Denne protokol beskriver fremstilling af en patient specifik kraniet, hjernen og tumor fantom. Det bruger 3D-print til at skabe forme, og polyvinyl alkohol (PVA-c) bruges som væv efterligne materiale.
Fantomer er vigtige redskaber til klinisk træning, kirurgisk planlægning og udvikling af nyt medicinsk udstyr. Det er dog udfordrende at skabe anatomisk præcise hovedtomtomtegn med realistiske hjernebilledegenskaber, fordi standardfabrikationsmetoder ikke er optimeret til at replikere patientspecifikke anatomiske detaljer, og 3D-printmaterialer ikke er optimeret til billeddannelsesegenskaber. For at teste og validere en ny navigationssystem til brug under hjernetumor kirurgi, en anatomisk præcis fantom med realistiske billeddannelse og mekaniske egenskaber var påkrævet. Derfor blev der udviklet et fantom ved hjælp af reelle patientdata som input og 3D-printning af forme for at fremstille et patientspecifikt hovedtomtom, der omfatter kraniet, hjernen og tumoren med både ultralyd og røntgenkontrast. Fantomet havde også mekaniske egenskaber, der tillod fantomvæv, der skal manipuleres på samme måde som, hvordan humant hjernevæv håndteres under operationen. Fantomet blev testet under en kirurgisk simulering i en virtuel operationsstue.
Fantomfabrikationsmetoden bruger kommercielt tilgængelige materialer og er nem at reproducere. 3D-printfilerne kan let deles, og teknikken kan tilpasses til at omfatte mange forskellige typer tumor.
Fantomer efterligne de specifikke egenskaber af biologiske væv er en nyttig ressource for forskellige eksperimentelle og undervisning applikationer. Vævs efterlignende fantomer er afgørende for at karakterisere medicinsk udstyr forud for dereskliniske anvendelse 1,2 og anatomiske fantomer bruges ofte i uddannelsen af medicinsk personale i alle discipliner3,4,5,6,7. Patientspecifikke anatomiske fantomer lavet med passende vævs-efterligne egenskaber er ofte en kritisk del af testmiljøet og kan øge tilliden hos klinikere, der er ved at lære at bruge en ny enhed8. Men høje produktionsomkostninger og komplekse fabrikationsprocesser udelukker ofte rutinemæssig brug af patientspecifikke fantomer. Her er en metode beskrevet for fremstilling af en holdbar, patient-specifikke hjernetumor model ved hjælp af let tilgængelige, kommercielle materialer, som kan bruges til uddannelse og validering af intraoperativ ultralyd (US) ved hjælp af edb-tomografi (CT) billeddannelse. Fantomet beskrevet i denne undersøgelse blev oprettet ved hjælp af data fra en patient med en vestibulær schwannoma (en godartet hjernetumor som følge af en af de balancenerver, der forbinder hjernen og det indre øre), som efterfølgende gennemgik kirurgi og tumor resektion via en retrosigmoid suboccipital kraniotomi10. Fantomet blev udviklet for at teste og validere et integreret intraoperativt navigationssystem til brug under denne type hjernetumorkirurgi.
For at være egnet til denne ansøgning, hjernen tumor fantom skal have flere vigtige egenskaber. For det første bør det være lavet af ikke-giftige materialer, så det kan sikkert bruges i en klinisk uddannelse miljø. For det andet bør det have realistiske billeddannelse egenskaber; til den påtænkte anvendelse omfatter disse specifikt ultralyddæmpning og CT-kontrast. For det tredje bør det have lignende mekaniske egenskaber til humant væv, så det kan håndteres på samme måde. For det fjerde bør fantomet være baseret på reelle patientdata, så det er anatomisk korrekt og kan bruges til kirurgisk planlægning og træning. Endelig skal de anvendte materialer være holdbare, så fantomet kan bruges gentagne gange.
Generelt afhænger det vævs efterlignende materiale og fremstillingsmetode, der er valgt til et fantom, af den påtænkte anvendelse. For stive strukturer som kraniet, bør den valgte egenskab ikke deformere eller være vandopløselige, og det bør være i stand til at opretholde et nøjagtigt niveau af anatomiske detaljer med gentagen brug; Dette er især vigtigt, når du bruger fantomet til eksperimenter, hvor billedregistrering anvendes, og til kirurgiske simuleringsformål. Mineralolie baserede materialer såsom gel voks har været lovende for ultralyd9,11,12 og fotoakustisk13 billeddannelse applikationer, men når de udsættes for gentagne mekaniske deformation de bliver smuldrende, så kan ikke modstå udvidet brug, især med standard mikrokirurgiske neurokirurgi instrumenter. Agar og gelatine er vandige materialer, der også er almindeligt anvendt som væv-efterligne materialer. De tilsætningsstoffer, der er nødvendige for at justere de akustiske egenskaber af disse materialer ervelkendte 14,men de har begrænset mekanisk styrke og er ikke særlig holdbare, så er ikke egnet til denne ansøgning, hvor fantomet skal håndteres gentagne gange.
Polyvinyl alkohol cryogel (PVA-c) er et populært valg af væv-efterligne materiale, fordi dens akustiske og mekaniske egenskaber let kan indstilles ved at variere sin fryse-tø cykler. Det er blevet påvist , at PVA-c’s egenskaber svarer til egenskaberne for blødt væv15,16,17,18. PVA-c-baserede hjernetomtomer er blevet anvendt med succes til ultralyd og CT-billeddannelse19. Materialet er stærkt nok til at blive brugt gentagne gange, og det har en høj grad af elasticitet, så fantomvæv lavet af PVA-c kan manipuleres uden at blive permanent deformeret. Polylaktisk syre (PLA) er et let tilgængeligt stift materiale og blev brugt til fremstilling af kraniet, men et andet trykmateriale kan anvendes i stedet for PLA, hvis det har lignende mekaniske egenskaber og ikke er vandopløseligt.
Især hjernetomtomater er blevet fremstillet ved hjælp af forskellige metoder, afhængigt af graden af kompleksitet, der kræves, og detvæv,der skal replikeres20,21,22,23. Normalt er en støbeform anvendes, og flydende væv-efterligne materiale hældes i det. Nogle undersøgelser har brugt kommercielle forme24, mens andre bruger 3D-printede brugerdefinerede forme af en sund hjerne, og simulere hjernelæsioner ved at implantere markør kugler og oppustelige katetre19,25. Så meget som forfatteren ved, er dette den første rapport fra en 3D-printet patientspecifik hjernesvulstommodel skabt med vævs efterlignende ultralyd og røntgenegenskaber. Den samlede fabrikation visualiseres af rutediagrammet i figur 1; hele processen tager omkring en uge at fuldføre.
Denne protokol beskriver fabrikationsprocessen af en patient specifik hjerne fantom, som omfatter kraniet, hjernen, og vestibulære schwannoma tumor. 3D-printmetoder gjorde det muligt at opnå anatomisk nøjagtige detaljer. Fantomet beskrevet her blev med succes fremstillet med det ønskede niveau af anatomiske detaljer; CT og ultralyd imaging blev brugt til at påvise, at tumoren var let visualiseret med begge modaliteter. Vævet efterligne materiale, PVA-c, er veletableret som et væv-efterligne materiale til ultralydtomtomre; dens akustiske og mekaniske egenskaber kan indstilles med tilsætningsstoffer og antallet af fryse-tø cykler. Materialet er let tilgængeligt, enkelt at bruge og ikke-giftigt. Ved gentagen brug havde fantomet tilstrækkelig holdbarhed til at modstå manipulation og kontakt med en ultralydssonde under fysiske simuleringer af vestibulær schwannomaoperation.
Flere vigtige skridt blev identificeret som værende afgørende for fremstillingsprocessen. For det første skal segmenteringen af strukturer til optagelse i fantomet omfatte det ønskede niveau af anatomiske detaljer. Oprettelsen af nøjagtige STL filer og 3D forme derefter følger naturligt. For det andet skal placeringen af fly i lillehjernen i trin 3.1.9 overvejes nøje, således at fantomet let kan fjernes uden skader; det skal skæres i nok stykker til at tillade anatomiske detaljer, der skal bevares, samtidig med at fantomet skal fjernes uden at sidde fast i formen. I dette tilfælde blev flere iterationer testet og endelig formen blev skåret i fire separate stykker. Den tredje vigtige overvejelse er, at PVA-c under fremstillingsprocessen (afsnit 4) skal overlades til stuetemperatur (trin 4.1.6). Hvis dette trin er savnet og varm PVA-c er føjet til forme, kan det forårsage forme til at smelte eller fordreje. Det er også afgørende, at når glaskuglerne er tilsat (trin 5.1.2 til 5.1.4), er PVA-c ikke overladt til at sidde i mere end omkring 10 minutter; hvis venstre i en længere periode, vil glaskuglerne bosætte sig til bunden, og den resulterende fantom vil have inhomogen ultralydskontrast29. Når glaskuglerne er tilsat, skal PVA-c tilsættes direkte i formene og placeres i fryseren. Efter den første frysecyklus fastgøres glaskuglerne på stedet, og fantomet kan bruges ved stuetemperatur. Endelig er det vigtigt, at formene er omhyggeligt forseglet (f.eks med tape), før PVA-c tilsættes, for at minimere lækage af blandingen gennem huller, hvor den separate stykke af formen sluttede sammen.
Protokollen har flere begrænsninger. For eksempel er nogle specialudstyr påkrævet, herunder et vandbad og en elektronisk omrører. En soniker bruges også som en del af denne protokol, men sonikeringstrinnet (5.1.3) kan erstattes med yderligere elektronisk omrøring; Men med dette alternativ ville det tage længere tid at opnå en homogen blanding, end det er muligt ved brug af sonikering. En begrænsning af PVA-c er, at det nedbrydes over tid og bliver mugne. Tilføjelsen af kaliumsorbat, som beskrevet her, øger fantomets holdbarhed, selv om det stadig skal opbevares i en lufttæt beholder. En anden begrænsning af PVA-c er, at fryse-tø cykler er påkrævet, hvilket øger den tid, der kræves for at gøre et fantom. For at minimere fantom fabrikation tid, en vigtig overvejelse er hastigheden af frysning og optøning; når fantomet enten er helt frosset eller helt optøet, påvirker den tid, det forbliver i denne tilstand, ikke i væsentlig grad det endelige fantom16,30. Derfor kan de anvendte cykluslængder varieres, forudsat at fantomet er helt frosset og optøet på hvert trin i cyklussen. For eksempel, tumoren i fantomet i denne undersøgelse er meget lille, så kortere cykler kan bruges til tumor end for hjernen. Endelig 3D udskrivning af forme og kraniet er en tidskrævende proces, der forbruger en betydelig del (3 dage) af den samlede tid (1 uge), der kræves for at fremstille et fantom med denne protokol. Printeren var en kommerciel model fra 2018. udskrivningsprocessen kan afsluttes i kortere tidsrammer med brug af nyere, hurtigere printere.
Hjernetomtomtomeret her kunne bruges direkte til klinisk træning og validering af neuronavigationssystemer. Som væv efterligne materiale, PVA-c gør det muligt for den resulterende fantom, der skal anvendes gentagne gange, for eksempel som et træningsværktøj eller til validering af intraoperativ ultralyd i vestibulær schwannoma kirurgi, da det er en holdbar og ikke-giftigt materiale. Som sådan er fremstillingsmetoden et supplement til dem, der tidligere er beskrevet, hvor 3D-print blev brugt til at skabe patientspecifikke hjernetomtomtegn20,21,22,23,24,25. Brugen af PVA-c som TMM gør fantomet egnet til brug i simulering af neurokirurgi, da materialet kan modstå gentagne manuel manipulation og kontakt fra en ultralydssonde. Dette arbejde sætter scenen for yderligere kvantitative valideringsundersøgelser. Den fantom metode, der er beskrevet her, er meget alsidig og kan bruges til at fremstille mange typer af patientspecifikke tumortomtomer, der strækker sig fra hjernen til andre organer, med kompatibilitet på tværs af flere billeddannelse modaliteter.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Daniil Nikitichev og Steffi Mendes for deres råd om brug meshmixer og Fernando Perez-Garcia for hans råd om at bruge 3D Slicer og for at give os kode til at automatisere nogle af de forarbejdningstrin.
Dette arbejde blev støttet af 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 understøttes af 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 |