sykluser kan brukes til svulsten enn for hjernen. Til slutt, 3D utskrift former og skallen er en tidkrevende prosess som bruker en betydelig del (3 dager) av den totale tiden (1 uke) som kreves for å dikte et fantom med denne protokollen. Skriveren som ble brukt var en kommersiell modell fra 2018; utskriftsprosessen kan fullføres i kortere tidsrammer ved bruk av nyere, raskere skrivere.
Hjernefantomet som presenteres her, kan brukes direkte til klinisk opplæring og validering av nevronvigeringssystemer. Som vev etterligne materiale, PVA-c gjør det resulterende fantomet som skal brukes gjentatte ganger, for eksempel som et treningsverktøy eller for validering av intraoperativ ultralyd i vestibulær schwannoma kirurgi, som det er et holdbart og giftfritt materiale. Som sådan er fabrikasjonsmetoden komplementære til de som tidligere er beskrevet der 3D-utskrift ble brukt til å lage pasientspesifikke hjernefantomer20,21,22,23,24,25. Bruken av PVA-c som TMM gjør fantomet egnet for bruk i simulering av nevrokirurgi, da materialet tåler gjentatt manuell manipulasjon og kontakt fra en ultralydsonde. Dette arbeidet setter scenen for ytterligere kvantitative valideringsstudier. Fantommetoden som er beskrevet her er svært allsidig og kan brukes til å fremstille mange typer pasientspesifikke tumorfantomer, som strekker seg fra hjernen til andre organer, med kompatibilitet på tvers av flere bildemodaliteter.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Daniil Nikitichev og Steffi Mendes for deres råd om bruk av Meshmixer og Fernando Perez-Garcia for hans råd om bruk av 3D Slicer og for å gi oss kode for å automatisere noen av behandlingstrinnene.
Dette arbeidet ble støttet av Wellcome Trust [203145Z/16/Z; 203148/Z/16/Z; WT106882], EPSRC [NS/A000050/1; NS/A000049/1], MRC [MC_PC_17180] og National Brain Appeal [NBA/NSG/SBS]-finansiering. TV støttes av en Medtronic Inc / Royal Academy of Engineering Research Chair [RCSRF1819\7\34].
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 |