Entwicklung und Evaluierung von 3D-gedruckten kardiovaskulären Phantomen für die interventionelle Planung und Das Training

Maximilian Grab; Carina Hopfner; Alena Gesenhues; Fabian König; Nikolaus A. Haas; Christian Hagl; Adrian Curta; Nikolaus Thierfelder

doi:10.3791/62063

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Methodenartikel

Entwicklung und Evaluierung von 3D-gedruckten kardiovaskulären Phantomen für die interventionelle Planung und Das Training

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DOI:

10.3791/62063

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18. Januar 2021

Maximilian Grab¹^,² , Carina Hopfner³ , Alena Gesenhues⁴ , Fabian König¹^,² , Nikolaus A. Haas³ , Christian Hagl¹ , Adrian Curta⁴ , Nikolaus Thierfelder¹

¹Department of Cardiac Surgery, Ludwig Maximilian University Munich, ²Chair of Medical Materials and Implants, Technical University of Munich, ³Department Pediatric Cardiology and Pediatric Intensive Care, Ludwig Maximilian University Munich, ⁴Department of Radiology, Ludwig Maximilian University Munich

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir die Entwicklung eines Mock-Circulation-Setups für die multimodale Therapiebewertung, die präinterventionelle Planung und die ärztliche Ausbildung zu kardiovaskulären Anatomien. Mit der Anwendung von patientenspezifischen tomographischen Scans ist dieses Setup ideal für therapeutische Ansätze, Schulungen und Schulungen in der individualisierten Medizin.

Zusammenfassung

Katheterbasierte Interventionen sind Standardbehandlungsmöglichkeiten für kardiovaskuläre Pathologien. Daher könnten patientenspezifische Modelle dazu beitragen, die Drahtfähigkeiten von Ärzten zu trainieren und die Planung interventioneller Verfahren zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, einen Herstellungsprozess von patientenspezifischen 3D-gedruckten Modellen für kardiovaskuläre Interventionen zu entwickeln.

Um ein 3D-gedrucktes elastisches Phantom zu erzeugen, wurden verschiedene 3D-Druckmaterialien hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften mit porcinen biologischen Geweben (d.h. Aortengewebe) verglichen. Basierend auf vergleichenden Zugversuchen wurde ein fitting Material ausgewählt und spezifische Materialdicken definiert. Anonymisierte kontrastverstärkte CT-Datensätze wurden retrospektiv erhoben. Aus diesen Datensätzen wurden patientenspezifische volumetrische Modelle extrahiert und anschließend 3D-gedruckt. Eine pulsatile Strömungsschleife wurde konstruiert, um den intraluminalen Blutfluss während der Eingriffe zu simulieren. Die Eignung der Modelle für die klinische Bildgebung wurde durch Röntgenbildgebung, CT, 4D-MRT und (Doppler-) Ultraschall beurteilt. Kontrastmittel wurde verwendet, um die Sichtbarkeit in der röntgenbasierten Bildgebung zu verbessern. Verschiedene Katheterisierungstechniken wurden angewendet, um die 3D-gedruckten Phantome in der Ärzteausbildung sowie für die präinterventionelle Therapieplanung zu bewerten.

Gedruckte Modelle zeigten eine hohe Druckauflösung (~30 μm) und die mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials waren vergleichbar mit der physiologischen Biomechanik. Physikalische und digitale Modelle zeigten eine hohe anatomische Genauigkeit im Vergleich zum zugrunde liegenden radiologischen Datensatz. Gedruckte Modelle waren sowohl für die Ultraschallbildgebung als auch für Standardröntgenaufnahmen geeignet. Doppler-Ultraschall und 4D-MRT zeigten Strömungsmuster und Landmarken (z. B. Turbulenzen, Wandscherspannung), die mit nativen Daten übereinstimmten. In einem katheterbasierten Labor waren patientenspezifische Phantome leicht zu katheterisieren. Therapieplanung und Training interventioneller Verfahren zu herausfordernden Anatomien (z.B. angeborene Herzkrankheit (KHK)) war möglich.

Flexible patientenspezifische kardiovaskuläre Phantome wurden 3D-gedruckt und die Anwendung gängiger klinischer Bildgebungsverfahren war möglich. Dieses neue Verfahren eignet sich ideal als Trainingsinstrument für katheterbasierte (elektrophysiologische) Eingriffe und kann in der patientenspezifischen Therapieplanung eingesetzt werden.

Einleitung

Individualisierte Therapien gewinnen in der modernen klinischen Praxis zunehmend an Bedeutung. Im Wesentlichen lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: genetische und morphologische Ansätze. Für individualisierte Therapien, die auf einzigartiger persönlicher DNA basieren, ist entweder eine Genomsequenzierung oder die Quantifizierung der Genexpressionsniveaus erforderlich¹. Man kann diese Methoden zum Beispiel in der Onkologie oder in der Behandlung von Stoffwechselstörungen finden². Die einzigartige Morphologie (d.h. Anatomie) jedes Individuums spielt eine wichtige Rolle in der interventionellen, chirurgischen und prot....