Summary
患者固有のモデルは、外科計画を開発または学習する際に、外科医と仲間の信頼を向上させます。3次元(3D)プリンタは、手術の準備に十分な詳細を生成しますが、組織触覚忠実度を複製することができません。3Dプリンティング精度とシミュレートされたシリコーン組織を組み合わせた、患者固有のシリコーン心臓モデルの作成を詳述したプロトコルが提示されます。
Abstract
3次元モデルは、複雑な症例について学ぶ外科計画や医療フェローを開発する外科医にとって貴重なツールとなり得る。特に、複雑な先天性心疾患が発生する心臓病学の分野において、3Dモデルが重要な役割を果たすことができます。多くの3Dプリンタは解剖学的に正しく詳細なモデルを提供できますが、既存の3Dプリンティング材料は心筋組織の特性を再現できず、非常にコストがかかる可能性があります。このプロトコルは、心筋特性に密接に一致する低コストのシリコーンを使用して、複雑な先天性心不全の患者固有のモデルを作成するためのプロセスを開発することを目的としています。モデルの忠実度が向上すると、実際の外科的手続き訓練は、手順の前に発生する可能性があります。心臓モデルの成功した作成は、仮想血液プール(心臓のチャンバーを満たす血液)と心筋組織型を生成するために放射線画像のセグメンテーションから始まります。血液プールと心筋型はアセトンで解けるプラスチックであるアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)で3Dプリントされています。カビは血液プールの周りに組み立てられ、心筋をシミュレートする負の空間を作り出す。2Aの海岸硬度を有するシリコーンは、負の空間に注がれ、治癒させる。心筋金型を除去し、残りのシリコーン/血液プールモデルをアセトンに沈めます。記載されたプロセスは、心臓内欠損を含むすべての心臓特徴がより現実的な組織特性で表され、直接的な3Dプリンティングアプローチよりも近似される物理的モデルをもたらす。GORE-TEXパッチ(欠陥のための標準的な外科的介入)を用いた心室中隔欠損(VSD)を有するモデルの外科的矯正が成功し、この方法の有用性を示す。
Introduction
米国では100人に1人近くの子供が先天性心不全(CHD)を持って生まれています。CHDを持つ母親がCHDを持つ子供を持つ傾向があるため、次の7世代で2倍以上になるかもしれないと予想されています1。各CHDが複雑または重度であると考えられるわけではありませんが、一般的な成長期待は、CHD治療に対処できる技術と手順を改善する動機があることを示しています。技術が向上するにつれて、心臓外科医はしばしばより複雑な手順に取り組む意欲を表明する。この意欲は、複雑な心臓処置の数を増やし、外科的計画と教育のより高度な技術の必要性を促進している。さらに、これは非常に正確な、患者固有のモデルおよび非常に効果的な訓練方法を必要とする心臓外科の仲間を必要とする心臓外科医を残す。
先天性心臓手術は、患者の小さなサイズ、心臓異常の複雑さ、およびいくつかの異常の希少性のために最も技術的に要求の厳しい外科的分野の一つです2。最も極端なケースでは、子供は単一の心室で生まれる可能性があります。外科医が直径2.0mmの血管を取り、固定心膜でパッチを当て、新生児がこの救命処置で新生児を成長させる1.0cmの血管を作ることは珍しくありません。通常の4室の心臓とこれらの極端な例の間には、非常に複雑な3Dパズルを構成するチャンバーサイズとバルブ位置の無数の可能性があります。先天性心臓チームの役割は、ユニークな解剖学を明確に説明し、正常な生活の中で子供が最高のチャンスで成長することを可能にする機能的な心臓に有機組織を再構成する計画を開発することです。正確なモデルはエラーが許され、患者の害をもたらさない環境で意図的な外科の練習そして繰り返しを可能にする3,4。このトレーニングは、改善された外科の専門知識だけでなく、技術的および判断力の開発につながります。しかし、限られた資源と特定の心臓状態の希少性は、所望のレベルの繰り返しおよび視覚化をほぼ不可能にすることができる。この資源不足を説明するために、教育のためのシミュレーションの利用が増加しています2,3。一般的に利用されるシミュレーションまたはモデリング技術には、人間の死体、動物組織、バーチャルリアリティモデル(VR)、3Dプリントモデルなどがあります。
Cadaveric組織は歴史的に外科シミュレーションのゴールドスタンダードとみなされ、動物組織は1秒近く続いている。死体や動物組織は、関心のある解剖学的構造、すべての周囲の組織を含み、血流をシミュレートするための灌流技術を可能にするため、高忠実度シミュレーションを生成することができます4。組織モデルの利点にもかかわらず、欠点があります。エンバーミングされた組織の経験は、機械的なコンプライアンスを低下させ、一部の操作を非現実的で実行しにくくしました。組織は一定のメンテナンスを必要とし、特定の施設は、再利用可能ではない2、取得するためにコストがかかる可能性があります3、そして歴史的に倫理的な懸念の対象とされてきました。最も重要なのは、先天性の心臓病は、単に死体サンプルでは利用できない。
VRと3Dプリントモデル5、6、7、8、9、10は、術前計画の作成を支援するために、心臓教育、シミュレーション、およびモデリングのための別のオプションを提供します。これらのモデルは、2D 画像を 3D 構造 10,11 として補間するユーザーの多様な空間的機能に関連するあいまいさを減らします。仮想環境には、操作およびモデルと対話できる外科ツールを含めることができ、外科医や仲間は手と目の協調、細かい運動能力、およびいくつかの手順に精通することができます4。融合型堆積モデリング(FDM)、ステレオリソグラフィ(SLA)、選択的レーザー焼結(SLS)、ポリジェットなどの現在の一般的な3Dプリンティング技術は、サブミリ波精度13のモデルを製造することが判明しています。VRと3Dプリントモデルの両方が再利用可能であり、非常に詳細にすることができます。モデルは患者の放射線画像データからも生成することができ、患者の解剖学のレプリカをもたらす。VRや3Dプリントモデルの多くの利点にもかかわらず、先天性心臓手術のコストと触覚忠実度の要件が考慮されると、それらは不足しています。VR環境の設定は高コストで、VR環境は実際の触覚フィードバックを提供できません。触覚忠実度技術が向上している間、現在のギャップは、手順4を実行するために必要な細かい運動能力に精通する学生の能力を阻害します。同様に、使用する3D印刷技術の種類に応じて、3Dプリントのコストは、プリンタの購入価格と印刷材料コストを考慮する必要があります11,14と、非常に高いことができます。現実的な触覚フィードバックを持つ単一の高忠実度の心臓モデルは、ハイエンドプリンタを使用して製造することができますが、100,000 USD15以上のプリンタ購入価格だけで材料だけで数百ドルの費用がかかります。26-28 Aの海岸硬度のフィラメントを使用して製造された心臓モデルは、model16あたり約220米ドルの費用がかかることが判明した。また、5,000米ドル未満のプリンタ購入価格を持つ多くの低コストの3Dプリンタと技術が利用可能です。低コストのFDMプリンターで生成された心臓モデルの平均材料価格は、95 A15,16の海岸硬度を有する材料を使用して、82 Aと35 USDの海岸硬度の材料を使用して約3.80米ドルであることが判明した。これらの機械は低コストの解決を提供するが、それは触覚の忠実さを犠牲にして来る。
VRと3Dプリンティングは、心臓状態の詳細な視覚的および概念的評価を可能にしますが、実践的な外科シミュレーションのためのモデルの製造に関連する高い価格はしばしば重要な障壁です。1つの解決策は、物理的およびテキスト的に正確な心臓モデルを作成するためのシリコーンの使用である。患者固有のシリコーンモデルは、患者へのリスクを最小限に抑え、手順が失敗した場合に何の影響も及びない環境で現実的な触覚フィードバックを経験しながら、外科医が手順を見たり、感じたり、練習したりできるようにすることで、ユニークな解剖学のより深い理解を促進することができます。シリコーン成形は、低コストの3D printing17から生成されたモデルよりも実際の組織に有意に近い物理的特性を持つモデルを生成するヒト解剖学をモデル化する効果的な方法であることが示されている。Scanlanら,実際の組織との類似性を評価するためにシリコーン成形心臓弁に印刷された低コスト3Dの特性を比較した;研究は、シリコーンバルブの物理的性質は、実際の組織の正確なレプリカではないが、特性は、3Dプリントバルブ17よりもはるかに優れていたことを発見しました。この研究で使用される3D印刷材料は、低コストの3Dプリンタで利用可能な最も柔らかい材料の一つであり、26と28 A18の間の海岸硬度を有する。下のプロトコルで使用するために推奨される白金硬化シリコーンは、心臓組織の海岸硬度にはるかに近い2Aのショア硬度、00スケールで43、または約0 A19,20を有する。この違いは、シリコーンモデルが、直接3Dプリントされた材料では達成できない高忠実度のファインモータースキルトレーニングを可能にするため、大きな違いがあります。このプロトコルで提案されたモデルの材料費の合計は 10 USD 未満です。提案されたシリコーンモデルは現実的な触覚フィードバックに必要な柔らかいティッシュの特性と、低コストの3Dプリントモデルの多様性および精密を結合する。
シリコーンの利点は、モデル作成のための明白な選択に見えるかもしれませんが、シリコーンの使用は、成形することができる解剖学によって制限されています。混合したばかりのシリコーンは、それが治るように、所望の形状にそれを保持するために金型を必要とする液体です。歴史的に、シリコーン心臓型はモデルの外面の詳細のみを含むことができた。血液プール領域全体を含む心臓内の詳細は、シリコーンで満たされ、失われるであろう。これまでの研究では、心臓内の関心のある特定の領域(例えば、大動脈root21)のシリコーンモデルを達成したか、または心筋組織22をシミュレートするために外挿法を用いてきた。このプロトコルは、シリコーン材料の使用を高解像度の解剖学的、完全な心筋シミュレーションと組み合わせることを目指し、特に外挿の方法を回避しようとするので斬新です。私たちの知る限りでは、これらの側面を組み合わせた方法論を記述する原稿は提供されていません。このプロトコルに記載されている方法は、外科的術前の練習に十分正確な心臓内解剖学的複製を有する患者特異的心臓モデルを達成する技術を導入する。この方法では、シリコーンを適切な形状に保持する心筋金型を作成し、モデルの内部心臓内詳細を維持し、シリコーンが心臓の血液プール領域を満たすことを防ぐために内側の型を作成する必要があります。その後、内側の金型を溶解し、患者固有の解剖学を持つシリコーン心臓モデル全体を外側および内側の表面に残す必要があります。本明細書で提案された心臓モデル作成のプロトコルがなければ、心筋の実際の組織特性を模倣する材料で外科的処置をシミュレートするための低コストの解決策は存在しない。
Protocol
このプロトコルは、患者情報の適切な取り扱いと患者固有のデータを使用するために必要な同意の保証を含む、著者の機関の最善の倫理的慣行に対応する方法で完了しました。使用すると、そのようなデータは、患者の私的な健康情報の保護を確保するために匿名化された。
注: 次のプロトコルは、さまざまな手順を実行できるさまざまなプログラムが存在するので、ソフトウェアに依存しない方法で記述されています。この特定のケースでは、マテリアライズ・ミミック・メディカル24.0はセグメンテーションに使用され、マテリアライズマジックは3D操作とセグメント化されたモデルとケースの作成に使用されました。これらのプログラムの具体的な指示は、一般化されたアプローチに加えて含まれます。
1. 患者の解剖学をセグメント化する
- SMEあたり、患者の放射線画像化データセット(典型的にはCTまたはMRI)を、適切な分解能のために3Dプロトコルを用いて取得する。コンピュータ支援設計 (CAD) セグメンテーション ソフトウェア23 でデータセットを開きます。
- 適切な画像取得のために機関の放射線学プロトコルを参照してください(各患者が異なる考慮事項を必要とするため、特定のガイドラインを提供することは困難です)。しかし、代表的な例として、これらは以前に文書化された3Dモデルケースで使用した設定です:CT 3Dプロトコルはパラメータを示唆しています:軸モードのスライススキャナ、0.625 mmのスライス間のスライスの厚さとスペース、70のKv、201-227のスマートmA範囲(スマートMAモード226)、0.28 msでの回転速度MRI 3Dプロトコル提案パラメータ: 軸モードでスキャナーをスライスし、0.625 mmのスライス間の厚さとスペースをスライスします。
- ハウンズフィールドユニット(HU)しきい値ツールを使用して、データセットに適した適切な値に設定された上限と下限を使用して、心筋組織の初期セグメンテーションを生成します。必要に応じて選択を調整して、解剖学を正確にキャプチャします。トリミング、加算、減算、領域の拡大、マルチスライス編集、キャビティフィルの機能を備えたツールを使用することをお勧めします。[模倣]で、[ プロジェクトマネージャ ]領域を右クリックし、[ 新しいマスク]を選択します。あらかじめ設定された解剖学的ウィンドウ、正確なHU測定、またはツールによって目的の解剖学がマスクされるまで提供されたツールをスライドさせて、生成されたダイアログボックスでマスクを調整します。
- 血液プールのセグメンテーションを生成します。これを実現するには、手順 1.2 で説明されている手順を使用します。Mimics では、226 ~ 3071 の事前設定された解剖学的 HU ウィンドウを使用して、血液プールをキャプチャします。
- 生成されるモデルが患者ケアでの使用を目的としている場合は、心臓専門医、放射線科医、または他の主題専門家(SME)が仮想モデルのセグメント化を確認してから次のステップに進み、解剖学的特徴と欠陥がすべて正確にセグメント化され、完全なモデルに存在することを確認します。
- 心筋セグメンテーションの周りの空き空間でキャビティフィルツールを使用して心筋セグメンテーションを反転し、ブール値ツールを使用して逆筋から血液プールのセグメンテーションを差し引くことによって、心筋ケースモデルを生成します。これを実現するには、空洞充填ツール、ブールツール、および以前に生成された心筋および血液プールのセグメンテーションを使用することをお勧めします。[Mimics] で、[ キャビティフィル >心筋マスクの周りのスペースを示します。次に、 ブールツール を使用して、心筋マスクから血液プールマスクを 差し引く に提供されたダイアログを埋めます。
図1:CADセグメンテーションソフトウェアにおける心臓セグメンテーション. (A)生患者画像データを用いてCADセグメンテーションソフトウェアにおける心臓セグメンテーション。(B) 血プール モデルの 3D レンダリングによるセグメンテーション。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
- 最終的な血液プールと心筋ケースセグメンテーションの 3D レンダリングを表示します。SMEの提案と承認に従って、標的解剖学の評価、理解、または修復に必要ではない血管を3D血液プールモデルから取り除く。[Mimics] で、表示ウィンドウの横にあるオプションで [ 3D プレビュー ] を選択します (既定では、4 つのペインの既定のビューの右下のビューが表示されます)。 プロジェクトマネージャで対象のマスクを選択します。編集するには、[マスクを 編集] ツールを選択します。表示されたダイアログで、 なげなわ ツールを選択し、[ 削除] が選択されていることを確認します。これにより、マスクの実際の 3D プレビューを編集できるようになります。
注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。 - 最終的な血液プールと心筋ケースセグメンテーションの3Dオブジェクトを生成します。スムーズ オブジェクト ツールを使用して、3D 心筋ケース モデルをスムーズにします。SME の提案と承認ごとに、特定のモデルで必要に応じて反復およびスムーズな因子パラメータを調整して、可能な限り滑らかで、重要な解剖学的詳細を失っていないケースモデルを作成します。
- SME によって承認されたら、3D モデル編集ソフトウェアで使用するために STL 形式でモデルをエクスポートします。[Mimics] で、[プロジェクト マネージャ] で特定のマスクを右クリック >オブジェクトを作成します。表示されたダイアログで、[ 最適] 設定が選択されていることを確認し、[ はい]をクリックします。
- モデルが作成されると、通常は[プロジェクトマネージャ]ウィンドウの下の[オブジェクト]ウィンドウに表示されます。そこから、生成されたモデルを右クリックし、スムーズを選択します。この場合のパラメータは、0.4 mm 平滑化で 5 回の反復でした。
- 最終的な3D血液プールと心筋ケースモデルを標準テッセレーション言語(STL)ファイルとして保存/エクスポートします。 STL+ >目的のモデルを右クリック>、提供されたダイアログに従って、モデルの STL バージョンをエクスポートします。
2. デジタル金型を作成する
- CADプログラムで心筋ケースモデルSTLファイルを開きます。心筋ケースモールドの内部に心筋が見えるように、ケースの可視性を透明にレンダリングすることをお勧めします。マジックで、インポートパートで生成されたSTL をインポートします。[ プロジェクト管理] ウィンドウで、モデルレンダリングの [透明] オプションを選択します。
- カットツールまたはパンチツールを使用して、モデルから余分な心筋ケース材料をトリムします。ケースの外縁と内面の心筋の印字の間に約0.5cmを持つ必要があります。追加の素材は3Dプリントに必要な時間を追加しますが、最終的な製品には影響しません。[マジック]で、[ ポリラインを示す]>カット> 対象点を選択> 適用します。
注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。 - 血液プール型の複雑な解剖学の周りにケースを組み立てることができるように、心筋ケースを複数の部分にカットします。これを行うには、カットツールやパンチツールを使用することをお勧めします。
注:次の手順は、多くの心臓モデルの血液プールの周りの診断精度とケースアセンブリの両方に十分であることが判明した4つのセクションに分割する心筋症例で行うカットの提案を提供します。しかし、各モデルは異なることになり、シリコーンセットの後にシリコーンを注ぎ取って取り除く前に、ケースを血液プールの周りに組み立てる必要があることを覚えておいてください。ケースが血液プールのループを通過するか、長い血管を囲む必要がある場所に特別な注意を払ってください。このような特徴は、血液プールの周囲の組み立てと分解が可能であることを保証するために、特徴が存在する領域で心筋ケースを追加の部分に切断する必要があります。 - 心の頂点を下に向け、大間アーチを水平に向ける回転ツールとパンツールを使用して、心筋ケースのビューを調整します。心筋ケースを頂点と上半分を含む下半分に分割する大麦を水平に切り抜く。このカットの長さとすべての後続のカットは、各心臓モデルによって異なります。マジックでは、左右のマウスボタンを使用して、それぞれ回転とパンをコントロールします。そこから、[ ポリラインを示す>をカット >対象点を選択> 適用します。
注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。- 心筋ケースの下半分の最も広い部分に沿って垂直に切り取ります。心筋ケースの下半分が大きく半分に分割されていることを確認します。
- 心筋ケースの上半分の最も広い部分に沿って2番目の垂直カットを行います。心筋ケースの上半分が大きく半分に分割されていることを確認します。
- 組み立て中に適切な位置合わせを確実にするために、心筋ケースピースにペグ(小道具)を追加します。プロップ生成ツールと、クリアランス値が 0.25mm のブール演算減算ツールを使用して、一致するプロップとプロップキャビティを作成することをお勧めします。[マジック] では、[ プロップを追加 ] >モデル> 適用の位置を示します。
- 心筋ケースの上半分片の1つに直径1.0cmのシリコーンの穴を作成します。フィルホールのすぐ下にある心筋表面の特徴は隠されるので、充填穴がモデルの使用に不可欠な外部解剖学的特徴の上にないことを確認してください。SME で穴の配置を確認します。
図2:CADソフトウェアにおける心筋ケースモデル VSDを有する心臓ケース用のCADソフトウェアで生成された心筋症例。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
- すべてのケースピースの診断を個別にチェックして、下反転された正常、悪いエッジ、悪い輪郭、近くの不良エッジ、平面の穴、シェルなどのエラーが発生していないことを確認します。エラーが検出された場合は、修復ツール/ウィザード (利用可能な場合) を使用して修復するか、または入手できない場合は手動で修復します。マジックで、 診断をチェック>自動解決します。
- 手動で解決できないエラー、またはシュリンク ラップ ツールを使用してパーツシュリンク ラップを使用して修正ツール/ウィザードで解決できないエラーを修正します。SME レビュー時に生理学を変更せずに特定のピースの誤差を修正するために必要に応じて、シュリンク ラップ サンプル間隔とギャップフィル値を調整します。マジックでは、 修正>シュリンクラップ >は、対話に従います。
- 個々の心筋ケースの部分をSTLファイルとして保存/エクスポートします。
3. 物理金型を作成する
- 適切なスライサーソフトウェアで心筋ケースと血液プールモデルを開き、アディティブマニュファクチャリング(AM)3Dプリンタ用の3D印刷ファイル(Gコードファイル)を作成します。回転や平らなツールを使用して心筋ケースのピースを配置し、別のケースピースと会う側が垂直になるようにします。3D プリント サポートを手動ですべての部分に追加するか、ソフトウェアで提供される自動サポート生成ツールを使用します (可能な場合)。
図3:3D印刷CADソフトウェアにおける心筋ケースと血液プールの設定 適切な向きを持つ心筋ケースと血液プールと、VSDを備えた心臓ケース用の3DプリンティングCADソフトウェアでの3Dプリンティングの準備に対応しました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
- モデルをスライスして、ABSの血液プールを使用して、3Dプリンタで使用するGコードを生成します:100°Cの加熱床温度、250°Cの押出機温度、5%の面材密度、50mm/sのデフォルト印刷速度、70mm/sの内部シェル速度、外殻速度または50mm / s;ABSまたはポリ乳酸(PLA)の心筋型(PLA)を用いた:PLAの場合は60°C、ABSの場合は100°Cの加熱床温度、PLAの場合は205°C、ABSの場合は250°Cの押出器温度、15%のインフィル密度、50mm/sのデフォルト印刷速度、内殻速度80mm/s、および30mm/sの外殻速度
- Gコードを保存/エクスポートします。
- フラッシュドライブまたはWi-Fi接続を使用して3Dプリンタに印刷ファイルをアップロードし、プリンタの機能に応じて、正しいフィラメントが3Dプリンタにロードされ、印刷を開始します。3Dプリンタは、互換性があり、0.4mm未満のノズル径を装備し、0.25mm未満の層解像度が可能です。印刷が完了したら、ニードルの鼻のペンチとピンセットを使用して、印刷物からすべてのサポート材を取り除きます。
図4:3Dプリントモデル作品。 (A)心臓ケースの(A)物理的な血液プールおよび(B)心筋ケース片の写真を、サポート材を取り除いた3Dプリンタから生成されたVSDを有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
- 血液プール金型の周りに心筋ケースピースを組み立て、すべてのピースがしっかりと一緒にフィットすることを確認します。心筋ケースが血液プールの周りに収まらない場合は、ハンドヘルドロータリーサンディングツールを使用してケースモールドピースを小さく調整して材料を取り除きます。大きな調整が必要な場合は、CAD ソフトウェアで STL ファイルを編集し、新しい 3D プリントを作成する必要があります。
注意:ハンドヘルドロータリーサンディングツールを使用する場合は、目の保護を使用してください。血液プールまたは心筋ケースにロータリーサンディングツールを使用すると、プラスチックが溶融します。慎重に使用してください。
注: このプロトコルは、この時点より前の任意のステップ間で一時停止することができます。 - 心筋ケースをABSを用いて3Dプリントした場合はアセトン蒸気を滑らかにし、SMEによりより滑らかなシリコーン表面仕上げが望まれる。より滑らかな表面仕上げが望まなかったり、必要とされない場合は、モデルの最終的な解剖学に最小限の効果で蒸気の滑らかなプロセスをスキップします。
注意:アセトンは揮発性で可燃性です。開いた炎や火花から離れた換気の良い場所に設置してください。さらに、アセトンはポリ塩化ビニル(PVC)とポリスチレンを溶解します。プラスチック製の容器を使用している場合は、PVCやポリスチレンが含まれていないことを確認してください。- ペーパータオルでアセトンの影響を受けない容器の底部と側面を並べます。底のペーパータオルにアセトンを注ぎ、容器の側面にあるペーパータオルを拡散させますが、底にプールを形成しません。必要なアセトンの量は、使用されるコンテナのサイズによって異なります。ここで、30mLのアセトンを約400cm3のベース体積を有する容器に使用した。
- 底のペーパータオルを覆うために容器にアルミホイルを入れます。心筋ケースピースをアルミ箔の上に置き、スムージングしたい面が垂直になるように心筋片の向きを変えます。心筋の部分が互いに触れていないか、容器の壁にペーパータオルを使用していないことを確認します。
- 容器の上に蓋をするか、またはアルミニウムホイルで覆い、心筋ケースピースが望ましい表面仕上げの約80%が達成されるまで容器内に邪魔されず、目視検査ごとに残るようにします。蒸気の滑らかなプロセスを完了するために必要な時間は、容器のサイズと使用アセトンの量によって異なります。最初の30分後に15分間隔で所望の表面の終わりのための心筋ケースの部分を確認し始める。この研究では、蒸気平滑化は150 mL構造のために2時間かかった。
- 手袋を着用し、外側の表面にのみ触れる容器から心筋ケースピースを慎重に取り外します。換気の良い場所で30分間、または滑らかで乾燥して硬くなるまで、部品を完全に脱ガスさせます。
図5:蒸気平滑化心筋ケース片。 アセトン蒸気滑らかな後のVSDを有する心臓ケースの心筋ケース片の写真。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
4. シリコーンを注ぐ
注:ラテックスや硫黄を含むいくつかの汚染物質は、それらが接触した場合、シリコーンの硬化を阻害することができます。シリコーンを使用する前に、技術的な情報を確認することをお勧めします。
- 心筋モデルを作成するために必要な2部構成のプラチナキュアシリコーンの量を推定します。必要なシリコーンの量は、作成するモデルのサイズによって異なります。あるいは、CADソフトウェアを使用して心筋セグメンテーションの体積を測定し、必要なシリコーンの量を決定します。シリコーンが、2 Aの海岸硬度、1,986 kPaの引張強度、763%の破断時伸縮、0.0254 mm/mm未満の収縮、18,000 cpsの混合粘度、12分のポット寿命、40分の硬化時間を有することを確認してください。この研究は、シリコーンの300 mLを必要としました。
- シリコーンのパートAとパートBを十分に攪拌してから、必要な量を正しい割合で混合カップに注ぎます。モデルに色が必要な場合は、顔料を追加し、すべての部分と顔料を十分に混ぜます。この研究では、パートAとパートBの両方の150mLを混合し、手または攪拌機で攪拌した。シル顔料製品の色「血液」( 材料表を参照)は、所望の色が達成されるまでクラフトスティックによって添加されました。
- 徹底的に混合したシリコーンをHgの29の真空チャンバーに2〜3分間脱ガスします。シリコーンは、脱ガスプロセス中にその体積の約2倍に拡大し、混合容器が膨張を可能にするのに十分なスペースを持っていることを確認してください。チャンバーから脱ガスシリコーンを通して取り除き、それを徹底的にコーティングするためにシリコーンの血液プールを水没させ、血液プール内のすべての空隙および空洞がシリコーンで満たされていることを保証する。
- 換気の良い場所に、心筋ケースのすべての部分に簡単なリリース製品( 材料表を参照)を十分にスプレーします。血液プールの頂点の周りに心筋ケースの下半分を組み立てます。心筋ケースピースの間に縫い目があってシリコーンが漏れ出す場合は、クランプまたは熱い接着剤や粘土などの材料を使用して、金型の外部表面の漏れを密封します。
- 血液プールとケースウォールの間のスペースにシリコーンを注ぎ、シリコーンがすべての隙間に流れ込むことを可能にします。心筋金型の組み立て片がシリコーンで満たされるまでシリコーンを注ぎ続けます。
- 心筋ケースの残りの部分を組み立て、必要に応じてゴムバンドとクランプを使用してケースピースをしっかりと固定します。心筋空間全体がシリコーンで満たされるまで、心筋ケースピースの上部にある充填穴にシリコーンを注ぎます。
- シリコーンを~40分間セットします。心筋ケースからシリコーンの心臓を取り除き、ケースピースまたは充填穴の間のスペースから作成されたシリコーンの縫い目を切り落とします。
5. 血液プールを溶かす
- シリコーンモデルで開いたエンドを持つべきすべての血管を特定し、内部のABS血液プールを露出させるためにそれらをカバーしている任意のシリコーンをトリミング.
- シリコーンの心臓をアセトン浴に浸します。ABSはアセトンの沈み込み後10-15分を軟化し始めます。これが発生すると、ABS溶解プロセスの速度を上げるためにピンセット付きの大きな塊を取り除きます。
- ABS血液プールの大部分が溶解したときに、クリーンアセトンで2〜3本のアセトンリンス/浸漬を行い、シリコーンからすべてのABSを除去します。アセトン浴から心臓モデルを取り除き、残りのアセトンが換気の良い領域でモデルから蒸発するようにします。ABSを完全に溶解するのに必要な時間は、モデルのサイズ、手動で取り除くABSの量、および使用されるアセトンの量に依存します。
図 6: VSD を備えた患者固有のシリコーン心臓モデル VSDを用いた完全なシリコーンモデルの外膜表面図の写真。VSDは、心臓内心筋構造内の位置のために見えない。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Representative Results
VSDを有する患者からの放射線画像データを、代表的なシリコーン心臓モデルを生成するために選択された。患者の解剖学は、CADセグメンテーションソフトウェアを利用してセグメント化し、デジタル心筋モデルおよびデジタル血液プールモデルを生成した(図1)。提示されたプロトコルを用いた血液プールおよび心筋の手動セグメンテーションは、完了するまでに1〜3時間かかります。セグメンテーションが完了すると、CADソフトウェアで更なる処理のために心筋モデルが開かれました。モデルはプログラム内で作成された 3D ボックスに位置合わせされ、ブール演算を使用して減算されました。このプロセスは、心筋モデルの陰性を残し、金型を形成した。この心筋金型は、より適切なサイズにトリミングされ、セグメントに切断され、ピースを整列させるための小道具で修正されました(図2)。ケースの作成は2-6時間かかりました。すべての心筋金型片と血液プールを3D印刷スライスソフトに積み込み、Absで3DプリントにGコードを生成しました(図3)。サポート素材を取り外した3Dプリントされた部分は、図4に示されています。心筋ケース片を蒸気平滑化し、モデルの表面仕上げを強化した(図5)。蒸気円滑なプロセスが完了すると、血液プールモデルの周りに金型を組み立て、シリコーンを注ぎ込んだ。組み立てとシリコーンの注ぎは1時間かかりました。シリコーンセット後、心筋モデルを心筋ケースから取り出し、アセトンに沈め、血液プールを溶解させた。約24時間の浸漬の後、血液プールは溶解していた。最終的にアセトンリンスを行い、モデルを完全に乾燥させた。完成したシリコーン心臓モデルは図6に見ることができる。シリコーンモデルの精度と機能性を評価するために、CHD(先天性心不全)専門家によって切開を行い、内部解剖学を観察できるようにしました。予想されるVSDが存在し、先天性心臓外科医によってモデルにGORE-TEXパッチが縫い付けられ、VSDを修正しました(図7)。正常に完了したシリコーンモデルでは、すべての患者の解剖学および欠陥は、外部および内部の両方に存在する。プロトコルの概要は、補足ファイル 1 で確認できます。
図7:VSDを用いたシリコーン心臓モデルに縫い付けられたGORE-TEXパッチ。 (A)VSDを有する患者固有のシリコーン心臓モデルの外科医の見解と、(B)モデル内のVSDの(B)外科医の見解をGORE-TEXパッチで閉じた。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足ファイル1:シリコーン心臓製作プロトコルの概略。患者固有のシリコーン心臓モデルの製造におけるプロトコルの模式図。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補助ファイル 2: 重要なステップと潜在的な否定的な結果の概要.患者固有のシリコーン心臓モデルの開発において重要なステップの概要と、ステップが正しく従わない場合に生じる可能性のある負の結果。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Discussion
プロトコルが完了すると、外科用準備のための患者固有のシリコーン心臓モデルが生じる。ただし、これを実現するには、いくつかの重要な手順を正しく完了する必要があります。プロトコルの重要なステップの概要は 、補足ファイル 2 に表示されるだけでなく、ステップが正しく実行されない場合の結果の可能性も確認できます。最初の重要なステップは患者の放射線の画像データの区分を含む。この手順では、診断 3D イメージング データセットを取得する必要があります。手術前の計画や教育におけるモデルの有用性は、3Dデータセットの品質に依存します。0.625 mm ~ 2.6 mm のスライス サイズで収集したイメージ セットを使用して、データ セットがモデルの作成に適した解像度になるようにすることをお勧めします。しかし、すべての画像パラメータは、患者のケアが優先され、放射線科の臨床医の専門家によって設定する必要があります。推奨値以外のスライスサイズで収集したイメージセットからモデルを生成することは可能かもしれませんが、モデルの解像度と品質は悪影響を受けます。画像が得られた後、セグメンテーションが正しく行われない場合、最終的なモデルが作成されて切り込まれるまで実現されないのが一般的であり、時間と材料が失われます。この負の結果を防ぐために、品質管理用のデジタル金型を作成する前に、主題の専門家がセグメント化されたファイルを確認することをお勧めします。次の重要なステップは、デジタル金型の作成中に発生します。心筋ケースが血液プールモデルの周りに組み立てられるようにすることが重要です。血液プールの周りにケースが閉じなければ、未設定のシリコーンが絶えず漏れ出し、解剖学が歪む可能性があるので、シリコーンモデルを作成するために使用することはできません。ハンドヘルドロータリーサンディングツールは、小さな調整が必要な場合にのみ、心筋金型の一部を軽く取り除くために使用できます。大きな調整が必要な場合は、デジタル金型を変更し、更新されたケースを印刷する必要があります。最後の重要なステップは、シリコーンの注ぎ込みです。シリコーンを使用する際には、シリコーンが粘着性のある表面で治癒するシリコーンを生じる可能性があるため、材料指示に厳密に準拠する必要があります。表面がSMEで使用するには粘着性が高すぎると判断された場合、シリコンから正常に除去できない場合は、血液プールを再印刷する必要があります。シリコーンを再注ぎする必要があり、その結果、時間と材料が失われます。シリコーンが不十分な場合、または設定プロセス中にシリコーンが心筋ケースモールドから漏れた場合、結果として得られるモデルは不完全になります。この障害は、金型に追加のシリコーンを混合し、注ぐことによって改善することができます。硬化プロセス中に少量のシリコーンが漏れ出しているように見える場合は、熱い接着剤や粘土などの材料を使用して、心筋ケースモールドの縫い目を密閉することができます。
患者固有のシリコーン心臓モデルを作成するこの方法は、患者固有または複雑な内および外の幾何学的形状を有する任意の柔らかい解剖学的構造のモデルの作成を可能にするために変更することができる。ターゲットの解剖学が正しくセグメント化されていると仮定すると、プロトコルの残りの手順は最小限の変更で行われます。現在の作業の焦点ではないが、プロトコルは、同様の成功を伴う肝臓のパレンチマに適用されています。利用された3Dプリント材料も変更することができます。ABSとPLAは低コストのため使用することをお勧めしますが、任意の解決可能な3Dプリント材料はABSの代わりとなり、望ましい3Dプリント材料は、プロトコルに最小限または全く変更なしでPLAの代わりをすることができます。他の印刷材料を使用する場合は、フィラメントメーカー指定の印刷パラメータをすべて使用する必要があります。この方法は、別のシリコーンを用いることによってさらに変えることができる。このプロトコルで使用するために推奨されるシリコーンは2 Aの海岸硬度を有するが、別の海岸硬度値が望ましい場合、別のシリコーンは、プロトコルに最小限または全く変更なしで置換することができる。異なるシリコーン製品を使用する場合は、すべての製造仕様と手順に準拠してください。
このプロトコルは改善された心臓モデリング手順を概説するが、それは制限がないわけではない。このプロトコルの主な制限は、利用された白金硬化シリコーンは、他の利用可能な材料よりも心臓組織の硬度に近いが、硬度は、外科訓練の細かい運動能力に役割を果たしている唯一の特性ではないということです。特に、心臓組織の実質は、力下での摩耗や破れが見え出す。利用されたシリコーンは非常に伸縮性があり、破断時の伸びは763%、引張強度は1,986 kPa19です。ブタ心臓組織は、ヒト心臓組織の正確な表現であると考えられており、破断時の伸びは28〜66%、引張強度は40〜59 kPa26である。この違いは、心臓外科の仲間がシリコーンモデルの心臓で練習手術を行い、モデルが実際の心臓組織ができない力に耐えることができるので、誤った自信を得ることができるので、問題を提示する。この方法論は、非常に複雑な幾何学を持つ心臓モデルによって制限される可能性もあります。モデルの解剖学的複雑さが増すにつれて、プロトコルは心筋型のピースの数を増やすことによって補うことができる。本質的に、ますます複雑化するモデルは、ますます複雑な金型設計と設計時間の増加を必要とします。
このプロトコルで説明されているモデル作成プロセスは、外科的に遭遇した解剖学の低コストの正確な解剖学的レプリカを再作成する能力のために、他の利用可能な選択肢の多くよりも優れています。Cadavericおよび動物組織は高忠実度のシミュレーションを可能にするが、彼らははるかに高いコストを有し、利用され、維持される特定の実験室のセットアップを必要とする2,6.さらに、キャダベリックおよび動物組織モデルは倫理的な懸念を持ち、患者固有ではなく、複雑なCHDはしばしば外科医またはインストラクターによって手動で製造されなければならず、しばしば周囲の組織および器官に不正確さまたは損傷をもたらす。もう 1 つの潜在的なモデリング手法には、仮想現実の使用があります。バーチャルリアリティは、患者の解剖学および外科計画の正確な精神的表現を確立するための効果的なツールである患者固有の心臓モデルのデジタル複製を可能にする。さらに、一部のVRシステムは、触覚フィードバックを組み込んだ基本的なシミュレーションを可能にしています。しかし、利用可能な触覚フィードバックは、先天性心臓手術の手術に必要な細かい運動能力を複製するために必要なリアリズムを欠いている4.3Dプリンティングは、患者固有の心臓モデルを製造するための別の利用可能な方法です2,24.しかし、マルチマテリアル、ソフトモデルを製造できる忠実度の高い3Dプリンタの広範な実装は、その非常に高いコストによって阻害される11,14,15.低コストの3Dプリンタは利用可能ですが、実際の心筋よりもはるかに堅固な材料でのみ印刷することができます。3Dプリンタで最も柔らかい材料の1つを使用してScanlanららによってモデルを作成した場合、モデルは実際の心臓組織よりもしっかりしていることが判明しました17.記載された材料は、26 Aと28Aの間の海岸硬度を有し、ゴムバンドに似た質感を与えた。このプロトコルで使用される白金硬化シリコーンは、2 Aの海岸硬度を有し、ゲルシューインサートに似たテクスチャを与え、実際の心臓組織の硬さにはるかに近い、43 00です20 または~0 A. ホアシら. また、柔軟な3Dプリントされた心臓モデルを開発するために、このプロトコルで説明したものと同様の方法を利用した。内側と外側の心筋幾何学を表す2つの金型を、SLAプリンタを利用して3Dプリントし、続いてゴム状のポリウレタン樹脂を真空鋳造した。この方法はソフト心臓モデルを生成しましたが、モデルごとにこの方法の提案された生産コストは2,000〜3,000 USDでした22.比較的、提示されたプロトコルに記載されている方法の総材料コストは10米ドル未満です。最後に、同様の方法もルッソらによって使用された. 手続き上の練習のために大動脈弁および近位大動脈のシリコーンモデルを作成する。ルッソら. メソッドは、大動脈または大動脈弁のはるかに単純な解剖学を複製することを目的と、同様の目標、その提示されたプロセスに焦点を当てています。本明細書に示すプロトコルは、より小さく、より複雑で、歴史的方法論を考えると複製することは非常に困難であろう心臓内および心筋解剖学に焦点を当てることによって、それ自体を区別する。この違いにもかかわらず、ルッソらによって作成されたモデル. 調査対象心臓外科医による心臓手術のシミュレーションとトレーニングに非常に有用であった23.基本的に、このプロトコルで説明されている方法は、他のモデリング方法よりも正確に表現された欠陥と物質特性を持つ複雑な、患者固有の先天性心臓モデルの低コストの作成を可能にする1,16、現実的な触覚の忠実度でモデルを操作することを可能にする。
今後、この方法論は、複雑な内部および外部特徴を有するあらゆる患者解剖学のモデル形成に適用することができる。シリコーンモデル内から破壊的な方法で除去したり、時間のかかる方法で生産できる代替血液プール材料を開発することで、プロセスの時間とコスト効率が向上します。その結果、新しい血液プールは、その後の成形プロセスごとに再現する必要がなさ、関連するトレーニングのスケーラビリティにつながります。モデルの作成に使用されるシリコーンの物理的特性も改善できます。休憩時の伸びが少ないシリコーンは、モデルのリアリズムを高め、これらの複雑な手順を実行するために必要な細かい運動能力を学ぼうとする心臓外科フェローのための教育ツールとしての価値を向上させるのに役立ちます。このソリューションを支援するために検討する価値のある現在市場に出ている材料のグループは、シリコーンシミュレートガラス材料25です。これらのシリコーン材料は、ガラスに似た方法で力の適用時に明確な「粉砕」につながるブレーク時にはるかに少ない伸びを示しています。このシリコーンのシミュレートされたガラス材料の付加とこのプロトコルで使用されるプラチナの硬化シリコーンを調節することは、まだ適切な海岸硬度を維持しながら、モデルの摩れ値特性の制御を可能にし、全体的な触覚の忠実度を向上させる。最後に、このプロトコルが生成できる解剖学の解像度は、金型を生成するために使用される3Dプリンタの解像度によって制限されます。技術が向上し続ける中で、このプロトコルで作成できる解剖学の解決も改善されるはずです。
Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
著者らは、この研究を可能にしたOSFヘルスケアと、私たちの最終製品へのスキルの手続き上の知識と応用についてマーク・プランケット博士を認めたいと考えています。
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
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