Erstellung patientenspezifischer Silikon-Herzmodelle mit Anwendungen in präoperativen Plänen und Hands-on-Training
10. Februar 2022
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.
Komplexe angeborene Herzfehler sind ein schwieriges 3D-Problem. Bestehende 3D-Drucktechnologien können die Eigenschaften des Myokardgewebes nicht genau replizieren. Dieses Protokoll erstellt Modelle für ein high-fidelity chirurgisches Training.
Diese Technik erstellt kostengünstig patientenspezifische 3D-Modelle aus ihrer Bildgebung. Die Modellierung der inneren und äußeren Anatomie ihrer Organe ermöglicht es uns, unsere Patienten genau zu kennen und zu betreuen. Die Erstellung dieser Modelle in einem Material, das das anatomische Gewebe genau darstellt, ermöglicht es dieser Technik, auf jeden Verfahrenstrainer angewendet zu werden, der anatomieträchtig ist.
Öffnen Sie zunächst die STL-Datei des Myokardkoffermodells in einem CAD-Programm. Importieren Sie in Magics die STL-Dateien, die durch den zweiten Import generiert wurden. Wählen Sie im Projektverwaltungsfenster die transparente Option des Modellrenderings aus.
Verwenden Sie die linke und rechte Maustaste, um das Rotations- und Schwenkwerkzeug zu steuern, um die Ansicht der Myokardbasis anzupassen, indem Sie den Scheitelpunkt des Herzens nach unten und den Aortenbogen horizontal zeigen. Um das überschüssige Myokardgehäusematerial aus dem Modell zu trimmen, gehen Sie zu Werkzeuge, wählen Sie Ausschneiden und Polylinie angeben, wählen Sie dann Interessante Punkte aus und klicken Sie auf Anwenden. Schneiden Sie den Myokardkoffer in ähnlicher Weise in mehrere Teile.
Gehen Sie zu schneiden, wählen Sie Polylinie angeben und wählen Sie dann Sehenswürdigkeiten aus, um einen horizontalen Schnitt durch die Aorta zu machen, die den Myokardfall in eine untere Hälfte teilt, die die Spitze und die obere Hälfte enthält, sowie um zwei vertikale Schnitte entlang des breitesten Abschnitts der unteren Hälfte und oberen Hälfte des Myokardgehäuses vorzunehmen. Und klicken Sie abschließend auf Übernehmen. Um eine korrekte Ausrichtung während der Montage sicherzustellen, erstellen Sie mit einem Prop-Generierungswerkzeug und einem Booleschen Subtraktionswerkzeug mit einem Abstandswert von 0,25 Millimetern passende Requisiten und Prop-Hohlräume und fügen Sie sie den Myokardkofferstücken hinzu, indem Sie auf Props hinzufügen klicken.
Geben Sie die Position im Modell an, und klicken Sie dann auf Anwenden. Erzeugen Sie in einem der oberen halben Stücke des Myokardgehäuses ein Silikonfüllloch mit einem Durchmesser von einem Zentimeter und überprüfen Sie die Lochplatzierung mit einem SME. Wählen Sie Prüfdiagnose, um die Diagnose aller Gehäuseteile einzeln zu überprüfen, um Fehler wie invertierte Normale, schlechte Kanten, schlechte Konturen, nahezu schlechte Kanten, planare Löcher oder Schalen in den Myokardgehäuseteilen zu finden.
Wenn ein Fehler erkannt wird, klicken Sie auf Automatisch auflösen, um ihn zu reparieren. Alternativ können Fehler manuell oder mit einem Reparaturwerkzeug oder Assistenten behoben werden. Wenn Fehler nicht mit der alternativen Option behoben werden können, beheben Sie die Fehler mit einem Schrumpffolienwerkzeug.
Klicken Sie auf Fix, wählen Sie Schrumpffolie und folgen Sie dem Dialogfeld, um das Schrumpffolien-Probenintervall und die Lückenfüllwerte nach Bedarf anzupassen, um die Fehler auf dem spezifischen Stück zu korrigieren, ohne die Physiologie bei der SME-Überprüfung zu ändern. Anschließend speichern oder exportieren Sie die einzelnen Myokardkofferstücke als STL-Dateien. Öffnen Sie das Myokardgehäuse und die Blutpoolmodelle in der entsprechenden Slicer-Software, um 3D-Druckdateien zu erstellen.
Fügen Sie allen Teilen manuell 3D-Druckstützen hinzu oder verwenden Sie ein automatisches Tool zur Generierung von Unterstützung, das in der Software bereitgestellt wird, falls verfügbar. Schneiden Sie die Modelle, um G-Code für die Verwendung auf dem 3D-Drucker mit den im Textmanuskript beschriebenen Parametern zu generieren, und speichern oder exportieren Sie den G-Code. Laden Sie die Druckdatei auf den 3D-Drucker hoch.
Nachdem Sie sichergestellt haben, dass das richtige Filament in den 3D-Drucker geladen wurde, beginnen Sie mit dem Drucken. Wenn der Druck abgeschlossen ist, verwenden Sie die Nadelzange und die Pinzette, um das gesamte Trägermaterial von den gedruckten Teilen zu entfernen. 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 an den Werkzeugteilen des Gehäuses vor, indem Sie ein Hand-Rotationsschleifwerkzeug verwenden, um Material zu entfernen. Als nächstes glätten Sie die Oberfläche des Myokardgehäuses mit Acetondampf. Um dies zu tun, kleiden Sie den Boden und die Seiten eines Behälters mit Papiertüchern aus, die nicht von Aceton beeinflusst werden.
Gießen Sie das Aceton auf das untere Papiertuch und lassen Sie es die Papiertücher an die Seite des Behälters verteilen, aber keinen Pool auf dem Boden bilden. Legen Sie ein Stück Aluminiumfolie in den Behälter, um das untere Papiertuch abzudecken. Richten Sie die Myokardkofferstücke auf die Aluminiumfolie aus, so dass die gewünschten Flächen vertikal sind, um sicherzustellen, dass sich die Stücke nicht berühren oder die Papiertücher an den Wänden des Behälters.
Decken Sie den Behälter mit Aluminiumfolie ab und lassen Sie die Myokardkofferstücke ungestört im Behälter bleiben, bis bis zu 80% der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit erreicht sind. Sobald die Oberfläche glatt ist, entfernen Sie vorsichtig die Myokardkofferstücke aus dem Behälter, berühren Sie nur die äußeren Oberflächen und lassen Sie die Stücke in einem gut belüfteten Bereich für etwa 30 Minuten vollständig entgasen oder bis die Stücke vollständig trocken und hart werden. Messen Sie das Volumen der Myokardsegmentierung mit CAD-Software, um die benötigte Silikonmenge zu bestimmen.
Teil A und Teil B des Silikons gründlich rühren. Wenn Farbe auf dem Modell gewünscht wird, fügen Sie Pigment hinzu und mischen Sie alle Teile und Pigmente gründlich, dann legen Sie ein gründlich gemischtes Silikon in eine Vakuumkammer für zwei bis drei Minuten bei 29 Zoll Quecksilber. Wenn diese Silikonmischung vollständig entgast ist, entfernen Sie sie aus der Kammer und tauchen Sie den Blutpool in die Silikonmischung ein, um sicherzustellen, dass alle Hohlräume und Hohlräume im Blutpool mit Silikon gefüllt werden und der Blutpool gründlich beschichtet wird.
Besprühen Sie in einem gut belüfteten Bereich alle Teile des Myokardgehäuses gründlich mit einem leicht freisetzenden Produkt. Setzen Sie die untere Hälfte des Myokardgehäuses um die Spitze des Blutpools zusammen. Im Falle einer Leckage versiegeln Sie das Leck mit Klemmen, Heißkleber oder Ton.
Als nächstes gießen Sie Silikon in den Raum zwischen dem Blutpool und der Gehäusewand, bis die zusammengesetzten Myokardformteile gefüllt sind. Nachdem Sie die restlichen Teile des Myokardkoffers zusammengebaut haben, sichern Sie die Kofferteile bei Bedarf mit Gummibändern und Klemmen fest. Wenn das Silikon erstarrt ist, entfernen Sie das Silikonherz aus dem Myokardgehäuse und schneiden Sie alle Silikonnähte ab, die aus dem Raum zwischen den Gehäusestücken oder dem Füllloch entstehen.
Nachdem Sie alle Blutgefäße mit offenen Enden auf dem Silikonmodell identifiziert haben, schneiden Sie jedes Silikon, das die Gefäße bedeckt, um den ABS-Blutpool im Inneren freizulegen. Tauchen Sie das Silikonherz in Aceton und ABS beginnt 10 bis 15 Minuten nach dem Eintauchen in Aceton weich zu werden. Sobald das ABS weich ist, entfernen Sie große ABS-Stücke mit einer Pinzette, um die Geschwindigkeit des ABS-Auflösungsprozesses zu erhöhen.
Wenn sich der größte Teil des ABS-Blutpools aufgelöst hat, spülen Sie das Silikonherz zwei- bis dreimal mit sauberem Aceton aus, um das gesamte ABS aus dem Silikon zu entfernen. Entfernen Sie das Herzmodell aus dem Aceton und lassen Sie das verbleibende Aceton in einem gut belüfteten Bereich aus dem Modell verdunsten. Zur Beurteilung der Genauigkeit und Funktionalität des Silikonmodells wurden zwei Schnitte vorgenommen, einer im vorderen linken Ventrikel und der andere im hinteren rechten Ventrikel, um die innere Anatomie zu visualisieren.
Der erwartete Ventrikelseptumdefekt war ebenso vorhanden wie die entsprechenden Innenstrukturen und ein GORE-TEX Patch wurde von einem angeborenen Herzchirurgen in das Modell eingenäht, um den Ventrikelseptumdefekt zu korrigieren. Die Konstruktion der Form ist entscheidend. Stellen Sie sicher, dass Sie die Form in so viele Stücke schneiden, wie Sie benötigen, um um den Blutpool zu passen.
Diese Technik ermöglicht die Erstellung komplizierter patientenspezifischer Silikonmodelle. Wir sind nicht mehr durch die Einschränkungen des 3D-Druckmaterials eingeschränkt. Vielmehr sind wir in der Lage, jede Nachfrage nach komplexen chirurgischen Trainern zu erfüllen.
Übersicht
Dieser Artikel stellt ein Protokoll zur Erstellung patientenspezifischer silikonbasierter Herzmodelle vor, die das chirurgische Training verbessern. Durch die Kombination von 3D-Druck mit Silikonmaterialien zielen die Modelle darauf ab, die haptischen Eigenschaften des Myokardgewebes genauer wiederzugeben als herkömmliche Methoden.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Kardiochirurgie
- 3D-Drucktechnologie
- Medizinische Modellierung
Hintergrund
- Komplexe angeborene Herzfehler stellen erhebliche Herausforderungen bei der chirurgischen Planung dar.
- Aktuelle 3D-Drucktechnologien bilden die Eigenschaften des Myokardgewebes nicht ausreichend nach.
- Patientenspezifische Modelle können die chirurgischen Ergebnisse und die Ausbildung verbessern.
- Das Verständnis der Anatomie durch Modellierung trägt zur Verbesserung der Patientenversorgung bei.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer kosteneffizienten Methode zur Herstellung hochpräziser chirurgischer Trainingsmodelle.
- Verbesserung der anatomischen Genauigkeit in chirurgischen Simulationen.
- Bessere Vorbereitung auf komplexe kardiale Eingriffe ermöglichen.
Verwendete Methoden
- Nutzung von CAD-Software zur Bearbeitung von STL-Dateien für die Modellerstellung.
- 3D-Druck von myokardialen Fallmodellen mit Silikonfüllung.
- Zusammenbau der Modelle zur Sicherstellung anatomischer Genauigkeit und Funktionalität.
- Oberflächenveredelungstechniken zur Verbesserung der Modelltreue.
Hauptergebnisse
- Erfolgreiche Herstellung von silikonbasierten Herzmodellen, die Gewebeeigenschaften genau nachahmen.
- Berichtete Verbesserungen der chirurgischen Ausbildungsergebnisse durch Anwender.
- Die Modelle zeigten eine effektive anatomische Darstellung für verschiedene kardiale Eingriffe.
- Kostengünstige Herstellungsverfahren wurden für eine breite Anwendung etabliert.
Schlussfolgerungen
- Patientenspezifische Silikonmodelle verbessern die chirurgische Ausbildung erheblich.
- Das Protokoll kann für verschiedene chirurgische Anwendungen über die Kardiologie hinaus angepasst werden.
- Zukünftige Studien könnten weitere Verbesserungen hinsichtlich der Modelltreue und Benutzerfreundlichkeit untersuchen.
Häufig gestellte Fragen
Ausführliche Bedeutung für die Industrie
Patientenspezifische silikonbasierte Herzmodelle schließen eine entscheidende Lücke in der chirurgischen Ausbildung, indem sie die Eigenschaften des Myokardgewebes genauer wiedergeben als herkömmliche 3D-gedruckte Modelle. Dieser Ansatz ermöglicht eine realistische präoperative Planung und praktische Schulung bei der Korrektur komplexer angeborener Herzfehler, wodurch das Prozedurrisiko verringert und die chirurgische Vorbereitung verbessert wird. Die Methode gewährleistet eine translationale Kontinuität von der Bildgebung bis zur funktionellen Modellvalidierung und erhöht so das Vorhersagevertrauen hinsichtlich chirurgischer Ergebnisse.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die funktionelle Validierung anatomischer Hypothesen in patientenspezifischen Herzstrukturen.
- Operativer Wert: Bietet greifbare Modelle zur mechanistischen Risikominimierung chirurgischer Eingriffe vor der klinischen Anwendung.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt standardisierte, reproduzierbare physische Modelle für eine konsistente Bewertung chirurgischer Techniken.
- Operationaler Wert: Unterstützt eine assayähnliche Bereitschaft, indem wiederholte Tests von Patch-Platzierungs- und Nahttechniken ermöglicht werden.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Verbindet bildgebende Segmentierung mit der Validierung physikalischer Modelle für die präoperative Planung.
- Operativer Wert: Ermöglicht risikoadjustierte Fortschrittsentscheidungen, indem Chirurgen an patientenspezifischen Replikaten üben und Techniken verfeinern können.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess, indem sie bildgebende Patientendaten in funktionale Trainingsmodelle umwandelt, die die Identifizierung von Leitstrukturen bei der Prüfung chirurgischer Geräte sowie die präklinische Validierung von Reparaturstrategien unterstützen.
- Entdeckungsbiologie: Ermöglicht die Hypothesenprüfung hinsichtlich Defektgeometrie und Reparaturdurchführbarkeit durch manuelle Bearbeitung physischer Modelle.
- Screening: Bietet quantitative Aussagekraft durch auflösbare Blutpool-Modelle, die die Beurteilung des inneren Defektzugangs und der Flickenintegration ermöglichen.
- Analytik: Liefert messbare Ergebnisse wie Defektvolumen und Gewebsverformung unter Nahtbelastung für vergleichende Analysen.
- Translationale Forschung: Stellt die Kontinuität von der virtuellen Segmentierung zum physischen Modell sicher und validiert die anatomische Genauigkeit vor chirurgischer Anwendung.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen wiederverwendbaren Workflow zur Erstellung patientenspezifischer chirurgischer Trainingsmodelle für angeborene und erworbene Herzerkrankungen.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verbessert die Vorhersagesicherheit, indem native Gewebehaptik nachgebildet wird, wodurch Unsicherheiten bei der Vorhersage chirurgischer Ergebnisse verringert werden.
- Operativer Wert: Steigert die Standardisierung und Skalierbarkeit durch auflösbare Formtechniken und reproduzierbares Silikonabgussverfahren.
- Strategischer Wert: Erhöht die Kapitaleffizienz, indem kostengünstiges, hochpräzises Training ermöglicht wird, das die Abhängigkeit von Tierversuchen oder Leichenmaterial verringert.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt risikoadjustierte Go/No-Go-Entscheidungen für die Einführung chirurgischer Geräte, indem deren Wirksamkeit in patientenspezifischen präoperativen Simulationen nachgewiesen wird.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in CAD-Modellierung, 3D-Druck und Umgang mit Silikonmaterialien.
- Setzt Zugang zu 3D-Druckern voraus, die in der Lage sind, lösbares ABS zu drucken, sowie Zugang zu Nachbearbeitungswerkzeugen wie Dampfglättungskammern.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Teams hinweg – Radiologie, biomedizinische Technik und chirurgische Teams – bezüglich Segmentierung und Modellvalidierung.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen hinsichtlich unterschiedlicher Defektkomplexitäten und der Modellskalierung von pädiatrischen bis hin zu erwachsenen Anatomien.
- Eingeschränkt durch den Bedarf an manuellen Nachbearbeitungsschritten wie dem Entfernen von Stützstrukturen, der Glättung mit Aceton-Dampf und dem Entgasen des Silikons, um die Genauigkeit und Sicherheit des Modells sicherzustellen.
