Modello di cuore neonatale anatomicamente realistici per l'uso in simulatori paziente neonatale

Sommario

Questo protocollo descrive una procedura per la creazione di modelli funzionali cardiache neonatale artificiali utilizzando una combinazione di imaging a risonanza magnetica, la stampa 3D e stampaggio ad iniezione. Lo scopo di questi modelli è integrazione nella prossima generazione di simulatori paziente neonatale e come strumento per gli studi fisiologici ed anatomici.

Abstract

Simulatori di paziente neonatale (NPS) sono surrogati pazienti artificiali utilizzati nel contesto della formazione di simulazione medica. Neonatologi e personale infermieristico pratica interventi clinici quali le compressioni toraciche per garantire la sopravvivenza del paziente in caso di bradicardia o arresto cardiaco. I simulatori utilizzati attualmente sono di bassa fedeltà fisica e pertanto non possono fornire la comprensione qualitativa nella routine delle compressioni toraciche. L'incorporamento di un modello di cuore anatomicamente realistici in futuro simulatori consente il rilevamento del cardiac output generati durante le compressioni del torace; Questo può fornire ai medici con un parametro di output, che possa approfondire la comprensione dell'effetto di compressioni in relazione alla quantità di flusso sanguigno generato. Prima questo monitoraggio può essere raggiunto, è necessario creare un modello di cuore anatomicamente realistici contenente: due atri, due ventricoli, valvole cardiache quattro, vene polmonari e le arterie e sistemiche vene e arterie. Questo protocollo descrive la procedura per la creazione di un modello di cuore neonatale artificiale funzionale utilizzando una combinazione di formazione immagine a risonanza magnetica (MRI), stampa 3D e colata in forma di stampaggio ad iniezione freddo. Utilizzando questo metodo con flessibile 3D stampi interne stampate nel processo di stampaggio ad iniezione, un modello di cuore anatomicamente realistici possa essere ottenuto.

Introduzione

Ogni anno milioni di neonati sono ricoverati in unità di terapia intensiva neonatale (NICU). In NICUs, la maggior parte delle emergenze si riferiscono ai problemi nelle vie respiratorie, la respirazione e la circolazione (ABC) e richiedono interventi quali le compressioni toraciche. NPS offrono un insegnamento prezioso e strumento di formazione di praticare tali interventi. Per alcuni dei criteri di rete, sensori incorporati in grado di rilevare se prestazioni soddisfano le linee guida cliniche consigliate¹ per profondità e velocità delle compressioni toraciche. L'aderenza alle linee guida possa essere usata per calcolare e quantificare le prestazioni, e a questo proposito, tale stato dell'arte dei criteri di rete può essere visto come una metrica di casella tangibile e bianco per la valutazione delle prestazioni.

L'aderenza alle linee guida consigliate mira a migliorare la fisiologia del paziente. Ad esempio, le compressioni toraciche vengono recapitate con l'obiettivo di generare flusso sanguigno adeguato nel sistema circolatorio. Corrente ad alta fedeltà dei criteri di rete (ad esempio, PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norvegia) e Paul (SIMCharacters, Vienna, Austria)), non contengono qualsiasi sensori per misurare i parametri fisiologici quali il flusso di sangue durante l'allenamento perché hanno un cuore integrato per generare questo parametro fisiologico. Pertanto, l'efficacia delle compressioni toraciche in corrente dei criteri di rete non possa essere valutata a un livello fisiologico. Dei criteri di rete consentire la valutazione fisiologica delle compressioni toraciche, un cuore anatomicamente realistico artificiale deve essere integrato nel NPS. Inoltre, ricerca² Mostra che un aumento nella fedeltà anatomico fisico può portare ad un aumento nella fedeltà funzionale di NPS. L'integrazione di un sistema di organi fisicamente ad alta fedeltà sarebbe beneficio sia la fedeltà funzionale di formazione e consentire la valutazione di prestazione fisiologica.

Un aumento sostanziale nella fedeltà di NPS può essere raggiunto attraverso la stampa 3D. In medicina, stampa e imaging 3D sono utilizzati principalmente per la creazione di impianti^3,4,5e preparazione chirurgica. Ad esempio, nel campo della simulazione chirurgica, gli organi sono prodotte per addestrare i chirurghi sull'esecuzione di procedure chirurgiche⁶. Le possibilità di stampa 3D non sono state ancora ampiamente applicate in NPS. La combinazione di imaging 3D e stampa 3D apre la possibilità per NPS raggiungere un alto livello di fedeltà fisica. La replica di sofisticato, flessibile e neonatale organi come il cuore diventa possibile dovuto la gamma di tecniche e materiali utilizzati per la stampa 3D⁷sempre più ampliando.

In questa carta, dettagliamo un protocollo per la creazione di un cuore artificiale neonatale funzionale utilizzando una combinazione di MRI, la stampa 3D e stampaggio ad iniezione freddo. Il modello di cuore in questa carta include due atri, due ventricoli, quattro valvole funzionali e le arterie polmonari e sistematiche e vene tutte prodotte da un singolo silicone il cast. Il modello di cuore può essere riempito con un liquido, dotato di sensori e usato come generatore di parametro di output (cioè, la pressione sanguigna o arterioso durante le compressioni toraciche e la funzionalità della valvola).

Protocollo

Tutte le approvazioni istituzionali sono state ottenute prima di imaging del paziente.

1. acquisizione e segmentazione delle immagini

1. Acquisire una scansione MRI toracica di un neonato in Digital Imaging and Communications in formato medicina (DICOM). Catturare ogni fetta della scansione nella fase diastolica ventricolare del ciclo del cuore o ottenere un MRI toracica da un'autopsia.
   Nota: Una visibilmente chiara definizione del muscolo del cuore, così come atri e ventricoli, è essenziale.
2. Utilizzando il software di elaborazione (Vedi Tabella materiali) importazione il file DICOM del MRI toracica. Utilizza la voce di menu 'Modifica delle maschere', selezionare l'area del muscolo del cuore su ogni fetta di MRI dove il cuore è presente. Gli atrii ed i ventricoli, in questo caso, possono essere coperti pure.
3. Create un nuovo livello di schizzo e segmento separatamente i due atri e due ventricoli nello stesso modo come la selezione per il muscolo cardiaco. Non segmentare le valvole presenti tra atri e ventricoli e tra ventricoli e arterie.
4. Il muscolo di rendering e alloggiamenti in rappresentazioni 3D distinte utilizzando il menu 'Calculate 3D' articolo ed esportano come cinque file di stereolitografia (STL) utilizzando le impostazioni di risoluzione ottimale utilizzando la voce di menu 'STL +'.
5. Caricare i file the.stl nel software CAD (Vedi Tabella materiali). Utilizzare la voce di menu di correzione guidata per ripristinare i file di the.stl per triangoli sovrapposti e bordi mal riusciti. Salvare nuovamente il file di the.stl.
   Nota: Se nessun cuore MRI è disponibile, è consigliabile utilizzare il modello di cuore utilizzato nel presente protocollo. Questo file contiene anche modelli di valvole di cuore separato. Per favore clicca qui per scaricare i file.

2. elaborazione e stampa di stampo

1. Caricare il set di Atri e ventricoli in un software di progettazione assistita da computer (Vedi Tabella materiali). Per favore clicca qui per scaricare i file.
   1. Determinare la posizione delle valvole aortiche, polmonare, mitrale e tricuspide utilizzando la risonanza magnetica originale (Figura 1).
2. Aggiungere le metà stampo positivi e negativi di ogni valvola alla loro rispettiva posizione nel set caricato di Atri e ventricoli trascinando il file di valvola (ottenuto tramite il link qui sopra) nel file corrente attivando la funzione 'Inserisci parte'. Indicare la posizione di collocamento cliccando la posizione della superficie del atria o ventricoli.
   1. Estrudere la base della valvola positiva e negativa utilizzando ' scheda Caratteristiche > estrusione estrusione ' sporgere nel loro rispettive camere e unire parti della valvola alla loro rispettiva camera.
      Nota: La valvola mitrale consiste di due parti semilunare, mentre la tricuspide, aortica, e valvole polmonari sono costituiti di tre.
3. Aggiungere il file di valvola aortica e polmonare alla loro posizione di rispettivi ventricolo utilizzando la procedura descritta al punto 2.2. Dall'alto di queste valvole, schizzo arching due cilindri del diametro di 5mm cliccando la ' scheda schizzo > cerchio ' seguendo un abbozzato ad arco riga utilizzando la ' scheda Caratteristiche > sweep di estrusione ' fino a quando entrambe le superfici cilindro circolare raggiungono la posizione orizzontale. Unire le parti della valvola ai loro rispettivi ventricoli e arterie.
4. Dalla base di ciascuna delle quattro camere, così come i due cilindri ad archi, disegnare cilindri verticali di 5 mm di diametro facendo clic la ' scheda schizzo > cerchio ' articolo ed estrudere li a 40 mm in lunghezza facendo la ' scheda Caratteristiche > estrusione estrusione ' elemento. Lasciate che ogni cilindro sporgono nella loro rispettiva camera.
   1. Per garantire le camere posizionamento durante il montaggio le sei parti interne nello stampo, aggiungere differenziale tacche a sei cilindri (Figura 2) tracciando semicerchi in cima i cilindri: Clicca la ' scheda schizzo > schizzo cerchio ' voce di menu e uso il ' sulla scheda funzionalità > taglio/estrusione ' voce di menu per creare rientranze di diversa profondità.
      1. Sottrarre le loro forme da chambers e arterie selezionando il corpo solido dell'alloggiamento e dell'arteria, clic destro e premendo la funzione di 'combine' dopo che possa essere selezionata l'impostazione Sottrai. Non unire queste parti. Salvare tutti gli alloggiamenti e le arterie separatamente.
5. Importare il modello di muscolo del cuore. Compensare gli schizzi di base di sei cilindri a partire un nuovo schizzo e selezionando tutti gli schizzi di base cilindro tenendo premuto il tasto 'shift'. Quindi, selezionare la ' scheda schizzo > convertire la voce di menu degli enti. Selezionare la ' scheda schizzo > compensare la voce di menu degli enti per scostare i bozzetti di 2 mm.
   1. Estrudere e unire questi schizzi facendo clic sulla ' scheda Caratteristiche > estrudere la voce di menu capo/bass con il modello del muscolo di cuore; Ripetere per i cilindri arcuati. Unire questi cilindri con il modello del muscolo di cuore facendo clic sulla ' scheda Caratteristiche > estrudere la voce di menu capo/bass.
      Nota: Assicurarsi che il modello del muscolo di cuore di fronte degli atrii è oltre 2 mm di distanza (Figura 1). Altrimenti rompe il muro quando si rimuovono gli stampi interni.
6. Modellare un cubo dalla base del sei cilindri giù inserendo un piano di riferimento cliccando la ' scheda Caratteristiche > geometria di riferimento > piano '. Dopo questo, fare clic la ' scheda schizzo > Piazza ' voce di menu e schizzo un quadrato con una lunghezza e una larghezza di 4 mm più larga rispetto alla parte più ampia del modello muscolo cuore.
   1. Questo estrudere verso il basso con uno spessore di 8 mm, cliccando la ' scheda Caratteristiche > estrusione estrusione ' menu articolo e unire questo alla base dei sei cilindri contrassegnare la voce di menu 'Unione di parti'. Ai quattro angoli della base, aggiungere cubetti di 4 mm utilizzando lo stesso metodo.
7. Utilizzando la base quadrata come uno schizzo, estruderlo per coprire il modello intero cuore e sottrarre tutte le altre parti da questo. Dividere la parte superiore del rettangolo avanzo nella parte più larga del modello cuore. Al primo posto un piano di riferimento presso l'altezza desiderata utilizzando la ' scheda Caratteristiche > geometria di riferimento > piano. Dopo questo, utilizzare la voce di menu ' Inserisci > stampi > dividere ' selezionare la superficie su cui la scissione ha a prendere posto e l'oggetto che richiede spaccare.
   1. Dividere il rettangolo avanzo stampo nuovamente al più conveniente rilasciare posizione utilizzando lo stesso metodo descritto al punto 2.7 ancora in posizione verticale. Schizzo cubi prese da 4 mm negli angoli delle parti longitudinali dello stampo e aggiungere cubetti di 4 mm agli angoli del coperchio superiore utilizzando la ' scheda schizzo > Piazza ' e ' scheda Caratteristiche > estrusione estrusione ' voci di menu.
8. 50 cerchi di 1 mm di diametro che copre la parte superiore del modello di stampo esterno intero di schizzo e taglio-estrusione questi attraverso tutti gli stampi esterni. Inoltre, estrudere parecchi cilindri di 1 mm sul lato del coperchio superiore alle posizioni più ampie del modello muscolo cuore. Estrusione con taglio un foro di iniezione singola 8 mm dal coperchio superiore.
   1. Salvare tutte le quattro parti di stampo esterno separatamente.
      Attenzione: In totale, ci dovrebbe essere dieci componenti della muffa: la base dello stampo, due pannelli laterali di stampo esterno, copertura superiore di uno stampo esterno, due atri muffa interna con allegati valvola, due ventricoli di muffa interna con allegati di valvola e uno di ogni interiore aortica e polmonare arteria di stampo con allegati di valvola.
9. Utilizzare una stampante getto per la stampa con materiali rigidi e gommoso fotopolimero installati
   (Vedi Tabella materiali). Quando si posizionano le parti per la stampa sul letto stampa, garantire gli aspetti negativi di valvola sono tutti stampato rivolto verso l'alto (verticalmente) (Figura 3).
   1. Selezionare le impostazioni di stampa al lucido. Per i quattro alloggiamenti, nonché gli allegati di stampo polmonare e aortica, selezionare il materiale flessibile S95; per le altre parti di quattro stampo, selezionare il materiale di stampa rigido.
10. Dopo la stampa le parti dello stampo, rimuovere il materiale di supporto costruito durante la stampa da getto d'acqua (Vedi Tabella materiali). Dopo la pulizia le parti dello stampo, mettere le parti in una soluzione di idrossido di sodio 5% per 24 h. Dopo aver rimosso le parti dalla soluzione, sciacquarli con acqua fredda e lasciare asciugare per 48 h prima della fusione.

3. stampaggio ad iniezione freddo e finitura

1. Tutte le superfici di tutte le parti dello stampo a spruzzo con un agente distaccante (Vedi Tabella materiali), eccetto le valvole e pulire con carta velina. Lasciare per asciugare per 15 min.
   1. Chiudere la base dello stampo e due pannelli laterali e collocarla sopra due distanziali, così la base dello stampo non è a diretto contatto con la superficie del tavolo. Preparare il silicone inserendo una cartuccia di silicone nel manuale erogazione pistola (Vedi Tabella materiali).
2. Aggiungere 5 mL di silicone spremuto dalla pistola di erogazione in una tazza di misurazione e mix utilizzando uno stuzzicadenti. Utilizzando uno stuzzicadenti, applicare una generosa quantità di silicone fuso al lato positivo e negativo degli atri destro e valvole del ventricolo. Assicurarsi che non vi siano senza bolle d'aria intrappolate in silicone (Figura 4).
   1. Collegare le due camere presso l'angolo di valvola destra e spingerli sui loro rispettivi cilindri dello stampo base. Ripetere questa operazione per il lato sinistro. Infine, fissare i cilindri ad archi polmonari e aortici allo stesso modo. Lasciare queste valvole a solidificare per 2 min, quindi fissare la parte superiore dello stampo.
3. Allegare un miscelatore statico per la cartuccia, spremere fino a quando il silicone è uscita l'ugello, quindi rilasciare la pressione. Posizione lo stampo intero su due distanziali (Figura 5), inserire la pistola la presa di stampaggio ad iniezione di 8 mm e spremere con bassa pressione nel corso di 3 min fino a quando tutte le prese d'aria mostrano segni di overflow in silicone.
   1. Smettere di iniettare il silicone a questo punto, rimuovere il mixer e posizionare lo stampo sulla superficie del tavolo in modo che tutte le prese d'aria di fondo sono sigillate, e non più silicone può fluire dal fondo dello stampo. Lasciare il silicone a solidificare per 30 min.
4. Aprire la parte superiore dello stampo indiscreti e sollevando un distanziale metallico nella fessura tra la parte superiore e inferiore dello stampo. Rimuovere le parti laterali dello stampo usando lo stesso metodo, rimuovere un lato alla volta.
   Nota: Assicurarsi di non forare la parete del cuore quando interponendo il distanziale fornito.
   1. Rilevare eventuali bolle d'aria all'esterno cuore dopo aver rilasciato i tre componenti di stampo esterno (Figura 6). Utilizzare un bisturi per bucare la bolla e riempirlo con un silicone di piccola quantità utilizzando uno stuzzicadenti, poi lasciare per curare per altri 30 min.
5. Utilizzare aria compressa (Vedi Tabella materiali) a soffiare il modello cuore largo della base dello stampo lasciando sei stampi interni nel modello cuore. Assicurarsi di racchiudere saldamente il modello di cuore con una mano per evitare che l'aria che si rompe la parete del cuore.
   1. Utilizzare una siringa con acqua per riempire e pressurizzare i ventricoli destro e sinistro per rilasciare gli stampi interni. Dopo questo è necessario utilizzare una pinza di Magill (Vedi Tabella materiali) per afferrare e tirare fuori queste parti di due stampo interne. Ripetere questo processo per le arterie polmonare e aortiche e infine per la rimozione degli stampi interna atri destro e sinistro.
      Nota: Assicurarsi che il posizionamento delle pinze non comprime il segmento delle valvole quando viene applicata pressione della pinza; distruggera ' la valvola stampata.
6. Associare i due tubi che portano direttamente verso il basso dai ventricoli alla base del modello cuore utilizzando fascette e rimuovere accesso aria sfiato stringhe di spiumatura li alla superficie della parete del cuore.

Risultati

Questo studio descrive in dettaglio un metodo per creare un modello di cuore neonatale anatomicamente realistici che unisce la formazione immagine di MRI, stampa 3D e stampaggio ad iniezione freddo. Il arteriosus di ductus, nonché forame ovale pervio non sono stati inclusi nel modello cuore presentato in questa carta. Il metodo descritto in questo articolo può essere applicato anche ad altri organi interni, come i polmoni e gabbia toracica strutture. Gabbia toracica strutture non richiedo...

Discussione

Per il modello sviluppato in questo studio, abbiamo identificato che ad iniezione su un periodo di 3-min è necessaria per impedire l'aria che entra nel cast (Figura 5, Figura 6). Per garantire che in silicone raggiunge gli spazi angusti delle valvole, "pre-fusione" o "rivestimento" delle zone valvola nello stampo è essenziale. Poiché gli stampi interni che modella le camere cardiache devono uscire il silicone finale cast attraverso aperture di 5 mm, stampa multi...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Ecoflex 5	Smooth-on		Materiale di colata in silicone
400ml Miscelatori statici	Smooth-on		Tubi
di miscelazione Pistola di erogazione manuale	Smooth-on		Utilizzato per lo stampaggio a iniezione
5-56 Spray di PTFE	CRC		Agente distaccante per gli stampi
Idrossido di sodio	N/A		Questo è stato acquistato come soda caustica nel negozio di ferramenta, in forma secca, pura al 99%. Poiché è ampiamente disponibile, non esiste un'azienda specificata
VeroWhite	Stratasys		Il materiale duro utilizzato nella stampa
TangoBlackPlus	Stratasys		Il materiale in gomma utilizzato nella stampa
Materiale di supporto	Stratasys		Il materiale di supporto standard utilizzato da stratasys
Magill Forcipe	GIMA		Taglia neonato. Questo serve per rimuovere gli stampi interni
Stratasys Connex 350	Stratasys		Se questa macchina non è di proprietà, un'altra opzione è quella di stampare le parti tramite un'azienda di stampa di terze parti come i mozzi 3D per stampare e spedire le parti.
Balco Powerblast (getto d'acqua)	Stratasys
Euro 8-24 Set P (compressore d'aria)	siringa iSC	4007292
con ago smussato	N/A		Una siringa da 20 ml con ago smussato di 0,5 mm di diametro.
Imita il software 17.0	Materialise		Questo software è stato utilizzato per segmentare il modello cardiaco dalla risonanza magnetica. Sono disponibili diversi strumenti software gratuiti per l'imaging MRI come InVesalius o Osirix, anche se potrebbero rivelarsi meno funzionali.
Materializzazione del software Magics 9.0			Questo è stato utilizzato per riparare e levigare i file .stl generati dai mimics. Questo levigatura può anche  essere fatto nella maggior parte degli altri freeware di modellazione 3D.
Software Solidworks			utilizzato per la modifica del modello del cuore. La maggior parte degli altri software CAD freeware può essere utilizzata per eseguire questa fase di elaborazione.