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Erstellung patientenspezifischer Silikon-Herzmodelle mit Anwendungen in präoperativen Plänen und Hands-on-Training

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DOI:

10.3791/62805

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10. Februar 2022

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1Jump Simulation, OSF HealthCare, 2Advanced Imaging and Modeling Lab, OSF HealthCare Jump Trading Simulation & Education Center, University of Illinois College of Medicine

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Patientenspezifische Modelle verbessern das Vertrauen von Chirurgen und Mitmenschen bei der Entwicklung oder dem Erlernen von Operationsplänen. Dreidimensionale (3D) Drucker erzeugen ausreichende Details für die chirurgische Vorbereitung, replizieren jedoch nicht die haptische Treue des Gewebes. Es wird ein Protokoll vorgestellt, das die Erstellung von patientenspezifischen Silikon-Herzmodellen beschreibt und 3D-Druckpräzision mit simuliertem Silikongewebe kombiniert.

Zusammenfassung

Dreidimensionale Modelle können ein wertvolles Werkzeug für Chirurgen sein, wenn sie chirurgische Pläne entwickeln, und medizinische Kollegen, wenn sie über komplexe Fälle lernen. Insbesondere im Bereich der Kardiologie, wo komplexe angeborene Herzerkrankungen auftreten, können 3D-Modelle eine wichtige Rolle spielen. Während viele 3D-Drucker anatomisch korrekte und detaillierte Modelle liefern können, replizieren vorhandene 3D-Druckmaterialien die Eigenschaften des Myokardgewebes nicht und können extrem teuer sein. Dieses Protokoll zielt darauf ab, ein Verfahren zur Erstellung patientenspezifischer Modelle komplexer angeborener Herzfehler unter Verwendung eines kostengünstigen Silikons zu entwickeln, das den Eigenschaften des Herzmuskels besser entspricht. Mit verbesserter Modelltreue könnte ein tatsächliches chirurgisches Prozedurtraining im Vorfeld des Eingriffs stattfinden. Die erfolgreiche Erstellung von Herzmodellen beginnt mit der Segmentierung radiologischer Bilder zur Erzeugung eines virtuellen Blutpools (Blut, das die Herzkammern ausfüllt) und einer Myokardgewebeform. Der Blutpool und die Myokardform werden in Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), einem in Aceton auflösbaren Kunststoff, in 3D gedruckt. Die Form ist um den Blutpool herum zusammengesetzt, wodurch ein negativer Raum entsteht, der das Myokard simuliert. Silikon mit einer Shore-Härte von 2A wird in den negativen Raum gegossen und aushärten gelassen. Die Myokardform wird entfernt und das verbleibende Silikon- / Blutpoolmodell wird in Aceton getaucht. Der beschriebene Prozess führt zu einem physikalischen Modell, in dem alle kardialen Merkmale, einschließlich intraherzieller Defekte, mit realistischeren Gewebeeigenschaften dargestellt und näher angenähert werden als bei einem direkten 3D-Druckansatz. Die erfolgreiche chirurgische Korrektur eines Modells mit einem Ventrikelseptumdefekt (VSD) mit einem GORE-TEX Pflaster (Standardchirurgie bei Defekt) zeigt den Nutzen der Methode.

Einleitung

Fast 1 von 100 Kindern in den Vereinigten Staaten wird mit angeborenen Herzfehlern (KHK) geboren. Aufgrund der Neigung von Müttern mit KHK, Kinder mit KHK zu bekommen, besteht die Erwartung, dass sich die Rate in den nächsten sieben Generationen mehr als verdoppeln kann1. Obwohl nicht jede KHK als komplex oder schwerwiegend angesehen wird, deutet die allgemeine Wachstumserwartung darauf hin, dass es eine Motivation gibt, die Technologie und die Verfahren zu verbessern, die in der Lage sind, die KHK-Behandlung zu behandeln. Mit der Verbesserung der Technologie äußern Herzchirurgen oft die Bereitschaft, komplexere Verfahren in Angriff zu nehmen. Diese Bereitschaft hat zu einer erhöhten Anzahl komplexer Herzverfahren geführt, was den Bedarf an fortschrittlicheren Techniken der chirurgischen Planung und Ausbildung erhöht. Dies wiederum führt dazu, dass Herzchirurgen hochgenaue, patientenspezifische Modelle und herzchirurgische Kollegen hochwirksame Trainingsmethoden benötigen.

Die angeborene Herzchirurgie ist aufgrund der geringen Größe der Patienten, der Komplexität der Herzanomalien und der Seltenheit einiger Anomalien eine der technisch anspruchsvollsten chirurgischen Disziplinen2. In den extremsten Fällen kann ein Kind mit einem einzigen Ventrikel geboren werden. Es ist nicht ungewöhnlich, dass der Chirurg ein Gefäß mit einem Durchmesser von 2,0 mm nimmt und es mit festem Perikard flickt, um ein 1,0 cm großes Gefäß zu schaffen, das es einem Neugeborenen ermöglicht, in diesem lebensrettenden Verfahren zu wachsen - und das alles unter der Uhr, da sich das Neugeborene in einem vollständigen Kreislaufstillstand befindet. Zwischen dem normalen Vierkammerherz und diesen extremen Beispielen liegen unzählige Möglichkeiten von Kammergröße und Klappenpositionen, die hochkomplexe 3D-Puzzles darstellen. Die Rolle des angeborenen Herzteams besteht darin, die einzigartige Anatomie klar zu beschreiben und einen Plan zu entwickeln, um das organische Gewebe in ein funktionelles Herz umzuwandeln, das es einem Kind ermöglicht, mit den besten Chancen auf ein normales Leben zu wachsen. Genaue Modelle ermöglichen eine bewusste chirurgische Praxis und Wiederholung in einer Umgebung, in der Fehler vergeben werden können und nicht zu einem Schaden für den Patienten führen3,4. Diese Ausbildung führt zur Entwicklung verbesserter chirurgischer Expertise sowie technischer und Urteilsvermögensfähigkeiten. Begrenzte Ressourcen und die Seltenheit bestimmter Herzerkrankungen können es jedoch nahezu unmöglich machen, das gewünschte Maß an Wiederholung und Visualisierung zu erreichen. Um diesem Ressourcenmangel Rechnung zu tragen, hat die Nutzung von Simulationen für den Unterricht zugenommen2,3. Zu den häufig verwendeten Simulations- oder Modellierungstechniken gehören menschliche Kadaver, tierische Gewebe, Virtual-Reality-Modelle (VR) und 3D-gedruckte Modelle.

Leichengewebe wurde in der Vergangenheit als Goldstandard für chirurgische Simulationen angesehen, mit tierischem Gewebe an zweiter Stelle. Kadaver und tierische Gewebe können High-Fidelity-Simulationen erzeugen, da sie die anatomische Struktur von Interesse, alle umgebenden Gewebe enthalten und Perfusionstechniken zur Simulation des Blutflusses ermöglichen4. Trotz der Vorteile von Gewebemodellen gibt es Nachteile. Einbalsamiertes Gewebe erfährt eine verminderte mechanische Nachgiebigkeit, was einige Operationen unrealistisch und schwierig durchzuführen macht. Gewebe erfordern ständige Wartung, spezifische Einrichtungen, sind nicht wiederverwendbar2, können teuer zu beschaffen sein3 und waren in der Vergangenheit Gegenstand ethischer Bedenken. Am wichtigsten ist, dass angeborene Herzerkrankungen in Leichenproben einfach nicht verfügbar sind.

VR- und 3D-gedruckte Modelle5,6,7,8,9,10 bieten eine weitere Option für Herzbildung, Simulation und Modellierung, um die Erstellung präoperativer Pläne zu unterstützen. Diese Modelle reduzieren die Mehrdeutigkeit, die mit der vielfältigen visuell-räumlichen Fähigkeit eines Benutzers verbunden ist, 2D-Bilder als 3D-Struktur zu interpolieren10,11. Die virtuelle Umgebung kann chirurgische Werkzeuge enthalten, die manipuliert werden können und mit Modellen interagieren können, so dass Chirurgen und Kollegen hand-augen-Koordination, Feinmotorik und Vertrautheit mit einigen Verfahren entwickeln können4. Es wurde festgestellt, dass aktuelle beliebte 3D-Drucktechnologien, einschließlich Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithographie (SLA), selektives Lasersintern (SLS) und Polyjet, Modelle mit Submillimetergenauigkeit erzeugen13. Sowohl VR- als auch 3D-gedruckte Modelle sind wiederverwendbar und können extrem detailliert sein. Modelle können sogar aus radiologischen Bildgebungsdaten des Patienten generiert werden, was zu Repliken der Anatomie des Patienten führt. Trotz der vielen Vorteile eines VR- oder 3D-gedruckten Modells greifen sie zu kurz, wenn die Kosten und haptischen Treueanforderungen einer angeborenen Herzoperation berücksichtigt werden. Die Einrichtung einer VR-Umgebung ist mit hohen Kosten verbunden, und VR-Umgebungen können kein reales haptisches Feedback liefern. Während sich die Haptik-Fidelity-Technologie verbessert, hemmt die aktuelle Lücke die Fähigkeit eines Schülers, sich mit den feinmotorischen Fähigkeiten vertraut zu machen, die für die Durchführung von Eingriffen erforderlich sind4. In ähnlicher Weise können die Kosten für den 3D-Druck je nach Art der verwendeten 3D-Drucktechnologie recht hoch sein, da der Kaufpreis des Druckers und die Druckmaterialkosten berücksichtigt werden müssen11,14. Ein einzelnes High-Fidelity-Herzmodell mit realistischem haptischem Feedback kann mit einem High-End-Drucker hergestellt werden, kostet aber allein an Material Hunderte von Dollar mit einem Druckerkaufpreis von über 100.000 USD15. Ein Herzmodell, das mit einem Filament mit einer Shore-Härte von 26-28 A hergestellt wurde, kostete etwa 220 USD pro Modell16. Alternativ stehen viele kostengünstige 3D-Drucker und -Technologien zur Verfügung, die einen Druckerkaufpreis von weniger als 5.000 USD haben. Die durchschnittlichen Materialpreise für ein Herzmodell, das auf einem kostengünstigen FDM-Drucker erzeugt wurde, betrugen etwa 3,80 USD bei Verwendung eines Materials mit einer Shore-Härte von 82 A und 35 USD bei einem Material mit einer Shore-Härte von 95 A15,16. Während diese Maschinen eine kostengünstige Lösung bieten, geht dies auf Kosten der haptischen Wiedergabetreue.

Während VR und 3D-Druck eine detaillierte visuelle und konzeptionelle Bewertung einer Herzerkrankung ermöglichen können, ist der hohe Preis, der mit der Erstellung eines Modells für die praktische chirurgische Simulation verbunden ist, oft ein erhebliches Hindernis. Eine Lösung ist die Verwendung von Silikon zur Erstellung eines physikalisch und texturell genauen Herzmodells. Patientenspezifische Silikonmodelle können ein tieferes Verständnis der einzigartigen Anatomie ermöglichen, indem sie es Chirurgen ermöglichen, ein Verfahren zu sehen, zu fühlen und sogar zu üben, während sie ein realistisches haptisches Feedback in einer Umgebung erfahren, die ein minimales Risiko für einen Patienten darstellt und keine Konsequenzen hat, wenn das Verfahren nicht erfolgreich ist9. Silicon Molding hat sich als eine effektive Methode zur Modellierung der menschlichen Anatomie erwiesen, die Modelle mit physikalischen Eigenschaften erzeugt, die deutlich näher am realen Gewebe liegen als Modelle, die durch kostengünstigen 3D-Druck erzeugt werden17. Scanlan et al. verglichen die Eigenschaften von kostengünstigem 3D-Druck mit silikongeformten Herzklappen, um die Ähnlichkeit mit echtem Gewebe zu bewerten; Die Studie ergab, dass die physikalischen Eigenschaften der Silikonventile zwar keine exakte Nachbildung von echtem Gewebe waren, die Eigenschaften jedoch den 3D-gedruckten Ventilen weit überlegen waren17. Das in der Studie verwendete 3D-Druckmaterial gehört zu den weichsten Materialien, die für kostengünstige 3D-Drucker verfügbar sind, und besitzt eine Shore-Härte zwischen 26 und 28 A18. Das platinhärtende Silikon, das für die Verwendung im folgenden Protokoll empfohlen wird, hat eine Shore-Härte von 2 A, die der Shore-Härte von Herzgewebe, 43 auf der 00-Skala oder ungefähr 0 A19,20, weit näher kommt. Dieser Unterschied ist signifikant, da die Silikonmodelle ein high-fidelity feinmotorisches Training ermöglichen, das die direkt 3D-gedruckten Materialien nicht erreichen. Die Gesamtmaterialkosten für das in diesem Protokoll vorgeschlagene Modell betragen weniger als 10 USD. Die vorgeschlagenen Silikonmodelle kombinieren die Weichteileigenschaften, die für ein realistisches haptisches Feedback erforderlich sind, mit der Vielseitigkeit und Präzision kostengünstiger 3D-gedruckter Modelle.

Während die Vorteile von Silikon es zur offensichtlichen Wahl für die Modellerstellung zu machen scheinen, wurde die Verwendung von Silikon durch die Anatomie, die geformt werden kann, eingeschränkt. Frisch gemischtes Silikon ist eine Flüssigkeit, die eine Form benötigt, um sie während der Aushärtung in der gewünschten Form zu halten. Historisch gesehen konnten Silikon-Herzformen nur Details der äußeren Oberfläche des Modells enthalten. Intraherzielle Details, einschließlich der gesamten Blutpoolregion, würden mit Silikon gefüllt und verloren gehen. Frühere Studien haben Silikonmodelle für bestimmte Interessengebiete innerhalb des Herzens (z. B. Aortenwurzel21) erreicht oder eine extrapolatorische Methode zur Simulation von Myokardgewebe verwendet22. Dieses Protokoll ist neuartig, da es versucht, die Verwendung von Silikonmaterial mit hochauflösender anatomischer, vollständiger Myokardsimulation zu kombinieren - insbesondere um jede Extrapolationsmethode zu vermeiden. Unseres Wissens hat kein beschreibendes Manuskript eine Methodik geliefert, die diese Aspekte kombiniert. Die in diesem Protokoll beschriebene Methode führt eine Technik ein, um ein patientenspezifisches Herzmodell mit intraherzieller anatomischer Replikation zu erreichen, die genau genug für die chirurgische präoperative Praxis ist. Die Methode beinhaltet die Schaffung einer Myokardform, um das Silikon während der Aushärtung in der richtigen Form zu halten, und einer inneren Form, um die inneren, intraherzialen Details des Modells zu erhalten und zu verhindern, dass das Silikon die Blutpoolregion des Herzens ausfüllt. Die innere Form muss dann aufgelöst werden, so dass ein ganzes Silikon-Herzmodell mit patientenspezifischer Anatomie auf der äußeren und inneren Oberfläche verbleibt. Ohne das hier vorgeschlagene Protokoll der Erstellung von Herzmodellen gibt es keine kostengünstige Lösung, um den chirurgischen Eingriff mit einem Material zu simulieren, das die tatsächlichen Gewebeeigenschaften des Myokards nachahmt.

Protokoll

Das Protokoll wurde in einer Weise ausgefüllt, die den besten ethischen Praktiken der Institution des Autors entspricht, einschließlich des ordnungsgemäßen Umgangs mit Patienteninformationen und der Sicherstellung der erforderlichen Einwilligungen, die für die Verwendung patientenspezifischer Daten erforderlich sind. Bei der Verwendung wurden diese Daten anonymisiert, um den Schutz der privaten Gesundheitsinformationen des Patienten zu gewährleisten.

HINWEIS: Das folgende Protokoll ist softwareneutral geschrieben, da es viele verschiedene Programme gibt, die die verschiedenen Schritte ausführen können. Für diesen speziellen Fall wurde Materialise Mimics Medical 24.0 für die Segmentierung und Materialise Magics für die 3D-Manipulation und Erstellung der segmentierten Modelle und Gehäuse verwendet. Spezifische Anweisungen für diese Programme werden zusätzlich zum verallgemeinerten Ansatz enthalten sein.

1. Segmentieren Sie die Anatomie des Patienten

  1. Erhalten Sie pro KMU einen radiologischen Bildgebungsdatensatz des Patienten, typischerweise ein CT oder MRT, der mit einem 3D-Protokoll für eine angemessene Auflösung erfasst wurde. Offener Datensatz in einer CAD-Segmentierungssoftware (Computer Aided Design)23.
    1. Beziehen Sie sich auf die radiologischen Protokolle der Institution für eine ordnungsgemäße Bildaufnahme (da jeder Patient unterschiedliche Überlegungen erfordert, ist es schwierig, eine spezifische Richtlinie zu geben). Aber als repräsentatives Beispiel sind dies die Einstellungen, die wir in einem zuvor dokumentierten 3D-Modellfall verwendet haben: CT 3D-Protokoll schlägt Parameter vor: Slice-Scanner im axialen Modus, Slice-Dicke und Abstand zwischen Slices von 0,625 mm, Kv von 70, Smart mA-Bereich von 201-227 (Smart MA-Modus 226), Rotationsgeschwindigkeit bei 0,28 ms. MRI 3D-Protokoll vorgeschlagene Parameter: Slice-Scanner im axialen Modus, Slice-Dicke und Abstand zwischen Slices von 0,625 mm.
  2. Generieren Sie eine anfängliche Segmentierung des Myokardgewebes mit einem Hounsfield-Einheits-Schwellenwertwerkzeug (HU) mit oberen und unteren Grenzwerten, die auf Werte festgelegt sind, die für den Datensatz angemessen und spezifisch sind. Verfeinern Sie die Auswahl nach Bedarf, um die Anatomie genau zu erfassen. Es wird empfohlen, Werkzeuge mit den folgenden Funktionen zu verwenden: Zuschneiden, Addieren und Subtrahieren, Bereichswachstum, Multi-Slice-Bearbeitung und Hohlraumfüllung. Klicken Sie in Mimics mit der rechten Maustaste in den Bereich Projektmanager und wählen Sie Neue Maske. Passen Sie die Maske im generierten Dialogfenster entweder mit den voreingestellten anatomischen Fenstern, exakten HU-Messungen oder durch Schieben des bereitgestellten Werkzeugs an, bis die gewünschte Anatomie vom Werkzeug maskiert wird.
  3. Generieren Sie eine Segmentierung des Blutpools. Verwenden Sie die in Schritt 1.2 beschriebenen Schritte, um dies zu erreichen. Verwenden Sie in Mimics das voreingestellte anatomische HU-Fenster von 226 bis 3071, um den Blutpool zu erfassen.
  4. Wenn das zu generierende Modell für die Verwendung in der Patientenversorgung vorgesehen ist, lassen Sie einen Kardiologen, Radiologen oder einen anderen Fachexperten (SME) die virtuellen Modellsegmentierungen überprüfen, bevor Sie mit dem nächsten Schritt fortfahren, um sicherzustellen, dass alle anatomischen Merkmale und Defekte genau segmentiert wurden und im vollständigen Modell vorhanden sind.
  5. Generieren Sie ein Myokardfallmodell, indem Sie die Myokardsegmentierung mit einem Hohlraumfüllwerkzeug im leeren Raum um die Myokardsegmentierung invertieren und die Blutpoolsegmentierung mit einem booleschen Subtraktionswerkzeug vom invertierten Myokard subtrahieren. Es wird empfohlen, ein Hohlraumfüllwerkzeug, ein boolesches Werkzeug und die zuvor generierten Myokard- und Blutpoolsegmentierungen zu verwenden, um dies zu erreichen. In Mimics, Cavity Fill > Zeigen Sie Leerzeichen um die Myokardmaske an. Verwenden Sie als Nächstes das boolesche Werkzeug und füllen Sie den bereitgestellten Dialog aus , um die Blutpoolmaske von der Myokardmaske abzuschneiden.

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Abbildung 1: Kardiale Segmentierung in einer CAD-Segmentierungssoftware. (A) Kardiale Segmentierung in CAD-Segmentierungssoftware mit den Rohbilddaten des Patienten. (B) Segmentierung mit 3D-Rendering des Blutpoolmodells. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Sehen Sie sich das 3D-Rendering der endgültigen Blutpool- und Myokardfallsegmentierungen an. Entfernen Sie gemäß KMU-Vorschlag und -Genehmigung alle Blutgefäße aus dem 3D-Blutpoolmodell, die für die Bewertung, das Verständnis oder die Reparatur der Zielanatomie nicht erforderlich sind. Wählen Sie unter Nachahmungen in den Optionen neben dem Anzeigefenster die Option 3D-Vorschau aus (standardmäßig in der unteren rechten Ansicht der Standardansicht mit vier Bereichen). Wählen Sie die gewünschte Maske im Projektmanager aus. Wählen Sie zum Bearbeiten das Werkzeug "Maske bearbeiten " aus. Wählen Sie im bereitgestellten Dialogfeld das Lasso-Werkzeug aus und stellen Sie sicher, dass Entfernen ausgewählt ist. Dies ermöglicht die Bearbeitung der eigentlichen 3D-Vorschau der Maske.
    HINWEIS: Das Bearbeitungswerkzeug ist eine unendliche Schnittebene und entfernt jeden Teil der Maske, der in Z-Richtung ausgewählt ist.
  2. Generieren Sie 3D-Objekte des endgültigen Blutpools und myokardiale Fallsegmentierungen. Glätten Sie das 3D-Myokardgehäusemodell mit einem Werkzeug für glatte Objekte. Passen Sie gemäß KMU-Vorschlag und -Genehmigung die Iterations- und Glattfaktorparameter nach Bedarf für das spezifische Modell an, um ein Fallmodell zu erstellen, das so glatt wie möglich ist, aber keine wichtigen anatomischen Details verloren hat.
  3. Nach der Genehmigung durch ein KMU exportieren Sie die Modelle im STL-Format zur Verwendung in einer 3D-Modellbearbeitungssoftware. Klicken Sie in Mimics mit der rechten Maustaste auf eine bestimmte Maske im Projektmanager > Objekt erstellen. Stellen Sie im bereitgestellten Dialogfeld sicher, dass die Einstellung Optimal ausgewählt ist, und klicken Sie auf OK.
  4. Sobald das Modell erstellt wurde, wird es im Objektfenster angezeigt, in der Regel unterhalb des Projektmanagerfensters . Klicken Sie dort mit der rechten Maustaste auf ein generiertes Modell und wählen Sie Glatt. Parameter für diesen Fall waren fünf Iterationen bei 0,4 mm Glättung.
  5. Speichern/exportieren Sie die endgültigen 3D-Blutpool- und Myokardkoffermodelle als Standard-STL-Dateien (Tessellation Language). Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das gewünschte Modell > STL+ , > folgen Sie dem bereitgestellten Dialogfeld, um eine STL-Version des Modells zu exportieren.

2. Erstellen Sie die digitalen Formen

  1. Öffnen Sie die STL-Datei des Myokardkoffermodells in einem CAD-Programm. Es wird empfohlen, die Sichtbarkeit des Gehäuses transparent zu gestalten, damit das Myokard auf der Innenseite der Myokardgehäuseform sichtbar ist. Importieren Sie in Magics die stLs, die über import part generiert wurden. Wählen Sie im Fenster Projektmanagement die Option Transparent für das Modellrendering aus.
  2. Schneiden Sie überschüssiges Myokardgehäusematerial mit einem Schnitt- oder Stanzwerkzeug aus dem Modell ab. Es müssen nur ca. 0,5 cm zwischen dem äußeren Rand des Gehäuses und dem Myokardabdruck an der inneren Gehäusewand liegen. Zusätzliches Material erhöht die für den 3D-Druck benötigte Zeit, wirkt sich jedoch nicht auf das Endprodukt aus. Wählen Sie in Magics, Cut > Indicate Polyline > Points of Interest > Apply aus.
    HINWEIS: Das Bearbeitungswerkzeug ist eine unendliche Schnittebene und entfernt jeden Teil der Maske, der in Z-Richtung ausgewählt ist.
  3. Schneiden Sie den Myokardkoffer in mehrere Teile, so dass der Fall um die komplexe Anatomie der Blutpoolform herum zusammengesetzt werden kann. Es wird empfohlen, ein Schnitt- und / oder Stanzwerkzeug zu verwenden, um dies zu erreichen.
    HINWEIS: Die folgenden Schritte bieten einen Vorschlag für Schnitte im Myokardfall, die ihn in vier Abschnitte unterteilen, die sich sowohl für die diagnostische Genauigkeit als auch für die Fallmontage um den Blutpool für viele Herzmodelle als ausreichend erwiesen haben. Jedes Modell wird jedoch anders sein, daher ist es wichtig zu bedenken, dass das Gehäuse um den Blutpool herum montiert werden muss, bevor Silikon gegossen und nach den Silikonsätzen entfernt wird. Achten Sie besonders auf alle Stellen, an denen der Fall eine Schleife im Blutpool durchlaufen oder lange Blutgefäße umgeben muss. Merkmale wie diese erfordern möglicherweise, dass das Myokardgehäuse in der Region, in der das Merkmal vorhanden ist, in zusätzliche Stücke geschnitten wird, um sicherzustellen, dass eine Montage und Demontage um den Blutpool herum möglich ist.
  4. Passen Sie die Ansicht des Myokardgehäuses durch Rotations- und Schwenkwerkzeuge an, um die Spitze des Herzens nach unten und den Aortenbogen horizontal zu richten. Machen Sie einen horizontalen Schnitt durch die Aorta, die das Myokardgehäuse in eine untere Hälfte teilt, die die Spitze und eine obere Hälfte enthält. Die Länge dieses Schnitts und aller nachfolgenden Schnitte variiert mit jedem Herzmodell. Verwenden Sie in Magics die linke und rechte Maustaste, um die Drehung bzw. das Schwenken zu steuern. Von dort aus wählen Sie > "Polylinie anzeigen" > > "Anwenden" interessante Punkte aus.
    HINWEIS: Das Bearbeitungswerkzeug ist eine unendliche Schnittebene und entfernt jeden Teil der Maske, der in Z-Richtung ausgewählt ist.
    1. Machen Sie einen vertikalen Schnitt entlang des breitesten Abschnitts der unteren Hälfte des Myokardgehäuses. Stellen Sie sicher, dass die untere Hälfte des Myokardgehäuses ungefähr in zwei Hälften geteilt ist.
    2. Machen Sie einen zweiten vertikalen Schnitt entlang des breitesten Abschnitts der oberen Hälfte des Myokardgehäuses. Stellen Sie sicher, dass die obere Hälfte des Myokardgehäuses ungefähr in zwei Hälften geteilt ist.
  5. Fügen Sie den Myokardgehäuseteilen Stifte (Requisiten) hinzu, um eine korrekte Ausrichtung während der Montage sicherzustellen. Es wird empfohlen, ein Prop-Generierungswerkzeug und ein Boolesches Subtraktionswerkzeug mit einem Abstandswert von 0,25 mm zu verwenden, um passende Props und Prop-Kavitäten zu erstellen. In Magics, Add Props > die Position auf dem Modell > Apply angeben.
  6. Erstellen Sie ein Silikonfüllloch mit einem Durchmesser von 1,0 cm zu einem der oberen halben Stücke des Myokardgehäuses. Die Myokardflächenmerkmale direkt unter dem Füllloch werden verdeckt, also stellen Sie sicher, dass das Füllloch nicht über äußeren anatomischen Merkmalen liegt, die für die Verwendung des Modells von entscheidender Bedeutung sind. Überprüfen Sie die Platzierung der Bohrung mit einem KMU.

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Abbildung 2: Myokardkoffermodell in einer CAD-Software. Myokardkoffer, der in einer CAD-Software für einen Herzfall mit einem VSD generiert wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Überprüfen Sie die Diagnose für alle Gehäuseteile einzeln, um sicherzustellen, dass die folgenden Fehler nicht vorhanden sind: invertierte Normale, schlechte Kanten, schlechte Konturen, nahezu schlechte Kanten, planare Löcher oder Schalen. Wenn ein Fehler erkannt wird, reparieren Sie ihn mit einem Reparaturwerkzeug/Assistenten, falls verfügbar, oder manuell, falls nicht verfügbar. Überprüfen Sie in Magics die > Die Diagnose automatisch auflösen.
  2. Beheben Sie Fehler, die nicht manuell oder mit einem Fixierwerkzeug/Assistenten mit einer Teileschrumpffolie über ein Schrumpffolienwerkzeug behoben werden können. Passen Sie das Schrumpffolien-Probenintervall und die Lückenfüllwerte nach Bedarf an, um die Fehler auf dem spezifischen Stück zu korrigieren, ohne die Physiologie bei der SME-Überprüfung zu verändern. In Magics, Fix > Shrink Wrap > Folgedialog.
  3. Speichern/exportieren Sie die einzelnen Myokardkofferstücke als STL-Dateien.

3. Erstellen Sie die physischen Formen

  1. Öffnen Sie das Myokardgehäuse und die Blutpoolmodelle in der entsprechenden Slicer-Software, um 3D-Druckdateien (G-Code-Datei) für einen 3D-Drucker der additiven Fertigung (AM) zu erstellen. Ordnen Sie die Teile des Myokardgehäuses mit einem drehbaren und / oder flachen Werkzeug an, so dass jede Seite, die sich mit einem anderen Gehäusestück trifft, vertikal ist. Fügen Sie allen Teilen manuell oder mit einem in der Software bereitgestellten automatischen Support-Generierungstool 3D-Druckträger hinzu, falls verfügbar.

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Abbildung 3: Einrichtung des Myokardkoffers und des Blutpools in einer 3D-Druck-CAD-Software. Myokardkoffer und Blutpool mit richtiger Ausrichtung und zusätzlicher Unterstützung bei der Vorbereitung auf den 3D-Druck in einer 3D-Druck-CAD-Software für einen Herzfall mit einem VSD. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Schneiden Sie die Modelle auf, um einen G-Code für die Verwendung auf dem 3D-Drucker mit den folgenden Parametern zu generieren: Blutbecken in ABS mit: beheizter Betttemperatur von 100 ° C, Extrudertemperatur von 250 ° C, Füllungsdichte von 5%, Standarddruckgeschwindigkeit von 50 mm / s, Innenschalengeschwindigkeit von 70 mm / s, Außenschalengeschwindigkeit oder 50 mm / s; Myokardform in ABS oder Polymilchsäure (PLA) unter Verwendung von: beheizte Betttemperatur von 60 °C für PLA oder 100 °C für ABS, Extrudertemperatur von 205 °C für PLA oder 250 °C für ABS, Ausfülldichte von 15%, Standarddruckgeschwindigkeit von 50 mm/s, Innenschalengeschwindigkeit von 80 mm/s und Außenschalengeschwindigkeit von 30 mm/s.
  2. Speichern/exportieren Sie den G-Code.
  3. Laden Sie die Druckdatei mit einem Flash-Laufwerk oder einer Wi-Fi-Verbindung auf den 3D-Drucker hoch, je nach den Fähigkeiten des Druckers, stellen Sie sicher, dass das richtige Filament auf den 3D-Drucker geladen ist, und beginnen Sie mit dem Drucken. Der 3D-Drucker sollte folgende Anforderungen erfüllen: kompatibel und mit einem Düsendurchmesser von weniger als 0,4 mm ausgestattet und mit einer Schichtauflösung von weniger als 0,25 mm ausgestattet. Verwenden Sie nach Abschluss des Drucks eine Nadelzange und eine Pinzette, um das gesamte Trägermaterial von den gedruckten Teilen zu entfernen.

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Abbildung 4: 3D-gedruckte Modellteile. Foto von (A) physischem Blutpool und (B) Myokardkofferstücken eines Herzgehäuses mit einem VSD, der aus dem 3D-Drucker mit entferntem Trägermaterial hergestellt wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Montieren Sie die Myokardgehäuseteile um die Blutpoolform herum und stellen Sie sicher, dass alle Teile eng zusammenpassen. Wenn das Myokardgehäuse nicht um das Blutbecken herum passt, nehmen Sie kleine Anpassungen am Werkzeugstück des Gehäuses vor, indem Sie ein handgehaltenes Rotationsschleifwerkzeug verwenden, um Material zu entfernen. Wenn eine große Anpassung erforderlich ist, kann es erforderlich sein, die STL-Datei in einer CAD-Software zu bearbeiten und einen neuen 3D-Druck zu erstellen.
    ACHTUNG: Verwenden Sie einen Augenschutz, wenn Sie ein handgeführtes Rotationsschleifwerkzeug verwenden. Die Verwendung eines Rotationsschleifwerkzeugs am Blutbecken oder Myokardgehäuse führt dazu, dass der Kunststoff schmilzt. Verwenden Sie sparsam und mit Vorsicht.
    HINWEIS: Das Protokoll kann zwischen allen Schritten vor diesem Punkt angehalten werden.
  2. Führen Sie eine Acetondampfglättung durch, wenn das Myokardgehäuse mit ABS in 3D gedruckt wurde und eine glattere Silikonoberfläche vom SME gewünscht wird. Wenn eine glattere Oberflächenbeschaffenheit nicht gewünscht oder erforderlich ist, überspringen Sie den Dampfglättungsprozess mit minimalen Auswirkungen auf die endgültige Anatomie des Modells.
    VORSICHT: Aceton ist flüchtig und brennbar. Stellen Sie sicher, dass Sie sich in einem gut belüfteten Bereich vor offenen Flammen oder Funken aufstellen. Zusätzlich löst Aceton Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol auf. Wenn ein Kunststoffbehälter verwendet wird, stellen Sie sicher, dass er kein PVC oder Polystyrol enthält.
    1. Legen Sie den Boden und die Seiten eines Behälters, der nicht von Aceton betroffen ist, mit Papiertüchern aus. Gießen Sie das Aceton auf das untere Papiertuch und lassen Sie es die Papiertücher an der Seite des Behälters zerstäuben, aber keinen Pool im Boden bilden. Die Menge an Aceton, die benötigt wird, hängt von der Größe des verwendeten Behälters ab. hier wurden 30 ml Aceton in einem Behälter mit einem Grundvolumen von ca. 400 cm3 verwendet.
    2. Legen Sie ein Stück Aluminiumfolie in den Behälter, um das untere Papiertuch abzudecken. Legen Sie die Myokardkofferstücke auf die Aluminiumfolie und richten Sie die Myokardstücke so aus, dass die zu glättenden Flächen vertikal sind. Stellen Sie sicher, dass sich die Myokardstücke nicht berühren oder die Papiertücher an der Wand des Behälters.
    3. Legen Sie einen Deckel auf den Behälter oder die Abdeckung mit Aluminiumfolie und lassen Sie die Myokardkofferstücke ungestört im Behälter bleiben, bis ~ 80% der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit pro Sichtprüfung erreicht sind. Die Zeit, die benötigt wird, um den dampfglatten Prozess abzuschließen, hängt von der Größe des Behälters und der Menge des verwendeten Acetons ab. Beginnen Sie mit der Überprüfung der Myokardkofferstücke auf die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit in Abständen von 15 Minuten nach anfänglichen 30 Minuten. Für diese Studie dauerte die Dampfglättung 2 h für eine 150 ml Struktur.
    4. Entfernen Sie mit Handschuhen vorsichtig die Myokardkofferstücke aus dem Behälter und berühren Sie nur die Außenflächen. Lassen Sie die Stücke in einem gut belüfteten Bereich für ~ 30 minuten vollständig entgasen oder bis sie glatt, trocken und hart sind.

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Abbildung 5: Dampfgeglättete Myokardkofferstücke. Fotografie von Myokardkofferstücken eines Herzgehäuses mit einem VSD nach einem Acetondampf glatt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Silikon gießen

HINWEIS: Einige Verunreinigungen, einschließlich Latex und Schwefel, können die Aushärtung von Silikonen hemmen, wenn sie in Kontakt kommen. Es wird empfohlen, alle technischen Bulletins zu lesen, bevor Sie versuchen, Silikon zu verwenden.

  1. Schätzen Sie die Menge eines zweiteiligen platinhärtenden Silikons, das zur Erstellung des Myokardmodells benötigt wird. Die benötigte Silikonmenge hängt von der Größe des zu erstellenden Modells ab. Alternativ können Sie das Volumen der Myokardsegmentierung mit einer CAD-Software messen, um die benötigte Silikonmenge zu bestimmen. Stellen Sie sicher, dass das Silikon folgende Eigenschaften besitzt: Shore-Härte von 2 A, Zugfestigkeit von 1.986 kPa, Bruchdehnung von 763%, Schrumpfung von weniger als 0,0254 mm/mm, Mischviskosität von 18.000 cps, Topfzeit von 12 min und Aushärtungszeit von 40 min. Diese Studie erforderte 300 ml Silikon.
  2. Teilen A und Teil B des Silikons gründlich rühren, bevor Sie die erforderlichen Mengen in den richtigen Proportionen in einen Mischbecher gießen. Wenn Farbe auf dem Modell gewünscht wird, fügen Sie Pigment hinzu und mischen Sie alle Teile und Pigmente gründlich. Für diese Studie wurden 150 ml von Teil A und Teil B von Hand oder mit einem Rührwerk gemischt und gerührt. Eine Sil-Pigment-Produktfarbe "Blut" (siehe Materialtabelle) wurde per Craft-Stick hinzugefügt, bis die gewünschte Farbe erreicht war.
  3. Legen Sie das gründlich gemischte Silikon in eine Vakuumkammer bei 29 in Hg für 2-3 min zum Entgasen. Das Silikon dehnt sich während des Entgasungsprozesses auf etwa das Doppelte seines Volumens aus, stellen Sie sicher, dass der Mischbehälter genügend Platz hat, um die Ausdehnung zu ermöglichen. Entlüften und entfernen Sie entgastes Silikon aus der Kammer und tauchen Sie den Blutpool in das Silikon ein, um es gründlich zu beschichten, um sicherzustellen, dass alle Hohlräume und Hohlräume im Blutpool mit Silikon gefüllt sind.
  4. Besprühen Sie alle Teile des Myokardgehäuses gründlich mit einem leicht trennbaren Produkt (siehe Materialtabelle) in einem gut belüfteten Bereich. Montieren Sie die untere Hälfte des Myokardgehäuses um die Spitze des Blutpools. Wenn Nähte zwischen den Myokardgehäusestücken das Auslaufen des Silikons zulassen, verwenden Sie Klammern oder ein Material wie Heißkleber oder Ton, um das Leck auf der Außenfläche der Form zu versiegeln.
  5. Gießen Sie Silikon in den Raum zwischen dem Blutpool und der Gehäusewand, damit das Silikon in alle Lücken fließen kann. Gießen Sie weiter Silikon, bis die zusammengebauten Teile der Myokardform mit Silikon gefüllt sind.
  6. Montieren Sie die restlichen Teile des Myokardkoffers und sichern Sie die Kofferteile bei Bedarf mit Gummibändern und Klemmen fest. Gießen Sie Silikon in das Füllloch in der Oberseite des Myokardgehäusestücks, bis der gesamte Myokardraum mit Silikon gefüllt ist.
  7. Lassen Sie das Silikon für ~ 40 min aushärten. Entfernen Sie das Silikonherz aus dem Myokardgehäuse und schneiden Sie alle Silikonnähte ab, die aus dem Raum zwischen den Gehäusestücken oder dem Füllloch entstanden sind.

5. Blutpool auflösen

  1. Identifizieren Sie alle Blutgefäße, die offene Enden am Silikonmodell haben sollten, und schneiden Sie jedes Silikon ab, das sie bedeckt, um den ABS-Blutpool im Inneren freizulegen.
  2. Tauchen Sie das Silikonherz in ein Acetonbad. ABS beginnt 10-15 Min nach dem Eintauchen in Aceton zu erweichen; Entfernen Sie in diesem Fall große ABS-Stücke mit einer Pinzette, um die Geschwindigkeit des ABS-Auflösungsprozesses zu erhöhen.
  3. Führen Sie zwei bis drei zusätzliche Acetonspülungen / -einweicht mit sauberem Aceton durch, um das gesamte ABS aus dem Silikon zu entfernen, wenn sich ein Großteil des ABS-Blutpools aufgelöst hat. Entfernen Sie das Herzmodell aus dem Acetonbad und lassen Sie das verbleibende Aceton in einem gut belüfteten Bereich aus dem Modell verdunsten. Die Zeit, die benötigt wird, um das ABS vollständig aufzulösen, hängt von der Größe des Modells, der manuell entfernten ABS-Menge und der Menge an verwendetem Aceton ab.

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Abbildung 6: Patientenspezifisches Silikon-Herzmodell mit einem VSD. Fotografie einer epikardialen Oberflächenansicht eines kompletten Silikonmodells mit einem VSD. VSD ist aufgrund seiner Lage innerhalb der intrakardialen Myokardstruktur nicht sichtbar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergebnisse

Radiologische Bildgebungsdaten von einem Patienten mit einem VSD wurden ausgewählt, um ein repräsentatives Silikon-Herzmodell zu generieren. Die Anatomie der Patienten wurde mithilfe einer CAD-Segmentierungssoftware segmentiert, um ein digitales Myokardmodell und ein digitales Blutpoolmodell zu generieren (Abbildung 1). Die manuelle Segmentierung von Blutpool und Myokard mit dem vorgestellten Protokoll dauert 1-3 Stunden. Nach Abschluss der Segmentierung wurde das Myokardmodell in einer CAD-Software zur Weiterverarbeitung geöffnet. Das Modell wurde an einer 3D-Box ausgerichtet, die innerhalb des Programms erstellt und dann mit booleschen Operationen abgezogen wurde. Dieser Prozess hinterließ ein Negativ des Myokardmodells und bildete eine Form. Diese Myokardform wurde auf eine geeignetere Größe getrimmt, in Segmente geschnitten und mit Requisiten zum Ausrichten der Stücke modifiziert (Abbildung 2). Die Erstellung des Gehäuses dauerte 2-6 h. Alle Myokardformteile und der Blutpool wurden in eine 3D-Druckschneidesoftware geladen, und G-Code wurde für den 3D-Druck in ABS generiert (Abbildung 3). Die 3D-gedruckten Teile mit entferntem Trägermaterial sind in Abbildung 4 zu sehen. Die Myokardgehäusestücke wurden verdampft, um die Oberflächenbeschaffenheit des Modells zu verbessern (Abbildung 5). Nach Abschluss des dampfglatten Prozesses wurde die Form um das Blutpoolmodell herum zusammengesetzt und Silikon gegossen. Die Montage und der Silikonguss dauerten eine Stunde. Nach dem Silikon-Set wurde das Herzmodell aus dem Myokardgehäuse entfernt und in Aceton getaucht, um den Blutpool aufzulösen. Nach etwa vierundzwanzig Stunden Deseinweichens hatte sich der Blutpool aufgelöst. Eine abschließende Acetonspülung wurde durchgeführt und das Modell durfte vollständig trocknen. Das fertige Silikon-Herzmodell ist in Abbildung 6 zu sehen. Um die Genauigkeit und Funktionalität des Silikonmodells zu bewerten, wurde vom KHK-Experten (kongenitaler Herzfehler) ein Schnitt vorgenommen, um die innere Anatomie beobachten zu können. Der erwartete VSD war vorhanden, und ein GORE-TEX-Pflaster wurde vom angeborenen Herzchirurgen auf das Modell genäht, um den VSD zu korrigieren (Abbildung 7). In einem erfolgreich abgeschlossenen Silikonmodell sind alle Patientenanatomie und -defekte sowohl äußerlich als auch innerlich vorhanden. Eine Zusammenfassung des Protokolls finden Sie in Supplementary File 1.

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Abbildung 7: GORE-TEX Pflaster im Silikon-Herzmodell mit VSD vernäht. Foto von (A) der Ansicht des Chirurgen eines patientenspezifischen Silikon-Herzmodells mit einem VSD und (B) der Ansicht des Chirurgen des VSD im Modell, das mit einem GORE-TEX-Pflaster geschlossen ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Datei 1: Schematische Darstellung des Silikonherzherstellungsprotokolls. Schematische Darstellung des Protokolls bei der Herstellung eines patientenspezifischen Silikon-Herzmodells. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2: Zusammenfassung kritischer Schritte und potenzieller negativer Ergebnisse. Zusammenfassung der entscheidenden Schritte bei der Entwicklung eines patientenspezifischen Silikon-Herzmodells und der möglichen negativen Ergebnisse, die sich ergeben können, wenn die Schritte nicht korrekt befolgt werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Diskussion

Nach Abschluss des Protokolls sollte sich ein patientenspezifisches Silikon-Herzmodell zur chirurgischen Vorbereitung ergeben. Es gibt jedoch mehrere kritische Schritte, die korrekt ausgeführt werden müssen, damit dies erreicht werden kann. Eine Zusammenfassung der kritischen Schritte im Protokoll kann in Supplementary File 2 eingesehen werden, ebenso wie mögliche Ergebnisse, wenn die Schritte nicht korrekt ausgeführt werden. Der erste kritische Schritt beinhaltet die Segmentierung der radiologischen Bildgebungsdaten des Patienten. Dieser Schritt erfordert die Erfassung eines diagnostischen 3D-Bildgebungsdatensatzes. Der Modellnutzen in der präoperativen Planung oder Ausbildung hängt von der Qualität des 3D-Datensatzes ab. Es wird empfohlen, einen Bildsatz zu verwenden, der mit einer Scheibengröße zwischen 0,625 mm und 2,6 mm gesammelt wurde, um sicherzustellen, dass der Datensatz eine angemessene Auflösung für die Modellproduktion aufweist. Alle Bildgebungsparameter sollten jedoch von einem klinischen Experten für Radiologie festgelegt werden, wobei die Patientenversorgung prioritätsmäßig ist. Es sollte beachtet werden, dass es möglich sein kann, ein Modell aus einem Bildsatz zu erstellen, der mit einer Slice-Größe außerhalb der empfohlenen Werte gesammelt wurde, aber die Modellauflösung und -qualität wird negativ beeinflusst. Wenn die Segmentierung nach dem Erhalten von Bildern nicht korrekt durchgeführt wird, wird sie in der Regel erst realisiert, wenn das endgültige Modell hergestellt und geschnitten wird, was zu einem Zeit- und Materialverlust führt. Um dieses negative Ergebnis zu vermeiden, wird empfohlen, dass ein Fachexperte die segmentierten Dateien überprüft, bevor die digitalen Formen zur Qualitätskontrolle erstellt werden. Der nächste kritische Schritt erfolgt bei der Erstellung der digitalen Formen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Myokardkoffer um das Blutpoolmodell herum zusammengesetzt werden kann. Wenn sich das Gehäuse nicht um den Blutpool schließt, kann es nicht zur Erstellung des Silikonmodells verwendet werden, da nicht ausgesetztem Silikon ständig austritt und die Anatomie verzerrt sein könnte. Ein handgeführtes Rotationsschleifwerkzeug kann nur dann verwendet werden, um Teile der Myokardform leicht zu entfernen, wenn kleine Anpassungen erforderlich sind. Wenn große Anpassungen erforderlich sind, muss die digitale Form geändert und ein aktualisierter Koffer gedruckt werden. Der letzte kritische Schritt ist das Gießen des Silikons. Bei der Verwendung des Silikons ist die strikte Einhaltung der Materialanweisungen erforderlich, da dies zu Silikon führen kann, das mit einer klebrigen Oberfläche aushärtet. Wenn die Oberfläche für die Verwendung durch das KMU als zu klebrig erachtet wird, muss das Blutbecken möglicherweise erneut bedruckt werden, wenn es nicht erfolgreich aus dem Silikon entfernt werden kann. Das Silikon muss erneut gegossen werden, was zu einem Zeit- und Materialverlust führt. Wenn nicht genügend Silikon verwendet wird oder das Silikon während des Absetzvorgangs aus der Myokardgehäuseform austritt, ist das resultierende Modell unvollständig. Dieser Fehler kann durch Mischen und Gießen von zusätzlichem Silikon in die Form behoben werden. Ein Material wie Heißkleber oder Ton kann verwendet werden, um die Nähte der Myokardgehäuseform zu versiegeln, wenn während des Aushärtungsprozesses eine kleine Menge Silikon durchzutreten scheint.

Diese Methode zur Erstellung patientenspezifischer Silikon-Herzmodelle kann modifiziert werden, um die Erstellung eines Modells einer beliebigen weichen anatomischen Struktur mit patientenspezifischer oder komplexer innerer und äußerer Geometrie zu ermöglichen. Unter der Annahme, dass die Zielanatomie korrekt segmentiert ist, könnten die verbleibenden Schritte des Protokolls mit minimalen Änderungen befolgt werden. Obwohl nicht der Schwerpunkt der aktuellen Arbeit, wurde das Protokoll mit ähnlichem Erfolg auf Leberparenchym angewendet. Das verwendete 3D-Druckmaterial kann auch modifiziert werden. ABS und PLA werden aufgrund ihrer geringen Kosten für die Verwendung empfohlen, aber jedes auflösbare 3D-Druckmaterial kann den Platz von ABS einnehmen, und jedes wünschenswerte 3D-Druckmaterial kann den Platz von PLA mit minimaler oder keiner Änderung des Protokolls einnehmen. Alle vom Filamenthersteller angegebenen Druckparameter sollten bei der Verwendung anderer Druckmaterialien befolgt werden. Dieses Verfahren kann durch die Verwendung eines anderen Silikons weiter modifiziert werden. Das für die Verwendung in diesem Protokoll empfohlene Silikon hat eine Shore-Härte von 2 A, aber wenn ein anderer Shore-Härtewert wünschenswert ist, kann ein anderes Silikon mit minimaler oder keiner Änderung des Protokolls ersetzt werden. Achten Sie darauf, alle Herstellungsspezifikationen und -verfahren einzuhalten, wenn Sie ein anderes Silikonprodukt verwenden.

Während dieses Protokoll ein verbessertes kardiales Modellierungsverfahren skizziert, ist es nicht ohne Einschränkungen. Die Haupteinschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass das verwendete platinhärtende Silikon zwar näher an der Härte des Herzgewebes liegt als andere verfügbare Materialien, die Härte jedoch nicht die einzige Eigenschaft ist, die eine Rolle bei der Feinmotorik des chirurgischen Trainings spielt. Insbesondere echtes Herzgewebe zeigt Brüchigkeit oder Reißen unter Gewalt. Das verwendete Silikon ist sehr elastisch, mit einer Bruchdehnung von 763% und einer Zugfestigkeit von 1.986 kPa19. Porcines Herzgewebe, von dem angenommen wird, dass es sich um eine genaue Darstellung des menschlichen Herzgewebes handelt, hat eine Bruchdehnung von 28-66% und eine Zugfestigkeit von 40-59 kPa26. Dieser Unterschied stellt ein Problem dar, da herzchirurgische Kollegen eine Übungsoperation an einem Silikonmodellherz durchführen und ein falsches Gefühl des Vertrauens gewinnen können, da das Modell Kräften standhalten kann, die echtes Herzgewebe nicht kann. Diese Methodik hat auch das Potenzial, durch ein Herzmodell mit sehr komplexer Geometrie eingeschränkt zu werden. Wenn die anatomische Komplexität des Modells zunimmt, kann das Protokoll kompensieren, indem es die Anzahl der Teile in der Myokardform erhöht. Im Wesentlichen erfordern immer komplexere Modelle immer komplexere Formkonstruktionen und eine längere Konstruktionszeit.

Der in diesem Protokoll beschriebene Modellerstellungsprozess ist vielen der anderen verfügbaren Alternativen überlegen, da er kostengünstige exakte anatomische Repliken der chirurgisch angetroffenen Anatomie nachbilden kann. Leichen- und Tiergewebe ermöglichen High-Fidelity-Simulationen, aber sie haben viel höhere Kosten und erfordern spezifische Laboreinrichtungen, die verwendet und gewartet werden müssen2,6. Darüber hinaus haben Leichen- und Tiergewebemodelle ethische Bedenken, sind nicht patientenspezifisch und komplexe KHK müssen oft manuell von einem Chirurgen oder Ausbilder hergestellt werden, was oft zu Ungenauigkeiten oder Schäden an den umliegenden Geweben und Organen führt. Eine weitere mögliche Modellierungstechnik ist der Einsatz von Virtual Reality. Virtual Reality ermöglicht die digitale Replikation patientenspezifischer Herzmodelle, was ein effektives Werkzeug zur Erstellung genauer mentaler Darstellungen der Anatomie und der Operationspläne des Patienten ist. Darüber hinaus haben einige VR-Systeme grundlegende Simulationen mit der Einbeziehung von haptischem Feedback ermöglicht. Dem verfügbaren haptischen Feedback fehlt jedoch der Realismus, der notwendig ist, um die notwendigen feinmotorischen Fähigkeiten für angeborene Herzoperationen zu replizieren4. Der 3D-Druck ist eine weitere verfügbare Methode zur Herstellung patientenspezifischer Herzmodelle2,24. Die weit verbreitete Implementierung von High-Fidelity-3D-Druckern, die in der Lage sind, Multi-Material-Soft-Modelle herzustellen, wird jedoch durch ihre extrem hohen Kosten gehemmt11,14,15. Kostengünstige 3D-Drucker sind verfügbar, können aber nur in Materialien drucken, die viel fester sind als echtes Myokard. Als eines der weichsten verfügbaren Materialien für einen 3D-Drucker verwendet wurde, um ein Modell von Scanlan et al. zu erstellen, erwies sich das Modell als fester als echtes Herzgewebe17. Das beschriebene Material hatte eine Shore-Härte zwischen 26 A und 28 A, was ihm eine Textur ähnlich einem Gummiband verleiht. Das platinvernetzte Silikon, das in diesem Protokoll verwendet wird, hat eine Shore-Härte von 2 A, was ihm eine Textur ähnlich einem Gelschuheinsatz verleiht und der Härte des realen Herzgewebes, die 43 00 beträgt, viel näher kommt.20 oder ~0 A. Hoashi et al. verwendete auch eine ähnliche Methode wie die in diesem Protokoll beschriebene, um ein flexibles 3D-gedrucktes Herzmodell zu entwickeln. Zwei Formen, die die innere und äußere Myokardgeometrie darstellen, wurden mit einem SLA-Drucker in 3D gedruckt, gefolgt von einem Vakuumguss eines gummiartigen Polyurethanharzes. Während diese Methode ein weiches Herzmodell erzeugte, betrugen die vorgeschlagenen Produktionskosten dieser Methode pro Modell 2.000 bis 3.000 USD.22. Im Vergleich dazu betragen die Gesamtmaterialkosten der im vorgestellten Protokoll beschriebenen Methode weniger als 10 USD. Schließlich wurde eine ähnliche Methode auch von Russo et al. verwendet.. Silikonmodelle der Aortenklappe und der proximalen Aorta für die verfahrenstechnische Praxis zu erstellen. Während die Russo et al.. Die Methode konzentriert sich auf ein ähnliches Ziel, ihr vorgestellter Prozess zielt darauf ab, weitaus einfachere Anatomien der Aorta oder der Aortenklappen zu replizieren. Das hier vorgestellte Protokoll unterscheidet sich dadurch, dass es sich auf intrakardiale und myokardiale Anatomien konzentriert, die kleiner und komplexer sind und angesichts historischer Methoden extrem schwer zu replizieren wären. Trotz dieses Unterschieds sind die von Russo et al. erstellten Modelle. waren sehr nützlich für die Simulation und Ausbildung in der Herzchirurgie durch befragte Herzchirurgen23. Im Wesentlichen ermöglicht die in diesem Protokoll beschriebene Methode die kostengünstige Erstellung komplexer, patientenspezifischer angeborener Herzmodelle mit genau dargestellten Defekten und Materialeigenschaften, die dem realen Herzgewebe ähnlicher sind als andere Modellierungsmethoden.1,16, so dass Modelle mit einer realistischen haptischen Wiedergabetreue bedient werden können.

In Zukunft könnte diese Methodik auf die Bildung eines Modells jeder Patientenanatomie mit komplexen internen und externen Merkmalen angewendet werden. Die Entwicklung eines alternativen Blutpoolmaterials, das weniger destruktiv aus dem Silikonmodell entfernt oder mit einer weniger zeitaufwendigen Methode hergestellt werden könnte, würde den Prozess zeit- und kosteneffizienter machen. Dadurch müsste nicht für jeden nachfolgenden Formprozess ein neuer Blutpool reproduziert werden, was zur Skalierbarkeit des damit verbundenen Trainings führt. Die physikalischen Eigenschaften des Silikons, das zur Herstellung des Modells verwendet wurde, könnten ebenfalls verbessert werden. Silikon mit weniger Bruchdehnung würde den Realismus des Modells erhöhen und dazu beitragen, seinen Wert als pädagogisches Werkzeug für herzchirurgische Kollegen zu verbessern, die versuchen, die notwendigen Feinmotorikfähigkeiten für die Durchführung dieser komplexen Verfahren zu erlernen. Eine Gruppe von Materialien, die derzeit auf dem Markt sind und eine Überlegung wert sind, um diese Lösung zu unterstützen, sind silikonsimulierte Glasmaterialien25. Diese Silikonmaterialien weisen eine viel geringere Bruchdehnung auf, was zu einem deutlichen "Zerbrechen" bei Krafteinwirkung ähnlich wie bei Glas führt. Die Modulation des in diesem Protokoll verwendeten platinhärtenden Silikons mit Zusätzen dieses silikonsimulierten Glasmaterials kann die Kontrolle der Brüchigkeitseigenschaften des Modells ermöglichen und gleichzeitig die entsprechende Shore-Härte beibehalten, wodurch die allgemeine haptische Wiedergabetreue verbessert wird. Schließlich ist die Auflösung der Anatomie, die dieses Protokoll erzeugen kann, durch die Auflösung des 3D-Druckers begrenzt, der zur Erzeugung der Formen verwendet wird. Da sich die Technologie weiter verbessert, sollte sich auch die Auflösung der Anatomie, die mit diesem Protokoll erstellt werden kann, verbessern.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Danksagungen

Die Autoren danken OSF HealthCare für die Ermöglichung dieser Studie sowie Dr. Mark Plunkett für sein verfahrenstechnisches Wissen und die Anwendung von Fähigkeiten auf unser Endprodukt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1,75 mm ABS FilamentMatter Hackermatterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-Anekdotisch gleichbleibende Qualität, preisbewusster Preis
1,75 mm PLAFilament Matter Hackerhttps://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKUAnekdotisch gleichbleibende Qualität, preisbewusster Preis
8220 12VMax High-Performance CordlessDremelhttps://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordlessCordless für den leichteren Zugriff auf kleine Funktionen im Modell
AcetoneSunnysidehttps://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5
Bulk Dragon Skin Fx-ProSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-proIndustriestandardmäßige, charakterisierte, hautverträgliche
Ease Release 200Smooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/ease-release-200-Beschichtung zur einfachen Entfernung von Silikon aus der Form
GORE-TEX PflasterGOREhttps://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatchHerz-Kreislauf-Pflaster
ideaMakerRaise 3D https://www.raise3d.com/download/  Mitgelieferte G-Code-CAD-Software für Raise 3D-Drucker
MagicsMaterilisehttps://www.materialise.com/en/software/magicsFunktionsreiche CAD-Software, die in der Lage ist, organische Oberflächen zu manipulieren
MimicsMaterilisehttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimicsFunktionsreiche Segmentierungssoftware
DICOM-Daten für Patienten--DICOM-Daten stammen in der Regel von einem Patienten-CT oder MRT
Pro2 Plus PlusRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/Anecdotallay zuverlässiger, dualer Extrusion FDM 3D-Drucker
PRO2-100 Industrial Glue GunSurebonderhttps://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-sticksHeißklebepistole
Silc PigSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigmentsPigment in Industriequalität zum Einfärben von Silikon
VakuumkammerSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/vacuum-chamberAnekdotisch zuverlässige Vakuumkammer zum Entfernen von Luftblasen aus gemischtem Silikon

Referenzen

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

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