Ce protocole décrit une procédure pour créer des modèles de fonctionnelle cardiaque néonatale artificielle en utilisant une combinaison de l’imagerie par résonance magnétique, l’impression 3D et moulage par injection. Le but de ces modèles est intégration dans la nouvelle génération de simulateurs patients néonatales et comme un outil pour les études physiologiques et anatomiques.
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Article de méthode
Modèle coeur néonatale anatomiquement réaliste pour une utilisation dans les simulateurs patients néonatales
Dans cet article
Résumé
Résumé
Simulateurs patients néonatales (NPS) sont des substituts patients artificiels utilisés dans le cadre de la formation de simulation médicale. Néonatologistes et personnel infirmier pratique des interventions cliniques tels que les compressions thoraciques pour assurer la survie des patients dans le cas de bradycardie ou d’un arrêt cardiaque. Les simulateurs utilisés actuellement sont de basse fidélité physique et donc ne donnent un aperçu qualitatif de la procédure des compressions thoraciques. L’incorporation d’un modèle à l’avenir de cœur anatomiquement réaliste simulateurs permet la détection du débit cardiaque généré lors de compressions thoraciques ; Cela peut fournir un paramètre de sortie, qui peut approfondir la compréhension de l’effet des compressions par rapport au montant du débit sanguin généré cliniciens. Avant que cette surveillance peut être atteint, un modèle de cœur anatomiquement réaliste doit être créé contenant : deux oreillettes, deux ventricules, quatre valvules, veines pulmonaires et des artères et systémiques veines et artères. Ce protocole décrit la procédure de création d’un tel modèle fonctionnelle cardiaque néonatale artificielle en utilisant une combinaison de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), l’impression 3D et coulée sous forme de moulage par injection froide. Utilisez cette méthode avec moules intérieurs imprimés 3D flexibles dans l’injection, un modèle de cœur anatomiquement réaliste peut être obtenu.
Introduction
Chaque année des millions de nouveaux-nés sont admis dans les unités néonatales de soins intensifs (UNSI). En UNSI, plupart des urgences liées à des problèmes dans les voies respiratoires, respiration et circulation (ABC) et nécessitent des interventions comme les compressions thoraciques. NPS d’offrir un enseignement précieux et un outil de formation pour pratiquer ce type d’intervention. Pour certains NPS, capteurs intégrés peuvent détecter si performance répond le guide de pratique clinique recommandée1 pour la profondeur et la vitesse des compressions thoraciques. Le respect des lignes directrices peut être utilisé pour calculer et mesurer les performances, et à cet égard, ce cri NPS peut être considérée comme une mesure tangible et blanc boîte pour évaluer le rendement.
Respect des lignes directrices recommandées vise à améliorer la physiologie patiente. Par exemple, les compressions thoraciques sont envoyées dans le but de générer une circulation sanguine adéquate dans le système circulatoire. Courante haute fidélité NPS (par exemple, PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norvège) et Paul (SIMCharacters, Vienne, Autriche)), ne contiennent pas des sondes pour mesurer des paramètres physiologiques tels que la circulation sanguine au cours de la formation qu’ils n’ont pas un coeur intégré à générer ce paramètre physiologique. L’efficacité des compressions thoraciques en courant NPS ne peut donc pas être évaluée à un niveau physiologique. Pour NPS permettre une évaluation physiologique des compressions thoraciques, un cœur artificiel anatomiquement réaliste doit être intégré dans le serveur NPS. En outre, recherche2 montre qu’une augmentation dans la fidélité anatomique physique peut conduire à une augmentation de fidélité fonctionnelle de NPS. Intégration d’un système haute fidélité physiquement orgue aurait bénéficier les deux la fidélité fonctionnelle de formation et permet d’évaluer les performances physiologiques.
Une augmentation substantielle de la fidélité de NPS est possible grâce à l’impression 3D. En médecine, impression et imagerie 3D servent surtout de préparation chirurgicale et création d’implants3,4,5. Par exemple, dans le domaine de la simulation chirurgicale, les organes sont produites pour former les chirurgiens sur l’exécution de procédures chirurgicales6. Les possibilités de l’impression 3D n’ont pas encore été largement appliquées dans NPS. La combinaison de l’imagerie 3D et impression 3D ouvre la possibilité pour NPS atteindre un niveau plus élevé de fidélité physique. La réplication des organes néonatales, souples et sophistiqués comme le cœur devient possible grâce à la gamme jamais élargissement des techniques et des matériaux utilisés pour l' impression 3D7.
Dans cet article, nous détaillons un protocole pour la création d’un cœur néonatal fonctionnel, artificiel, en utilisant une combinaison de l’IRM, l’impression 3D et moulage par injection froide. Le modèle de coeur dans le présent document comprend deux oreillettes, deux ventricules, quatre soupapes fonctionnelles et les artères pulmonaires et systémiques et veines toutes produites à partir d’un simple silicone coulé. Le modèle de coeur peut être rempli avec un liquide, équipé de capteurs et utilisé comme générateur de paramètre de sortie (p. ex., hypertension ou débit cardiaque pendant les compressions thoraciques et les fonctionnalités de la soupape).
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Protocole
Toutes les approbations institutionnelles ont été obtenues avant l’imagerie patient.
1. Acquisition et Segmentation d’images
- Acquérir une IRM thoracique d’un nouveau-né en imagerie numérique et les Communications au format médecine (DICOM). Capturer chaque tranche de l’analyse dans la phase diastolique ventriculaire du cycle cardiaque ou obtenir une IRM thoracique de l’autopsie.
NOTE : Une définition claire visiblement du muscle cardiaque, ainsi que les oreillettes et les ventricules, est essentielle. - À l’aide de logiciels de traitement (voir Table des matières) importer le fichier DICOM de l’IRM thoracique. À l’aide de l’élément de menu « Édition des masques », sélectionnez la zone du muscle cardiaque sur chaque tranche de MRI où le cœur est présent. Les oreillettes et les ventricules, dans ce cas, peuvent être couverts aussi bien.
- Créez un nouveau calque croquis et séparément des segments de deux oreillettes et deux ventricules dans la même manière que la sélection pour le muscle cardiaque. Pas segmenter les vannes présents entre les oreillettes et les ventricules, ainsi qu’entre les ventricules et les artères.
- Rendre le muscle et chambres dans des représentations 3D distinctes en utilisant le menu « Calculate 3D » point et exportez-les sous forme de cinq fichiers stéréolithographie (.stl) en utilisant les paramètres de résolution optimale à l’aide de l’élément de menu « STL + ».
- Charger des fichiers de the.stl dans le logiciel de CAO (voir Table des matières). Utilisez l’élément de menu assistant fix pour réparer les fichiers the.stl pour les triangles qui se chevauchent et mauvaises arêtes. Réenregistrez les fichiers the.stl.
Remarque : Si aucun cœur MRI n’est disponible, pensez à utiliser le modèle de coeur utilisé dans le présent protocole. Ce fichier contient également les modèles de vanne de coeur séparé. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger les fichiers.
2. traitement et impression de moule
- Charger l’ensemble des oreillettes et des ventricules dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (voir Table des matières). S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger les fichiers.
- Déterminer la position des valves aortiques, pulmonaires, mitrales et tricuspides à l’aide de l’IRM initiale (Figure 1).
- Ajouter les moitiés de moule de positifs et négatifs de chaque vanne à leur position respective dans le jeu chargé des oreillettes et des ventricules en faisant glisser le fichier de vanne (obtenu à partir du lien ci-dessus) dans le fichier actuel en activant la fonction « insérer une partie ». Indiquer la position du placement en cliquant sur l’emplacement de la surface des oreillettes ou des ventricules.
- Extruder la base du robinet positive et négative en utilisant ' onglet fonctionnalités > extruder bossage/base ' à empiéter sur leurs chambres respectives et fusionner les pièces à leur chambre respective.
Remarque : La valve mitrale se compose de deux parties semi-lunaire, tandis que la tricuspide, aortique, et valves pulmonaires se composent de trois.
- Extruder la base du robinet positive et négative en utilisant ' onglet fonctionnalités > extruder bossage/base ' à empiéter sur leurs chambres respectives et fusionner les pièces à leur chambre respective.
- Ajoutez le fichier de la valve aortique et pulmonaire à leur emplacement respectif ventricule en utilisant la procédure décrite à l’étape 2.2. Du haut de ces vannes, esquisser deux cylindres arquées de 5 mm de diamètre en cliquant sur le ' onglet dessin > cercle ' suite une esquissée arqué à l’aide de la ligne le ' onglet fonctionnalités > balayer bossage/base ' les deux surfaces de cylindre circulaire jusqu'à la position horizontale. Fusionner les parties de la vanne à leurs respectifs ventricules et les artères.
- De la base de chacune des quatre cavités, comme les deux cylindres arqués, dessiner des cylindres verticaux de 5 mm de diamètre en cliquant sur le ' onglet dessin > cercle ' point et eux extruder à 40 mm de longueur en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder bossage/base ' point. Laissez chaque cylindre dépasse dans leur chambre respective.
- Pour garantir les chambres positionnement lors de l’assemblage les six parties intérieures dans le moule, ajouter encoches différentielles des six cylindres (Figure 2) en dessinant des demi-cercles au-dessus des cylindres : cliquez sur le ' onglet dessin > esquissez cercle ' élément de menu et utilisation la ' onglet fonctionnalité > coupe/extrusion ' élément de menu pour créer des impressions de profondeur différente.
- Soustraire leurs formes depuis les chambres et les artères en sélectionnant le corps solid de la chambre et les artères, clic droit et en appuyant sur la fonction de « combiner », après quoi le réglage de soustraction peut être sélectionné. Fusionner pas ces pièces. Enregistrer toutes les chambres et les artères séparément.
- Pour garantir les chambres positionnement lors de l’assemblage les six parties intérieures dans le moule, ajouter encoches différentielles des six cylindres (Figure 2) en dessinant des demi-cercles au-dessus des cylindres : cliquez sur le ' onglet dessin > esquissez cercle ' élément de menu et utilisation la ' onglet fonctionnalité > coupe/extrusion ' élément de menu pour créer des impressions de profondeur différente.
- Importez le modèle de muscle de coeur. Compenser les schémas de base de six cylindres en commençant une nouvelle esquisse et en sélectionnant tous les croquis de base de cylindre en maintenant enfoncée la touche « shift ». Ensuite, sélectionnez le ' onglet dessin > convertir l’élément de menu des entités. Sélectionnez le "onglet dessin > compenser l’élément de menu des entités pour décaler les esquisses de 2 mm.
- Extruder et fusionner ces croquis en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder des élément de menu du patron/bass avec le modèle de muscle de coeur ; Répétez pour les cylindres arquées. Fusionner ces bouteilles avec le modèle de muscle de coeur en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder le menu patron/bass.
Remarque : Vérifiez que le modèle de muscle de coeur en face des oreillettes est supérieur à 2 mm en distance (Figure 1). Sinon le mur va se rompre lorsque vous retirez les moules intérieurs.
- Extruder et fusionner ces croquis en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder des élément de menu du patron/bass avec le modèle de muscle de coeur ; Répétez pour les cylindres arquées. Fusionner ces bouteilles avec le modèle de muscle de coeur en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder le menu patron/bass.
- Modéliser un cube à partir de la base des six cylindres vers le bas en plaçant d’abord un plan de référence en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > géométrie de référence > plan '. Après cela, cliquez sur le ' onglet dessin > place ' élément de menu et esquisse une place avec une longueur et une largeur plus large que la partie la plus large du modèle muscle cardiaque qui est de 4 mm.
- Cela extruder vers le bas avec une épaisseur de 8 mm en cliquant sur le ' onglet fonctionnalités > extruder bossage/base ' menu point et cette fusion à la base des six cylindres marquer l’élément de menu « fusionner les parties ». Sur les quatre coins de la base, ajouter les cubes de 4 mm en utilisant la même méthode.
- En utilisant la base carrée comme une esquisse, extruder pour couvrir le modèle de tout cœur et soustraire toutes les autres parties de ce. Séparer la partie supérieure du rectangle reste à la partie la plus large du modèle coeur. Placez d’abord un plan de référence à la hauteur désirée en utilisant le ' onglet fonctionnalités > géométrie de référence > plan. Après cela, utilisez la commande "insérer > moules > fractionner ' pour sélectionner la surface sur laquelle la scission a aura lieu et l’objet nécessitant une séparation.
- Diviser le rectangle reste moule à nouveau au plus commode libérer position en utilisant la même méthode décrite à l’étape 2.7 encore en position verticale. Esquissez les douilles cubes 4 mm dans les coins des pièces longitudinales du moule et ajouter les cubes de 4 mm aux coins du couvercle à l’aide la ' onglet dessin > place ' et ' onglet fonctionnalités > extruder bossage/base ' éléments de menu.
- Esquissez 50 cercles de 1 mm de diamètre, recouvrir la partie supérieure du modèle moule extérieur ensemble et coupe-extrusion à travers tous les moules externes. En outre, extruder plusieurs cylindres de 1 mm sur le côté du capot supérieur aux endroits plus large du modèle muscle cardiaque. Coupe-extruder un trou d’injection unique de 8 mm de son capot.
- Enregistrer toutes les quatre parties du moule extérieur séparément.
Attention : Au total, il devrait y avoir dix composants de moule : la base de la moule, deux panneaux latéraux de moule extérieur, un capot supérieur du moule extérieur, deux oreillettes moule interne avec des attachements de valve, deux ventricules moule interne avec des attachements de valve et celui de chaque interne aortique et pulmonaire artère de moule avec des attachements de valve.
- Enregistrer toutes les quatre parties du moule extérieur séparément.
- Utiliser une imprimante jet d’impression avec des matériaux Photopolymères rigide et caoutchouteux installés
(voir Table des matières). Lorsque vous placez les pièces pour l’impression sur le lit impression, s’assurer que les négatifs de vanne sont tous face imprimée vers le haut (verticalement) (Figure 3).- Sélectionnez les paramètres d’impression de papier glacé. Pour les quatre chambres ainsi que les pièces jointes de moule aortique et pulmonaire, sélectionnez le matériau S95 souple ; pour les autres parties du quatre moule, sélectionnez les documents imprimés rigides.
- Après avoir imprimé les parties du moule, enlever le matériel de soutien constitué lors de l’impression par jet d’eau (voir Table des matières). Après avoir nettoyé les parties du moule, placez les pièces dans une solution d’hydroxyde de sodium 5 % pendant 24 h. Après avoir retiré les parties de la solution, les rincer à l’aide d’eau froide et laisser sécher pendant 48 h avant le moulage.
3. moulage par Injection froid et finition
- Pulvériser toutes les surfaces de toutes les parties du moule avec un démoulant (voir Table des matières), sauf les valves et essuyer avec papier de soie. Laisser pour sécher pendant 15 min.
- Fermez la base de la moisissure et deux panneaux latéraux et placer sur le dessus de deux entretoises, donc la base du moule n’est pas en contact direct avec la surface de la table. Préparer le silicone en insérant une cartouche de silicone dans le manuel de la distribution des armes à feu (voir Table des matières).
- Ajouter 5 mL de silicone pressé du pistolet dans une mesure tasse et mélanger à l’aide d’un cure-dent. À l’aide d’un cure-dent, appliquez une quantité généreuse de silicone fondu vers le côté positif et négatif de l’oreillette droite et valves de ventricule. Assurez-vous qu’il n’y a aucune bulle d’air piégé dans le silicone (Figure 4).
- Connectez les deux chambres à l’angle de valve droite et poussez-les sur leurs cylindres respectifs de la moule. Répétez cette opération pour le côté gauche. Enfin, attachez les cylindres arqués aortiques et pulmonaires de la même façon. Laissez ces vannes à solidifier pendant 2 min, puis fixer la partie supérieure du moule.
- Attacher un mélangeur statique à la cartouche, serrez jusqu'à ce que le silicone est sortie de la buse, puis relâcher la pression. Le moule entière sur les deux entretoises (Figure 5), placez le pistolet dans la prise de moulage par injection de 8 mm et squeeze à basse pression au cours des 3 min jusqu'à ce que tous les évents montrent des signes de débordement de silicone.
- Arrêter de s’injecter du silicone à ce stade, retirer le mélangeur et placez le moule sur la surface de la table de sorte que tous les orifices d’aération de fond sont scellés et sans silicone plus peut découler de la partie inférieure du moule. Laissez le silicone se solidifier pendant 30 min.
- Ouvrir la partie supérieure du moule en extrayant et en soulevant une entretoise métallique dans la fente entre la partie supérieure et inférieure du moule. Enlever les parties latérales du moule en utilisant la même méthode, suppression d’un côté à la fois.
Remarque : Veillez à ne pas perforer la paroi cardiaque lorsque vous insérez l’entretoise.- Détecter les bulles d’air à l’extérieur du coeur après avoir relâché les trois composants du moule extérieur (Figure 6). Utiliser un scalpel pour percer la bulle et le remplir avec un silicone de petite quantité à l’aide d’un cure-dent, puis laisser pour durcir pendant encore 30 min.
- Utiliser l’air comprimé (voir Table des matières) pour souffler le modèle de coeur au large de la base du moule laissant les six moules intérieurs dans le modèle de coeur. Veillez à bien placer le modèle de coeur avec une main pour empêcher l’air d’une rupture de la paroi cardiaque.
- Utiliser une seringue avec de l’eau à remplir et à pressuriser les ventricules gauche et droit pour libérer les moules intérieurs. Après cela, utiliser une pince de Magill (voir Table des matières) pour saisir et retirer ces pièces deux moule intérieur. Répétez ce processus pour les artères pulmonaires et aorte et enfin pour enlever les moisissures intérieures oreillettes gauche et droite.
Remarque : Assurez-vous que le positionnement de la pince ne compresse pas le segment de la vanne lorsque la pression de serrage est appliquée ; Il détruira la vanne imprimée.
- Utiliser une seringue avec de l’eau à remplir et à pressuriser les ventricules gauche et droit pour libérer les moules intérieurs. Après cela, utiliser une pince de Magill (voir Table des matières) pour saisir et retirer ces pièces deux moule intérieur. Répétez ce processus pour les artères pulmonaires et aorte et enfin pour enlever les moisissures intérieures oreillettes gauche et droite.
- Lier les deux tubes menant directement vers le bas des ventricules à la base du modèle de coeur à l’aide d’attaches et supprimer accès air vent cordes en les pinçant à la surface du mur coeur.
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Résultats
Cette étude décrit une méthode pour créer un modèle de coeur néonatale anatomiquement réaliste combinant imagerie MRI, impression 3D et moulage par injection froide. Persistance du canal artériel et le foramen ovale perméable ne figuraient pas dans le modèle de coeur présenté dans cet article. La méthode décrite dans cet article peut également être appliquée à d’autres organes internes, tels que les poumons et les structures de la cage thoracique. Cage thoracique structures ne nécessitent...
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Discussion
Pour le modèle développé dans cette étude, nous avons identifié qu’injection moulage sur une période de 3 min est nécessaire pour éviter l’air entrant dans le casting (Figure 5, Figure 6). Pour vous assurer que le silicone atteint les espaces étroits des valves, « pré casting » ou « revêtement » des zones vanne dans le moule est indispensable. Puisque les moules intérieurs façonner les cavités cardiaques doivent quitter le silicone final monter des orifices de 5...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent sans conflits d’intérêts potentiels concernant la recherche, la paternité et la publication de cet article. Cette recherche a reçu aucune subvention spécifique de n’importe quel organisme de financement dans les secteurs publics, commerciales ou à but non lucratif.
Remerciements
Cette recherche a été réalisée dans le cadre hollandais de périnatologie IMPULS. Les auteurs aimeraient remercier la Radboud UMCN musée d’anatomie et de pathologie et de la Máxima Medical Centre Veldhoven permettant l’IRM néonatale utilisée pour ce travail. Les auteurs plus tiens à remercier Jasper Sterk, Sanne van der Linden, Frédérique de Jongh, Pleun Alkemade et le laboratoire de D.search à la faculté de Design industriel pour leur remarquable contribution au développement de cette recherche. Enfin les auteurs aimeraient remercier Rohan Joshi pour sa relecture du manuscrit.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Ecoflex 5 | Smooth-on | Matériau de coulée de silicone | |
| 400ml Mélangeurs statiques | Smooth-on | Tubes de mélange | |
| Pistolet de distribution manuel | Smooth-on | Utilisé pour le moulage par injection | |
| 5-56 Spray PTFE | CRC | Agent de démoulage pour les moules | |
| Hydroxyde de sodium | N/A | Celui-ci a été acheté sous forme de soude caustique à la quincaillerie, sous forme sèche et pure à 99 %. Comme il est largement disponible, il n’y a pas d’entreprise spécifiée | |
| VeroWhite | Stratasys | Le matériau dur utilisé dans l’impression | |
| TangoBlackPlus | Stratasys | Le matériau en caoutchouc utilisé dans l’impression | |
| Matériau de support | Stratasys | Le matériau de support standard utilisé par stratasys ; | |
| Pince Magill GIMA | Taille bébé. Il s’agit de retirer les moules intérieurs | ||
| Stratasys Connex 350 | Stratasys | ; Si cette machine n’est pas possédée, une autre option consiste à faire imprimer les pièces par l’intermédiaire d’une entreprise d’impression tierce telle que 3D-hubs pour que les pièces soient imprimées et expédiées. | |
| Balco Powerblast (jet d’eau) | Stratasys | ||
| Euro 8-24 Set P (Compresseur d’air) | iSC | 4007292 | |
| Seringue avec aiguille émoussée | N/A | Une seringue de 20ml avec une aiguille émoussée de 0,5 mm de diamètre. | |
| Logiciel Mimics 17.0 | Materialise ; | Ce logiciel a été utilisé pour segmenter le modèle cardiaque de l’IRM. Il existe de nombreux logiciels d’imagerie IRM gratuits, tels qu’InVesalius ou Osirix, bien qu’ils puissent s’avérer offrir moins de fonctionnalités. | |
| Logiciel Magics 9.0 | Materialise ; | Cela a été utilisé pour réparer et lisser les fichiers .stl générés par les imitations. Ce lissage peut également ; être fait dans la plupart des autres logiciels gratuits de modélisation 3D. | |
| Logiciel Solidworks | utilisé pour l’édition du modèle de cœur. La plupart des autres logiciels de CAO gratuits peuvent être utilisés pour effectuer cette étape de traitement. |
Références
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Réimpressions et autorisations
