تطوير وتقييم الأشباح القلبية الوعائية المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط والتدريب التدخلي
January 18th, 2021
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.
تسمح الطريقة المقدمة بإنشاء نماذج تشريحية خاصة بمرضى القلب والأوعية الدموية للاختبار في المختبر ، والتدريس ، والتخطيط للإجراءات. تقدم هذه الطريقة نهجا موحدا لإنشاء نماذج تشريحية فردية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد استنادا إلى مجموعات البيانات الإشعاعية التي يمكن تضمينها بسهولة في حلقات التدفق أو إعدادات التدريب. في حين أن هذا النهج النمذجة يركز على نظام القلب والأوعية الدموية، فإنه يمكن نقلها إلى هياكل تشريحية أخرى.
نوعية مجموعة البيانات الإشعاعية لها تأثير كبير على الصعوبات التي تواجهها أثناء النمذجة. بالنسبة للنماذج الأولى، استخدم مجموعة بيانات مع الحد الأدنى من القطع الأثرية للحركة ودقة مكانية عالية. للبدء، حدد مجموعة من قيم وحدة هونسفيلد عن طريق فتح أداة العتبة مما أدى إلى قناع مشترك من حجم الدم المحسن التباين وهياكل العظام.
إزالة كافة أجزاء العظام غير المرغوب فيها في النموذج 3D النهائي باستخدام أداة قناع سبليت، والتي تمكن من وضع علامات وفصل مناطق متعددة في شرائح عموما على أساس القيم هونسفيلد والموقع. بعد هذا الانفصال، تأكد من بقاء قناع يحتوي على حجم الدم المعزز على النقيض. ويمكن القيام بذلك عن طريق التمرير عبر المستويات التاجية والموجزية ومطابقة القناع الذي تم إنشاؤه مع مجموعة البيانات الأساسية.
من هذا القناع، حساب نموذج سطح مضلع ثلاثي الأبعاد المقدمة. 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.
للسماح بالاتصال اللاحق للنموذج بحلقة تدفق، قم بتضمين أجزاء أنبوبية ذات أقطار محددة تم تعديلها وفقا لموصلات الخرطوم وأقطار الأنبوب المتاحة. لوضع طائرة datum موازية لفتح المقطع العرضي للسفن، حدد الأداة، إنشاء الطائرة Datum، واستخدام مسبقا 3 نقطة الطائرة. بعد ذلك ، انقر على ثلاث نقاط متباعدة على قدم المساواة على المقطع العرضي للسفينة لإنشاء الطائرة.
إدخال إزاحة 10 ملليمترات في إطار الأمر وتأكيد العملية. حدد أداة رسم رسم من القائمة واختر مستوى datum الذي تم إنشاؤه مسبقا كموقع للرسم. في الرسم، ضع دائرة تقريبا على الخط الأوسط للسفينة وحدد قيد نصف القطر ليطابق القطر الخارجي لموصل الخرطوم.
من رسم تم إنشاؤه، استخدم أداة البثق لإنشاء اسطوانة بطول 10 ملليمترات. توجيه البثق للابتعاد عن فتح السفينة لخلق مسافة بين اسطوانة والسفينة المقطع العرضي من 10 ملليمترات. ثم استخدم أداة Loft لإنشاء اتصال بين نهاية السفينة والأسطوانة المحددة هندسيا.
ضمان انتقال سلس بين المقاطع العرضية اثنين، وبالتالي تجنب الاضطراب وانخفاض تدفق المناطق في نموذج تدفق 3D النهائي. وأخيرا، استخدم أداة Hollow لجعل مساحة الدم مجوفة في إطار الأمر، ووضع سمك الجدار المطلوب وتعيين اتجاه عملية التجويف للتحرك إلى الخارج. تأكيد التحديد لتنفيذ عملية التجويف.
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. بعد عملية الطباعة، قم بإزالة مواد الدعم من الطراز النهائي. أولا، قم بإزالة مواد الدعم يدويا عن طريق الضغط برفق على الطراز.
وضع النموذج على الحوض, ومن ثم تزج في الماء أو المذيبات المعنية بعد إزالة الغطاء. جفف النموذج في حاضنة تم تعيينها إلى 40 درجة مئوية بين عشية وضحاها. في اليوم التالي، تضمين النموذج في 1٪agar.
استخدم صندوق بلاستيكي بهوامش جانبية لا تقل عن سنتيمترين حول النموذج وحفر ثقوب في الجدران للسماح بتوصيل الأنابيب من الأوعية إلى المضخة والخزان. يضاف أغار إلى الماء ويغلى. بعد تحريك الخليط، اتركيه يبرد لمدة خمس دقائق واسكبيه في الصندوق لإنشاء سرير لا يقل ارتفاعه عن سنتيمترين.
بينما مجموعات السرير أجار، ربط النموذج إلى أنبوب PVC غير متوافقة باستخدام موصلات خرطوم التجارية في كل افتتاح. استخدم روابط الرمز البريدي لإصلاح الاتصال بين موصلات الخرطوم والطراز ثلاثي الأبعاد والتأكد من عدم وجود تسرب للسائل. توجيه أنابيب PVC من خلال ثقوب حفر في المربع، ثم وضع النموذج على رأس السرير أجار مجموعة.
لمنع تسرب أجار من هذه الثقوب، استخدم الطين النمذجة للحرارة لختم عليه. بعد ذلك، قم بتعبئة المربع بأجار وقم بتغطية النموذج بإضافة طبقة سنتيمترين في الأعلى. السماح للأجار لتبرد تماما وتعيين لمدة ساعة في درجة حرارة الغرفة.
حرض البطين باستخدام مضخة مكبس بحجم سكتة دماغية من 120 إلى 150 ملليلتر. 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. إجراء CT كمسح حيوي عبر النموذج بأكمله لتصور تدفق عامل التباين. حقن 100 ملليلتر من عامل تباين iodinated مخففة 1-10 في خزان النموذج بسرعة أربعة ملليلتر في الثانية الواحدة.
بدء المسح باستخدام بولوس اثار في أنبوب الرائدة مع عتبة وحدة 100 هونسفيلد في تأخير أربع ثوان. لأداء السونوغرافيا، وضع كمية صغيرة من هلام بالموجات فوق الصوتية على رأس كتلة أجار للحد من القطع الأثرية. بدء تشغيل المضخة واستخدام رئيس بالموجات فوق الصوتية لتحديد موقع الهيكل التشريحي للاهتمام.
استخدم وضع الصدى 2D لتقييم حركة المنشورات وكذلك سلوك فتح الصمام وإغلاقه. استخدم اللون دوبلر لتقييم تدفق الدم عبر الصمام و دوبلر الطيفي لتحديد سرعة التدفق بعد صمام القلب. أدخل منفذ وصول إلى أنبوب PVC أسفل النموذج ثلاثي الأبعاد مباشرة للسماح بالوصول الأسهل للتشريح 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. ضع النموذج ثلاثي الأبعاد على طاولة المريض تحت أذرع C لجهاز الأشعة السينية.
استخدم التصوير بالأشعة السينية لتوجيه القسطرة وتوجيه الأسلاك عبر الهيكل التشريحي. بالنسبة للتصوير بالرنين المغناطيسي رباعي الأبعاد، استخدم ماسح Tesla 1.5 وتأكد من أن بروتوكول الاستحواذ يتكون من MRA محسن غير متناقض في تسلسل التدفق رباعي الأبعاد. الحصول على مجموعة بيانات متساوية الخواص مع 25 مراحل في سمك شريحة من 1.2 ملليمتر.
تعيين ترميز السرعة في 100 سنتيمتر في الثانية الواحدة. قم بإجراء تحليل صورة التدفق 4D باستخدام برنامج متاح تجاريا. أولا، استيراد مجموعة بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي 4D عن طريق تحديده من محرك أقراص فلاش، ثم إجراء تصحيح الإزاحة شبه الآلي وتصحيح الاسم المستعار لتحسين جودة الصورة.
سيتم تتبع خط الوسط للسفينة تلقائيا ، وينتزع البرنامج حجم 3D. وأخيرا، قم بإجراء تحليل كمي لمعلمات التدفق بالنقر فوق علامات التبويب الفردية في إطار التحليل. يمكن تصور تصور تدفق التصور ، والتصور خط المسار ، وتدفق ناقلات دون مزيد من المدخلات.
لتحديد كمي للضغط والضغط الجدار القص في علامة التبويب ممثل، ضع طائرتين عن طريق النقر على زر إضافة الطائرة. نقل الطائرات إلى عائد الاستثمار عن طريق سحبها على طول خط الوسط بحيث يتم وضع طائرة واحدة في بداية العائد على الاستثمار وواحدة في النهاية. سيتم تصور انخفاض الضغط عبر عائد الاستثمار والإجهاد القص الجداري وقياسه كميا في الرسم التخطيطي بجوار النموذج ثلاثي الأبعاد.
تقدم النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد المقدمة مجموعة واسعة من الاحتمالات في التصوير المقطعي. يمكن تمييز المواد المطبوعة بسهولة عن أجار المحيطة بها والغرسات المعدنية المحتملة. لذلك، استخدام عامل تباين عادة غير مطلوب، باستثناء إنشاء تسلسلات التصوير الديناميكي.
عند استخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية ، من الممكن التمييز بين جدار النموذج ، وأجار المحيطة بها ، والأشياء الديناميكية الرقيقة مثل منشورات صمام القلب. توفر طبقة أجار الموجودة أعلى النموذج ملاحظات واقعية أثناء عملية المسح الضوئي. يقدم تحليل التدفق داخل حلقة التدفق مجموعة واسعة من التطبيقات الممكنة والتصوير قبل التدخل.
يتيح تسلسل التصوير بالرنين المغناطيسي 4D تصور تدفق السوائل والاضطرابات والإجهاد القص الجداري داخل النموذج المطبوع ثلاثي الأبعاد ، مما يجعل من الممكن تحليل أنماط التدفق بعد صمامات القلب الاصطناعية. يمكن نقل سير العمل هذا إلى إجراءات طبية تدخلية مختلفة لأغراض التدريب أو التخطيط. تسمح هذه التقنية بإجراء فحص في المختبر عن كثب لسلوك التدفق في الأوعية القلبية الوعائية الكبيرة وتوفر إمكانات كبيرة لتخطيط العلاج الفردي.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
النظرة العامة
تقدم هذه المقالة طريقة لإنشاء نماذج قلب وأوعية دموية تشريحية خاصة بالمريض للاختبار في المختبر، والتعليم، وتخطيط الإجراءات. يعتمد الأسلوب على مجموعات البيانات التصويرية لإنتاج نماذج فردية قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يعزز التدريب والتعليم في الطب القلبي الوعائي.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- نمذجة القلب والأوعية الدموية
- الاختبار في المختبر
- التعليم الطبي
الخلفية
- أهمية الطب الفردي في الإجراءات القلبية الوعائية.
- التحديات في النمذجة على أساس البيانات التصويرية.
- الحاجة إلى مناهج قياسية في النمذجة التشريحية.
- التطبيقات المحتملة خارج النظام القلبي الوعائي.
هدف الدراسة
- تطوير إعداد دائري مزيف لتقييم العلاج متعدد الوسائط.
- تسهيل التخطيط لما قبل التدخل وتدريب الأطباء.
- إنشاء نماذج تشريحية عالية الجودة لأغراض تعليمية.
الطرق المستخدمة
- استخدام مسحات مقطعية خاصة بالمريض.
- إنشاء نماذج قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد على أساس البيانات التصويرية.
- ضم النماذج في حلقات تدفق للاختبار.
- استخدام أدوات تحديد العتبة لتحديد قيم وحدة هونسفيلد.
النتائج الرئيسية
- النجاح في إنشاء نماذج تشريحية فردية.
- تأثيرها المثبت في التدريب وتخطيط الإجراءات.
- إبراز تأثير جودة البيانات التصويرية على النمذجة.
- تأسيس إطار عمل قابل للتطبيق على مختلف الهياكل التشريحية.
الخلاصات
- تقدم الطريقة نهجًا موحدًا للنمذجة التشريحية.
- تعزز تدريب الأطباء في الإجراءات القلبية الوعائية.
- إمكانية التطبيقات الأوسع في التعليم الطبي والتخطيط.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
Patient-specific 3D-printed cardiovascular phantoms enable high-fidelity simulation of interventional procedures, supporting both translational research and advanced physician training. These models bridge the gap between digital imaging data and physical testing, enhancing predictive confidence in device performance and procedural planning. Their integration into R&D workflows accelerates risk-adjusted decision-making for novel cardiovascular therapies and technologies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates in vitro testing of device-tissue interactions using anatomically accurate models.
- Enables mechanistic de-risking by replicating physiological flow and wall shear stress conditions.
- Supports functional validation of interventional targets in a controlled, reproducible environment.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, patient-specific platforms for evaluating device prototypes and procedural techniques.
- Ensures reproducibility and quantitative assessment of flow dynamics and imaging compatibility.
- Enables scalable training and screening of catheterization strategies across diverse anatomies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical testing with disease-relevant anatomical and biomechanical parameters.
- Supports translational biomarker development through quantitative flow and imaging readouts.
- Facilitates continuity from digital imaging to physical model validation for therapy planning.
Pipeline & Workflow Integration
These 3D-printed phantoms integrate seamlessly from early discovery through preclinical validation, providing a reusable platform for hypothesis testing and procedural optimization.
- Discovery Biology: Enables hypothesis-driven evaluation of device performance and anatomical fit.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for comparative assessment of interventions.
- Analytics: Supports measurement of flow parameters, wall shear stress, and pressure gradients for robust data analysis.
- Translational Research: Bridges imaging data with physical model validation, enhancing preclinical relevance.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized workflow adaptable to multiple anatomical and procedural contexts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in device and therapy development.
- Operational Value: Standardizes model creation and testing, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation by de-risking early-stage development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of cardiovascular interventions and devices.
Implementation Considerations
- Requires expertise in radiological data segmentation and 3D modeling software.
- Demands access to high-resolution imaging datasets and advanced 3D printing infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization for model preparation and flow loop integration.
- Adaptable to various anatomical systems with appropriate imaging and modeling adjustments.
- Dependent on imaging quality and material selection for optimal biomechanical fidelity.
