مقالة منهجية

إنشاء نماذج القلب السيليكون المريض محددة مع تطبيقات في خطط ما قبل الجراحة والتدريب العملي على

5.2K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/62805

⸱

فبراير 10, 2022

 ,  ,  ,  , 
1Jump Simulation, OSF HealthCare, 2Advanced Imaging and Modeling Lab, OSF HealthCare Jump Trading Simulation & Education Center, University of Illinois College of Medicine

في هذه المقالة

ملخص

تعمل النماذج الخاصة بالمرضى على تحسين ثقة الجراحين والزملاء عند تطوير أو تعلم الخطط الجراحية. تولد الطابعات ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) تفاصيل كافية للتحضير الجراحي، ولكنها تفشل في تكرار الدقة اللمسية للأنسجة. يتم تقديم بروتوكول يفصل إنشاء نماذج قلبية خاصة بالمرضى ، السيليكون ، والجمع بين دقة الطباعة ثلاثية الأبعاد مع أنسجة السيليكون المحاكاة.

الملخص

يمكن أن تكون النماذج ثلاثية الأبعاد أداة قيمة للجراحين أثناء تطويرهم الخطط الجراحية والزملاء الطبيين أثناء تعلمهم عن الحالات المعقدة. على وجه الخصوص ، يمكن أن تلعب النماذج ثلاثية الأبعاد دورا مهما في مجال أمراض القلب ، حيث تحدث أمراض القلب الخلقية المعقدة. في حين أن العديد من الطابعات ثلاثية الأبعاد يمكن أن توفر نماذج صحيحة ومفصلة تشريحيا ، فإن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية تفشل في تكرار خصائص أنسجة عضلة القلب ويمكن أن تكون مكلفة للغاية. يهدف هذا البروتوكول إلى تطوير عملية لإنشاء نماذج خاصة بالمرضى من عيوب القلب الخلقية المعقدة باستخدام سيليكون منخفض التكلفة يطابق بشكل وثيق خصائص عضلة القلب. مع تحسين الإخلاص النموذجي ، يمكن أن يحدث التدريب الإجرائي الجراحي الفعلي قبل الإجراء. يبدأ الإنشاء الناجح لنماذج القلب بتقسيم الصور الإشعاعية لتوليد بركة دم افتراضية (الدم الذي يملأ غرف القلب) والعفن النسيج عضلة القلب. تجمع الدم والعفن عضلة القلب هي 3D المطبوعة في الاكريلونيتريل بوتاديين ستايرين (ABS)، وهو البلاستيك القابل للذوبان في الأسيتون. يتم تجميع القالب حول بركة الدم ، وخلق مساحة سلبية تحاكي عضلة القلب. يتم سكب السيليكون مع صلابة الشاطئ من 2A في الفضاء السلبي ويسمح لعلاج. تتم إزالة العفن عضلة القلب، ويتم غمر السيليكون المتبقية / نموذج تجمع الدم في الأسيتون. تؤدي العملية الموصوفة إلى نموذج مادي يتم فيه تمثيل جميع ميزات القلب ، بما في ذلك العيوب داخل القلب ، بخصائص أنسجة أكثر واقعية ويتم تقريبها بشكل وثيق أكثر من نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشر. التصحيح الجراحي الناجح لنموذج مع عيب الحاجز البطيني (VSD) باستخدام التصحيح GORE-TEX (التدخل الجراحي القياسي للعيب) يوضح فائدة هذه الطريقة.

المقدمة

يولد ما يقرب من طفل واحد من كل 100 طفل في الولايات المتحدة مصابا بعيوب خلقية في القلب. ونظرا لميل الأمهات المصابات ب CHDs إلى الإنجاب المصابين ب CHDs، هناك توقع بأن المعدل قد يزيد عن الضعف على مدى الأجيال السبعة القادمة1. وفي حين أن كل مسألة من هذه الإصابات لا تعتبر معقدة أو شديدة، فإن توقعات النمو العام تشير إلى وجود حافز لتحسين التكنولوجيا والإجراءات القادرة على معالجة علاج مرضى الميثان. مع تحسن التكنولوجيا، غالبا ما يعرب جراحو القلب عن استعدادهم لمعالجة إجراءات أكثر تعقيدا. وقد أدى هذا الاستعداد إلى زيادة عدد الإجراءات القلبية المعقدة، مما دفع الحاجة إلى تقنيات أكثر تقدما للتخطيط الجراحي والتعليم. وهذا بدوره يترك جراحي القلب في حاجة إلى نماذج دقيقة للغاية ومحددة للمرضى وزملاء جراحة القلب في حاجة إلى طرق تدريب فعالة للغاية.

جراحة القلب الخلقية هي واحدة من أكثر التخصصات الجراحية تطلبا من الناحية الفنية بسبب صغر حجم المرضى ، وتعقيد تشوهات القلب ، وندرة بعض التشوهات2. في الحالات الأكثر تطرفا، قد يولد الطفل ببطين واحد. ليس من غير المألوف أن يأخذ الجراح وعاء قطره 2.0 مم ويلصقه ب التامور الثابت لإنشاء وعاء طوله 1.0 سم يسمح لحديثي الولادة بالنمو في هذا الإجراء المنقذ للحياة - كل ذلك أثناء وجوده تحت مدار الساعة ، حيث أن الوليد في حالة توقف كامل في الدورة الدموية. بين قلب أربع غرف العادية وهذه الأمثلة المتطرفة هي إمكانيات لا تعد ولا تحصى من حجم الغرفة والمواقف صمام التي تشكل الألغاز 3D معقدة للغاية. دور فريق القلب الخلقي هو تحديد التشريح الفريد بوضوح ووضع خطة لإعادة تكوين الأنسجة العضوية إلى قلب وظيفي من شأنه أن يسمح للطفل بالنمو مع أفضل فرصة في الحياة الطبيعية. تسمح النماذج الدقيقة بالممارسة الجراحية المتعمدة والتكرار في بيئة يمكن فيها غفران الأخطاء ولن تؤدي إلى ضرر المريض3،4. هذا التدريب يؤدي إلى تطوير الخبرة الجراحية المحسنة، فضلا عن المهارات التقنية والحكم. ومع ذلك ، فإن الموارد المحدودة وندرة بعض الحالات القلبية يمكن أن تجعل تحقيق المستوى المطلوب من التكرار والتصور شبه مستحيل. وللمساعدة في تفسير هذا النقص في الموارد، حدثت زيادة في استخدام المحاكاة لأغراض التعليم(2)، و 3. تشمل تقنيات المحاكاة أو النمذجة المستخدمة بشكل شائع الجثث البشرية والأنسجة الحيوانية ونماذج الواقع الافتراضي (VR) والنماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

تاريخيا، تعتبر الأنسجة الكادفيرية المعيار الذهبي للمحاكاة الجراحية، مع اقتراب الأنسجة الحيوانية من المركز الثاني. يمكن للجثث والأنسجة الحيوانية إنتاج محاكاة عالية الدقة لأنها تحتوي على البنية التشريحية للاهتمام ، وجميع الأنسجة المحيطة بها ، وتسمح لتقنيات التشوه لمحاكاة تدفق الدم4. على الرغم من فوائد نماذج الأنسجة، وهناك سلبيات. تجارب الأنسجة المحنطة تقلل من الامتثال الميكانيكي، مما يجعل بعض العمليات غير واقعية ويصعب تنفيذها. الأنسجة تتطلب الصيانة المستمرة، ومرافق محددة، ليست قابلة لإعادة الاستخدام2، يمكن أن تكون مكلفة للحصول على3، وكانت تاريخيا موضوع مخاوف أخلاقية. والأهم من ذلك، أن حالات القلب الخلقية ببساطة غير متوفرة في عينات الجثث.

VR ونماذج مطبوعة 3D5,6,7,8,9,10 توفير خيار آخر لتعليم القلب, محاكاة, والنمذجة للمساعدة في وضع خطط ما قبل الجراحة. تقلل هذه النماذج من الغموض المرتبط بقدرة المستخدم المتنوعة على الاستيفاء للصور ثلاثية الأبعاد كبنية ثلاثية الأبعاد10,11. يمكن أن تحتوي البيئة الافتراضية على أدوات جراحية يمكن التلاعب بها والتفاعل مع النماذج ، مما يسمح للجراحين والزملاء بتطوير التنسيق بين اليد والعين ، والمهارات الحركية الدقيقة ، والألفة مع بعض الإجراءات4. وقد تم العثور على تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة الحالية، بما في ذلك نمذجة الترسب المنصهر (FDM)، والتصوير المجسم (SLA)، وتغرس الليزر الانتقائي (SLS)، وبولي جيت لإنتاج نماذج بدقة تحت ملليمتر13. كل من VR و 3D نماذج مطبوعة قابلة لإعادة الاستخدام ويمكن أن تكون مفصلة للغاية; ويمكن حتى أن تتولد نماذج من بيانات التصوير الإشعاعي المريض، مما أدى إلى نسخ طبق الأصل من تشريح المريض. على الرغم من الفوائد العديدة للنماذج المطبوعة VR أو 3D ، إلا أنها تقصر عند النظر في متطلبات التكلفة والإخلاص اللمسي لجراحة القلب الخلقية. إعداد بيئة الواقع الافتراضي له تكلفة عالية ، ولا يمكن لبيئات الواقع الافتراضي توفير ردود فعل اللمسية في العالم الحقيقي. في حين أن تقنية الإخلاص اللمسية تتحسن ، فإن الفجوة الحالية تمنع قدرة الطالب على التعرف على المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لتنفيذ الإجراءات4. وبالمثل، اعتمادا على نوع تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة، يمكن أن تكون تكلفة الطباعة ثلاثية الأبعاد مرتفعة جدا، حيث يجب النظر في سعر شراء الطابعة وتكلفة مواد الطباعة 11,14. يمكن إنتاج نموذج قلب واحد عالي الدقة مع ردود فعل واقعية باستخدام طابعة راقية ولكنه سيكلف مئات الدولارات في المواد وحدها بسعر شراء طابعة يزيد عن 100،000 دولار أمريكي. تم العثور على نموذج القلب المنتجة باستخدام خيوط مع صلابة الشاطئ من 26-28 A لتكلفة ما يقرب من 220 دولارا أمريكيا لكل model16. بدلا من ذلك، تتوفر العديد من الطابعات والتقنيات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة التي يكون سعر شرائها للطابعة أقل من 5000 دولار أمريكي. تم العثور على متوسط أسعار المواد لنموذج القلب ولدت على طابعة FDM منخفضة التكلفة لتكون حوالي 3.80 USD باستخدام مادة مع صلابة الشاطئ من 82 A و 35 USD باستخدام مادة مع صلابة الشاطئ من 95 A15,16. في حين أن هذه الآلات لا تقدم حلا منخفض التكلفة، فإنه يأتي على حساب الإخلاص اللمسي.

في حين أن الطباعة VR و 3D يمكن أن تسمح بتقييم مرئي ومفاهيمي مفصل لحالة قلبية ، فإن السعر المرتفع المرتبط بإنتاج نموذج للمحاكاة الجراحية العملية غالبا ما يكون حاجزا كبيرا. أحد الحلول هو استخدام السيليكون لإنشاء نموذج القلب دقيقة جسديا ونصيا. يمكن لنماذج السيليكون الخاصة بالمرضى تسهيل فهم أعمق للتشريح الفريد من خلال السماح للجراحين برؤية الإجراء والشعور به وحتى ممارسته مع تجربة ردود فعل واقعية في بيئة تنطوي على الحد الأدنى من المخاطر على المريض وليس لها عواقب إذا كان الإجراء غير ناجح9. وقد ثبت أن صب السيليكون طريقة فعالة لنمذجة التشريح البشري الذي ينتج نماذج ذات خصائص فيزيائية أقرب بكثير إلى الأنسجة الحقيقية من النماذج الناتجة عن الطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة17. Scanlan وآخرون، مقارنة خصائص منخفضة التكلفة 3D المطبوعة إلى السيليكون مصبوب صمامات القلب لتقييم التشابه مع الأنسجة الحقيقية. وجدت الدراسة أنه في حين أن الخصائص الفيزيائية لصمامات السيليكون لم تكن نسخة طبق الأصل من الأنسجة الحقيقية ، إلا أن الخصائص كانت أعلى بكثير من الصمامات المطبوعة ثلاثية الأبعاد17. مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في الدراسة هي من بين أنعم المواد المتاحة للطابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة وتمتلك صلابة الشاطئ بين 26 و 28 A18. علاج البلاتين السيليكون الموصى بها للاستخدام في البروتوكول أدناه لديه صلابة الشاطئ من 2 A وهو أقرب بكثير إلى صلابة الشاطئ من الأنسجة القلبية، 43 على مقياس 00، أو ما يقرب من 0 A19،20. هذا الفرق مهم لأن نماذج السيليكون تسمح بالتدريب على المهارات الحركية الدقيقة عالية الدقة التي لا تحققها المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد مباشرة. التكلفة الإجمالية للنموذج المقترح في هذا البروتوكول أقل من 10 USD. تجمع نماذج السيليكون المقترحة بين خصائص الأنسجة الرخوة اللازمة لردود الفعل اللمسية الواقعية مع براعة ودقة النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة.

في حين أن فوائد السيليكون قد يبدو لجعلها الخيار الواضح لخلق نموذج، وقد تم تقييد استخدام السيليكون من قبل التشريح التي يمكن تشكيلها. السيليكون المختلط الطازج هو سائل يتطلب قالبا لعقد في الشكل المطلوب لأنه يشفي. تاريخيا، قوالب القلب السيليكون يمكن أن تحتوي فقط على تفاصيل السطح الخارجي للنموذج. التفاصيل داخل القلب، بما في ذلك منطقة تجمع الدم بأكملها، سوف تكون مليئة السيليكون وفقدت. وقد حققت الدراسات السابقة نماذج السيليكون من مجالات محددة من الاهتمام داخل القلب (على سبيل المثال، الجذر الأبهري21) أو استخدمت طريقة استقراء لمحاكاة أنسجة عضلة القلب22. هذا البروتوكول هو جديد لأنها تسعى إلى الجمع بين استخدام مواد السيليكون مع عالية الدقة التشريحية، محاكاة عضلة القلب الكامل- تجنب على وجه التحديد أي طريقة استقراء. على حد علمنا، لم تقدم أي مخطوطة وصفية منهجية تجمع بين هذه الجوانب. الطريقة الموصوفة في هذا البروتوكول يدخل تقنية لتحقيق نموذج القلب المريض محددة مع تكرار التشريحية داخل القلب دقيقة بما يكفي لممارسة الجراحة قبل الجراحة. تتضمن الطريقة إنشاء قالب عضلة القلب لعقد السيليكون في الشكل المناسب لأنه يشفي والعفن الداخلي للحفاظ على التفاصيل الداخلية داخل القلب للنموذج ومنع السيليكون من ملء منطقة تجمع الدم في القلب. ثم يجب إذابة القالب الداخلي بعيدا ، تاركا نموذجا كاملا للقلب السيليكون مع تشريح خاص بالمرضى على الأسطح الخارجية والداخلية. بدون البروتوكول المقترح لإنشاء نموذج القلب هنا ، لا يوجد حل منخفض التكلفة لمحاكاة الإجراء الجراحي مع مادة تحاكي خصائص الأنسجة الفعلية للقلب العضلي.

البروتوكول

وقد أنجز البروتوكول بطريقة تتوافق مع أفضل الممارسات الأخلاقية لمؤسسة صاحب البلاغ، بما في ذلك التعامل السليم مع أي معلومات عن المريض وضمان الموافقات المطلوبة اللازمة لاستخدام بيانات خاصة بالمرضى. وعند استخدام هذه البيانات، يتم إخفاء هويتها لضمان حماية المعلومات الصحية الخاصة للمريض.

ملاحظة: يتم كتابة البروتوكول التالي بطريقة محايدة البرامج كما توجد العديد من البرامج المختلفة التي يمكن إنجاز الخطوات المختلفة. لهذه الحالة بالذات ، تم استخدام Materialise Mimics Medical 24.0 للتجزئة ، وتم استخدام Materialise Magics للتلاعب ثلاثي الأبعاد وإنشاء النماذج والحالات المجزأة. وستدرج تعليمات محددة لهذه البرامج بالإضافة إلى النهج المعمم.

1. تشريح المريض الجزء

  1. لكل الشركات الصغيرة والمتوسطة، والحصول على مجموعة بيانات التصوير الإشعاعي المريض، وعادة CT أو التصوير بالرنين المغناطيسي، المكتسبة باستخدام بروتوكول 3D للحصول على دقة كافية. فتح مجموعة البيانات في تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) تجزئة البرمجيات23.
    1. راجع بروتوكولات الأشعة في المؤسسة للحصول على الصورة المناسبة (نظرا لأن كل مريض يتطلب اعتبارات مختلفة ، فمن الصعب تقديم إرشادات محددة). ولكن كمثال تمثيلي ، هذه هي الإعدادات التي استخدمناها في حالة نموذج ثلاثي الأبعاد موثقة مسبقا: يقترح بروتوكول CT 3D معلمات: ماسح ضوئي شرائح في الوضع المحوري ، سمك الشريحة والمساحة بين شرائح 0.625 مم ، Kv من 70 ، نطاق mA الذكي من 201-227 (وضع MA الذكي 226) ، سرعة الدوران عند 0.28 مللي ثانية بروتوكول التصوير بالرنين المغناطيسي 3D اقترح المعلمات: شريحة الماسح الضوئي في الوضع المحوري، سمك شريحة والمساحة بين شرائح من 0.625 ملم.
  2. إنشاء تجزئة أولية للأنسجة عضلة القلب باستخدام أداة عتبة وحدة هونسفيلد (HU) مع تعيين الحدود العليا والسفلى إلى القيم المناسبة والمحددة لمجموعة البيانات. صقل الاختيار حسب الحاجة لالتقاط التشريح بدقة. من المستحسن استخدام أدوات ذات القدرات التالية: الاقتصاص والإضافة والطرح وزراعة المنطقة وتحرير الشرائح المتعددة وملء التجويف. في Mimics، انقر بزر الماوس الأيمن فوق ناحية إدارة المشروع وحدد قناع جديد. ضبط القناع في مربع الحوار ولدت إما مع النوافذ التشريحية المحددة مسبقا المقدمة، والقياسات HU الدقيق، أو عن طريق انزلاق الأداة المقدمة حتى يتم إخفاء التشريح المطلوب من قبل الأداة.
  3. توليد تجزئة من تجمع الدم. استخدم الخطوات الموضحة في الخطوة 1.2 لإنجاز ذلك. في Mimics، استخدم نافذة HU التشريحية المحددة مسبقا من 226 إلى 3071 لالتقاط بركة الدم.
  4. إذا كان النموذج الذي يتم إنشاؤه مخصصا للاستخدام في رعاية المرضى ، فدع طبيب القلب أو أخصائي الأشعة أو خبير آخر في الموضوع (SME) يستعرض تقسيمات النموذج الافتراضي قبل الانتقال إلى الخطوة التالية لضمان تقسيم جميع الميزات والعيوب التشريحية بدقة وستكون موجودة في النموذج الكامل.
  5. إنشاء نموذج حالة عضلة القلب عن طريق عكس تجزئة عضلة القلب باستخدام أداة تعبئة تجويف في المساحة الفارغة حول تجزئة عضلة القلب وطرح تجزئة تجمع الدم من عضلة القلب المقلوبة باستخدام أداة طرح منطقية. فمن المستحسن استخدام أداة تعبئة تجويف، أداة منطقية، و myocardium ولدت سابقا وشرائح تجمع الدم لتحقيق ذلك. في Mimics، > تعبئة التجويف تشير إلى المسافات حول قناع عضلة القلب. بعد ذلك، استخدم الأداة المنطقية وملء الحوار المقدم إلى ناقص قناع تجمع الدم من قناع عضلة القلب.

figure-protocol-1
الشكل 1: تجزئة القلب في برنامج تجزئة CAD. (أ) تجزئة القلب في برنامج تجزئة CAD مع بيانات صورة المريض الخام. (ب) تجزئة مع تقديم 3D من نموذج تجمع الدم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. عرض التقديم ثلاثي الأبعاد لتجمع الدم النهائي وأجزاء حالة عضلة القلب. لكل اقتراح المشاريع الصغيرة والمتوسطة والموافقة، وإزالة أي الأوعية الدموية من نموذج تجمع الدم 3D التي ليست ضرورية لتقييم، والفهم، أو إصلاح التشريح المستهدف. في Mimics، حدد معاينة ثلاثية الأبعاد في الخيارات المجاورة لنافذة العرض (افتراضية إلى العرض الأيمن السفلي للعرض الافتراضي ذو الأجزاء الأربعة. حدد قناع الاهتمام في إدارة المشاريع. لتحرير، حدد أداة تحرير القناع . في الحوار المتوفر، حدد أداة لاسو وتأكد من تحديد إزالة . سيسمح هذا بتحرير المعاينة ثلاثية الأبعاد الفعلية للقناع.
    ملاحظة: أداة التحرير هو قطع الطائرة لانهائية، وسوف إزالة أي جزء من القناع المحدد في الاتجاه Z.
  2. توليد كائنات ثلاثية الأبعاد من تجمع الدم النهائي وتجزئة حالة عضلة القلب. تجانس نموذج حالة عضلة القلب ثلاثي الأبعاد باستخدام أداة كائن متجانسة. لكل اقتراح المشاريع الصغيرة والمتوسطة الحجم والموافقة عليها، وضبط التكرار والمعلمات عامل سلس حسب الضرورة لنموذج معين لإنشاء نموذج حالة التي هي على نحو سلس قدر الإمكان ولكن لم تفقد أي تفاصيل تشريحية هامة.
  3. بمجرد الموافقة عليها من قبل الشركات الصغيرة والمتوسطة، تصدير النماذج في شكل STL لاستخدامها في برنامج تحرير نموذج 3D. في Mimics، انقر بزر الماوس الأيمن فوق قناع معين في إدارة المشروع > إنشاء كائن. في الحوار المتوفر، تأكد من تحديد الإعداد الأمثل وانقر فوق موافق.
  4. بمجرد إنشاء الطراز، فإنه سيظهر في إطار الكائن ، عادة أسفل إطار إدارة المشاريع . من هناك، انقر بزر الماوس الأيمن على نموذج تم إنشاؤه وحدد سلس. وكانت المعلمات لهذه الحالة خمسة التكرارات في 0.4 مم تنعيم.
  5. حفظ / تصدير تجمع الدم 3D النهائي ونماذج حالة عضلة القلب ولغة تيسلاتيون القياسية (STL) الملفات. انقر بزر الماوس الأيمن فوق النموذج المطلوب > STL+ > اتبع الحوار المتوفر لتصدير إصدار STL من النموذج.

2. إنشاء قوالب الرقمية

  1. فتح ملف STL نموذج حالة عضلة القلب في برنامج CAD. من المستحسن لجعل رؤية القضية بطريقة شفافة للسماح لل myocardium لتكون مرئية على المناطق الداخلية من العفن حالة عضلة القلب. في السحر، استيراد STLs التي تم إنشاؤها من خلال استيراد جزء. في إطار إدارة المشروع ، حدد الخيار شفاف لتقديم الطراز.
  2. تقليم المواد حالة عضلة القلب الزائدة من النموذج باستخدام أداة قطع أو لكمة. من الضروري فقط أن يكون حوالي 0.5 سم بين الحافة الخارجية للقضية والبصمة عضلة القلب على جدار الحالة الداخلية. وستضيف مواد إضافية إلى الوقت اللازم للطباعة ثلاثية الأبعاد ولكنها لن تؤثر على المنتج النهائي. في السحر، قص > تشير إلى polyline > حدد نقاط الاهتمام > تطبيق.
    ملاحظة: أداة التحرير هو قطع الطائرة لانهائية، وسوف إزالة أي جزء من القناع المحدد في الاتجاه Z.
  3. قطع حالة عضلة القلب إلى قطع متعددة من شأنها أن تسمح للقضية ليتم تجميعها حول التشريح المعقدة من قالب تجمع الدم. فمن المستحسن استخدام قطع و / أو أداة لكمة لتحقيق ذلك.
    ملاحظة: توفر الخطوات التالية اقتراح التخفيضات لجعل في حالة عضلة القلب التي سيتم تقسيمها إلى أربعة أقسام التي تم العثور على أن تكون كافية لكل من دقة التشخيص وجمع الحالة حول تجمع الدم للعديد من النماذج القلبية. ومع ذلك ، فإن كل نموذج سيكون مختلفا ، مما يجعل من الضروري أن نضع في اعتبارنا أن القضية يجب تجميعها حول بركة الدم قبل سكب السيليكون وإزالتها بعد مجموعات السيليكون. إيلاء اهتمام خاص إلى أي مواقع حيث يجب أن تمر القضية من خلال حلقة في بركة الدم أو تحيط الأوعية الدموية الطويلة. قد تتطلب ميزات مثل هذه قطع حالة عضلة القلب إلى قطع إضافية في المنطقة التي توجد فيها الميزة لضمان التجميع والتفكيك حول بركة الدم.
  4. ضبط وجهة نظر حالة عضلة القلب من خلال التناوب وأدوات بالغسل للإشارة إلى قمة القلب إلى أسفل وقوس الشريان الأورطي الأفقي. جعل قطع أفقي من خلال الشريان الأورطي الذي يقسم حالة عضلة القلب إلى النصف السفلي الذي يحتوي على قمة ونصف العلوي. طول هذا القطع وجميع التخفيضات اللاحقة سوف تختلف مع كل نموذج القلب. في Magics، استخدم أزرار الماوس الأيمن والأيسار للتحكم في الدوران والغسل، على التوالي. من هناك، قص > تشير إلى polyline > حدد نقاط الاهتمام > تطبيق.
    ملاحظة: أداة التحرير هو قطع الطائرة لانهائية، وسوف إزالة أي جزء من القناع المحدد في الاتجاه Z.
    1. جعل قطع عمودي على طول أوسع قسم من النصف السفلي من حالة عضلة القلب. تأكد من أن النصف السفلي من حالة عضلة القلب يتم تقسيمه إلى النصف تقريبا.
    2. إجراء قطع عمودي الثاني على طول القسم الأوسع من النصف العلوي من حالة عضلة القلب. تأكد من أن النصف العلوي من حالة عضلة القلب منقسم إلى نصفين تقريبا.
  5. إضافة أوتاد (الدعائم) لقطع حالة عضلة القلب لضمان المحاذاة المناسبة أثناء التجميع. فمن المستحسن استخدام أداة توليد دعامة وأداة طرح منطقية مع قيمة إزالة 0.25mm لإنشاء مطابقة الدعائم وتجاويف الدعامة. في السحر، إضافة الدعائم > تشير إلى موقف على نموذج > تطبيق.
  6. إنشاء ثقب سيليكون قطره 1.0 سم لملء واحدة من قطع النصف العلوي من حالة عضلة القلب. سيتم حجب ميزات سطح عضلة القلب مباشرة تحت ثقب التعبئة ، لذلك تأكد من أن ثقب التعبئة ليس فوق أي ميزات تشريحية خارجية ستكون حيوية لاستخدام النموذج. تحقق من موضع الفتحة مع الشركات الصغيرة والمتوسطة.

figure-protocol-2
الشكل 2: نموذج حالة عضلة القلب في برنامج CAD. حالة عضلة القلب المتولدة في برنامج CAD لحالة قلبية مع VSD. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تحقق من التشخيص على جميع قطع الحالة بشكل فردي لضمان عدم وجود الأخطاء التالية: الحواف العادية المقلوبة أو السيئة أو الخطوط السيئة أو الحواف السيئة القريبة أو ثقوب المخطط أو الصدف. إذا تم الكشف عن خطأ، قم بإصلاحه باستخدام أداة/معالج إصلاح إذا كان متوفرا أو يدويا إذا لم يكن متوفرا. في السحر، تحقق من التشخيص > حل تلقائي.
  2. إصلاح الأخطاء التي لا يمكن حلها يدويا أو باستخدام أداة إصلاح/معالج مع التفاف تقليص جزء عبر أداة التفاف shrink. ضبط تقليص الفاصل الزمني لف العينة والفجوة ملء القيم حسب الضرورة لتصحيح الأخطاء على قطعة معينة دون تغيير علم وظائف الأعضاء على استعراض الشركات الصغيرة والمتوسطة. في السحر، إصلاح > تقليص التفاف > متابعة الحوار.
  3. حفظ/ تصدير قطع حالة عضلة القلب الفردية كملفات STL.

3. إنشاء قوالب المادية

  1. افتح نموذجي كيس عضلة القلب ووعاء الدم في برنامج تقطيع الشرائح المناسب لإنتاج ملفات طباعة ثلاثية الأبعاد (ملف G-Code) لطابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع مضاف (AM). ترتيب قطعة من حالة عضلة القلب باستخدام تدوير و / أو وضع أداة مسطحة، لذلك أي جانب من شأنها أن يجتمع مع قطعة حالة أخرى هو عمودي. إضافة دعامات الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى جميع القطع يدويا أو باستخدام أداة توليد الدعم التلقائي المتوفرة في البرنامج، إذا كانت متوفرة.

figure-protocol-3
الشكل 3: حالة عضلة القلب وإعداد تجمع الدم في برنامج CAD الطباعة ثلاثية الأبعاد. حالة عضلة القلب وتجمع الدم مع التوجه السليم والدعم المضاف استعدادا للطباعة ثلاثية الأبعاد في برنامج CAD الطباعة ثلاثية الأبعاد لحالة القلب مع VSD. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. شريحة نماذج لتوليد G-رمز للاستخدام على الطابعة 3D مع المعلمات التالية: تجمع الدم في ABS باستخدام: درجة حرارة السرير ساخنة من 100 درجة مئوية، ودرجة حرارة البثق من 250 درجة مئوية، وكثافة التعبئة من 5٪، وسرعة الطباعة الافتراضية من 50 ملم / ثانية، وسرعة قذيفة الداخلية من 70 ملم / ثانية، وسرعة قذيفة الخارجي أو 50 ملم / ثانية؛ العفن عضلة القلب في ABS أو حمض البوليلاكتيك (PLA) باستخدام: درجة حرارة السرير ساخنة من 60 درجة مئوية لجيش التحرير الشعبي أو 100 درجة مئوية لABS، درجة حرارة البثق من 205 درجة مئوية لجيش التحرير الشعبى الصينى أو 250 درجة مئوية لABS، كثافة التعبئة من 15٪، سرعة الطباعة الافتراضية من 50 ملم / ثانية، سرعة قذيفة الداخلية من 80 ملم / ثانية، وسرعة قذيفة الخارجي من 30 ملم / ثانية.
  2. حفظ/تصدير G-رمز.
  3. قم بتحميل ملف الطباعة إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد باستخدام محرك أقراص فلاش أو اتصال Wi-Fi، استنادا إلى قدرات الطابعة، وتأكد من تحميل خيوط صحيحة على طابعة ثلاثية الأبعاد وبدء الطباعة. يجب أن تفي الطابعة ثلاثية الأبعاد بالمتطلبات التالية: متوافقة ومجهزة بقطر فوهة أقل من 0.4 مم وقادرة على دقة طبقة أقل من 0.25 مم. عند الانتهاء من الطباعة، استخدم كماشة أنف إبرة وملاقط لإزالة جميع مواد الدعم من القطع المطبوعة.

figure-protocol-4
الشكل 4: قطع النموذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد. صورة فوتوغرافية ل (أ) تجمع الدم المادي و (ب) قطعة من حالة عضلة القلب مع VSD المنتجة من الطابعة ثلاثية الأبعاد مع إزالة مواد الدعم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تجميع قطع حالة عضلة القلب حول قالب بركة الدم، وضمان جميع القطع تناسب معا بإحكام. إذا كانت حالة عضلة القلب لا يمكن أن يصلح حول بركة الدم، وإجراء تعديلات صغيرة على قطعة قالب القضية باستخدام أداة الرملي الدوارة المحمولة لإزالة المواد. إذا كان هناك حاجة إلى تعديل كبير، قد يكون من الضروري تحرير ملف STL في برنامج CAD وإنشاء طباعة ثلاثية الأبعاد جديدة.
    تنبيه: استخدم حماية العين عند استخدام أداة رمل دوارة محمولة باليد. استخدام أداة الرملي الدوارة على بركة الدم أو حالة عضلة القلب سوف يسبب البلاستيك لتذوب. استخدام لماما وبحذر.
    ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتا بين أي خطوات قبل هذه النقطة.
  2. قم بإجراء بخار الأسيتون بسلاسة إذا كانت حالة عضلة القلب مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام ABS ، ويتم رغبة الانتهاء من سطح السيليكون الأكثر سلاسة من قبل الشركات الصغيرة والمتوسطة. إذا لم يكن من المرغوب فيه أو اللازمة الانتهاء من سطح أكثر سلاسة، تخطي عملية البخار على نحو سلس مع الحد الأدنى من التأثير إلى التشريح النهائي للنموذج.
    تنبيه: الأسيتون متقلب و قابل للاشتعال. تأكد من اقامة في منطقة جيدة التهوية بعيدا عن النيران المفتوحة أو الشرر. بالإضافة إلى ذلك، سوف الأسيتون حل كلوريد البولي فينيل (PVC) والبوليسترين. إذا كان يتم استخدام حاوية بلاستيكية، تأكد من أنها لا تحتوي على PVC أو البوليسترين.
    1. خط أسفل والجانبين من الحاوية التي لن تتأثر الأسيتون مع المناشف الورقية. صب الأسيتون على منشفة ورقية أسفل والسماح لها لنشر المناشف الورقية على جانب الحاوية ولكن لا تشكل بركة في الجزء السفلي. كمية الأسيتون اللازمة سوف تختلف تبعا لحجم الحاوية المستخدمة; هنا، تم استخدام 30 مل من الأسيتون في حاوية بحجم قاعدة يبلغ حوالي 400 سم3.
    2. ضع قطعة من رقائق الألومنيوم في الحاوية لتغطية منشفة ورقية أسفل. وضع قطع حالة عضلة القلب على رقائق الألومنيوم وتوجيه قطع عضلة القلب بحيث الوجوه المطلوبة لتكون ممهدة عمودي. تأكد من أن قطع عضلة القلب لا تلمس بعضها البعض أو المناشف الورقية على جدار الحاوية.
    3. ضع غطاء على الحاوية أو غطاء مع رقائق الألومنيوم والسماح لقطع حالة عضلة القلب أن تبقى دون عائق في الحاوية حتى يتحقق ~ 80٪ من الانتهاء من السطح المطلوب، لكل فحص بصري. الوقت اللازم لإكمال عملية البخار السلس سوف تختلف تبعا لحجم الحاوية وكمية الأسيتون المستخدمة. بدء التحقق من قطع حالة عضلة القلب لإنهاء السطح المطلوب في فترات 15 دقيقة بعد 30 دقيقة الأولية. لهذه الدراسة، استغرق تنعيم البخار 2 ساعة لهيكل 150 مل.
    4. ارتداء قفازات، وإزالة بعناية قطعة حالة عضلة القلب من الحاوية لمس الأسطح الخارجية فقط. السماح للقطع إلى تماما دي الغاز في منطقة جيدة التهوية ل ~ 30 دقيقة، أو حتى على نحو سلس وجاف، والثابت.

figure-protocol-5
الشكل 5: بخار ممهدة قطعة حالة عضلة القلب. تصوير قطع حالة عضلة القلب من حالة قلبية مع VSD بعد بخار الأسيتون على نحو سلس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. صب السيليكون

ملاحظة: بعض الملوثات، بما في ذلك اللاتكس والكبريت، يمكن أن تمنع علاج السيليكون إذا كانت على اتصال. ينصح بمراجعة أي نشرات تقنية قبل محاولة استخدام السيليكون.

  1. تقدير كمية من اثنين من أجزاء البلاتين علاج السيليكون التي ستكون هناك حاجة لإنشاء نموذج عضلة القلب; كمية السيليكون اللازمة سوف تختلف تبعا لحجم النموذج الذي يجري إنشاؤه. بدلا من ذلك، قياس حجم تجزئة عضلة القلب باستخدام برنامج كندي لتحديد كمية السيليكون اللازمة. تأكد من أن السيليكون يمتلك الخصائص التالية: صلابة الشاطئ من 2 A، قوة الشد من 1986 كيلو باسكال، استطالة في كسر من 763٪، انكماش أقل من 0.0254 ملم / ملم، لزوجة مختلطة من 18،000 cps، وعاء الحياة من 12 دقيقة، ووقت العلاج من 40 دقيقة. تطلبت هذه الدراسة 300 مل من السيليكون.
  2. يهيج تماما الجزء A والجزء B من السيليكون قبل صب الكميات اللازمة، في النسب الصحيحة، في كوب خلط. إذا كان اللون مرغوبا في النموذج، أضف الصباغ واخلط جميع الأجزاء والصباغ جيدا. لهذه الدراسة، 150 مل من كل من الجزء A والجزء B كانت مختلطة ومهتاجة باليد أو مع المحرض. تمت إضافة لون منتج سيل الصباغ "الدم" (انظر جدول المواد) بواسطة عصا الحرفية حتى تم تحقيق اللون المطلوب.
  3. ضع السيليكون المختلط تماما في غرفة فراغ عند 29 في Hg لمدة 2-3 دقائق إلى إزالة الغاز. سوف يتوسع السيليكون خلال عملية إزالة الغاز إلى ضعف حجمه تقريبا ، تأكد من أن حاوية الخلط لديها مساحة كافية للسماح بالتوسع. تنفيس وإزالة السيليكون إزالة الغاز من الغرفة وغمر بركة الدم في السيليكون لمعطف تماما، وضمان تمتلئ جميع الفراغات والتجاويف في بركة الدم مع السيليكون.
  4. رش جيدا جميع قطع من حالة عضلة القلب مع منتج الإفراج سهلة (انظر جدول المواد) في منطقة جيدة التهوية. تجميع النصف السفلي من حالة عضلة القلب حول قمة بركة الدم. إذا كانت أي طبقات بين قطعة حالة عضلة القلب تسمح للسيليكون بالتسرب ، فاستخدم المشابك أو مادة مثل الغراء الساخن أو الطين لختم التسرب على السطح الخارجي للقالب.
  5. صب السيليكون في الفضاء بين بركة الدم وجدار القضية، مما يسمح للسيليكون لتدفق في جميع الثغرات. استمر في صب السيليكون حتى تمتلئ القطع المجمعة من قالب عضلة القلب بالسيليكون.
  6. تجميع القطع المتبقية من حالة عضلة القلب، وتأمين القطع القضية بإحكام باستخدام الأربطة المطاطية والمشابك، حسب الضرورة. صب السيليكون أسفل ثقب التعبئة في الجزء العلوي من قطعة حالة عضلة القلب حتى يتم تعبئة كامل مساحة عضلة القلب مع السيليكون.
  7. السماح للسيليكون لتعيين ~ 40 دقيقة. إزالة قلب السيليكون من حالة عضلة القلب وتقليم قبالة أي طبقات السيليكون التي تم إنشاؤها من الفضاء بين القطع القضية أو ثقب التعبئة.

5. حل بركة الدم

  1. تحديد جميع الأوعية الدموية التي ينبغي أن يكون لها نهايات مفتوحة على نموذج السيليكون وتقليم بعيدا أي السيليكون الذي يغطي لهم لفضح تجمع الدم ABS داخل.
  2. غمر قلب السيليكون في حمام الأسيتون. ABS سوف تبدأ في تليين 10-15 دقيقة بعد غمر الأسيتون; كما يحدث هذا، وإزالة قطع كبيرة من ABS مع ملاقط لزيادة سرعة عملية حل ABS.
  3. إجراء اثنين إلى ثلاثة إضافية أسيتون شطف / ينقع مع الأسيتون نظيفة لإزالة جميع ABS من السيليكون عندما حلت غالبية تجمع الدم ABS. إزالة نموذج القلب من حمام الأسيتون والسماح الأسيتون المتبقية لتتبخر من النموذج في منطقة جيدة التهوية. الوقت اللازم لإذابة ABS بالكامل سيعتمد على حجم النموذج، وكمية ABS إزالتها يدويا، وكمية الأسيتون المستخدمة.

figure-protocol-6
الشكل 6: نموذج القلب السيليكون المريض محددة مع VSD. صورة فوتوغرافية لعرض سطح ملحمي لنموذج السيليكون الكامل مع VSD. VSD غير مرئية بسبب موقعها داخل هيكل عضلة القلب داخل القلب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

النتائج

تم اختيار بيانات التصوير الإشعاعي من مريض مصاب بمرض VSD لتوليد نموذج قلب سيليكون تمثيلي. تم تقسيم تشريح المريض باستخدام برنامج تجزئة CAD لتوليد نموذج عضلة القلب الرقمي ونموذج تجمع الدم الرقمي (الشكل 1). التقسيم اليدوي لتجمع الدم و عضلة القلب مع البروتوكول المقدم يستغرق 1-3 ساعة لإكمال. عند الانتهاء من التقسيم ، تم فتح نموذج عضلة القلب في برنامج CAD لمزيد من المعالجة. تم محاذاة النموذج إلى مربع ثلاثي الأبعاد تم إجراؤه داخل البرنامج ثم طرح بعيدا باستخدام العمليات المنطقية. تركت هذه العملية سلبية من نموذج عضلة القلب، وتشكيل قالب. تم تشذيب هذا القالب عضلة القلب إلى حجم أكثر ملاءمة، وقطع إلى شرائح، وتعديلها مع الدعائم لمحاذاة القطع (الشكل 2). استغرق إنشاء القضية 2-6 ساعة. تم تحميل جميع قطع العفن عضلة القلب وتجمع الدم في برنامج تشريح الطباعة ثلاثية الأبعاد، وتم إنشاء G-Code إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد في ABS (الشكل 3). يمكن رؤية القطع المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع مواد الدعم التي تمت إزالتها في الشكل 4. كانت قطع حالة عضلة القلب بخار ممهد لتعزيز النهاية السطحية للنموذج (الشكل 5).2003 عند الانتهاء من عملية البخار السلس ، تم تجميع القالب حول نموذج تجمع الدم ، وتم صب السيليكون. استغرق صب الجمعية والسيليكون ساعة واحدة. بعد مجموعة السيليكون ، تمت إزالة نموذج القلب من حالة عضلة القلب وغمره في الأسيتون لإذابة بركة الدم. وبعد ما يقرب من أربع وعشرين ساعة من النقع، انحلت بركة الدم. تم إجراء شطف الأسيتون النهائي ، وسمح للنموذج بالجفاف الكامل. ويمكن رؤية نموذج القلب السيليكون الانتهاء في الشكل 6. لتقييم دقة ووظائف نموذج السيليكون ، تم إجراء شق من قبل خبير CHD (عيب القلب الخلقي) للسماح بمراقبة التشريح الداخلي. كان VSD المتوقع موجودا ، وتم خياطة رقعة GORE-TEX على النموذج من قبل جراح القلب الخلقي لتصحيح VSD (الشكل 7). في نموذج السيليكون الانتهاء بنجاح، وجميع تشريح المريض والعيوب تكون موجودة خارجيا وداخليا. يمكن رؤية ملخص البروتوكول في الملف التكميلي 1.

figure-results-1
الشكل 7: GORE-TEX التصحيح مخيط في نموذج القلب السيليكون مع VSD. صورة فوتوغرافية ل (A) وجهة نظر الجراح لنموذج القلب السيليكون المريض محددة مع VSD و (B) وجهة نظر الجراح من VSD في النموذج مغلقة مع التصحيح غور تكس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ملف تكميلي 1: التخطيطي للبروتوكول تصنيع القلب السيليكون. رسم تخطيطي للبروتوكول في تصنيع نموذج قلب السيليكون الخاص بالمرضى. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: ملخص الخطوات الحرجة والنتائج السلبية المحتملة. ملخص الخطوات الحاسمة في تطوير نموذج القلب السيليكون المريض محددة والنتائج السلبية المحتملة التي يمكن أن تنتج إذا لم يتم اتباع الخطوات بشكل صحيح. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

المناقشة

عند الانتهاء من البروتوكول ، يجب أن ينتج نموذج قلب السيليكون الخاص بالمرضى للتحضير الجراحي. ومع ذلك، هناك العديد من الخطوات الهامة التي يجب إكمالها بشكل صحيح لتحقيق ذلك. يمكن رؤية ملخص الخطوات الهامة في البروتوكول في الملف التكميلي 2، بالإضافة إلى النتائج المحتملة إذا لم يتم تنفيذ الخطوات بشكل صحيح. تتضمن الخطوة الحرجة الأولى تجزئة بيانات التصوير الإشعاعي للمريض. تتطلب هذه الخطوة الحصول على مجموعة بيانات تصوير ثلاثي الأبعاد تشخيصية. تعتمد المنفعة النموذجية في التخطيط أو التعليم قبل الجراحة على جودة مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد. من المستحسن استخدام مجموعة صور تم جمعها بحجم شريحة يتراوح بين 0.625 مم و 2.6 مم لضمان أن تكون مجموعة البيانات ذات دقة كافية لإنتاج النموذج. ومع ذلك ، يجب أن يتم تعيين جميع معلمات التصوير من قبل خبير طبي في الأشعة ، مع رعاية المرضى هي الأولوية. وتجدر الإشارة إلى أنه قد يكون من الممكن إنتاج نموذج من مجموعة صور تم جمعها بحجم شريحة خارج القيم الموصى بها، ولكن دقة النموذج وجودته ستتأثر سلبا. بعد الحصول على الصور، إذا لم يتم تنفيذ التقسيم بشكل صحيح، فإنه عادة لا يتحقق حتى يتم إنتاج النموذج النهائي وقطع في، مما أدى إلى فقدان الوقت والمواد. لمنع هذه النتيجة السلبية ، يوصى بأن يقوم خبير الموضوع بمراجعة الملفات المجزأة قبل إنشاء القوالب الرقمية لمراقبة الجودة. الخطوة الحاسمة التالية تحدث أثناء إنشاء القوالب الرقمية. من المهم التأكد من أن حالة عضلة القلب سوف تكون قادرة على تجميعها حول نموذج تجمع الدم. إذا لم تغلق الحالة حول بركة الدم ، فلا يمكن استخدامها لإنشاء نموذج السيليكون حيث أن السيليكون غير المحدد سيتسرب باستمرار ، ويمكن تشويه التشريح. يمكن استخدام أداة الرملي الدوارة المحمولة لإزالة قطع من قالب عضلة القلب بخفة فقط إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات صغيرة. إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات كبيرة ، فإن القالب الرقمي يحتاج إلى تغيير وطباعة حالة محدثة. الخطوة الحاسمة الأخيرة هي صب السيليكون. الالتزام الصارم بالتعليمات المادية ضروري عند استخدام السيليكون ، حيث أن الفشل في القيام بذلك قد يؤدي إلى السيليكون الذي يشفي بسطح مبتذل. إذا اعتبر السطح مبتذلا جدا لاستخدامه من قبل الشركات الصغيرة والمتوسطة ، فقد يتعين إعادة طبع بركة الدم إذا لم يتم إزالتها بنجاح من السيليكون. السيليكون يجب أن يكون إعادة سكب، مما أدى إلى فقدان الوقت والمواد. إذا تم استخدام السيليكون غير كافية أو تسرب السيليكون من قالب حالة عضلة القلب أثناء عملية الإعداد، فإن النموذج الناتج يكون غير مكتمل. يمكن علاج هذا الفشل عن طريق خلط وصب السيليكون إضافية في القالب. ويمكن استخدام مادة مثل الغراء الساخن أو الطين لختم طبقات من قالب حالة عضلة القلب إذا كان يبدو أن كمية صغيرة من السيليكون تسرب من خلال خلال خلال عملية المعالجة.

يمكن تعديل هذه الطريقة في إنشاء نماذج قلبية خاصة بالمرضى من السيليكون للسماح بإنشاء نموذج لأي بنية تشريحية ناعمة مع هندسة داخلية وخارجية خاصة بمرضى معينين أو معقدين. على افتراض أن التشريح المستهدف مجزأ بشكل صحيح ، يمكن اتباع الخطوات المتبقية من البروتوكول بأقل تغيير. في حين لا محور العمل الحالي، وقد تم تطبيق البروتوكول على parenchyma الكبد مع نجاح مماثل. ويمكن أيضا تعديل المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة. يوصى باستخدام ABS و PLA نظرا لانخفاض تكلفتهما ، ولكن أي مواد طباعة ثلاثية الأبعاد قابلة للذوبان يمكن أن تحل محل ABS ، ويمكن لأي مواد طباعة ثلاثية الأبعاد مرغوبة أن تحل محل PLA بأقل قدر من التغيير أو لا يتغير على البروتوكول. يجب اتباع كافة معلمات الطباعة المحددة من قبل الشركة المصنعة للخيوط عند استخدام مواد طباعة أخرى. ويمكن تعديل هذه الطريقة عن طريق استخدام السيليكون مختلفة. السيليكون الموصى به للاستخدام في هذا البروتوكول له صلابة الشاطئ من 2 A، ولكن إذا كان هناك قيمة صلابة الشاطئ آخر هو مرغوب فيه، يمكن استبدال سيليكون مختلفة مع الحد الأدنى أو أي تغيير على البروتوكول. تأكد من الالتزام بجميع مواصفات وإجراءات التصنيع عند استخدام منتج سيليكون مختلف.

في حين أن هذا البروتوكول يحدد إجراء تحسين النمذجة القلبية، فإنه لا يخلو من القيود. القيد الرئيسي لهذا البروتوكول هو أنه في حين أن استخدام البلاتين علاج السيليكون هو أقرب إلى صلابة الأنسجة القلبية من المواد المتاحة الأخرى، صلابة ليست الخاصية الوحيدة التي تلعب دورا في المهارة الحركية الدقيقة للتدريب الجراحي. على وجه الخصوص، سوف تظهر الأنسجة القلبية الحقيقية قابلية التفتيت أو تمزق تحت القوة. السيليكون المستخدمة مرنة جدا، مع استطالة في كسر 763٪ وقوة الشد من 1986 كيلو باسكال19. أنسجة القلب Porcine، الذي يعتقد أنه تمثيل دقيق للأنسجة القلبية البشرية، لديه استطالة في كسر من 28-66٪ وقوة الشد من 40-59 كيلوباسكال26. هذا الاختلاف يمثل مشكلة، حيث أن زملاء جراحة القلب قد يقومون بعملية جراحية على قلب نموذج السيليكون ويكتسبون شعورا زائفا بالثقة لأن النموذج يمكن أن يتحمل القوى التي لا تستطيع أنسجة القلب الحقيقية تحملها. هذه المنهجية لديها أيضا القدرة على أن تكون محدودة من قبل نموذج القلب مع الهندسة معقدة جدا. مع زيادة التعقيد التشريحي للنموذج ، يمكن للبروتوكول تعويضه بزيادة عدد القطع في قالب عضلة القلب. أساسا، سوف نماذج معقدة على نحو متزايد تتطلب تصاميم العفن معقدة على نحو متزايد وزيادة وقت التصميم.

عملية إنشاء نموذج وصفها في هذا البروتوكول متفوقة على العديد من البدائل الأخرى المتاحة نظرا لقدرتها على إعادة إنشاء النسخ المتماثلة التشريحية الدقيقة منخفضة التكلفة من التشريح واجه جراحيا. الأنسجة الكادفيرية والحيوانية لا تسمح لمحاكاة عالية الدقة، ولكن لديهم تكلفة أعلى بكثير وتتطلب إنشاء مختبر محدد لاستخدامها وصيانتها2,6. علاوة على ذلك ، فإن نماذج الأنسجة الجفنة والحيوانية لديها مخاوف أخلاقية ، وليست خاصة بالصبر ، وغالبا ما يجب تصنيع CHD المعقد يدويا من قبل جراح أو مدرب ، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى عدم الدقة أو تلف الأنسجة والأعضاء المحيطة. وهناك تقنية أخرى محتملة للنمذجة تنطوي على استخدام الواقع الافتراضي. الواقع الافتراضي يسمح لتكرار الرقمية للنماذج القلب المريض محددة، والتي هي أداة فعالة لإنشاء تمثيلات عقلية دقيقة من تشريح المريض والخطط الجراحية. بالإضافة إلى ذلك ، سمحت بعض أنظمة الواقع الافتراضي بإجراء عمليات محاكاة أساسية مع دمج التغذية المرتدة اللمسية. ومع ذلك ، فإن ردود الفعل اللمسية المتاحة تفتقر إلى الواقعية اللازمة لتكرار المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لإجراء جراحات القلب الخلقية4. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة أخرى متاحة لإنتاج نماذج قلبية خاصة بالمرضى2,24. ومع ذلك ، فإن التنفيذ الواسع النطاق للطابعات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة القادرة على إنتاج نماذج متعددة المواد والناعمة يعوقها تكلفتها العالية للغاية11,14,15. تتوفر طابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة ولكن يمكنها الطباعة فقط في مواد أكثر حزما من عضلة القلب الحقيقية. عندما تم استخدام واحدة من أنعم المواد المتاحة للطابعة 3D لإنشاء نموذج من قبل سكانلان وآخرون.17. كان للمواد الموصوفة صلابة على الشاطئ بين 26 A و 28 A ، مما يعطيها نسيجا مشابها لشريط مطاطي. السيليكون البلاتين الشفاء المستخدمة في هذا البروتوكول لديه صلابة الشاطئ من 2 A، مما يعطيها نسيج مماثل لإدراج الأحذية هلام وأقرب بكثير إلى صلابة أنسجة القلب الحقيقية، وهو 43 0020 أو ~ 0 أ. هواشي وآخرون. كما استخدمت طريقة مماثلة لتلك الموصوفة في هذا البروتوكول لتطوير نموذج مرن القلب المطبوعة 3D. اثنين من القوالب، التي تمثل الهندسة الداخلية والخارجية عضلة القلب، كانت مطبوعة 3D باستخدام طابعة جيش تحرير السودان تليها فراغ الصب راتنج البولي يوريثين مثل المطاط. في حين أن هذه الطريقة لم تنتج نموذج القلب لينة، وكانت تكلفة الإنتاج المقترحة من هذه الطريقة لكل نموذج 2000 إلى 3000 دولار أمريكي22. نسبيا، التكلفة المادية الإجمالية للطريقة المذكورة في البروتوكول المعروض أقل من 10 USD. وأخيرا، استخدمت طريقة مماثلة أيضا من قبل روسو وآخرون. لإنشاء نماذج السيليكون من الصمام الأبهري والهرطية القريبة للممارسة الإجرائية. في حين أن روسو وآخرون. ويركز الأسلوب على هدف مماثل، عملية عرضها تهدف إلى تكرار التشريح أبسط بكثير من الشريان الأورطي أو الصمامات الأبهري. يميز البروتوكول المعروض هنا نفسه من خلال التركيز على التشريح داخل القلب و عضلة القلب الأصغر حجما والأكثر تعقيدا ، وسيكون من الصعب للغاية تكراره نظرا للمنهجيات التاريخية. على الرغم من هذا الاختلاف، فإن النماذج التي أنشأتها روسو وآخرون. كانت مفيدة للغاية لمحاكاة والتدريب في جراحة القلب من قبل جراحي القلب الذين شملهم الاستطلاع23. أساسا، الطريقة الموصوفة في هذا البروتوكول يسمح لخلق منخفضة التكلفة من معقدة، ونماذج القلب الخلقية المريض محددة مع عيوب ممثلة بدقة وخصائص المواد أكثر مماثلة لأنسجة القلب الحقيقية من أساليب النمذجة الأخرى1,16، مما يسمح بتشغيل النماذج بدقة اللمسية واقعية.

وللمضي قدما، يمكن تطبيق هذه المنهجية على تشكيل نموذج لأي تشريح للمرضى له سمات داخلية وخارجية معقدة. إن تطوير مادة بديلة لتجميع الدم يمكن إزالتها من داخل نموذج السيليكون بطريقة أقل تدميرا أو إنتاجها باستخدام طريقة أقل استهلاكا للوقت من شأنه أن يجعل العملية أكثر كفاءة من حيث الوقت والتكلفة. ونتيجة لذلك، لن يكون من الضروري إعادة إنتاج مجموعة دم جديدة لكل عملية صب لاحقة، مما يؤدي إلى قابلية التدريب المرتبط بها للتطوير. كما يمكن تحسين الخصائص الفيزيائية للسيليكون المستخدم في إنشاء النموذج. السيليكون مع استطالة أقل في استراحة من شأنه أن يزيد من واقعية النموذج ويساعد على تحسين قيمته كأداة تعليمية للزملاء جراحة القلب في محاولة لتعلم المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لأداء هذه الإجراءات المعقدة. مجموعة من المواد المعروضة حاليا في السوق تستحق النظر في المساعدة في هذا الحل هي مواد زجاجية محاكاة السيليكون25. هذه المواد السيليكون تظهر استطالة أقل بكثير في كسر مما يؤدي إلى "تحطيم" متميزة على تطبيق القوة بطريقة مماثلة للزجاج. تعديل البلاتين علاج السيليكون المستخدمة في هذا البروتوكول مع إضافات من هذه المواد الزجاجية محاكاة السيليكون قد تسمح للسيطرة على خصائص قابلية التجعد من النموذج مع الحفاظ على صلابة الشاطئ المناسبة، وتحسين الإخلاص اللمسي العام. وأخيرا، فإن دقة التشريح التي يمكن أن ينتجها هذا البروتوكول محدودة بدقة الطابعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة لتوليد القوالب. ومع استمرار تحسن التكنولوجيا، ينبغي أيضا تحسين حل التشريح الذي يمكن إنشاؤه باستخدام هذا البروتوكول.

الإفصاحات

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

شكر وتقدير

يود المؤلفون الاعتراف ب OSF HealthCare لجعل هذه الدراسة ممكنة ، وكذلك الدكتور مارك بلونكيت لمعرفته الإجرائية وتطبيق المهارات على منتجنا النهائي.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1.75 مم ABS خيوطالمادةهاكر matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG جودةمتناقلة ، سعر واعي للميزانية
1.75 مم خيوط جيش التحرير الشعبىالصينى هاكرhttps://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKUجودة متناقلة ، سعر واعي
للميزانية 8220 12VMax عالي الأداء https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordlessDremelاللاسلكي لتسهيل الوصول إلى الميزات الصغيرة في طراز
AcetoneSunnysidehttps://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5Bulk
Dragon Skin Fx-ProSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-proطلاء https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 ناعم على مستوى الصناعة وآمن للبشرة
لضمانسهولة إزالة السيليكون من العفن
GORE- TEX patchGOREhttps://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatchCardiovascular
Patch ideaMakerRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/download/  يتضمن برنامج G-code CAD لرفع طابعات 3D
MagicsMaterilisehttps://www.materialise.com/en/software/magicsبرنامج CAD الغني بالميزات قادر على معالجة الأسطح العضوية
يحاكيMaterilisehttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimicsبرنامج تجزئة غني
بالميزات بيانات DICOMللمريض--عادة ما تأتي بيانات DICOM من CT للمريض أو التصوير بالرنين المغناطيسي
Pro2 PlusRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/حكاية موثوقة ، طابعة FDM ثلاثية الأبعاد بالبثق
المزدوج PRO2-100 Industrial Glue GunSurebonderhttps://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-sticksمسدس الغراء الساخن ذو الجودة الصناعية
Silc PigSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigmentsPigment لإضافة اللون إلى غرفة الفراغ المصنوعة
من السيليكون غرفة فراغ موثوقةhttps://shop.smooth-on.com/vacuum-chamberمتناقلة لإزالة فقاعات الهواء من السيليكون المختلط

المراجع

  1. Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
  13. 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).
  14. Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
  19. Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).
  23. 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).
  24. Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).
  25. 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).
  26. Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. Three-dimensional printing surgical applications. ePlasty. 15, 37(2015).
  27. Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
  28. 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).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة