Articolo metodologico

Creazione di modelli cardiaci in silicone specifici per il paziente con applicazioni in piani pre-chirurgici e formazione pratica

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DOI:

10.3791/62805

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10 febbraio 2022

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1Jump Simulation, OSF HealthCare, 2Advanced Imaging and Modeling Lab, OSF HealthCare Jump Trading Simulation & Education Center, University of Illinois College of Medicine

In questo articolo

Sommario

I modelli specifici del paziente migliorano la fiducia del chirurgo e dei colleghi durante lo sviluppo o l'apprendimento di piani chirurgici. Le stampanti tridimensionali (3D) generano dettagli adeguati per la preparazione chirurgica, ma non riescono a replicare la fedeltà tattile dei tessuti. Viene presentato un protocollo che descrive in dettaglio la creazione di modelli cardiaci in silicone specifici per il paziente, combinando la precisione della stampa 3D con il tessuto siliconico simulato.

Abstract

I modelli tridimensionali possono essere uno strumento prezioso per i chirurghi mentre sviluppano piani chirurgici e i borsisti medici mentre apprendono casi complessi. In particolare, i modelli 3D possono svolgere un ruolo importante nel campo della cardiologia, dove si verificano complesse cardiopatie congenite. Mentre molte stampanti 3D possono fornire modelli anatomicamente corretti e dettagliati, i materiali di stampa 3D esistenti non riescono a replicare le proprietà del tessuto miocardico e possono essere estremamente costosi. Questo protocollo mira a sviluppare un processo per la creazione di modelli specifici per il paziente di difetti cardiaci congeniti complessi utilizzando un silicone a basso costo che corrisponde più da vicino alle proprietà del muscolo cardiaco. Con una migliore fedeltà del modello, l'effettiva formazione procedurale chirurgica potrebbe avvenire prima della procedura. La creazione di successo di modelli cardiaci inizia con la segmentazione di immagini radiologiche per generare un pool di sangue virtuale (sangue che riempie le camere del cuore) e muffa del tessuto miocardico. Il pool di sangue e la muffa miocardica sono stampati in 3D in acrilonitrile butadiene stirene (ABS), una plastica dissolvibile in acetone. Lo stampo viene assemblato attorno alla pozza di sangue, creando uno spazio negativo che simula il miocardio. Il silicone con una durezza shore di 2A viene versato nello spazio negativo e lasciato polimerizzare. Lo stampo miocardico viene rimosso e il restante modello di piscina in silicone / sangue viene immerso nell'acetone. Il processo descritto si traduce in un modello fisico in cui tutte le caratteristiche cardiache, compresi i difetti intra-cardiaci, sono rappresentate con proprietà tissutali più realistiche e sono più approssimate rispetto a un approccio di stampa 3D diretto. La correzione chirurgica di successo di un modello con un difetto del setto ventricolare (VSD) utilizzando un cerotto GORE-TEX (intervento chirurgico standard per difetto) dimostra l'utilità del metodo.

Introduzione

Quasi 1 bambino su 100 negli Stati Uniti nasce con difetti cardiaci congeniti (CHD). A causa della propensione delle madri con CHD ad avere figli con CHD, ci si aspetta che il tasso possa più che raddoppiare nelle prossime sette generazioni1. Sebbene non ogni CHD sia considerato complesso o grave, l'aspettativa di crescita generale indica che esiste una motivazione per migliorare la tecnologia e le procedure in grado di affrontare il trattamento della CHD. Con il miglioramento della tecnologia, i cardiochirurghi spesso esprimono la volontà di affrontare procedure più complesse. Questa volontà ha portato ad un aumento del numero di procedure cardiache complesse, guidando la necessità di tecniche più avanzate di pianificazione e istruzione chirurgica. A sua volta, questo lascia i cardiochirurghi che hanno bisogno di modelli altamente accurati e specifici per il paziente e i borsisti cardiochirurgici che necessitano di metodi di formazione altamente efficaci.

La cardiochirurgia congenita è una delle discipline chirurgiche tecnicamente più impegnative a causa delle piccole dimensioni dei pazienti, della complessità delle anomalie cardiache e della rarità di alcune anomalie2. Nei casi più estremi, un bambino può nascere con un singolo ventricolo. Non è raro che il chirurgo prenda un vaso di 2,0 mm di diametro e lo rattoppi con pericardio fisso per creare un vaso di 1,0 cm che consenta a un neonato di crescere in questa procedura salvavita - il tutto mentre è sotto l'orologio, poiché il neonato è in completo arresto circolatorio. Tra il normale cuore a quattro camere e questi esempi estremi ci sono innumerevoli possibilità di dimensioni della camera e posizioni delle valvole che costituiscono puzzle 3D altamente complessi. Il ruolo del team cardiaco congenito è quello di delineare chiaramente l'anatomia unica e sviluppare un piano per riconfigurare il tessuto organico in un cuore funzionale che consentirà a un bambino di crescere con le migliori possibilità di una vita normale. Modelli accurati consentono una pratica chirurgica deliberata e la ripetizione in un ambiente in cui gli errori possono essere perdonati e non provocano danni al paziente3,4. Questa formazione porta allo sviluppo di migliori competenze chirurgiche, nonché di capacità tecniche e di giudizio. Tuttavia, le risorse limitate e la rarità di alcune condizioni cardiache possono rendere quasi impossibile raggiungere il livello desiderato di ripetizione e visualizzazione. Per contribuire a spiegare questa carenza di risorse, c'è stato un aumento dell'utilizzo delle simulazioni per l'istruzione2,3. Le tecniche di simulazione o modellazione comunemente utilizzate includono cadaveri umani, tessuti animali, modelli di realtà virtuale (VR) e modelli stampati in 3D.

Il tessuto cadaverico è stato storicamente considerato il gold standard per la simulazione chirurgica, con il tessuto animale al secondo posto. Cadaveri e tessuti animali possono produrre simulazioni ad alta fedeltà perché contengono la struttura anatomica di interesse, tutti i tessuti circostanti e consentono tecniche di perfusione per simulare il flusso sanguigno4. Nonostante i vantaggi dei modelli di tessuto, ci sono aspetti negativi. Il tessuto imbalsamato sperimenta una ridotta conformità meccanica, rendendo alcune operazioni irrealistiche e difficili da eseguire. I tessuti richiedono una manutenzione costante, strutture specifiche, non sono riutilizzabili2, possono essere costosi da ottenere3 e sono stati storicamente oggetto di preoccupazioni etiche. Più significativamente, le condizioni cardiache congenite non sono semplicemente disponibili nei campioni cadaverici.

I modelli stampati in VR e 3D5,6,7,8,9,10 forniscono un'altra opzione per l'educazione cardiaca, la simulazione e la modellazione per aiutare nella creazione di piani pre-operatori. Questi modelli riducono l'ambiguità associata alla variegata capacità visuo-spaziale di un utente di interpolare immagini 2D come struttura 3D10,11. L'ambiente virtuale può contenere strumenti chirurgici che possono essere manipolati e interagire con i modelli, consentendo a chirurghi e borsisti di sviluppare la coordinazione occhio-mano, le capacità motorie e la familiarità con alcune procedure4. Le attuali tecnologie di stampa 3D popolari, tra cui la modellazione a deposizione fusa (FDM), la stereolitografia (SLA), la sinterizzazione laser selettiva (SLS) e il polyjet sono state trovate per produrre modelli con precisione submillimetrica13. Sia i modelli VR che quelli stampati in 3D sono riutilizzabili e possono essere estremamente dettagliati; i modelli possono anche essere generati dai dati di imaging radiologico del paziente, con conseguenti repliche dell'anatomia del paziente. Nonostante i numerosi vantaggi di un modello stampato in VR o in 3D, non sono all'altezza quando vengono considerati i costi e i requisiti di fedeltà tattile della chirurgia cardiaca congenita. La configurazione di un ambiente VR ha un costo elevato e gli ambienti VR non possono fornire feedback tattili reali. Mentre la tecnologia della fedeltà aptica sta migliorando, l'attuale divario inibisce la capacità di uno studente di acquisire familiarità con le capacità motorie necessarie per eseguire le procedure4. Allo stesso modo, a seconda del tipo di tecnologia di stampa 3D utilizzata, il costo della stampa 3D può essere piuttosto elevato, poiché il prezzo di acquisto della stampante e il costo del materiale di stampa devono essere considerati11,14. Un singolo modello cardiaco ad alta fedeltà con feedback tattile realistico può essere prodotto utilizzando una stampante di fascia alta, ma costerà centinaia di dollari in materiale da solo con un prezzo di acquisto della stampante superiore a 100.000 USD15. Un modello cardiaco prodotto utilizzando un filamento con una durezza shore di 26-28 A è risultato costare circa 220 USD per modello16. In alternativa, sono disponibili molte stampanti e tecnologie 3D a basso costo che hanno un prezzo di acquisto della stampante inferiore a 5.000 USD. I prezzi medi del materiale per un modello cardiaco generato su una stampante FDM a basso costo sono risultati essere di circa 3,80 USD utilizzando un materiale con una durezza shore di 82 A e 35 USD utilizzando un materiale con una durezza shore di 95 A15,16. Mentre queste macchine offrono una soluzione a basso costo, viene a scapito della fedeltà aptica.

Mentre la stampa VR e 3D può consentire una valutazione visiva e concettuale dettagliata di una condizione cardiaca, il prezzo elevato associato alla produzione di un modello per la simulazione chirurgica pratica è spesso una barriera significativa. Una soluzione è l'uso del silicone per creare un modello cardiaco fisicamente e strutturalmente accurato. I modelli in silicone specifici per il paziente possono facilitare una comprensione più profonda dell'anatomia unica consentendo ai chirurghi di vedere, sentire e persino praticare una procedura mentre sperimentano un feedback tattile realistico in un ambiente che comporta un rischio minimo per un paziente e non ha conseguenze se la procedura non ha successo9. Lo stampaggio in silicone ha dimostrato di essere un metodo efficace per modellare l'anatomia umana che produce modelli con proprietà fisiche significativamente più vicine al tessuto reale rispetto ai modelli generati dalla stampa 3D a basso costo17. Scanlan et al., hanno confrontato le proprietà della stampa 3D a basso costo con valvole cardiache stampate in silicone per valutare la somiglianza con il tessuto reale; lo studio ha rilevato che mentre le proprietà fisiche delle valvole in silicone non erano una replica esatta del tessuto reale, le proprietà erano di gran lunga superiori alle valvole stampate in 3D17. Il materiale di stampa 3D utilizzato nello studio è tra i materiali più morbidi disponibili per le stampanti 3D a basso costo e possiede una durezza shore tra 26 e 28 A18. Il silicone a polimerizzazione al platino raccomandato per l'uso nel protocollo sottostante ha una durezza shore di 2 A che è molto più vicina alla durezza shore del tessuto cardiaco, 43 sulla scala 00, o circa 0 A19,20. Questa differenza è significativa perché i modelli in silicone consentono un allenamento ad alta fedeltà che i materiali stampati direttamente in 3D non raggiungono. Il costo totale del materiale per il modello proposto in questo protocollo è inferiore a 10 USD. I modelli in silicone proposti combinano le proprietà dei tessuti molli necessarie per un feedback tattile realistico con la versatilità e la precisione dei modelli stampati in 3D a basso costo.

Mentre i vantaggi del silicone possono sembrare renderlo la scelta ovvia per la creazione del modello, l'uso del silicone è stato limitato dall'anatomia che può essere modellata. Il silicone appena miscelato è un liquido che richiede uno stampo per tenerlo nella forma desiderata mentre polimerizza. Storicamente, gli stampi cardiaci in silicone potevano contenere solo dettagli della superficie esterna del modello. I dettagli intra-cardiaci, compresa l'intera regione del pool sanguigno, sarebbero pieni di silicone e persi. Studi precedenti hanno ottenuto modelli in silicone di specifiche aree di interesse all'interno del cuore (ad esempio, radice aortica21) o hanno utilizzato un metodo estrapolatorio per simulare il tessuto miocardico22. Questo protocollo è nuovo in quanto cerca di combinare l'uso di materiale siliconico con la simulazione anatomica ad alta risoluzione e completa del miocardio, evitando in particolare qualsiasi metodo di estrapolazione. Per quanto ne sappiamo, nessun manoscritto descrittivo ha fornito una metodologia che combini questi aspetti. Il metodo descritto in questo protocollo introduce una tecnica per ottenere un modello cardiaco specifico per il paziente con replicazione anatomica intra-cardiaca abbastanza accurata per la pratica chirurgica preoperatoria. Il metodo prevede la creazione di uno stampo miocardico per mantenere il silicone nella forma corretta mentre polimerizza e uno stampo interno per preservare i dettagli interni intra-cardiaci del modello e impedire al silicone di riempire la regione del pool sanguigno del cuore. Lo stampo interno deve quindi essere sciolto, lasciando un intero modello cardiaco in silicone con anatomia specifica per il paziente sulle superfici esterne e interne. Senza il protocollo proposto per la creazione di modelli cardiaci qui, non esiste una soluzione a basso costo per simulare la procedura chirurgica con un materiale che imita le effettive caratteristiche tissutali del miocardio.

Protocollo

Il protocollo è stato completato in modo corrispondente alle migliori pratiche etiche dell'istituzione dell'autore, compresa la corretta gestione di qualsiasi informazione sul paziente e la garanzia dei consensi richiesti necessari per utilizzare i dati specifici del paziente. Quando utilizzati, tali dati sono stati resi anonimi per garantire la protezione delle informazioni sanitarie private del paziente.

NOTA: il seguente protocollo è scritto in modo indipendente dal software, in quanto esistono molti programmi diversi in grado di eseguire i vari passaggi. Per questo caso particolare, Materialise Mimics Medical 24.0 è stato utilizzato per la segmentazione e Materialise Magics è stato utilizzato per la manipolazione 3D e la creazione di modelli e casi segmentati. Istruzioni specifiche per tali programmi saranno incluse in aggiunta all'approccio generalizzato.

1. Segmentare l'anatomia del paziente

  1. Per PMI, ottenere un set di dati di imaging radiologico del paziente, in genere una TC o una risonanza magnetica, acquisito utilizzando un protocollo 3D per una risoluzione adeguata. Aprire il set di dati in un software di segmentazione CAD (Computer Aided Design)23.
    1. Fare riferimento ai protocolli radiologici dell'istituzione per una corretta acquisizione delle immagini (poiché ogni paziente richiede considerazioni diverse, è difficile fornire una linea guida specifica). Ma come esempio rappresentativo, queste sono le impostazioni che abbiamo usato in un caso di modello 3D precedentemente documentato: il protocollo CT 3D suggerisce parametri: scanner slice in modalità assiale, spessore della fetta e spazio tra fette di 0,625 mm, Kv di 70, gamma Smart mA di 201-227 (modalità MA intelligente 226), velocità di rotazione a 0,28 ms. scanner di fette in modalità assiale, spessore della fetta e spazio tra le fette di 0,625 mm.
  2. Generare una segmentazione iniziale del tessuto miocardico utilizzando uno strumento di soglia dell'unità di Hounsfield (HU) con limiti superiori e inferiori impostati su valori appropriati e specifici per il set di dati. Perfezionare la selezione in base alle esigenze per acquisire con precisione l'anatomia. Si consiglia di utilizzare strumenti con le seguenti funzionalità: ritaglio, aggiunta e sottrazione, crescita della regione, modifica a più sezioni e riempimento della cavità. In Mimics, fare clic con il pulsante destro del mouse nell'area Project Manager e selezionare Nuova maschera. Regolare la maschera nella finestra di dialogo generata con le finestre anatomiche preimpostate fornite, le misure HU esatte o facendo scorrere lo strumento fornito fino a quando l'anatomia desiderata non viene mascherata dallo strumento.
  3. Generare una segmentazione del pool sanguigno. Utilizzare i passaggi descritti nel passaggio 1.2 per eseguire questa operazione. In Mimics, utilizzare la finestra HU anatomica preimpostata da 226 a 3071 per catturare il pool di sangue.
  4. Se il modello generato è destinato all'uso nella cura del paziente, lasciare che un cardiologo, un radiologo o un altro esperto in materia (SME) riveda le segmentazioni del modello virtuale prima di procedere al passaggio successivo per garantire che tutte le caratteristiche e i difetti anatomici siano stati segmentati in modo accurato e saranno presenti nel modello completo.
  5. Generare un modello di caso miocardico invertendo la segmentazione del miocardio utilizzando uno strumento di riempimento della cavità nello spazio vuoto intorno alla segmentazione del miocardio e sottraendo la segmentazione del pool sanguigno dal miocardio invertito utilizzando uno strumento di sottrazione booleana. Si consiglia di utilizzare uno strumento di riempimento della cavità, uno strumento booleano e le segmentazioni del miocardio e del pool sanguigno precedentemente generate per raggiungere questo obiettivo. In Mimics, Cavity Fill > Indica gli spazi intorno alla maschera del miocardio. Quindi, utilizzare lo strumento booleano e riempire il dialogo fornito a Meno la maschera della piscina di sangue dalla maschera del miocardio.

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Figura 1: Segmentazione cardiaca in un software di segmentazione CAD. (A) Segmentazione cardiaca nel software di segmentazione CAD con i dati grezzi dell'immagine del paziente. (B) Segmentazione con rendering 3D del modello del pool sanguigno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Visualizza il rendering 3D del pool di sangue finale e delle segmentazioni dei casi miocardici. Secondo il suggerimento e l'approvazione della PMI, rimuovere tutti i vasi sanguigni dal modello di pool sanguigno 3D che non sono necessari per la valutazione, la comprensione o la riparazione dell'anatomia target. In Mimics, selezionare Anteprima 3D nelle opzioni accanto alla finestra di visualizzazione (per impostazione predefinita nella vista in basso a destra della vista predefinita a quattro riquadri. Selezionare la maschera di interesse nel Project Manager. Per modificare, selezionare lo strumento Modifica maschera . Nella finestra di dialogo fornita, selezionare lo strumento Lazo e assicurarsi che l'opzione Rimuovi sia selezionata. Ciò consentirà la modifica dell'anteprima 3D effettiva della maschera.
    NOTA: lo strumento di modifica è un piano di taglio infinito e rimuoverà qualsiasi parte della maschera selezionata nella direzione Z.
  2. Genera oggetti 3D del pool di sangue finale e segmentazioni del caso miocardico. Lisciare il modello di caso miocardico 3D utilizzando uno strumento oggetto liscio. Secondo il suggerimento e l'approvazione della PMI, regolare i parametri dell'iterazione e del fattore liscio come necessario per il modello specifico per creare un modello di caso che sia il più fluido possibile ma non abbia perso alcun dettaglio anatomico importante.
  3. Una volta approvato da una PMI, esporta i modelli in formato STL per l'uso in un software di editing di modelli 3D. In Mimics, fare clic con il pulsante destro del mouse su una maschera specifica in Project Manager > Create Object. Nella finestra di dialogo fornita, assicurarsi che l'impostazione Ottimale sia selezionata e fare clic su OK.
  4. Una volta creato, il modello verrà visualizzato nella finestra Oggetto , in genere sotto la finestra di Project Manager . Da lì, fate clic con il pulsante destro del mouse su un modello generato e selezionate Liscia (Smooth). I parametri per questo caso erano cinque iterazioni con una levigatura di 0,4 mm.
  5. Salva/esporta i modelli finali del pool sanguigno 3D e del caso miocardico come file STL (Standard Tessellation Language). Fare clic con il pulsante destro del mouse sul modello desiderato > STL+ > seguire la finestra di dialogo fornita per esportare una versione STL del modello.

2. Crea gli stampi digitali

  1. Aprire il file STL del modello del caso miocardico in un programma CAD. Si raccomanda di rendere trasparente la visibilità del caso per consentire al miocardio di essere visibile all'interno dello stampo del caso miocardico. In Magics, importare gli STL generati tramite Import Part. Nella finestra Gestione progetti , selezionare l'opzione Trasparente per il rendering del modello.
  2. Tagliare il materiale della cassa miocardica in eccesso dal modello utilizzando uno strumento di taglio o punzonatura. È solo necessario avere circa 0,5 cm tra il bordo esterno della cassa e l'impronta miocardica sulla parete interna della cassa. Il materiale aggiuntivo aumenterà il tempo necessario per la stampa 3D, ma non influenzerà il prodotto finale. In Magics, taglia > indica polilinea > seleziona i punti di interesse > Applica.
    NOTA: lo strumento di modifica è un piano di taglio infinito e rimuoverà qualsiasi parte della maschera selezionata nella direzione Z.
  3. Tagliare la custodia miocardica in più pezzi che consentiranno di assemblare la custodia attorno alla complessa anatomia della muffa del pool sanguigno. Si consiglia di utilizzare uno strumento di taglio e / o punzonatura per eseguire questa operazione.
    NOTA: I seguenti passaggi forniscono un suggerimento di tagli da effettuare nel caso miocardico che lo divideranno in quattro sezioni che sono risultate sufficienti sia per l'accuratezza diagnostica che per l'assemblaggio del caso intorno al pool sanguigno per molti modelli cardiaci. Tuttavia, ogni modello sarà diverso, il che rende fondamentale tenere presente che la custodia deve essere assemblata attorno alla piscina di sangue prima che il silicone venga versato e rimosso dopo i set di silicone. Prestare particolare attenzione a tutti i punti in cui il caso deve passare attraverso un anello nella piscina di sangue o circondare lunghi vasi sanguigni. Caratteristiche come queste possono richiedere che la cassa miocardica sia tagliata in pezzi aggiuntivi nella regione in cui esiste la caratteristica per garantire che sia possibile il montaggio e lo smontaggio intorno al pool sanguigno.
  4. Regola la vista del caso miocardico attraverso strumenti di rotazione e panoramica per puntare l'apice del cuore verso il basso e l'arco dell'aorta orizzontale. Fai un taglio orizzontale attraverso l'aorta che divide la cassa miocardica in una metà inferiore che contiene l'apice e una metà superiore. La lunghezza di questo taglio e di tutti i tagli successivi varierà con ogni modello cardiaco. In Magics, usa i pulsanti sinistro e destro del mouse per controllare rispettivamente la rotazione e la panoramica. Da lì, Taglia > Indica polilinea > seleziona i punti di interesse > Applica.
    NOTA: lo strumento di modifica è un piano di taglio infinito e rimuoverà qualsiasi parte della maschera selezionata nella direzione Z.
    1. Effettuare un taglio verticale lungo la sezione più ampia della metà inferiore della cassa miocardica. Assicurarsi che la metà inferiore del caso miocardico sia divisa approssimativamente a metà.
    2. Effettuare un secondo taglio verticale lungo la sezione più ampia della metà superiore della cassa miocardica. Assicurarsi che la metà superiore del caso miocardico sia divisa approssimativamente a metà.
  5. Aggiungere pioli (puntelli) ai pezzi della custodia miocardica per garantire il corretto allineamento durante il montaggio. Si consiglia di utilizzare uno strumento di generazione di puntelli e uno strumento di sottrazione booleana con un valore di gioco di 0,25 mm per creare puntelli e cavità di puntelli corrispondenti. In Magics, Aggiungi oggetti di scena > indica la posizione sul modello > Applica.
  6. Creare un foro di riempimento in silicone di 1,0 cm di diametro su uno dei semipezzi superiori della cassa miocardica. Le caratteristiche della superficie miocardica direttamente sotto il foro di riempimento saranno oscurate, quindi assicurarsi che il foro di riempimento non sia sopra alcuna caratteristica anatomica esterna che sarà vitale per l'uso del modello. Verificare il posizionamento del foro con una PMI.

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Figura 2: Modello di caso miocardico in un software CAD. Caso miocardico generato in un software CAD per un caso cardiaco con VSD. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Controllare la diagnostica su tutti i pezzi del case singolarmente per assicurarsi che non siano presenti i seguenti errori: normale invertito, bordi danneggiati, contorni errati, bordi vicini a problemi, fori planari o gusci. Se viene rilevato un errore, ripararlo utilizzando uno strumento/procedura guidata di correzione, se disponibile, o manualmente se non disponibile. In Magics, Controlla diagnostica > Risoluzione automatica.
  2. Correggi gli errori che non possono essere risolti manualmente o con uno strumento/procedura guidata di fissaggio con una pellicola termoretraibile tramite uno strumento di termoretrazione. Regolare l'intervallo del campione di pellicola termoretraibile e i valori di riempimento del gap, se necessario, per correggere gli errori sul pezzo specifico senza alterare la fisiologia al momento della revisione della PMI. In Magics, Fix > Shrink Wrap > segui i dialoghi.
  3. Salva/esporta i singoli pezzi del caso miocardico come file STL.

3. Creare gli stampi fisici

  1. Aprire il caso miocardico e i modelli del pool di sangue nel software di affettatura appropriato per produrre file di stampa 3D (file G-Code) per una stampante 3D di produzione additiva (AM). Disporre i pezzi della cassa miocardica utilizzando uno strumento rotante e / o piatto, in modo che qualsiasi lato che si incontrerà con un altro pezzo di cassa sia verticale. Aggiungi supporti di stampa 3D a tutti i pezzi manualmente o utilizzando uno strumento di generazione automatica del supporto fornito nel software, se disponibile.

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Figura 3: Configurazione del caso miocardico e del pool sanguigno in un software CAD di stampa 3D. Caso miocardico e pool di sangue con orientamento corretto e supporto aggiunto in preparazione per la stampa 3D in un software CAD di stampa 3D per un caso cardiaco con vsD. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Tagliare i modelli per generare il codice G per l'uso sulla stampante 3D con i seguenti parametri: Pool di sangue in ABS utilizzando: temperatura del letto riscaldato di 100 ° C, temperatura dell'estrusore di 250 ° C, densità di riempimento del 5%, velocità di stampa predefinita di 50 mm / s, velocità del guscio interno di 70 mm / s, velocità del guscio esterno o 50 mm / s; Stampo miocardico in ABS o acido polilattico (PLA) utilizzando: temperatura del letto riscaldato di 60 °C per PLA o 100 °C per ABS, temperatura estrusore di 205 °C per PLA o 250 °C per ABS, densità di riempimento del 15%, velocità di stampa predefinita di 50 mm/s, velocità del guscio interno di 80 mm/s e velocità del guscio esterno di 30 mm/s.
  2. Salva/esporta il codice G.
  3. Carica il file di stampa sulla stampante 3D utilizzando un'unità flash o una connessione Wi-Fi, a seconda delle capacità della stampante, assicurati che il filamento corretto venga caricato sulla stampante 3D e avvia la stampa. La stampante 3D deve soddisfare i seguenti requisiti: compatibile e dotata di un diametro dell'ugello inferiore a 0,4 mm e capace di una risoluzione dello strato inferiore a 0,25 mm. Al termine della stampa, utilizzare pinze per naso ad ago e pinzette per rimuovere tutto il materiale di supporto dai pezzi stampati.

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Figura 4: Pezzi di modello stampati in 3D. Fotografia di (A) pool di sangue fisico e (B) pezzi di case miocardiche di un caso cardiaco con un VSD prodotto dalla stampante 3D con materiale di supporto rimosso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Assemblare i pezzi della cassa miocardica attorno allo stampo del pool sanguigno, assicurandosi che tutti i pezzi si adattino strettamente. Se la custodia miocardica non può adattarsi al pool di sangue, apportare piccole modifiche al pezzo di stampo della cassa utilizzando uno strumento di levigatura rotante portatile per rimuovere il materiale. Se è necessaria una regolazione di grandi dimensioni, potrebbe essere necessario modificare il file STL in un software CAD e creare una nuova stampa 3D.
    ATTENZIONE: utilizzare una protezione per gli occhi quando si utilizza uno strumento di levigatura rotativa portatile. L'uso di uno strumento di levigatura rotativa sulla piscina di sangue o sulla custodia del miocardio causerà la fusione della plastica. Usare con parsimonia e cautela.
    NOTA: il protocollo può essere messo in pausa tra qualsiasi passaggio precedente a questo punto.
  2. Eseguire un vapore di acetone liscio se la custodia miocardica è stata stampata in 3D utilizzando ABS e una finitura superficiale in silicone più liscia è desiderata dalla PMI. Se non si desidera o non è necessaria una finitura superficiale più liscia, saltare il processo di liscio del vapore con un effetto minimo all'anatomia finale del modello.
    ATTENZIONE: L'acetone è volatile e infiammabile. Assicurati di installarti in un'area ben ventilata lontano da fiamme libere o scintille. Inoltre, l'acetone dissolverà il cloruro di polivinile (PVC) e il polistirene. Se viene utilizzato un contenitore di plastica, assicurarsi che non contenga PVC o polistirolo.
    1. Foderare il fondo e i lati di un contenitore che non sarà influenzato dall'acetone con carta assorbente. Versare l'acetone sul tovagliolo di carta inferiore e lasciarlo diffondere gli asciugamani di carta sul lato del contenitore ma non formare una piscina sul fondo. La quantità di acetone necessaria varierà a seconda delle dimensioni del contenitore utilizzato; qui, 30 ml di acetone sono stati utilizzati in un contenitore con un volume di base di circa 400 cm3.
    2. Metti un pezzo di foglio di alluminio nel contenitore per coprire il tovagliolo di carta inferiore. Posizionare i pezzi della custodia miocardica sul foglio di alluminio e orientare i pezzi miocardici in modo che le facce desiderate siano levigate in verticale. Assicurarsi che i pezzi del miocardio non si tocchino l'un l'altro o gli asciugamani di carta sulla parete del contenitore.
    3. Posizionare un coperchio sul contenitore o coprire con un foglio di alluminio e lasciare che i pezzi della custodia miocardica rimangano indisturbati nel contenitore fino a raggiungere circa l'80% della finitura superficiale desiderata, per ispezione visiva. Il tempo necessario per completare il processo di vapor smooth varierà a seconda delle dimensioni del contenitore e della quantità di acetone utilizzata. Iniziare a controllare i pezzi della cassa miocardica per la finitura superficiale desiderata a intervalli di 15 minuti dopo 30 minuti iniziali. Per questo studio, la levigatura del vapore ha richiesto 2 ore per una struttura di 150 ml.
    4. Indossando i guanti, rimuovere con cura i pezzi della custodia miocardica dal contenitore toccando solo le superfici esterne. Lasciare che i pezzi si scarichino completamente in un'area ben ventilata per ~ 30 minuti, o fino a quando liscio, asciutto e duro.

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Figura 5: Pezzi di case miocardiche levigati a vapore. Fotografia di pezzi di case miocardiche di un caso cardiaco con un VSD dopo un vapore di acetone liscio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Versare il silicone

NOTA: Alcuni contaminanti, tra cui lattice e zolfo, possono inibire la polimerizzazione dei siliconi se vengono a contatto. Si consiglia di rivedere eventuali bollettini tecnici prima di tentare di utilizzare il silicone.

  1. Stimare la quantità di un silicone polimerizzante in platino in due parti che sarà necessario per creare il modello miocardico; la quantità di silicone necessaria varierà a seconda delle dimensioni del modello da creare. In alternativa, misurare il volume della segmentazione del miocardio utilizzando un software CAD per determinare la quantità di silicone necessaria. Assicurarsi che il silicone possieda le seguenti proprietà: durezza shore di 2 A, resistenza alla trazione di 1.986 kPa, allungamento alla rottura del 763%, restringimento inferiore a 0,0254 mm/mm, viscosità mista di 18.000 cps, pot life di 12 min e tempo di polimerizzazione di 40 min. Questo studio ha richiesto 300 ml di silicone.
  2. Agitare accuratamente la parte A e la parte B del silicone prima di versare le quantità necessarie, nelle proporzioni corrette, in una tazza di miscelazione. Se si desidera il colore sul modello, aggiungere il pigmento e mescolare accuratamente tutte le parti e il pigmento. Per questo studio, 150 ml sia della parte A che della parte B sono stati miscelati e agitati a mano o con un agitatore. Un colore di prodotto Sil-pigmentato "sangue" (vedi Tabella dei materiali) è stato aggiunto da bastone artigianale fino a quando non è stato raggiunto il colore desiderato.
  3. Posizionare il silicone accuratamente miscelato in una camera a vuoto a 29 in Hg per 2-3 minuti per de-gas. Il silicone si espanderà durante il processo di degassificazione a circa il doppio del suo volume, assicurarsi che il contenitore di miscelazione abbia spazio sufficiente per consentire l'espansione. Sfiatare e rimuovere il silicone degassato dalla camera e immergere la pozza di sangue nel silicone per rivestirlo a fondo, assicurandosi che tutti i vuoti e le cavità nella piscina di sangue siano riempiti con silicone.
  4. Spruzzare accuratamente tutti i pezzi della custodia miocardica con un prodotto a rilascio facile (vedere Tabella dei materiali) in un'area ben ventilata. Assemblare la metà inferiore della cassa miocardica attorno all'apice del pool sanguigno. Se eventuali cuciture tra i pezzi della custodia miocardica consentono al silicone di fuoriuscire, utilizzare morsetti o un materiale come colla a caldo o argilla per sigillare la perdita sulla superficie esterna dello stampo.
  5. Versare il silicone nello spazio tra la piscina di sangue e la parete della cassa, consentendo al silicone di fluire in tutti gli spazi vuoti. Continuare a versare il silicone fino a quando i pezzi assemblati dello stampo miocardico sono riempiti di silicone.
  6. Assemblare i pezzi rimanenti della custodia miocardica, fissare saldamente i pezzi della custodia utilizzando elastici e morsetti, se necessario. Versare il silicone lungo il foro di riempimento nella parte superiore del pezzo della custodia miocardica fino a quando l'intero spazio miocardico non viene riempito con silicone.
  7. Lasciare riposare il silicone per ~ 40 min. Rimuovere il cuore in silicone dalla custodia miocardica e tagliare eventuali cuciture in silicone create dallo spazio tra i pezzi della cassa o il foro di riempimento.

5. Sciogliere la pozza di sangue

  1. Identificare tutti i vasi sanguigni che dovrebbero avere estremità aperte sul modello in silicone e tagliare via qualsiasi silicone che li copre per esporre la piscina di sangue ABS all'interno.
  2. Immergere il cuore di silicone in un bagno di acetone. L'ABS inizierà ad ammorbidirsi 10-15 minuti dopo l'immersione dell'acetone; in questo caso, rimuovere grandi pezzi di ABS con una pinzetta per aumentare la velocità del processo di dissoluzione dell'ABS.
  3. Eseguire due o tre ulteriori risciacqui / ammollo di acetone con acetone pulito per rimuovere tutto l'ABS dal silicone quando la maggior parte del pool di sangue ABS si è sciolto. Rimuovere il modello cardiaco dal bagno di acetone e lasciare evaporare l'acetone rimanente dal modello in un'area ben ventilata. Il tempo necessario per sciogliere completamente l'ABS dipenderà dalle dimensioni del modello, dalla quantità di ABS rimosso manualmente e dalla quantità di acetone utilizzato.

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Figura 6: Modello cardiaco in silicone specifico per il paziente con VSD. Fotografia di una vista epicardica della superficie del modello completo in silicone con VSD. VSD non è visibile a causa della sua posizione all'interno della struttura miocardica intra-cardiaca. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

I dati di imaging radiologico di un paziente con VSD sono stati scelti per generare un modello cardiaco in silicone rappresentativo. L'anatomia del paziente è stata segmentata utilizzando un software di segmentazione CAD per generare un modello miocardico digitale e un modello di pool sanguigno digitale (Figura 1). La segmentazione manuale del pool sanguigno e del miocardio con il protocollo presentato richiede 1-3 ore per essere completata. Al termine della segmentazione, il modello miocardico è stato aperto nel software CAD per ulteriori elaborazioni. Il modello è stato allineato a una scatola 3D realizzata all'interno del programma e quindi sottratto utilizzando operazioni booleane. Questo processo ha lasciato un negativo del modello miocardico, formando uno stampo. Questo stampo miocardico è stato tagliato a una dimensione più appropriata, tagliato in segmenti e modificato con puntelli per allineare i pezzi (Figura 2) . La creazione del caso ha richiesto 2-6 ore. Tutti i pezzi di muffa miocardica e il pool di sangue sono stati caricati in un software di affettatura di stampa 3D e G-Code è stato generato per la stampa 3D in ABS (Figura 3). I pezzi stampati in 3D con materiale di supporto rimosso possono essere visti nella Figura 4. I pezzi della cassa miocardica sono stati levigati a vapore per migliorare la finitura superficiale del modello (Figura 5). Al completamento del processo di liscio del vapore, lo stampo è stato assemblato attorno al modello di piscina di sangue e il silicone è stato versato. L'assemblaggio e il versamento del silicone hanno richiesto un'ora. Dopo il set di silicone, il modello cardiaco è stato rimosso dalla custodia miocardica e immerso nell'acetone per sciogliere la pozza di sangue. Dopo circa ventiquattro ore di ammollo, la pozza di sangue si era dissolta. È stato eseguito un risciacquo finale dell'acetone e il modello è stato lasciato asciugare completamente. Il modello cardiaco in silicone completato può essere visto nella Figura 6. Per valutare l'accuratezza e la funzionalità del modello in silicone, è stata praticata un'incisione dall'esperto CHD (difetto cardiaco congenito) per consentire di osservare l'anatomia interna. Il VSD atteso era presente e un cerotto GORE-TEX è stato cucito sul modello dal cardiochirurgo congenito per correggere il VSD (Figura 7). In un modello in silicone completato con successo, tutta l'anatomia e i difetti del paziente saranno presenti sia esternamente che internamente. Un riepilogo del protocollo può essere visto nel file supplementare 1.

figure-results-1
Figura 7: Cerotto GORE-TEX cucito in modello cardiaco in silicone con VSD. Fotografia della vista (A) del chirurgo di un modello cardiaco in silicone specifico del paziente con un VSD e (B) vista del chirurgo del VSD nel modello chiusa con un cerotto GORE-TEX. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

File supplementare 1: Schema del protocollo di fabbricazione del cuore in silicone. Illustrazione schematica del protocollo nella fabbricazione di un modello cardiaco in silicone specifico per il paziente. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 2: Riepilogo dei passaggi critici e dei potenziali esiti negativi. Riepilogo dei passaggi critici nello sviluppo di un modello cardiaco in silicone specifico per il paziente e dei potenziali esiti negativi che possono derivare se i passaggi non vengono seguiti correttamente. Fare clic qui per scaricare questo file.

Discussione

Al completamento del protocollo, dovrebbe risultare un modello cardiaco in silicone specifico per il paziente per la preparazione chirurgica. Tuttavia, ci sono diversi passaggi critici che devono essere completati correttamente affinché ciò possa essere raggiunto. Un riepilogo dei passaggi critici nel protocollo può essere visto nel file supplementare 2, così come i potenziali risultati se i passaggi non vengono eseguiti correttamente. Il primo passo critico riguarda la segmentazione dei dati di imaging radiologico del paziente. Questo passaggio richiede l'acquisizione di un set di dati di diagnostica per immagini 3D. L'utilità del modello nella pianificazione o nell'istruzione pre-chirurgica dipende dalla qualità del set di dati 3D. Si consiglia di utilizzare un set di immagini raccolte con una dimensione della fetta compresa tra 0,625 mm e 2,6 mm per garantire che il set di dati sia di risoluzione adeguata per la produzione del modello. Tuttavia, tutti i parametri di imaging dovrebbero essere impostati da un medico esperto in radiologia, con la cura del paziente come priorità. Va notato che potrebbe essere possibile produrre un modello da un set di immagini raccolte con una dimensione della sezione al di fuori dei valori consigliati, ma la risoluzione e la qualità del modello saranno influenzate negativamente. Dopo aver ottenuto le immagini, se la segmentazione non viene eseguita correttamente, comunemente non viene realizzata fino a quando il modello finale non viene prodotto e tagliato, con conseguente perdita di tempo e materiali. Per evitare questo risultato negativo, si consiglia a un esperto in materia di rivedere i file segmentati prima di creare gli stampi digitali per il controllo di qualità. Il prossimo passo critico si verifica durante la creazione degli stampi digitali. È importante assicurarsi che il caso miocardico possa essere assemblato attorno al modello di pool sanguigno. Se la custodia non si chiude intorno alla pozza di sangue, non può essere utilizzata per creare il modello in silicone poiché il silicone non impostato fuoriuscirà continuamente e l'anatomia potrebbe essere distorta. Uno strumento di levigatura rotativa portatile può essere utilizzato per rimuovere leggermente pezzi dello stampo miocardico solo se sono necessarie piccole regolazioni. Se sono necessarie grandi regolazioni, lo stampo digitale dovrà essere modificato e una custodia aggiornata stampata. L'ultimo passo critico è il versamento del silicone. La stretta osservanza delle istruzioni del materiale è necessaria quando si utilizza il silicone, in quanto in caso contrario potrebbe verificarsi un silicone che polimerizza con una superficie appiccicosa. Se la superficie è ritenuta troppo appiccicosa per l'uso da parte della PMI, potrebbe essere necessario ristampare il pool di sangue se non può essere rimosso con successo dal silicone. Il silicone dovrà essere ri-versato, con conseguente perdita di tempo e materiali. Se si utilizza silicone insufficiente o il silicone fuoriesce dallo stampo del case miocardico durante il processo di impostazione, il modello risultante sarà incompleto. Questo fallimento può essere risolto mescolando e versando silicone aggiuntivo nello stampo. Un materiale come la colla a caldo o l'argilla può essere utilizzato per sigillare le cuciture dello stampo del caso miocardico se una piccola quantità di silicone sembra fuoriuscire durante il processo di polimerizzazione.

Questo metodo di creazione di modelli cardiaci in silicone specifici per il paziente può essere modificato per consentire la creazione di un modello di qualsiasi struttura anatomica morbida con geometria interna ed esterna specifica per il paziente o complessa. Supponendo che l'anatomia target sia segmentata correttamente, i passaggi rimanenti del protocollo potrebbero essere seguiti con modifiche minime. Sebbene non sia al centro del lavoro attuale, il protocollo è stato applicato al parenchima epatico con un successo simile. Il materiale di stampa 3D utilizzato può anche essere modificato. ABS e PLA sono raccomandati per l'uso a causa del loro basso costo, ma qualsiasi materiale di stampa 3D dissolvibile può prendere il posto dell'ABS e qualsiasi materiale di stampa 3D desiderabile può prendere il posto del PLA con modifiche minime o nulle al protocollo. Tutti i parametri di stampa specificati dal produttore del filamento devono essere seguiti quando si utilizzano altri materiali di stampa. Questo metodo può essere ulteriormente modificato con l'uso di un silicone diverso. Il silicone raccomandato per l'uso in questo protocollo ha una durezza shore di 2 A, ma se è desiderabile un altro valore di durezza shore, un silicone diverso può essere sostituito con modifiche minime o nulle al protocollo. Assicurarsi di rispettare tutte le specifiche e le procedure di produzione quando si utilizza un prodotto in silicone diverso.

Mentre questo protocollo delinea una procedura di modellazione cardiaca migliorata, non è senza limitazioni. La principale limitazione di questo protocollo è che mentre il silicone a polimerizzazione al platino utilizzato è più vicino alla durezza del tessuto cardiaco rispetto ad altri materiali disponibili, la durezza non è l'unica proprietà che svolge un ruolo nell'abilità motoria fine dell'allenamento chirurgico. In particolare, il tessuto cardiaco reale dimostrerà friabilità o lacerazione sotto forza. Il silicone utilizzato è molto elastico, con un allungamento a rottura del 763% e una resistenza alla trazione di 1.986 kPa19. Il tessuto cardiaco suino, che si ritiene sia una rappresentazione accurata del tessuto cardiaco umano, ha un allungamento a rottura del 28-66% e una resistenza alla trazione di 40-59 kPa26. Questa differenza presenta un problema, in quanto i borsisti cardiochirurgici possono eseguire un'operazione di pratica su un cuore modello in silicone e ottenere un falso senso di fiducia perché il modello può resistere a forze che il tessuto cardiaco reale non può. Questa metodologia ha anche il potenziale per essere limitata da un modello cardiaco con geometria molto complessa. All'aumentare della complessità anatomica del modello, il protocollo può compensare aumentando il numero di pezzi nello stampo miocardico. In sostanza, i modelli sempre più complessi richiederanno progetti di stampi sempre più complessi e tempi di progettazione più elevati.

Il processo di creazione del modello descritto in questo protocollo è superiore a molte delle altre alternative disponibili grazie alla sua capacità di ricreare repliche anatomiche esatte a basso costo dell'anatomia incontrata chirurgicamente. Il cadaverico e il tessuto animale consentono simulazioni ad alta fedeltà, ma hanno un costo molto più elevato e richiedono specifiche configurazioni di laboratorio da utilizzare e mantenere2,6. Inoltre, i modelli cadaverici e di tessuto animale hanno preoccupazioni etiche, non sono specifici del paziente e la CHD complessa spesso deve essere prodotta manualmente da un chirurgo o da un istruttore, spesso portando a imprecisioni o danni ai tessuti e agli organi circostanti. Un'altra potenziale tecnica di modellazione prevede l'uso della realtà virtuale. La realtà virtuale consente la replica digitale di modelli cardiaci specifici del paziente, che è uno strumento efficace per stabilire accurate rappresentazioni mentali dell'anatomia del paziente e dei piani chirurgici. Inoltre, alcuni sistemi VR hanno permesso simulazioni di base con l'incorporazione del feedback tattile. Tuttavia, il feedback tattile disponibile manca del realismo necessario per replicare le necessarie capacità motorie per le procedure cardiochirurgiche congenite4. La stampa 3D è un altro metodo disponibile per produrre modelli cardiaci specifici per il paziente2,24. Tuttavia, l'implementazione diffusa di stampanti 3D ad alta fedeltà in grado di produrre modelli multi-materiale e morbidi sono inibiti dal loro costo estremamente elevato.11,14,15. Le stampanti 3D a basso costo sono disponibili, ma possono stampare solo in materiali molto più solidi del miocardio reale. Quando uno dei materiali più morbidi disponibili per una stampante 3D è stato utilizzato per creare un modello di Scanlan et al., il modello è risultato essere più solido del tessuto cardiaco reale17. Il materiale descritto aveva una durezza shore compresa tra 26 A e 28 A, dandogli una consistenza simile a un elastico. Il silicone polimerizzato al platino utilizzato in questo protocollo ha una durezza shore di 2 A, dandogli una consistenza simile a un inserto in gel e molto più vicina alla durezza dei tessuti cardiaci reali, che è 43 0020 o ~0 A. Hoashi et al. ha anche utilizzato un metodo simile a quello descritto in questo protocollo per sviluppare un modello cardiaco flessibile stampato in 3D. Due stampi, che rappresentano la geometria miocardica interna ed esterna, sono stati stampati in 3D utilizzando una stampante SLA seguita dalla colata sottovuoto di una resina poliuretanica simile alla gomma. Mentre questo metodo ha prodotto un modello cardiaco morbido, il costo di produzione proposto di questo metodo per modello era da 2.000 a 3.000 USD22. Comparativamente, il costo totale del materiale del metodo descritto nel protocollo presentato è inferiore a 10 USD. Infine, un metodo simile è stato utilizzato anche da Russo et al. creare modelli in silicone della valvola aortica e dell'aorta prossimale per la pratica procedurale. Mentre il Russo et al. metodo è focalizzato su un obiettivo simile, il loro processo presentato volto a replicare anatomie molto più semplici dell'aorta o delle valvole aortiche. Il protocollo qui presentato si differenzia concentrandosi su anatomie intra-cardiache e miocardiche che sono più piccole, più complesse e sarebbero estremamente difficili da replicare date le metodologie storiche. Nonostante questa differenza, i modelli creati da Russo et al. sono stati molto utili per la simulazione e la formazione in cardiochirurgia da parte di cardiochirurghi intervistati23. In sostanza, il metodo descritto in questo protocollo consente la creazione a basso costo di modelli cardiaci congeniti complessi e specifici per il paziente con difetti accuratamente rappresentati e proprietà del materiale più simili al tessuto cardiaco reale rispetto ad altri metodi di modellazione.1,16, consentendo di utilizzare i modelli con una fedeltà tattile realistica.

Andando avanti, questa metodologia potrebbe essere applicata alla formazione di un modello di qualsiasi anatomia del paziente con caratteristiche interne ed esterne complesse. Lo sviluppo di un materiale alternativo per il pool di sangue che potrebbe essere rimosso dall'interno del modello in silicone in modo meno distruttivo o prodotto utilizzando un metodo meno dispendioso in termini di tempo renderebbe il processo più efficiente in termini di tempo e costi. Di conseguenza, non sarebbe necessario riprodurre un nuovo pool di sangue per ogni successivo processo di stampaggio, portando alla scalabilità dell'allenamento associato. Anche le proprietà fisiche del silicone utilizzato per creare il modello potrebbero essere migliorate. Il silicone con meno allungamento a rottura aumenterebbe il realismo del modello e contribuirebbe a migliorarne il valore come strumento educativo per i borsisti cardiochirurgici che cercano di apprendere le abilità motorie fini necessarie per eseguire queste complesse procedure. Un gruppo di materiali attualmente sul mercato degni di considerazione per aiutare in questa soluzione sono i materiali in vetro simulato al silicone25. Questi materiali siliconici mostrano molto meno allungamento alla rottura che porta a una distinta "frantumazione" all'applicazione della forza in modo simile al vetro. La modulazione del silicone a polimerizzazione del platino utilizzato in questo protocollo con aggiunte di questo materiale di vetro simulato in silicone può consentire il controllo delle caratteristiche di friabilità del modello pur mantenendo l'appropriata durezza shore, migliorando la fedeltà tattile complessiva. Infine, la risoluzione dell'anatomia che questo protocollo può produrre è limitata dalla risoluzione della stampante 3D utilizzata per generare gli stampi. Man mano che la tecnologia continua a migliorare, anche la risoluzione dell'anatomia che può essere creata con questo protocollo dovrebbe migliorare.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Gli autori vorrebbero ringraziare OSF HealthCare per aver reso possibile questo studio, così come il Dr. Mark Plunkett per le sue conoscenze procedurali e l'applicazione delle competenze al nostro prodotto finale.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Filamento ABS da 1,75 mmMatter Hackermatterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-Qualitàaneddoticamente costante, prezzo attento al budget
Filamento PLA da 1,75 mmMatter Hackerhttps://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKUQualità aneddoticamente costante, prezzo attento al budget
8220 12VMax ad alte prestazioni Cordless Dremelhttps://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordlessCordless per un accesso più facile alle piccole funzioni nel modello
AcetoneSunnysidehttps://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5Bulk
Dragon Skin Fx-ProSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-proRivestimento
Ease Release 200Smooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/ease-release-200e sicuro per la pelle, per garantire una facile rimozione del silicone dallo stampo
Cerotto GORE-TEXGOREhttps://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatchCardiovascolare
ideaMakerRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/download/  Software CAD G-code incluso per stampanti 3D Raise
MateriliseMagics https://www.materialise.com/en/software/magicsSoftware CAD ricco di funzionalità in grado di manipolare superfici organiche
ImitaMaterilizzahttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimicsSoftware di segmentazione ricco di funzionalità
Dati DICOM del paziente-I dati DICOM provengono in genere da una TC o da una risonanza magnetica
del paziente Pro2 PlusRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/Anecdotallay affidabile, stampante 3D FDM a doppia estrusione
PRO2-100 Pistola per colla industriale Surebonderhttps://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticksPistola per colla a caldo di qualità industriale
Silc PigSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigmentsPigmento per aggiungere colore al silicone
Camera a vuotoSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/vacuum-chamberCamera a vuoto Aneddoticamente affidabile per rimuovere le bolle d'aria dal silicone misto
standard del settore, caratterizzato Cerotto -

Riferimenti

  1. Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
  2. 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).
  3. Wilson, H. K., Feins, R. H. Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , Springer, Cham. 263-274 (2019).
  4. Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).
  5. Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).
  6. Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).
  7. Velasco Forte, M. N., et al. Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD. Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).
  8. Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review. Heart. 106, 1631-1637 (2020).
  9. Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study. BMC Medical Education. 18 (178), (2018).
  10. Farooqi, K. M., Mahmood, F. Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).
  11. Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study. Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).
  12. Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
  13. Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).
  14. Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
  15. Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. Affordable three-dimensional printed heart models. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498(2021).
  16. Lau, I., et al. Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).
  17. Scanlan, A. B., et al. Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves. Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).
  18. Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
  19. Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
  20. Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials. Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).
  21. Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).
  22. Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).
  23. Hoashi, T., et al. Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).
  24. Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).
  25. Russo, M., et al. Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).
  26. Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. Three-dimensional printing surgical applications. ePlasty. 15, 37(2015).
  27. Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
  28. Riedle, H., Molz, P., Franke, J. Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models. IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).

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