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방법 논문

신생아 환자 시뮬레이터에 사용 하기 위해 해부학 현실적인 신생아 심장 모델

5.8K 조회수

DOI:

10.3791/56710

2019년 2월 5일

이 논문에서

요약

이 프로토콜에서는 자기 공명 영상, 3D 인쇄, 사출 성형의 조합을 이용 하 여 기능성 인공 신생아 심장 모델을 만들기 위한 절차를 설명 합니다. 이러한 모델의 목적은 생리 및 해 부 학적 연구에 대 한 다음 세대 신생아 환자 시뮬레이터 및 도구에 통합.

초록

신생아 환자 시뮬레이터 (NPS)는 의료 시뮬레이션 교육의 맥락에서 사용 하는 인공 환자 대리 모 알선. Neonatologists 및 간호 직원 연습 bradycardia 또는 심장 마비 환자 생존을 위해 가슴 압박 등 임상 개입. 현재 사용 하는 시뮬레이터 낮은 신체 충실도의 이며 따라서 가슴 압박의 절차에 대 한 질적 통찰력을 제공할 수 없습니다. 해부학 현실 심장 미래에 시뮬레이터 하면 가슴 압박; 하는 동안 생성 된 심장 출력의 감지 포함 이 출력 매개 변수, 혈 생성의 금액에 관하여 압박의 효과의 이해를 깊게 수 임상을 제공할 수 있습니다. 이 모니터링은 달성 될 수 있다, 전에 해부학 현실적인 심장 모델 만들어야 합니다 포함: 2 심 방, 2 심, 4 개의 심장 판 막, 폐 정 맥 및 동맥, 그리고 조직의 정 맥과 동맥. 이 프로토콜에서는 자기 공명 영상 (MRI), 3D 인쇄, 그리고 차가운 사출 성형의 형태로 주조의 조합을 사용 하 여 이러한 기능성 인공 신생아 심장 모델을 만들기 위한 절차를 설명 합니다. 이 메서드를 사용 하 여 유연한 3D 인쇄 내부 금형 사출 성형 과정에서에서와, 해부학 현실적인 심장 모델을 얻을 수 있습니다.

서론

매년 수백만 신생아는 신생아 집중 치료 단위 (NICU)을 인정 했다. NICUs에서 대부분 긴급 기도, 호흡, 순환 (ABC)에 문제에 관련 하 고 가슴 압박 등 개입 필요. NPS는 귀중 한 교육 및 훈련 도구 같은 개입을 연습을 제공 합니다. 일부 NPS 대 한 임베디드 센서 성능 권장된 임상 지침1 깊이 가슴 압박의 속도 대 한 충족 여부를 검색할 수 있습니다. 계산 하 고 성능, 계량 지침을 준수를 사용할 수 있으며 이와 관련, 같은 첨단 NPS 성능 평가 대 한 유형 및 백색 상자 통계로 볼 수 있습니다.

권장된 지침을 준수 환자 생리학을 향상을 목표로 합니다. 예를 들어 가슴 압박 순환 시스템에 충분 한 혈액의 흐름을 생성 하는 것을 목적으로 전달 됩니다. 현재 높은 충실도 NPS (예를 들어, PremieAnne (Laerdal, 스타 방 게르, 노르웨이)와 바울 (SIMCharacters, 비엔나, 오스트리아)), 그들은 부족 통합된 한 마음으로 훈련 기간 동안 혈 등 생리 적 매개 변수를 측정 하기 위해 어떤 센서를 포함 하지 않는 이 생리 적인 매개 변수를 생성 합니다. 현재 NPS에서 가슴 압박의 효능 수 따라서 없습니다 부과 생리 적 수준에서. 가슴 압박의 생리 적 평가 사용 하도록 NPS에 대 한 해부학 현실적인 인공 심장 NPS에 통합 될 수 있다. 또한, 연구2 실제 해부학 충실도 증가 NPS의 기능 충실도 증가 발생할 수 있습니다 보여 줍니다. 물리적으로 높은-충실도 기관 시스템 통합 훈련의 두 기능 충실도 유익 하 고 생리 적인 성능 평가 가능 하 게 것 이다.

3D 인쇄를 통해 NPS의 충실도에 상당한 증가 얻을 수 있습니다. 의학, 3D 이미징 및 인쇄는 대부분 수술 준비와 임 플 란 트3,,45의 창조에 대 한 사용 됩니다. 예를 들어 수술 시뮬레이션 분야에서 장기 훈련 외과 수술6대 생산 됩니다. 3D 인쇄의 가능성을가지고 아직 되어 광범위 하 게 적용 되지 NPS에서. 3D 영상과 3D 인쇄 조합 물리적 충실도의 높은 수준에 도달 하기 위한 가능성을 엽니다. 정교한, 유연 하 고, 신생아 심장 같은 장기의 복제 기술과 3D 인쇄7사용 재료의 적-확대 범위 때문에 가능한 된다.

이 문서에서 우리는 기능, 인공 신생아 심장 MRI, 3D 인쇄, 그리고 차가운 사출 성형의 조합을 사용 하 여 만들기 위한 프로토콜 선발. 이 종이에 심장 모델 두 심 방, 2 심, 4 개의 기능 밸브, 그리고 폐와 조직의 동맥과 정 맥 모든 캐스팅 단일 실리콘에서 생산을 포함 되어 있습니다. 심장 모델은 액체 가득, 센서를 갖추고 고 출력 매개 변수 생성기 (, 혈압 또는 심장 출력 가슴 압박 및 밸브 기능)으로 사용 될 수 있습니다.

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프로토콜

모든 기관 승인 환자 이미징 하기 전에 획득 했다.

1. 이미지 획득 및 세분화

  1. 디지털 이미징 및 통신 의학 (DICOM) 형식에는 신생아의 흉부 MRI 스캔을 취득. 심장 주기의 심 실 심장 확장 단계에 스캔의 모든 슬라이스를 캡처 또는 부검에서 흉부 MRI를 얻을.
    참고: 심장 근육으로 심 방 및 심, 가시 명확한 정의 필수적 이다.
  2. 프로세싱 소프트웨어를 사용 하 여 (참조 테이블의 재료) 가져오기 흉부 MRI의 DICOM 파일. ' 편집 마스크 ' 메뉴 항목을 사용 하는 마음은 존재 MRI 슬라이스 각에 심장 근육의 영역을 선택. 심 방 및 심,이 경우에 덮여 수 있습니다 또한.
  3. 새로운 스케치 레이어를 만들고 별도로 심장 근육에 대 한 선택과 같은 방식으로 두 개의 심 방 및 2 개의 심 세그먼트. 심 방 및 심, 사이 심 동맥 사이의 밸브를 세그먼트 하지 마십시오.
  4. 근육을 렌더링 및 챔버 '계산 3D' 메뉴를 사용 하 여 별도 3D 표현에 항목 ' STL +' 메뉴 항목을 사용 하 여 최적의 해상도 설정을 사용 하 여 5 스테레오 리소 그래피 (.stl) 파일로 내보냅니다.
  5. CAD 소프트웨어에 the.stl 파일을 로드 ( 재료의 표참조). 수정 마법사 메뉴 항목을 사용 하 여 겹치는 삼각형 및 나쁜 가장자리에 대 한 the.stl 파일을 복구. The.stl 파일을 다시 저장 합니다.
    참고: 없는 심장 MRI를 사용할 수 있는 경우이 프로토콜에 사용 되는 심장 모델을 사용 하십시오. 이 파일에는 별도 심장 밸브 모델을 포함 되어 있습니다. 제발 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭합니다.

2. 처리 및 인쇄 형

  1. 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어에 심 방 및 심 집합 로드 ( 재료의 표참조). 제발 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭합니다.
    1. 원래 MRI (그림 1)를 사용 하 여 대동맥, 폐, mitral, 그리고 tricuspid 벨 브의 위치를 결정 합니다.
  2. (위의 링크를 통해 얻은) 밸브 파일 '부분 삽입' 기능을 활성화 하는 현재 파일에 드래그 하 여 각 밸브의 긍정적이 고 부정적인 형 반 심 방 및 심 로드 된 세트에 그들의 각각 위치에 추가 합니다. 심 방 또는 심의 화면 위치를 클릭 하 여 배치의 위치를 나타냅니다.
    1. 사용 하 여 양수 및 음수 밸브의 돌출 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 그들의 각각 약 실에 내 다 및 그들의 각각 약 실에 밸브 부품을 병합.
      참고: 승 모 판 tricuspid, 대동맥, 동안 두 semilunar 부분 이루어져 있고 폐 밸브 구성 3.
  3. 2.2 단계에 설명 된 절차를 사용 하 여 그들의 각각 심 위치에 폐와 대동맥 밸브 파일을 추가 합니다. 이 밸브의 상단에서 클릭 하 여 5 mm 직경의 2 개의 아치 실린더 스케치는 ' 스케치 탭 > 원 ' 라인을 사용 하 여 아치를 스케치 따라는 ' 기능 탭 > 보스/베이스 청소 ' 두 원형 실린더 표면 수평 위치에 도달할 때까지. 그들의 각각 심 하 동맥 밸브 부품을 병합 합니다.
  4. 각각 4 개의 챔버로 두 개의 아치형된 실린더의 기지에서 클릭 하 여 5 mm 직경의 수직 실린더 그리기는 ' 스케치 탭 > 원 ' 항목을 클릭 하 여 그들을 길이 40 m m 돌출는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 항목. 각 실린더는 그들의 각각 약 실에 내 다 보자.
    1. 챔버 형에서 6 내부 부품을 조립 하는 때 위치를 위해 차동 노치를 추가 6 실린더 (그림 2) 실린더 위에 반원을 스케치 하 여: 클릭는 ' 스케치 탭 > 원 스케치 ' 메뉴 항목을 사용 하는 ' 기능 탭 > 컷/밀어내기 '를 만드는 다른 깊이 들여쓰기 메뉴 항목.
      1. 챔버와 챔버의 견고한 바디를 선택 하 여 동맥을 동맥, 마우스 오른쪽 클릭 하 고 '결합' 기능을 빼기 설정을 선택할 수 있습니다 그들의 셰이프를 뺍니다. 이러한 부분을 병합 하지 마십시오. 모든 챔버와 동맥을 별도로 저장 합니다.
  5. 심장 근육 모델을 가져옵니다. 새 스케치를 시작 하 고 'shift' 키를 눌러 모든 실린더 기본 스케치를 선택 하 여 6 기통 기본 스케치를 오프셋 합니다. 그런 다음 선택은 ' 스케치 탭 > 변환 엔티티 메뉴 항목. 선택은 ' 스케치 탭 > 오프셋 스케치 2 m m에 의해 오프셋 엔티티 메뉴 항목.
    1. 돌출 및 클릭 하 여 병합 하는이 스케치는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/베이스 ' 메뉴 항목 심장 근육 모델; 아치 실린더를 반복 합니다. 클릭 하 여 병합 하는 심장 근육 모델이 실린더는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/베이스 ' 메뉴 항목.
      참고: 심장 근육의 모델을 반대는 심 방 거리 (그림 1)에서 2 mm 이상 확인 하십시오. 그렇지 않으면 벽 내부 금형을 제거 하는 때 파열 됩니다.
  6. 첫 번째 클릭 하 여 참조 평면을 배치 하 여 아래로 6 개의 실린더의 기지에서 큐브 모델은 ' 기능 탭 > 형상을 참조 > 비행기 '. 이 후, 클릭는 ' 스케치 탭 > 광장 ' 메뉴 항목 및 스케치는 길이와 폭 4 m m 즉 심장 근육 모델의 넓은 부분 보다 넓은 광장.
    1. 클릭 하 여 8 m m의 두께와 이것을 아래쪽으로 돌출 된 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 메뉴 항목, 그리고 '부품 병합' 메뉴 항목을 표시 하는 6 실린더의 기지에 이것을 병합. 기지의 네 모퉁이에 동일한 메서드를 사용 하 여 4mm 큐브를 추가 합니다.
  7. 광장 기지를 사용 하 여 스케치로, 전체 심장 모델을 커버 하 고이 모든 다른 부분을 빼기를 압출 성형. 심장 모델의 가장 넓은 부분에 남은 직사각형의 윗 부분을 분할. 먼저 사용 하 여 원하는 높이에 참조 평면 배치는 ' 기능 탭 > 형상을 참조 > 비행기. 이 후, 메뉴 항목 사용 하 여 ' 삽입 > 금형 > 분할 ' 통해 분할 자리 하 고 분할을 요구 하는 개체에서 서피스를 선택 하.
    1. 남은 직사각형 분할 다시 가장 편리한 몰드 릴리스 단계 수직 위치에서 아직 2.7에서에서 설명 하는 동일한 방법을 사용 하 여 위치. 금형의 경도 부품의 모서리에 4mm 큐빅 소켓을 스케치 하 고 사용 하 여 상단 덮개의 모서리에 4mm 큐브를 추가 ' 스케치 탭 > 광장 '과 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 메뉴 항목.
  8. 전체 외부 형 모델의 상단을 덮고 하는 직경 1mm의 50 원을 스케치 하 고 모든 외부 금형을 통해 이러한 컷-돌출. 또한, 심장 근육 모델의 가장 넓은 위치에서 상단 덮개 측면에 여러 1mm 실린더를 압출 성형. 컷-압출 성형 상단 덮개에서 단일 8mm 주입 구멍.
    1. 모든 4 개의 외부 금형 부품을 별도로 저장 합니다.
      주의: 총, 이어야 한다 10 금형 구성 요소: 금형, 두 개의 외부 형 측면 패널, 하나의 외부 몰드 상단 덮개, 밸브 부착 2 내부 형 atria, 밸브 부착, 2 내부 형 심 및 각 대동맥 및 폐 동맥 내 중의 밸브 부착의 형 동맥
  9. 인쇄에 대 한 처리 프린터를 사용 하 여 설치는 견고 하 고 고무 같은 photopolymer 재료로
    ( 재료의 표참조). 인쇄 침대에 인쇄에 대 한 부품을 배치할 때 확인 밸브 제외 모든 인쇄 된 위쪽으로 향하게 (세로) (그림 3).
    1. 광택 인쇄 설정을 선택 합니다. 폐와 대동맥 형 첨부 파일 뿐 아니라 4 개의 챔버에 대 한 선택 유연한 S95 소재; 다른 4 개의 금형 부품에 대 한 경직 된 인쇄 자료를 선택 합니다.
  10. 금형 부품, 인쇄 후 인쇄 중 워터 건설 지원 재료를 제거 ( 재료의 표참조). 금형 부품 청소 후 24 h에 대 한 5% 수산화 나트륨 용액에 부품을 놓습니다. 그들을 씻어 솔루션에서 부품을 제거한 후 주조 하기 전에 48 h 동안 건조를 떠나과 냉 수를 사용 하 여.

3. 차가운 사출 성형 및 마무리

  1. 릴리즈 에이전트 모든 금형 부품의 모든 표면 스프레이 ( 재료의 표참조), 밸브, 그리고 깨끗 한 티슈로 닦아 제외 하 고. 15 분 동안 건조를 남겨 주세요.
    1. 형과 두 측면 패널의 닫고 금형의 테이블 표면과 직접 접촉 하지 그래서 두 스페이서, 위에 배치 합니다. 설명서에는 실리콘 카트리지를 삽입 하 여 실리콘을 준비 ( 재료의 표참조) 총 분배.
  2. 측정 컵과 이쑤시개를 사용 하 여 혼합 분사 총에서 압착 하는 실리콘의 5 mL를 추가 합니다. 이쑤시개를 사용 하 여 오른쪽 심 방 및 심 실 밸브의 부정적이 고 긍정적인 측면에 녹은 실리콘의 관대 한 금액을 적용. 실리콘 (그림 4)에 갇힌 공기 거품 없는 다는 것을 확인 하십시오.
    1. 밸브를 오른쪽 각도에서 두 개의 챔버를 연결 하 고 기본 형의 그들의 각각 실린더에 그들을 밀어. 왼쪽된 측면에 대 한이 반복 합니다. 마지막으로, 마찬가지로 폐 동맥 그리고 대동맥 아치 실린더를 연결 합니다. 이러한 밸브를 2 분 동안 응고를 두고 금형의 상단 부분을 연결 합니다.
  3. 카트리지를 정적 믹서를 연결, 실리콘 노즐, 종료 때까지 집어넣은 다음 압력을 놓습니다. 위치 두 스페이서 (그림 5)에 전체 금형 총에 삽입 8 m m 사출 성형 소켓, 그리고 낮은 압력으로 짜 내 3 분에 걸쳐 모든 공기 통풍구 실리콘 과잉의 흔적을 보여줄 때까지.
    1. 이 시점에서 실리콘 주입을 중지 하 고 제거 믹서, 모든 하단 환기구는 봉인 하 고 아니 더 많은 실리콘 몰드의 바닥에서 흐를 수 있도록 테이블 표면에 형을 배치. 30 분을 강화 하기 위해 실리콘을 둡니다.
  4. 캐 고 금형의 상단 및 하단 부분 사이 균열에 금속 스페이서를 해제 하 여 금형의 상단 부분을 엽니다. 한 번에 한쪽을 제거 하는 동일한 방법을 사용 하 여 금형의 측면 부분을 제거 합니다.
    참고: 공백 요소를 삽입할 때 심장 벽을 펑크를 하지 있는지 확인 합니다.
    1. 3 외부 몰드 컴포넌트 (그림 6) 발표 후 심장 외부에서 모든 기포를 감지 합니다. 메스를 사용 하 여 거품을 통과 하는 이쑤시개를 사용 하 여 작은 양의 실리콘으로 작성 후 또 다른 30 분 치료를 떠나.
  5. 압축 공기를 사용 하 여 ( 재료의 표참조) 심장 모델에서 6 내부 금형을 떠나는 형의 기지에서 심장 모델을 날 려. 단단히 묶습니다 공기 심장 벽 파열을 방지 하기 위해 한 손으로 심장 모델에 있는지 확인 합니다.
    1. 물으로 주사기를 사용 하 여 작성 하 고 왼쪽 및 오른쪽 심 내부 금형 출시 기 압. 이 후를 잡아이 내부 두 금형 부품을 꺼내 Magill 겸 자 ( 재료의 표참조)를 사용 합니다. 폐와 대동맥 동맥이 과정을 반복 하 고 마지막으로 왼쪽 및 오른쪽 심 방 내 면 금형을 제거 하기 위한.
      참고: 확인은 집게의 위치는 압축 하지 밸브 세그먼트 때 클램프 압력이 적용 됩니다; 그것은 인쇄 된 밸브를 파괴할 것 이다.
  6. 타이 랩을 사용 하 여 심장 모델의 기지에서 심에서 아래쪽으로 직접 이어지는 두 개의 튜브를 바인딩할 하 고 심장 벽 표면에 그들을 가져와서 여 액세스 공기 환기 문자열을 제거 합니다.

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결과

이 연구는 MRI 이미징, 3D 인쇄, 및 차가운 사출 성형 결합 해부학 현실적인 신생아 심장 모델을 만드는 방법을 자세히 설명 합니다. 이 문서에 소개 된 심장 모델에는 ductus arteriosus로 구멍 ovale 포함 되지 않았다. 이 문서에서 설명 하는 방법은 폐, 그리고 흉 곽 구조 같은 다른 내부 장기에도 적용할 수 있습니다. 빗 구조 없는 금형을 요구 하 고 유연한 재료를 사용 하 여 직접 인쇄할 수 있습니다. (그림 7)에서 우리는 몇 가지 예제 묘사. 이러한 다른 인공 신체 부위와 함께에서 심장 모델을 사용 하 여 비-침략 적으로 침략 적 임상 내정간섭을 위한 훈련 도구 또는 테스트 플랫폼으로 사용 하는 완전 한 흉부 복제를 만듭니다.

완전 하 고 현실적인 해부학 모델을 재현의 도전 사실 밸...

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토론

이 연구에서 개발 된 모델에 대 한 우리는 3 분 동안 성형 사출 캐스트 (그림 5, 그림 6)을 입력 하는 공기를 방지 하는 데 필요한 식별. 실리콘 밸브의 좁은 공간에 도달 하면 되도록 "사전 캐스팅" 또는 "코팅" 금형에서 밸브 분야의 필수적 이다. 내부 형 심장 챔버를 형성 해야 하므로 5mm 구멍을 통해 캐스팅 최종 실리콘 종료, 금형에 대 한 다중 소재 3D 프린팅 단일 캐스트 심장 모델 (그림 4)을 만드는 데 필요 합니다. 우리는 낮춘 내부 금형의 부품의 경도 몇 번 하 고 결국 S95 소재 설정 사용. 더 단단한 물자 실리콘 모델 결과 심장 모델을 작동 하지 않는 렌더링 밸브의 가장자리에 날카로운으로 인해 눈물을 만들 것입니다. 통해 여러 실리콘을 사용 하 여 다른 경화 시간, 빠른 경화 실리콘의 사용 금형 설계에 많은 공기 통풍구를 통해 치료 하는 동안...

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공개 사항

저자 아무 잠재적인 이해 충돌에 관한 연구, 원 작 자, 및이 문서의 출판을 선언 합니다. 이 연구 공공, 상업, 또는 하지-위한-비영리 부문에서 자금 조달 기관 으로부터 아무 특정 보조금을 받았다.

감사의 글

이 연구는 IMPULS perinatology의 네덜란드 프레임 워크 내에서 수행 되었다. 저자는 해부학 및 병리학과이 작품에 사용 되는 신생아 MRI 검사를 제공 하기 위한 맥시 의료 센터 Veldhoven Radboud UMCN 박물관을 감사 하 고 싶습니다. 더 저자가이 연구의 발전에 중요 한 그들의 공헌에 대 한 산업 디자인 학부에서 재 스퍼 Sterk, Sanne 반 데르 린든, Frederique 드 Jongh, Pleun Alkemade 그리고 D.search 실험실을 감사 하 고 싶습니다. 마지막으로 저자는 원고 그의 증거 독서에 대 한로 한 조시를 감사 하 고 싶습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Ecoflex 5Smooth-on실리콘 주조 재료
400ml 정적 믹서Smooth-on혼합 튜브
수동 디스펜싱 건Smooth-on사출 성형에 사용
5-56 PTFE 스프레이CRC금형 용 이형제
산화 나트륨N / A이것은 철물점에서 가성 소다로 건조하고 99% 순수한 형태로 구입했습니다. 널리 사용 가능하므로, 특정 회사가 없습니다
VeroWhiteStratasys인쇄에 사용된 하드 재료
TangoBlackPlusStratasys인쇄에 사용된 고무 재료
지원 재료Stratasys Stratasys에서 사용하는 표준 지지 재료;
Magill ForcepsGIMA유아용 크기. 이것은 내부 금형을 제거하기 위한 것입니다.
Stratasys Connex 350Stratasys  이 기계를 소유하고 있지 않은 경우 또 다른 옵션은 3D 허브와 같은 타사 인쇄 회사를 통해 부품을 인쇄하여 부품을 인쇄하고 배송하는 것입니다.
Balco Powerblast (워터 제트)Stratasys
Euro 8-24 Set P (공기 압축기)iSC4007292
무딘 바늘이 있는 주사기N/A0.5mm 직경의 무딘 바늘이 있는 20ml 주사기.
Mimics 17.0 소프트웨어Materialise 이 소프트웨어는 MRI에서 심장 모델을 분할하는 데 사용되었습니다. InVesalius 또는 Osirix와 같은 sevaral free MRI 이미징 소프트웨어 도구를 사용할 수 있지만 기능이 더 적을 수 있습니다.
Magics 9.0 소프트웨어Materialise 이것은 모방자에 의해 생성된 .stl 파일을 복구하고 매끄럽게 하는 데 사용되었습니다. 이 스무딩은 또한  대부분의 다른 3D 모델링 프리웨어에서 수행할 수 있습니다.
Solidworks소프트웨어. 대부분의 다른 프리웨어 CAD 소프트웨어를 사용하여 이 처리 단계를 수행할 수 있습니다.
수. 심장 모델을 편집하는 데 사용되는

참고문헌

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  12. Miriyev, A., Stack, K., Lipson, H. Soft material for soft actuators. Nature comm. 8 (596), (2017).

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