Développement et évaluation de fantômes cardiovasculaires imprimés en 3D pour la planification interventionnelle et la formation

Maximilian Grab; Carina Hopfner; Alena Gesenhues; Fabian König; Nikolaus A. Haas; Christian Hagl; Adrian Curta; Nikolaus Thierfelder

doi:10.3791/62063

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Article de méthode

Développement et évaluation de fantômes cardiovasculaires imprimés en 3D pour la planification interventionnelle et la formation

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DOI :

10.3791/62063

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18 janvier 2021

Maximilian Grab¹^,² , Carina Hopfner³ , Alena Gesenhues⁴ , Fabian König¹^,² , Nikolaus A. Haas³ , Christian Hagl¹ , Adrian Curta⁴ , Nikolaus Thierfelder¹

¹Department of Cardiac Surgery, Ludwig Maximilian University Munich, ²Chair of Medical Materials and Implants, Technical University of Munich, ³Department Pediatric Cardiology and Pediatric Intensive Care, Ludwig Maximilian University Munich, ⁴Department of Radiology, Ludwig Maximilian University Munich

Dans cet article

Résumé

Nous présentons ici le développement d’une configuration de circulation simulée pour l’évaluation de la thérapie multimodale, la planification pré-interventionnelle et la formation des médecins sur les anatomies cardiovasculaires. Avec l’application de tomodensitogrammes spécifiques au patient, cette configuration est idéale pour les approches thérapeutiques, la formation et l’éducation en médecine individualisée.

Résumé

Les interventions par cathéter sont des options de traitement standard pour les pathologies cardiovasculaires. Par conséquent, des modèles spécifiques aux patients pourraient aider à former les compétences de câblage des médecins ainsi qu’à améliorer la planification des procédures interventionnelles. L’objectif de cette étude était de développer un procédé de fabrication de modèles imprimés en 3D spécifiques au patient pour des interventions cardiovasculaires.

Pour créer un fantôme élastique imprimé en 3D, différents matériaux d’impression 3D ont été comparés aux tissus biologiques porcins (c’est-à-dire le tissu aortique) en termes de caractéristiques mécaniques. Un matériau de raccord a été sélectionné sur la base d’essais comparatifs de traction et des épaisseurs de matériau spécifiques ont été définies. Des ensembles de données CT anonymisées à contraste amélioré ont été recueillis rétrospectivement. Des modèles volumétriques spécifiques au patient ont été extraits de ces ensembles de données et imprimés en 3D. Une boucle d’écoulement pulsatile a été construite pour simuler le flux sanguin intraluminal pendant les interventions. L’adéquation des modèles à l’imagerie clinique a été évaluée par imagerie par rayons X, tomodensitométrie, IRM 4D et échographie (Doppler). Un produit de contraste a été utilisé pour améliorer la visibilité dans l’imagerie par rayons X. Différentes techniques de cathétérisme ont été appliquées pour évaluer les fantômes imprimés en 3D dans la formation des médecins ainsi que pour la planification du traitement pré-interventionnel.

Les modèles imprimés ont montré une résolution d’impression élevée (~ 30 μm) et les propriétés mécaniques du matériau choisi étaient comparables à la biomécanique physiologique. Les modèles physiques et numériques ont montré une grande précision anatomique par rapport à l’ensemble de données radiologiques sous-jacent. Les modèles imprimés convenaient à l’imagerie par ultrasons ainsi qu’aux rayons X standard. L’échographie Doppler et l’IRM 4D ont montré des schémas d’écoulement et des caractéristiques marquantes (c.-à-d. turbulence, contrainte de cisaillement des parois) correspondant aux données natives. Dans un laboratoire basé sur un cathéter, les fantômes spécifiques au patient étaient faciles à cathétériser. La planification thérapeutique et la formation des procédures interventionnelles sur les anatomies difficiles (p. ex., cardiopathie congénitale) étaient possibles.

Des fantômes cardiovasculaires flexibles spécifiques au patient ont été imprimés en 3D et l’application de techniques d’imagerie clinique courantes a été possible. Ce nouveau procédé est idéal comme outil de formation pour les interventions par cathéter (électrophysiologique) et peut être utilisé dans la planification d’un traitement spécifique au patient.

Introduction

Les thérapies individualisées prennent de plus en plus d’importance dans la pratique clinique moderne. Essentiellement, ils peuvent être classés en deux groupes: les approches génétiques et morphologiques. Pour les thérapies individualisées basées sur un ADN personnel unique, le séquençage du génome ou la quantification des niveaux d’expression génique est nécessaire¹. On peut trouver ces méthodes en oncologie, par exemple, ou dans le traitement des troubles métaboliques². La morphologie unique (c.-à-d. l’anatomie) de chaque individu joue un rôle important dans la médecine interventionnelle, chirurgicale et prothétique. ....