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

La méthode présentée permet la création de modèles cardiovasculaires anatomiques spécifiques au patient pour les tests in vitro, l’enseignement et la planification des procédures. Cette méthode offre une approche standardisée pour créer des modèles anatomiques individualisés imprimables en 3D basés sur des ensembles de données radiologiques qui peuvent être facilement inclus dans des boucles d’écoulement ou des configurations d’entraînement. Bien que cette approche de modélisation soit axée sur le système cardiovasculaire, elle peut être transférée à d’autres structures anatomiques.

La qualité de l’ensemble de données radiologiques a une grande influence sur les difficultés rencontrées lors de la modélisation. Pour les premiers modèles, utilisez un jeu de données avec un minimum d’artefacts de mouvement et une résolution spatiale élevée. Pour commencer, définissez une plage de valeurs unitaires de Hounsfield en ouvrant l’outil de seuillage, ce qui donne un masque combiné du contraste qui améliore le volume sanguin et les structures osseuses.

Supprimez toutes les parties osseuses indésirables dans le modèle 3D final à l’aide de l’outil Masque fractionné, qui permet de marquer et de séparer plusieurs zones dans des tranches globales en fonction des valeurs et de l’emplacement de Hounsfield. Après cette séparation, assurez-vous qu’un masque contenant le contraste a amélioré le volume sanguin. Cela peut être fait en faisant défiler les plans coronal et axial et en faisant correspondre le masque créé avec le jeu de données sous-jacent.

À partir de ce masque, calculez un modèle de surface de polygone 3D rendu. Cliquez sur l’outil Lissage local pour ajuster la surface du modèle segmenté manuellement et localement. Concentrez-vous sur la suppression des formes polygonales rugueuses, des pics simples et des arêtes rugueuses créées par les opérations de rognage précédentes.

Pour permettre la connexion ultérieure du modèle à une boucle d’écoulement, incluez des pièces tubulaires avec des diamètres définis ajustés aux connecteurs de tuyau et aux diamètres de tube disponibles. Pour placer un plan de référence parallèlement à la coupe d’ouverture des récipients, sélectionnez l’outil Créer un plan de référence et utilisez le plan à 3 points prédéfini. Ensuite, cliquez sur trois points également espacés sur la section transversale du navire pour créer le plan.

Entrez un décalage de 10 millimètres dans la fenêtre de commande et confirmez l’opération. Sélectionnez l’outil Esquisse de dessin dans le menu et choisissez le plan de référence créé précédemment comme emplacement de l’esquisse. Dans l’esquisse, placez un cercle à peu près sur la ligne médiane du récipient et définissez la contrainte de rayon pour qu’elle corresponde au diamètre extérieur du connecteur du tuyau.

À partir de l’esquisse créée, utilisez l’outil Extruder pour créer un cylindre d’une longueur de 10 millimètres. Orientez l’extrusion pour s’éloigner de l’ouverture du récipient afin de créer une distance de 10 millimètres entre le cylindre et la section transversale du récipient. Utilisez ensuite l’outil Loft pour créer une connexion entre l’fin du récipient et le cylindre géométriquement défini.

Assurer une transition en douceur entre les deux sections transversales, évitant ainsi les turbulences et les zones à faible débit dans le modèle d’écoulement 3D final. Enfin, utilisez l’outil Creux pour créer un espace de sang creux dans la fenêtre de commande, mettez l’épaisseur de paroi requise et définissez la direction du processus d’évidement pour qu’il se déplace vers l’extérieur. Confirmez la sélection pour exécuter le processus d’évidement.

Après avoir téléchargé le fichier d’impression du logiciel de découpage vers l’imprimante 3D, assurez-vous que la quantité de matériel d’impression et de support dans les cartouches de l’imprimante est suffisante pour le modèle 3D et démarrez l’impression. Après le processus d’impression, retirez le matériau de support du modèle fini. Tout d’abord, retirez le matériau de support manuellement en pressant doucement le modèle.

Placez le modèle sur l’évier, puis immergez-le dans de l’eau ou un solvant respectif après avoir retiré le couvercle. Séchez le modèle dans un incubateur réglé à 40 degrés Celsius pendant la nuit. Le lendemain, incorporez le modèle dans 1%agar.

Utilisez une boîte en plastique avec des marges latérales d’au moins deux centimètres autour du modèle et percez des trous dans les parois pour permettre aux tubes d’être connectés des récipients à la pompe et au réservoir. Ajouter la gélose à l’eau et porter à ébullition. Après avoir remué le mélange, laissez-le refroidir pendant cinq minutes et versez-le dans la boîte pour créer un lit d’au moins deux centimètres de hauteur.

Pendant que le lit de gélose se fixe, connectez le modèle à un tube en PVC non conforme à l’aide de connecteurs de tuyau commerciaux à chaque ouverture. Utilisez des attaches zippées pour fixer la connexion entre les connecteurs de tuyau et le modèle 3D et assurez-vous qu’il n’y a pas de fuite de liquide. Guidez les tubes en PVC à travers les trous percés dans la boîte, puis placez le modèle sur le dessus du lit de gélose.

Pour éviter que la gélose ne s’échappe de ces trous, utilisez de la pâte à modeler résistante à la chaleur pour la sceller. Ensuite, remplissez la boîte avec de la gélose et couvrez le modèle en ajoutant une couche de deux centimètres sur le dessus. Laissez la gélose refroidir complètement et réglez pendant une heure à température ambiante.

Agiter le ventricule à l’aide d’une pompe à piston d’un volume de course de 120 à 150 millilitres. Pour l’imagerie CT, placez toute la boucle d’écoulement dans le scanner CT avec l’unité d’entraînement à proximité. Connectez la pompe d’agent de contraste directement au réservoir de la boucle d’écoulement afin que l’inondation du modèle avec un agent de contraste puisse être simulée pendant la numérisation.

Ceci est particulièrement utile pour visualiser les pathologies vasculaires. Effectuez une tomodensitométrie sous forme de balayage dynamique sur l’ensemble du modèle pour visualiser l’entrée de l’agent de contraste. Injecter 100 millilitres d’un à 10 agents de contraste iodés dilués dans le réservoir du modèle à une vitesse de quatre millilitres par seconde.

Commencez le balayage en utilisant le déclenchement du bolus dans le tube principal avec un seuil d’unité de Hounsfield de 100 dans un délai de quatre secondes. Pour effectuer une échographie, placez une petite quantité de gel à ultrasons sur le bloc d’agar pour réduire les artefacts. Démarrez la pompe et utilisez la tête à ultrasons pour localiser la structure anatomique d’intérêt.

Utilisez le mode écho 2D pour évaluer le mouvement du feuillet ainsi que le comportement d’ouverture et de fermeture de la valve. Utilisez le Doppler couleur pour évaluer le flux sanguin à travers la valve et le Doppler spectral pour quantifier la vitesse d’écoulement suivant la valve cardiaque. Insérez un orifice d’accès dans le tube en PVC directement sous le modèle 3D pour permettre un accès plus facile à l’anatomie avec un cathéter cardiaque ou un fil guide.

Après avoir démarré la boucle d’écoulement, vérifiez s’il y a des fuites au point d’entrée du port. Si nécessaire, utilisez un adhésif à deux composants pour sceller l’ouverture. Placez le modèle 3D sur la table du patient sous les bras C de l’appareil à rayons X.

Utilisez l’imagerie par rayons X pour guider le cathéter et guider les fils à travers la structure anatomique. Pour l’IRM 4D, utilisez un scanner de 1,5 Tesla et assurez-vous que le protocole d’acquisition consiste en un ARM amélioré sans contraste dans la séquence de flux 4D. Acquérir un jeu de données isotropes avec 25 phases dans une épaisseur de tranche de 1,2 millimètre.

Réglez l’encodage de la vitesse à 100 centimètres par seconde. Effectuez l’analyse d’image de flux 4D avec un logiciel disponible dans le commerce. Tout d’abord, importez le jeu de données IRM 4D en le sélectionnant à partir du lecteur flash, puis effectuez une correction semi-automatisée du décalage et une correction de l’aliasing pour améliorer la qualité de l’image.

La ligne médiane du récipient sera automatiquement tracée et le logiciel extrait le volume 3D. Enfin, effectuez une analyse quantitative des paramètres de flux en cliquant sur les onglets individuels dans la fenêtre d’analyse. La visualisation de flux, la visualisation de ligne de chemin et le vecteur de flux peuvent être visualisés sans autre entrée.

Pour quantifier la pression et la contrainte de cisaillement de la paroi dans l’onglet représentatif, placez deux plans en cliquant sur le bouton Ajouter un plan. Déplacez les plans vers le roi en les faisant glisser le long de la ligne centrale afin qu’un plan soit placé au début du retour sur investissement et un autre à la fin. La perte de charge à travers le retour sur investissement et la contrainte de cisaillement des murs seront visualisées et quantifiées dans le diagramme à côté du modèle 3D.

Les modèles imprimés en 3D présentés offrent un large éventail de possibilités en imagerie CT. Le matériau imprimé peut être facilement distingué de la gélose environnante et d’éventuels implants métalliques. Par conséquent, l’utilisation d’un agent de contraste n’est normalement pas nécessaire, sauf pour générer des séquences d’imagerie dynamiques.

Lors de l’utilisation de l’imagerie par ultrasons, il est possible de distinguer la paroi du modèle, la gélose environnante et les objets dynamiques minces comme les feuillets de valve cardiaque. La couche de gélose sur le dessus du modèle fournit un retour haptique réaliste pendant le processus de numérisation. L’analyse de flux dans la boucle d’écoulement offre un large éventail d’applications possibles et d’imagerie pré-interventionnelle.

La séquence IRM 4D permet de visualiser l’écoulement des fluides, les turbulences et la contrainte de cisaillement des parois dans le modèle imprimé en 3D, ce qui permet d’analyser les schémas d’écoulement suivant des valves cardiaques artificielles. Ce flux de travail peut être transféré à différentes procédures médicales interventionnelles à des fins de formation ou de planification. La technique permet un examen in vitro plus approfondi du comportement d’écoulement dans les grands vaisseaux cardiovasculaires et offre un grand potentiel pour la planification de thérapie individualisée.