مقالة منهجية

تطوير وتقييم الأشباح القلبية الوعائية المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط والتدريب التدخلي

DOI:

10.3791/62063

⸱

يناير 18, 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cardiac Surgery, Ludwig Maximilian University Munich, 2Chair of Medical Materials and Implants, Technical University of Munich, 3Department Pediatric Cardiology and Pediatric Intensive Care, Ludwig Maximilian University Munich, 4Department of Radiology, Ludwig Maximilian University Munich

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا نقدم تطوير إعداد الدورة الدموية وهمية لتقييم العلاج متعدد الوسائط، والتخطيط قبل التدخل، وتدريب الأطباء على تشريح القلب والأوعية الدموية. مع تطبيق المسح المقطعي للمريض محددة، وهذا الإعداد مثالية للنهج العلاجية، والتدريب، والتعليم في الطب الفردي.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التدخلات القائمة على القسطرة هي خيارات العلاج القياسية لأمراض القلب والأوعية الدموية. ولذلك، يمكن أن تساعد النماذج الخاصة بالمرضى في تدريب المهارات السلكية للأطباء وكذلك تحسين تخطيط الإجراءات التدخلية. كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير عملية تصنيع نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد خاصة بالمرضى للتدخلات القلبية الوعائية.

لإنشاء شبح مرن مطبوع ثلاثي الأبعاد ، تمت مقارنة مواد طباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة بالأنسجة البيولوجية البورسينية (أي الأنسجة الأبهرية) من حيث الخصائص الميكانيكية. وقد اختيرت مادة مناسبة استنادا إلى اختبارات الشد المقارنة وحددت سماكة مواد محددة. تم جمع مجموعات بيانات CT المعززة بالتباين مجهولة المصدر بأثر رجعي. تم استخراج نماذج الحجم الخاصة بالمرضى من مجموعات البيانات هذه ثم طباعتها ثلاثية الأبعاد. تم بناء حلقة تدفق نابض لمحاكاة تدفق الدم داخل الألومنيوم أثناء التدخلات. تم تقييم مدى ملاءمة النماذج للتصوير السريري من خلال التصوير بالأشعة السينية والتصوير المقطعي والتصوير بالرنين المغناطيسي 4D والتصوير فوقسونوغرافيا (دوبلر). واستخدمت وسيلة التباين لتعزيز الرؤية في التصوير بالأشعة السينية. تم تطبيق تقنيات القسطرة المختلفة لتقييم الأشباح المطبوعة ثلاثية الأبعاد في تدريب الأطباء وكذلك لتخطيط العلاج قبل التدخل.

وأظهرت النماذج المطبوعة دقة طباعة عالية (~ 30 ميكرومتر) وكانت الخصائص الميكانيكية للمواد المختارة مماثلة للميكانيكا الحيوية الفسيولوجية. وأظهرت النماذج المادية والرقمية دقة تشريحية عالية بالمقارنة مع مجموعة البيانات الإشعاعية الأساسية. كانت النماذج المطبوعة مناسبة للتصوير بالموجات فوق الصوتية وكذلك الأشعة السينية القياسية. عرض التصوير فوق السونوغرافيا دوبلر والتصوير بالرنين المغناطيسي 4D أنماط التدفق والخصائص البارزة (أي الاضطراب، والإجهاد القص الجدار) مطابقة البيانات الأصلية. في بيئة مختبرية تعتمد على القسطرة، كان من السهل قسطرة الأشباح الخاصة بالمريض. كان من الممكن التخطيط للعلاج وتدريب الإجراءات التدخلية على التشريحات الصعبة (مثل أمراض القلب الخلقية( CHD).

كانت الأشباح القلبية الوعائية المرنة الخاصة بالمريض مطبوعة ثلاثية الأبعاد ، وكان من الممكن تطبيق تقنيات التصوير السريري الشائعة. هذه العملية الجديدة مثالية كأداة تدريبية للتدخلات القائمة على القسطرة (الكهربية) ويمكن استخدامها في تخطيط العلاج الخاص بالمرضى.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تكتسب العلاجات الفردية أهمية متزايدة في الممارسة السريرية الحديثة. أساسا، يمكن تصنيفها في مجموعتين: النهج الوراثية والمورفولوجية. بالنسبة للعلاجات الفردية المستندة إلى الحمض النووي الشخصي الفريد ، إما تسلسل الجينوم أو التحديد الكمي لمستويات التعبير الجيني ضروري1. يمكن للمرء أن يجد هذه الأساليب في علم الأورام، على سبيل المثال، أو في علاج اضطراب التمثيل الغذائي2. يلعب المورفولوجيا الفريدة (أي التشريح) لكل فرد دورا مهما في الطب التدخلي والجراحي والأطراف الاصطناعية. يمثل تطوير الأطراف الاصطناعية الفردية وتخطيط العلاج قبل التدخل / المنطوق التركيزات المركزية لمجموعات البحث اليوم3و4و5.

تأتي من إنتاج النموذج الصناعي ، والطباعة ثلاثية الأبعاد مثالية لهذا المجال من الطب الشخصي6. تصنف الطباعة ثلاثية الأبعاد كطريقة تصنيع مضافة وعادة ما تستند إلى ترسب طبقة بطبقة من المواد. في الوقت الحاضر، تتوفر مجموعة واسعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد مع تقنيات الطباعة المختلفة، مما يتيح معالجة المواد البوليمرية أو البيولوجية أو المعدنية. نظرا لزيادة سرعات الطباعة فضلا عن التوافر المستمر على نطاق واسع للطابعات ثلاثية الأبعاد ، أصبحت تكاليف التصنيع أقل تكلفة تدريجيا. لذلك ، أصبح استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط قبل التدخل في الروتين اليومي ممكنا اقتصاديا7.

كان الهدف من هذه الدراسة هو إنشاء طريقة لتوليد أشباح خاصة بالمرضى أو أمراض محددة ، قابلة للاستخدام في تخطيط العلاج الفردي في طب القلب والأوعية الدموية. يجب أن تكون هذه الأشباح متوافقة مع طرق التصوير الشائعة ، وكذلك مع النهج العلاجية المختلفة. وكان الهدف الثاني هو استخدام التشريحات الفردية كنماذج تدريبية للأطباء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ونظرت اللجنة الأخلاقية لدراسة لودفيغ ماكسيميليانس - جامعة مونشن في الموافقة الأخلاقية، وتم التنازل عنها بالنظر إلى أن مجموعات البيانات الإشعاعية المستخدمة في هذه الدراسة جمعت بأثر رجعي ولم يتم الكشف عن هويتها بالكامل.

يرجى الرجوع إلى إرشادات السلامة للتصوير بالرنين المغناطيسي في المعهد، خاصة فيما يتعلق ببطين LVAD المستخدم والمكونات المعدنية لحلقة التدفق.

1. الحصول على البيانات

  1. قبل إنشاء الأشباح التشريحية ، حدد مجموعة بيانات إشعاعية مناسبة ، ويفضل أن تكون من المرضى في تخصصات القلب والأوعية الدموية. يمكن اشتقاق النموذج الافتراضي ثلاثي الأبعاد من مجموعات بيانات التصوير المقطعي المحوسب (CT) أو التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
  2. حدد حجم البكسل وسمك الشريحة (ST) لمجموعة البيانات للتكيف مع حجم الهياكل المراد تمثيلها في النموذج ثلاثي الأبعاد. استخدمت هذه التجربة ST من 0.6 ملم مع حجم مصفوفة من 512 × 512 ومجال رؤية من 500 ملم مما يؤدي إلى حجم بكسل من 0.98 ملم. تأكد من أن قيمة كل من حجم البكسل وST يجب أن تقع تحت حجم أصغر ميزة يجب أن تكون مرئية في الصور والنموذج ثلاثي الأبعاد ، على سبيل المثال ، <0.3 مم لمجموعات بيانات الرضع أو تمثيل التاجيات ، <0.6 مم للهياكل القلبية الوعائية الرئيسية لمريض بالغ.
  3. إجراء عملية اكتساب قياسية لتصوير الأوعية المقطعية (CTA) بتقنية حلزونية ثنائية المصدر مع ST من 0.6 مم للمرضى البالغين. للبالغين، وحقن 80 مل من اليود عامل التباين بسرعة 4 مل / ثانية وبدء اكتساب 11 ثانية بعد تتبع bolus في الشريان الأورطي الصاعد عند عتبة 100 HU. يتم اختيار الجهد الأنبوبي وتيار الأنبوب تلقائيا بواسطة الماسح الضوئي وفقا لنوع جسم المريض. قم بإعادة البناء في نواة الأنسجة الرخوة باستخدام درجة عالية من إعادة الإعمار التكراري.
    ملاحظة: تعتمد معلمات وبروتوكولات اكتساب CTA بشكل كبير على الماسح الضوئي CT المتوفر وحجم المريض ومحيط المريض. وتستند البارامترات المعروضة إلى الخبرة وينبغي أن تؤخذ كنقطة بداية للتعديل بدلا من أن تكون شرطا ثابتا.
  4. بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي MR angiography (MRA)، قم بإجراء التصوير بالرنين المغناطيسي (غير CE) غير المعزز بالتباين باستخدام تسلسل معدل داخلي يستخدم شكل موجة متدرجة متوازن تماما، باستخدام كل من تحفيز تخطيط القلب والجهاز التنفسي (TE 3.59، TR 407.40، حجم المصفوفة 224x224). تحقيق الحصول على بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي المتسارع باستخدام الاستشعار المضغوط الذي يجمع بين التصوير المتوازي وأخذ العينات المتناثرة وإعادة البناء التكراري. على سبيل المثال، أوقات الاستحواذ من حوالي 5 دقائق لالصدر الشريان الأورطي ممكنة.
    ملاحظة: تأكد من تحديد مجموعة بيانات خالية من الحركة artifacts. للحد من القطع الأثرية الحركة، وإجراء اقتناء الصور باستخدام تحفيز تخطيط القلب المحتملين واثار الجهاز التنفسي إضافية لغير CE MRA. وعلاوة على ذلك، عند اختيار نموذج للاستخدام العام، تأكد من عدم وجود يزرع المعدنية لأن هذا يمكن أن يحسن نوعية النموذج النهائي.
  5. للتجزئة والطباعة ثلاثية الأبعاد لتشريحات القلب والأوعية الدموية، استخدم مجموعات البيانات المعززة بالتباين. استخدام مجموعات البيانات القلبية الوعائية الأصلي يجعل فصل الهياكل التشريحية المجوفة (على سبيل المثال، الأوعية أو البطين) عن الدم صعبا، وذلك بسبب قيم هونسفيلد المماثلة التي تبلغ حوالي 30 HU8.
    ملاحظة: ارتفاع تدرج قيمة هونسفيلد بين حجم الدم والأنسجة الرخوة المحيطة به سيسمح بفصل أسهل في عملية التقسيم. إذا كان التدرج صغيرا جدا ، سيتم عرض أجزاء من الأنسجة الرخوة كجزء من حجم الدم ، مما يؤدي إلى جودة نموذج رديئة ومعالجة إضافية بعد.
  6. عند تصدير مجموعة البيانات، تأكد من تحديد سمك شريحة منخفضة بشكل معقول (حوالي 0.3 - 0.6 مم ل CTA و 0.8 - 1.0 مم لMRA)، لأن الدقة وجودة السطح للنموذج المطبوع يعتمد إلى حد كبير على هذه المعلمة.
    ملاحظة: إذا سمك الشريحة رقيقة جدا، قوة الحوسبة المطلوبة للنمذجة زيادة كبيرة، مما يبطئ العملية وفقا لذلك. من ناحية أخرى ، يمكن أن يؤدي سمك الشريحة المفرط إلى فقدان تفاصيل صغيرة في تشريح المرضى.

2.3D نموذج إنشاء

ملاحظة: يسمى إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد من مجموعة بيانات إشعاعية بعملية التقسيم، ويلزم وجود برنامج خاص. تقسيم الصور الطبية يؤسس نفسه على وحدات هونسفيلد، لتشكيل نماذج ثلاثية الأبعاد9. تستخدم هذه الدراسة تجزئة تجارية وبرامج نمذجة ثلاثية الأبعاد (انظر جدول المواد)،ولكن يمكن تحقيق نتائج مماثلة باستخدام مجانية متاحة. سيتم وصف الخطوات التالية للنمذجة من مجموعة بيانات CT محسنة على التباين.

  1. بعد استيراد مجموعة البيانات إلى برنامج التقسيم، قم باقتصاص مجموعة البيانات للحد من مجال الاهتمام، أي القلب والقوس الأبهري. وقد تحقق ذلك من خلال تحديد أداة "صور المحاصيل" وتحريك حواف عائد الاستثمار بالنقر على جانبي الإطار وتحريكه. ويمكن القيام بذلك في جميع الاتجاهات الثلاثة. لذلك، يتم الحصول على التركيز على عائد الاستثمار، مع انخفاض حجم الملف، مما يتيح سرعة الحوسبة العالية، مما يؤدي إلى تقليل وقت العمل الإجمالي.
  2. حدد مجموعة من قيم وحدة هونسفيلد (حوالي 200-800 HU) عن طريق فتح أداة Threshold ، مما أدى إلى قناع مشترك لحجم الدم المعزز على النقيض من ذلك وهياكل العظام(الشكل 1A، على سبيل المثال ، القص ، أجزاء من القفص الصدري ، والعمود الفقري).
  3. إزالة جميع أجزاء العظام غير المرغوب فيها في النموذج 3D النهائي باستخدام أداة قناع الانقسام الذي يتيح وضع علامات وفصل مناطق متعددة وشرائح عموما، استنادا إلى قيم هونسلد والموقع.
  4. بعد هذا الفصل، تأكد من بقاء قناع يحتوي على حجم الدم المعزز بالتباين. ويمكن القيام بذلك، عن طريق التمرير عبر المستويات التاجية والمرحلة المحورية ومطابقة القناع الذي تم إنشاؤه مع مجموعة البيانات الأساسية. من هذا القناع، حساب نموذج سطح المضلع 3D المقدمة (ما يسمى STL)(الشكل 1B).
    ملاحظة: قد تختلف أسماء الأدوات في برامج تجزئة أخرى.
  5. لمزيد من التكيف والتلاعب، نقل نموذج ثلاثي الأبعاد إلى برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد (انظر جدول المواد). لتصدير النموذج ثلاثي الأبعاد، انقر فوق "تصدير-أداة" وحدد برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد، أو تنسيق بيانات مناسب للملف المصدر. بعد ذلك، تأكد من اختيارك وسيتم تنفيذ عملية التصدير.
  6. استخدم أداة Trim اقتصاص حجم الدم إلى منطقة معينة من الاهتمام (على سبيل المثال، إزالة أجزاء من الشريان الأورطي أو بعض تجاويف القلب). انقر فوق الأداة ورسم كفاف حول الأجزاء التي تحتاج إلى إزالة.
    ملاحظة: اعتمادا على جودة مجموعة البيانات ودقة التقسيم، قد تكون هناك حاجة إلى بعض الإصلاحات الطفيفة على السطح والتعديلات في هذه المرحلة. تسمح عمليات التصميم الإضافية بالتلاعب بالنماذج الخاصة بالمرضى وفقا لغرض الاستخدام ، على سبيل المثال ، في التدريب. بعض الأمثلة على الهندسة ، وفقا لتشريح المرضى ، وتشمل توسيع نطاق النموذج بأكمله أو هياكل واحدة ، لإنشاء أو حذف الاتصالات ، والجمع بين أجزاء من نماذج مختلفة في واحد. هذه الميزات مثيرة للاهتمام بشكل خاص لنماذج التدريب مع التشوهات الخلقية ، حيث أن التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي نادران في طب الأطفال ، حيث يكون تقليل الإشعاع والتخدير أمرا أساسيا. لذلك ، فإن تكييف وتعديل النماذج الحالية مفيد بشكل خاص لطباعة نماذج عيوب القلب الخلقية ثلاثية الأبعاد.
  7. انقر فوق أداة التجانس المحلي لضبط سطح الطراز المقسم يدويا ومحليا. ركز على إزالة الأشكال المضلعة الخشنة والقمم المفردة والحواف الخشنة التي تم إنشاؤها بواسطة عمليات التشذيب السابقة.
  8. للسماح للاتصال في وقت لاحق من النموذج إلى حلقة تدفق، وتشمل أجزاء أنبوبي مع أقطار محددة تعديلها لموصلات خرطوم المتاحة وأقطار أنبوب(الشكل 1C). لذلك، ضع طائرة داتوم موازية لفتح المقطع العرضي للسفن على مسافة 10 ملم تقريبا.
    1. لوضع الطائرة، حدد الأداة إنشاء طائرة Datum واستخدم المستوى 3 نقاطمسبقا. بعد ذلك ، انقر على ثلاث نقاط متباعدة على التساوي على السفن المقطع العرضي لإنشاء الطائرة. بعد ذلك، أدخل إزاحة 10 مم في إطار الأمر وتأكد من العملية.
    2. حدد أداة رسم جديد من القائمة واختر مستوى datum الذي تم إنشاؤه مسبقا كموقع للرسم. في الرسم، ضع دائرة تقريبا على الخط المركزي للوعاء وحدد قيد نصف القطر لمطابقة القطر الخارجي لموصل الخرطوم (24 مم للمدخل الأبهري، و8-10 مم للأوعية تحت الترقوة، والعظام، والكلى، و16-20 مم لفتح السفينة البعيدة).
  9. من رسم تم إنشاؤه، استخدم أداة البثق لإنشاء اسطوانة بطول 10 ملم. توجيه البثق للابتعاد عن فتح السفينة، لخلق مسافة بين اسطوانة والسفينة المقطع العرضي من 10 ملم. ثم استخدم أداة Loft لإنشاء اتصال بين نهاية السفينة والأسطوانة المعرفة هندسيا. عند هذه النقطة، وضمان انتقال سلس بين المقاطع العرضية اثنين، وبالتالي تجنب الاضطراب وانخفاض تدفق المناطق في نموذج تدفق 3D النهائي(الشكل 1D).
    ملاحظة: باتباع هذه الخطوات، سيتم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد لحجم الدم في الشريان الأورطي والشرايين الملتصقة. علاوة على ذلك، سيتضمن الموصلات المطلوبة لتوصيله لاحقا بحلقة تدفق.
  10. لجعل مساحة الدم جوفاء، استخدم أداة هولو في البرنامج. في إطار الأمر، أدخل سمك الجدار المطلوب (في هذه التجربة: 2.5 مم) علاوة على ذلك، يجب تعيين اتجاه عملية التجويف إلى الخارج. بعد ذلك، تأكد من الاختيار وسيتم تنفيذ عملية التجويف.
    ملاحظة: تسمح هذه الخطوة بتحديد سمك جدار ثابت للطراز بأكمله. منذ "تفريغ" يخلق سماكة جدار محدد على جميع الأسطح، وسوف يؤدي نموذج مغلق تماما. لذلك، سوف تحتاج إلى خفض نهايات جميع السفن مرة أخرى باستخدام الخطوة الموضحة في الخطوة 2.6(الشكل 1E). عند استخدام مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد المرنة ، فإن هذه الخطوة ضرورية لتحديد الخصائص الميكانيكية الحيوية النهائية للشبح. من خلال زيادة سمك الجدار من النموذج، وزيادة المرونة وانخفاض مرونة سيؤدي منطقيا. إذا لم تكن الخصائص الميكانيكية للأنسجة الأصلية ومواد الطباعة ثلاثية الأبعاد معروفة، فيجب إجراء اختبارات الشد في هذه المرحلة. وبما أن سمك الجدار ثابت عبر النموذج بأكمله ، يجب إعادة إنشاء الخصائص الميكانيكية المطلوبة في المنطقة التي يهمها النموذج.
  11. بعض برامج المعالجة تقدم "معالج" لضمان إمكانية الطباعة للنموذج النهائي ، وهو أمر يوصى به بشدة. ستقوم خطوة المعالجة الاختيارية هذه بتحليل شبكة المضلع الخاصة بالطراز ووضع علامات على التداخلات والعيوب والكائنات الصغيرة غير المتصلة بالطراز. عادة، يقدم المعالج حلول لإزالة المشكلات التي تم العثور عليها، مما يؤدي إلى نموذج ثلاثي الأبعاد قابل للطباعة(الشكل 1F).
  12. تصدير النموذج النهائي كملف .stl بتحديد خيار تصدير في علامة التبويب ملف.
    ملاحظة: لتأكيد دقة الطراز ثلاثي الأبعاد المصمم، تمكن بعض البرامج من تراكب كفاف STL النهائي و مجموعة البيانات الإشعاعية الأساسية. وهذا يسمح مقارنة بصرية للنموذج 3D إلى التشريح الأصلي. وعلاوة على ذلك، يجب اختيار طابعة ذات دقة مكانية مناسبة تبلغ < 40 ميكرومترا، للسماح بطباعة دقيقة للنموذج الرقمي.

إعداد حلقة الطباعة والتدفق 3.3D

  1. تحميل ملف .stl إلى طابعة ثلاثية الأبعاد، باستخدام برنامج تشريح التي تقدمها الشركة المصنعة، لإنتاج الوهمية المادية للتشريح. من الناحية المثالية، يجب على المرء استخدام ارتفاع طبقة الطباعة ≤ 0.15 ملم لضمان دقة عالية وجودة طباعة جيدة.
    ملاحظة: هناك مجموعة واسعة من مواد الطباعة المرنة والطابعات ثلاثية الأبعاد المناسبة المتاحة في السوق. يمكن استخدام الاجهزة المختلفة لطباعة النماذج الرقمية الموصوفة سابقا. ومع ذلك، قد يختلف الدقة، ما بعد المعالجة والسلوك الميكانيكي عن النتائج المعروضة.
  2. بعد تحميل ملف الطباعة من برنامج التقطيع إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد، تأكد من أن كمية مواد الطباعة ومواد الدعم في خراطيش الطابعة كافية للطراز ثلاثي الأبعاد وبدء الطباعة.
  3. بعد عملية الطباعة، قم بإزالة مواد الدعم من الطراز النهائي. أولا، قم بإزالة مواد الدعم يدويا عن طريق الضغط برفق على النموذج، يليه الغمر في الماء أو المذيب المعني (اعتمادا على مواد الدعم). الجافة في حاضنة تعيين إلى 40 درجة مئوية بين عشية وضحاها.
    ملاحظة: يمكن أن تكون إزالة مواد الدعم خطوة تستغرق وقتا طويلا، اعتمادا على تعقيد النموذج التشريحي. في حين أن استخدام أدوات مثل الملاعق والملاعق والمسابير الطبية يمكن أن يقلل قليلا من وقت ما بعد المعالجة ، فإنه يزيد أيضا من خطر ثقب جدار النموذج ، مما يجعله عديم الفائدة لاختبار السوائل. عند استخدام تقنية الطباعة Polyjet، سيتم تغليف الطراز بأكمله بمواد دعم. وهذا مطلوب للحفاظ على المواد نموذج غير مدورة في مكان بينما يتم علاجه باستخدام الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة. في نماذج أنبوبية جوفاء، وهذا سيؤدي إلى ارتفاع الطلب على مواد الدعم مقارنة مع المواد النموذجية الفعلية. يستخدم النموذج المعروض في الشكل 2 حوالي 200 غرام من مواد النموذج و2000 غرام من مواد الدعم.
  4. بعد ذلك، تضمين النموذج في 1٪ أجار. وهذا يقلل من القطع الأثرية الحركة أثناء التصوير السريري للنموذج. ثانيا، يقدم أغار تغذية مرتدة اللمس أفضل أثناء التصوير السونوغرافي، وردود فعل قوة أفضل أثناء القسطرة، بالمقارنة مع الغمر في الماء.
    1. استخدام مربع من البلاستيك مع هوامش جانبية لا تقل عن 2 سم حول النموذج. حفر ثقوب في جدران الصندوق للسماح للأنابيب أن تكون متصلة من السفن إلى المضخة والخزان.
    2. إعداد محلول أجار بإضافة 1٪ ث / الخامس في الماء وبذلك يغلي. بعد غلي الخليط وتقليبه، اتركه يبرد لمدة 5 دقائق ويصب في الصندوق لإنشاء سرير لا يقل ارتفاعه عن 2 سم، والذي سيتم وضع النموذج عليه.
      ملاحظة: إذا تم وضع النموذج مباشرة في أسفل المربع، فإن قابلية السوائل داخل النموذج للنبض ستخلق حركة تصاعدية غير متماثلة.
  5. بينما مجموعات السرير أجار، ربط النموذج إلى أنابيب PVC غير متوافقة، وذلك باستخدام موصلات خرطوم التجارية في كل افتتاح. يوصى بقطر أنبوب يبلغ 3/8 بوصة للأوعية الكبيرة (مثل الشريان الأورطي) و/أو الهياكل التشريحية ذات التدفق العالي للدم (البطينين على سبيل المثال). للأوعية الصغيرة أنبوب 1/8 "كافية. استخدم روابط الرمز البريدي لإصلاح الاتصال بين موصلات الخرطوم ونموذج ثلاثي الأبعاد وضمان عدم وجود تسرب للسائل.
  6. دليل أنابيب PVC من خلال حفر ثقوب في المربع ومن ثم وضع النموذج على رأس السرير أجار مجموعة. لمنع تسرب أجار من هذه الثقوب، استخدم الطين النمذجة دليل الحرارة لختم عليه. في وقت لاحق، وملء مربع مع أجار، وتغطي النموذج عن طريق إضافة طبقة 2 سم على رأس وترك لمدة ساعة في درجة حرارة الغرفة لأجار لتبرد تماما وتعيين. وهذا يتطلب المزيد من خليط أجار وصفها في الخطوة 3.4.
    ملاحظة: أغار الشفاء مرة واحدة سوف تكون قابلة للاستخدام لمدة أسبوع تقريبا، إذا المبردة. بمجرد أن يقلل بشكل واضح في الحجم ، يجب استبداله بدفعة جديدة.
  7. قم بتوصيل مضخة البطين الهوائي النابضة بالطراز باستخدام أنابيب 3/8 بوصة المرفقة بالفتحة القريبة. قم بتوصيل الأنابيب الأخرى بالمخزان، ثم قم بتوصيل الخزان بمدخل مضخة البطين لإنشاء حلقة تدفق مغلقة. (الشكل 2؛على سبيل المثال، جهاز المساعدة البطيني (VAD) - البطين). يجب أن يكون حجم المضخة السكتة الدماغية من 80-100 مل لضمان تدفق الفسيولوجية كافية في تشريح الكبار. لتشريح الأطفال، تتوفر غرف ضخ أصغر.
  8. يجب أن يكون البطين مهتاجا بواسطة مضخة مكبس بحجم سكتة دماغية من 120 إلى 150 مل ، لحساب ضغط الهواء في نظام الأنبوب الضام.

4. التصوير السريري

ملاحظة: لمنع القطع الأثرية في التصوير السريري، يجب التأكد من عدم وجود جيوب هوائية في دائرة السوائل.

  1. التصوير المقطعي
    1. للتصوير المقطعي، ضع حلقة التدفق بأكملها داخل الماسح الضوئي CT مع وحدة محرك الأقراص التي تقف بالقرب من المكان. قم بتوصيل مضخة عامل التباين مباشرة بخزان حلقة التدفق ، بحيث يمكن محاكاة فيضان النموذج مع عامل التباين أثناء المسح الضوئي. هذا مفيد بشكل خاص لتصور أمراض الأوعية الدموية.
    2. إجراء CT كمسح حيوي عبر النموذج بأكمله لتصور تدفق عامل التباين. يتم تعيين الجهد أنبوب في 100 كيلو فيب، أنبوب التيار في 400 mAs. الكوليم هو 1.2 ملم. حقن 100 مل من 1:10 مخففة iodinated عامل التباين في خزان النموذج, بسرعة 4 مل / ثانية. بدء المسح باستخدام bolus اثار في أنبوب الرائدة، مع عتبة 100 HU و 4 ق تأخير.
  2. السونوغرافيا
    1. وضع كمية صغيرة من هلام بالموجات فوق الصوتية على رأس كتلة أجار للحد من القطع الأثرية. بدء المضخة واستخدام رئيس بالموجات فوق الصوتية لتحديد موقع الهيكل التشريحي من الفائدة للتصوير بالموجات فوق الصوتية (أي صمامات القلب). استخدم وضع الصدى 2D لتقييم حركة النشرات، وكذلك سلوك فتح الصمام وإغلاقه. استخدم اللون دوبلر لتقييم تدفق الدم عبر الصمام و دوبلر الطيفي لتحديد سرعة التدفق بعد صمام القلب.
  3. القسطرة/التدخلات
    1. أدخل منفذ وصول إلى أنبوب PVC أسفل النموذج ثلاثي الأبعاد مباشرة، للسماح بالوصول بسهولة إلى التشريح باستخدام قسطرة قلبية أو سلك إرشادي. بعد بدء تشغيل حلقة التدفق، تحقق من وجود تسرب عند نقطة مدخل الميناء. إذا لزم الأمر، استخدم لاصق مكونين لختم الفتحة.
    2. ضع النموذج ثلاثي الأبعاد على طاولة المريض أسفل الذراع C (الذراعين) لجهاز الأشعة السينية. استخدم التصوير بالأشعة السينية لتوجيه القسطرة والأسلاك الإرشادية من خلال الهيكل التشريحي. لتمدد البالون أو وضع الدعامات استخدم وضع الأشعة السينية المستمر لتصور توسع الجهاز.
      ملاحظة: يسمح تدريب القسطرة والتدخل على النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد بالاستخدام القابل للتبديل لمختلف النماذج التشريحية والمرضية. وهذا يزيد من تنوع وواقعية إعداد التدريب.
  4. التصوير بالرنين المغناطيسي رباعي الأبعاد
    1. استخدم ماسحا ضوئيا 1.5 T للحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي وتأكد من أن بروتوكول الاستحواذ يتكون من MRA غير معزز على التباين كما هو موضح أعلاه وتسلسل التدفق 4D. للحصول على 4D-Flow مجموعة بيانات متساوية الخواص مع 25 مرحلة وسمك شريحة 1.2 مم (TE 2.300، TR 38.800، FA 7 °، حجم المصفوفة 298 × 298). تعيين ترميز السرعة في 100 سم / ثانية. يتم إجراء القياسات في المختبر باستخدام مشغلات تخطيط القلب والجهاز التنفسي المحاكاة.
    2. لتحليل التدفق 4D يتم وضع المربع مع نموذج مضمن والبطين VAD في الماسح الضوئي التصوير بالرنين المغناطيسي وتغطيتها مع لفائف الجسم 18 قناة. وفيما يتعلق بالمجال المغناطيسي للماسح الضوئي للتصوير بالرنين المغناطيسي، يجب وضع وحدة الدفع الهوائي خارج غرفة الماسح الضوئي؛ لذلك، عادة ما يكون هناك حاجة إلى نظام أنبوب الضام أطول.
    3. قم بإجراء تحليل الصور 4D-Flow باستخدام برنامج متوفر تجاريا. أولا، استيراد مجموعة بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي 4D عن طريق تحديده من محرك أقراص فلاش. بعد ذلك، قم بإجراء تصحيح إزاحة شبه تلقائي وتصحيح الأسماء المستعارة لتحسين جودة الصورة. في وقت لاحق ، يتم تتبع الخط المركزي للسفينة تلقائيا ، وينتزع البرنامج حجم 3D.
    4. وأخيرا، قم بإجراء تحليل كمي لمعلمات التدفق بالنقر فوق علامات التبويب الفردية في إطار التحليل. سيتم تصور تصور تدفق ، والتصور المسار ، وتدفق ناقلات دون مزيد من المدخلات. لتحديد كمي للضغط والضغط الجدار القص في علامة التبويب المعنية، ضع طائرتين عن طريق النقر على زر إضافة الطائرة. وسيتم وضع الطائرات تلقائيا عموديا على الخط المركزي للسفينة.
    5. نقل الطائرات إلى عائد الاستثمار عن طريق سحبها على طول الخط المركزي، لذلك يتم وضع طائرة واحدة في بداية العائد على الاستثمار وواحدة في النهاية. في الرسم البياني بجانب نموذج ثلاثي الأبعاد ، سيتم تصور انخفاض الضغط عبر عائد الاستثمار والإجهاد القص الجداري وقياسه كميا.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تركز النتائج التمثيلية الموصوفة على عدد قليل من هياكل القلب والأوعية الدموية المستخدمة عادة في التخطيط أو التدريب أو إعدادات الاختبار. تم إنشاء هذه باستخدام مجموعات بيانات CT-منشط الذهن مع ST من 1.0 مم وحجم voxel من 1.0 mm³. تم تعيين سمك جدار نماذج تمدد الأوعية الدموية الأبهري في 2.5 ملم امتثالا لنتائج اختبار الشد المقارنة للمادة الطباعة (قوة الشد: 0.62 ± 0.01 N/mm2; واوالحد الأقصى: 1. 55 ± 0.02 N; الاستطالة: 9.01 ± 0.34 ٪) وعينات الأبهر البورسيني (العرض: 1 مم؛ واو

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يسمح سير العمل المقدم بإنشاء نماذج فردية وبالتالي إجراء تخطيط العلاج قبل التدخل ، بالإضافة إلى تدريب الأطباء على التشريح الفردي. ولتحقيق ذلك، يمكن استخدام البيانات الطبوغرافية الخاصة بالمريض للتجزئة والطباعة ثلاثية الأبعاد للأشباح القلبية الوعائية المرنة. من خلال تنفيذ هذه النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد في الدورة الدموية الوهمية ، يمكن محاكاة المواقف السريرية المختلفة واقعيا.

في الوقت الحاضر ، تركز العديد من إجراءات تخطيط العلاج على المحاكاة الرقمية لسيناريوهات مختلفة ، من أجل تحديد النتيجة ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ولا يعلن صاحبا البلاغ عن وجود تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد تم دعم هذا المنشور من قبل مؤسسة القلب الألمانية/ المؤسسة الألمانية لأبحاث القلب.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

برنامج Cardinal Health Berlin التجارية أنابيب

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
3-MaticMaterialise ABالإصدار 15.0 - برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد التجاري
Affiniti 50Philips Medical Systems GmbHنظام التصوير بالموجات فوق الصوتية
Agilista W3200Keyence Co.طابعة Polyjet ثلاثية الأبعاد بدقة مكانية تبلغ 30 ومايكرو. م
AR-G1Lشركة Keyenceمادة الطباعة ثلاثية الأبعاد
المرنة Artis ZeeSiemens Healthcare GmbHماسح ضوئي بالأشعة السينية
cvi42CCI Inc.إصدار البرنامج 5.12 - قسطرة تشخيصية لبرنامج تحليل التدفق 4D
، MPA 2Cordis متعددة الأغراض ، قسطرة شركةلنماذج تدريب الأطفال ، الأحجام 4F للرضع و 5F للأطفال ، الشباب
جهاز مساعدة البطين ExcorHeart GmbH80-100ml حجم السكتة الدماغية
Imeron 400 Contrast AgentBracco ImagingCT - عامل التباين
IntroGuide FAngiokard Medizintechnik GmbHGuidewire مع طرف J ؛ القطر: 0.035 بوصة الطول: 220 سم
Lunderquist GuidewireCook Medical Inc.(T) سلك التوجيه التداخلي EVAR
MAGNETOM AeraSiemens Healthcare GmbHماسح التصوير بالرنين المغناطيسي
Magnevist عامل التباينBayer Vital GmbHMRI - عامل التباين
يحاكيMaterialiseAB الإصدار 23.0 - استوديو نمذجة برامج التجزئة
Keyence Co.3D-طابعة تقطيع البرمجيات
PVC
Radifocus دليل الأسلاك MTerumo Europe NVStraight guidewire; القطر: 0.035 "الطول: 260 سم
صندوق مفيد حقا 9Lمنتجات مفيدة حقا المحدودة.
Rotigarose - Standard AgarCarl Roth GmbH3810.4
SolidworksDassault Systemes SEإصدار 2019-2020 ؛ برنامج تصميم CAD
SOMATOM ForceSiemens Healthcare GmbHالماسح الضوئي المقطعي المحوسب
عبربرنامج التصوير الإشعاعيSiemens Healthcare GmbH

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goetz, L. H., Schork, N. J. Personalized medicine: motivation, challenges, and progress. Fertility and Sterility. 109 (6), 952-963 (2018).
  2. Gwin, W. R., Disis, M. L., Ruiz-Garcia, E. Immuno-Oncology in the Era of Personalized Medicine. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1168, 117-129 (2019).
  3. Spetzger, U., Frasca, M., König, S. A. Surgical planning, manufacturing and implantation of an individualized cervical fusion titanium cage using patient-specific data. European Spine Journal. 25 (7), 2239-2246 (2016).
  4. Gardner, S. J., Kim, J., Chetty, I. J. Modern radiation therapy planning and delivery. Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 947-962 (2019).
  5. Haglin, J. M., et al. Patient-specific orthopaedic implants. Orthopaedic surgery. 8 (4), 417-424 (2016).
  6. Liaw, C. Y., Guvendiren, M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication. 9 (2), 024102(2017).
  7. Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
  8. Kamalian, S., Lev, M. H., Gupta, R. Handbook of Clinical Neurology. Masdeu, J. C., Gonzalez, R. G. , Elsevier. 3-20 (2016).
  9. Bücking, T. M., et al. From medical imaging data to 3D printed anatomical models. PLoS One. 12 (5), 0178540(2017).
  10. Steinberg, E. L., Segev, E., Drexler, M., Ben-Tov, T., Nimrod, S. Preoperative planning of orthopedic procedures using digitalized software systems. Israel Medical Association Journal. 18 (6), 354-358 (2016).
  11. Hua, J., Aziz, S., Shum, J. W. Virtual surgical planning in oral and maxillofacial surgery. Oral and Maxillofacial Surgery Clinics of North America. 31 (4), 519-530 (2019).
  12. Schmauss, D., Haeberle, S., Hagl, C., Sodian, R. Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology: a single-centre experience. European Journal of Cardiothoracic Surgery. 47 (6), 1044-1052 (2015).
  13. Smelt, J. L. C., et al. Operative Planning in thoracic surgery: A pilot study comparing imaging techniques and three-dimensional printing. The Annals of Thoracic Surgery. 107 (2), 401-406 (2019).
  14. Masaeli, R., Zandsalimi, K., Rasoulianboroujeni, M., Tayebi, L. Challenges in three-dimensional printing of bone substitutes. Tissue Engineering Part B: Reviews. 25 (5), 387-397 (2019).
  15. Rafiee, M., Farahani, R. D., Therriault, D. Multi-material 3D and 4D printing: A survey. Advanced Science. 7 (12), 1902307(2020).
  16. Wang, S., et al. Development and testing of an ultrasound-compatible cardiac phantom for interventional procedure simulation using direct three-dimensional printing. 3D Printing and Additive Manufacturing. 7 (6), 269-278 (2020).
  17. D'Souza, W. D., et al. Tissue mimicking materials for a multi-imaging modality prostate phantom. Medical Physics. 28 (4), 688-700 (2001).
  18. Tejo-Otero, A., Buj-Corral, I., Fenollosa-Artés, F. 3D printing in medicine for preoperative surgical planning: A review. Annals of Biomedical Engineering. 48 (2), 536-555 (2020).
  19. Rotman, O. M., et al. Realistic vascular replicator for TAVR procedures. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 339-350 (2018).
  20. 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).
  21. Fedorov, A., et al. 3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic resonance imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  22. Katsura, M., Sato, J., Akahane, M., Kunimatsu, A., Abe, O. Current and novel techniques for metal artifact reduction at ct: practical guide for radiologists. Radiographics. 38 (2), 450-461 (2018).
  23. Pépin, A., Daouk, J., Bailly, P., Hapdey, S., Meyer, M. E. Management of respiratory motion in PET/computed tomography: the state of the art. Nuclear Medicine Communications. 35 (2), 113-122 (2014).
  24. Scott, A. D., Keegan, J., Firmin, D. N. Motion in cardiovascular MR imaging. Radiology. 250 (2), 331-351 (2009).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

3D Printed PhantomsCardiovascular ModelsInterventional PlanningCatheter Based InterventionsPatient Specific ModelsFlow Loop SimulationCT ImagingDoppler Ultrasonography4D MRICatheterization Training

مقالات ذات صلة