Summary
Hastaya özel modeller, cerrahi planlar geliştirirken veya öğrenirken cerrah ve arkadaş güvenini geliştirir. Üç boyutlu (3D) yazıcılar cerrahi hazırlık için yeterli ayrıntı üretir, ancak doku dokunsal doğruluğunu çoğaltamaz. Hastaya özgü, silikon kardiyak modellerin oluşturulmasını detaylandıran, 3D baskı hassasiyetini simüle edilmiş silikon doku ile birleştiren bir protokol sunulmaktadır.
Abstract
Üç boyutlu modeller, karmaşık vakaları öğrenirken cerrahi planlar ve tıp adamları geliştirdikleri için cerrahlar için değerli bir araç olabilir. Özellikle 3D modeller, karmaşık doğumsal kalp hastalıklarının ortaya çıktığı kardiyoloji alanında önemli bir rol oynayabilir. Birçok 3D yazıcı anatomik olarak doğru ve ayrıntılı modeller sağlayabilirken, mevcut 3D baskı malzemeleri miyokard dokusu özelliklerini çoğaltamaz ve son derece maliyetli olabilir. Bu protokol, kalp kası özelliklerine daha yakından uyan düşük maliyetli bir silikon kullanarak hastaya özgü karmaşık konjenital kalp defektleri modellerinin oluşturulması için bir süreç geliştirmeyi amaçlamaktadır. Geliştirilmiş model doğruluğu ile, gerçek cerrahi prosedür eğitimi prosedürden önce gerçekleşebilir. Kardiyak modellerin başarılı bir şekilde oluşturulması, sanal bir kan havuzu (kalbin odalarını dolduran kan) ve miyokard doku kalıbı oluşturmak için radyolojik görüntülerin segmentasyonu ile başlar. Kan havuzu ve miyokard kalıbı, aseton içinde çözünebilen bir plastik olan akriloitril butadien stiren (ABS) ile basılmış 3D'dir. Kalıp kan havuzunun etrafına monte edilir ve miyokardı simüle eden negatif bir alan oluşturur. 2A kıyı sertliğine sahip silikon negatif alana dökülür ve tedavisine izin verilir. Miyokard kalıbı çıkarılır ve kalan silikon/kan havuzu modeli aseton içine batırılır. Açıklanan süreç, kardiyak defektler de dahil olmak üzere tüm kardiyak özelliklerin daha gerçekçi doku özellikleriyle temsil edildiği ve doğrudan 3D baskı yaklaşımından daha yakın olduğu fiziksel bir modelle sonuçlanır. Ventrikül septal defekt (VSD) olan bir modelin GORE-TEX yaması (kusur için standart cerrahi müdahale) kullanılarak başarılı bir şekilde düzeltilmesi yöntemin yararını göstermektedir.
Introduction
Amerika Birleşik Devletleri'nde her 100 çocuktan yaklaşık 1'i doğuştan kalp defektleri (CHD) ile doğar. CHD'li annelerin CHD'li çocuk sahibi olma eğilimi nedeniyle, bu oranın önümüzdeki yedi nesilde iki katından fazla olabileceği beklentisi var1. Her CHD karmaşık veya şiddetli olarak kabul edilmemese de, genel büyüme beklentisi, CHD tedavisini ele alabilecek teknoloji ve prosedürleri geliştirmek için motivasyon olduğunu göstermektedir. Teknoloji geliştikçe, kalp cerrahları genellikle daha karmaşık prosedürlerle başa çıkma isteğini dile getirmektedir. Bu isteklilik, karmaşık kardiyak prosedürlerin artmasına yol açarak cerrahi planlama ve eğitimin daha ileri tekniklerine olan ihtiyacı artırmıştır. Buna karşılık, bu, kalp cerrahlarını son derece doğru, hastaya özgü modellere ve kalp cerrahisi arkadaşlarına son derece etkili eğitim yöntemlerine ihtiyaç duyar.
Konjenital kalp cerrahisi, hastaların küçüklüğü, kardiyak anormalliklerin karmaşıklığı ve bazı anormalliklerin nadirliği nedeniyle teknik olarak en zorlu cerrahi disiplinlerden biridir2. En uç durumlarda, bir çocuk tek bir ventrikül ile doğabilir. Cerrahın 2.0 mm çapında bir damar alması ve sabit perikard ile yamalayarak bu hayat kurtaran prosedürde yenidoğanın büyümesine izin olan 1.0 cm'lik bir damar oluşturması nadir değildir - hepsi saat altındayken, yenidoğan tamamen dolaşım durmasında olduğu için. Normal dört odalı kalp ve bu aşırı örnekler arasında, son derece karmaşık 3D bulmacalar oluşturan oda büyüklüğü ve valf konumlarının sayısız olasılığı vardır. Konjenital kardiyak ekibin rolü, benzersiz anatomiyi açıkça tanımlamak ve organik dokuyu bir çocuğun normal bir yaşamda en iyi şansla büyümesini sağlayacak işlevsel bir kalbe yeniden yapılandırmak için bir plan geliştirmektir. Doğru modeller, hataların affedilebileceği ve hasta zararına yol açacağı bir ortamda kasıtlı cerrahi uygulamaya ve tekrara izin verir3,4. Bu eğitim, gelişmiş cerrahi uzmanlığın yanı sıra teknik ve muhakeme becerilerinin geliştirilmesine yol açar. Bununla birlikte, sınırlı kaynaklar ve bazı kardiyak durumların nadirliği, istenen tekrarlama ve görselleştirme seviyesine ulaşmayı neredeyse imkansız hale getirebilir. Bu kaynak eksikliğinin hesaplanmasına yardımcı olmak için, eğitim için simülasyonların kullanımında bir artış olmuştur2,3. Yaygın olarak kullanılan simülasyon veya modelleme teknikleri arasında insan kadavraları, hayvan dokuları, sanal gerçeklik modelleri (VR) ve 3D baskılı modeller bulunur.
Kadavra dokusu tarihsel olarak cerrahi simülasyon için altın standart olarak kabul edilmiştir, hayvan dokusu yakın bir saniye ile. Kadavralar ve hayvan dokuları, ilgi çekici anatomik yapıyı, tüm çevre dokuları içerdikleri ve kan akışını simüle etmek için perfüzyon tekniklerine izin verdikleri için yüksek doğruluk simülasyonları üretebilirler4. Doku modellerinin faydalarına rağmen, dezavantajları vardır. Mumyalanmış doku deneyimleri mekanik uyumu azaltarak bazı operasyonları gerçekçi ve gerçekleştirilmesi zor hale getirir. Dokular sürekli bakım gerektirir, belirli tesisler, yeniden kullanılamaz2, elde edilmesi maliyetli olabilir3 ve tarihsel olarak etik kaygılara konu olmuştur. En önemlisi, doğumsal kardiyak durumlar kadavra örneklerinde mevcut değildir.
VR ve 3D baskılı modeller5,6,7,8,9,10, ameliyat öncesi planların oluşturulmasına yardımcı olmak için kardiyak eğitim, simülasyon ve modelleme için başka bir seçenek sağlar. Bu modeller, bir kullanıcının 2D görüntüleri 3D yapı olarak enterpolasyonlamak için çeşitli visuo-uzamsal yeteneği ile ilişkili belirsizliği azaltır10,11. Sanal ortam, manipüle edilebilen ve modellerle etkileşime girebilen cerrahi araçlar içerebilir, bu da cerrahların ve arkadaşların el-göz koordinasyonu, ince motor becerileri ve bazı prosedürlere aşinalık geliştirmelerine olanak tanır4. Kaynaşmış biriktirme modellemesi (FDM), stereolitografi (SLA), seçici lazer sinterleme (SLS) ve polijet dahil olmak üzere mevcut popüler 3D baskı teknolojilerinin milimetre altı hassasiyete sahip modeller ürettiği bulunmuştur13. Hem VR hem de 3D baskılı modeller yeniden kullanılabilir ve son derece ayrıntılı olabilir; modeller hasta radyolojik görüntüleme verilerinden bile oluşturulabilir ve bu da hasta anatomisinin kopyaları ile sonuçlanır. Vr veya 3D baskılı modellerin birçok faydasına rağmen, doğumsal kalp ameliyatının maliyeti ve dokunsal sadakat gereksinimleri göz önüne alındığında yetersiz kalırlar. Bir VR ortamının kurulumunun yüksek bir maliyeti vardır ve VR ortamları gerçek dünyada dokunsal geri bildirim sağlayamaz. Dokunsal sadakat teknolojisi gelişirken, mevcut boşluk bir öğrencinin prosedürleri gerçekleştirmek için gerekli ince motor becerilerine aşina olmasını engeller4. Benzer şekilde, kullanılan 3D baskı teknolojisinin türüne bağlı olarak, yazıcı satın alma fiyatı ve baskı malzemesi maliyeti 11,14 olarak kabul edilmesi gerektiğinden, 3D baskı maliyeti oldukça yüksek olabilir. Gerçekçi dokunsal geri bildirime sahip tek bir yüksek kaliteli kardiyak model, üst düzey bir yazıcı kullanılarak üretilebilir, ancak 100.000 USD15'in üzerinde bir yazıcı satın alma fiyatıyla sadece malzemede yüzlerce dolara mal olacaktır. 26-28 A kıyı sertliğine sahip bir filament kullanılarak üretilen bir kardiyak modelin model başına yaklaşık 220 USD'ye mal olduğu bulunmuştur16. Alternatif olarak, yazıcı satın alma fiyatı 5.000 USD'den az olan birçok düşük maliyetli 3D yazıcı ve teknoloji mevcuttur. Düşük maliyetli bir FDM yazıcıda üretilen bir kardiyak modelin ortalama malzeme fiyatlarının 82 A kıyı sertliğine sahip bir malzeme kullanılarak yaklaşık 3,80 USD ve kıyı sertliği 95 A15,16 olan bir malzeme kullanılarak 35 USD olduğu tespit edildi. Bu makineler düşük maliyetli bir çözüm sunarken, dokunsal sadakat pahasına gelir.
VR ve 3D baskı, bir kardiyak durumun ayrıntılı görsel ve kavramsal olarak değerlendirilmesine izin verebilirken, uygulamalı cerrahi simülasyon için bir model üretmekle ilişkili yüksek fiyat genellikle önemli bir engeldir. Bir çözüm, fiziksel ve dokusal olarak doğru bir kardiyak model oluşturmak için silikon kullanımıdır. Hastaya özgü silikon modelleri, cerrahların bir hasta için minimum risk içeren ve işlem başarısız olursa hiçbir sonucu olmayan bir ortamda gerçekçi dokunsal geri bildirim yaşarken bir prosedürü görmelerine, hissetmelerine ve hatta uygulamalarına izin vererek benzersiz anatominin daha derin bir şekilde anlaşılmasını kolaylaştırabilir9. Silikon kalıplamanın, düşük maliyetli 3D baskıdan üretilen modellere göre gerçek dokuya önemli ölçüde daha yakın fiziksel özelliklere sahip modeller üreten insan anatomisini modellemek için etkili bir yöntem olduğu gösterilmiştir17. Scanlan ve ark., gerçek dokuya benzerliği değerlendirmek için düşük maliyetli 3D baskılı silikon kalıplı kardiyak kapakların özelliklerini karşılaştırdı; çalışma, silikon vanaların fiziksel özelliklerinin gerçek dokunun tam bir kopyası olmasa da, özelliklerin 3D baskılı valflerden çok daha üstün olduğunu buldu17. Çalışmada kullanılan 3D baskı malzemesi, düşük maliyetli 3D yazıcılar için mevcut en yumuşak malzemeler arasındadır ve 26 ila 28 A18 arasında bir kıyı sertliğine sahiptir. Aşağıdaki protokolde kullanılması önerilen platin kür silikon, kalp dokusunun kıyı sertliğine çok daha yakın olan 2 A, 00 ölçeğinde 43 veya yaklaşık 0 A19,20 kıyı sertliğine sahiptir. Bu fark önemlidir, çünkü silikon modeller doğrudan 3D baskılı malzemelerin elde edemediği yüksek kaliteli ince motor beceri eğitimsine izin verir. Bu protokolde önerilen modelin toplam malzeme maliyeti 10 USD'den azdır. Önerilen silikon modeller, gerçekçi dokunsal geri bildirim için gerekli yumuşak doku özelliklerini düşük maliyetli 3D baskılı modellerin çok yönlülüğü ve hassasiyeti ile birleştirir.
Silikonun faydaları onu model oluşturma için bariz bir seçim haline getirirken, silikon kullanımı kalıplanabilen anatomi ile kısıtlanmıştır. Taze karıştırılmış silikon, iyileştirirken istenen şekilde tutmak için kalıp gerektiren bir sıvıdır. Tarihsel olarak, silikon kardiyak kalıplar sadece modelin dış yüzeyinin ayrıntılarını içerebilir. Tüm kan havuzu bölgesi de dahil olmak üzere kalp içi detaylar silikonla doldurulur ve kaybolurdu. Önceki çalışmalar, kalp içinde belirli ilgi alanlarının silikon modellerine ulaşmıştır (örneğin, aort kökü21) veya miyokard dokusunu simüle etmek için ekstrapolör bir yöntem kullanmıştır22. Bu protokol, silikon malzeme kullanımını yüksek çözünürlüklü anatomik, tam miyokard simülasyonu ile birleştirmeyi amaçlarken yenidir - özellikle herhangi bir tahmin yönteminden kaçınmaktadır. Bilgimize göre, hiçbir açıklayıcı makale bu yönleri birleştiren bir metodoloji sağlamamıştır. Bu protokolde açıklanan yöntem, cerrahi preoperatif uygulama için yeterince doğru olan kalp içi anatomik replikasyon ile hastaya özgü bir kardiyak model elde etme tekniğini tanıtır. Yöntem, silikonu iyileştirdiği gibi uygun şekilde tutmak için bir miyokard kalıbının oluşturulmasını ve modelin iç, kardiyak ayrıntılarını korumak ve silikonun kalbin kan havuzu bölgesini doldurmasını önlemek için bir iç kalıp oluşturulmasını içerir. İç kalıp daha sonra çözülmeli ve dış ve iç yüzeylerde hastaya özgü anatomiye sahip tüm silikon kardiyak model bırakılmalıdır. Burada önerilen kardiyak model oluşturma protokolü olmadan, miyokardın gerçek doku özelliklerini taklit eden bir malzeme ile cerrahi prosedürü simüle etmek için düşük maliyetli bir çözüm yoktur.
Protocol
Protokol, herhangi bir hasta bilgisinin doğru şekilde ele alınması ve hastaya özel verilerin kullanılması için gerekli onayların güvenceye alınması da dahil olmak üzere yazar kurumunun en iyi etik uygulamalarına karşılık gelen bir şekilde tamamlanmıştır. Kullanıldığında, bu tür veriler hastanın özel sağlık bilgilerinin korunmasını sağlamak için anonimleştirildi.
NOT: Aşağıdaki protokol, çeşitli adımları gerçekleştirebilecek birçok farklı program olduğundan, yazılım nötr bir şekilde yazılmıştır. Bu özel durumda, segmentasyon için Materialise Mimics Medical 24.0 ve segmente edilmiş modellerin ve vakaların 3D manipülasyonu ve oluşturulması için Materialise Magics kullanılmıştır. Bu programlar için özel talimatlar, genelleştirilmiş yaklaşıma ek olarak eklenecektir.
1. Segment hasta anatomisi
- Kobİ başına, yeterli çözünürlük için bir 3D protokol kullanılarak elde edilen, tipik olarak bir BT veya MRI olan bir hasta radyolojik görüntüleme veri kümesi elde edin. Veri kümesini bilgisayar destekli tasarım (CAD) segmentasyon yazılımında açın23.
- Uygun görüntü alımı için kurumun radyoloji protokollerine bakın (her hasta farklı hususlar gerektirdiğinden, belirli bir kılavuz sağlamak zordur). Ama temsili bir örnek olarak, bunlar daha önce belgelenmiş bir 3D model durumunda kullandığımız ayarlardır: CT 3D protokolü parametreleri önerir: eksenel modda dilim tarayıcı, 0,625 mm'lik dilimler arasındaki dilim kalınlığı ve boşluk, 70'lik Kv, 201-227 Akıllı mA aralığı (akıllı MA modu 226), 0,28 ms MRI 3D protokolü önerilen parametrelerde dönüş hızı: eksenel modda dilim tarayıcı, dilim kalınlığı ve 0,625 mm'lik dilimler arasındaki boşluk.
- Veri kümesine uygun ve özel değerlere ayarlanmış üst ve alt sınırlara sahip bir Hounsfield birimi (HU) eşik aracı kullanarak miyokard dokusunun ilk segmentasyonunu oluşturun. Anatomiyi doğru bir şekilde yakalamak için seçimi gerektiği gibi iyileştirin. Aşağıdaki özelliklere sahip araçların kullanılması önerilir: kırpma, ekleme ve çıkarma, bölge büyütme, çok dilimli düzenleme ve boşluk dolgusu. Mimics'te, Proje Yöneticisi alanını sağ tıklatın ve Yeni Maske'yi seçin. Oluşturulan diyalog kutusundaki maskeyi, önceden ayarlanmış anatomik pencerelerle, tam HU ölçümleriyle veya istenen anatomi alet tarafından maskelenene kadar sağlanan aracı kaydırarak ayarlayın.
- Kan havuzunun bir segmentasyonunu oluşturun. Bunu gerçekleştirmek için 1.2 adımında açıklanan adımları izleyin. Mimics'te, kan havuzunu yakalamak için önceden ayarlanmış 226 ila 3071 anatomik HU penceresini kullanın.
- Oluşturulan model hasta bakımında kullanılmak üzere tasarlanmışsa, tüm anatomik özelliklerin ve kusurların doğru bir şekilde segmentlere ayrıştırılmasını ve tam modelde bulunmasını sağlamak için bir sonraki adıma geçmeden önce bir kardiyolog, radyolog veya diğer konu uzmanının (Kobİ) sanal model segmentasyonlarını gözden geçirmesine izin verin.
- Miyokard segmentasyonu etrafındaki boş alanda bir boşluk doldurma aracı kullanarak miyokard segmentasyonunu tersine çevirerek ve bir Boolean çıkarma aracı kullanarak ters miyokarddan kan havuzu segmentasyonunu çıkararak bir miyokard vaka modeli oluşturun. Bunu gerçekleştirmek için bir boşluk doldurma aracı, bir Boolean aracı ve daha önce oluşturulan miyokard ve kan havuzu segmentasyonlarının kullanılması önerilir. Mimiklerde, Boşluk Dolgu > Miyokard maskesinin etrafındaki boşlukları gösterir. Ardından, Boole aracını kullanın ve sağlanan diyaloğu miyokard maskesinden kan havuzu maskesini eksi'ye doldurun.
Şekil 1: Cad segmentasyon yazılımında kardiyak segmentasyon. (A) Ham hasta görüntü verileri ile CAD segmentasyon yazılımında kardiyak segmentasyon. (B) Kan havuzu modelinin 3D render ile segmentasyon. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- Son kan havuzunun ve miyokard vaka segmentasyonlarının 3D işlemesini görüntüleyin. Kobİ önerisi ve onayına göre, hedef anatominin değerlendirilmesi, anlaşılması veya onarılması için gerekli olmayan kan damarlarını 3D kan havuzu modelinden çıkarın. Mimics'te, görüntüleme penceresinin yanındaki seçeneklerde 3B Önizleme'yi seçin (varsayılan olarak dört bölmeli varsayılan görünümün sağ alt görünümüne göre). Proje Yöneticisi'nde ilgilendiğiniz maskeyi seçin. Düzenlemek için Maskeyi Düzenle aracını seçin. Sağlanan diyalogda Kement aracını seçin ve Kaldır'ın seçili olduğundan emin olun. Bu, maskenin gerçek 3D Önizlemesinin düzenlenmesine izin verecektir.
NOT: Düzenleme aracı sonsuz bir kesme düzlemidir ve Z yönünde seçilen maskenin herhangi bir bölümünü kaldırır. - Son kan havuzunun 3D nesnelerini ve miyokard vaka segmentasyonlarını oluşturun. 3B miyokard kasa modelini pürüzsüz bir nesne aracı kullanarak pürüzsüzleştirin. Kobİ önerisi ve onayına göre, belirli bir modelin mümkün olduğunca pürüzsüz ancak önemli anatomik ayrıntıları kaybetmemiş bir kasa modeli oluşturması için yineleme ve pürüzsüz faktör parametrelerini gerektiği gibi ayarlayın.
- Bir Kobİ tarafından onaylandıktan sonra, modelleri 3B model düzenleme yazılımında kullanılmak üzere STL formatında dışa aktarın. Mimics'te, Nesne Oluştur'> Proje Yöneticisi'nde belirli bir maskeyi sağ tıklatın. Sağlanan iletişimde, En uygun ayarın seçili olduğundan emin olun ve Tamam'ı tıklatın.
- Model oluşturulduktan sonra, genellikle Proje Yöneticisi penceresinin altındaki Nesne penceresinde görünür. Buradan, oluşturulan bir modele sağ tıklayın ve Düzgünleştir'i seçin. Bu durum için parametreler 0.4 mm yumuşatmada beş yinelemeydi.
- Son 3D kan havuzunu ve miyokard kasa modellerini standart mozaik dili (STL) dosyaları olarak kaydedin/dışa aktarın. STL+ > istediğiniz modeli sağ tıklatın > modelin bir STL sürümünü dışa aktarmak için sağlanan diyaloğu izleyin.
2. Dijital kalıpları oluşturun
- Miyokard servis talebi modeli STL dosyasını bir CAD programında açın. Miyokard kalıbının iç kısmında miyokard görünür olması için kasanın görünürlüğünün şeffaf bir şekilde oluşturulması önerilir. Magics'te, Parçayı İçe Aktar aracılığıyla oluşturulan STL'leri içe aktarın. Proje Yönetimi penceresinde, Model işleme saydam seçeneğini belirleyin.
- Bir kesme veya delme aleti kullanarak modelden fazla miyokard kasa malzemesi kırpın. Sadece kasanın dış kenarı ile iç kasa duvarındaki miyokard izi arasında yaklaşık 0,5 cm olması gerekir. Ek malzeme 3D baskıya gereken süreyi ekler, ancak son ürünü etkilemez. Magics'te , Çok Çizgili > Belirtin > > Uygula'yı seçin.
NOT: Düzenleme aracı sonsuz bir kesme düzlemidir ve Z yönünde seçilen maskenin herhangi bir bölümünü kaldırır. - Miyokard kasasını, kasanın kan havuzu kalıbının karmaşık anatomisi etrafında birleştirilmesine izin verecek birden fazla parçaya bölün. Bunu gerçekleştirmek için bir kesme ve/veya delme aleti kullanılması önerilir.
NOT: Aşağıdaki adımlar, miyokard durumunda yapılacak kesiklerin, birçok kardiyak model için kan havuzunun etrafında hem tanısal doğruluk hem de vaka montajı için yeterli olduğu tespit edilen dört bölüme bölecek bir öneri sunmaktadır. Bununla birlikte, her model farklı olacaktır, bu da silikonun dökülmesinden ve silikon setten sonra çıkarılmasından önce kasanın kan havuzunun etrafına monte edilmesi gerektiğini akılda tutmayı hayati hale getirecektir. Vakanın kan havuzundaki bir döngüden geçmesi veya uzun kan damarlarını çevrelemesi gereken yerlere özellikle dikkat edin. Bu gibi özellikler, kan havuzunun etrafında montaj ve sökmenin mümkün olmasını sağlamak için özelliğin bulunduğu bölgede miyokard kasasının ek parçalara kesilmesini gerektirebilir. - Kalbin tepe noktasını aşağı ve aort kemerini yatay olarak işaret etmek için dönüş ve kaydırma araçları aracılığıyla miyokard kasasının görünümünü ayarlayın. Miyokard kasasını apeksi ve üst yarısını içeren bir alt yarıya bölen aort boyunca yatay bir kesim yapın. Bu kesimin uzunluğu ve sonraki tüm kesimler her kardiyak modele göre değişecektir. Magics'te sırasıyla döndürme ve kaydırmayı kontrol etmek için sol ve sağ fare düğmelerini kullanın. Buradan, Kes > Çok Çizgiyi Belirtin > > Uygula'yı seçin.
NOT: Düzenleme aracı sonsuz bir kesme düzlemidir ve Z yönünde seçilen maskenin herhangi bir bölümünü kaldırır.- Miyokard kasasının alt yarısının en geniş bölümü boyunca dikey bir kesim yapın. Miyokard kasasının alt yarısının kabaca ikiye bölündüğünden emin olun.
- Miyokard kasasının üst yarısının en geniş bölümü boyunca ikinci bir dikey kesim yapın. Miyokard kasasının üst yarısının kabaca ikiye bölündüğünden emin olun.
- Montaj sırasında uygun hizalamayı sağlamak için miyokard kasa parçalarına mandallar (props) ekleyin. Eşleşen proplar ve prop boşlukları oluşturmak için bir prop oluşturma aracı ve 0,25 mm boşluk değerine sahip bir Boole çıkarma aracı kullanılması önerilir. Magics'te, Uygulama > modeldeki konumunu belirtmek > Sahne Malzemeleri Ekle.
- Miyokard kasa üst yarım parçalarından birine 1,0 cm çapında silikon dolgu deliği oluşturun. Doldurma deliğinin hemen altındaki miyokard yüzey özellikleri gizlenecektir, bu nedenle dolgu deliğinin modelin kullanımı için hayati öneme sahip herhangi bir dış anatomik özelliğin üzerinde olmadığından emin olun. Bir Kobİ ile delik yerleşimini doğrulayın.
Şekil 2: Bir CAD yazılımında miyokard vaka modeli. VSD'li bir kardiyak vaka için cad yazılımında oluşturulan miyokard durumu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- Aşağıdaki hataların olmadığından emin olmak için tüm servis talebi parçalarında tanılamayı ayrı ayrı kontrol edin: ters normal, kötü kenarlar, kötü konturlar, kötü kenarlara yakın, düzlemsel delikler veya kabuklar. Bir hata algılanırsa, varsa bir düzeltme aracı/sihirbazı kullanarak veya kullanılamıyorsa el ile onarın. Magics'te Tanılamayı Kontrol Edin > Otomatik Çözümleyin.
- El ile veya bir düzeltme aracı/sihirbazıyla çözülemeyen hataları, bir parça küçültme sarma aracıyla bir parça küçültme sarma ile düzeltin. Kobİ incelemesinde fizyolojiyi değiştirmeden belirli parçadaki hataları düzeltmek için shrink wrap örnek aralığını ve boşluk doldurma değerlerini gerektiği gibi ayarlayın. Magics'te , > Shrink Wrap'i Düzeltin > diyaloğu takip edin.
- Tek tek miyokard servis talebi parçalarını STL dosyaları olarak kaydedin/dışa aktarın.
3. Fiziksel kalıpları oluşturun
- Katkılı üretim (AM) 3D yazıcı için 3D baskı dosyaları (G-Code dosyası) üretmek için miyokard kasasını ve kan havuzu modellerini uygun dilimleyici yazılımında açın. Miyokard kasasının parçalarını döndürme ve/veya düz bir alet kullanarak düzenleyin, böylece başka bir kasa parçasıyla buluşacak herhangi bir taraf dikey olur. 3D baskı desteklerini tüm parçalara manuel olarak veya varsa yazılımda sağlanan otomatik bir destek oluşturma aracı kullanarak ekleyin.
Şekil 3: 3D baskı CAD yazılımında miyokard kasası ve kan havuzu kurulumu. Miyokard kasası ve uygun yönlendirmeli kan havuzu ve VSD'li bir kardiyak vaka için 3D baskı CAD yazılımında 3D baskıya hazırlık için destek eklendi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- 3D yazıcıda kullanılmak üzere G kodu oluşturmak için modelleri aşağıdaki parametrelerle dilimleyin: ABS'de kan havuzu kullanımı: 100 °C ısıtmalı yatak sıcaklığı, 250 °C ekstrüder sıcaklığı, %5 dolum yoğunluğu, 50 mm/s varsayılan baskı hızı, 70 mm/s iç kabuk hızı, dış kabuk hızı veya 50 mm/s; ABS veya polilaktik asit (PLA) kullanan miyokard kalıbı: PLA için 60 °C veya ABS için 100 °C ısıtmalı yatak sıcaklığı, PLA için 205 °C ekstrüder sıcaklığı veya ABS için 250 °C, %15 dolum yoğunluğu, 50 mm/s varsayılan baskı hızı, 80 mm/s iç kabuk hızı ve 30 mm/s dış kabuk hızı.
- G kodunu kaydedin/dışa aktarın.
- Yazıcının özelliklerine bağlı olarak, yazdırma dosyasını Flash Sürücü veya Wi-fi bağlantısı kullanarak 3D yazıcıya yükleyin, doğru filamentin 3D yazıcıya yüklendiğinden emin olun ve yazdırmaya başlayın. 3D yazıcı aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır: uyumlu ve 0,4 mm'den küçük bir nozül çapı ile donatılmış ve 0,25 mm'den daha az bir katman çözünürlüğüne sahip. Baskının tamamlanmasından sonra, basılan parçalardan tüm destek malzemelerini çıkarmak için iğne burun pensesi ve cımbız kullanın.
Şekil 4: 3D baskılı model parçaları. (A) fiziksel kan havuzu ve (B) destek malzemesi çıkarılmış 3D yazıcıdan üretilen bir VSD ile bir kardiyak kasanın miyokard kasa parçalarının fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- Miyokard kasa parçalarını kan havuzu kalıbını monte haline getirerek tüm parçaların birbirine sıkıca oturmasını sağlayın. Miyokard kılıfı kan havuzunun etrafına sığamıyorsa, malzemeyi çıkarmak için el tipi döner zımparalama aleti kullanarak kasa kalıp parçasında küçük ayarlamalar yapın. Büyük bir ayarlama gerekiyorsa, STL dosyasını bir CAD yazılımında düzenlemek ve yeni bir 3D baskı oluşturmak gerekebilir.
DİkKAT: El tipi döner zımpara aleti kullanırken göz koruması kullanın. Kan havuzunda veya miyokard kasada döner zımpara aleti kullanılması plastiğin erimesine neden olacaktır. Dikkatli ve dikkatli kullanın.
NOT: protokol bu noktadan önceki adımlar arasında duraklatılabilir. - Miyokard kılıfı ABS kullanılarak 3D basılmışsa ve Kobİ tarafından daha pürüzsüz bir silikon yüzey kaplaması isteniyorsa, aseton buharını pürüzsüz bir şekilde gerçekleştirin. Daha pürüzsüz bir yüzey kalitesi islenmezse veya gerekli değilse, buhar pürüzsüz işlemini modelin son anatomisine en az etkiyle atlayın.
DİkKAT: Aseton uçucu ve yanıcıdır. Açık alevlerden veya kıvılcımlardan uzak, iyi havalandırılmış bir alana yer kurduğunuzdan emin olun. Ek olarak, aseton polivinil klorür (PVC) ve polistireni çözecektir. Plastik bir kap kullanılıyorsa, PVC veya polistiren içermediğinden emin olun.- Asetondan etkilenmeyecek bir kabın altını ve yanlarını kağıt havlu ile hizalayın. Asetonları alt kağıt havluya dökün ve kabın yan tarafındaki kağıt havluları dağıtmasına izin verin, ancak altta bir havuz oluşturmayın. İhtiyaç duyulan aseton miktarı, kullanılan kabın boyutuna bağlı olarak değişecektir; burada yaklaşık 400 cm3 taban hacmine sahip bir kapta 30 mL aseton kullanılmıştır.
- Alt kağıt havluyu örtmek için kabın içine bir parça alüminyum folyo yerleştirin. Miyokard kılıf parçalarını alüminyum folyo üzerine yerleştirin ve miyokard parçalarını düzleştirilmek istenen yüzler dikey olacak şekilde yönlendirin. Miyokard parçalarının birbirine veya kabın duvarındaki kağıt havlulara dokunmamasını sağlayın.
- Kabın üzerine bir kapak yerleştirin veya alüminyum folyo ile örtün ve görsel inceleme başına istenen yüzey kaplamasının ~ % 80'i elde edilene kadar miyokard kasa parçalarının kapta bozulmadan kalmasını sağlar. Buharı pürüzsüz bir şekilde tamamlamak için gereken süre, kabın büyüklüğüne ve kullanılan aseton miktarına bağlı olarak değişecektir. Miyokard kasa parçalarını, ilk 30 dakika sonra 15 dakika aralıklarla istenen yüzey kaplaması için kontrol etmeye başlayın. Bu çalışma için buhar yumuşatma 150 mL'lik bir yapı için 2 saat sürdü.
- Eldiven takarak, miyokard kılıf parçalarını sadece dış yüzeylere dokunan kaptan dikkatlice çıkarın. Parçaların iyi havalandırılmış bir alanda ~30 dakika boyunca veya pürüzsüz, kuru ve sert olana kadar tamamen gazdan arındırmasını bekleyin.
Şekil 5: Buhar yumuşatılmış miyokard kasa parçaları. Aseton buharı pürüzsüz olduktan sonra VSD ile bir kardiyak vakanın miyokard vaka parçalarının fotoğrafı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
4. Silikon dökün
NOT: Lateks ve kükürt de dahil olmak üzere bazı kirleticiler temas ederlerse silikonların kürlenmesini engelleyebilir. Silikon kullanmaya çalışmadan önce teknik bültenleri gözden geçirmeniz önerilir.
- Miyokard modelini oluşturmak için gerekli olacak iki parçalı platin kür silikon miktarını tahmin edin; ihtiyaç duyulan silikon miktarı, oluşturulan modelin boyutuna bağlı olarak değişecektir. Alternatif olarak, gerekli silikon miktarını belirlemek için bir CAD yazılımı kullanarak miyokard segmentasyonunun hacmini ölçün. Silikonun aşağıdaki özelliklere sahip olduğundan emin olun: 2 A kıyı sertliği, 1.986 kPa çekme mukavemeti, % 763'lük molada uzama, 0.0254 mm/ mm'den az büzülme, 18.000 cps'lik karışık viskozite, 12 dakikalık tencere ömrü ve 40 dakikalık kür süresi. Bu çalışma 300 mL silikon gerektiriyor.
- Gerekli miktarları doğru oranlarda bir karıştırma kabına dökmeden önce silikonun A ve B kısmını iyice çalkalayın. Modelde renk isteniyorsa, pigment ekleyin ve tüm parçaları ve pigmenti iyice karıştırın. Bu çalışma için hem Bölüm A hem de Bölüm B'nin 150 mL'si elle veya bir karıştırıcı ile karıştırıldı ve çalkalandı. İstenilen renk elde edilene kadar el sanatları çubuğu ile bir Sil-pigment ürün rengi "kan" (bkz. Malzeme Tablosu) eklendi.
- İyice karıştırılır silikonu, gazdan arındırmak için 2-3 dakika boyunca Hg'de 29'da bir vakum odasına yerleştirin. Silikon, gazdan arındırma işlemi sırasında hacminin yaklaşık iki katına genişleyecek, karıştırma kabının genişlemeye izin vermek için yeterli alana sahip olduğundan emin olun. Gazsız silikonu odadan çıkarın ve iyice kaplamak için silikondaki kan havuzunu batırın, kan havuzundaki tüm boşlukların ve boşlukların silikonla doldurulmasını sağlayın.
- Miyokard kasasının tüm parçalarını iyi havalandırılmış bir alanda kolay bir serbest bırakma ürünüyle (bkz. Malzeme Tablosu) iyice püskürtün. Miyokard vakasının alt yarısını kan havuzunun tepe kısmına monte edin. Miyokard kasa parçaları arasındaki dikişler silikonun dışarı sızmasına izin verirse, kalıbın dış yüzeyindeki sızıntıyı kapatmak için kelepçeler veya sıcak tutkal veya kil gibi bir malzeme kullanın.
- Silikonu kan havuzu ve kasa duvarı arasındaki boşluğa dökün ve silikonun tüm boşluklara akmasını sağlar. Miyokard kalıbının monte edilmiş parçaları silikonla dolana kadar silikon dökmeye devam edin.
- Miyokard kasasının kalan parçalarını birleştirin, kasa parçalarını gerektiğinde lastik bantlar ve kelepçeler kullanarak sıkıca sabitleyin. Tüm miyokard alanı silikonla dolana kadar miyokard kasa parçasının üst kısmındaki dolgu deliğinden silikon dökün.
- Silikonun ~ 40 dakika boyunca ayarlamasına izin verin. Silikon kalbi miyokard kasasından çıkarın ve kasa parçaları veya dolgu deliği arasındaki boşluktan oluşturulan silikon dikişleri kesin.
5. Kan havuzunu çözün
- Silikon modelinde açık uçları olması gereken tüm kan damarlarını tanımlayın ve içindeki ABS kan havuzunu açığa çıkarmak için onları kaplayan silikonları kesin.
- Silikon kalbi aseton banyosuna batırın. ABS aseton daldırma sonra 10-15 dakika yumuşamaya başlayacaktır; bu durumda, ABS çözme işleminin hızını artırmak için büyük ABS parçalarını cımbızla çıkarın.
- ABS kan havuzunun çoğunluğu çözüldüğünde tüm ABS'yi silikondan çıkarmak için temiz aseton ile iki ila üç ek aseton durulama / ıslatma gerçekleştirin. Kardiyak modeli aseton banyosundan çıkarın ve kalan asetonun iyi havalandırılmış bir alanda modelden buharlaşmasına izin verin. ABS'yi tamamen çözmek için gereken süre, modelin boyutuna, manuel olarak çıkarılan ABS miktarına ve kullanılan aseton miktarına bağlı olacaktır.
Şekil 6: VSD'li hastaya özgü silikon kardiyak model. VSD'li komple silikon modelinin epikardial yüzey görünümünün fotoğrafı. VSD, kardiyak miyokard içi yapı içindeki konumu nedeniyle görünmez. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Representative Results
VSD'li bir hastanın radyolojik görüntüleme verileri, temsili bir silikon kardiyak model oluşturmak için seçildi. Hasta anatomisi, dijital miyokard modeli ve dijital kan havuzu modeli oluşturmak için CAD segmentasyon yazılımı kullanılarak segmentlere ayrılmıştır (Şekil 1). Sunulan protokol ile kan havuzu ve miyokard manuel segmentasyonu tamamlanması 1-3 saat sürer. Segmentasyonun tamamlanmasının ardından, miyokard modeli daha fazla işlem için CAD yazılımında açıldı. Model, program içinde yapılan bir 3B kutuya hizalandı ve ardından Boole işlemleri kullanılarak kaldırıldı. Bu işlem miyokard modelinin negatifini bırakarak bir kalıp oluşturdu. Bu miyokard kalıbı daha uygun bir boyuta kırpıldı, parçalara ayrıldı ve parçaları hizalamak için sahne malzemeleriyle değiştirildi (Şekil 2). Davanın oluşturulması 2-6 saat sürdü. Tüm miyokard kalıp parçaları ve kan havuzu 3D baskı dilimleme yazılımına yüklendi ve G-Code ABS'de 3D baskıya oluşturuldu (Şekil 3). Destek malzemesi çıkarılmış 3D baskılı parçalar Şekil 4'te görülebilir. Miyokard kasa parçaları, modelin yüzey kaplamasını geliştirmek için buharla yumuşatıldı (Şekil 5). Buhar pürüzsüz işleminin tamamlanmasından sonra, kalıp kan havuzu modelinin etrafına monte edildi ve silikon döküldü. Montaj ve silikon dökülmesi bir saat sürdü. Silikon setinden sonra, kardiyak model miyokard durumundan çıkarıldı ve kan havuzunu eritmek için aseton içine batırıldı. Yaklaşık yirmi dört saat ıslandıktan sonra kan havuzu erimişti. Son bir aseton durulama yapıldı ve modelin tamamen kurumasına izin verildi. Tamamlanan silikon kardiyak model Şekil 6'da görülebilir. Silikon modelin doğruluğunu ve işlevselliğini değerlendirmek için CHD (konjenital kalp kusuru) uzmanı tarafından iç anatominin gözlenmesi için bir kesi yapılmıştır. Beklenen VSD mevcuttu ve VSD'yi düzeltmek için konjenital kalp cerrahı tarafından modele bir GORE-TEX yaması dikildi (Şekil 7). Başarıyla tamamlanan silikon modelde tüm hasta anatomisi ve kusurları hem dışarıdan hem de dahili olarak mevcut olacaktır. Protokolün bir özeti Ek Dosya 1'de görülebilir.
Şekil 7: VSD ile silikon kardiyak modelde dikilmiş GORE-TEX yama. (A) cerrahın, GORE-TEX yaması ile kapatılan modelde VSD ve (B) cerrahın VSD'ye bakışı ile hastaya özgü silikon kardiyak modelin görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Tamamlayıcı Dosya 1: Silikon kalp imalat protokolü şeması. Hastaya özgü silikon kardiyak modelin imalatındaki protokolün şematik illüstrasyonu. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Tamamlayıcı Dosya 2: Kritik adımların ve olası olumsuz sonuçların özeti. Hastaya özgü silikon kardiyak modelin geliştirilmesinde kritik öneme sahip adımların ve adımların doğru takip edİlmemesi durumunda ortaya dolayıabilecek olası olumsuz sonuçların özeti. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Discussion
Protokolün tamamlanmasından sonra cerrahi hazırlık için hastaya özel silikon kardiyak model sonuçlanmalıdır. Ancak, bunun başarılması için doğru şekilde tamamlanması gereken birkaç kritik adım vardır. Protokoldeki kritik adımların bir özeti, adımlar doğru gerçekleştirilmezse olası sonuçların yanı sıra Tamamlayıcı Dosya 2'de görülebilir. İlk kritik adım hastanın radyolojik görüntüleme verilerinin segmentasyonunu içerir. Bu adım, tanısal 3D görüntüleme veri kümesinin alınmasını gerektirir. Ameliyat öncesi planlama veya eğitimde model yardımcı programı, 3B veri kümesinin kalitesine bağlıdır. Veri kümesinin model üretimi için yeterli çözünürlükte olmasını sağlamak için 0,625 mm ile 2,6 mm arasında bir dilim boyutuyla toplanan bir görüntü kümesinin kullanılması önerilir. Bununla birlikte, tüm görüntüleme parametreleri radyolojide bir klinisyen uzmanı tarafından belirlenmeli ve hasta bakımı öncelikli olmalıdır. Önerilen değerlerin dışında bir dilim boyutuyla toplanan bir görüntü setinden model üretmenin mümkün olabileceği, ancak model çözünürlüğünün ve kalitesinin olumsuz etkileneceği unutulmamalıdır. Görüntüler elde edildikten sonra, segmentasyon doğru yapılmazsa, son model üretilip kesilene kadar yaygın olarak gerçekleşmez, bu da zaman ve malzeme kaybına neden olur. Bu olumsuz sonucu önlemek için, bir konu uzmanının kalite kontrolü için dijital kalıpları oluşturmadan önce segmentlere ayrılmıştır dosyaları incelemesi önerilir. Bir sonraki kritik adım, dijital kalıpların oluşturulması sırasında gerçekleşir. Miyokard durumunun kan havuzu modeli etrafında toplanabilmesini sağlamak önemlidir. Kasa kan havuzunun etrafında kapanmazsa, silikon modeli oluşturmak için kullanılamaz, çünkü ayarlanmamış silikon sürekli olarak dışarı sızar ve anatomi bozulabilir. El tipi döner zımparalama aleti, miyokard kalıbının parçalarını sadece küçük ayarlamalara ihtiyaç duyulduğunda hafifçe çıkarmak için kullanılabilir. Büyük ayarlamalara ihtiyaç duyulursa, dijital kalıbın değiştirilmesi ve güncelleştirilmiş bir kasanın yazdırılması gerekir. Son kritik adım silikonun dökülmesidir. Silikonu kullanırken malzeme talimatlarına sıkı sıkıya bağlı kalmak gereklidir, çünkü bunun yapılmaması yapışkan bir yüzeyle iyileştirir silikonla sonuçlanabilir. YüzeyIn Kobİ tarafından kullanılamayacak kadar yapışkan olduğu düşünülse, silikondan başarıyla çıkarılamazsa kan havuzunun yeniden basılması gerekebilir. Silikonun yeniden dökülmesi gerekecek ve bu da zaman ve malzeme kaybına neden olacaktır. Yetersiz silikon kullanılırsa veya ayar işlemi sırasında silikon miyokard kasa kalıbının dışına sızarsa, ortaya çıkan model eksik kalacaktır. Bu arıza, kalıbın içine ilave silikon karıştırılarak ve dökülerek giderilebilir. Kürleme işlemi sırasında az miktarda silikon sızıyor gibi görünüyorsa, miyokard kasa kalıbının dikişlerini kapatmak için sıcak tutkal veya kil gibi bir malzeme kullanılabilir.
Hastaya özgü silikon kardiyak modeller oluşturma yöntemi, hastaya özgü veya karmaşık iç ve dış geometriye sahip herhangi bir yumuşak anatomik yapının modelinin oluşturulmasına izin vermek için değiştirilebilir. Hedef anatominin doğru şekilde segmentlere ayrık olduğu varsayıldığı için, protokolün kalan adımları en az değişiklikle takip edilebilir. Mevcut çalışmaların odak noktası olmamakla birlikte, protokol benzer başarı ile karaciğer parenkimine uygulanmıştır. Kullanılan 3D baskı malzemesi de değiştirilebilir. ABS ve PLA'nın düşük maliyeti nedeniyle kullanılması önerilir, ancak çözünebilir herhangi bir 3D baskı malzemesi ABS'nin yerini alabilir ve istenen herhangi bir 3D baskı malzemesi, protokolde minimum değişiklik yaparak veya hiç değişiklik yapmadan PLA'nın yerini alabilir. Diğer baskı malzemeleri kullanırken, filament üreticisi tarafından belirtilen tüm yazdırma parametreleri takip edilmelidir. Bu yöntem farklı bir silikon kullanılarak daha da değiştirilebilir. Bu protokolde kullanılması önerilen silikon 2 A kıyı sertliğine sahiptir, ancak başka bir kıyı sertliği değeri isteniyorsa, protokolde minimum veya hiç değişiklik olmadan farklı bir silikon değiştirilebilir. Farklı bir silikon ürün kullanırken tüm üretim özelliklerine ve prosedürlerine uyduğunuzdan emin olun.
Bu protokol geliştirilmiş bir kardiyak modelleme prosedürünü özetlese de, sınırlamalar olmadan değildir. Bu protokolün en büyük sınırlaması, kullanılan platin kür silikonun diğer mevcut malzemelere göre kalp dokusunun sertliğine daha yakın olmasına rağmen, cerrahi eğitimin ince motor becerisinde rol oynayan tek özelliğin sertlik olmamasıdır. Özellikle, gerçek kalp dokusu kuvvet altında kırılganlık veya yırtılma gösterecektir. Kullanılan silikon çok elastiktir, % 763'lük bir kırılmada uzama ve 1.986 kPa19 çekme mukavemeti ile. İnsan kalp dokusunun doğru bir temsili olduğuna inanılan porcine kardiyak doku, % 28-66 kırılmada uzama ve 40-59 kPa26 çekme gücüne sahiptir. Bu fark bir sorun teşkil eder, çünkü kardiyak cerrahi arkadaşlar silikon model bir kalp üzerinde bir uygulama operasyonu yapabilir ve yanlış bir güven duygusu kazanabilirler, çünkü model gerçek kalp dokusunun dayanamayacağı güçlere dayanabilir. Bu metodoloji aynı zamanda çok karmaşık geometriye sahip bir kardiyak modelle sınırlanabilecek potansiyele sahiptir. Modelin anatomik karmaşıklığı arttıkça, protokol miyokard kalıbındaki parça sayısını artırarak telafi edebilir. Temel olarak, giderek daha karmaşık hale gelen modeller, giderek daha karmaşık kalıp tasarımları ve daha fazla tasarım süresi gerektirecektir.
Bu protokolde açıklanan model oluşturma süreci, cerrahi olarak karşılaşılan anatominin düşük maliyetli tam anatomik kopyalarını yeniden oluşturma yeteneği nedeniyle mevcut diğer alternatiflerin çoğundan daha üstündür. Kadavra ve hayvan dokusu yüksek doğruluk simülasyonlarına izin verir, ancak çok daha yüksek bir maliyete sahiptir ve belirli laboratuvar kurulumlarının kullanılmasını ve bakımını gerektirir2,6. Ayrıca, kadavra ve hayvan doku modellerinin etik kaygıları vardır, hastaya özgü değildir ve karmaşık CHD genellikle bir cerrah veya eğitmen tarafından manuel olarak üretilmelidir, bu da genellikle yanlışlıklara veya çevredeki doku ve organlarda hasara yol açmaktadır. Başka bir potansiyel modelleme tekniği sanal gerçekliğin kullanımını içerir. Sanal gerçeklik, hasta anatomisinin ve cerrahi planların doğru zihinsel temsillerini oluşturmak için etkili bir araç olan hastaya özgü kardiyak modellerin dijital olarak çoğaltıltırını sağlar. Ek olarak, bazı VR sistemleri dokunsal geri bildirimlerin dahil olmasıyla temel simülasyonlara izin vermiştir. Bununla birlikte, mevcut dokunsal geri bildirim, konjenital kalp cerrahi prosedürleri için gerekli ince motor becerilerini çoğaltmak için gerekli gerçekçiliğe sahip değildir.4. 3D baskı, hastaya özgü kardiyak modeller üretmek için mevcut başka bir yöntemdir2,24. Bununla birlikte, çok malzemeli, yumuşak modeller üretebilen yüksek kaliteli 3D yazıcıların yaygın olarak uygulanması, son derece yüksek maliyetle engellenir11,14,15. Düşük maliyetli 3D yazıcılar mevcuttur, ancak yalnızca gerçek miyokarddan çok daha sıkı malzemelere yazdırabilir. Scanlan ve arkadaşları tarafından bir model oluşturmak için 3D yazıcı için mevcut en yumuşak malzemelerden biri kullanıldığında, modelin gerçek kalp dokusundan daha sıkı olduğu bulunmuştur.17. Tarif eden malzeme, 26 A ile 28 A arasında bir kıyı sertliğine sahipti ve kauçuk banda benzer bir doku verdi. Bu protokolde kullanılan platin kürlü silikon, 2 A kıyı sertliğine sahiptir, bu da jel ayakkabı ucuna benzer bir doku verir ve gerçek kalp dokularının sertliğine çok daha yakındır, bu da 43 00'dır.20 veya ~0 A. Hoashi ve ark.. ayrıca esnek bir 3D baskılı kalp modeli geliştirmek için bu protokolde açıklanana benzer bir yöntem kullanmıştır. İç ve dış miyokard geometrisini temsil eden iki kalıp, bir SLA yazıcı kullanılarak 3D baskılıydı ve ardından kauçuk benzeri bir poliüretan reçinesinin vakum dökümü yapıldı. Bu yöntem yumuşak bir kardiyak model üretirken, bu yöntemin model başına önerilen üretim maliyeti 2.000 ila 3.000 USD idi.22. Karşılaştırmalı olarak, sunulan protokolde açıklanan yöntemin toplam malzeme maliyeti 10 USD'den azdır. Son olarak, benzer bir yöntem Russo ve arkadaşları tarafından da kullanıldı.. prosedürel uygulama için aort kapağı ve proksimal aortun silikon modellerini oluşturmak. Russo ve diğerleri. yöntem benzer bir hedefe odaklanmıştır, aort veya aort kapaklarının çok daha basit anatomilerini çoğaltmayı amaçlayan sunulan süreç. Burada sunulan protokol, daha küçük, daha karmaşık olan ve tarihsel metodolojiler göz önüne alındığında çoğaltılması son derece zor olacak kardiyak ve miyokard anatomilerine odaklanarak kendini farklılaştırır. Bu farka rağmen, Russo ve ark.. ankete katılan kalp cerrahları tarafından kalp cerrahisinde simülasyon ve eğitim için son derece yararlıydı23. Esasen, bu protokolde açıklanan yöntem, diğer modelleme yöntemlerine göre gerçek kardiyak dokuya daha benzer doğru temsil edilen kusurlara ve malzeme özelliklerine sahip karmaşık, hastaya özgü konjenital kardiyak modellerin düşük maliyetli oluşturulmasına izin verir.1,16, modellerin gerçekçi bir dokunsal sadakatle çalıştırılabilmesini sağlar.
İleriye doğru, bu metodoloji karmaşık iç ve dış özelliklere sahip herhangi bir hasta anatomisinin bir modelinin oluşumuna uygulanabilir. Silikon modelin içinden daha az yıkıcı bir şekilde çıkarılabilecek veya daha az zaman alan bir yöntem kullanılarak üretilebilen alternatif bir kan havuzu materyali geliştirmek, süreci daha zaman ve maliyet açısından daha verimli hale getirecektir. Sonuç olarak, sonraki her kalıplama işlemi için yeni bir kan havuzunun çoğaltılması gerekmeyecek ve bu da ilişkili eğitimin ölçeklenebilirliğine yol açacağıdır. Modeli oluşturmak için kullanılan silikonun fiziksel özellikleri de geliştirilebilir. Molada daha az uzamış silikon, modelin gerçekçiliğini artıracak ve bu karmaşık prosedürleri gerçekleştirmek için gerekli ince motor becerilerini öğrenmeye çalışan kardiyak cerrahi arkadaşları için bir eğitim aracı olarak değerini artırmaya yardımcı olacaktır. Şu anda piyasada bulunan ve bu çözüme yardımcı olmaya değer bir grup malzeme silikon simüle edilmiş cam malzemelerdir25. Bu silikon malzemeler, cama benzer bir şekilde kuvvet uygulaması üzerine belirgin bir "kırılmaya" yol açan molada çok daha az uzama gösterir. Bu protokolde kullanılan platin kür silikonun bu silikon simüle cam malzemenin ilaveleriyle modüle etmek, modelin frizite özelliklerinin kontrol edilebilirliğinin kontrol edilebilirliğini sağlarken, uygun kıyı sertliğini korurken, genel dokunsal doğruluğu artırabilir. Son olarak, bu protokolün üretebileceği anatominin çözünürlüğü, kalıpları üretmek için kullanılan 3D yazıcının çözünürlüğü ile sınırlıdır. Teknoloji gelişmeye devam ettikçe, bu protokolle oluşturulabilecek anatominin çözünürlüğü de geliştirilmelidir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Yazarlar, bu çalışmayı mümkün ktığı için OSF HealthCare'in yanı sıra prosedürel bilgisi ve becerileri nihai ürünümüze uygulaması için Dr. Mark Plunkett'i kabul etmek istiyor.
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).
