Summary
מודלים ספציפיים למטופל משפרים את הביטחון של המנתחים ואת המנתחים בעת פיתוח או למידה של תוכניות כירורגיות. מדפסות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) מפיקות פרטים מתאימים להכנה כירורגית, אך אינן מצליחות לשכפל אמינות הפטית של רקמות. מוצג פרוטוקול המפרט את יצירתם של מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל, המשלבים דיוק הדפסה תלת-ממדי עם רקמת סיליקון מדומה.
Abstract
מודלים תלת ממדיים יכולים להיות כלי בעל ערך עבור מנתחים כאשר הם מפתחים תוכניות כירורגיות ועמיתים רפואיים כשהם לומדים על מקרים מורכבים. בפרט, מודלים תלת-ממדיים יכולים למלא תפקיד חשוב בתחום הקרדיולוגיה, שבו מתרחשות מחלות לב מולדות מורכבות. בעוד שמדפסות תלת-ממד רבות יכולות לספק דגמים נכונים ומפורטים מבחינה אנטומית, חומרי הדפסה תלת-ממדיים קיימים אינם מצליחים לשכפל מאפייני רקמת שריר הלב ויכולים להיות יקרים ביותר. פרוטוקול זה נועד לפתח תהליך ליצירת מודלים ספציפיים למטופל של מומים מולדים מורכבים בלב באמצעות סיליקון בעלות נמוכה התואם באופן הדוק יותר את תכונות שריר הלב. עם נאמנות מודל משופרת, אימון פרוצדורלי כירורגי בפועל יכול להתרחש לפני ההליך. יצירה מוצלחת של מודלים לבביים מתחילה עם פילוח של תמונות רדיולוגיות כדי ליצור בריכת דם וירטואלית (דם הממלא את חדרי הלב) ועובש רקמת שריר הלב. בריכת הדם ועובש שריר הלב הם תלת-ממד המודפסים בסטירן בוטאדין (ABS), פלסטיק שניתן להמיס באצטון. התבנית מורכבת סביב בריכת הדם, ויוצרת חלל שלילי המדמה את שריר הלב. סיליקון עם קשיות חוף של 2A נשפך לחלל השלילי ומותר לרפא. עובש שריר הלב מוסר, ואת הדגם הנותר סיליקון / בריכת דם שקוע אצטון. התוצאה של התהליך המתואר היא מודל פיזי שבו כל תכונות הלב, כולל פגמים תוך-לבביים, מיוצגים עם תכונות רקמות מציאותיות יותר והן קרובות יותר מאשר גישת הדפסה תלת-ממדית ישירה. התיקון הכירורגי המוצלח של דגם עם פגם במחיצה חדרית (VSD) באמצעות תיקון GORE-TEX (התערבות כירורגית סטנדרטית לפגם) מדגים את התועלת של השיטה.
Introduction
כמעט 1 מכל 100 ילדים בארצות הברית נולדים עם מומים מולדים בלב (CHD). בשל הנטייה של אמהות עם CHDs להביא ילדים עם CHDs, יש ציפייה כי השיעור עשוי להכפיל את עצמו במהלך שבעת הדורות הבאים1. אמנם לא כל CHD נחשב מורכב או חמור, ציפייה הצמיחה הכללית מצביעה על כך שיש מוטיבציה לשפר את הטכנולוגיה ואת ההליכים המסוגלים לטפל בטיפול CHD. ככל שהטכנולוגיה משתפרת, מנתחי לב מביעים לעתים קרובות נכונות להתמודד עם הליכים מורכבים יותר. נכונות זו הובילה למספר גדל וגביר של הליכי לב מורכבים, מה שהוביל את הצורך בטכניקות מתקדמות יותר של תכנון כירורגי וחינוך. בתורו, זה משאיר מנתחי לב הזקוקים מודלים מדויקים מאוד, ספציפיים למטופל ועמיתים כירורגיים לב הזקוקים שיטות אימון יעילות מאוד.
ניתוח לב מולד הוא אחד הדיסציפלינות הניתוחיות התובעניות ביותר מבחינה טכנית בשל גודלם הקטן של המטופלים, המורכבות של חריגות הלב, ואת נדירות של כמה חריגות2. במקרים הקיצוניים ביותר, ילד עשוי להיוולד עם חדר אחד. אין זה נדיר עבור המנתח לקחת כלי בקוטר 2.0 מ"מ ולתקן אותו עם קרום הלב קבוע כדי ליצור כלי 1.0 ס"מ המאפשר לתינוק לגדול בהליך מציל חיים זה - כל זאת בזמן מתחת לשעון, כמו התינוק הוא במעצר מחזור דם מלא. בין הלב הרגיל של ארבעה תאים ודוגמאות קיצוניות אלה הן אינספור אפשרויות של גודל החדר ומיקומי שסתום המהווים חידות תלת-ממדיות מורכבות מאוד. תפקידו של צוות הלב מולד הוא להתוות בבירור את האנטומיה הייחודית ולפתח תוכנית להגדיר מחדש את הרקמה האורגנית ללב פונקציונלי שיאפשר לילד לגדול עם הסיכוי הטוב ביותר לחיים נורמליים. מודלים מדויקים מאפשרים תרגול כירורגי מכוון וחזרה בסביבה שבה ניתן לסלוח על טעויות ולא לגרום נזק למטופל3,4. הכשרה זו מובילה לפיתוח מומחיות כירורגית משופרת, כמו גם מיומנויות טכניות ושיפוטיות. עם זאת, משאבים מוגבלים ונראות של מחלות לב מסוימות יכולים להפוך את השגת הרמה הרצויה של חזרה והדמיה כמעט בלתי אפשרית. כדי לעזור להסביר את חוסר המשאבים הזה, חלה עלייה בניצול סימולציות לחינוך2,3. טכניקות סימולציה או מידול נפוצות כוללות גופות אנושיות, רקמות בעלי חיים, מודלים של מציאות מדומה (VR) ומודלים מודפסים בתלת-ממד.
רקמת קדאוורית נחשבה היסטורית לסטנדרט הזהב לסימולציה כירורגית, עם רקמת בעלי חיים שניה קרובה. גופות ורקמות בעלי חיים יכולות לייצר סימולציות נאמנות גבוהות מכיוון שהן מכילות את המבנה האנטומי של העניין, את כל הרקמות שמסביב, ומאפשרות טכניקות זלוף כדי לדמות את זרימת הדם4. למרות היתרונות של מודלים רקמה, ישנם חסרונות. רקמה חנוט חוויות ציות מכני מופחת, מה שהופך כמה פעולות לא מציאותי וקשה לביצוע. רקמות דורשות תחזוקה מתמדת, מתקנים ספציפיים, אינם ניתנים שימוש חוזר2, יכול להיות יקר כדי להשיג3, והיסטורית היו הנושא של חששות אתיים. והכי חשוב, מחלות לב מולדות פשוט לא זמינות בדגימות קדוויות.
מודלים מודפסים VR ותלת-ממד5,6,7,8,9,10 מספקים אפשרות נוספת לחינוך לבבי, סימולציה ודוגמנות כדי לסייע ביצירת תוכניות טרום ניתוחיות. מודלים אלה מפחיתים את העמימות הקשורה ליכולת המרחבית המגוונת של המשתמש לבצע אינטרפולציה של תמונות 2D כמבנה תלת-ממדי10,11. הסביבה הווירטואלית יכולה להכיל כלים כירורגיים שניתן לתמרן ולקיים אינטראקציה עם מודלים, המאפשרים למנתחים ועמיתים לפתח תיאום עין-יד, מיומנויות מוטוריות עדינות והיכרות עם כמה הליכים4. טכנולוגיות ההדפסה התלת-ממדיות הפופולריות הנוכחיות, כולל מידול תצהיר מותך (FDM), סטריוליתוגרפיה (SLA), סינטרינג לייזר סלקטיבי (SLS) ופוליג'ט נמצאו כדי לייצר דגמים עם דיוק submillimeter13. הן דגמי VR והן דגמים מודפסים בתלת-ממד ניתנים ל שימוש חוזר ויכולים להיות מפורטים ביותר; מודלים יכולים אפילו להיווצר מנתוני הדמיה רדיולוגית של המטופל, וכתוצאה מכך העתקים של האנטומיה של המטופל. למרות היתרונות הרבים של מודלים מודפסים VR או 3D, הם נופלים כאשר העלות ודרישות הנאמנות הפטי של ניתוח לב מולד נחשבים. להגדרה של סביבת מציאות מדומה יש עלות גבוהה, וסביבות מציאות מדומה אינן יכולות לספק משוב הפטי מהעולם האמיתי. בעוד שטכנולוגיית הנאמנות הפטי משתפרת, הפער הנוכחי מעכב את יכולתו של התלמיד להכיר את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים לביצוע הליכים4. באופן דומה, בהתאם לסוג טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית בה נעשה שימוש, העלות של הדפסה בתלת-ממד יכולה להיות גבוהה למדי, שכן יש לשקול את מחיר רכישת המדפסת ואת עלות חומר ההדפסה. דגם לב אחד בעל אמינות גבוהה עם משוב הפטי מציאותי יכול להיות מיוצר באמצעות מדפסת יוקרתית אך יעלה מאות דולרים בחומר בלבד עם מחיר רכישת מדפסת מעל 100,000 USD15. דגם לב המיוצר באמצעות חוט עם קשיות חוף של 26-28 A נמצא לעלות כ 220 דולר לדגם16. לחלופין, מדפסות וטכנולוגיות תלת-ממד רבות בעלות נמוכה זמינות בעלות נמוכה בעלות של מחיר רכישת מדפסת של פחות מ- 5,000 דולר. מחירי החומר הממוצעים עבור דגם לב שנוצר במדפסת FDM בעלות נמוכה נמצאו כ-3.80 דולר ארה"ב באמצעות חומר עם קשיות חוף של 82 A ו-35 USD באמצעות חומר עם קשיות חוף של 95 A15,16. בעוד מכונות אלה מציעות פתרון בעלות נמוכה, זה בא על חשבון נאמנות הפטי.
בעוד שהדפסת מציאות מדומה ותלת-ממד יכולות לאפשר הערכה חזותית ורעיונית מפורטת של מצב לבבי, המחיר הגבוה הקשור לייצור מודל לסימולציה כירורגית מעשית הוא לעתים קרובות מחסום משמעותי. פתרון אחד הוא השימוש בסיליקון כדי ליצור מודל לב מדויק פיזית וטקסטואלית. מודלים של סיליקון ספציפיים למטופל יכולים להקל על הבנה עמוקה יותר של האנטומיה הייחודית על ידי מתן אפשרות למנתחים לראות, להרגיש ואפילו לתרגל הליך תוך חוויה של משוב הפטי מציאותי בסביבה הכרוכה בסיכון מינימלי למטופל ואין לה השלכות אם ההליך אינו מוצלח9. עיצוב סיליקון הוכח להיות שיטה יעילה מודל אנטומיה אנושית המייצרת מודלים עם תכונות פיזיות כי הם קרובים באופן משמעותי לרקמה אמיתית מאשר מודלים שנוצרו הדפסה 3D בעלות נמוכה17. Scanlan ואח ', השווה את המאפיינים של עלות נמוכה 3D מודפס סיליקון יצוק שסתומי לב כדי להעריך דמיון לרקמה אמיתית; המחקר מצא כי בעוד המאפיינים הפיזיים של שסתומי הסיליקון לא היו העתק מדויק של רקמה אמיתית, המאפיינים היו עדיפים בהרבה על שסתומים מודפסים 3D17. חומר ההדפסה התלת-ממדי המשמש במחקר הוא בין החומרים הרכים ביותר הזמינים עבור מדפסות תלת-ממד בעלות נמוכה ובעל קשיות חוף בין 26 ל-28 A18. סיליקון תרופת פלטינה המומלץ לשימוש בפרוטוקול להלן יש קשיות חוף של 2 A אשר קרוב הרבה יותר קשיות החוף של רקמת הלב, 43 בסולם 00, או כ 0 A19,20. הבדל זה משמעותי מכיוון שמודלים של סיליקון מאפשרים אימון מיומנות מוטורית עדינה בעלת אמינות גבוהה שהחומרים המודפסים בתלת-ממד אינם משיגים. העלות החומרית הכוללת עבור המודל המוצע בפרוטוקול זה היא פחות מ- 10 USD. דגמי הסיליקון המוצעים משלבים את תכונות הרקמות הרכות הדרושות למשוב הפטי מציאותי עם הרבגוניות והדיוק של דגמים מודפסים בתלת-ממד בעלות נמוכה.
בעוד היתרונות של סיליקון עשוי להיראות להפוך אותו הבחירה הברורה ליצירת מודל, השימוש בסיליקון הוגבל על ידי האנטומיה שניתן לעצב. סיליקון מעורב טרי הוא נוזל הדורש עובש להחזיק אותו בצורה הרצויה כפי שהוא מרפא. מבחינה היסטורית, תבניות לב סיליקון יכול להכיל רק פרטים של פני השטח החיצוניים של המודל. פרטים תוך-לבביים, כולל כל אזור בריכת הדם, יהיו מלאים בסיליקון ויאבדו. מחקרים קודמים השיגו מודלים סיליקון של תחומי עניין ספציפיים בתוך הלב (למשל, שורש אבי העורקים21) או השתמשו בשיטה אקסטרפולטורית כדי לדמות רקמת שריר הלב22. פרוטוקול זה הוא חדשני כפי שהוא מבקש לשלב את השימוש בחומר סיליקון עם סימולציה אנטומית ברזולוציה גבוהה, שריר הלב מלא - במיוחד הימנעות מכל שיטה של אקסטרפולציה. למיטב ידיעתנו, שום כתב יד תיאורי לא סיפק מתודולוגיה המשלבת היבטים אלה. השיטה המתוארת בפרוטוקול זה מציגה טכניקה להשגת מודל לב ספציפי למטופל עם שכפול אנטומי תוך-לב מדויק מספיק לתרגול ניתוחי לפני הניתוח. השיטה כוללת יצירת תבנית שריר הלב כדי להחזיק את הסיליקון בצורה הנכונה כפי שהוא מרפא עובש פנימי כדי לשמר את הפרטים הפנימיים, תוך-לב של המודל ולמנוע את הסיליקון מלמלא את אזור בריכת הדם של הלב. לאחר מכן יש להמיס את התבנית הפנימית, ולהשאיר מודל לב סיליקון שלם עם אנטומיה ספציפית למטופל על המשטחים החיצוניים והפנימיים. ללא הפרוטוקול המוצע של יצירת מודל לב כאן, אין פתרון בעלות נמוכה קיים כדי לדמות את ההליך הכירורגי עם חומר המחקה את מאפייני הרקמה בפועל של שריר הלב.
Protocol
הפרוטוקול הושלם באופן המתאים לשיטות האתיות הטובות ביותר של מוסד המחבר, לרבות טיפול נאות במידע מטופלים והבטחת ההסכמות הנדרשות לשימוש בנתונים ספציפיים למטופל. כאשר נעשה שימוש, נתונים כאלה היו אנונימיים כדי להבטיח את ההגנה על המידע הבריאותי הפרטי של המטופל.
הערה: הפרוטוקול הבא נכתב באופן נייטרלי של תוכנה, שכן ישנן תוכניות רבות ושונות שיכולות לבצע את השלבים השונים. במקרה מסוים זה, Materialise Mimics Medical 24.0 שימשה לפיזור, ו- Materialise Magics שימשה למניפולציה תלת-ממדית ויצירת הדגמים והמקרים המפולחים. הוראות ספציפיות לתוכניות אלה ייכללו בנוסף לגישה הכללית.
1. אנטומיה של מטופל מגזר
- לכל SME, להשיג ערכת נתונים הדמיה רדיולוגית המטופל, בדרך כלל CT או MRI, שנרכש באמצעות פרוטוקול 3D לרזולוציה נאותה. פתח ערכת נתונים בתוכנת פילוח של עיצוב בעזרת מחשב (CAD)23.
- עיין בפרוטוקולי הרדיולוגיה של המוסד לרכישת תמונה נכונה (מכיוון שכל מטופל דורש שיקולים שונים, קשה לספק הנחיה ספציפית). אבל כדוגמה מייצגת, אלה ההגדרות בהן השתמשנו במארז מודל תלת-ממדי שתועד בעבר: פרוטוקול CT 3D מציע פרמטרים: סורק פרוסות במצב צירי, עובי פרוסה ומרווח בין פרוסות של 0.625 מ"מ, Kv של 70, טווח mA חכם של 201-227 (מצב MA חכם 226), מהירות סיבוב ב 0.28 ms. פרוטוקול MRI 3D הציע פרמטרים: סורק פרוסות במצב צירי, עובי פרוסה ומרווח בין פרוסות של 0.625 מ"מ.
- צור פילוח ראשוני של רקמת שריר הלב באמצעות כלי סף של יחידת Hounsfield (HU) עם גבולות עליונים ותחתונים המוגדרים לערכים המתאימים וספציפיים לערכת הנתונים. מקד את הבחירה לפי הצורך כדי ללכוד במדויק את האנטומיה. מומלץ להשתמש בכלים עם היכולות הבאות: חיתוך, הוספה וחיסור, גידול אזור, עריכה מרובת פרוסות ומילוי חלל. ב'מחקה', לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני באזור מנהל הפרוייקטים ובחר מסיכה חדשה. התאם את המסיכה בתיבת הדו-שיח שנוצרה עם החלונות האנטומיים שנקבעו מראש שסופקו, מדידות HU מדויקות, או על-ידי הזזת הכלי שסופק עד שהאנטומיה הרצויה מוסווית על-ידי הכלי.
- ליצור פילוח של בריכת הדם. השתמש בשלבים המתוארים בשלב 1.2 כדי לבצע זאת. ב- Mimics, השתמש בחלון HU האנטומי שנקבע מראש של 226 עד 3071 כדי ללכוד את בריכת הדם.
- אם המודל שנוצר מיועד לשימוש בטיפול בחולים, תן לקרדיולוג, רדיולוג או מומחה אחר לנושא (SME) לסקור את פילוחי המודל הווירטואלי לפני שתמשיך לשלב הבא כדי להבטיח שכל התכונות והפגמים האנטומיים יפולחו במדויק ויהיו נוכחים במודל המלא.
- צור מודל מקרה שריר הלב על ידי היפוך פילוח שריר הלב באמצעות כלי מילוי חלל בחלל הריק סביב פילוח שריר הלב והפחתה פילוח בריכת הדם מן שריר הלב ההפוך באמצעות כלי חיסור בוליאנית. מומלץ להשתמש בכלי מילוי חלל, כלי בוליאני, ואת פילוחי שריר הלב ובריכת הדם שנוצרו בעבר כדי להשיג זאת. ב-חיקויים, מילוי חלל > מציין רווחים סביב מסכת שריר הלב. לאחר מכן, השתמש בכלי בוליאני ומלא את הדיאלוג שסופק למינוס מסכת בריכת הדם ממסכת שריר הלב.
איור 1: פילוח לב בתוכנת פילוח CAD. (A) פילוח לב בתוכנת פילוח CAD עם נתוני תמונת המטופל הגולמיים. (B) פילוח עם עיבוד תלת-ממדי של דגם בריכת הדם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- הצג את העיבוד התלת-ממדי של מאגר הדם הסופי ואת מקטעי שריר הלב. לפי ההצעה והאישור של SME, הסר את כל כלי הדם ממודל בריכת הדם 3D שאינם נחוצים להערכה, הבנה או תיקון של אנטומיה היעד. ב-Mimics, בחרו 'תצוגה מקדימה תלת-ממדית' באפשרויות שליד חלון התצוגה (כברירת מחדל לתצוגה השמאלית התחתונה של תצוגת ברירת המחדל בת ארבע החלוניות). בחר את מסיכת העניין במנהל הפרוייקטים. לעריכה, בחרו בכלי עריכת מסיכה . בתיבת הדו-שיח שסופקה, בחרו בכלי לאסו וודאו שהאפרס נבחרה . פעולה זו תאפשר עריכה של התצוגה המקדימה של המסיכה תלת-ממדית בפועל.
הערה: כלי העריכה הוא מישור חתוך אינסופי ויסיר כל חלק של המסיכה שנבחר בכיוון Z. - צור אובייקטים תלת-ממדיים של מאגר הדם הסופי וקטעי מארז שריר הלב. החליקו את דגם מארז שריר הלב תלת-ממדי בעזרת כלי עצמי חלק. לפי ההצעה והאישור של SME, התאם איטרציה ופרמטרי גורם חלקים לפי הצורך עבור המודל הספציפי כדי ליצור מודל מקרה שהוא חלק ככל האפשר אך לא איבד פרטים אנטומיים חשובים.
- לאחר שאושר על-ידי SME, יצא את הדגמים בתבנית STL לשימוש בתוכנת עריכת מודל תלת-ממד. ב-מחקה, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על מסיכה ספציפית במנהל הפרוייקטים > יצירת אובייקט. בדיאלוג שסופק, ודא שההגדרה האופטימלית נבחרה ולחץ על אישור.
- לאחר יצירת המודל, הוא יופיע בחלון האובייקט , בדרך כלל מתחת לחלון מנהל הפרוייקטים . משם, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על דגם שנוצר ובחר חלק. הפרמטרים למקרה זה היו חמישה איטרציות בהחלקה של 0.4 מ"מ.
- שמור/יצא את מאגר הדם 3D הסופי ואת מודלי מקרה שריר הלב כמו שפת טסלציה סטנדרטית (STL) קבצים. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על הדגם הרצוי > STL+ > עקוב אחר הדו-שיח שסופק כדי לייצא גירסת STL של המודל.
2. צרו את התבניות הדיגיטליות
- פתח את קובץ ה- STL של מודל אירוע שריר הלב בתוכנית CAD. מומלץ להפוך את הנראות של המקרה באופן שקוף כדי לאפשר שריר הלב להיות גלוי על הפנים של עובש מקרה שריר הלב. ב- Magics, יבא את STLs שנוצרו באמצעות חלק ייבוא. בחלון ניהול פרוייקטים , בחר באפשרות שקוף של עיבוד מודל.
- גזור עודף חומר מארז שריר הלב מהדגם באמצעות כלי גזור או ניקוב. יש צורך רק כ 0.5 ס"מ בין הקצה החיצוני של המארז ואת החותם שריר הלב על קיר המארז הפנימי. חומר נוסף יוסיף לזמן הדרוש להדפסה בתלת-ממד אך לא ישפיע על המוצר הסופי. ב-Magics, גזור > ציין פוליליין > > החל נקודות עניין.
הערה: כלי העריכה הוא מישור חתוך אינסופי ויסיר כל חלק של המסיכה שנבחר בכיוון Z. - חותכים את מארז שריר הלב לחתיכות מרובות שיאפשרו את המארז להיות מורכב סביב האנטומיה המורכבת של עובש בריכת הדם. מומלץ להשתמש בכלי גזור ו/או ניקוב כדי להשיג זאת.
הערה: השלבים הבאים מספקים הצעה לקיצוצים לעשות במקרה שריר הלב שיחלקו אותו לארבעה חלקים שנמצאו מספיקים הן לדיוק האבחוני והן להרכבה של המקרה סביב בריכת הדם עבור מודלים לבביים רבים. עם זאת, כל דגם יהיה שונה, מה שהופך אותו חיוני לזכור כי המקרה חייב להיות מורכב סביב בריכת הדם לפני סיליקון נשפך והוסר לאחר סטים סיליקון. שים לב במיוחד לכל המיקומים שבהם המקרה חייב לעבור דרך לולאה בבריכת הדם או להקיף כלי דם ארוכים. תכונות כגון אלה עשויות לדרוש את מארז שריר הלב לחתוך לחתיכות נוספות באזור שבו התכונה קיימת כדי להבטיח הרכבה ופירוק סביב בריכת הדם יהיה אפשרי. - התאם את התצוגה של מארז שריר הלב באמצעות כלי סיבוב ורכישה רציפה כדי להצביע על פסגת הלב כלפי מטה וקשת אבי העורקים אופקית. לעשות חתך אופקי דרך אבי העורקים המחלק את מארז שריר הלב לחצי התחתון המכיל את השיא ואת החצי העליון. אורך החתך הזה וכל החתכים הבאים ישתנו עם כל מודל לב. ב- Magics, השתמש בלחצני העכבר השמאלי והימני כדי לשלוט בסיבוב ובגלילה, בהתאמה. משם, גזור > ציין פוליליין > > החל נקודות עניין.
הערה: כלי העריכה הוא מישור חתוך אינסופי ויסיר כל חלק של המסיכה שנבחר בכיוון Z.- בצע חתך אנכי לאורך החלק הרחב ביותר של החצי התחתון של מארז שריר הלב. ודא כי החצי התחתון של מארז שריר הלב מחולק בערך לשניים.
- בצע חתך אנכי שני לאורך החלק הרחב ביותר של החצי העליון של מארז שריר הלב. ודא כי החצי העליון של מארז שריר הלב מחולק בערך לשניים.
- הוסף יתדות (אבזרים) לחתיכות מארז שריר הלב כדי להבטיח יישור נכון במהלך ההרכבה. מומלץ להשתמש בכלי ליצירת אביזרים ובכלי חיסור בוליאני עם ערך אישור של 0.25 מ"מ ליצירת אביזרים תואמים וחללים של אבזר. ב-Magics, הוסף אביזרים > מציין מיקום על > להחיל דגם.
- צרו חור מילוי סיליקון בקוטר 1.0 ס"מ לאחת מחצי העליון של מארז שריר הלב. משטח שריר הלב תכונות ישירות מתחת לחור המילוי יהיה מוסתר, כדי להבטיח כי חור המילוי אינו מעל כל תכונות אנטומיות חיצוניות כי יהיה חיוני לשימוש של המודל. אמת מיקום חור באמצעות SME.
איור 2: מודל מקרה שריר הלב בתוכנת CAD. מקרה שריר הלב שנוצר בתוכנת CAD עבור מקרה לב עם VSD. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- בדוק אבחון על כל חלקי האירוע בנפרד כדי להבטיח את השגיאות הבאות אינן קיימות: קצוות נורמליים הפוכים, רעים, קווי המתאר הרעים, ליד קצוות רעים, חורים מתכננות או פגזים. אם זוהתה שגיאה, תקן אותה באמצעות כלי/אשף תיקון אם הם זמינים או באופן ידני אם אינם זמינים. ב-Magics, בדוק אבחון > לפתור באופן אוטומטי.
- תקן שגיאות שלא ניתן לפתור באופן ידני או באמצעות כלי/אשף תיקון באמצעות גלישת כיווץ חלקים באמצעות כלי גלישת כיווץ. התאם את מרווח הזמן לדוגמה גלישת כיווץ וערכי מילוי פער לפי הצורך כדי לתקן את השגיאות ביצירה הספציפית מבלי לשנות את הפיזיולוגיה בסקירת SME. ב-Magics, תקן > לכווץ > עקוב אחר הדיאלוג.
- שמור/יצא את חלקי הריטליות הבודדים כקבצי STL.
3. ליצור את התבניות הפיזיות
- פתח את דגמי מארז שריר הלב ומאגר הדם בתוכנת כלי הפריסה המתאימה כדי להפיק קבצי הדפסה תלת-ממדיים (קובץ G-Code) עבור מדפסת תלת-ממד לייצור תוספים (AM). סדר את חלקי מארז שריר הלב באמצעות כלי סיבוב ו/או שכב שטוח, כך שכל צד שייפגש עם פריט מארז אחר יהיה אנכי. הוסף תמיכה בהדפסה תלת-ממדית לכל החלקים באופן ידני או באמצעות כלי ליצירת תמיכה אוטומטית המסופק בתוכנה, אם הוא זמין.
איור 3: מארז שריר הלב והגדרת מאגר הדם בתוכנת CAD להדפסה בתלת-ממד. מארז שריר הלב ובריכת הדם עם כיוון נכון ותמיכה נוספת כהכנה להדפסה בתלת-ממד בתוכנת CAD להדפסת תלת-ממד עבור מארז לב עם VSD. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- פרוס את הדגמים ליצירת קוד G לשימוש במדפסת התלת-ממד עם הפרמטרים הבאים: בריכת דם ב- ABS באמצעות: טמפרטורת מיטה מחוממת של 100 מעלות צלזיוס, טמפרטורת מכבש של 250 מעלות צלזיוס, צפיפות מילוי של 5%, מהירות הדפסה ברירת מחדל של 50 מ"מ / s, מהירות מעטפת פנימית של 70 מ"מ / s, מהירות מעטפת החיצונית או 50 מ"מ / s; עובש שריר הלב ABS או חומצה פולילאקטית (PLA) באמצעות: טמפרטורת מיטה מחוממת של 60 °C עבור PLA או 100 °C עבור ABS, טמפרטורת extruder של 205 °C עבור PLA או 250 °C עבור ABS, צפיפות מילוי של 15%, מהירות הדפסה ברירת מחדל של 50 מ"מ /s, מהירות מעטפת פנימית של 80 מ"מ / s, ומהירות מעטפת החיצונית של 30 מ"מ / s.
- שמור/יצא את קוד ה- G.
- העלה את קובץ ההדפסה למדפסת התלת-ממד באמצעות חיבור Flash Drive או Wi-Fi, בהתאם ליכולות המדפסת, ודא שהסיבים הנכונים נטענים במדפסת תלת-ממד והפעלו את ההדפסה. מדפסת תלת-ממד אמורה לעמוד בדרישות הבאות: תואמת ומצוידת בקוטר זרבובית פחות מ-0.4 מ"מ ומסוגלת לרזולוציית שכבה נמוכה מ-0.25 מ"מ. עם השלמת ההדפסה, השתמש צבת האף מחט פינצטה כדי להסיר את כל חומר התמיכה מן חתיכות מודפסות.
איור 4: חתיכות דגם מודפסות בתלת-ממד. תמונה של (A) בריכת דם פיזית ו-(B) חלקי מארז שריר הלב עם VSD המיוצר ממדפסת תלת-ממד עם חומר תמיכה שהוסר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
- להרכיב את חתיכות מקרה שריר הלב סביב תבנית בריכת הדם, להבטיח את כל החלקים להתאים יחד בחוזקה. אם מארז שריר הלב אינו יכול להתאים סביב בריכת הדם, לבצע התאמות קטנות לפיסת עובש במקרה באמצעות כלי ליטוש סיבובי כף יד כדי להסיר חומר. אם יש צורך בהתאמה גדולה, ייתכן שיהיה צורך לערוך את קובץ ה- STL בתוכנת CAD וליצור הדפסה תלת-ממדית חדשה.
אזהרה: יש להשתמש בהגנה על העיניים בעת שימוש בכלי ליטבה סיבובי כף יד. שימוש בכלי ליטוש סיבובי על בריכת הדם או מארז שריר הלב יגרום לפלסטיק להינמס. יש להשתמש במשורה ובזהירות.
הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול בין כל השלבים לפני נקודה זו. - בצע אדי אצטון חלקים אם מארז שריר הלב הודפס בתלת-ממד באמצעות ABS, וגימור משטח סיליקון חלק יותר רצוי על-ידי ה- SME. אם גימור משטח חלק יותר אינו רצוי או נחוץ, דלג על תהליך החלקת האדים עם השפעה מינימלית לאנטומיה הסופית של הדגם.
זהירות: אצטון הוא נדיף ודליק. הקפידו להתמקם באזור מאוורר היטב הרחק מלהבות פתוחות או ניצוצות. בנוסף, אצטון יהיה להמיס פוליוויניל כלוריד (PVC) ופוליסטירן. אם נעשה שימוש במיכל פלסטיק, ודא שהוא אינו מכיל PVC או פוליסטירן.- מרפדים את החלק התחתון ואת הצדדים של מיכל שלא יושפעו מאצטון במגבות נייר. יוצקים את האצטון על מגבת הנייר התחתונה ומאפשרים לו לפזר את מגבות הנייר בצד המיכל אך לא ליצור בריכה בתחתית. כמות האצטון הדרושה תשתנה בהתאם לגודל המיכל המשמש; כאן, 30 מ"ל של אצטון שימש במיכל עם נפח בסיס של כ 400 cm3.
- מניחים חתיכת רדיד אלומיניום במיכל כדי לכסות את מגבת הנייר התחתונה. מניחים את חתיכות מארז שריר הלב על רדיד האלומיניום ומכוונים את חלקי שריר הלב כך שהפנים הרצויות להחלקתם אנכיות. ודא כי חתיכות שריר הלב אינם נוגעים זה בזה או מגבות נייר על הקיר של המיכל.
- מניחים מכסה על המיכל או הכיסוי בנייר אלומיניום ומאפשרים לחתיכות מארז שריר הלב להישאר ללא הפרעה במיכל עד להשגת כ -80% של גימור פני השטח הרצוי, לכל בדיקה חזותית. הזמן הדרוש להשלמת תהליך החלקת האדים ישתנה בהתאם לגודל המיכל ולכמות האצטון המשמשת. התחל לבדוק את חלקי מארז שריר הלב עבור גימור פני השטח הרצוי במרווחים של 15 דקות לאחר 30 דקות ראשוניות. עבור מחקר זה, החלקת אדים לקח 2 שעות עבור מבנה 150 מ"ל.
- לובש כפפות, בזהירות להסיר את חתיכות מקרה שריר הלב מן המיכל נוגע רק את המשטחים החיצוניים. אפשר לחתיכות להתפרק לחלוטין באזור מאוורר היטב למשך כ-30 דקות, או עד לקבלת תערובת חלקה, יבשה וקשה.
איור 5: אדים החליקו חלקי ארון שריר הלב. צילום של חתיכות מקרה שריר הלב של מקרה לב עם VSD לאחר אדי אצטון חלק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
4. יוצקים סיליקון
הערה: מזהמים מסוימים, כולל לטקס וגופרית, יכולים לעכב את ריפוי הסיליקון אם הם באים במגע. מומלץ לסקור את כל העלונים הטכניים לפני הניסיון להשתמש בסיליקון.
- להעריך את כמות סיליקון ריפוי פלטינה בשני חלקים שיהיה צורך ליצור את מודל שריר הלב; כמות הסיליקון הדרושה תשתנה בהתאם לגודל הדגם שנוצר. לחלופין, למדוד את נפח פילוח שריר הלב באמצעות תוכנת CAD כדי לקבוע את כמות הסיליקון הדרוש. ודא כי הסיליקון בעל התכונות הבאות: קשיות החוף של 2 A, חוזק מתיחה של 1,986 kPa, התארכות בהפסקה של 763%, התכווצות פחות מ 0.0254 מ"מ / מ"מ, צמיגות מעורבת של 18,000 cps, חיי סיר של 12 דקות, וזמן ריפוי של 40 דקות. מחקר זה דרש 300 מ"ל של סיליקון.
- ביסודיות להתסיס חלק A וחלק B של הסיליקון לפני לשפוך את הכמויות הדרושות, בפרופורציות הנכונות, לתוך ערבוב. אם יש צורך בצבע על הדגם, מוסיפים פיגמנט ומערבבים את כל החלקים והפיגמנט ביסודיות. במחקר זה, 150 מ"ל של חלק א' וחלק ב' היו מעורבים ונסערים ביד או עם מסית. צבע מוצר סיל-פיגמנט "דם" (ראה טבלה של חומרים) נוסף על ידי מקל מלאכה עד הצבע הרצוי הושג.
- מניחים את הסיליקון המעורב היטב לתוך תא ואקום ב 29 ב Hg במשך 2-3 דקות כדי דה גז. הסיליקון יתרחב במהלך תהליך הפחתת הגז לכפליים מנפחו, ודאו שלמיכל הערבוב יש מספיק מקום כדי לאפשר את ההתרחבות. פורקים ומסירים סיליקון ללא גזים מהתא ומטביעים את בריכת הדם בסיליקון כדי לכסות אותו ביסודיות, ומבטיחים שכל החללים והחללים בבריכת הדם מלאים בסיליקון.
- יש לרסס ביסודיות את כל חלקי המארז עם מוצר שחרור קל (ראה טבלת חומרים) באזור מאוורר היטב. להרכיב את החצי התחתון של מקרה שריר הלב סביב פסגת בריכת הדם. אם תפרים כלשהם בין חלקי מארז שריר הלב מאפשרים לסיליקון לדלוף החוצה, השתמש מלחציים או בחומר כגון דבק חם או חימר כדי לאטום את הדליפה על המשטח החיצוני של התבנית.
- יוצקים סיליקון לתוך הרווח שבין בריכת הדם לקיר המארז, ומאפשרים לסיליקון לזרום לכל הפערים. ממשיכים לשפוך סיליקון עד שהחתיכות המורכבות של תבנית שריר הלב מתמלאות בסיליקון.
- להרכיב את החלקים הנותרים של מארז שריר הלב, לאבטח את חתיכות המקרה בחוזקה באמצעות גומיות ומהדקים, לפי הצורך. יוצקים סיליקון במורד חור המילוי בחלק העליון של חתיכת מארז שריר הלב עד שכל חלל שריר הלב מתמלא בסיליקון.
- אפשר לסיליקון להגדיר כ - 40 דקות. הסר את לב הסיליקון ממארז שריר הלב וגזר את כל תפרי הסיליקון שנוצרו מהרווח שבין חלקי המארז או חור המילוי.
5. להמיס את בריכת הדם
- זהה את כל כלי הדם שאמורים להיות קצוות פתוחים על מודל הסיליקון לקצץ כל סיליקון שמכסה אותם כדי לחשוף את בריכת הדם ABS בפנים.
- שקועים בלב הסיליקון באמבט אצטון. ABS יתחיל לרכך 10-15 דקות לאחר טביעת אצטון; כפי שקורה, להסיר חתיכות גדולות של ABS עם פינצטה כדי להגביר את המהירות של תהליך המסת ABS.
- בצע שניים עד שלושה שטיפות אצטון נוספות / טבילה עם אצטון נקי כדי להסיר את כל ABS מן הסיליקון כאשר רוב בריכת הדם ABS נמס. הסר את דגם הלב מאמבט האצטון ואפשר לאצטלון הנותר להתאדות מהדגם באזור מאוורר היטב. הזמן הנדרש כדי להמיס את ABS באופן מלא יהיה תלוי בגודל של הדגם, כמות ABS הוסר באופן ידני, ואת כמות אצטון בשימוש.
איור 6: מודל לב סיליקון ספציפי למטופל עם VSD. תמונה של תצוגת משטח אפיארדית של דגם סיליקון מלא עם VSD. VSD אינו גלוי בשל מיקומו בתוך המבנה תוך-לב שריר הלב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Representative Results
נתוני הדמיה רדיולוגית ממטופל עם VSD נבחרו כדי ליצור מודל לב סיליקון מייצג. האנטומיה של המטופלים פולחו תוך שימוש בתוכנת פילוח CAD כדי ליצור מודל שריר הלב דיגיטלי ומודל מאגר דם דיגיטלי (איור 1). פילוח ידני של בריכת דם שריר הלב עם הפרוטוקול המוצג לוקח 1-3 שעות כדי להשלים. עם השלמת הפילוח, מודל שריר הלב נפתח בתוכנת CAD לעיבוד נוסף. המודל היה מיושר לתיבה תלת-ממדית שנעשתה בתוך התוכנית ולאחר מכן הופחת באמצעות פעולות בוליאניות. תהליך זה הותיר שלילי של מודל שריר הלב, יצירת עובש. תבנית שריר הלב הזו קוצצה לגודל מתאים יותר, נחתכה למקטעים ושונתה עם אביזרים ליישור החלקים (איור 2). יצירת התיק ארכה 2-6 שעות. כל חלקי תבנית שריר הלב ובריכת הדם נטענו בתוכנת חיתוך הדפסה בתלת-ממד, ו-G-Code נוצר להדפסה תלת-ממדית ב-ABS (איור 3). ניתן לראות את החלקים המודפסים בתלת-ממד עם חומר תמיכה שהוסר באיור 4. חלקי מארז שריר הלב הוחלקו כדי לשפר את גימור פני השטח של הדגם (איור 5). עם השלמת תהליך החלקת האדים, התבנית הורכבה סביב דגם בריכת הדם, וסיליקון נשפך. ההרכבה ומזגת הסיליקון ארכו שעה. לאחר סט הסיליקון, מודל הלב הוסר ממארז שריר הלב ושקוע באצטון כדי להמיס את בריכת הדם. לאחר כעשרים וארבע שעות של השריה, בריכת הדם נמסה. שטיפת אצטון סופית בוצעה, והדגם הורשה להתייבש לחלוטין. ניתן לראות את מודל הלב של הסיליקון שהושלם באיור 6. כדי להעריך את הדיוק והפונקציונליות של מודל הסיליקון, נעשה חנק על ידי CHD (מום מולד בלב) מומחה כדי לאפשר את האנטומיה הפנימית להיות נצפתה. VSD הצפוי היה נוכח, ותיקון GORE-TEX נתפר על המודל על ידי מנתח הלב מולד כדי לתקן את VSD (איור 7). במודל סיליקון שהושלם בהצלחה, כל האנטומיה והפגמים של המטופלים יהיו נוכחים הן חיצונית והן פנימית. סיכום של הפרוטוקול ניתן לראות בקובץ משלים 1.
איור 7: תיקון GORE-TEX שנתפר במודל לב סיליקון עם VSD. תמונה של (A) השקפתו של מנתח על מודל לב סיליקון ספציפי למטופל עם VSD ו -(B) מבט של מנתח על VSD בדגם סגור עם תיקון GORE-TEX. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ משלים 1: סכמטי של פרוטוקול ייצור לב סיליקון. איור סכמטי של הפרוטוקול בייצור של מודל לב סיליקון ספציפי למטופל. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 2: סיכום של שלבים קריטיים ותוצאות שליליות פוטנציאליות. סיכום הצעדים הקריטיים בהתפתחות מודל לב סיליקון ספציפי למטופל ואת התוצאות השליליות הפוטנציאליות שיכולות לגרום אם הצעדים אינם מתבצעים כראוי. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Discussion
עם השלמת הפרוטוקול, מודל לב סיליקון ספציפי למטופל להכנה כירורגית צריך לגרום. עם זאת, ישנם מספר שלבים קריטיים שיש להשלים כראוי כדי שזה יושג. סיכום של השלבים הקריטיים בפרוטוקול ניתן לראות בקובץ המשלים 2, כמו גם תוצאות פוטנציאליות אם השלבים אינם מבוצעים כראוי. הצעד הקריטי הראשון כרוך בפילוח נתוני ההדמיה הרדיולוגית של המטופל. שלב זה דורש רכישה של ערכת נתונים של הדמיה תלת-ממדית אבחנתית. כלי מודל בתכנון טרום ניתוחי או חינוך תלוי באיכות ערכת הנתונים התלת-ממדית. מומלץ להשתמש בערכת תמונות שנאספה בגודל פרוסה בין 0.625 מ"מ ל-2.6 מ"מ כדי להבטיח שסט הנתונים יהיה ברזולוציה נאותה לייצור דגמים. עם זאת, כל פרמטרי ההדמיה צריכים להיקבע על ידי מומחה קליני ברדיולוגיה, כאשר הטיפול בחולים הוא בראש סדר העדיפויות. יש לציין כי ייתכן שניתן יהיה להפיק דגם מערכת תמונות שנאספו עם גודל פרוסה מחוץ לערכים המומלצים, אך רזולוציית הדגם ואיכותו יושפעו לרעה. לאחר קבלת תמונות, אם הפילוח אינו מבוצע כראוי, הוא בדרך כלל לא מתממש עד הדגם הסופי מיוצר לחתוך, וכתוצאה מכך אובדן זמן וחומרים. כדי למנוע תוצאה שלילית זו, מומלץ כי מומחה לנושא לסקור את הקבצים המפולחים לפני יצירת התבניות הדיגיטליות לבקרת איכות. השלב הקריטי הבא מתרחש במהלך יצירת התבניות הדיגיטליות. חשוב לוודא כי במקרה שריר הלב יוכל להיות מורכב סביב מודל בריכת הדם. אם המקרה לא נסגר סביב בריכת הדם, לא ניתן להשתמש בו כדי ליצור את מודל הסיליקון כמו סיליקון unset ידלוף ללא הרף החוצה, האנטומיה יכולה להיות מעוותת. כלי ליטוש סיבובי כף יד יכול לשמש כדי להסיר קלות חתיכות של עובש שריר הלב רק אם יש צורך בהתאמות קטנות. אם יש צורך בהתאמות גדולות, יהיה צורך לשנות את התבנית הדיגיטלית ולהדפיס מארז מעודכן. השלב הקריטי האחרון הוא שפיכת הסיליקון. הקפדה על הוראות חומריות היא הכרחית בעת השימוש בסיליקון, שכן כישלון לעשות זאת עלול לגרום סיליקון מרפא עם משטח דביק. אם המשטח נחשב דביק מדי לשימוש על ידי SME, ייתכן שיהיה צורך להדפיס מחדש את בריכת הדם אם לא ניתן להסיר אותה בהצלחה מהסיליקון. הסיליקון יצטרך להיות שפך מחדש, וכתוצאה מכך אובדן זמן וחומרים. אם נעשה שימוש בסיליקון לא מספיק או שהסיליקון דולף מתוך תבנית המארז שריר הלב במהלך תהליך ההגדרה, המודל המתקבל לא יהיה שלם. כישלון זה ניתן לתקן על ידי ערבוב ושופכת סיליקון נוסף לתוך התבנית. חומר כגון דבק חם או חימר יכול לשמש כדי לאטום את התפרים של עובש מקרה שריר הלב אם כמות קטנה של סיליקון נראה דולף דרך במהלך תהליך הריפוי.
שיטה זו של יצירת מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל ניתן לשנות כדי לאפשר יצירת מודל של כל מבנה אנטומי רך עם חולי ספציפי או מורכב גיאומטריה פנימית וחיצינית. בהנחה שאנטומיה היעד מפולחת כראוי, ניתן לעקוב אחר השלבים הנותרים של הפרוטוקול בשינוי מינימלי. אמנם לא המוקד של העבודה הנוכחית, הפרוטוקול הוחל על פרנשימה בכבד בהצלחה דומה. ניתן גם לשנות את חומר ההדפסה בתלת-ממד המנוצל. ABS ו PLA מומלצים לשימוש בשל העלות הנמוכה שלהם, אבל כל חומר הדפסה 3D מומס יכול לתפוס את המקום של ABS, וכל חומר הדפסה 3D רצוי יכול לתפוס את המקום של PLA עם מינימום או ללא שינוי לפרוטוקול. יש לעקוב אחר כל פרמטרי ההדפסה שצוינו על-ידי יצרן הסיבים בעת שימוש בחומרי הדפסה אחרים. שיטה זו יכולה להשתנות עוד יותר על ידי שימוש בסיליקון אחר. הסיליקון המומלץ לשימוש בפרוטוקול זה יש קשיות החוף של 2 A, אבל אם ערך קשיות החוף אחר רצוי, סיליקון אחר ניתן להחליף עם מינימום או ללא שינוי בפרוטוקול. הקפד לדבוק בכל מפרטי הייצור והנהלים בעת שימוש במוצר סיליקון אחר.
בעוד פרוטוקול זה מתאר הליך מידול לב משופר, זה לא ללא מגבלות. המגבלה העיקרית של פרוטוקול זה היא כי בעוד סיליקון תרופה פלטינה מנוצל קרוב יותר קשיות של רקמת לב מאשר חומרים זמינים אחרים, קשיות היא לא הנכס היחיד שממלא תפקיד במיומנות מוטורית עדינה של אימון כירורגי. בפרט, רקמת לב אמיתית תפגין פריכות או קרע תחת כוח. הסיליקון המנוצל הוא אלסטי מאוד, עם התארכות בהפסקה של 763% וכוח מתיחה של 1,986 kPa19. רקמת לב חזירית, אשר הוא האמין להיות ייצוג מדויק של רקמת הלב האנושית, יש התארכות בהפסקה של 28-66% וכוח מתיחה של 40-59 kPa26. הבדל זה מציג בעיה, כמו עמיתים כירורגי לב עשויים לבצע ניתוח בפועל על לב מודל סיליקון ולקבל תחושה כוזבת של ביטחון כי המודל יכול לעמוד בכוחות כי רקמת לב אמיתית לא יכול. למתודולוגיה זו יש גם פוטנציאל להיות מוגבל על ידי מודל לב עם גיאומטריה מורכבת מאוד. ככל שהמורכבות האנטומית של המודל גדלה, הפרוטוקול יכול לפצות על ידי הגדלת מספר החלקים בתבנית שריר הלב. בעיקרו של דבר, דגמים מורכבים יותר ויותר ידרשו עיצובי עובש מורכבים יותר ויותר וזמן תכנון מוגבר.
תהליך יצירת המודל המתואר בפרוטוקול זה עדיף על רבות מהחלופות הזמינות האחרות בשל יכולתו ליצור מחדש העתקים אנטומיים מדויקים בעלות נמוכה של אנטומיה שנתקלה בה בניתוח. רקמת קדאוורית ובעלי חיים אכן מאפשרת סימולציות אמינות גבוהות, אך יש להן עלות גבוהה בהרבה והן דורשות נעשה שימוש ותחזוקה של מערכות מעבדה ספציפיות2,6. יתר על כן, מודלים קדוויים ורקמות בעלי חיים יש חששות אתיים, אינם ספציפיים למטופל, ו CHD מורכב לעתים קרובות חייב להיות מיוצר באופן ידני על ידי מנתח או מדריך, לעתים קרובות מוביל אי דיוקים או נזק לרקמות ואיברים שמסביב. טכניקת דוגמנות פוטנציאלית נוספת כוללת שימוש במציאות מדומה. מציאות מדומה מאפשרת שכפול דיגיטלי של מודלים לב ספציפיים למטופל, המהווה כלי יעיל לביסוס ייצוגים מנטליים מדויקים של אנטומיה של מטופל ותוכניות כירורגיות. בנוסף, כמה מערכות VR אפשרו סימולציות בסיסיות עם שילוב של משוב הפטי. עם זאת, המשוב הפטי הזמין חסר את הריאליזם הדרוש כדי לשכפל את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים להליכים כירורגיים מולדים בלב4. הדפסה בתלת-ממד היא שיטה זמינה נוספת לייצור מודלים לבביים ספציפיים למטופל2,24. עם זאת, היישום הנרחב של מדפסות תלת-ממד בעלות אמינות גבוהה המסוגלות לייצר דגמים רכים מרובי חומרים מעוכבים על ידי עלותם הגבוהה ביותר11,14,15. מדפסות תלת-ממד בעלות נמוכה זמינות אך יכולות להדפיס רק בחומרים מוצקים בהרבה משריר הלב האמיתי. כאשר אחד החומרים הזמינים הרכים ביותר עבור מדפסת 3D שימש ליצירת מודל על ידי Scanlan ואח ', הדגם נמצא מוצק יותר מאשר רקמת לב אמיתית17. החומר המתואר היה קשיות החוף בין 26 A ו 28 A, נותן לו מרקם דומה גומייה. סיליקון פלטינה נרפא בשימוש בפרוטוקול זה יש קשיות החוף של 2 A, נותן לו מרקם דומה לתוספת נעל ג'ל הרבה יותר קרוב קשיות של רקמות לב אמיתיות, שהוא 43 0020 או ~0 A. Hoashi ואח '. גם השתמש בשיטה דומה לזו המתוארת בפרוטוקול זה כדי לפתח מודל לב מודפס תלת-ממדי גמיש. שתי תבניות, המייצגות את הגיאומטריה הפנימית והחיצונית של שריר הלב, הודפסו בתלת-ממד תוך שימוש במדפסת SLA ואחריה ואקום מטיל שרף פוליאוריטן דמוי גומי. בעוד שיטה זו אכן ייצרה מודל לב רך, עלות הייצור המוצעת של שיטה זו לדגם הייתה 2,000 עד 3,000 דולר22. לשם השוואה, העלות החומרית הכוללת של השיטה המתוארת בפרוטוקול המוצג היא פחות מ- 10 USD. לבסוף, שיטה דומה שימשה גם את רוסו ואח '. כדי ליצור מודלים סיליקון של שסתום אבי העורקים ו אבי העורקים הפרוקסימלי לתרגול פרוצדורלי. בעוד רוסו ואח '. השיטה מתמקדת במטרה דומה, התהליך המוצג שלהם שמטרתו לשכפל אנטומיה פשוטה בהרבה של אב העורקים או שסתומי אבי העורקים. הפרוטוקול המוצג כאן מבדיל את עצמו על ידי התמקדות באנטומיות פנים-לביות ומשאבי הלב שהן קטנות יותר, מורכבות יותר, ויהיה קשה מאוד לשכפל בהינתן מתודולוגיות היסטוריות. למרות הבדל זה, המודלים שנוצרו על ידי רוסו ואח '. היו שימושיים מאוד לסימולציה והכשרה בניתוחי לב על ידי מנתחי לב שנסקרו23. בעיקרו של דבר, השיטה המתוארת בפרוטוקול זה מאפשרת יצירה בעלות נמוכה של מודלים לב מולדים מורכבים, ספציפיים למטופל עם פגמים ומאפיינים חומריים המיוצגים במדויק דומים יותר לרקמת לב אמיתית מאשר שיטות מידול אחרות1,16המאפשרת ניתוח מודלים בנאמנות הפטי מציאותית.,
במבט קדימה, מתודולוגיה זו יכולה להיות מיושמת על היווצרות מודל של כל אנטומיה של מטופל עם תכונות פנימיות וחיצוניים מורכבות. פיתוח חומר חלופי לבריכת דם שניתן להסירו מתוך מודל הסיליקון באופן פחות הרסני או לייצר אותו בשיטה פחות גוזלת זמן, יהפוך את התהליך ליותר זמן וחסכוני. כתוצאה מכך, בריכת דם חדשה לא היה צריך להיות משוחזר עבור כל תהליך דפוס עוקב, מה שמוביל המדרגיות של האימון הקשור. ניתן גם לשפר את המאפיינים הפיזיים של הסיליקון המשמש ליצירת המודל. סיליקון עם פחות התארכות בהפסקה יגדיל את הריאליזם של המודל ויעזור לשפר את ערכו ככלי חינוכי עבור עמיתים כירורגיים לב מנסים ללמוד את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים לביצוע הליכים מורכבים אלה. קבוצה של חומרים הנמצאים כיום בשוק הראויים להתחשבות בסיוע בפתרון זה הם חומרי זכוכית מדומים מסיליקון25. חומרי סיליקון אלה מדגימים הרבה פחות התארכות בהפסקה המובילה ליישום "ניפוץ" ברור על יישום כוח באופן דומה לזכוכית. אפנון סיליקון תרופת הפלטינה המשמש בפרוטוקול זה עם תוספות של חומר זכוכית מדומה סיליקון זה עשוי לאפשר שליטה במאפייני friability של המודל תוך שמירה על קשיות החוף המתאימה, שיפור הנאמנות ההפטית הכוללת. לבסוף, הרזולוציה של האנטומיה פרוטוקול זה יכול לייצר מוגבלת על ידי הרזולוציה של מדפסת 3D המשמשת ליצירת התבניות. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להשתפר, הרזולוציה של האנטומיה שניתן ליצור עם פרוטוקול זה צריכה גם היא להשתפר.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים רוצים להכיר OSF HealthCare על הפיכת מחקר זה לאפשרי, כמו גם ד"ר מארק פלאנקט על הידע הפרוצדורלי שלו ויישום של מיומנויות למוצר הסופי שלנו.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.75 mm ABS filament | Matter Hacker | matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG- | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 1.75 mm PLA filament | Matter Hacker | https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 8220 12VMax High-Performance Cordless | Dremel | https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless | Cordless for easier access to small features in model |
| Acetone | Sunnyside | https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5 | Bulk |
| Dragon Skin Fx-Pro | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro | Industry-standard, characterized skin-safe |
| Ease Release 200 | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 | Coating to ensure easy removal of silicone from mold |
| GORE- TEX patch | GORE | https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch | Cardiovascular patch |
| ideaMaker | Raise 3D | https://www.raise3d.com/download/ | Included G-code CAD software for Raise 3D printers |
| Magics | Materilise | https://www.materialise.com/en/software/magics | Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces |
| Mimics | Materilise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics | Feature-rich segmentation software |
| Patient DICOM data | - | - | DICOM data will typically come from a patient CT or MRI |
| Pro2 Plus | Raise 3D | https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/ | Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer |
| PRO2-100 Industrial Glue Gun | Surebonder | https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks | Industrial-quality hot glue gun |
| Silc Pig | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments | Pigment for adding color to silicone |
| Vacuum Chamber | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber | Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone |
References
- Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
- Hussein, N., et al. Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).
- Wilson, H. K., Feins, R. H. Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , Springer, Cham. 263-274 (2019).
- Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).
- Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).
- Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).
- Velasco Forte, M. N., et al. Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD. Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).
- Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review. Heart. 106, 1631-1637 (2020).
- Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study. BMC Medical Education. 18 (178), (2018).
- Farooqi, K. M., Mahmood, F. Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).
- Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study. Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).
- Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
- Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).
- Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
- Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. Affordable three-dimensional printed heart models. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498 (2021).
- Lau, I., et al. Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).
- Scanlan, A. B., et al. Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves. Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).
- Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
- Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
- Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials. Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).
- Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).
- Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964 (2017).
- Hoashi, T., et al. Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).
- Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15 (2018).
- Russo, M., et al. Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).
- Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E.
- Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
- Riedle, H., Molz, P., Franke, J. Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models. IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).
