干预规划和培训的3D打印心血管幻影的开发与评估

摘要

在这里，我们介绍了一个模拟循环设置的开发，用于多式联运治疗评估、介入前规划和心血管解剖学的医生培训。通过应用患者特异性断层扫描，此设置非常适合治疗方法、培训和个性化医学教育。

摘要

基于导管的干预措施是心血管病理学的标准治疗方案。因此，患者专用模型可以帮助培训医生的线技能，以及改进干预程序的规划。本研究的目的是开发用于心血管干预的患者专用3D打印模型的制造过程。

为了创建一个3D打印弹性幻象，不同的3D打印材料被比较为猪生物组织（即主动脉组织）的机械特性。根据比较拉伸测试选择合适的材料，并定义特定材料厚度。追溯性地收集了匿名对比增强 CT 数据集。从这些数据集中提取了患者特异性体积模型，随后进行了 3D 打印。构建了脉冲流回路，以模拟干预期间的发光血流。模型是否适合临床成像，通过X射线成像、CT、4D-MRI和（多普勒）超声波检查来评估。对比介质用于提高基于 X 射线的成像的可见性。在医生培训以及介入前治疗规划中应用了不同的导管技术来评估 3D 打印幻象。

印刷模型显示打印分辨率高（+30 μm），所选材料的机械性能可与生理生物力学相媲美。与底层放射数据集相比，物理和数字模型的解剖精度较高。打印模型适用于超声波成像和标准 X 射线。多普勒超声波和 4D-MRI 显示与本地数据匹配的流模式和地标特征（即湍流、壁切应力）。在基于导管的实验室环境中，患者特异性幻象很容易导管。有可能对具有挑战性的解剖（例如先天性心脏病）的介入程序进行治疗规划和培训。

灵活的患者特异性心血管幻影是3D打印的，并有可能应用常见的临床成像技术。这一新工艺是理想的导管（电生理）干预训练工具，可用于患者特定的治疗规划。

引言

个性化疗法在现代临床实践中越来越重要。从本质上讲，它们可以分为两组:遗传方法和近视方法。对于基于独特个人DNA的个性化疗法，无论是基因组测序还是基因表达水平的量化都是必要的^。例如，在肿瘤学或代谢紊乱治疗中可以找到这些方法^。每个人的独特形态学（即解剖学）在介入医学、外科医学和假肢医学中起着重要作用。个性化假肢的发展和介入前/手术前的治疗规划是当今研究小组研究的重点^。

3D打印来自工业原型生产，是个性化医学^{领域的理想之选}。3D 打印被归类为添加剂制造方法，通常基于材料的逐层沉积。如今，我们拥有多种具有不同打印技术的 3D 打印机，可加工聚合物、生物或金属材料。由于打印速度的提高以及 3D 打印机的持续普及，制造成本正逐渐降低。因此，在日常生活中使用3D打印进行干预前规划在经济上已变得可行^。

本研究的目的是建立一种产生患者特异性或疾病特异性幻象的方法，用于心血管医学的个性化治疗规划。这些幻象应与常见的成像方法以及不同的治疗方法兼容。另一个目标是使用个性化解剖学作为医生的培训模型。

方案

路德维希-马克西米利安大学蒙琴大学伦理委员会审议了道德批准，并放弃了这一批准，因为这项研究中使用的放射性数据集是追溯收集的，并且完全匿名。

请参阅该研究所的 MRI 安全指南，特别是关于流量环的二手 LVAD 心室和金属部件。

1. 数据采集

1. 在创建解剖幻象之前，选择合适的放射数据集，最好是从心血管学科的患者中选择。虚拟 3D 模型可以同时从计算机断层扫描 （CT） 或磁共振成像 （MRI） 数据集中提取。
2. 选择数据集的像素大小和切片厚度 （ST）以适应 3D 模型中要表示的结构的大小。此实验使用了 0.6 mm 的 ST，矩阵大小为 512 x 512，视野为 500 mm，像素大小为 0.98 mm。确保像素大小和 ST 的值必须低于图像和 3D 模型中应可见的最小特征的大小，例如，婴儿数据集或冠状动脉表示的<0.3 毫米，成人患者主要心血管结构的< 0.6 mm。
3. 在双源螺旋技术中对 CT 血管造影 （CTA） 进行标准采集，成人患者的 ST 为 0.6 mm。对于成人，以 4 mL/s 的速度注射 80 mL 碘对比剂，并在 100 HU 的阈值下在上升主动脉中进行 bolus 跟踪后开始获取 11s。扫描仪根据患者的体型自动选择管电压和管电流。使用高度迭周重建在软组织内核中执行重建。
   注:CTA 采集参数和协议高度依赖于可用的 CT 扫描仪、患者大小和患者周长。所提出的参数是基于经验的，应作为调整的起点，而不是固定的要求。
4. 对于 MR 血管造影 （MRA），使用内部修改序列执行非对比度增强 （非 CE） MRA，该序列使用完全平衡的梯度波形，同时使用心电图和呼吸触发（TE 3.59、TR 407.40、矩阵大小 224x224）。使用结合平行成像、稀疏采样和迭数重建的压缩感应实现加速 MRI 数据采集。例如，胸主动脉的采集时间约为 5 分钟。
   注意:请务必选择没有移动工件的数据集。为了减少运动伪影，使用潜在的心电图触发器和非 CE MRA 的其他呼吸触发器进行图像采集。此外，在选择一般用途的模型时，确保没有金属植入物，因为这可以提高成品模型的质量。
5. 对于心血管解剖的分割和 3D 打印，请使用对比增强数据集。使用原生心血管数据集使空心解剖结构（例如血管或心室）与血液分离变得困难，因为与霍恩斯菲尔德值相当的大约为30 HU^8。
   注:血液体积与周围软组织之间的较高霍恩斯菲尔德值梯度将允许在分割过程中更容易分离。如果梯度非常小，软组织的一部分将作为血液体积的一部分显示，导致模型质量差和额外的后期处理。
6. 在导出数据集时，请务必选择相当低的切片厚度（CTA 约为 0.3 - 0.6 mm，MRA 为 0.8 - 1.0 mm），因为打印模型的分辨率和表面质量在很大程度上取决于此参数。
   注:如果切片厚度过薄，建模所需的计算能力将显著增加，从而相应地减慢过程。另一方面，切片厚度过大会导致患者解剖学中小细节的丢失。

2.3D模型创建

注:从放射性数据集创建 3D 模型称为细分过程，需要特殊软件。医疗图像的分割以霍恩斯菲尔德单元为基地，形成3维模型^9。这项研究使用商业细分和3D建模软件（见 材料表），但类似的结果可以达到使用可用的免费软件。以下步骤将用于从对比增强 CT 数据集建模。

1. 将数据集导入细分软件后，裁剪数据集以限制感兴趣区域，即心脏和主动脉拱门。通过选择 作物图像 工具和通过单击和移动帧两侧移动 ROI 边缘来实现此目的。这可以在所有三个方向中完成。因此，关注投资回报率，以及文件大小的减少，从而提高计算速度，从而缩短整体工作时间。
2. 通过打开 阈值工具定义一系列 Hounsfield 单位值（约 200-800 HU），从而组合遮盖增强对比度的血液量和骨骼结构（图 1A，例如胸骨、肋骨部分和脊柱）。
3. 使用 拆分面罩 工具去除最终 3D 模型中不可取的所有骨骼部分，该工具可根据 Hounsfield 值和位置标记和分离多个区域和整体切片。
4. 分离后，确保含有对比增强血量的面膜保留。这可以通过滚动穿过日冕和轴向平面，并将创建的掩码与底层数据集进行匹配来完成。从此面膜，计算渲染的 3D 多边形表面模型（所谓的 STL） （图 1B）。
   注:工具名称在其他细分程序中可能有所不同。
5. 要进一步适应和操作，请将 3D 模型传输到 3D 建模软件（参见 材料表）。要导出 3D 模型，请单击 "导出工具"并选择 3D 建模软件或用于导出文件的合适数据格式。随后，确认您的选择，并将执行导出流程。
6. 使用 修剪 工具将血液量裁剪到特定的兴趣区域（例如，去除主动脉或部分心腔）。单击该工具，围绕需要拆卸的部件绘制轮廓。
   注意:根据数据集的质量和细分的准确性，此时可能需要进行一些轻微的表面维修和修改。进一步的设计操作允许根据使用目的操作患者特定模型，例如在培训中操作。根据患者的解剖学，工程学的一些示例包括缩放整个模型或单个结构，以创建或删除连接，将不同模型的一部分组合在一起。这些功能对于先天性异常的训练模型特别有趣，因为CT和MRI图像在儿科中很少见，其中辐射和饱和是关键。因此，对现有模型的适应和修改对先天性心脏缺陷模型的3D打印特别有帮助。
7. 单击 "本地平滑 "工具，手动和本地调整分段模型的表面。专注于去除以前修剪操作创建的粗糙多边形、单峰和粗糙边缘。
8. 为了允许模型的后期连接到流环，包括具有定义直径的管状部件，这些部件调整为可用的软管连接器和管径（图1C）。因此，将基准平面与船舶的开口横截面平行放置，距离约为 10 毫米。
   1. 要放置平面，请选择工具 创建基准平面 并使用预设 的三点平面。接下来，单击船舶横截面上的三个相等间隔点以创建平面。之后，在命令窗口中输入 10 mm 的偏移并确认操作。
   2. 从菜单中选择 新草图 工具，并选择以前创建的基准平面作为草图的位置。在草图中，大致在容器的中心线上放置一个圆圈，并设置半径约束，以匹配软管连接器的外径（主动脉入口为 24 mm，亚克拉维安、胡萝卜素和肾血管为 8-10 mm，容器的开口为 16-20 mm）。
9. 从创建的草图中，使用 Extrude 工具创建长度为 10 mm 的圆柱体。定向挤压远离船口，在气缸与船舶横截面之间形成10毫米的距离。然后，使用 阁楼 工具，在容器末端和几何定义的圆柱体之间创建连接。此时，确保两个横截面之间的平稳过渡，从而避免最终 3D 流量模型（图 1D）中的湍流和低流量区域。
   注:通过遵循这些步骤，将创建主动脉和粘附动脉血量的3D模型。此外，它将包括随后将其连接到流回路所需的连接器。
10. 要制造空心血液空间，请使用软件中的空心 工具。在命令窗口中，输入所需的墙厚（在此实验中:2.5 mm），此外，空心过程的方向必须设置为 外部。之后，确认选择和空心过程将被执行。
    注:此步骤允许为整个型号选择固定壁厚度。由于"空心"在所有表面上创建定义的墙厚，因此将产生完全封闭的模型。因此，所有船只的末端都需要再次使用第 2.6 步（图 1E）中描述的步骤进行修剪。使用灵活的 3D 打印材料时，此步骤对于定义幻象的最终生物力学特性至关重要。通过增加模型的壁厚度，从逻辑上讲，将产生更高的弹性和较低的弹性。如果不知道原生组织的机械特性和 3D 打印材料，此时必须执行拉伸测试。由于整个模型的壁厚度是恒定的，应在模型感兴趣的区域重现所需的机械性能。
11. 一些处理软件提供"Wizard"，以确保最终型号的可打印性，这是强烈推荐的。此可选处理步骤将分析模型的多边形网格和标记重叠、缺陷和未与模型相连的小对象。通常，向导提供解决方案来删除发现的问题，从而生成可打印的 3D 模型（图 1F）。
12. 通过在文件选项卡中选择 "导出 "选项"，将最终模型导出为 .stl 文件 。
    注:为了确认设计的 3D 模型的准确性，某些软件支持最终 STL 轮廓和底层放射数据集的叠加。这允许将 3D 模型与原生解剖学进行视觉比较。此外，必须选择空间分辨率为 40 μm <打印机，以便准确打印数字模型。

3.3D打印和流量循环设置

1. 使用制造商提供的切片软件将 。stl 文件上传到 3D 打印机，以生成解剖学的物理幻象。理想情况下，应使用≤ 0.15 mm 的打印层高度，以确保高分辨率和良好的打印质量。
   注:市场上有各种各样的弹性打印材料和合适的3D打印机。不同的设置可用于打印以前描述的数字模型。但是，分辨率、后处理和机械行为可能与所呈现的结果不同。
2. 将打印文件从切片软件上传到 3D 打印机后，确保打印机墨盒中的打印材料和支持材料量足以满足 3D 模型并开始打印。
3. 按照打印过程，从成品模型中取出支撑材料。首先，通过轻轻挤压模型手动取出支撑材料，然后浸入水中或各自的溶剂（取决于支撑材料）。在孵化器中干燥，一夜之间达到 40 °C。
   注:根据解剖模型的复杂性，删除支持材料可能是一个耗时的步骤。虽然使用铲子、勺子和医疗探针等工具可以稍微缩短后处理时间，但它也增加了穿孔模型墙壁的危险，使其对液体测试毫无用处。使用 Polyjet 打印技术时，整个型号将采用支持材料。这需要保持未治愈的模型材料到位，而它使用紫外线治疗。在空心管状模型中，与实际模型材料相比，这将导致对支撑材料的需求要高得多。 图2 中显示的模型使用大约 200 克模型材料和 2，000 克支持材料。
4. 接下来，将模型嵌入 1% 的 agar 中。这减少了模型临床成像过程中的运动伪影。其次，与浸在水中相比，Agar 在声像成像过程中提供了更好的触觉反馈，在导管过程中提供了更好的力反馈。
   1. 使用模型周围至少 2 厘米侧边边缘的塑料盒。钻孔到箱子的墙壁上，使管子从容器连接到泵和储层。
   2. 准备一个茄子溶液，通过在水中加入1%的w/v，并煮沸。煮沸和搅拌混合物后，让它冷却5分钟，倒入箱子，形成一张至少2厘米高的床，模型将被放置在上面。
      注意:如果模型直接放置在盒子的底部，模型内液体的脉动将产生不对称的向上运动。
5. 当 Agar 床组时，将模型连接到不符合要求的 PVC 管，每次打开时都使用商业软管连接器。建议使用3/8"的管子直径，用于大型血管（例如主动脉）和/或高血流量解剖结构（例如心室）。对于较小的船只，1/8"管是足够的。使用拉链连接来修复软管连接器和 3D 模型之间的连接，并确保没有液体泄漏。
6. 引导PVC管通过钻孔进入盒子，然后将模型放在设置的阿加床的顶部。为了防止从这些孔中渗出的醋，使用防热建模粘土来密封它。随后，在盒子里装满了阿加，在上面加一层2厘米的黄油，在室温下离开一个小时，让阿加完全冷却和设置。这将需要更多的醋混合物描述在步骤3.4。
   注:一旦治愈，如果冷藏，将可用约一个星期。一旦体积明显减少，应更换为新批次。
7. 使用附着在近腔开口上的 3/8" 管子将脉动气动心室泵连接到模型上。将其他管子连接到储层，然后将储层连接到心室泵的入口，形成封闭的流环。（图2:例如，心室辅助装置（VAD）-心室）。泵的冲程体积应为 80 - 100 mL，以确保成人解剖学中有足够的生理流动。对于儿科解剖，提供较小的泵室。
8. 心室应由冲压体积为 120 - 150 mL 的活塞泵搅拌，以考虑连接管系统中的空气压缩。

4. 临床成像

注:为了防止临床成像中的伪影，必须确保流体回路中没有气囊。

1. CT 成像
   1. 对于 CT 成像，将整个流量循环放在 CT 扫描仪内，驱动单元站在附近。将对比剂泵直接连接到流量环的储层，因此在扫描过程中可以模拟模型的充斥与对比剂。这对于可视化血管病理学特别有用。
   2. 在整个模型上执行 CT 作为动态扫描，以可视化对比剂流入。管电压设置为 100 kVp，管电流设置为 400 mAs。合合是1.2毫米。以 4 mL/s 的速度将 100 mL 的 1:10 稀释的异位对比剂注入模型的储层中。使用前导管中的 bolus 触发器开始扫描，阈值为 100 HU，延迟为 4s。
2. 超声
   1. 将少量超声波凝胶放在方块顶部，以减少人工制品。启动泵，使用超声波头定位超声波成像（即心脏瓣膜）感兴趣的解剖结构。使用 2D 回声模式来评估传单的移动，以及阀门的打开和关闭行为。使用彩色多普勒来评估穿过瓣膜和光谱多普勒的血流量，以量化心脏瓣膜后的流动速度。
3. 导管/干预
   1. 将接入端口插入 3D 模型正下方的 PVC 管中，以便使用心脏导管或导线更轻松地访问解剖学。启动流量循环后，在端口入口处检查泄漏情况。如有必要，请使用双组件胶粘剂密封开口。
   2. 将 3D 模型放在 X 光机 C 臂下方的患者桌上。使用 X 射线成像来引导导管和导线穿过解剖结构。对于气球扩张或支架放置，使用连续 X 射线模式可视化设备的扩展。
      注:3D打印模型的导管化和干预训练允许可互换使用不同的解剖和病理模型。这进一步增加了培训设置的多样性和现实性。
4. 4D-MRI
   1. 使用 1.5 T 扫描仪进行 MRI 采集，并确保采集协议由上述非对比增强 MRA 和 4D 流序列组成。对于 4D Flow，获取具有 25 个相位和 1.2 mm 切片厚度的同位素数据集（TE 2.300、TR 38.800、FA 7 +、矩阵大小 298 x 298）。将速度编码设置为 100 厘米/小时。体外测量使用模拟心电图和呼吸触发器进行。
   2. 对于 4D 流分析，带嵌入模型和 VAD 扫描仪的框被放置在 MRI 扫描仪中，并覆盖 18 通道身体线圈。关于MRI扫描仪的磁场，气动驱动单元必须放置在扫描仪室外:因此，通常需要更长的连接管系统。
   3. 使用商用软件执行 4D 流图像分析。首先，通过从闪存驱动器中选择 4D-MRI 数据集来导入该数据集。其次，执行半自动偏移校正和校正别名，以提高图像质量。随后，自动跟踪容器的中心线，软件提取 3D 音量。
   4. 最后，通过单击分析窗口中的单个选项卡对流量参数进行定量分析。流可视化、路径可视化和流向量将可视化，无需进一步输入。要在各自的选项卡中量化压力和壁切应力，请单击按钮 添加平面放置两个平面。飞机将自动放置垂直于船舶的中心线。
   5. 将飞机拖至中线，将飞机移到投资回报率，因此一架飞机位于投资回报率的开头，一架飞机位于末端。在 3D 模型旁边的图表中，将可视化和量化 ROI 和壁切变应力的压力下降。

结果

所述的代表性结果侧重于规划、培训或测试环境中常用的一些心血管结构。这些数据是使用 ST 为 1.0 mm 和 voxel 大小为 1.0 mm 的同位素 CT 数据集创建的。主动脉瘤模型的壁厚设置为2.5毫米，符合印刷材料的比较拉伸测试结果（拉伸强度:0.62±0.01 N/mm^2:最高: 1.55 ± 0.02 N:拉长: 9.01 ± 0.34%） 和猪主动脉样本 （宽度: 1 毫米:最高_:1.62 ± 0.83 N:拉长: 9.04 ± 2.76%） 。

呈现的 3D 打印模型在 CT 成像方面提供了多种可能性。印刷材料可以很容易地区分周围的阿加和可能的金属植入物（图3A）。因此，通常不需要使用对比剂，但生成动态成像序列除外。这对于评估血管内支架特别有用，因为它允许可视化可能的假肢错配和随后出现内窥镜泄漏。

讨论

呈现的工作流程允许建立个性化模型，从而执行介入前治疗规划，以及医生关于个性化解剖学的培训。为此，患者特异性断层数据可用于柔性心血管幻象的分割和 3D 打印。通过在模拟循环中实现这些 3D 打印模型，可以现实地模拟不同的临床情况。

如今，许多治疗规划程序侧重于不同场景的数字模拟，以找出最有利的结果^10，11。与这些硅内模拟相比，描述的 3D 打印设置可在培训过程中实现触觉反馈:在脉动灌注中，可以实现接近人类原作的材料符合性。另一方面，许多出版的3D打印心血管幻象只使用刚性材料，因此仅限于主要视觉用途^12，13。

然而，必须理解的是，目前的3D打印技术和材料仍然是最大的限制，在复制生物力学性质的呈现工作流程^14。虽然解剖形状的精确再现是可能的，但创建模...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3-matic	Materialise AB		软件 版本 15.0 - 商用 3D 建模软件
Affiniti 50	Philips Medical Systems GmbH		超声成像系统
Agilista W3200	Keyence Co.		Polyjet 3D 打印机，空间分辨率为 30&μ;m
AR-G1L	基恩士公司		柔性 3D 打印材料
Artis Zee	Siemens Healthcare GmbH		血管造影 X 射线扫描仪
cvi42	CCI Inc.		软件版本 5.12 - 4D 流量分析软件
诊断导管，多用途 MPA 2	Cordis，A Cardinal Health 公司		儿科训练模型导管，婴儿尺寸 4F 和儿童、年轻人尺寸 5F
心室辅助装置	Berlin Heart GmbH		80 -100ml 每搏量
Imeron 400 造影剂	Bracco 成像		CT - 造影剂
IntroGuide F	Angiokard Medizintechnik GmbH		带 J 型尖端的导丝;直径：0.035 英寸长度：220 厘米
Lunderquist Guidewire	Cook Medical Inc.		（T）EVAR 介入导丝
MAGNETOM Aera	Siemens Healthcare GmbH		MRI 扫描仪
Magnevist 造影剂	Bayer Vital GmbH		MRI - 造影剂
Mimics	Materialise AB		软件版本 23.0 - 商业分割软件
建模工作室	Keyence Co.		3D打印机切片软件
PVC 管
Radifocus 导丝 M	Terumo Europe NV		直导丝;直径：0.035" 长度：260cm
真正有用的盒子 9L	真正有用的产品有限公司
Rotigarose - 标准琼脂	Carl Roth GmbH	3810.4
Solidworks	Dassault Systemes SE		软件版本 2019-2020;CAD 设计软件
SOMATOM Force	Siemens Healthcare GmbH		计算机断层扫描扫描仪
syngo via	Siemens Healthcare GmbH		放射成像软件