Summary

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

Published: January 18, 2021
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 prothetischen Medizin. Die Entwicklung individualisierter Prothesen und die präinterventionelle/operative Therapieplanung stellen heute zentrale Schwerpunkte der Forschungsgruppen dar3,4,5.

Aus der industriellen Prototypenproduktion stammend, ist der 3D-Druck ideal für diesen Bereich der personalisierten Medizin6. Der 3D-Druck wird als additives Fertigungsverfahren klassifiziert und basiert normalerweise auf einer Schicht-für-Schicht-Abscheidung von Material. Heutzutage steht eine vielzahl von 3D-Druckern mit unterschiedlichen Drucktechniken zur Verfügung, die die Verarbeitung von polymeren, biologischen oder metallischen Materialien ermöglichen. Durch steigende Druckgeschwindigkeiten sowie die kontinuierlich weit verbreitete Verfügbarkeit von 3D-Druckern werden die Herstellungskosten immer günstiger. Daher ist der Einsatz des 3D-Drucks zur vorinterventionellen Planung im Tagesablauf wirtschaftlich machbar geworden7.

Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Erzeugung patientenspezifischer oder krankheitsspezifischer Phantome zu etablieren, die in der individualisierten Therapieplanung in der kardiovaskulären Medizin eingesetzt werden können. Diese Phantome sollten mit gängigen bildgebenden Verfahren sowie für verschiedene Therapieansätze kompatibel sein. Ein weiteres Ziel war die Nutzung der individualisierten Anatomien als Ausbildungsmodelle für Ärzte.

Protocol

Die ethische Zulassung wurde von der Ethikkommission der Ludwig-Maximilians-Universität München geprüft und auf diese verzichten, da die in dieser Studie verwendeten radiologischen Datensätze retrospektiv erhoben und vollständig anonymisiert wurden. Bitte beachten Sie die MRT-Sicherheitsrichtlinien des Instituts, insbesondere in Bezug auf den verwendeten LVAD-Ventrikel und die Metallkomponenten des Strömungskreislaufs. 1. Datenerfassung Wählen Sie v…

Representative Results

Die beschriebenen repräsentativen Ergebnisse konzentrieren sich auf einige kardiovaskuläre Strukturen, die häufig in Planungs-, Trainings- oder Testumgebungen verwendet werden. Diese wurden mit isotropen CT-Datensätzen mit einem ST von 1,0 mm und einer Voxelgröße von 1,0 mm³ erstellt. Die Wandstärke der Aortenaneurysmmodelle wurde auf 2,5 mm festgelegt, wobei die vergleichenden Zugprüfergebnisse des Druckmaterials (Zugfestigkeit: 0,62 ± 0,01N/mm2; Fmax: 1.5…

Discussion

Der vorgestellte Workflow ermöglicht es, individualisierte Modelle zu etablieren und dadurch eine vorinterventionelle Therapieplanung sowie ärztliche Schulungen zu individualisierten Anatomien durchzuführen. Um dies zu erreichen, können patientenspezifische tomographische Daten für die Segmentierung und den 3D-Druck flexibler kardiovaskulärer Phantome verwendet werden. Durch die Implementierung dieser 3D-gedruckten Modelle in einer simulierten Zirkulation können verschiedene klinische Situationen realistisch simul…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Publikation wurde gefördert durch die Deutsche Herzstiftung/Deutsche Stiftung Herzforschung.

Materials

3-matic Materialise AB Software Version 15.0 – Commercial 3D-Modeling Software
Affiniti 50 Philips Medical Systems GmbH Ultrasonic Imaging System
Agilista W3200 Keyence Co. Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30µm
AR-G1L Keyence Co. flexible 3D-Printing material
Artis Zee Siemens Healthcare GmbH Angiographic X-ray Scanner
cvi42 CCI Inc. Software Version 5.12 – 4D Flow Analysis Software
Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2 Cordis, A Cardinal Health company Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults
Excor Ventricular Assist Device Berlin Heart GmbH 80 -100ml stroke volume
Imeron 400 Contrast Agent Bracco Imaging CT – Contrast Agent
IntroGuide F Angiokard Medizintechnik GmbH Guidewire with J-tip; diameter: 0.035" length: 220cm
Lunderquist Guidewire Cook Medical Inc. (T)EVAR interventional guidewire
MAGNETOM Aera Siemens Healthcare GmbH MRI Scanner
Magnevist Contrast Agent Bayer Vital GmbH MRI – Contrast Agent
Mimics Materialise AB Software Version 23.0 – Commercial Segmentation Software
Modeling Studio Keyence Co. 3D-Printer Slicing Software
PVC tubing
Radifocus Guide Wire M Terumo Europe NV Straight guidewire; diameter: 0.035" length: 260cm
Really useful box 9L Really useful products Ltd.
Rotigarose – Standard Agar Carl Roth GmbH 3810.4
Solidworks Dassault Systemes SE Software Version 2019-2020; CAD Design Software
SOMATOM Force Siemens Healthcare GmbH Computed Tomography Scanner
syngo via Siemens Healthcare GmbH Radiological Imaging Software

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Diesen Artikel zitieren
Grab, M., Hopfner, C., Gesenhues, A., König, F., Haas, N. A., Hagl, C., Curta, A., Thierfelder, N. Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training. J. Vis. Exp. (167), e62063, doi:10.3791/62063 (2021).

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