用于新生儿模拟器的解剖结构逼真的新生儿心脏模型

摘要

本方案描述了一种通过结合磁共振成像、3D打印和注塑成型技术来构建功能性人工新生儿心脏模型的方法。这些模型旨在用于下一代新生儿患者模拟器的集成，并作为生理学和解剖学研究的工具。

摘要

新生儿患者模拟器（NPS）是用于医学模拟培训的人工替代患者。新生儿科医生和护理人员通过练习胸外按压等临床干预措施，以确保在心动过缓或心脏骤停情况下患者的存活。目前使用的模拟器物理保真度较低，因此无法对胸外按压操作提供定性洞察。在未来的模拟器中嵌入解剖结构逼真的心脏模型，可实现对胸外按压期间产生的心输出量的检测；这能为临床医生提供一个输出参数，有助于深入理解按压效果与血流量之间的关系。在实现这一监测功能之前，必须首先构建一个包含两个心房、两个心室、四个心脏瓣膜、肺静脉和肺动脉以及体循环静脉和动脉的解剖结构逼真的心脏模型。本方案描述了利用磁共振成像（MRI）、3D打印和冷注塑成型相结合的方法，制造此类功能性人工新生儿心脏模型的步骤。通过在注塑成型过程中使用柔性3D打印内模，可获得解剖结构逼真的心脏模型。

引言

每年有数百万新生儿被收入新生儿重症监护室（NICU）。在NICU中，大多数紧急情况与气道、呼吸和循环（ABC）问题有关，需要实施胸外按压等干预措施。新生儿模拟人（NPS）为练习此类干预提供了有价值的教学和培训工具。对于某些NPS，内置传感器可检测按压操作是否符合临床指南推荐的按压深度和速度标准¹。依从指南的程度可用于计算和量化操作表现，因此，这类先进的NPS可被视为评估操作表现的一种具体且透明的指标。

遵循推荐的指南旨在改善患者的生理状态。例如，胸外按压的目的是在循环系统中产生足够的血流。目前的高保真新生儿模拟人（例如，PremieAnne（Laerdal，Stavanger，挪威）和 Paul（SIMCharacters，Vienna，奥地利））在培训过程中无法测量血流等生理参数，因为它们缺乏可生成该生理参数的集成化心脏，因此无法在生理层面上评估当前模拟人胸外按压的有效性。为了使模拟人能够实现对胸外按压的生理学评估，必须将一个解剖结构逼真的人工心脏整合到模拟人中。此外，研究²表明，物理解剖保真度的提高可能会提升模拟人的功能保真度。集成高保真的物理器官系统将有助于提高培训的功能保真度，并实现生理层面的性能评估。

通过3D打印可显著提高新生儿模拟（NPS）的保真度。在医学领域，3D成像和3D打印主要用于手术规划和植入物的制备^3,4,5。例如，在手术模拟领域，可制造器官模型以培训外科医生进行手术操作⁶。目前，3D打印技术在新生儿模拟中的应用尚不广泛。3D成像与3D打印的结合为新生儿模拟实现更高水平的物理保真度提供了可能。随着3D打印技术和材料种类的不断拓展，复制心脏等复杂且具有柔韧性的新生儿器官已成为可能⁷。

本文详细介绍了一种结合磁共振成像（MRI）、3D打印和冷注塑成型技术，用于构建功能性人工新生儿心脏的实验方案。本研究中的心脏模型包含两个心房、两个心室、四个功能性瓣膜，以及肺动脉和体循环动静脉，全部由单一硅胶铸件制成。该心脏模型可注入液体，配备传感器，并用作输出参数发生器即、胸外按压期间的血压或心输出量，以及瓣膜功能）。

方案

在对患者进行成像之前，已获得所有机构审批。

1. 图像采集与分割

1. 获取新生儿胸部磁共振成像（MRI）扫描的医学数字成像和通信（DICOM）格式文件。在心脏周期的心室舒张阶段采集扫描的每一层图像，或获取来自尸体解剖的胸部MRI数据。
   注意：必须能够清晰辨识心肌以及心房和心室的边界。
2. 使用处理软件（见材料表）导入胸部MRI的DICOM文件。通过“编辑掩膜”菜单项，在每一张MRI切片上选择存在心脏的心肌区域。在此过程中，也可一并覆盖心房和心室区域。
3. 创建一个新的草图图层，并以与心肌选择相同的方式，分别对左右两个心房和两个心室进行分割。不要对存在于心房与心室之间以及心室与动脉之间的瓣膜进行分割。
4. 使用“计算3D”菜单项将心肌和心腔分别渲染为独立的三维模型，并通过“STL+”菜单项以最优分辨率设置将其导出为五个立体光刻（.stl）文件。
5. 将.stl文件载入计算机辅助设计（CAD）软件（见材料表）。使用修复向导菜单项修复.stl文件中的三角面重叠和错误边等问题。再次保存修复后的.stl文件。
   注意：若无法获得心脏MRI数据，可考虑使用本实验方案中提供的心脏模型。该文件还包含独立的心脏瓣膜模型。请点击此处下载文件。

2. 加工与模具打印

1. 将心房和心室组导入计算机辅助设计软件中（参见 材料表). 请点击此处下载文件.
   1. 使用原始 MRI 确定主动脉瓣、肺动脉瓣、二尖瓣和三尖瓣的位置图1).
2. 通过将阀门文件（通过上述链接获取）拖入当前文件以激活“插入零件”功能，将每个阀门的阳模和阴模分别添加到心房和心室组件中对应的位置。通过点击心房或心室表面的指定位置，确定放置位置。
   1. 使用“特征”选项卡挤出正极和负极的底部 > 使用“拉伸凸台/基体”使各部分突入相应的腔室，并将阀门部件与其对应的腔室合并。
      注意：二尖瓣由两个半月形部分组成，而三尖瓣、主动脉瓣和肺动脉瓣则由三个部分组成。
3. 使用2.2步骤中所述的方法，将肺动脉瓣和主动脉瓣文件添加至相应的心室位置。从这些瓣膜的顶端开始，通过点击“草图选项卡”，绘制两个直径为5 mm的弧形圆柱体。 > 使用“features”选项卡，沿绘制的弧线绘制一个圆形 > 扫掠凸台/基体，直至两个圆柱面均达到水平位置。将瓣膜部件与其相应的心室和动脉合并。
4. 从四个腔室以及两个拱形圆柱体的底部开始，通过点击“草图选项卡”，绘制直径为5 mm的垂直圆柱体 > 单击“特征”选项卡中的“圆形”项目，并将其拉伸至40 mm长度 > 凸出圆柱体至各自腔室中。
   1. 为确保在模具中组装六个内部件时腔室的准确定位，需在六个圆柱体上添加差异化的凹槽图2) 通过在圆柱体顶部绘制半圆：点击“草图选项卡” > 草图圆”菜单项，并使用“特征选项卡” > “切割/拉伸”菜单项以创建不同深度的凹陷。
      1. 通过选择心腔和动脉的实体部分，单击右键，然后按“组合”功能，接着选择“减去”设置，将它们的形状从心腔和动脉中扣除。不要合并这些部分。将所有心腔和动脉分别保存。
5. 导入心肌模型。通过启动新草图并按住“shift”键选择所有气缸底面草图，对六缸底面草图进行偏移。然后，选择“草图”选项卡 > 转换实体菜单项。选择“草图”选项卡 > 在“偏移实体”菜单项中将草图偏移 2 mm。
   1. 挤出并合并这些草图，方法是单击“特征”选项卡 > 使用心肌模型挤出凸台/基座菜单项；对拱形圆柱体重复此操作。通过点击“特征”选项卡将这些圆柱体与心肌模型合并。 > 凸出凸台/基座 菜单项
      注意：确保与心房相对的心肌模型距离超过 2 mm（图1否则在移除内模时，壁面会发生破裂。
6. 通过单击“特征”选项卡，首先放置一个基准平面，然后从六个圆柱体的底部向下建模一个立方体 > 参考几何形状 > 平面。之后，点击“草图”选项卡 > 单击“正方形”菜单项，绘制一个长度和宽度均比心脏肌肉模型最宽处宽4 mm的正方形。
   1. 向下挤出，厚度为 8 mm，方法是点击“features”选项卡 > “拉伸凸台/基体”菜单项，并通过选择“合并零件”菜单项将其与六个圆柱体的基座合并。在基座的四个角上，使用相同方法添加边长为4 mm的立方体。
7. 以方形底面为草图，拉伸以覆盖整个心脏模型，并从其中减去所有其他部分。在心脏模型最宽处，将剩余矩形的顶部进行分割。首先，在所需高度处使用“特征”选项卡放置一个参考基准面。 > 参考几何形状 > 平面。此后，使用菜单项“插入” > 霉菌 > 选择“拆分”以选定执行拆分操作的表面以及需要拆分的对象。
   1. 使用步骤2.7中所述的相同方法，但在垂直方向上，于最便于脱模的位置再次分割剩余的矩形。在模具纵向部分的角落绘制4 mm的立方体插槽，并通过“草图”选项卡在顶盖的角落添加4 mm的立方体。 > 方形和特征选项卡 > 凸出凸台/基体 菜单项
8. 在外部模具模型顶部绘制50个直径为1 mm的圆形，并将这些圆形贯穿所有外部模具进行切除拉伸。同时，在心肌模型最宽处的顶盖侧面拉伸数个直径为1 mm的圆柱。从顶盖上方切除拉伸一个直径为8 mm的注入口。
   1. 将四个外模部件分别保存。
      注意：模具组件总数应为十个：模具底座、两个外模侧板、一个外模顶盖、两个带瓣膜附件的内模心房、两个带瓣膜附件的内模心室，以及各一个带瓣膜附件的主动脉和肺动脉内模。
9. 使用喷墨打印机打印已安装的刚性及类橡胶光敏聚合物材料
   （参见 材料表）。将打印部件放置在打印平台上时，确保阀门阴模均朝上（垂直）打印（图3).
   1. 将打印设置选为光面。对于四个心腔以及肺动脉和主动脉模具附件，选择柔性材料S95；对于其余四个模具部件，选择刚性打印材料。
10. 打印模具部件后，使用水射流去除打印过程中产生的支撑材料（参见 材料表将模具部件清洗后，放入5%氢氧化钠溶液中浸泡24 h。从溶液中取出部件后，用冷水冲洗，并在浇铸前干燥48 h。

3. 冷注射成型与后处理

1. 除阀门外，使用脱模剂（参见材料表）喷洒模具所有部件的所有表面，并用纸巾擦拭干净。静置干燥15分钟。
   1. 关闭模具底座及两个侧板，并将其放置在两个垫片上方，使模具底座不与桌面直接接触。将硅胶筒插入手动注胶枪（参见材料表）以准备硅胶。
2. 从注胶枪中挤出5 mL硅胶至量杯中，用牙签混合均匀。使用牙签将足量液态硅胶涂覆于右心房和右心室阀门的阴模和阳模表面。确保硅胶中无夹带气泡（图4）。
   1. 以正确的阀门角度连接两个腔室，并将其推入模具底座对应的圆柱位置。对左侧部分重复此操作。最后，以相同方式安装肺动脉和主动脉弓形圆柱。让这些阀门固化2分钟，然后安装模具的上部。
3. 将静态混合器连接至硅胶筒，挤压直至硅胶从喷嘴流出，然后释放压力。将整个模具置于两个垫片上（图5），将注胶枪插入8 mm注塑接口，以低压力持续挤压3分钟，直至所有排气孔均出现硅胶溢出。
   1. 此时停止注入硅胶，取下混合器，并将模具放置于桌面，使所有底部排气孔密封，防止硅胶继续从模具底部流出。让硅胶固化30分钟。
4. 通过将金属垫片插入模具上部与下部之间的缝隙并撬动抬起，打开模具上部。采用相同方法逐个拆除模具侧板。
   注意：插入垫片时务必避免刺破心脏壁。
   1. 在拆除三个外层模具组件后，检查心脏模型外表面是否存在气泡（图6）。使用手术刀刺破气泡，并用牙签填入少量硅胶，然后继续固化30分钟。
5. 使用压缩空气（参见材料表）将心脏模型从模具底座吹出，使六个内模保留在心脏模型内部。操作时需用手牢固握住心脏模型，防止气流导致心脏壁破裂。
   1. 使用装有水的注射器填充并加压左心室和右心室，以释放内部模具。随后使用Magill镊子（参见材料表）夹住并拉出这两个内模部件。对肺动脉和主动脉以及最后的左心房和右心房内模重复此过程。
      注意：使用镊子时应确保其位置不会在施加夹持力时压迫瓣膜段，否则将损坏打印的瓣膜。
6. 使用扎带绑紧从心室直接向下延伸的两根管路，并通过从心脏壁表面拔除的方式移除多余的排气线。

结果

本研究详细介绍了一种结合磁共振成像（MRI）、3D打印和冷注塑成型技术构建解剖结构逼真的新生儿心脏模型的方法。本文所展示的心脏模型未包含动脉导管和卵圆孔。本文所述方法亦可应用于其他内部器官，如肺脏及胸廓结构。胸廓结构无需模具，可直接使用柔性材料进行打印。在（图7）中，我们展示了其中若干示例。将该心脏模型与这些其他人工身体部件结合使用，可构建完整的胸腔模型，作为无创及有创临床干预操作的培训工具或测试平台。

构建一个完整且解剖结构逼真的模型所面临的主要挑战在于，必须将四个心腔以及瓣膜一次性整体铸造成单一部件。如果分别铸造各个部分，再在后续阶段进行粘接，则会降低解剖结构的准确性。此外，在使用心脏模型进行按压时，采用硅胶材料粘接各部分可能导致潜在的破裂风险。

3D 打印复杂部件（<...

讨论

对于本研究中开发的模型，我们发现需要进行为期3分钟的注塑，以防止空气进入铸型（图5，图6）。为确保硅胶能够填充到阀门的狭窄区域，对模具中的阀门区域进行"预浇注"或"涂覆"至关重要。由于形成心腔的内模需通过5 mm的开口从最终的硅胶铸件中取出，因此需要采用多材料3D打印技术来制作单一铸件的心脏模型（图4）。我们多次降低内模部分的硬度，最终采用了S95材料设置。较硬的材料会因阀门边缘过于锐利而导致硅胶模型撕裂，从而使所制得的心脏模型无法正常使用。通过使用多种具有不同固化时间的硅胶，发现必须采用快速固化的硅胶，否则在模具设计中大量通气孔存在的情况下，材料会在固化过程中流出。

本文所述技术的局限性在于，其制备方法耗时较长，且需要多种专有材料，导致生产过程相对昂贵。另一个局限是需要获取高分辨率的磁共振成像（MRI）扫描图像，以在分割过程中保持解剖结构的准确性（

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Ecoflex 5	Smooth-on		硅胶铸模材料
400ml 静态混合器	Smooth-on		混合管
手动分配枪	Smooth-on		用于注塑成型
5-56 聚四氟乙烯喷雾	CRC		模具脱模剂
氢氧化钠	N/A		在五金店以烧碱形式购得，为干燥的99%纯度固体。由于该物质广泛可得，未指定具体厂商
VeroWhite	Stratasys		打印中使用的硬质材料
TangoBlackPlus	Stratasys		打印中使用的橡胶材料
支撑材料	Stratasys		Stratasys 使用的标准支撑材料
麦氏喉钳	GIMA		婴儿尺寸，用于取出内模
Stratasys Connex 350	Stratasys		若无此设备，也可通过第三方打印公司（如 3D-hubs）进行零件打印并邮寄获取。
Balco Powerblast（水射流）	Stratasys
Euro 8-24 Set P（空气压缩机）	iSC	4007292
带钝针头的注射器	N/A		20ml 注射器，配直径 0.5mm 的钝针头。
Mimics 17.0 软件	Materialise		该软件用于从 MRI 数据中分割心脏模型。目前有多种免费的 MRI 成像软件可供选择，例如 InVesalius 或 Osirix，但其功能可能相对有限。
Magics 9.0 软件	Materialise		用于修复和优化由 Mimics 生成的 .stl 文件。此类平滑处理也可在大多数其他 3D 建模免费软件中完成。
Solidworks			用于编辑心脏模型的软件。大多数其他免费 CAD 软件也可用于完成此阶段的数据处理。