干预规划和培训的3D打印心血管幻影的开发与评估
2021年1月18日
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。
提出的方法允许创建患者特异性解剖心血管模型，用于体外测试、教学和程序规划。该方法提供了一种标准化的方法，可以基于放射性数据集创建 3D 可打印的个性化解剖模型，这些模型可以轻松地包含在流量循环或培训设置中。虽然这种建模方法侧重于心血管系统，但它可以转移到其他解剖结构。
放射性数据集的质量对建模过程中遇到的困难有很大影响。对于第一个模型，使用具有最小运动文件和高空间分辨率的数据集。首先，通过打开阈值工具来定义一系列 Hounsfield 单位值，从而将对比度增强的血液体积和骨骼结构组合起来。
使用拆分掩码工具去除最终 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整体切片中的多个区域。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。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。
为了允许模型的后期连接到流环，请包括已定义直径调整为可用软管连接器和管直径的管状部件。要放置与容器开口横截面平行的基准平面，请选择工具、创建基准平面，并使用预设的 3 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。
在命令窗口输入 10 毫米的偏移，并确认操作。从菜单中选择绘图工具，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。
从创建的草图中，使用 Extrude 工具创建长度为 10 毫米的圆柱体。定向挤出远离容器开口，在气缸和船横截面之间创建 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。
确保两个横截面之间的平稳过渡，从而避免最终 3D 流量模型中的湍流和低流量区域。最后，使用空心工具在指挥窗口中制造空心血空间，并放置所需的墙厚，并设置空心过程向外移动的方向。确认执行空心过程的选择。
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。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拆卸支撑材料。
将模型放在水槽上，然后在取下盖子后将其浸入水中或相应的溶剂中。将模型干燥在孵化器中，一夜之间达到 40 摄氏度。第二天，将模型嵌入 1% 的 agar 中。
使用模型周围至少有两厘米侧边边缘的塑料盒，并在墙壁上钻孔，使管子从容器连接到泵和储油层。将阿加加入水中煮沸。搅拌混合物后，让它冷却五分钟，倒入盒子，形成至少两厘米高的床。
当 Agar 床设置时，每次打开时都使用商业软管连接器将模型连接到不符合要求的 PVC 管。使用拉链连接来修复软管连接器和 3D 型号之间的连接，并确保没有液体泄漏。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，请使用耐热建模粘土将其密封。接下来，在盒子上加上一层阿加，并在上面加一层两厘米的黄油来盖住模型。让阿加完全冷却，并在室温下设置一小时。
使用冲压量为 120 到 150 毫升的活塞泵搅拌心室。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循环的储层，以便在扫描过程中模拟模型与对比剂的充斥。
这对于可视化血管病理学特别有用。在整个模型上执行 CT 作为动态扫描，以可视化对比剂流入。以每秒四毫升的速度将 100 毫升的 1 到 10 个稀释的碘对比剂注入模型的储层中。
开始扫描使用 bolus 触发在领先的管与 100 洪斯菲尔德单位阈值在四秒延迟。要执行声像，在 agar 块顶部放置少量超声波凝胶以减少人工制品。启动泵，使用超声波头定位感兴趣的解剖结构。
使用二维回波模式来评估传单运动以及阀门的开闭行为。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。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引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，请使用两个组件粘合剂密封开口。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并引导导线穿过解剖结构。对于 4D MRI，请使用 1.5 特斯拉扫描仪，并确保收购协议由 4D 流序列中的非对比增强 MRA 组成。获得切片厚度为 1.2 毫米的 25 相的同位素数据集。
将速度编码设置为每秒 100 厘米。使用商用软件执行 4D 流量图像分析。首先，通过从闪存驱动器中选择 4D MRI 数据集导入，然后执行半自动偏移校正和校正别名，以提高图像质量。
将自动跟踪容器的中心线，软件提取 3D 音量。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。无需进一步输入即可可视化流可视化、路径线可视化和流向量。
要在代表选项卡中量化压力和壁切应力，请单击"添加平面"按钮放置两个平面。将飞机拖至投资回报率，沿着中心线拖动，以便将一架飞机放置在投资回报率的开头，一架飞机放在末端。在 3D 模型旁边的图表中，将可视化和量化整个 ROI 和壁切应力的压力下降。
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别于周围的阿加和可能的金属植入物。因此，通常不需要使用对比剂，但生成动态成像序列除外。
使用超声波成像时，可以区分模型的墙壁、周围的阿加和心脏瓣膜传单等薄动态物体。模型顶部的 agar 层在扫描过程中提供逼真的触觉反馈。流环内的流量分析提供了广泛的可能应用和介入前成像。
4D MRI 序列可在 3D 打印模型中可视化流体流、湍流和壁切应力，从而能够分析人工心脏瓣膜后的流模式。此工作流程可转移到不同的介入医疗程序，用于培训或规划目的。该技术允许对大型心血管中的流动行为进行更密切的体外检查，并为个性化治疗规划提供了巨大潜力。
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概述
本文介绍了一种创建针对患者的解剖心血管模型用于体外测试、教学和程序规划的方法。该方法利用放射学数据集生成3D可打印的个体化模型，增强了心血管医学的培训和教育。
关键研究组成部分
科学领域
- 心血管建模
- 体外测试
- 医学教育
背景
- 个体化医学在心血管程序中的重要性。
- 基于放射学数据进行建模的挑战。
- 对解剖建模标准化方法的需求。
- 心血管系统之外的潜在应用。
研究目的
- 开发多模式治疗评估的模拟循环设置。
- 促进干预前规划和医生培训。
- 为教育目的创建高质量的解剖模型。
所用方法
- 利用患者特定的层析扫描。
- 基于放射学数据创建3D可打印模型。
- 将模型纳入流动回路进行测试。
- 应用阈值工具定义胡氏单位值。
主要结果
- 成功创建个体化解剖模型。
- 展示了在培训和程序规划中的有效性。
- 突出了放射学数据质量对建模的影响。
- 建立了适用于各种解剖结构的框架。
结论
- 该方法提供了一种标准化的解剖建模方法。
- 增强了心血管程序中医生的培训。
- 在医学教育和规划中具有更广泛的应用潜力。
常见问题
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.
