יצירת מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל עם יישומים בתוכניות טרום ניתוחיות והכשרה מעשית
10 בפברואר 2022
מודלים ספציפיים למטופל משפרים את הביטחון של המנתחים ואת המנתחים בעת פיתוח או למידה של תוכניות כירורגיות. מדפסות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) מפיקות פרטים מתאימים להכנה כירורגית, אך אינן מצליחות לשכפל אמינות הפטית של רקמות. מוצג פרוטוקול המפרט את יצירתם של מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל, המשלבים דיוק הדפסה תלת-ממדי עם רקמת סיליקון מדומה.
מחלת לב מולדת מורכבת היא בעיה תלת-ממדית קשה. טכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות קיימות אינן מצליחות לשכפל מקרוב מאפייני רקמת שריר הלב. פרוטוקול זה יוצר מודלים לאימון כירורגי בעל נאמנות גבוהה.
טכניקה זו יוצרת ביעילות מודלים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל מההדמיה שלהם. מידול האנטומיה הפנימית והחיצונית של איבריהם מאפשר לנו להכיר ולטפל באופן אינטימי במטופלים שלנו. יצירת מודלים אלה בחומר המייצג מקרוב רקמה אנטומית מאפשרת לטכניקה זו לחול על כל מאמן פרוצדורות הכולל אנטומיה.
כדי להתחיל, פתח את קובץ ה- STL של מודל אירוע שריר הלב בתוכנית CAD. ב- Magics, יבא את קבצי STL שנוצרו באמצעות ייבוא חלק שני. בחלון ניהול הפרוייקטים, בחר באפשרות השקופה של עיבוד מודלים.
השתמש בלחצני העכבר השמאלי והימני כדי לשלוט בכלי הסיבוב וההתקרבות לכוונון התצוגה של בסיס שריר הלב על-ידי הצבעה על פסגת הלב כלפי מטה וקשת אבי העורקים אופקית. כדי לקצץ את חומר מארז שריר הלב העודף מהמודל, עבור לכלים, בחר גזור וציין פוליליין ולאחר מכן בחר נקודות עניין ולחץ על החל. באופן דומה, לחתוך את מארז שריר הלב לחתיכות מרובות.
עבור לגזור, בחר ציין פוליליין ולאחר מכן בחר נקודות עניין לביצוע חתך אופקי דרך אבי העורקים המחלק את מארז שריר הלב לחצי התחתון המכיל את הפסגה ואת החצי העליון, וכן לביצוע שני חתכים אנכיים לאורך החלק הרחב ביותר של החצי התחתון והמחצית העליונה של מארז שריר הלב. ולבסוף, לחץ על החל. כדי להבטיח יישור נכון במהלך ההרכבה, באמצעות כלי ליצירת אביזרים וכלי חיסור בוליאני עם ערך אישור של 0.25 מילימטרים, צור אביזרים תואמים וחללים תומכים והוסף אותם לחתיכות מארז שריר הלב על-ידי לחיצה על הוסף אביזרי.
ציין את המיקום במודל ולאחר מכן לחץ על החל. באחת מחצי החלקים העליונים של מארז שריר הלב, צור חור מילוי סיליקון בקוטר של סנטימטר אחד ואמת מיקום חור עם SME. בחר בדוק אבחון לבדיקת אבחון בכל חלקי האירוע בנפרד כדי למצוא שגיאות כגון קצוות רגילים הפוכים, קצוות רעים, קווי המתאר הרעים, קצוות כמעט רעים, חורים מלוכלכים או פגזים בחלקי המארז שריר הלב.
אם זוהתה שגיאה, לחץ על פתור באופן אוטומטי כדי לתקן אותה. לחלופין, ניתן לתקן שגיאות באופן ידני או באמצעות כלי תיקון או אשף. אם לא ניתן לתקן שגיאות באמצעות האפשרות החלופית, תקן את השגיאות באמצעות כלי גלישת כיווץ.
לחץ על תיקון, בחר גלישת כיווץ ובצע את תיבת הדו-שיח כדי להתאים את מרווח הדגימה של גלישת הכיווץ וערכי מילוי הרווח לפי הצורך לתיקון השגיאות ביצירה הספציפית מבלי לשנות את הפיזיולוגיה בסקירת SME. לאחר מכן שמור או יצא את חלקי הריטליות הבודדים כקבצי STL. פתח את דגמי מארז שריר הלב ובריכת הדם בתוכנת כלי הפריסה המתאימה כדי להפיק קבצי הדפסה תלת-ממדיים.
הוסף תמיכה בהדפסה תלת-ממדית לכל החלקים באופן ידני או השתמש בכלי יצירת תמיכה אוטומטי המסופק בתוכנה אם הוא זמין. פרוס את הדגמים כדי ליצור קוד G לשימוש במדפסת תלת-ממד עם הפרמטרים המתוארים בכתב היד של הטקסט ולשמור או לייצא את קוד ה- G. העלה את קובץ ההדפסה למדפסת התלת-ממד.
לאחר שהבטחת הניב הנכון נטען במדפסת התלת-ממד, התחל להדפיס. לאחר השלמת ההדפסה, השתמש צבת האף מחט פינצטה כדי להסיר את כל חומר התמיכה מן חתיכות מודפסות. להרכיב את חתיכות מקרה שריר הלב סביב תבנית בריכת הדם, להבטיח את כל החלקים להתאים יחד בחוזקה.
אם מארז שריר הלב אינו יכול להתאים סביב בריכת הדם, לבצע התאמות קטנות לחתיכות עובש מקרה באמצעות כלי ליטוש סיבובי אחיזת יד כדי להסיר חומר. לאחר מכן, להחליק את פני השטח של מארז שריר הלב באמצעות אדי אצטון. כדי לעשות זאת, מרפדים את החלק התחתון ואת הצדדים של מיכל עם מגבות נייר שלא יושפעו אצטון.
יוצקים את האצטון על מגבת הנייר התחתונה ומאפשרים לו לפזר את מגבות הנייר לצד המיכל, אך לא ליצור בריכה בתחתית. מניחים חתיכת רדיד אלומיניום במיכל כדי לכסות את מגבת הנייר התחתונה. מכוונים את חתיכות מארז שריר הלב על רדיד האלומיניום כך שהפנים הרצויות להיות חלקות הן אנכיות, ומבטיחות שהחתיכות לא יגעו זו בזו או במגבות הנייר על קירות המיכל.
לכסות את המיכל עם רדיד אלומיניום ולאפשר חתיכות מארז שריר הלב להישאר ללא הפרעה במיכל עד עד 80% של גימור פני השטח הרצוי מושגת. לאחר המשטח הוא חלק, בזהירות להסיר את חתיכות מקרה שריר הלב מן המיכל, נוגע רק את המשטחים החיצוניים, ולאפשר חתיכות לחלוטין degas באזור מאוורר היטב במשך כ 30 דקות או עד חתיכות להיות יבש לחלוטין וקשה. מדוד את נפח פילוח שריר הלב באמצעות תוכנת CAD כדי לקבוע את כמות הסיליקון הדרושה.
תסיסה ביסודיות חלק א' וחלק ב' של הסיליקון. אם יש צורך בצבע על הדגם, מוסיפים פיגמנט ומערבבים את כל החלקים והפיגמנט ביסודיות, ואז מניחים סיליקון מעורב היטב לתוך תא ואקום במשך שתיים עד שלוש דקות ב 29 אינץ 'של כספית. כאשר תערובת סיליקון זו מסולקת לחלוטין, הסר אותו מהתא והטביע את בריכת הדם בתערובת הסיליקון כדי להבטיח שכל החללים והחללים בבריכת הדם יתמלאו בסיליקון ובריכת הדם מצופה ביסודיות.
באזור מאוורר היטב, יש לרסס ביסודיות את כל חלקי המארז עם מוצר שחרור קל. להרכיב את החצי התחתון של ארון שריר הלב סביב פסגת בריכת הדם. במקרה של דליפה, לאטום את הדליפה באמצעות מלחציים, דבק חם, או חימר.
לאחר מכן, יוצקים סיליקון לתוך הרווח שבין בריכת הדם לקיר התיק עד לת מילוי חתיכות עובש שריר הלב. לאחר הרכבת החלקים הנותרים של ארון שריר הלב, לאבטח את חתיכות המארז בחוזקה באמצעות גומיות ומהדקים לפי הצורך. כאשר הסיליקון מתגבש, הסר את לב הסיליקון ממארז שריר הלב וגזם את כל תפרי הסיליקון שנוצרו מהרווח שבין חלקי המארז או חור המילוי.
לאחר זיהוי כל כלי הדם עם קצוות פתוחים על מודל הסיליקון, לקצץ כל סיליקון המכסה את כלי הדם כדי לחשוף את בריכת הדם ABS בפנים. שקועים בלב הסיליקון באצטון ו- ABS יתחיל לרכך 10 עד 15 דקות לאחר טביעת האצטון. לאחר ABS הוא מרוכך, להסיר נתחים גדולים של ABS עם פינצטה כדי להגביר את המהירות של תהליך המסת ABS.
כאשר רוב בריכת הדם ABS נמסה, לשטוף את לב הסיליקון עם אצטון נקי פעמיים עד שלוש פעמים כדי להסיר את כל ABS מן הסיליקון. הסר את מודל הלב מן האצטון ולאפשר אצטון הנותר להתאדות מהדגם באזור מאוורר היטב. להערכת הדיוק והפונקציונליות של מודל הסיליקון, בוצעו שני חתכים, אחד בחדר השמאלי הקדמי והשני בחדר הימני האחורי כדי לדמיין את האנטומיה הפנימית.
הפגם הצפוי במחיצה בחדר היה נוכח כמו גם המבנים הפנימיים המתאימים וטלאי GORE-TEX נתפרו לדגם על ידי מנתח לב מולד כדי לתקן את הפגם במחיצה בחדר. עיצוב התבנית הוא קריטי. הקפד לחתוך את התבנית לחתיכות רבות ככל שאתה צריך להתאים סביב בריכת הדם.
טכניקה זו פותחת את היצירה של מודלים מורכבים סיליקון ספציפי למטופל. מגבלות חומרי ההדפסה בתלת-ממד אינן מגבילות עוד. במקום זאת, אנו מוסמכים לענות על כל דרישה למאמנים כירורגיים מורכבים.
סקירה כללית
מאמר זה מציג פרוטוקול ליצירת מודלים של לב מסיליקון המותאמים אישית למטופל, במטרה לשפר את האימון הכירורגי. באמצעות שילוב של הדפסה בתלת-ממד עם חומרי סיליקון, המודלים שואפים לשחזר את התכונות ההפטיות של רקמת השריר הלבבי (myocardial tissue) בצורה מדויקת יותר מאשר בשיטות מסורתיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- כירורגיה של הלב
- טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד
- מידול רפואי
רקע
- מחלות לב מולדות מורכבות מציבות אתגרים משמעותיים בתכנון הניתוח.
- טכנולוגיות ההדפסה התלת-ממדית הנוכחיות אינן מחקות באופן מספק את תכונות רקמת השריר של הלב.
- מודלים המותאמים אישית למטופל יכולים לשפר את תוצאות הניתוח ואת ההכשרה.
- הבנת האנטומיה באמצעות מידול משפרת את הטיפול במטופל.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה יעילה מבחינה כלכלית ליצירת מודלים לאימון כירורגי בעלי נאמנות גבוהה.
- שיפור הדיוק של הייצוגים האנטומיים בסימולציות כירורגיות.
- סבסוד הכנה טובה יותר להליכים לבביים מורכבים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בתוכנת CAD לעיבוד קבצי STL לצורך יצירת מודלים.
- הדפסה בתלת-ממד של מודלים של מקרי שריר הלב עם מילוי סיליקון.
- הרכבת המודלים להבטחת דיוק אנטומי ותפקודיות.
- טכניקות להחלקת פני השטח לשיפור רמת הדיוק של המודל.
תוצאות עיקריות
- יצירה מוצלחת של מודלי לב מסיליקון המדמים באופן הדוק את תכונות הרקמה.
- תוצאות אימון כירורגי משופרות שדווחו על ידי המשתמשים.
- המודלים הדגימו ייצוג אנטומי יעיל עבור פרוצדורות לבביות שונות.
- בצורות ייצור חסכוניות הוקמו לשימוש נרחב.
מסקנות
- מדגמי סיליקון המותאמים למטופל משפרים באופן משמעותי את ההכשרה הכירורגית.
- ניתן להתאים את הפרוטוקול ליישומים כירורגיים מגוונים מעבר לקרדיולוגיה.
- מחקרים עתידיים עשויים לבחון שכלולים נוספים בדיוק המודל ובשימושיותו.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מודלים לבביים מסיליקון המותאמים אישית למטופל ממלאים פער קריטי בהכשרה כירורגית על ידי שחזור מדויק יותר של תכונות רקמת השריר הלבבי בהשוואה למודלים סטנדרטיים בהדפסה בתלת-ממד. גישה זו מאפשרת תכנון קדם-ניתוחי ריאליסטי ואימון מעשי לתיקון פגמים מולדים מורכבים בלב, ובכך מפחיתה את הסיכון הפרוצדורלי ומשפרת את המוכנות הכירורגית. השיטה תומכת ברצף תרגומי מהדימוג ועד לתיקוף פונקציונלי של המודל, ובכך מגבירה את הביטחון החזוי בתוצאות הניתוח.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר תיקוף תפקודי של היפותזות אנטומיות במבנים לבביים ספציפיים למטופל.
- ערך תפעולי: מספק מודלים מוחשיים להפחתת סיכונים מכניסטיים של התערבויות כירורגיות לפני יישום קליני.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: יצירת מודלים פיזיים סטנדרטיים וניתנים לשחזור לצורך הערכה עקבית של טכניקה כירורגית.
- ערך תפעולי: תמיכה במוכנות דמוית-בדיקה (assay) על ידי מתן אפשרות לבדיקה חוזרת של מיקום המטפחה וטכניקות תפירה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקשר בין סגמנטציה המופקת מדימות לבין תיקוף של מודל פיזי עבור תכנון טרום ניתוחי.
- ערך תפעולי: מסייע בקבלת החלטות על התקדמות מותאמת סיכונים על ידי מתן אפשרות למנתחים לתרגל ולשכלל טכניקות על רפליקות ספציפיות למטופל.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי הפיכת נתוני דימות של מטופלים למודלים של אימון תפקודי, התומכים בזיהוי מובילים בבדיקות של מכשירים כירורגיים ובתיקוף פרה-קליני של אסטרטגיות תיקון.
- ביולוגיה של הגילוי: מאפשרת בדיקת היפותזות של גאומטריית הפגם והיתכנות התיקון באמצעות מניפולציה של מודל פיזי.
- סריקה: מספקת מוכנות כמותית באמצעות מודלים של מאגר דם ממיס, המאפשרים הערכה של הגישה לפגם פנימי ושילוב של הטלאי.
- אנליטיקה: מספקת תוצרי מדידה כגון נפח הפגם ועיוות רקמה תחת מאמץ תפירה לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: מבטיחה רציפות מסגמנטציה וירטואלית למודל פיזי, תוך תיקוף של הדיוק האנטומי לפני היישום הכירורגי.
- שימוש חוזר ארגוני: קובעת תהליך עבודה בר-שימוש חוזר ליצירת סימולטורים כירורגיים ספציפיים למטופל עבור מצבים לבביים מולדים ונרכשים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: משפר את הביטחון החיזוי על ידי שחזור תחושות מגע (haptics) של רקמה טבעית, ובכך מפחית את העמימות בניבוי תוצאות ניתוחיות.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות טכניקות של תבניות ממיסות ויציקת סיליקון הניתנה לשחזור.
- ערך אסטרטגי: מגביר את יעילות ההון על ידי אפשור אימון בעלות נמוכה ובנאמנות גבוהה, המפחית את ההסתמכות על מודלים של בעלי חיים או רקמות של גופות.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בהחלטות go/no-go מותאמות סיכון לאימוץ מכשירים כירורגיים, על ידי הדגמת יעילות בסימולציות טרום-ניתוחיות ספציפיות למטופל.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במידול CAD, הדפסת תלת-ממד וטיפול בחומרי סיליקון.
- תלוי בגישה למדפסות תלת-ממד המסוגלות להדפיס ABS הניתן להמסה ובכלי עיבוד פוסט-פרוססינג כגון תאי החלקה באמצעות אדים.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי הרדיולוגיה, ההנדסה הביומדיקית והצוותים הכירורגיים לצורך סגמנטציה ותיקוף המודל.
- כולל שיקולי התאמה למורכבויות שונות של פגמים והתאמת קנה מידה של המודל בין אנטומיה פדיאטרית למבוגרים.
- מוגבל על ידי הצורך בשלבי עיבוד פוסט-פרוססינג ידניים כגון הסרת תמיכות, החלקה באדי אצטון וניקוי בועות אוויר מהסיליקון (degassing) כדי להבטיח את דיוק המודל ואת בטיחותו.
