介入計画と訓練のための3Dプリント心血管ファントムの開発と評価

提示された方法は、処置のインビトロ試験、指導、および計画のための患者固有の解剖学的心血管モデルの作成を可能にする。この方法は、フローループやトレーニング設定に簡単に含めることができる放射線データセットに基づいて、3D印刷可能な個別解剖モデルを作成するための標準化されたアプローチを提供します。このモデリングアプローチは、心血管系に焦点を当てながら、他の解剖学的構造に移すことができる。

放射線データセットの品質は、モデリング中に遭遇する困難に大きな影響を与えます。最初のモデルでは、最小限の移動アーティファクトと高い空間解像度を持つデータセットを使用します。まず、閾値ツールを開き、コントラスト強化血液量と骨構造のマスクを組み合わせることによって、ハウンズフィールド単位値の範囲を定義する。

[分割マスク]ツールを使用して、最終的な 3D モデルで望ましくないボーン パーツをすべて削除します。この分離後、コントラスト強化血液量を含むマスクが残存することを確認する。これは、コロナ平面と軸平面をスクロールし、作成したマスクを基になるデータセットと一致させることによって行うことができます。

このマスクから、レンダリングされた 3D ポリゴン サーフェス モデルを計算します。[ローカル スムージング]ツールをクリックして、セグメント化されたモデルのサーフェスを手動およびローカルに調整します。前のトリミング操作で作成した大まかなポリゴン シェイプ、単一のピーク、粗いエッジの削除に重点を置きます。

モデルを後でフロー ループに接続できるようにするには、使用可能なホース コネクタとチューブ直径に合わせて、定義済みの直径を持つ管状部品を含めます。船舶の開口部断面に平行なデータム平面を配置するには、ツール「データム平面を作成」を選択し、プリセットの 3 点平面を使用します。次に、船の断面上の 3 つの等間隔のポイントをクリックして、平面を作成します。

コマンド ウィンドウに 10 ミリメートルのオフセットを入力し、操作を確認します。メニューからスケッチを描画ツールを選択し、スケッチの位置として以前に作成したデータム平面を選択します。スケッチで、船舶の中心線に円を配置し、ホース コネクタの外径に合わせて半径拘束を設定します。

作成したスケッチから、押し出しツールを使用して、長さが 10 ミリメートルの円柱を作成します。押し出しを方向に向けて、船舶の開口部から離れ、10ミリメートルの円柱と容器の断面間の距離を作成します。次に、ロフトツールを使用して、容器の終わりと幾何学的に定義された円柱との間に接続を作成します。

2 つの断面間のスムーズな移行を確保し、最終的な 3D 流れモデルで乱流と低流量領域を回避します。最後に、中空ツールを使用してコマンド ウィンドウに中空の空のスペースを作成し、必要な壁の厚さを入れて、空洞化プロセスの方向を外側に移動するように設定します。空洞化処理を実行する選択を確認します。

スライスソフトウェアから3Dプリンタに印刷ファイルをアップロードした後、プリンタのカートリッジの印刷材料とサポート材の量が3Dモデルに十分であることを確認し、印刷を開始します。印刷プロセスに従って、完成したモデルからサポート材料を削除します。まず、モデルを軽く絞ってサポート材を手動で取り外します。

モデルをシンクに置き、カバーを取り外した後、水またはそれぞれの溶媒に浸します。一晩摂氏40度に設定されたインキュベーターでモデルを乾燥させます。翌日、モデルを1%寒天に埋め込みます。

モデルの周りに少なくとも2センチメートルの側面のマージンを持つプラスチック製の箱を使用し、チューブが容器からポンプと貯水池に接続されるように壁に穴を開けます。水に寒天を加え、沸騰させます。混合物をかき混ぜた後、5分間冷まして箱に注ぎ、少なくとも2センチメートルの高さのベッドを作ります。

寒天のベッドがセットしている間、すべての開口部で商業ホースコネクタを使用して非準拠のPVCチューブにモデルを接続します。ジップタイを使用して、ホースコネクタと3Dモデル間の接続を固定し、流体漏れがないことを確認します。PVCチューブを箱の中に穴を開けて、セットの寒天ベッドの上にモデルを置きます。

これらの穴から寒天が漏れるのを防ぐには、耐熱モデリング粘土を使用してシールします。次に、ボックスに寒天を塗り、2センチのレイヤーを上に追加してモデルを覆います。寒天を完全に冷やし、室温で1時間セットします。

120~150ミリリットルのストローク量のピストンポンプを使用して心室を攪拌します。CTイメージングの場合は、ドライブユニットを近くに置いた状態で、フローループ全体をCTスキャナ内に配置します。造影剤ポンプを流れループのリザーバに直接接続して、モデルの水浸しを造影剤でシミュレートできるようにします。

これは血管病理を視覚化するのに特に有用である。モデル全体を動的スキャンして、造影剤の流入を可視化する CT を実行します。毎秒4ミリリットルの速度で、1〜10希釈されたヨウ化した造影剤を100ミリリットルをモデルの貯水池に注入します。

4秒の遅延で100ハウンズフィールドユニットのしきい値を持つリーディングチューブでトリガボーラスを使用してスキャンを開始します。ソノグラフィーを行うために、少量の超音波ゲルを寒天ブロックの上に置いて、アーティファクトを減らします。ポンプを起動し、関心の解剖構造を見つけるために、超音波ヘッドを使用しています。

2Dエコーモードを使用して、リーフレットの動きとバルブの開閉動作を評価します。色ドップラーを使用して、バルブとスペクトルドップラーを横切る血流を評価し、心臓弁に続く流速を定量化します。3Dモデルの真下にあるPVCチューブにアクセスポートを挿入して、心臓カテーテルまたはガイドワイヤーで解剖学に簡単にアクセスできるようにします。

フローループを開始した後、ポートの入口点で漏出がないか確認します。必要に応じて、2つのコンポーネント接着剤を使用して開口部を密封します。X線装置のCアームの下にある患者テーブルに3Dモデルを置きます。

X線イメージングを使用して、カテーテルを導き、線を導いて解剖構造を通します。4D MRIの場合、1.5テスラスキャナを使用し、取得プロトコルが4Dフローシーケンスの非コントラスト強化MRAで構成されていることを確認します。スライス厚さ 1.2 ミリメートルの 25 段階の等方性データセットを取得します。

速度エンコードを毎秒 100 センチメートルに設定します。市販のソフトウェアを使用して4Dフロー画像解析を実行します。まず、フラッシュドライブから選択して4D MRIデータセットをインポートし、半自動オフセット補正とエイリアシングの補正を実行して画質を向上させます。

容器の中心線は自動的にトレースされ、ソフトウェアは3D容積を抽出する。最後に、解析ウィンドウの個々のタブをクリックして、フローパラメータの定量分析を実行します。流れの視覚化、パスラインの視覚化、および流れベクトルは、それ以上の入力なしで視覚化することができる。

代表タブで圧力と壁のせん断応力を定量化するには、[平面を追加]ボタンをクリックして 2 つの平面を配置します。1 つの平面が ROI の始点に配置され、1 つの平面が最後に配置されるように、中心線に沿ってドラッグして、平面を ROI に移動します。ROI と壁のせん断応力全体の圧力降下は、3D モデルの隣の図で視覚化および定量化されます。

提示された3DプリントモデルはCTイメージ投射の可能性の広い範囲を提供する。印刷された材料は周囲の寒天および可能な金属インプラントから容易に区別することができる。したがって、造影剤の使用は、動的イメージングシーケンスを生成する以外は、通常は必要ありません。

超音波イメージングを使用する場合、モデルの壁、周囲の寒天、および心臓弁リーフレットのような薄い動的物体を区別することが可能です。モデルの上の寒天層はスキャンプロセスの間に現実的な触覚フィードバックを提供する。フローループ内のフロー解析は、可能なアプリケーションと事前介入イメージングの広い範囲を提供します。

4D MRI シーケンスは、3D プリントモデル内の流体流れ、乱流、壁面せん断応力を可視化し、人工心臓弁に続く流れパターンの解析を可能にします。このワークフローは、トレーニングや計画目的でさまざまな介入医療手順に移行できます。この技術は、大きな心血管の流れの挙動をより近いインビトロ検査を可能にし、個別化された治療計画に大きな可能性を提供する。