Name: 创建患者专用硅胶心脏模型，应用于术前计划和实践培训 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-02-10T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 15 s
Description: 了解如何利用CAD软件与3D打印技术创建患者专用硅胶心脏模型，用于术前计划与外科培训。该方法成本效益高，能准确模拟心肌组织特性，提升复杂先天性心脏病手术准备质量。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者谨此感谢OSF HealthCare为本研究的开展提供了可能，同时感谢Mark Plunkett博士&#160;在最终成果中所提供的操作知识与技能应用。

<ol><li>Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+incidence+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">The incidence of congenital heart disease.</a> Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).</li>
<li>Hussein, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hands-on+surgical+simulation+in+congenital+heart+surgery%3A+Literature+review+and+future+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Seminars+in+Thoracic+and+Cardiovascular+Surgery%22%5BJournal%5D)">Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective.</a> Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).</li>
<li>Wilson, H. K., Feins, R. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWilson%2C+HK+%22Simulation+in+cardiothoracic+surgery.+Comprehensive+Healthcare+Simulation%3A+Surgery+and+Surgical+Subspecialties.+Comprehensive+Healthcare+Simulation%22">Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation</a>. , Springer, Cham. 263-274 (2019).</li>
<li>Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Innovations+in+surgery+simulation%3A+A+review+of+past%2C+current+and+future+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques.</a> Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).</li>
<li>Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hands-on+surgical+training+of+congenital+heart+surgery+using+3-dimensional+print+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Thoracic+and+Cardiovascular+Surgery%22%5BJournal%5D)">Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models.</a> Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).</li>
<li>Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+3D+printing+for+better+understanding+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+Cardiovascular+Disease%22%5BJournal%5D)">Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease.</a> Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).</li>
<li>Velasco Forte, M. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Living+the+heart+in+three+dimensions%3A+applications+of+3D+printing+in+CHD%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiology+in+the+Young%22%5BJournal%5D)">Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD.</a> Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).</li>
<li>Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+of+3D+printed+cardiac+models+in+congenital+heart+disease%3A+a+scoping+review%5BTitle%5D)+AND+%22Heart%22%5BJournal%5D)">Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review.</a> Heart. 106, 1631-1637 (2020).</li>
<li>Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing+models+in+congenital+heart+disease+education+for+medical+students%3A+a+controlled+comparative+study%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Medical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study.</a> BMC Medical Education. 18 (178), (2018).</li>
<li>Farooqi, K. M., Mahmood, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Innovations+in+preoperative+planning%3A+insights+into+another+dimension+using+3D+printing+for+cardiac+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cardiothoracic+and+Vascular+Anesthesia%22%5BJournal%5D)">Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease.</a> Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).</li>
<li>Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+and+access+to+3-dimensional+printing+in+the+context+of+congenital+heart+disease%3A+an+international+physician+survey+study%5BTitle%5D)+AND+%22Canadian+Cardiovascular+Society%22%5BJournal%5D)">Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study.</a> Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).</li>
<li>Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+value+of+virtual+reality+versus+3D+printing+in+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Biomolecules%22%5BJournal%5D)">Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease.</a> Biomolecules. 11 (884), (2021).</li>
<li>Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+modelling+and+printing+technology+to+produce+patient-specific+3D+models%5BTitle%5D)+AND+%22Heart+Lung+and+Circulation%22%5BJournal%5D)">3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models.</a> Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).</li>
<li>Yoo, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+in+medicine+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">3D printing in medicine of congenital heart disease.</a> 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).</li>
<li>Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Affordable+three-dimensional+printed+heart+models%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Cardiovascular+Medicine%22%5BJournal%5D)">Affordable three-dimensional printed heart models.</a> Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498(2021).</li>
<li>Lau, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+and+qualitative+comparison+of+low-+and+high-cost+3D-printed+heart+models%5BTitle%5D)+AND+%22Quantitative+Imaging+in+Medicine+and+Surgery%22%5BJournal%5D)">Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).</li>
<li>Scanlan, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+3D+echocardiogram+derived+3D+printed+valve+models+to+molded+models+for+simulated+repair+of+pediatric+atrioventricular+valves%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatric+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves.</a> Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).</li>
<li>Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: 
 <a target="_blank" href="www.stratasys.com">www.stratasys.com</a> (2018).</li>
<li>Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/">https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/</a> (2021).</li>
<li>Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mimicking+soft+living+tissues+for+3D+printed+surgical+planning+prototypes+using+different+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Congreso+Anual+de+la+Sociedad+Espa%C3%B1ola+de+Ingenier%C3%ADa+Biom%C3%A9dica%22%5BJournal%5D)">Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials.</a> Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).</li>
<li>Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicone+models+of+the+aortic+root+to+plan+and+simulate+interventions%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).</li>
<li>Laing, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+patient-specific+cardiac+phantom+for+training+and+pre-procedure+surgical+planning%5BTitle%5D)+AND+%22Electronic+Thesis+and+Dissertation+Repository%22%5BJournal%5D)">A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning.</a> Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).</li>
<li>Hoashi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+of+a+super-flexible+three-dimensional+printed+heart+model+in+congenital+heart+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).</li>
<li>Mena, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploration+of+time-sequential%2C+patient-specific+3D+heart+unlocks+clinical+understanding%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).</li>
<li>Russo, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+three-dimensionally+engineered+simulation+model+for+aortic+valve+and+proximal+aorta+procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).</li>
<li>Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing+surgical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22ePlasty%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing surgical applications.</a> ePlasty. 15, 37(2015).</li>
<li>Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/">https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/</a> (2021).</li>
<li>Riedle, H., Molz, P., Franke, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+properties+of+cardiac+tissue+for+3D+printed+surgical+models%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE-EMBS+Conference+on+Biomedical+Engineering+and+Science%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models.</a> IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

完成该方案后，应获得一个用于手术准备的患者特异性硅胶心脏模型。然而，为实现这一目标，必须正确完成若干关键步骤。方案中的关键步骤摘要见于补充文件2，&#160;其中还包括若未正确执行这些步骤可能导致的结果。第一个关键步骤是患者影像数据的分割。此步骤需要获取一份诊断用三维成像数据集。术前规划或教学中模型的实用性取决于三维数据集的质量。建议使用层厚在0.625 mm至2.6 mm之间的图像集，以确保数据集具有足够分辨率用于模型制作。然而，所有成像参数应由放射学领域的临床专家设定，并以患者护理为首要考虑。需注意的是，尽管可能使用层厚超出推荐范围的图像集生成模型，但模型的分辨率和质量将受到负面影响。获取图像后，若分割操作未正确执行，通常要到最终模型被制作并切开后才会被发现，从而导致时间和材料的浪费。为避免此类不良结果，建议在创建数字模具前，由领域专家对分割后的文件进行审查，以实施质量控制。下一个关键步骤发生在数字模具的制作过程中。必须确保心肌外壳能够围绕血池模型正确组装。如果外壳无法完全闭合包裹血池模型，则无法用于制作硅胶模型，因为未固化的硅胶会持续泄漏，且解剖结构可能发生变形。仅当需要微小调整时，可使用手持式旋转打磨工具轻微去除心肌模具的部分材料。若需较大调整，则必须修改数字模具并重新打印更新后的外壳。最后一个关键步骤是硅胶的浇注。使用硅胶时必须严格遵循材料说明书，否则可能导致硅胶固化后表面发黏。若经专家评估认为表面过于发黏而无法使用，则可能需要重新打印血池模型，尤其是当其无法从硅胶中顺利取出时。此时必须重新浇注硅胶，从而造成时间和材料的再次损耗。若使用的硅胶量不足，或在固化过程中硅胶从心肌外壳模具中泄漏，则所得模型将不完整。此类失败可通过混合并额外浇注硅胶至模具中予以补救。在固化过程中，若发现少量硅胶有泄漏迹象，可使用热熔胶或黏土类材料密封心肌外壳模具的接缝处。
这种创建患者特异性硅胶心脏模型的方法可进行修改，以用于构建具有患者特异性或复杂内外几何结构的任意软性解剖结构模型。只要目标解剖结构被正确分割，本方案的其余步骤几乎无需更改即可实施。尽管并非本研究的重点，该方案已成功应用于肝脏实质组织的建模。所使用的3D打印材料也可进行调整。推荐使用ABS和PLA材料因其成本较低，但任何可溶解的3D打印材料均可替代ABS，任何理想的3D打印材料也可替代PLA，且对方案本身几乎无需或无需任何修改。使用其他打印材料时，应严格遵循所有丝材制造商指定的打印参数。该方法还可通过使用不同类型的硅胶进一步调整。本方案推荐使用的硅胶邵氏硬度为2 A，但如果需要其他邵氏硬度值，可替换为其他硅胶，且对方案几乎无需或无需修改。使用不同硅胶产品时，务必严格遵守所有制造商的技术规范和操作流程。
尽管本方案概述了一种改进的心脏建模方法，但仍存在一定的局限性。该方案的主要局限在于，虽然所使用的铂金固化硅胶在硬度上比其他可用材料更接近心脏组织，但硬度并非影响外科培训中精细操作技能的唯一因素。特别是，真实的心脏组织在受力时会表现出脆性或撕裂现象。而所使用的硅胶具有很高的弹性，其断裂伸长率为763%，抗拉强度为1,986 kPa19。猪心脏组织被认为能准确代表人类心脏组织，其断裂伸长率为28–66%&#160;，抗拉强度为40–59 kPa26。这种差异带来了一个问题：心脏外科进修医生可能在硅胶心脏模型上进行练习手术，并因模型能够承受真实心脏组织无法承受的力而产生错误的信心。此外，当心脏模型具有非常复杂的几何结构时，该方法也可能受到限制。随着模型解剖结构复杂性的增加，本方案可通过增加心肌模具的分块数量来弥补。本质上，越复杂的心脏模型将需要越复杂模具设计，并延长设计时间。
本方案所述的模型制备方法优于其他多种现有替代方案，因其能够低成本地精确复制手术中所见的解剖结构。虽然尸体和动物组织可实现高保真模拟，但其成本显著更高，且需要特定的实验室设备进行使用和维护2,6此外，尸体和动物组织模型存在伦理问题，无法实现患者特异性，且复杂的先天性心脏病模型通常需由外科医生或教师手工制作，容易导致不准确或对周围组织和器官造成损伤。另一种潜在的建模技术是虚拟现实的应用。虚拟现实可实现患者特异性心脏模型的数字化重建，有助于准确建立患者解剖结构和手术方案的心理表征，是一种有效的工具。此外，部分虚拟现实系统已结合触觉反馈，实现了基础的模拟操作。然而，现有的触觉反馈尚缺乏足够的真实感，难以模拟先天性心脏手术所需的精细运动技能。43D打印是另一种可用于制作患者特异性心脏模型的方法2,24然而，能够制造多材料、柔软模型的高保真3D打印机由于成本极高，其广泛应用受到限制11,14,15低成本的3D打印机虽然可用，但仅能使用比真实心肌坚硬得多的材料进行打印。Scanlan等人采用一种现有最柔软的3D打印材料制备模型时，发现该模型仍比真实的心脏组织更坚硬。17所述材料的邵氏硬度在26 A至28 A之间，质地类似于橡皮筋。&#160;本方案中使用的铂金固化硅胶硬度为 Shore 2 A，其质地类似于凝胶鞋垫，更接近真实心肌组织的硬度，后者为 43 0020 或 ~0 A. Hoashi 等人. 也采用了一种与本方案所述相似的方法，来开发一种柔性的3D打印心脏模型。通过SLA打印机3D打印出代表心肌内层和外层几何结构的两个模具，随后采用真空铸造技术浇注类橡胶聚氨酯树脂。尽管该方法确实制备出了一种柔软的心脏模型，但该方法每个模型的预估生产成本为2,000至3,000美元22相比之下，本方案所述方法的总材料成本低于10美元。最后，Russo等人也采用过类似的方法。. 用于制作主动脉瓣及近端主动脉的硅胶模型，以进行手术操作训练。尽管Russo等. 该方法虽然目标相似，但其提出的过程旨在复制更为简单的主动脉或主动脉瓣解剖结构。本文所呈现的方案则专注于心内及心肌解剖结构，这些结构更小、更复杂，若采用传统方法极难实现复制。尽管存在这一差异，Russo 等人所创建的模型. 受访的心脏外科医生认为，这些方法在心脏外科手术的模拟与培训中非常有用23该方案所述方法能够以较低成本构建出结构复杂、针对特定患者的先天性心脏模型，其缺陷表现准确，且材料特性较其他建模方法更接近真实心肌组织。1,16，使模型能够以逼真的触觉保真度进行操作。
未来，该方法可应用于构建具有复杂内外结构的任意患者解剖模型。开发一种替代性血池材料，使其能够以更少破坏性的方式从硅胶模型中移除，或采用更省时的方法制备，将使整个流程在时间和成本上更具效率。如此一来，后续每次翻模过程便无需重新制作血池，从而提升相关培训的可扩展性。用于构建模型的硅胶材料的物理性能亦可进一步优化。采用断裂伸长率更低的硅胶可增强模型的真实感，有助于提升其作为心脏外科专科医师培训教育工具的价值，帮助他们掌握实施此类复杂手术所需的精细操作技能。目前市场上有一类值得考虑的材料是硅胶模拟玻璃材料25。这类硅胶材料的断裂伸长率显著降低，在受力时会呈现出类似玻璃的&#34;碎裂&#34;特性。在本方案所用的铂金固化硅胶中添加此类硅胶模拟玻璃材料，可能在保持适当邵氏硬度的同时，调控模型的脆性特征，从而提高整体触觉保真度。最后，本方案所能呈现的解剖结构分辨率受限于用于制作模具的3D打印机的分辨率。随着技术的持续进步，该方案可实现的解剖结构分辨率也应随之提升。

在美国，大约每100名儿童中就有1名出生时患有先天性心脏病（CHD）。由于患有CHD的母亲生育患有CHD子女的风险较高，预计在未来七代内，这一发病率可能增加一倍以上1。尽管并非所有CHD都被视为复杂或严重，但总体增长趋势表明，有必要改进可用于治疗CHD的技术和手术方法。随着技术的进步，心脏外科医生通常表现出愿意开展更复杂手术的倾向。这种意愿导致复杂心脏手术的数量增加，从而推动了对手术规划和教育培训更先进技术的需求。相应地，心脏外科医生迫切需要高度精确的患者特异性模型，而心脏外科进修医生则迫切需要高效的教学培训方法。
先天性心脏外科手术是最具技术挑战性的外科领域之一，原因在于患者体型微小、心脏异常复杂，以及某些异常情况极为罕见2。在最极端的情况下，患儿可能出生时仅有一个心室。外科医生常常需要将一根直径为2.0 mm的血管用固定心包补片修补，使其扩大为1.0 cm的血管，以完成这一挽救生命的手术——整个过程必须争分夺秒，因为新生儿处于完全循环停搏状态。介于正常的四腔心与这些极端病例之间，存在无数种心腔大小和瓣膜位置的可能组合，构成高度复杂的三维结构难题。先天性心脏病团队的任务是清晰界定独特的解剖结构，并制定计划，将有机组织重构为一个功能健全的心脏，使患儿能够成长并最大限度地获得正常生活的机会。精确的模型可实现在容错环境中进行有目的的外科训练和反复练习，避免对患者造成伤害3,4。此类培训有助于提升外科技术水平，增强技术操作能力与临床判断能力。然而，资源有限以及某些心脏疾病罕见，使得实现理想的训练重复次数和可视化效果几乎不可能。为弥补这一资源不足，近年来在教育中越来越多地采用模拟技术2,3。常用的模拟或建模技术包括人体尸体、动物组织、虚拟现实模型（VR）以及3D打印模型。
尸体组织历来被视为外科模拟的金标准，动物组织紧随其后。尸体和动物组织能够实现高保真的模拟，因为它们包含目标解剖结构、所有周围组织，并可采用灌注技术模拟血流4。尽管组织模型具有诸多优势，但也存在不足之处。固定保存的组织其机械顺应性降低，导致某些操作不真实且难以实施。这类组织需要持续维护、特定设施，不可重复使用2，获取成本较高3，并且历史上一直存在伦理争议。最为关键的是，先天性心脏疾病在尸体样本中根本无法获得。
虚拟现实（VR）和3D打印模型5,6,7,8,9,10为心脏教育、模拟和建模提供了另一种选择，有助于制定术前计划。这些模型可减少因用户空间视觉能力差异而导致的将二维图像推断为三维结构时的模糊性10,11。虚拟环境中可包含可操作并能与模型交互的手术工具&#160;，使外科医生和进修医师能够锻炼手眼协调能力、精细运动技能，并熟悉某些手术操作4。目前主流的3D打印技术，包括熔融沉积成型（FDM）、立体光刻（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和PolyJet，已被证实可制造出具有亚毫米级精度的模型13。VR和3D打印模型均可重复使用且可高度精细；甚至可根据患者的影像学数据生成模型，从而复制出患者解剖结构的复制品。尽管VR或3D打印模型具有诸多优势，但在考虑先天性心脏病手术的成本和触觉保真度要求时，它们仍存在不足。构建VR环境的成本较高，且VR环境无法提供真实世界的触觉反馈。尽管触觉保真技术正在不断进步，但目前的技术差距仍限制了学生掌握实施手术所需精细运动技能的能力4。同样，根据所使用的3D打印技术类型，3D打印的成本也可能相当高，必须考虑打印机购置费用和打印材料成本11,14。使用高端打印机可制造出具有逼真触感反馈的单个高保真心脏模型，但仅材料成本就高达数百美元，而打印机购置价格则超过10万美元15。使用邵氏硬度为26–28 A的丝材制造的心脏模型，其单个成本约为220美元&#160;16。相比之下，目前也有许多低成本3D打印机和技术可供选择，其购置价格低于5,000美元。使用低成本FDM打印机制造心脏模型时，若采用邵氏硬度为82 A的材料，平均材料成本约为3.80美元；若使用邵氏硬度为95 A的材料，则成本约为35美元&#160;15,16。&#160;尽管这些设备提供了低成本的解决方案，但其代价是触觉保真度的降低。
尽管虚拟现实（VR）和3D打印技术可用于对心脏疾病进行详细的视觉和概念性评估，但用于实体手术模拟的模型制作成本高昂，常常构成显著障碍。一种解决方案是使用硅胶制作在物理特性和质地方面均高度精确的心脏模型。患者特异性的硅胶模型可帮助外科医生观察、触摸甚至练习手术操作，在低风险环境下获得逼真的触觉反馈，即使手术操作失败也不会对患者造成任何后果9。研究表明，硅胶模塑是一种有效的人体解剖结构建模方法，其所得模型的物理特性显著接近真实组织，优于低成本3D打印所生成的模型17。&#160;Scanlan 等人，比较了低成本3D打印与硅胶模塑心脏瓣膜的性能，以评估其与真实组织的相似性；研究发现，尽管硅胶瓣膜的物理特性并非真实组织的完全复制，但其性能远优于3D打印瓣膜17。该研究中使用的3D打印材料属于低成本3D打印机可用的最柔软材料之一，其邵氏硬度介于26至28 A之间18。本方案中推荐使用的铂固化硅胶的邵氏硬度为2 A&#160;，更接近心脏组织的邵氏硬度（在00标度上为43，约相当于0 A）19,20。这一差异具有重要意义，因为硅胶模型能够实现高保真的精细运动技能训练，而直接3D打印材料无法达到这一效果。本方案所提出模型的总材料成本低于10美元。所提出的硅胶模型结合了实现真实触觉反馈所需的软组织特性，以及低成本3D打印模型的灵活性与精确性。
尽管硅胶的优势使其看似是模型制作的显而易见之选，但其应用受限于可成型的解剖结构。新混合的硅胶为液态，需借助模具在固化过程中维持其期望形状。传统上，硅胶心脏模具仅能复制模型的外表面细节。心腔内部结构，包括整个血池区域，会被硅胶填充而丧失。以往研究仅实现了心脏特定感兴趣区域的硅胶模型（例如主动脉根部21），或采用外推法模拟心肌组织22。本方案的创新之处在于，旨在将硅胶材料与高分辨率解剖结构相结合，实现完整心肌的精确模拟，尤其避免使用任何外推方法。据我们所知，尚无文献详细描述整合上述要素的方法。本方案所述方法引入了一种技术，可构建具有足够心腔内解剖复现精度的患者特异性心脏模型，用于术前手术演练。该方法包括制作心肌模具，以在硅胶固化时维持其正确形状；同时制作内模，以保留模型内部心腔结构细节，并防止硅胶填充心脏血池区域。随后需将内模溶解去除，最终获得内外表面均具有患者特异性解剖结构的完整硅胶心脏模型。若无本方案所提出的 cardiac model 制作方法，则目前尚无低成本方案可使用模拟真实心肌组织特性的材料来模拟手术操作。

<table><tbody><tr><td>1.75 mm ABS 丝材</td><td>Matter Hacker</td><td>matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-</td><td>质量稳定可靠，价格经济实惠</td></tr><tr><td>1.75 mm PLA 丝材</td><td>Matter Hacker</td><td>https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU</td><td>质量稳定可靠，价格经济实惠</td></tr><tr><td>8220 12VMax 高性能无线款</td><td>Dremel</td><td>https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless</td><td>无线设计，便于对模型细小结构进行操作</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Sunnyside</td><td>https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&amp;b=s&amp;n=840G5</td><td>大包装</td></tr><tr><td>Dragon Skin Fx-Pro</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro</td><td>行业标准材料，经验证对人体皮肤安全</td></tr><tr><td>Ease Release 200</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/ease-release-200</td><td>涂层剂，确保硅胶易于从模具中脱模</td></tr><tr><td>GORE- TEX 补片</td><td>GORE</td><td>https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch</td><td>心血管补片</td></tr><tr><td>ideaMaker</td><td>Raise 3D</td><td>https://www.raise3d.com/download/</td><td>&amp;nbsp;Raise 3D 打印机配套的 G 代码生成 CAD 软件</td></tr><tr><td>Magics</td><td>Materilise</td><td>https://www.materialise.com/en/software/magics</td><td>功能丰富的 CAD 软件，可处理有机曲面</td></tr><tr><td>Mimics</td><td>Materilise</td><td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics</td><td>功能强大的图像分割软件</td></tr><tr><td>患者 DICOM 数据</td><td>-</td><td>-</td><td>DICOM 数据通常来源于患者的 CT 或 MRI 扫描</td></tr><tr><td>Pro2 Plus</td><td>Raise 3D</td><td>https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/</td><td>可靠性良好，具备双喷头的熔融沉积成型（FDM）3D 打印机</td></tr><tr><td>PRO2-100 工业级热熔胶枪</td><td>Surebonder</td><td>https://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-sticks</td><td>工业级质量的热熔胶枪</td></tr><tr><td>Silc Pig</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments</td><td>用于为硅胶添加颜色的色料</td></tr><tr><td>真空腔室</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber</td><td>可靠性良好的真空腔室，用于去除混合硅胶中的气泡</td></tr></tbody></table>

创建用于术前规划和动手培训的患者特异性硅胶心脏模型

Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training

三维&#160;模型可作为外科医生制定手术方案以及医学研究生学习复杂病例的宝贵工具。特别是在心脏病学领域，复杂先天性心脏病的发生使得三维模型具有重要作用。尽管许多3D打印机能够提供解剖结构准确且细节丰富的模型，但现有的3D打印材料无法模拟心肌组织的特性，且成本极为高昂。本实验方案旨在建立一种利用低成本硅胶制备患者特异性复杂先天性心脏缺陷模型的方法，该硅胶的材料特性更接近心肌组织。通过提高模型的真实性，可在实际手术前开展手术操作训练。成功构建心脏模型的第一步是对影像学图像进行分割，以生成虚拟的血池（填充心脏腔室的血液）和心肌组织模具。血池和心肌模具采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）进行3D打印，该塑料可溶于丙酮。将心肌模具组装在血池周围，形成模拟心肌的负空间。将邵氏硬度为2A的硅胶注入该负空间并使其固化。随后移除心肌模具，将剩余的硅胶/血池模型浸入丙酮中溶解ABS结构。所述方法最终获得一个物理模型，其中所有心脏特征（包括心腔内缺陷）均以更接近真实组织特性的材料呈现，其逼真度优于直接3D打印方法。通过使用GORE-TEX补片（缺陷修复的标准外科干预手段）成功对存在室间隔缺损（VSD）的模型实施外科矫治，验证了该方法的实用性。

选择一名室间隔缺损（VSD）患者的放射影像数据，用于制作具有代表性的硅胶心脏模型。利用CAD分割软件对患者解剖结构进行分割，以生成数字化心肌模型和数字化血池模型。图1）。使用本方案对血池和心肌进行手动分割需要1至3小时完成。分割完成后，将心肌模型导入计算机辅助设计（CAD）软件进行后续处理。在软件中将模型与程序内构建的三维方盒对齐，然后通过布尔运算将其减去。此过程保留了心肌模型的负形，形成一个模具。该心肌模具被修剪至更合适的尺寸，切割成多个片段，并添加定位结构以辅助各部分的对齐 (图2)制作该案例耗时2-6小时。将所有心肌模具部件和血池导入3D打印切片软件，生成G代码，使用ABS材料进行3D打印图3）。移除支撑材料后的3D打印部件如图所示 图4心肌模型样本经过蒸汽抛光处理，以改善模型的表面光洁度。 (图5)完成蒸汽平滑处理后，将模具组装在血池模型周围，并倒入硅胶。模具组装和硅胶浇注耗时一小时。硅胶固化后，将心脏模型从心肌腔中取出并浸入丙酮中，以溶解血池部分。经过约二十四小时浸泡后，血池完全溶解。随后用丙酮进行最终冲洗，并使模型彻底干燥。完成的硅胶心脏模型如图所示 图6为评估硅胶模型的准确性和功能性，由先天性心脏病（CHD）专家进行切口以观察内部解剖结构。模型中成功呈现了预期的室间隔缺损（VSD），并由先天性心脏外科医生使用GORE-TEX补片对模型进行缝合以修复VSD。 (图7)在一个成功制备的硅胶模型中，患者的所有解剖结构和缺损将在体外和体内均得到完整呈现。该操作流程的概要如图所示。 补充文件 1。 
<img alt="外科缝合方法；组织模型；双面板示意图；操作步骤特写。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="图7"> 
图7：在含室间隔缺损的硅胶心脏模型中缝合GORE-TEX补片。 分别为（A）带有室间隔缺损的患者特异性硅胶心脏模型的术者视角照片，以及（B）用GORE-TEX补片关闭模型中室间隔缺损后的术者视角照片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
补充文件1：硅胶心脏制备流程示意图。患者特异性硅胶心脏模型制备流程的示意图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_1.psd" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件2：关键步骤及潜在负面结果概述。概述在构建患者特异性硅胶心脏模型过程中至关重要的步骤，以及若未正确执行这些步骤可能导致的潜在负面结果。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_2.psd" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

患者特异性模型在制定或学习手术方案时，能够提高外科医生和进修医生的信心。三维（3D）打印机可生成用于手术准备的足够细节，但无法复制组织的触觉真实感。本文介绍了一种用于制备患者特异性硅胶心脏模型的方案，结合了3D打印的精确性与模拟硅胶组织的特性。

三维模型对于外科医生制定手术方案以及医学进修医生学习复杂病例而言，可能是一种有价值的工具。在……

复杂的先天性心脏病是一个复杂的三维问题。现有的3D打印技术无法精确复制心肌组织的特性。本方案可创建用于高保真外科手术培训的模型。该技术能够经济高效地根据患者的影像数据创建个性化的三维模型。对器官内外解剖结构进行建模，使我们能够更深入地了解并更好地为患者提供诊疗服务。使用与解剖组织特性相近的材料制作这些模型，使该技术可广泛应用于包含解剖结构的各类手术培训装置。首先，在 CAD 程序中打开心肌病例模型的 STL 文件。在 Magics 中，导入通过“导入部件二”生成的 STL 文件。在项目管理窗口中，选择模型渲染的透明选项。使用鼠标左键和右键控制旋转和平移工具，调整心肌基底部的视图，使心尖朝下，主动脉弓呈水平方向。如需修剪模型上多余的心肌外壳材料，请进入工具菜单，选择“切割”并选择“多段线”，然后选取目标点并点击应用。类似地，可将心肌外壳切割为多个部分。转到切割操作，选择指示多段线，然后选择感兴趣点，以沿主动脉进行水平切割，将心肌模型分为包含心尖的下半部分和上半部分；同时，在心肌模型下半部分和上半部分最宽处分别进行两次垂直切割。最后，点击应用。为确保组装过程中正确对齐，使用支撑生成工具和布尔减法工具（间隙值设为0.25毫米），创建匹配的支撑结构及支撑腔体，并通过点击“添加支撑”将其添加到心肌模型部件中。在模型上标示位置，然后点击应用。在心肌模型的上半部分之一，创建一个直径为1厘米的硅胶填充孔，并使用SME验证孔的位置。选择“检查诊断”以逐一检查所有模型部件的诊断情况，查找诸如法线反向、边缘缺陷、轮廓错误、接近缺陷的边缘、平面孔洞或心肌模型部件中的壳体问题等错误。如果检测到错误，单击“自动修复”以进行修复。或者，也可以手动修复错误，或使用修复工具或向导进行修复。如果无法使用替代选项修复错误，则使用收缩包装工具来修复错误。单击修复，选择收缩包装（shrink wrap），并根据对话框提示，针对特定部分的误差调整收缩包装的采样间隔和间隙填充值，确保在 SME 审查时不改变生理结构。然后将各个心肌病例部件保存或导出为 STL 文件。在相应的切片软件中打开心肌病例和血池模型，以生成 3D 打印文件。手动为所有部件添加3D打印支撑，或使用软件中提供的自动支撑生成功能（如有）。根据文稿中描述的参数对模型进行切片，生成适用于3D打印机的G代码，并保存或导出该G代码。将打印文件上传至3D打印机。确保正确的耗材已装入3D打印机后，开始打印。打印完成后，使用尖嘴钳和镊子从打印件上去除所有支撑材料。将心肌外壳部件组装在血池模具周围，确保所有部件紧密贴合。如果心肌模型无法完全贴合血池部分，可使用手持式旋转打磨工具对模型分块进行微调，去除多余材料。接着，使用丙酮蒸气对心肌模型表面进行抛光处理。具体操作为：在容器底部和内壁铺上不受丙酮影响的纸巾。将丙酮倒在底部的纸巾上，使其向上扩散至容器侧壁的纸巾，但不要在底部形成液池。在容器内放置一片铝箔，覆盖住底部的纸巾。将心肌模具块放置在铝箔上，使希望保持光滑的面处于垂直方向，并确保各模具块之间以及模具块与容器壁上的纸巾互不接触。用铝箔覆盖容器，并让心肌模型块在容器中静置，直至达到所需表面光洁度的80%。当表面变得光滑后，小心地从容器中取出心肌模型块，仅触碰其外表面，并将模型块置于通风良好的区域中完全脱气，约30分钟，或直至模型块完全干燥变硬。使用CAD软件测量心肌分割部分的体积，以确定所需硅胶的用量。充分搅拌硅胶的A组分和B组分。若模型需要着色，可加入颜料，并将各组分与颜料彻底混合。随后将混合均匀的硅胶置于真空箱中，在29英寸汞柱的负压条件下抽真空2至3分钟。当该硅胶混合物完全脱除气泡后，将其从真空箱中取出，并将血池完全浸入硅胶混合物中，确保血池内的所有空隙和腔隙均被硅胶填充，并使血池表面得到充分包覆。在通风良好的区域，将心肌模型各部件均匀喷洒脱模剂。将心肌模型的下半部分组装在血池的心尖处。若出现泄漏，使用夹具、热熔胶或黏土密封漏点。接下来，将硅胶倒入血池与外壳壁之间的空隙，直至组装好的心肌模具部件被完全填满。组装心肌外壳其余部件后，根据需要使用橡皮筋和夹具将外壳各部分紧密固定。待硅胶完全固化后，将硅胶心脏从心肌外壳中取出，并修剪掉因外壳部件之间缝隙或注胶孔而产生的任何硅胶毛边。在硅胶模型上识别出所有具有开放末端的血管后，修剪覆盖在血管上的硅胶，以暴露内部的ABS血池。将硅胶心脏浸入丙酮中，浸入丙酮后10至15分钟，ABS将开始软化。一旦ABS软化，用镊子移除大块的ABS，以加快ABS溶解过程。当大部分ABS血液池溶解后，用干净的丙酮冲洗硅胶心脏两到三次，以彻底清除硅胶中的所有ABS。将心脏模型从丙酮中取出，并在通风良好的环境中让残留的丙酮从模型上完全挥发。为评估硅胶模型的准确性和功能性，分别在左心室前壁和右心室后壁各做一个切口，以观察内部解剖结构。预期的室间隔缺损存在，相应的内部结构也清晰可见，一名先天性心脏病外科医生已将一片GORE-TEX补片缝合至模型中，以修复该室间隔缺损。模具的设计至关重要。请确保将模具切割成足够多的片块，以便能够完整贴合血池的周围。该技术实现了复杂患者特异性硅胶模型的构建。我们不再受限于3D打印材料的局限，而是能够满足对复杂外科训练模型的各种需求。

creation-patient-specific-silicone-cardiac-models-with-applications

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

创建患者专用硅胶心脏模型，应用于术前计划和实践培训

本文描述了一种在晶体中呈现解剖成像数据的方法。我们利用生物医学成像数据构建按比例缩放的三维模型，用于水晶玻璃的亚表面激光雕刻（SSLE）。该技术可作为临床或教育环境中常用的计算机显示或三维打印模型的有益补充。...

基于生物医学断层成像数据及相应标签的缩放解剖模型创建及其在玻璃晶体亚表面激光雕刻（SSLE）中的应用

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。...

用于新生儿模拟器的解剖结构逼真的新生儿心脏模型

本方案描述了使用三维规划和打印技术修复骨缺损的方法。我们利用分割工具创建三维模型，随后使用三维设计软件为消融手术同期或二期修复手术设计患者特异性植入物。...

用于骨缺损重建的患者特异性植入物的三维规划与打印

随着技术的发展和用户友好性的提升，手术规划以及患者特异性手术导板和固定板的制作应由外科医生完成。本文介绍了一种用于正颌骨性移动的三维规划，以及患者特异性固定板和手术导板的三维设计与打印的实验方案。...

使用三维规划及患者特异性植入物的3D打印治疗面部畸形

本方案描述了患者特异性颅骨、脑组织和肿瘤模型的制备方法。该方法采用3D打印技术制作模具，并以聚乙烯醇（PVA-c）作为模拟组织的材料。...

用于脑肿瘤手术规划的患者特异性聚乙烯醇仿体制造，兼具超声与X射线对比度

本文介绍了一种用于多模式治疗评估、干预前规划以及心血管解剖结构医师培训的模拟循环系统的构建方法。通过应用患者特异性的断层扫描图像，该系统在个体化医疗的治疗策略、培训与教育中具有理想的应用价值。...

用于介入手术规划与培训的3D打印心血管模型的开发与评估

基于锥形束计算机断层扫描数据集和口内光学扫描，结合放射影像分割方法与自由曲面建模，设计了一种创建三维（3D）虚拟混合模型的工作流程。数字模型用于牙槽骨重建外科手术的虚拟规划。...

数字化混合模型制备用于牙槽重建手术的虚拟规划

本方案演示了SILICOFCM平台的工作流程，该平台通过应用心脏的多尺度电机械模型，从患者特异性的超声图像中自动构建左心室的参数化模型。in silico...

体外心血管疾病临床试验

本文提出了一种建立个性化3D打印模型以用于甲状腺手术术前评估的新方法。该方法有助于术前讨论，降低甲状腺手术的难度。...

用于甲状腺手术术前评估的个性化3D打印模型

本研究旨在利用高分辨率计算机断层扫描（HRCT）和MRI-Dixon数据融合构建包含椎体和脊神经模型的患者特异性腰椎三维打印模型。...

患者特异性腰椎椎骨的3D打印模型

血管内治疗技术的进步已用微创治疗方式取代了复杂的开放性外科手术，例如瓣膜置换和动脉瘤修复。本文提出利用三维（3D）建模和虚拟现实技术，辅助神经介入导管室手术规划中的C形臂定位、角度测量和路径图生成，以缩短手术时间。...

利用影像学与虚拟现实技术开创精准手术的患者特异性方法

了解如何利用CAD软件与3D打印技术创建患者专用硅胶心脏模型，用于术前计划与外科培训。该方法成本效益高，能准确模拟心肌组织特性，提升复杂先天性心脏病手术准备质量。

创建用于术前规划和动手培训的患者特异性硅胶心脏模型

探索更多视频