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

Die vorgestellte Methode ermöglicht die Erstellung patientenspezifischer anatomischer kardiovaskulärer Modelle für In-vitro-Tests, Lehre und Planung von Verfahren. Diese Methode bietet einen standardisierten Ansatz zur Erstellung von 3D-druckbaren individualisierten anatomischen Modellen auf der Grundlage radiologischer Datensätze, die leicht in Strömungsschleifen oder Trainingsaufbauten einbezogen werden können. Während sich dieser Modellierungsansatz auf das Herz-Kreislauf-System konzentriert, kann er auf andere anatomische Strukturen übertragen werden.

Die Qualität des radiologischen Datensatzes hat einen großen Einfluss auf die Schwierigkeiten bei der Modellierung. Verwenden Sie für die ersten Modelle einen Datensatz mit minimalen Bewegungsartefakten und einer hohen räumlichen Auflösung. Definieren Sie zunächst einen Bereich von Hounsfield-Einheitswerten, indem Sie das Schwellenwertwerkzeug öffnen, was zu einer kombinierten Maske des kontrastverstärkten Blutvolumens und der Knochenstrukturen führt.

Entfernen Sie alle Knochenteile, die im endgültigen 3D-Modell unerwünscht sind, mit dem Werkzeug "Maske teilen", das das Markieren und Trennen mehrerer Bereiche in Gesamtscheiben basierend auf Hounsfield-Werten und -Position ermöglicht. Achten Sie nach dieser Trennung darauf, dass eine Maske mit dem kontrastverstärkten Blutvolumen erhalten bleibt. Dies kann durch Scrollen durch die koronale und axiale Ebene und das Abgleichen der erstellten Maske mit dem zugrunde liegenden Datensatz erfolgen.

Berechnen Sie aus dieser Maske ein gerendertes 3D-Polygonflächenmodell. Klicken Sie auf das Lokale Glättungswerkzeug, um die Fläche des segmentierten Modells manuell und lokal anzupassen. Konzentrieren Sie sich auf das Entfernen von groben Polygonformen, einzelnen Spitzen und rauen Kanten, die durch vorherige Trimmvorgänge erzeugt wurden.

Um den späteren Anschluss des Modells an eine Strömungsschleife zu ermöglichen, schließen Sie Rohrteile mit definierten Durchmessern ein, die an die verfügbaren Schlauchanschlüsse und Rohrdurchmesser angepasst sind. Um eine Bezugsebene parallel zum Öffnungsquerschnitt der Gefäße zu platzieren, wählen Sie das Werkzeug Bezugsebene erzeugen aus, und verwenden Sie die voreingestellte 3-Punkt-Ebene. Klicken Sie anschließend auf drei gleichmäßig verteilte Punkte im Querschnitt des Schiffes, um die Ebene zu erstellen.

Geben Sie einen Offset von 10 Millimetern in das Befehlsfenster ein und bestätigen Sie den Vorgang. Wählen Sie im Menü das Skizzenziehwerkzeug aus und wählen Sie die zuvor erzeugte Bezugsebene als Position der Skizze aus. Platzieren Sie in der Skizze einen Kreis ungefähr auf der Mittellinie des Behälters, und legen Sie die Radiusbedingung so fest, dass sie dem Außendurchmesser des Schlauchanschlusses entspricht.

Verwenden Sie aus der erstellten Skizze das Werkzeug Extrudieren, um einen Zylinder mit einer Länge von 10 Millimetern zu erzeugen. Richten Sie die Extrusion so aus, dass sie sich von der Behälteröffnung entfernt, um einen Abstand zwischen dem Zylinder und dem Behälterquerschnitt von 10 Millimetern zu schaffen. Verwenden Sie dann das Loft-Werkzeug, um eine Verbindung zwischen dem Gefäßende und dem geometrisch definierten Zylinder herzustellen.

Sorgen Sie für einen fließenden Übergang zwischen den beiden Querschnitten, wodurch Turbulenzen und Bereiche mit geringer Strömung im endgültigen 3D-Strömungsmodell vermieden werden. Verwenden Sie schließlich das Hollow-Werkzeug, um einen hohlen Blutraum im Befehlsfenster zu schaffen, und legen Sie die erforderliche Wandstärke fest und legen Sie die Richtung des Aushöhlungsprozesses fest, um sich nach außen zu bewegen. Bestätigen Sie die Auswahl, um den Aushöhlungsprozess auszuführen.

Stellen Sie nach dem Hochladen der Druckdatei aus der Slicing-Software auf den 3D-Drucker sicher, dass die Menge an Druckmaterial und Trägermaterial in den Patronen des Druckers für das 3D-Modell ausreicht und starten Sie den Druck. Entfernen Sie nach dem Druckvorgang das Trägermaterial aus dem fertigen Modell. Entfernen Sie zunächst das Trägermaterial manuell, indem Sie das Modell vorsichtig zusammendrücken.

Legen Sie das Modell auf die Spüle und tauchen Sie es nach dem Entfernen der Abdeckung in Wasser oder ein entsprechendes Lösungsmittel. Trocknen Sie das Modell über Nacht in einem Aufinkubator auf 40 Grad Celsius. Am nächsten Tag betten Sie das Modell in 1% Agar ein.

Verwenden Sie eine Kunststoffbox mit mindestens zwei Zentimetern Seitenrändern um das Modell und bohren Sie Löcher in die Wände, damit die Rohre von den Behältern mit der Pumpe und dem Reservoir verbunden werden können. Fügen Sie Agar zu Wasser hinzu und bringen Sie es zum Kochen. Nachdem Sie die Mischung umgerührt haben, lassen Sie sie fünf Minuten abkühlen und gießen Sie sie in die Box, um ein Bett von mindestens zwei Zentimetern Höhe zu schaffen.

Während das Agarbett feststeht, verbinden Sie das Modell mit handelsüblichen Schlauchanschlüssen an jeder Öffnung mit einem nicht konformen PVC-Rohr. Verwenden Sie Reißverschlüsse, um die Verbindung zwischen den Schlauchanschlüssen und dem 3D-Modell zu fixieren und sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit austritt. Führen Sie die PVC-Rohre durch die gebohrten Löcher in die Box und legen Sie das Modell dann auf das eingestellte Agarbett.

Um zu verhindern, dass Agar aus diesen Löchern austritt, verwenden Sie hitzebeständigen Modellierton, um es zu versiegeln. Als nächstes füllen Sie die Box mit Agar und bedecken Sie das Modell, indem Sie eine zwei Zentimeter große Schicht darüber hinzufügen. Lassen Sie den Agar vollständig abkühlen und stellen Sie ihn eine Stunde lang bei Raumtemperatur ein.

Rühren Sie den Ventrikel mit einer Kolbenpumpe mit einem Hubvolumen von 120 bis 150 Millilitern. Für die CT-Bildgebung platzieren Sie die gesamte Durchflussschleife innerhalb des CT-Scanners, wobei die Antriebseinheit in der Nähe steht. Schließen Sie die Kontrastmittelpumpe direkt an das Reservoir der Strömungsschleife an, damit die Flutung des Modells mit Kontrastmittel während des Scannens simuliert werden kann.

Dies ist besonders nützlich für die Visualisierung von vaskulären Pathologien. Führen Sie CT als dynamischen Scan über das gesamte Modell durch, um den Zufluss von Kontrastmitteln zu visualisieren. 100 Milliliter von einem bis 10 verdünnten jodhaltigen Kontrastmittel mit einer Geschwindigkeit von vier Millilitern pro Sekunde in das Reservoir des Modells injizieren.

Starten Sie den Scan mit Bolus-Triggerung in der führenden Röhre mit einer Schwelle von 100 Hounsfield-Einheiten in einer Verzögerung von vier Sekunden. Um eine Sonographie durchzuführen, legen Sie eine kleine Menge Ultraschallgel auf den Agarblock, um Artefakte zu reduzieren. Starten Sie die Pumpe und verwenden Sie den Ultraschallkopf, um die anatomische Struktur von Interesse zu lokalisieren.

Verwenden Sie den 2D-Echomodus, um die Bewegung des Prospekts sowie das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils zu bewerten. Verwenden Sie Farbdoppler, um den Blutfluss über die Klappe zu bewerten, und spektralen Doppler, um die Strömungsgeschwindigkeit nach der Herzklappe zu quantifizieren. Setzen Sie einen Zugangsanschluss direkt unter dem 3D-Modell in das PVC-Rohr ein, um einen leichteren Zugang zur Anatomie mit einem Herzkatheter oder Führungsdraht zu ermöglichen.

Überprüfen Sie nach dem Starten der Durchflussschleife am Eingangspunkt des Hafens auf Leckagen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Zweikomponentenkleber, um die Öffnung abzudichten. Legen Sie das 3D-Modell auf den Patiententisch unter den C-Armen des Röntgengeräts.

Verwenden Sie Röntgenbildgebung, um den Katheter und die Drähte durch die anatomische Struktur zu führen. Verwenden Sie für die 4D-MRT einen 1,5-Tesla-Scanner und stellen Sie sicher, dass das Erfassungsprotokoll aus einem kontrastfreien MRA in der 4D-Flow-Sequenz besteht. Erfassen Sie einen isotropen Datensatz mit 25 Phasen in einer Scheibendicke von 1,2 Millimetern.

Stellen Sie die Geschwindigkeitscodierung auf 100 Zentimeter pro Sekunde ein. Führen Sie die 4D-Strömungsbildanalyse mit einer handelsüblichen Software durch. Importieren Sie zunächst den 4D-MRT-Datensatz, indem Sie ihn vom Flash-Laufwerk auswählen, und führen Sie dann eine halbautomatische Offsetkorrektur und Korrektur des Aliasing durch, um die Bildqualität zu verbessern.

Die Mittellinie des Schiffes wird automatisch verfolgt und die Software extrahiert das 3D-Volumen. Führen Sie abschließend eine quantitative Analyse der Strömungsparameter durch, indem Sie auf die einzelnen Registerkarten im Analysefenster klicken. Strömungsvisualisierung, Pfadlinienvisualisierung und Strömungsvektor können ohne weitere Eingabe visualisiert werden.

Um die Druck- und Wandscherspannung auf der Registerkarte "Repräsentativ" zu quantifizieren, platzieren Sie zwei Ebenen, indem Sie auf die Schaltfläche Ebene hinzufügen klicken. Bewegen Sie die Ebenen zum ROI, indem Sie sie entlang der Mittellinie ziehen, sodass eine Ebene am Anfang des ROI und eine am Ende platziert wird. Der Druckabfall über den ROI und die Wandscherspannung wird im Diagramm neben dem 3D-Modell visualisiert und quantifiziert.

Die vorgestellten 3D-gedruckten Modelle bieten vielfältige Möglichkeiten in der CT-Bildgebung. Das druckte Material kann leicht von dem umgebenden Agar und möglichen metallischen Implantaten unterschieden werden. Daher ist die Verwendung eines Kontrastmittels in der Regel nicht erforderlich, außer zur Erzeugung dynamischer Bildgebungssequenzen.

Bei der Ultraschallbildgebung ist es möglich, zwischen der Wand des Modells, dem umgebenden Agar und dünnen dynamischen Objekten wie Herzklappenblättchen zu unterscheiden. Die Agarschicht auf dem Modell liefert während des Scanvorgangs ein realistisches haptisches Feedback. Die Strömungsanalyse innerhalb der Strömungsschleife bietet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten und präinterventioneller Bildgebung.

Die 4D-MRT-Sequenz ermöglicht die Visualisierung von Flüssigkeitsströmungen, Turbulenzen und Wandscherspannungen innerhalb des 3D-gedruckten Modells, wodurch Strömungsmuster nach künstlichen Herzklappen analysiert werden können. Dieser Workflow kann zu Trainings- oder Planungszwecken auf verschiedene interventionelle medizinische Verfahren übertragen werden. Die Technik ermöglicht eine genauere in vitro Untersuchung des Fließverhaltens in großen Herz-Kreislauf-Gefäßen und bietet großes Potenzial für eine individualisierte Therapieplanung.