Sviluppo e valutazione di fantasmi cardiovascolari stampati in 3D per la pianificazione e la formazione interventistica

Il metodo presentato consente la creazione di modelli anatomici cardiovascolari specifici per il paziente per test in vitro, insegnamento e pianificazione delle procedure. Questo metodo offre un approccio standardizzato alla creazione di modelli anatomici individualizzati stampabili in 3D basati su set di dati radiologici che possono essere facilmente inclusi in flow loop o configurazioni di addestramento. Mentre questo approccio di modellazione è focalizzato sul sistema cardiovascolare, può essere trasferito ad altre strutture anatomiche.

La qualità del set di dati radiologici ha una grande influenza sulle difficoltà incontrate durante la modellazione. Per i primi modelli, utilizzare un set di dati con artefatti di movimento minimi e un'elevata risoluzione spaziale. Per iniziare, definire un intervallo di valori unitari di Hounsfield aprendo lo strumento di soglia risultante in una maschera combinata del volume del sangue e delle strutture ossee migliorate dal contrasto.

Rimuovete tutte le parti ossee che non sono desiderabili nel modello 3D finale utilizzando lo strumento Dividi maschera, che consente di contrassegnare e separare più aree nelle sezioni complessive in base ai valori e alla posizione di Hounsfield. Dopo questa separazione, assicurarsi che rimanga una maschera contenente il volume di sangue potenziato dal contrasto. Questo può essere fatto scorrendo i piani coronale e assiale e abbinando la maschera creata con il set di dati sottostante.

Da questa maschera, calcolate un modello di superficie poligonale 3D sottoposto a rendering. Fate clic sullo strumento Levigatura locale (Local Smoothing) per regolare manualmente e localmente la superficie del modello segmentato. Concentratevi sulla rimozione di forme poligonali ruvide, picchi singoli e spigoli grezzi creati da precedenti operazioni di rifilatura.

Per consentire il successivo collegamento del modello a un flusso continuo, includere parti tubolari con diametri definiti regolati in base ai connettori del tubo e ai diametri del tubo disponibili. Per posizionare un piano di Riferimento parallelo alla sezione trasversale di apertura dei vasi, selezionate l'utensile Crea piano di Riferimento (Create Datum Plane) e utilizzate il piano a 3 punti preimpostato. Quindi, fate clic su tre punti equamente distanziati sulla sezione trasversale della nave per creare il piano.

Immettere un offset di 10 millimetri nella finestra di comando e confermare l'operazione. Selezionate lo strumento di sketch di disegno dal menu e scegliete il piano di Riferimento creato in precedenza come posizione dello sketch. Nello sketch, posizionare un cerchio approssimativamente sulla linea centrale del recipiente e impostare il vincolo di raggio in modo che corrisponda al diametro esterno del connettore del tubo.

Dallo sketch creato, utilizzate lo strumento Estrusione (Extrude) per creare un cilindro con una lunghezza di 10 millimetri. Orientare l'estrusione per allontanarsi dall'apertura del recipiente per creare una distanza tra il cilindro e la sezione trasversale del recipiente di 10 millimetri. Utilizzate quindi lo strumento Loft per creare una connessione tra la terminazione del recipiente e il cilindro geometricamente definito.

Garantire una transizione graduale tra le due sezioni trasversali, evitando così turbolenze e aree a basso flusso nel modello di flusso 3D finale. Infine, utilizzare lo strumento cavo per creare uno spazio di sangue cavo nella finestra di comando e inserire lo spessore della parete richiesto e impostare la direzione del processo di svuotamento per spostarsi verso l'esterno. Confermare la selezione per eseguire il processo di svuotare.

Dopo aver caricato il file di stampa dal software di slicing alla stampante 3D, assicurarsi che la quantità di materiale di stampa e materiale di supporto nelle cartucce della stampante sia sufficiente per il modello 3D e avviare la stampa. Dopo il processo di stampa, rimuovere il materiale di supporto dal modello finito. Innanzitutto, rimuovere manualmente il materiale di supporto spremendo delicatamente il modello.

Posizionare il modello sul lavandino e quindi immergerlo in acqua o in un rispettivo solvente dopo aver rimosso il coperchio. Asciugare il modello in un'incubatrice impostata a 40 gradi Celsius durante la notte. Il giorno successivo, incorpora il modello in 1%agar.

Utilizzare una scatola di plastica con margini laterali di almeno due centimetri attorno al modello e praticare fori nelle pareti per consentire il collegamento dei tubi dai recipienti alla pompa e al serbatoio. Aggiungere l'agar all'acqua e portarlo a ebollizione. Dopo aver mescolato il composto, lasciarlo raffreddare per cinque minuti e versarlo nella scatola per creare un letto di almeno due centimetri di altezza.

Mentre il letto di agar si imposta, collegare il modello a un tubo in PVC non conforme utilizzando connettori per tubi commerciali ad ogni apertura. Utilizzare le fascette per fissare la connessione tra i connettori del tubo e il modello 3D e assicurarsi che non vi siano perdite di fluido. Guidare i tubi in PVC attraverso i fori praticati nella scatola, quindi posizionare il modello sopra il letto di agar impostato.

Per evitare che l'agar fuoriesca da questi fori, utilizzare argilla modellante resistente al calore per sigillarlo. Quindi, riempire la scatola con agar e coprire il modello aggiungendo uno strato di due centimetri sulla parte superiore. Lasciare raffreddare completamente l'agar e impostare per un'ora a temperatura ambiente.

Agitare il ventricolo utilizzando una pompa a pistone con un volume di corsa da 120 a 150 millilitri. Per l'imaging TC, posizionare l'intero flusso continuo all'interno dello scanner CT con l'unità di azionamento nelle vicinanze. Collegare la pompa dell'agente di contrasto direttamente al serbatoio del flusso continuo in modo che l'inondazione del modello con l'agente di contrasto possa essere simulata durante la scansione.

Ciò è particolarmente utile per visualizzare le patologie vascolari. Eseguire la TC come scansione dinamica sull'intero modello per visualizzare l'afflusso dell'agente di contrasto. Iniettare da 100 millilitri da uno a 10 mezzi di contrasto iodati diluiti nel serbatoio del modello ad una velocità di quattro millilitri al secondo.

Avviare la scansione utilizzando l'attivazione del bolo nel tubo principale con una soglia di unità di 100 Hounsfield con un ritardo di quattro secondi. Per eseguire l'ecografia, mettere una piccola quantità di gel ad ultrasuoni sopra il blocco di agar per ridurre gli artefatti. Avviare la pompa e utilizzare la testa ad ultrasuoni per individuare la struttura anatomica di interesse.

Utilizzare la modalità eco 2D per valutare il movimento del volantino e il comportamento di apertura e chiusura della valvola. Utilizzare color Doppler per valutare il flusso sanguigno attraverso la valvola e Doppler spettrale per quantificare la velocità del flusso che segue la valvola cardiaca. Inserire una porta di accesso nel tubo in PVC direttamente sotto il modello 3D per consentire un accesso più facile all'anatomia con un catetere cardiaco o un filo guida.

Dopo aver avviato il flusso continuo, verificare la disponibilità di perdite nel punto di ingresso della porta. Se necessario, utilizzare un adesivo bicomponente per sigillare l'apertura. Posizionare il modello 3D sul tavolo del paziente sotto i bracci C della macchina a raggi X.

Utilizzare l'imaging a raggi X per guidare il catetere e guidare i fili attraverso la struttura anatomica. Per la risonanza magnetica 4D, utilizzare uno scanner da 1,5 Tesla e assicurarsi che il protocollo di acquisizione sia costituito da un MRA potenziato senza contrasto nella sequenza di flusso 4D. Acquisire un set di dati isotropo con 25 fasi in uno spessore della fetta di 1,2 millimetri.

Impostare la codifica della velocità a 100 centimetri al secondo. Esegui l'analisi dell'immagine del flusso 4D con un software disponibile in commercio. Innanzitutto, importa il set di dati MRI 4D selezionandolo dall'unità flash, quindi esegui la correzione semi-automatica dell'offset e la correzione dell'aliasing per migliorare la qualità dell'immagine.

La linea centrale della nave verrà tracciata automaticamente e il software estrarrà il volume 3D. Infine, eseguire l'analisi quantitativa dei parametri di flusso facendo clic sulle singole schede nella finestra di analisi. La visualizzazione del flusso, la visualizzazione della linea del percorso e il vettore del flusso possono essere visualizzati senza ulteriori input.

Per quantificazione della pressione e della sollecitazione di taglio della parete nella scheda rappresentativa, posizionare due piani facendo clic sul pulsante Aggiungi piano. Spostare i piani al ROI trascinandoli lungo la linea centrale in modo che un piano sia posizionato all'inizio del ROI e uno alla fine. La caduta di pressione attraverso il ROI e lo stress di taglio della parete verranno visualizzati e quantificati nel diagramma accanto al modello 3D.

I modelli stampati in 3D presentati offrono una vasta gamma di possibilità nell'imaging CT. Il materiale stampato può essere facilmente distinto dall'agar circostante e da eventuali impianti metallici. Pertanto, l'uso di un agente di contrasto non è normalmente richiesto, ad eccezione della generazione di sequenze di imaging dinamiche.

Quando si utilizza l'imaging ad ultrasuoni, è possibile distinguere tra la parete del modello, l'agar circostante e oggetti dinamici sottili come i volantini delle valvole cardiache. Lo strato di agar sulla parte superiore del modello fornisce un feedback tattile realistico durante il processo di scansione. L'analisi del flusso all'interno del loop di flusso offre una vasta gamma di possibili applicazioni e imaging pre-intervento.

La sequenza MRI 4D consente la visualizzazione del flusso del fluido, delle turbolenze e dello stress da taglio della parete all'interno del modello stampato in 3D, rendendo possibile l'analisi dei modelli di flusso seguendo le valvole cardiache artificiali. Questo flusso di lavoro può essere trasferito a diverse procedure mediche interventistiche per scopi di formazione o pianificazione. La tecnica consente un esame più attento in vitro del comportamento del flusso nei grandi vasi cardiovascolari e offre un grande potenziale per la pianificazione della terapia individualizzata.