מאמר שיטה

פיתוח והערכה של פאנטום לב וכלי דם בהדפסה תלת-ממדית לתכנון והדרכה התערבותיים

DOI:

10.3791/62063

⸱

18 בינואר 2021

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מציגים פיתוח של מערך מחזור מדומה להערכת טיפול רב-מודאלי, תכנון טרום התערבותי, והכשרת רופא על אנטומיה של לב וכלי דם. עם היישום של סריקות טומוגרפיות ספציפיות למטופל, התקנה זו אידיאלית עבור גישות טיפוליות, הכשרה, וחינוך ברפואה אישית.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התערבויות מבוססות צנתר הן אפשרויות טיפול סטנדרטיות לפתולוגיות לב וכלי דם. לכן, מודלים ספציפיים למטופל יכולים לסייע בהכשרת מיומנויות חוט של רופאים, כמו גם לשפר את התכנון של הליכים התערבותיים. מטרת מחקר זה הייתה לפתח תהליך ייצור של מודלים ספציפיים למטופל 3D מודפסים עבור התערבויות לב וכלי דם.

כדי ליצור פנטום אלסטי בהדפסה תלת-ממדית, הושוו חומרים שונים להדפסת תלת-ממד לרקמות ביולוגיות חזיריות (כלומר, רקמת אב העורקים) במונחים של מאפיינים מכניים. חומר מתאים נבחר על סמך בדיקות מתיחה השוואתיות והוגדרו עוביים חומר ספציפיים. ערכות נתוני CT משופרות אנונימיות נאספו בדיעבד. מודלים נפחיים ספציפיים למטופל חולצו מערכות נתונים אלה ולאחר מכן מודפסים בתלת-ממד. לולאת זרימה פועמת נבנתה כדי לדמות את זרימת הדם התוך-תאית במהלך התערבויות. התאמת הדגמים להדמיה קלינית הוערכה על ידי הדמיית רנטגן, CT, 4D-MRI ו-(דופלר) אולטרה-סאונד. מדיום ניגודיות שימש לשיפור הנראות בהדמיה מבוססת רנטגן. טכניקות צנתור שונות הוחלו כדי להעריך את הרוחות המודפסות בתלת-ממד בהכשרת רופאים, כמו גם לתכנון טיפול טרום התערבותי.

מודלים מודפסים הראו רזולוציית הדפסה גבוהה (~ 30 מיקרומטר) ומאפיינים מכניים של החומר שנבחר היו דומים לביומכניקה פיזיולוגית. מודלים פיזיים ודיגיטליים הראו דיוק אנטומי גבוה בהשוואה למערכת הנתונים הרדיולוגית הבסיסית. דגמים מודפסים היו מתאימים הדמיה קולית, כמו גם צילומי רנטגן סטנדרטיים. אולטרה-סאונד דופלר ו-4D-MRI הציגו דפוסי זרימה ומאפייני ציון דרך (כלומר, מערבולת, מתח הטיה בקיר) התואמים לנתונים מקוריים. בסביבת מעבדה מבוססת קטטר, היה קל לבצע צנתור של רוחות רפאים ספציפיות למטופל. תכנון טיפול והכשרה של הליכים התערבותיים על אנטומיה מאתגרת (למשל, מחלת לב מולדת (CHD)) היה אפשרי.

רוחות רפאים קרדיווסקולריות גמישות ספציפיות למטופל הודפסו בתלת-ממד, והיישום של טכניקות הדמיה קליניות נפוצות היה אפשרי. תהליך חדש זה הוא אידיאלי ככלי אימון להתערבויות מבוססות קטטר (אלקטרופיזיולוגיות) וניתן להשתמש בו בתכנון טיפול ספציפי למטופל.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

טיפולים בודדים צוברים חשיבות גוברת בפרקטיקה הקלינית המודרנית. בעיקרו של דבר, הם יכולים להיות מסווגים בשתי קבוצות: גישות גנטיות ומורפולוגיות. עבור טיפולים בודדים המבוססים על DNA אישי ייחודי, או ריצוף הגנום או כימות של רמות ביטוי גנים יש צורך1. ניתן למצוא שיטות אלה באונקולוגיה, למשל, או בטיפול בהפרעה מטבולית2. המורפולוגיה הייחודית (כלומר, האנטומיה) של כל אדם ממלאת תפקיד חשוב ברפואה התערבותית, כירורגית ותותבת. פיתוח תותבות פרטניות ותכנון טיפול טרום התערבותי/אופרטיבי מייצגים מוקדים מרכזיים של קבוצות מחקר כיום3,4,5.

מגיע מייצור אב טיפוס תעשייתי, הדפסה בתלת-ממד היא אידיאלית לתחום זה של רפואה מותאמת אישית6. הדפסת תלת-ממד מסווגת כשיטת ייצור תוסף ומבוססת בדרך כלל על תצהיר של חומר שכבה אחר שכבה. כיום, מגוון רחב של מדפסות תלת-ממד עם טכניקות הדפסה שונות זמין, המאפשר עיבוד של חומרים פולימריים, ביולוגיים או מתכתיים. בשל מהירויות ההדפסה הגוברות, כמו גם הזמינות הנרחבת המתמשכת של מדפסות תלת-ממד, עלויות הייצור הופכות בהדרגה לפחות יקרות. לכן, השימוש בהדפסה בתלת-ממד לתכנון טרום התערבותי בשגרת היומיום הפך לאפשרי מבחינה כלכלית7.

מטרת מחקר זה הייתה ליצור שיטה ליצירת רוחות רפאים ספציפיות למטופל או ספציפיות למחלות, שמיש בתכנון טיפול פרטני ברפואת לב וכלי דם. רוחות רפאים אלה צריכות להיות תואמות לשיטות הדמיה נפוצות, כמו גם לגישות טיפוליות שונות. מטרה נוספת הייתה השימוש באנטומיות האינדיבידואליות כמודלים להכשרה לרופאים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

האישור האתי נשקל על ידי ועדת האתיקה של הוועדה האתית של מאוניברסיטת לודוויג-מקסימיליאן-מינכן, והוא ויתר על כך שערמות הנתונים הרדיולוגיות ששימשו במחקר זה נאספו בדיעבד והובנו באופן אנונימי לחלוטין.

אנא עיינו בהנחיות הבטיחות MRI של המכון, במיוחד לגבי החדר LVAD בשימוש ורכיבי מתכת של לולאת הזרימה.

1. רכישת נתונים

  1. לפני יצירת הרוחות האנטומיות, בחר ערכת נתונים רדיולוגית מתאימה, רצוי מחולים בדיסציפלינות לב וכלי דם. ניתן להפיק את דגם תלת-ממד וירטואלי הן, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) או מערכות נתונים של הדמיית תהודה מגנטית (MRI).
  2. בחר את גודל הפיקסלים ואת עובי הפרוסה (ST) של ערכת הנתונים כדי להתאים לגודל המבנים המיועדים להיות מיוצגים בדגם תלת-ממד. ניסוי זה השתמש ST של 0.6 מ"מ עם גודל מטריצה של 512 x 512 ושדה ראייה של 500 מ"מ המוביל לגודל פיקסל של 0.98 מ"מ. ודא כי הערך של גודל פיקסל ו ST חייב לשכב מתחת לגודל של התכונה הקטנה ביותר שצריכה להיות גלויה בתמונות ואת מודל 3D, למשל, <0.3 מ"מ עבור ערכות נתונים של תינוקות או ייצוג של כלילית, <0.6 מ"מ עבור המבנים הלב וכלי הדם העיקריים של חולה מבוגר.
  3. בצע רכישה סטנדרטית עבור אנגיוגרפיה CT (CTA) בטכניקת ספירלה דו-מקור עם ST של 0.6 מ"מ עבור חולים מבוגרים. למבוגרים, להזריק 80 מ"ל של סוכן ניגוד יוד במהירות של 4 מ"ל/ s ולהתחיל לרכוש 11 s לאחר מעקב בולוס בגוף העורקים עולה על סף של 100 HU. מתח הצינור וזרם הצינור נבחרים באופן אוטומטי על ידי הסורק בהתאם לסוג הגוף של המטופל. בצע שחזור בליבת רקמות רכות באמצעות רמה גבוהה של שחזור איטרטיבי.
    הערה: הפרמטרים והפרוטוקולים של רכישת CTA תלויים מאוד בסורק ה- CT הזמין, בגודל המטופל ובהיקף המטופל. הפרמטרים המוצגים מבוססי ניסיון ויש להתייחסם כנקודת התחלה להתאמה ולא כדרישה קבועה.
  4. עבור אנגיוגרפיה של MR (MRA), בצע MRA ללא ניגודיות משופרת (שאינה CE) באמצעות רצף מותאם בתוך הבית המשתמש בצורת גל הדרגתית מאוזנת לחלוטין, באמצעות הפעלת אק"ג ונשימה (TE 3.59, TR 407.40, גודל מטריצה 224x224). השג רכישת נתוני MRI מואצת באמצעות חישה דחוסה המשלבת הדמיה מקבילה, דגימה דלילה ושחזור איטרטיבי. לדוגמה, זמני רכישה של כ 5 דקות עבור ביש העורקים בית החזה אפשריים.
    הערה: הקפד לבחור ערכת נתונים נטולת חפצי תנועה. כדי להפחית את ממצאי התנועה, בצע רכישת תמונה באמצעות הפעלת אק"ג פוטנציאלית והפעלת נשימה נוספת עבור MRA שאינו CE. יתר על כן, בעת בחירת מודל לשימוש כללי, ודא כי אין שתלים מתכתיים כמו זה יכול לשפר את איכות הדגם המוגמר.
  5. עבור פילוח והדפסה תלת-ממדית של אנטומיות לב וכלי דם, השתמש בערכות נתונים משופרות בניגודיות. השימוש בערכות נתונים לב וכלי דם מקומיות מקשה על הפרדה של מבנים אנטומיים חלולים (למשל, כלי דם או חדר) מדם, בשל ערכי הונספילד דומים של בערך 30 HU8.
    הערה: שיפוע ערך Hounsfield גבוה יותר בין נפח הדם לבין הרקמה הרכה שמסביב יאפשר הפרדה קלה יותר בתהליך הפילוח. אם השיפוע קטן מאוד, חלקים של הרקמה הרכה יוצגו כחלק מנפח הדם, וכתוצאה מכך איכות מודל ירודה ועיבוד פוסט נוסף.
  6. בעת ייצוא ערכת הנתונים, הקפד לבחור עובי פרוסה נמוך למדי (בערך 0.3 - 0.6 מ"מ עבור CTA ו 0.8 - 1.0 מ"מ עבור MRA), שכן הרזולוציה ואיכות פני השטח של הדגם המודפס תלויה מאוד בפרמטר זה.
    הערה: אם עובי הפרוסה דק מדי, כוח המחשוב הנדרש למידול יגדל באופן משמעותי, מה שמאט את התהליך בהתאם. מצד שני, עובי פרוסה מוגזם יכול לגרום לאובדן פרטים קטנים באנטומיה של המטופלים.

יצירת מודלים .3D 2

הערה: יצירת מודל תלת-ממד ממערת נתונים רדיולוגית נקראת תהליך הפילוח, ונדרשת תוכנה מיוחדת. פילוח התמונות הרפואיות מבסס את עצמו על יחידות הונספילד, כדי ליצור מודלים תלת ממדיים9. מחקר זה משתמש בתוכנה מסחרית של פילוח ודוגמנות תלת-ממדית (ראה טבלה של חומרים), אך ניתן להשיג תוצאות דומות באמצעות תוכנה חופשית זמינה. השלבים הבאים יתוארו למידול מערכת נתונים משופרת של CT.

  1. לאחר ייבוא ערכת הנתונים לתוכנת הפילוח, חתוך את ערכת הנתונים כדי להגביל את תחום העניין, כלומר, הלב וקשת אב העורקים. השיג זאת על-ידי בחירת הכלי חיתוך תמונות והזזת קצוות ה- ROI על-ידי לחיצה והזזה של צידי המסגרת. זה יכול להיעשות בכל שלושת האוריינטציות. לכן, דגש על ROI, יחד עם ירידה של גודל הקובץ מתקבל, המאפשר מהירות מחשוב גבוהה יותר, המוביל זמן עבודה כולל מופחת.
  2. הגדר טווח של ערכי יחידת Hounsfield (כ- 200-800 HU) על-ידי פתיחת הכלי Threshold, וכתוצאה מכך מסכה משולבת של נפח הדם ומבני העצם המשופרים בניגודיות(איור 1A,למשל עצם החזה, חלקים של בית החזה ועמוד השדרה).
  3. הסר את כל חלקי העצם שאינם רצויים בדגם תלת-ממד הסופי באמצעות הכלי Split Mask המאפשר סימון והפרדה של אזורים מרובים ופרוסות כוללות, בהתבסס על הערכים והמיקום של Hounsfield.
  4. לאחר הפרדה זו, ודאו כי מסכה המכילה את נפח הדם המשופר בניגודיות נשארת. ניתן לעשות זאת, על ידי גלילה במישורים קורואליים וצירים והתאמת המסכה שנוצרה עם ערכת הנתונים הבסיסית. מתוך מסיכה זו, חשב דגם משטח מצולע תלת-ממדי מעובד (מה שמכונה STL) (איור 1B).
    הערה: שמות כלים עשויים להיות שונים בתוכניות פילוח אחרות.
  5. להתאמה ומניפולציה נוספות, העבר את דגם ה-3D לתוכנת מידול תלת-ממד (ראה טבלת חומרים). כדי לייצא את דגם ה-3D, לחץ על הכלי ייצואובחר את תוכנת מידול תלת-ממד, או תבנית נתונים מתאימה עבור הקובץ המיוצא. לאחר מכן, אשר את הבחירה שלך ותהליך הייצוא יבוצע.
  6. השתמש בכלי Trim כדי לחתוך את נפח הדם לאזור העניין הספציפי (למשל, הסרת חלקים של אב העורקים או חלק מחללים הלב). לחץ על הכלי וצייר קווי המתאר סביב החלקים הזקוקים להסרה.
    הערה: בהתאם לאיכות ערכת הנתונים ולדיוק הפילוח, ייתכן שיידרשו תיקונים ושינויים קלים במשטח בשלב זה. פעולות תכנון נוספות מאפשרות מניפולציה של מודלים ספציפיים למטופל על פי מטרת השימוש, למשל, בהכשרה. כמה דוגמאות להנדסה, על פי האנטומיה של המטופלים, כוללות שינוי קנה המידה של המודל כולו או מבנים בודדים, כדי ליצור או למחוק חיבורים, המשלבים חלקים של מודלים שונים באחד. תכונות כאלה מעניינות במיוחד עבור מודלים אימון עם חריגות מולדות, כמו תמונות CT ו- MRI הם נדירים ברפואת ילדים, שם מזעור של קרינה וסדציה הוא המפתח. לכן, ההתאמה והשינוי של הדגמים הקיימים מועילים במיוחד להדפסת תלת-ממד של מודלים מולדים של מום לב.
  7. לחצו על הכלי החלקה מקומית כדי להתאים את פני השטח של הדגם המפולח באופן ידני ומקומי. התמקד בהסרת צורות מצולע גסות, פסגות בודדות וקצוות מחוספסים שנוצרו על-ידי פעולות החיתוך הקודמות.
  8. כדי לאפשר חיבור מאוחר יותר של הדגם ללולאת זרימה, כלול חלקים צינוריים עם קטרים מוגדרים המותאמים למחברי הצינור הזמינים וקוטרי הצינור(איור 1C). לכן, מניחים מישור דאטום במקביל לחתך הפותח של כלי השיט במרחק של כ -10 מ"מ.
    1. כדי למקם את המישור, בחרו בכלי 'צור מישור דאטום' והשתמשו במישור בעל שלוש הנקודותהמוגדר מראש . לאחר מכן, לחץ על שלוש נקודות מרווחות באותה מידה על כלי השיט חתך כדי ליצור את המטוס. לאחר מכן, הזן היסט של 10 מ"מ בחלון הפקודה ואשר את הפעולה.
    2. בחרו בכלי סקיצה חדשה מהתפריט ובחרו במישור דאטום שנוצר בעבר כמיקום של הסקיצה. במערכון, מניחים עיגול בערך על קו האמצע של כלי השיט ומגדירים את אילוץ הרדיוס כך שיתאים לקוטר החיצוני של מחבר הצינור (24 מ"מ לכניסת אב העורקים, 8-10 מ"מ לכלי תת-בריחי, עורק הראש וכלי הכליה, ו-16-20 מ"מ לפתיחה הדיסטלית של כלי השיט).
  9. מתוך הסקיצה שנוצרה, השתמש בכלי Extrude כדי ליצור גליל באורך של 10 מ"מ. כוון את ההבלטה להתרחק פתח כלי השיט, כדי ליצור מרחק בין הצילינדר ואת כלי חתך של 10 מ"מ. לאחר מכן, השתמש בכלי Loft, כדי ליצור חיבור בין סיום כלי השיט לבין הגליל המוגדר גיאומטרית. בשלב זה, ודא מעבר חלק בין שני חתך הרוחב, ובכך הימנע מערבולת ואזורי זרימה נמוכה בדגם הזרימה התלת-ממדי הסופי (איור 1D).
    הערה: על ידי ביצוע שלבים אלה, מודל תלת-ממד של נפח הדם של העורקים והעורקים החסידים ייווצר. יתר על כן, הוא יכלול את המחברים הדרושים לחיבורו לאחר מכן ללולאת זרימה.
  10. כדי ליצור מרחב דם חלול, השתמש בכלי הולו בתוכנה. בחלון הפקודה, הזן את עובי הקיר הנדרש (בניסוי זה: 2.5 מ"מ) יתר על כן, יש להגדיר את כיוון תהליך החלול לחוץ. לאחר מכן, אשר את הבחירה ותהליך החלחול יבוצע.
    הערה: שלב זה מאפשר בחירה של עובי קיר קבוע עבור הדגם כולו. מכיוון ש"חלול" יוצר עובי קיר מוגדר על כל המשטחים, תוצאה של דגם סגור לחלוטין. לכן, יהיה צורך לקצץ את קצות כל כלי השיט פעם נוספת באמצעות השלב המתואר בשלב 2.6 (איור 1E). בעת שימוש בחומרים גמישים להדפסת תלת-ממד, שלב זה חיוני להגדרת המאפיינים הביו-מכניים הסופיים של הפנטום. על ידי הגדלת עובי הקיר של המודל, עמידות גבוהה יותר וגמישות נמוכה יותר יביאו באופן הגיוני. אם המאפיינים המכניים של הרקמה המקורית והחומר להדפסת תלת-ממד אינם ידועים, יש לבצע בדיקות מתיחה בשלב זה. מאז עובי הקיר הוא קבוע על פני המודל כולו, המאפיינים המכניים הרצויים צריכים להיות מחדש באזור העניין של המודל.
  11. תוכנות עיבוד מסוימות מציעות "אשף" כדי להבטיח את יכולת ההדפסה של הדגם הסופי, אשר מומלץ מאוד. שלב עיבוד אופציונלי זה ינתח את רשת המצולע של המודל ויסמן חפיפות, פגמים ואובייקטים קטנים, שאינם מחוברים למודל. בדרך כלל, האשף מציע פתרונות להסרת הבעיות שנמצאו, וכתוצאה מכך דגם תלת-ממד להדפסה (איור 1F).
  12. יצא את המודל הסופי כקובץ .stl על-ידי בחירה באפשרות ייצוא בכרטיסיה קובץ.
    הערה: כדי לאשר את הדיוק של דגם תלת-ממד מעוצב, תוכנה מסוימת מאפשרת את שכבת העל של קווי המתאר הסופיים של STL ואת ערכת הנתונים הרדיולוגית הבסיסית. זה מאפשר השוואה חזותית של דגם תלת-ממד לאנטומיה המקורית. יתר על כן, יש לבחור מדפסת עם רזולוציה מרחבית מתאימה של < 40 מיקרומטר, כדי לאפשר הדפסה מדויקת של המודל הדיגיטלי.

3.3D הדפסה וכיוונון לולאת זרימה

  1. העלה את קובץ ה- .stl למדפסת תלת-ממד, באמצעות תוכנת החתך המסופקת על-ידי היצרן, כדי ליצור פנטום פיזי של האנטומיה. באופן אידיאלי, יש להשתמש בגובה שכבת הדפסה של ≤ 0.15 מ"מ כדי להבטיח רזולוציה גבוהה ואיכות הדפסה טובה.
    הערה: יש מגוון רחב של חומרי הדפסה אלסטיים ומדפסות תלת-ממד מתאימות הזמינות בשוק. ניתן להשתמש בכיוונונים שונים כדי להדפיס את המודלים הדיגיטליים שתוארו בעבר. עם זאת, רזולוציה, לאחר עיבוד והתנהגות מכנית עשויים להיות שונים מהתוצאות המוצגות.
  2. לאחר העלאת קובץ ההדפסה מתוכנת הניתוק למדפסת התלת-ממד, ודא שכמות חומר ההדפסה וחומר התמיכה במחסניות המדפסת מספיקה לדגם התלת-ממד והפעלת ההדפסה.
  3. לאחר תהליך ההדפסה, הסר את חומר התמיכה מהדגם המוגמר. ראשית, הסר את חומר התמיכה באופן ידני על ידי סחיטה עדינה של הדגם, ואחריו טבילה במים או ממס בהתאמה (בהתאם לחומר התמיכה). יבש באינקובטור להגדיר 40 °C (50 °F) לילה.
    הערה: הסרת חומר התמיכה יכולה להיות צעד גוזל זמן, בהתאם למורכבות של המודל האנטומי. בעוד שהשימוש בכלים כמו מריות, כפיות ובדיקות רפואיות יכול להפחית מעט את זמן לאחר העיבוד, הוא גם מגביר את הסכנה לנקב את קיר הדגם, מה שהופך אותו לחסר תועלת לבדיקות נוזלים. בעת שימוש בטכנולוגיית ההדפסה Polyjet, הדגם כולו יהיה עטוף בחומר תמיכה. זה נדרש כדי לשמור על חומר הדגם לא cured במקום בזמן שהוא נרפא באמצעות אור UV. בדגמים צינוריים חלולים, זה יוביל לביקוש גבוה בהרבה לחומר תמיכה בהשוואה לחומר הדגם בפועל. המודל המוצג באיור 2 משתמש בכ-200 גרם של חומר לדוגמה ו-2,000 גרם של חומר תמיכה.
  4. לאחר מכן, הטמע את הדגם ב-1% אגר. זה מפחית ממצאי תנועה במהלך הדמיה קלינית של המודל. שנית, אגר מציע משוב הפטי טוב יותר במהלך הדמיה סונוגרפית, ומשוב כוח טוב יותר במהלך הצנתור, בהשוואה לטביעה במים.
    1. השתמש בקופסת פלסטיק עם שוליים צדדיים של 2 ס"מ לפחות סביב הדגם. לקדוח חורים בקירות הקופסה כדי לאפשר לצינורות להיות מחוברים מהכלים למשאבה ולמאגר.
    2. מכינים תמיסה אגר על ידי הוספת 1% w /v במים ולהביא לרתיחה. לאחר רותחים ומערבבים את התערובת, נותנים לה להתקרר במשך 5 דקות ויוצקים לתוך הקופסה כדי ליצור מיטה בגובה של לפחות 2 ס"מ, שעליה יונח הדגם.
      הערה: אם הדגם ממוקם ישירות על החלק התחתון של התיבה, הפולסטיליות של הנוזל בתוך המודל תיצור תנועה אסימטרית כלפי מעלה.
  5. בזמן שמיטות אגר קובעות, חברו את הדגם לצינורות PVC שאינם תואמים, באמצעות מחברי צינור מסחריים בכל פתח. קוטר צינור בקוטר 3/8 אינץ' מומלץ לכלים גדולים (למשל, אב העורקים) ו/או מבנים אנטומיים עם זרימת דם גבוהה (למשל, חדרים). עבור כלי קטן יותר צינור 1/8 " מספיק. השתמש בקשרי zip כדי לתקן את החיבור בין מחברי הצינור לדגם תלת-ממד ולוודא שאין דליפה של נוזלים.
  6. מדריך צינורות PVC דרך החורים שנקדחו לתוך התיבה ולאחר מכן למקם את הדגם על גבי מיטת אגר להגדיר. כדי למנוע דליפת אגר מהחורים האלה, השתמש בחימר דוגמנות חסין חום כדי לאטום אותו. לאחר מכן, למלא את הקופסה עם אגר, מכסה את הדגם על ידי הוספת שכבה 2 ס"מ על גבי ולהשאיר במשך שעה בטמפרטורת החדר עבור אגר להתקרר לחלוטין ולהגדיר. זה ידרוש יותר של תערובת אגר המתואר בשלב 3.4.
    הערה: אגר פעם נרפא יהיה שמיש במשך כשבוע, אם בקירור. ברגע שהוא מפחית באופן ניכר בנפח, יש להחליף אותו באצווה טרייה.
  7. חבר משאבת חדר פנאומטית פועמת לדגם באמצעות צינורות "3/8 המחוברים לפתח הפרוקסימלי. חבר את הצינורות האחרים למאגר ולאחר מכן, חבר את המאגר לפרצון של משאבת החדר כדי ליצור לולאת זרימה סגורה. (איור 2;למשל, התקן סיוע לחדרי (VAD)-חדר). המשאבה צריכה להיות נפח שבץ של 80 - 100 מ"ל כדי להבטיח זרימה פיזיולוגית מספקת באנטומיות למבוגרים. עבור אנטומיה של ילדים, תאי שאיבה קטנים יותר זמינים.
  8. החדר צריך להיות נסער על ידי משאבת בוכנה עם נפח שבץ של 120 - 150 מ"ל, כדי להסביר דחיסת אוויר במערכת צינור החיבור.

4. הדמיה קלינית

הערה: כדי למנוע חפצים בהדמיה קלינית, יש לוודא כי אין כיסי אוויר במעגל הנוזלים.

  1. הדמיית CT
    1. עבור הדמיית CT, מקם את לולאת הזרימה כולה בתוך סורק ה- CT כאשר יחידת הכונן עומדת בקרבת מקום. חבר את משאבת סוכן הניגודיות ישירות למאגר של לולאת הזרימה, כך שניתן יהיה לדמות את ההצפה של הדגם עם סוכן ניגודיות במהלך הסריקה. זה שימושי במיוחד להדמיית פתולוגיות כלי דם.
    2. בצע CT כסריקה דינמית על כל הדגם כדי להציג באופן חזותי את זרימת סוכן הניגודיות. מתח הצינור מוגדר על 100 kVp, זרם צינור ב 400 mAs. קולימציה היא 1.2 מ"מ. הזרק 100 מ"ל של 1:10 סוכן ניגודיות יוד מדולל למאגר של הדגם, במהירות של 4 מ"ל/s. התחל את הסריקה באמצעות בולוס מפעיל בצינור המוביל, עם סף 100 HU ו 4 s עיכוב.
  2. סונוגרף
    1. שים כמות קטנה של ג'ל קולי על גבי בלוק אגר כדי להפחית חפצים. התחל את המשאבה והשתמש בראש הקולי כדי לאתר את המבנה האנטומי של עניין עבור הדמיה קולית (כלומר, שסתומי לב). השתמש במצב הד-די-די כדי להעריך את תנועת העלונים, כמו גם את התנהגות הפתיחה והסגירה של השסתום. השתמש דופלר צבע כדי להעריך את זרימת הדם על פני השסתום דופלר ספקטרלי כדי לכמת את מהירות הזרימה בעקבות שסתום הלב.
  3. צנתור/התערבויות
    1. הכנס יציאת גישה לצינור PVC ישירות מתחת לדגם 3D, כדי לאפשר גישה קלה יותר של האנטומיה עם צנתר לב או מדריך. לאחר הפעלת לולאת הזרימה, בדוק אם יש דליפה בנקודת הכניסה לנמל. במידת הצורך, השתמש בדבק דו-רכיבים כדי לאטום את הפתח.
    2. הנח את דגם ה-3D על שולחן המטופלים מתחת לזרועות ה-C של מכונת הרנטגן. השתמש בהדמיית רנטגן כדי להנחות את הצנתר ואת ההנחיה דרך המבנה האנטומי. עבור התרחבות בלון או מיקום סטנטגרפט להשתמש במצב רנטגן רציף כדי לדמיין את ההתרחבות של המכשיר.
      הערה: אימון צנתור והתערבות במודלים בהדפסה תלת-ממדית מאפשר שימוש להחלפה במודלים אנטומיים ופתולוגיים שונים. זה מגדיל עוד יותר את המגוון והריאליזם של הגדרת האימון.
  4. 4D-MRI
    1. השתמש בסורק 1.5 T לרכישת MRI וודא שפרוטוקול הרכישה מורכב מ- MRA שאינו משופר בניגודיות כמתואר לעיל ומרצף 4D-Flow. עבור 4D-Flow לרכוש ערכת נתונים איזוטרופית עם 25 שלבים ועובי פרוסה של 1.2 מ"מ (TE 2.300, TR 38.800, FA 7 °, גודל מטריצה 298 x 298). הגדר את קידוד המהירות על 100 ס"מ/s. מדידות ההחמצה מבוצעות באמצעות אק"ג מדומה וגורמי נשימה.
    2. לניתוח 4D-Flow התיבה עם הדגם המוטבע וחדרי VAD ממוקמים בסורק MRI ומכוסים בסליל גוף בן 18 ערוצים. לגבי השדה המגנטי של סורק ה- MRI, יש למקם את יחידת הכונן הפנאומטית מחוץ לחדר הסורק; לכן, מערכת צינור חיבור ארוכה יותר נדרשת בדרך כלל.
    3. בצע את ניתוח התמונה 4D-Flow באמצעות תוכנה זמינה מסחרית. תחילה, יבא את ערכת הנתונים 4D-MRI על-ידי בחירתה מכונן ההבזק. לאחר מכן, בצע תיקון היסט אוטומטי למחצה ותיקון של כינוי כדי לשפר את איכות התמונה. לאחר מכן, קו המרכז של כלי השיט הוא במעקב אוטומטי, ואת התוכנה מחלץ את נפח 3D.
    4. לבסוף, בצע ניתוח כמותי של פרמטרי זרימה על ידי לחיצה על הכרטיסיות הבודדות בחלון הניתוח. פריט חזותי של זרימה, פריט חזותי של קו נתיב וקטור זרימה יזווו באופן חזותי ללא קלט נוסף. לכימות לחץ ולחץ הגהת קיר בכרטיסייה המתאימה, מקם שני מישורים על ידי לחיצה על הכפתור הוסף מישור. המטוסים יוצבו באופן אוטומטי בניצב לקו המרכזי של הספינה.
    5. הזז את המטוסים אל ROI על ידי גרירתם לאורך קו המרכז, כך שמטוס אחד ממוקם בתחילת ROI ואחד בסוף. בתרשים שליד מודל תלת-ממד, הלחץ יורד על פני לחץ הגירוש והקיר תדמיין ותכומת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התוצאות הייצוגיות המתוארות מתמקדות בכמה מבני לב וכלי דם הנפוצים בתכנון, אימון או בדיקות. אלה נוצרו באמצעות ערכות נתונים איזוטרופיות CT עם ST של 1.0 מ"מ וגודל ווקסל של 1.0 מ"מ³. עובי הקיר של דגמי המפרצת של באבי העורקים נקבע על 2.5 מ"מ בהתאם לתוצאות בדיקת מתיחה יחסית של חומר ההדפסה (חוזק מתיחה: 0.62 ± 0.01 N/mm2; Fמקסימום: 1. 55 ± 0.02 N; התארכות: 9.01 ± 0.34 %) ודגימות אב העורקים חזיר (רוחב: 1 מ"מ; Fמקסימום: 1.62 ± 0.83 ינוהן; התארכות: 9.04 ± 2.76 %).

<...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

זרימת העבודה המוצגת מאפשרת להקים מודלים בודדים ובכך לבצע תכנון טיפול טרום התערבותי, כמו גם הכשרת רופאים על אנטומיה אישית. כדי להשיג זאת, נתונים טומוגרפיים ספציפיים למטופל יכולים לשמש עבור פילוח והדפסה תלת-ממדית של רוחות רפאים קרדיווסקולריות גמישות. על ידי יישום של מודלים אלה מודפסים 3D במחזור מדומה, מצבים קליניים שונים יכולים להיות מדומים באופן מציאותי.

כיום, הליכי תכנון טיפול רבים מתמקדים בסימולציה דיגיטלית של תרחישים שונים, על מנת לזהות את התוצאה החיובית ביותר10,...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים שאין ניגוד אינטרסים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרסום זה נתמך על ידי קרן הלב הגרמנית / הקרן הגרמנית לחקר הלב.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
3-maticMaterialise ABתוכנה גרסה 15.0 - תוכנה מסחרית למידול תלת מימד
Affiniti 50Philips Medical Systems GmbHמערכת הדמיה אולטרסאונד
Agilista W3200Keyence Co.מדפסת תלת מימד Polyjet ברזולוציה מרחבית של 30µ מ
AR-G1LKeyence Co.חומר גמיש להדפסת תלת מימד
Artis ZeeSiemens Healthcare GmbHAngiographic X-ray Scanner
cvi42CCI Inc.גרסת תוכנה 5.12 - תוכנת ניתוח זרימה 4D
קטטר אבחון, רב תכליתי MPA 2Cordis, קטטר של חברתלמודלים של אימון ילדים, גדלים 4F לתינוקות ו-5F לילדים, מבוגרים צעירים
Excor Ventricular Assist DeviceBerlin Heart GmbH80 -100ml נפח שבץ
Imeron 400 Contrast AgentBracco ImagingCT - חומר ניגוד
IntroGuide FAngiokard Medizintechnik GmbHGuidewire עם J-tip; קוטר: 0.035 אינץ' אורך: 220 ס"מ
Lunderquist GuidewireCook Medical Inc.(T)EVAR מדריך התערבותי
MAGNETOM AeraSiemens Healthcare GmbHMRI Scanner
Magnevist Contrast AgentBayer Vital GmbHMRI - חיקוי חומר ניגוד
MaterialiseAB Software Version 23.0 - Commercial Segmentation Software
Modeling StudioKeyence Co.תוכנת חיתוך מדפסת תלת מימד
PVC
חוט מדריך רדיפוקוס MTerumo Europe NVחוט מנחה ישר; קוטר: 0.035 אינץ' אורך: 260 ס"מ
קופסה שימושית באמת 9Lמוצרים שימושיים באמת בע"מ
Rotigarose - גרסת תוכנה סטנדרטית AgarCarl Roth GmbH3810.4
SolidworksDassault Systemes SEגרסת תוכנה 2019-2020; תוכנת עיצוב CAD
SOMATOM ForceSiemens Healthcare GmbHסורק טומוגרפיה ממוחשבת
באמצעותתוכנת הדמיה רדיולוגיתSiemens Healthcare GmbH
Cardinal Health צינורות

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goetz, L. H., Schork, N. J. Personalized medicine: motivation, challenges, and progress. Fertility and Sterility. 109 (6), 952-963 (2018).
  2. Gwin, W. R., Disis, M. L., Ruiz-Garcia, E. Immuno-Oncology in the Era of Personalized Medicine. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1168, 117-129 (2019).
  3. Spetzger, U., Frasca, M., König, S. A. Surgical planning, manufacturing and implantation of an individualized cervical fusion titanium cage using patient-specific data. European Spine Journal. 25 (7), 2239-2246 (2016).
  4. Gardner, S. J., Kim, J., Chetty, I. J. Modern radiation therapy planning and delivery. Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 947-962 (2019).
  5. Haglin, J. M., et al. Patient-specific orthopaedic implants. Orthopaedic surgery. 8 (4), 417-424 (2016).
  6. Liaw, C. Y., Guvendiren, M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication. 9 (2), 024102(2017).
  7. Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
  8. Kamalian, S., Lev, M. H., Gupta, R. Handbook of Clinical Neurology. Masdeu, J. C., Gonzalez, R. G. , Elsevier. 3-20 (2016).
  9. Bücking, T. M., et al. From medical imaging data to 3D printed anatomical models. PLoS One. 12 (5), 0178540(2017).
  10. Steinberg, E. L., Segev, E., Drexler, M., Ben-Tov, T., Nimrod, S. Preoperative planning of orthopedic procedures using digitalized software systems. Israel Medical Association Journal. 18 (6), 354-358 (2016).
  11. Hua, J., Aziz, S., Shum, J. W. Virtual surgical planning in oral and maxillofacial surgery. Oral and Maxillofacial Surgery Clinics of North America. 31 (4), 519-530 (2019).
  12. Schmauss, D., Haeberle, S., Hagl, C., Sodian, R. Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology: a single-centre experience. European Journal of Cardiothoracic Surgery. 47 (6), 1044-1052 (2015).
  13. Smelt, J. L. C., et al. Operative Planning in thoracic surgery: A pilot study comparing imaging techniques and three-dimensional printing. The Annals of Thoracic Surgery. 107 (2), 401-406 (2019).
  14. Masaeli, R., Zandsalimi, K., Rasoulianboroujeni, M., Tayebi, L. Challenges in three-dimensional printing of bone substitutes. Tissue Engineering Part B: Reviews. 25 (5), 387-397 (2019).
  15. Rafiee, M., Farahani, R. D., Therriault, D. Multi-material 3D and 4D printing: A survey. Advanced Science. 7 (12), 1902307(2020).
  16. Wang, S., et al. Development and testing of an ultrasound-compatible cardiac phantom for interventional procedure simulation using direct three-dimensional printing. 3D Printing and Additive Manufacturing. 7 (6), 269-278 (2020).
  17. D'Souza, W. D., et al. Tissue mimicking materials for a multi-imaging modality prostate phantom. Medical Physics. 28 (4), 688-700 (2001).
  18. Tejo-Otero, A., Buj-Corral, I., Fenollosa-Artés, F. 3D printing in medicine for preoperative surgical planning: A review. Annals of Biomedical Engineering. 48 (2), 536-555 (2020).
  19. Rotman, O. M., et al. Realistic vascular replicator for TAVR procedures. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 339-350 (2018).
  20. Hussein, N., et al. Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).
  21. Fedorov, A., et al. 3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic resonance imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  22. Katsura, M., Sato, J., Akahane, M., Kunimatsu, A., Abe, O. Current and novel techniques for metal artifact reduction at ct: practical guide for radiologists. Radiographics. 38 (2), 450-461 (2018).
  23. Pépin, A., Daouk, J., Bailly, P., Hapdey, S., Meyer, M. E. Management of respiratory motion in PET/computed tomography: the state of the art. Nuclear Medicine Communications. 35 (2), 113-122 (2014).
  24. Scott, A. D., Keegan, J., Firmin, D. N. Motion in cardiovascular MR imaging. Radiology. 250 (2), 331-351 (2009).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

3D Printed PhantomsCardiovascular ModelsInterventional PlanningCatheter Based InterventionsPatient Specific ModelsFlow Loop SimulationCT ImagingDoppler Ultrasonography4D MRICatheterization Training

מאמרים קשורים