Desarrollo y evaluación de fantasmas cardiovasculares impresos en 3D para la planificación y el entrenamiento intervencionista

El método presentado permite la creación de modelos cardiovasculares anatómicos específicos del paciente para pruebas in vitro, enseñanza y planificación de procedimientos. Este método ofrece un enfoque estandarizado para crear modelos anatómicos individualizados imprimibles en 3D basados en conjuntos de datos radiológicos que se pueden incluir fácilmente en bucles de flujo o configuraciones de entrenamiento. Si bien este enfoque de modelado se centra en el sistema cardiovascular, se puede transferir a otras estructuras anatómicas.

La calidad del conjunto de datos radiológicos tiene una gran influencia en las dificultades encontradas durante el modelado. Para los primeros modelos, utilice un conjunto de datos con artefactos de movimiento mínimos y una alta resolución espacial. Para comenzar, defina un rango de valores unitarios de Hounsfield abriendo la herramienta de umbral que resulta en una máscara combinada del volumen sanguíneo y las estructuras óseas mejoradas con contraste.

Elimine todas las partes óseas que no sean deseables en el modelo 3D final mediante la herramienta Máscara dividida, que permite el marcado y la separación de varias áreas en cortes generales en función de los valores y la ubicación de Hounsfield. Después de esta separación, asegúrese de que permanezca una máscara que contenga el volumen de sangre mejorado 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. 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 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. Para colocar un plano de referencia paralelo a la sección transversal de apertura de los recipientes, seleccione la herramienta Crear plano de referencia y utilice el plano de 3 puntos preestablecido. A continuación, haga clic en tres puntos igualmente espaciados en la sección transversal del buque para crear el plano.

Introduzca un desplazamiento de 10 milímetros en la ventana de comandos y confirme la operación. Seleccione la herramienta dibujar 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.

A partir del boceto creado, utilice la herramienta Extrusión para crear un cilindro con una longitud de 10 milímetros. 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 milímetros. A continuación, utilice la herramienta Loft para crear una conexión entre el final del recipiente y el cilindro definido geométricamente.

Asegure una transición suave entre las dos secciones transversales, evitando así la turbulencia y las áreas de bajo flujo en el modelo de flujo 3D final. Finalmente, use la herramienta Hollow para hacer un espacio de sangre hueco en la ventana de comando, y coloque el grosor de pared requerido y establezca la dirección del proceso de vaciado para que se mueva hacia afuera. Confirme la selección para ejecutar el proceso de vaciado.

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.

Coloque el modelo en el fregadero y luego sumérjalo en agua o en un disolvente respectivo después de quitar la cubierta. Seque el modelo en una incubadora a 40 grados centígrados durante la noche. Al día siguiente, inserte el modelo en 1% agar.

Use una caja de plástico con márgenes laterales de al menos dos centímetros alrededor del modelo y perfore agujeros en las paredes para permitir que los tubos se conecten desde los recipientes a la bomba y al depósito. Agregue el agar al agua y llévelo a ebullición. Después de remover la mezcla, déjela enfriar durante cinco minutos y viértala en la caja para crear una cama de al menos dos centímetros de altura.

Mientras la cama de agar se establece, conecte el modelo a un tubo de PVC no compatible utilizando conectores de manguera comerciales en cada abertura. 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 líquido. Guíe los tubos de PVC a través de los orificios perforados en la caja, luego coloque el modelo en la parte superior de la cama de agar del conjunto.

Para evitar que el agar se escape de estos agujeros, use arcilla de modelado a prueba de calor para sellarlo. A continuación, llene la caja con agar y cubra el modelo agregando una capa de dos centímetros en la parte superior. Deje que el agar se enfríe completamente y se fije durante una hora a temperatura ambiente.

Agitar el ventrículo con una bomba de pistón con un volumen sistólico de 120 a 150 mililitros. 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 para 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. Inyecte 100 mililitros de uno a 10 agentes de contraste yodados diluidos en el depósito del modelo a una velocidad de cuatro mililitros por segundo.

Comience el escaneo utilizando la activación de bolo en el tubo principal con un umbral de unidad de Hounsfield de 100 en un retraso de cuatro segundos. Para realizar una ecografía, coloque una pequeña cantidad de gel ultrasónico en la parte superior del bloque de agar para reducir los artefactos. Encienda la bomba y use el cabezal ultrasónico para localizar la estructura anatómica de interés.

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. 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 guiar los cables a través de la estructura anatómica. Para la resonancia magnética 4D, use un escáner de 1.5 Tesla y asegúrese de que el protocolo de adquisición consista en un MRA mejorado sin contraste en la secuencia de flujo 4D. Adquiera un conjunto de datos isotrópicos con 25 fases en un grosor de rebanada de 1,2 milímetros.

Establezca la codificación de velocidad en 100 centímetros por segundo. Realice el análisis de imágenes de flujo 4D con un software disponible comercialmente. Primero, importe el conjunto de datos de resonancia magnética 4D seleccionándolo de la unidad flash, luego realice la corrección de desplazamiento semiautomatizada y la corrección del aliasing para mejorar la calidad de la imagen.

La línea central del buque se rastreará 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 línea de ruta y el vector de flujo se pueden visualizar sin más entrada.

Para cuantificar la presión y la tensión de cizallamiento de la pared en la pestaña representativa, coloque dos planos haciendo clic en el botón Agregar plano. Mueva los planos al ROI arrastrándolos a lo largo de la línea central para que un plano se coloque al principio del ROI y otro al final. La caída de presión a través del ROI y la tensión de cizallamiento de la pared se visualizarán y cuantificarán en el diagrama junto al modelo 3D.

Los modelos impresos en 3D presentados 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. Por lo tanto, normalmente no se requiere el uso de un agente de contraste, excepto para generar secuencias de imágenes dinámicas.

Cuando se utilizan imágenes ultrasónicas, es posible distinguir entre la pared del modelo, el agar circundante y objetos dinámicos delgados como las valvas de las válvulas cardíacas. La capa de agar en la parte superior del modelo proporciona una retroalimentación háptica realista durante el proceso de escaneo. El análisis de flujo dentro del bucle de flujo ofrece una amplia gama de posibles aplicaciones e imágenes preinterpreciales.

La secuencia de resonancia magnética 4D permite la visualización del flujo de fluido, las turbulencias y el esfuerzo de cizallamiento de la pared dentro del modelo impreso en 3D, lo que permite analizar los patrones de flujo después de las válvulas cardíacas artificiales. Este flujo de trabajo se puede transferir a diferentes procedimientos médicos intervencionistas con fines de capacitación o planificación. La técnica permite un examen in vitro más cercano del comportamiento del flujo en grandes vasos cardiovasculares y ofrece un gran potencial para la planificación de la terapia individualizada.