Summary
Aquí presentamos el desarrollo de una configuración de circulación simulada para la evaluación de la terapia multimodal, la planificación preintertencial y la capacitación médica en anatomías cardiovasculares. Con la aplicación de exploraciones tomográficas específicas del paciente, esta configuración es ideal para enfoques terapéuticos, capacitación y educación en medicina individualizada.
Abstract
Las intervenciones basadas en catéteres son opciones de tratamiento estándar para las patologías cardiovasculares. Por lo tanto, los modelos específicos del paciente podrían ayudar a capacitar las habilidades de los médicos, así como a mejorar la planificación de los procedimientos de intervención. El objetivo de este estudio fue desarrollar un proceso de fabricación de modelos impresos en 3D específicos del paciente para intervenciones cardiovasculares.
Para crear un fantasma elástico impreso en 3D, se compararon diferentes materiales de impresión 3D con tejidos biológicos porcinos (es decir, tejido aórtico) en términos de características mecánicas. Se seleccionó un material de ajuste basado en pruebas comparativas de tracción y se definieron espesores de material específicos. Los conjuntos de datos de CT con contraste anonimizado se recopilaron retrospectivamente. Se extrajeron modelos volumétricos específicos del paciente de estos conjuntos de datos y posteriormente se imprimieron en 3D. Se construyó un bucle de flujo pulsátil para simular el flujo sanguíneo intraluminal durante las intervenciones. La idoneidad de los modelos para la obtención de imágenes clínicas se evaluó mediante imágenes de rayos X, TC, 4D-MRI y ecografía (Doppler). Se utilizó un medio de contraste para mejorar la visibilidad en las imágenes basadas en rayos X. Se aplicaron diferentes técnicas de cateterismo para evaluar los fantasmas impresos en 3D en la formación de los médicos, así como para la planificación de la terapia preintervencial.
Los modelos impresos mostraron una alta resolución de impresión (~ 30 μm) y las propiedades mecánicas del material elegido fueron comparables a la biomecánica fisiológica. Los modelos físicos y digitales mostraron una alta precisión anatómica en comparación con el conjunto de datos radiológicos subyacentes. Los modelos impresos eran adecuados para imágenes ultrasónicas, así como para radiografías estándar. La ecografía Doppler y la resonancia magnética 4D mostraron patrones de flujo y características históricas (es decir, turbulencia, tensión de cizallamiento de pared) que coinciden con los datos nativos. En un entorno de laboratorio basado en catéter, los fantasmas específicos del paciente fueron fáciles de cateterizar. La planificación de la terapia y el entrenamiento de los procedimientos de intervención en anatomías desafiantes (por ejemplo, enfermedad cardíaca congénita [CHD]) fueron posibles.
Se imprimieron en 3D fantasmas cardiovasculares flexibles específicos del paciente, y fue posible la aplicación de técnicas comunes de imágenes clínicas. Este nuevo proceso es ideal como herramienta de capacitación para intervenciones basadas en catéteres (electrofisiológicos) y se puede utilizar en la planificación de terapias específicas del paciente.
Introduction
Las terapias individualizadas están ganando cada vez más importancia en la práctica clínica moderna. Esencialmente, se pueden clasificar en dos grupos: enfoques genéticos y morfológicos. Para las terapias individualizadas basadas en ADN personal único, es necesaria la secuenciación del genoma o la cuantificación de los niveles de expresióngénica 1. Se pueden encontrar estos métodos en oncología, por ejemplo, o en el tratamiento de trastornos metabólicos2. La morfología única (es decir, la anatomía) de cada individuo juega un papel importante en la medicina intervencionista, quirúrgica y protésica. El desarrollo de prótesis individualizadas y la planificación de la terapia pre-intervencionista/operatoria representan focos centrales de los grupos de investigación de hoy3,4,5.
Procedente de la producción de prototipos industriales, la impresión 3D es ideal para este campo de la medicina personalizada6. La impresión 3D se clasifica como un método de fabricación aditiva y normalmente se basa en una deposición de material capa por capa. Hoy en día, una amplia variedad de impresoras 3D con diferentes técnicas de impresión está disponible, lo que permite el procesamiento de materiales poliméricos, biológicos o metálicos. Debido al aumento de las velocidades de impresión, así como a la continua disponibilidad generalizada de impresoras 3D, los costos de fabricación son cada vez menos costosos. Por lo tanto, el uso de la impresión 3D para la planificación pre-intervencionista en las rutinas diarias se ha vuelto económicamente factible7.
El objetivo de este estudio fue establecer un método para generar fantasmas específicos del paciente o de la enfermedad, utilizables en la planificación de terapias individualizadas en medicina cardiovascular. Estos fantasmas deben ser compatibles con métodos de imagen comunes, así como para diferentes enfoques terapéuticos. Otro objetivo fue el uso de las anatomías individualizadas como modelos de entrenamiento para los médicos.
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Protocol
La aprobación ética fue considerada por el comité ético de la Ludwig-Maximilians-Universität München y fue eximida dado que los conjuntos de datos radiológicos utilizados en este estudio fueron recopilados retrospectivamente y totalmente anonimizados.
Consulte las pautas de seguridad de mri del instituto, especialmente con respecto al ventrículo LVAD usado y los componentes metálicos del bucle de flujo.
1. Adquisición de datos
- Antes de crear los fantasmas anatómicos, seleccione un conjunto de datos radiológicos adecuado, preferiblemente de pacientes en disciplinas cardiovasculares. El modelo 3D virtual se puede derivar de conjuntos de datos de tomografía computarizada (TC) o imágenes de resonancia magnética (IRM).
- Seleccione el tamaño de píxel y el grosor de división (ST) del conjunto de datos para adaptarlo al tamaño de las estructuras que se pretende representar en el modelo 3D. Este experimento utilizó un ST de 0,6 mm con un tamaño de matriz de 512 x 512 y un campo de visión de 500 mm que conduce a un tamaño de píxel de 0,98 mm. Asegúrese de que el valor tanto del tamaño de píxel como del ST debe estar por debajo del tamaño de la característica más pequeña que debe ser visible en las imágenes y el modelo 3D, por ejemplo, <0,3 mm para conjuntos de datos de bebés o representación de coronarias, <0,6 mm para las principales estructuras cardiovasculares de un paciente adulto.
- Realizar la adquisición estándar para angiografía por TC (CTA) en técnica de espiral de doble fuente con un ST de 0,6 mm para pacientes adultos. Para los adultos, inyecte 80 ml de agente de contraste de yodo a una velocidad de 4 ml / s y comience la adquisición 11 s después del seguimiento del bolo en la aorta ascendente en un umbral de 100 HU. El voltaje del tubo y la corriente del tubo son seleccionados automáticamente por el escáner de acuerdo con el tipo de cuerpo del paciente. Realizar la reconstrucción en un núcleo de tejido blando utilizando un alto grado de reconstrucción iterativa.
NOTA: Los parámetros y protocolos de adquisición de CTA dependen en gran medida del escáner de TC disponible, el tamaño del paciente y la circunferencia del paciente. Los parámetros presentados se basan en la experiencia y deben tomarse como un punto de partida para el ajuste en lugar de un requisito fijo. - Para la angiografía por RMN (ARM), realice una ARM sin contraste (no CE) utilizando una secuencia modificada interna que utiliza una forma de onda de gradiente totalmente equilibrada, utilizando ECG y activación respiratoria (TE 3.59, TR 407.40, tamaño de matriz 224x224). Logre una adquisición acelerada de datos de resonancia magnética mediante el uso de detección comprimida que combina imágenes paralelas, muestreo disperso y reconstrucción iterativa. Como ejemplo, los tiempos de adquisición de aproximadamente 5 minutos para la aorta torácica son posibles.
NOTA: Asegúrese de seleccionar un conjunto de datos que esté libre de artefactos de movimiento. Para reducir los artefactos de movimiento, realice la adquisición de imágenes utilizando la activación prospectiva del ECG y la activación respiratoria adicional para la ARM no CE. Además, al seleccionar un modelo para uso general, asegúrese de que no haya implantes metálicos, ya que esto puede mejorar la calidad del modelo terminado. - Para la segmentación e impresión 3D de anatomías cardiovasculares, utilice conjuntos de datos con contraste mejorado. El uso de conjuntos de datos cardiovasculares nativos dificulta la separación de estructuras anatómicas huecas (por ejemplo, vasos o ventrículo) de la sangre, debido a valores comparables de Hounsfield de aproximadamente 30 HU8.
NOTA: Un gradiente de valor de Hounsfield más alto entre el volumen sanguíneo y el tejido blando circundante permitirá una separación más fácil en el proceso de segmentación. Si el gradiente es muy pequeño, partes del tejido blando se mostrarán como parte del volumen de sangre, lo que resultará en una mala calidad del modelo y un procesamiento posterior adicional. - Al exportar el conjunto de datos, asegúrese de seleccionar un grosor de corte razonablemente bajo (aproximadamente 0.3 - 0.6 mm para CTA y 0.8 - 1.0 mm para MRA), ya que la resolución y la calidad de la superficie del modelo impreso dependen en gran medida de este parámetro.
NOTA: Si el grosor de la rebanada es demasiado delgado, la potencia de cálculo requerida para el modelado aumentará sustancialmente, lo que ralentiza el proceso en consecuencia. Por otro lado, el grosor excesivo de la rebanada puede resultar en la pérdida de pequeños detalles en la anatomía de los pacientes.
2.3D-model
NOTA: La creación de un modelo 3D a partir de un conjunto de datos radiológicos se denomina proceso de segmentación y se requiere un software especial. La segmentación de imágenes médicas se basa en unidades de Hounsfield, para formar modelos tridimensionales9. Este estudio utiliza un software de segmentación comercial y modelado 3D (ver Tabla de Materiales),pero se pueden lograr resultados similares utilizando el software gratuito disponible. Se describirán los siguientes pasos para el modelado a partir de un conjunto de datos de TC con contraste mejorado.
- Después de importar el conjunto de datos en el software de segmentación, recorte el conjunto de datos para limitar el área de interés, es decir, el corazón y el arco aórtico. Esto se logró seleccionando la herramienta Recortar imágenes y moviendo los bordes del ROI haciendo clic y moviendo los lados del marco. Esto se puede hacer en las tres orientaciones. Por lo tanto, se obtiene un enfoque en el ROI, junto con una disminución del tamaño del archivo, lo que permite una mayor velocidad de cómputo, lo que lleva a una reducción del tiempo de trabajo general.
- Defina un rango de valores unitarios de Hounsfield (aprox. 200-800 HU) abriendo la herramienta Umbral, lo que resulta en una máscara combinada del volumen sanguíneo y las estructuras óseas mejoradas con contraste(Figura 1A,por ejemplo, esternón, partes de la caja torácica y columna vertebral).
- Elimine todas las partes óseas que no sean deseables en el modelo 3D final mediante el uso de la herramienta Máscara dividida que permite el marcado y la separación de múltiples áreas y cortes generales, según los valores y la ubicación de Hounsfield.
- Después de esta separación, asegúrese de que permanezca una máscara que contenga el volumen de sangre con contraste. Esto se puede hacer, desplazándose a través de los planos coronal y axial y haciendo coincidir la máscara creada con el conjunto de datos subyacente. A partir de esta máscara, calcule un modelo de superficie de polígono 3D renderizado (el llamado STL) (Figura 1B).
NOTA: Los nombres de las herramientas pueden diferir en otros programas de segmentación. - Para una mayor adaptación y manipulación, transfiera el modelo 3D a un software de modelado 3D (consulte la Tabla de materiales). Para exportar el modelo 3D, haga clic en Exportar-Herramienta y seleccione el software de modelado 3D, o un formato de datos adecuado para el archivo exportado. Posteriormente, confirme su selección y se realizará el proceso de exportación.
- Use la herramienta Recortar para recortar el volumen de sangre al área específica de interés (por ejemplo, extirpar partes de la aorta o algunas de las cavidades del corazón). Haga clic en la herramienta y dibuje un contorno alrededor de las partes que necesitan ser retiradas.
NOTA: Dependiendo de la calidad del conjunto de datos y la precisión de la segmentación, es posible que se requieran algunas reparaciones y modificaciones menores de la superficie en este punto. Otras operaciones de diseño permiten la manipulación de modelos específicos del paciente de acuerdo con el propósito de uso, por ejemplo, en el entrenamiento. Algunos ejemplos de ingeniería, de acuerdo con la anatomía de los pacientes, incluyen escalar todo el modelo o estructuras individuales, para crear o eliminar conexiones, combinando partes de diferentes modelos en uno. Tales características son particularmente interesantes para entrenar modelos con anomalías congénitas, ya que las imágenes de TC y MRI son raras en pediatría, donde la minimización de la radiación y la sedación es clave. Por lo tanto, la adaptación y modificación de los modelos existentes es especialmente útil para la impresión 3D de modelos de defectos cardíacos congénitos. - Haga clic en la herramienta Suavizado local para ajustar la superficie del modelo segmentado de forma manual y local. Concéntrese en eliminar las formas de polígonos rugosos, los picos individuales y los bordes ásperos creados por las operaciones de recorte anteriores.
- Para permitir la conexión posterior del modelo a un bucle de flujo, incluya piezas tubulares con diámetros definidos ajustados a los conectores de manguera y diámetros de tubo disponibles (Figura 1C). Por lo tanto, coloque un plano de referencia paralelo a la sección transversal de apertura de los vasos a una distancia de aproximadamente 10 mm.
- Para colocar el plano, seleccione la herramienta Crear plano de referencia y utilice el plano de 3 puntospreestablecido . A continuación, haga clic en tres puntos igualmente espaciados en la sección transversal de los buques para crear el avión. Después, ingrese un desplazamiento de 10 mm en la ventana de comandos y confirme la operación.
- Seleccione la herramienta Nuevo esbozo en el menú y elija el plano de referencia creado previamente como ubicación del esbozo. En el boceto, coloque un círculo aproximadamente en la línea central del recipiente y establezca la restricción de radio para que coincida con el diámetro exterior del conector de la manguera (24 mm para la entrada aórtica, 8-10 mm para los vasos subclavia, carotídeo y renal, y 16-20 mm para la abertura distal del vaso).
- A partir del boceto creado, utilice la herramienta Extrusión para crear un cilindro con una longitud de 10 mm. Oriente la extrusión para que se aleje de la abertura del recipiente, para crear una distancia entre el cilindro y la sección transversal del recipiente de 10 mm. A continuación, utilice la herramienta Loft para crear una conexión entre la terminación del recipiente y el cilindro definido geométricamente. En este punto, asegure una transición suave entre las dos secciones transversales, evitando así turbulencias y áreas de bajo flujo en el modelo de flujo 3D final(Figura 1D).
NOTA: Siguiendo estos pasos, se creará un modelo 3D del volumen sanguíneo de la aorta y las arterias adherentes. Además, incluirá los conectores necesarios para conectarlo posteriormente a un bucle de flujo. - Para hacer un espacio de sangre hueco, use la herramienta Hollow en el software. En la ventana de comandos, ingrese el grosor de pared requerido (en este experimento: 2.5 mm) Además, la dirección del proceso de vaciado debe establecerse en Exterior. Posteriormente, confirme la selección y se ejecutará el proceso de vaciado.
NOTA: Este paso permite la selección de un espesor de pared fijo para todo el modelo. Dado que el "hueco" crea un espesor de pared definido en todas las superficies, se producirá un modelo completamente cerrado. Por lo tanto, los extremos de todos los vasos deberán recortarse una vez más utilizando el paso descrito en el paso 2.6(Figura 1E). Cuando se utilizan materiales flexibles de impresión 3D, este paso es esencial para definir las propiedades biomecánicas finales del fantasma. Al aumentar el grosor de la pared del modelo, lógicamente se producirá una mayor resistencia y una menor elasticidad. Si no se conocen las propiedades mecánicas del tejido nativo y del material de impresión 3D, se deben realizar pruebas de tracción en este punto. Dado que el grosor de la pared es constante en todo el modelo, las propiedades mecánicas deseadas deben recrearse en la región de interés del modelo. - Algunos programas de procesamiento ofrecen un "Asistente" para garantizar la imprimibilidad del modelo final, lo cual es muy recomendable. Este paso de procesamiento opcional analizará la malla poligonal del modelo y marcará superposiciones, defectos y objetos pequeños, que no están conectados al modelo. Por lo general, el asistente ofrece soluciones para eliminar los problemas encontrados, lo que resulta en un modelo 3D imprimible(Figura 1F).
- Exporte el modelo final como archivo .stl seleccionando la opción Exportar en la ficha Archivo.
NOTA: Para confirmar la precisión del modelo 3D diseñado, algunos programas permiten la superposición del contorno final del STL y el conjunto de datos radiológicos subyacente. Esto permite una comparación visual del modelo 3D con la anatomía nativa. Además, se debe seleccionar una impresora con una resolución espacial adecuada de < 40 μm, para permitir una impresión precisa del modelo digital.
3.3D impresión y configuración del bucle de flujo
- Cargue el archivo .stl en una impresora 3D, utilizando el software de corte proporcionado por el fabricante, para producir un fantasma físico de la anatomía. Idealmente, se debe utilizar una altura de capa de impresión de ≤ 0,15 mm para garantizar una alta resolución y una buena calidad de impresión.
NOTA: Hay una amplia gama de materiales de impresión elástica e impresoras 3D adecuadas disponibles en el mercado. Se pueden utilizar diferentes configuraciones para imprimir los modelos digitales descritos anteriormente. Sin embargo, la resolución, el post-procesamiento y el comportamiento mecánico pueden diferir de los resultados presentados. - Después de cargar el archivo de impresión desde el software de corte a la impresora 3D, asegúrese de que la cantidad de material de impresión y material de soporte en los cartuchos de la impresora sea suficiente para el modelo 3D e inicie la impresión.
- Después del proceso de impresión, retire el material de soporte del modelo terminado. Primero, retire el material de soporte manualmente apretando suavemente el modelo, seguido de una inmersión en agua o un disolvente respectivo (dependiendo del material de soporte). Secar en una incubadora a 40 °C durante la noche.
NOTA: La extracción del material de soporte puede ser un paso que consume mucho tiempo, dependiendo de la complejidad del modelo anatómico. Si bien el uso de herramientas como espátulas, cucharas y sondas médicas puede disminuir ligeramente el tiempo de posprocesamiento, también aumenta el peligro de perforar la pared del modelo, haciéndolo inútil para las pruebas de fluidos. Cuando se utiliza la tecnología de impresión Polyjet, todo el modelo estará encerrado por un material de soporte. Esto es necesario para mantener el material del modelo sin curar en su lugar mientras se cura con luz UV. En los modelos tubulares huecos, esto conducirá a una demanda mucho mayor de material de soporte en comparación con el material del modelo real. El modelo presentado en la Figura 2 utiliza aproximadamente 200 g de material del modelo y 2.000 g de material de soporte. - A continuación, incrustó el modelo en 1% de agar. Esto reduce los artefactos de movimiento durante las imágenes clínicas del modelo. En segundo lugar, el agar ofrece una mejor retroalimentación háptica durante las imágenes ecográficas y una mejor retroalimentación de fuerza durante el cateterismo, en comparación con la inmersión en agua.
- Use una caja de plástico con márgenes laterales de al menos 2 cm alrededor del modelo. Perfore agujeros en las paredes de la caja para permitir que los tubos se conecten desde los recipientes a la bomba y al depósito.
- Prepare una solución de agar agregando un 1% p/v en agua y llevando a ebullición. Después de hervir y remover la mezcla, déjela enfriar durante 5 minutos y vierta en la caja para crear una cama de al menos 2 cm de altura, sobre la cual se colocará el modelo.
NOTA: Si el modelo se coloca directamente en la parte inferior de la caja, la pulsatilidad del fluido dentro del modelo creará un movimiento asimétrico hacia arriba.
- Mientras la cama de agar se establece, conecte el modelo a tubos de PVC no conformes, utilizando conectores de manguera comerciales en cada abertura. Se recomienda un diámetro de tubo de 3/8" para vasos grandes (por ejemplo, aorta) y/o estructuras anatómicas con flujo sanguíneo alto (por ejemplo, ventrículos). Para vasos más pequeños, un tubo de 1/8 "es suficiente. Use lazos de cremallera para fijar la conexión entre los conectores de la manguera y el modelo 3D y asegúrese de que no haya fugas de fluido.
- Guíe los tubos de PVC a través de los orificios perforados en la caja y luego coloque el modelo sobre la cama de agar establecida. Para evitar que el agar se escape de estos agujeros, use arcilla de modelado a prueba de calor para sellarlo. Posteriormente, llena la caja con agar, cubriendo el modelo añadiendo una capa de 2 cm en la parte superior y dejando durante una hora a temperatura ambiente para que el agar se enfríe completamente y se fije. Esto requerirá más de la mezcla de agar descrita en el paso 3.4.
NOTA: El agar una vez curado será utilizable durante aproximadamente una semana, si se refrigera. Una vez que se reduce visiblemente en volumen, debe ser reemplazado por un lote nuevo. - Conecte una bomba de ventrículo neumático pulsante al modelo utilizando el tubo de 3/8" conectado a la abertura proximal. Conecte los otros tubos al depósito y, posteriormente, conecte el depósito a la entrada de la bomba del ventrículo para crear un circuito de flujo cerrado. (Figura 2; por ejemplo, dispositivo de asistencia ventricular (VAD)-ventrículo). La bomba debe tener un volumen sistólico de 80 a 100 ml para garantizar un flujo fisiológico suficiente en anatomías adultas. Para las anatomías pediátricas, hay cámaras de bombeo más pequeñas disponibles.
- El ventrículo debe ser agitado por una bomba de pistón con un volumen sistólico de 120 - 150 ml, para tener en cuenta la compresión del aire en el sistema de tubos conectivos.
4. Imágenes clínicas
NOTA: Para prevenir artefactos en las imágenes clínicas, debe asegurarse de que no haya bolsas de aire en el circuito de fluidos.
- Imágenes por TC
- Para las imágenes por TC, coloque todo el bucle de flujo dentro del escáner de TC con la unidad de accionamiento de pie cerca. Conecte la bomba del agente de contraste directamente al depósito del bucle de flujo, de modo que se pueda simular la inundación del modelo con el agente de contraste durante el escaneo. Esto es especialmente útil para visualizar patologías vasculares.
- Realice la TC como una exploración dinámica en todo el modelo para visualizar la entrada del agente de contraste. El voltaje del tubo se establece en 100 kVp, la corriente del tubo en 400 mAs. La colimación es de 1,2 mm. Inyectar 100 mL de agente de contraste yodado diluido 1:10 en el depósito del modelo, a una velocidad de 4 mL/s. Comience la exploración utilizando la activación de bolo en el tubo principal, con un umbral de 100 HU y un retraso de 4 s.
- Sonografía
- Coloque una pequeña cantidad de gel ultrasónico en la parte superior del bloque de agar para reducir los artefactos. Inicie la bomba y use el cabezal ultrasónico para localizar la estructura anatómica de interés para las imágenes ultrasónicas (es decir, válvulas cardíacas). Utilice el modo de eco 2D para evaluar el movimiento de la valva, así como el comportamiento de apertura y cierre de la válvula. Use Doppler de color para evaluar el flujo sanguíneo a través de la válvula y Doppler espectral para cuantificar la velocidad de flujo después de la válvula cardíaca.
- Cateterismo/Intervenciones
- Inserte un puerto de acceso en el tubo de PVC directamente debajo del modelo 3D, para permitir un acceso más fácil de la anatomía con un catéter cardíaco o un cable guía. Después de iniciar el bucle de flujo, verifique si hay fugas en el punto de entrada del puerto. Si es necesario, use un adhesivo de dos componentes para sellar la abertura.
- Coloque el modelo 3D en la mesa del paciente debajo de los brazos C de la máquina de rayos X. Use imágenes de rayos X para guiar el catéter y los cables guía a través de la estructura anatómica. Para la dilatación del balón o la colocación del stent, use el modo de rayos X continuo para visualizar la expansión del dispositivo.
NOTA: El entrenamiento de cateterismo e intervención en modelos impresos en 3D permite el uso intercambiable de diferentes modelos anatómicos y patológicos. Esto aumenta aún más la variedad y el realismo del entorno de entrenamiento.
- 4D-MRI
- Utilice un escáner de 1,5 T para la adquisición de resonancia magnética y asegúrese de que el protocolo de adquisición consista en un ARM sin contraste mejorado como se describió anteriormente y la secuencia 4D-Flow. Para 4D-Flow adquirir un conjunto de datos isotrópicos con 25 fases y un espesor de rodaja de 1,2 mm (TE 2.300, TR 38.800, FA 7°, tamaño de matriz 298 x 298). Establezca la codificación de velocidad en 100 cm/s. Las mediciones in vitro se realizan utilizando ECG simulados y desencadenantes respiratorios.
- Para el análisis 4D-Flow, la caja con el modelo integrado y el ventrículo VAD se colocan en el escáner de resonancia magnética y se cubren con una bobina corporal de 18 canales. Con respecto al campo magnético del escáner de resonancia magnética, la unidad de accionamiento neumático debe colocarse fuera de la sala de escáneres; por lo tanto, generalmente se requiere un sistema de tubo conectivo más largo.
- Realice el análisis de imágenes 4D-Flow con un software disponible comercialmente. Primero, importe el conjunto de datos 4D-MRI seleccionándolo de la unidad flash. A continuación, realice la corrección de desplazamiento semiautomatizada y la corrección del aliasing para mejorar la calidad de la imagen. Posteriormente, la línea central del recipiente se rastrea automáticamente y el software extrae el volumen 3D.
- Finalmente, realice un análisis cuantitativo de los parámetros de flujo haciendo clic en las pestañas individuales en la ventana de análisis. La visualización de flujo, la visualización de la línea de ruta y el vector de flujo se visualizarán sin más entrada. Para la cuantificación de la presión y la tensión de cizallamiento de la pared en la pestaña respectiva, coloque dos planos haciendo clic en el botón Agregar plano. Los aviones se colocarán automáticamente perpendiculares a la línea central del buque.
- Mueva los planos al ROI arrastrándolos a lo largo de la línea central, de modo que se coloque un plano al principio del ROI y otro al final. En el diagrama junto al modelo 3D, se visualizará y cuantificará la caída de presión a través del ROI y la tensión de cizallamiento de la pared.
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Representative Results
Los resultados representativos descritos se centran en algunas estructuras cardiovasculares comúnmente utilizadas en entornos de planificación, entrenamiento o prueba. Estos fueron creados utilizando conjuntos de datos de CT isotrópicos con un ST de 1.0 mm y un tamaño de vóxel de 1.0 mm³. El espesor de la pared de los modelos de aneurisma aórtico se fijó en 2,5 mm cumpliendo con los resultados de las pruebas comparativas de tracción del material de impresión (resistencia a la tracción: 0,62 ± 0,01 N/mm2; Fmáx.:1. 55 ± 0,02 N; alargamiento: 9,01 ± 0,34 %) y muestras aórticas porcinas (ancho: 1 mm; Fmáx.:1,62 ± 0,83 N; alargamiento: 9,04 ± 2,76 %).
Los modelos presentados impresos en 3D ofrecen una amplia gama de posibilidades en imágenes por TC. El material impreso se puede distinguir fácilmente del agar circundante y de los posibles implantes metálicos(Figura 3A). Por lo tanto, normalmente no se requiere el uso de un agente de contraste, excepto para generar secuencias de imágenes dinámicas. Esto puede ser especialmente útil para la evaluación de stents endovasculares, ya que permite la visualización de posibles desajustes de prótesis y posterior aparición de endofugas.
Como elemento básico en el trabajo clínico diario, las imágenes ecográficas son un excelente ejemplo para la aplicación de modelos impresos en 3D como configuración de entrenamiento. Se puede utilizar tanto para la evaluación de la dinámica de las válvulas cardíacas, como para la investigación de todo el corazón, particularmente en pediatría. Las imágenes ultrasónicas del modelo impreso en 3D revelan una buena permeabilidad de las ondas ultrasónicas. Además, es posible distinguir entre la pared del modelo, el agar circundante y los objetos dinámicos delgados, como las valvas de las válvulas cardíacas(Figura 3B). La capa de agar en la parte superior del modelo proporciona una retroalimentación háptica realista durante el proceso de escaneo.
El uso de 4D-MRI en el análisis de flujo dentro del bucle de flujo ofrece una amplia gama de posibles aplicaciones en imágenes preinterciciales. La secuencia 4D-MRI permite la visualización del flujo de fluido, las turbulencias y la tensión de cizallamiento de la pared dentro del modelo impreso en 3D. Esto permite el análisis de los patrones de flujo siguiendo válvulas cardíacas artificiales, lo que puede conducir a una tensión de cizallamiento de pared alta y turbulencia en la aorta ascendente y el arco aórtico(Figura 3C). El impacto de la turbulencia y el alto estrés de cizallamiento de la pared es específicamente interesante para el análisis de aneurismas aórticos. Por lo tanto, los modelos 3D pueden ayudar a comprender mejor la aparición de aneurismas tanto en la aorta torácica como en la abdominal.
Los modelos cardiovasculares impresos en 3D proporcionan un entorno de entrenamiento realista para la cardiología diagnóstica e intervencionista. La configuración de simulación permite a los aprendices practicar el manejo de cables de guía / catéteres y maniobras a través de los vasos y las estructuras cardíacas, mediciones de presión intracardíaca, dilatación con balón de vasos o válvulas estenóticas, posicionamiento y dilatación de stents, así como imágenes angiográficas (visualización de estructuras internas del modelo 3D, por ejemplo, válvulas cardíacas). Las habilidades y tareas para ambos roles, primer y segundo operador, así como la comunicación entre los dos se incluyen durante la capacitación. La modificación de los modelos impresos en 3D en el software de modelado 3D permite la adaptación de la estructura y el tamaño del modelo (de bebé a adulto) a cualquier nivel y objetivo de entrenamiento. Por lo tanto, tanto los estudiantes como los profesionales competentes se benefician de la capacitación en la misma medida. Los talleres para todos los niveles de formación, desde estudiantes de medicina hasta cardiólogos pediátricos con años de experiencia, se han llevado a cabo con éxito en modelos 3D que representan los defectos congénitos más comunes, que incluyen conducto arterioso persistente (PDA), estenosis de la válvula pulmonar (PS), estenosis de la válvula aórtica (AS), coartación de la aorta (CoA) y comunicación interauricular (TEA). La apariencia de los modelos 3D bajo imágenes de rayos X, así como la retroalimentación háptica de la manipulación de los instrumentos dentro del modelo, se evaluaron como extremadamente realistas. El entrenamiento repetitivo en modelos 3D conduce a una orientación bien versada en 3D, una mejor percepción de la retroalimentación háptica y, lo que es más importante para el paciente, la minimización de la exposición a la radiación.
Figura 1: Pasos de diseño de un conjunto de datos radiológicos a un modelo anatómico impreso (Patología: aneurisma aórtico infrarrenal). (A) Proceso de segmentación basado en conjunto de datos CT (B) Modelo 3D aproximado después de la segmentación (C) Modelo suavizado con conectores tubulares agregados (D) Modelo final del volumen sanguíneo con conectores (E) Modelo hueco con espesor de pared definido (F) Modelo flexible impreso en 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Configuración del bucle de flujo. (A) Modelo esquemático del bucle de flujo (B) Configuración final del bucle de flujo con LVAD (1), modelo integrado (2), un depósito (3) y un conector de tubo impreso en 3D (opcional) (4) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3:Técnicas de imagen clínica. (A) Reconstrucción por TC de un arco aórtico impreso en 3D con una válvula cardíaca quirúrgica biológica (B) Imagen ultrasónica de una raíz aórtica impresa en 3D (1) con una válvula cardíaca quirúrgica biológica abierta (2) (C) Visualización del flujo de 4D-MRI en el arco aórtico (D) Imágenes de rayos X de un corazón pediátrico impreso en 3D (1) durante una intervención con catéter (2) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El flujo de trabajo presentado permite establecer modelos individualizados y, por lo tanto, realizar la planificación de la terapia preintertencial, así como la capacitación del médico en anatomías individualizadas. Para lograr esto, los datos tomográficos específicos del paciente se pueden utilizar para la segmentación y la impresión 3D de fantasmas cardiovasculares flexibles. Mediante la implementación de estos modelos impresos en 3D en una circulación simulada, se pueden simular de manera realista diferentes situaciones clínicas.
Hoy en día, muchos procedimientos de planificación terapéutica se centran en la simulación digital de diferentes escenarios, con el fin de identificar el resultado más favorable10,11. A diferencia de estas simulaciones in-silico, la configuración impresa en 3D descrita permite la retroalimentación táctil en los procedimientos de entrenamiento; un cumplimiento material cercano al original humano es posible en perfusión pulsátil. Por otro lado, muchos fantasmas cardiovasculares impresos en 3D publicados solo utilizan material rígido y por lo tanto se limitan a un uso principalmente visual12,13.
Sin embargo, debe entenderse que las técnicas y materiales actuales de impresión 3D siguen siendo la mayor limitación en la reproducción de propiedades biomecánicas para el flujo de trabajo presentado14. Si bien es posible una recreación exacta de la forma anatómica, el comportamiento mecánico de los modelos creados aún diferirá del tejido aórtico nativo hasta cierto punto. Imitar diferentes tejidos con diferentes propiedades biomecánicas en un fantasma, en la medida de lo posible, solo se puede lograr con unas pocas impresoras 3D sofisticadas de múltiples materiales15. La creación de materiales que imitan tejidos para la impresión 3D sigue siendo un foco de investigación científica; el desarrollo de nuevos materiales dará lugar a resultados aún más realistas16,17. Siempre que solo se disponga de material de impresión disponible comercialmente y/o de impresión de un componente, las propiedades mecánicas del fantasma se pueden ajustar mediante variaciones de los espesores de pared, como se llevó a cabo en este estudio. Por lo tanto, no se recomienda solo duplicar el grosor del tejido de interés a partir de los datos tomográficos subyacentes. Es importante destacar que existe una amplia gama de diferentes impresoras 3D con diferentes materiales y diferentes propiedades mecánicas en el mercado18. Por lo tanto, se recomiendan pruebas mecánicas exhaustivas antes de la impresión 3D. Para la impresión de estructuras cardiovasculares, (es decir, paredes aórticas o ventriculares), se requieren diferentes muestras de tejido nativo como referencia. Siguiendo el flujo de trabajo de segmentación e impresión descrito, es posible la creación de modelos flexibles y anatómicamente precisos, así como modelos impresos en 3D diseñados pero realistas de una amplia gama de anatomías cardiovasculares.
La rentabilidad de los modelos impresos en 3D depende significativamente de las propiedades del material. En el entrenamiento intervencionista es necesaria una alta durabilidad de cada modelo (incluso después de la dilatación del balón), para reducir los costos generales. Al observar la planificación de la terapia específica del paciente, se debe tener en cuenta el efecto beneficioso de un modelo impreso. Un modelo impreso en 3D no resultará rentable para un paciente quirúrgico "estándar", pero podría ofrecer una visión tremenda en pacientes con anatomías complejas. Por lo tanto, los costos de los modelos de capacitación deben sopesarse con sus posibles beneficios.
Hasta ahora, existen en el mercado algunos fantasmas disponibles comercialmente para la formación clínica; se han publicado algunos modelos académicos19,20. Estos modelos normalmente tienen anatomías predefinidos y generalmente resultan difíciles de emplear en entornos específicos del paciente. Además, los altos costos de adquisición complican el uso generalizado de estas herramientas en la formación de los médicos. La circulación simulada personalizable presentada se puede crear con un presupuesto bajo si es necesario. Los escáneres tomográficos, fluoroscopia y sonográficos, para la adquisición de los datos específicos del paciente, así como para el uso posterior de la circulación simulada, son equipos estándar de cualquier hospital general o universitario en países desarrollados. La segmentación de la anatomía cardiovascular y la creación del modelo 3D virtual se pueden realizar con el software con licencia mencionado, pero también está disponible el software gratuito21. Las opciones gratuitas ofrecen excelentes resultados al crear modelos 3D a partir de conjuntos de datos radiológicos, aunque se requiere una gran cantidad de trabajo inicial para ajustar el software a las necesidades individuales. Además, una edición posterior del modelo digital 3D requiere un software adicional, por lo que una suite de software completa que cubra todos estos aspectos es muy recomendable para un flujo de trabajo rápido y sin problemas. Si es necesario, la impresión de los fantasmas flexibles se puede realizar mediante fabricación 3D por contrato si no hay una impresora 3D adecuada en el sitio. Mediante la reducción anatómica en la región de interés, se puede reducir el tamaño del fantasma impreso en 3D, lo que viene con tiempos de impresión más rápidos y costos más bajos.
El punto más crítico del proceso descrito anteriormente es la adquisición inicial de la imagen. Como resultado, cuanto mayor sea la calidad de los datos tomográficos, más preciso será el fantasma final impreso en 3D. Hay dos factores principales en la obtención de datos adecuados de la TC o la RM: Prevención de artefactos y resolución espacial. Para prevenir artefactos, lo ideal es que no haya materiales metálicos (por ejemplo, implantes) junto a la región de interés, si no se dispone de técnicas específicas de reducción de artefactos22. Con el fin de reducir los artefactos de movimiento, se debe realizar un ECG y un desencadenante respiratorio durante la adquisición de imágenes23,24. La resolución espacial depende del dispositivo de imágenes; sin embargo, es necesario un grosor de corte de 1,0 mm o menos para obtener fantasmas impresos en 3D adecuados sin un postprocesamiento digital excesivo.
La modularidad, la rentabilidad y la versatilidad mencionadas anteriormente predisponen a la circulación simulada individualizable para uso suplementario en la rutina clínica diaria. El método presentado puede ser beneficioso para una amplia gama de campos de investigación clínica y básica. El uso de modelos realistas es excelente para enseñar a los jóvenes médicos y estudiantes los conceptos básicos de la ecografía, así como las técnicas de intervención. Especialmente con las intervenciones, tal modelo hará que la tecnología sea más accesible y aumentará la base de conocimientos general de los médicos, a largo plazo. Las imágenes por tomografía computarizada y resonancia magnética, especialmente cuando se observan los patrones de flujo hemodinámico en los vasos aórticos, pueden ser una adición importante tanto en la ciencia básica como en la determinación del resultado de las intervenciones quirúrgicas y transtéteras.
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Disclosures
Los autores declaran no tener conflicto de intereses.
Acknowledgments
Esta publicación fue apoyada por la Fundación Alemana del Corazón / Fundación Alemana de Investigación del Corazón.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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