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

Summary

Qui presentiamo lo sviluppo di una configurazione di circolazione simulata per la valutazione della terapia multimodale, la pianificazione pre-interventistica e la formazione del medico sulle anatomie cardiovascolari. Con l'applicazione di scansioni tomografiche specifiche per il paziente, questa configurazione è ideale per approcci terapeutici, formazione e istruzione nella medicina individualizzata.

Abstract

Gli interventi basati su catetere sono opzioni di trattamento standard per le patologie cardiovascolari. Pertanto, i modelli specifici per il paziente potrebbero aiutare a formare le competenze dei medici e migliorare la pianificazione delle procedure interventistiche. Lo scopo di questo studio era quello di sviluppare un processo di produzione di modelli stampati in 3D specifici per il paziente per interventi cardiovascolari.

Per creare un fantasma elastico stampato in 3D, diversi materiali di stampa 3D sono stati confrontati con i tessuti biologici suini (cioè il tessuto aortico) in termini di caratteristiche meccaniche. È stato selezionato un materiale di raccordo sulla base di prove di trazione comparative e sono stati definiti spessori specifici del materiale. I set di dati CT anonimizzati con contrasto migliorato sono stati raccolti retrospettivamente. I modelli volumetrici specifici del paziente sono stati estratti da questi set di dati e successivamente stampati in 3D. È stato costruito un circuito di flusso pulsatile per simulare il flusso sanguigno intraluminale durante gli interventi. L'idoneità dei modelli per l'imaging clinico è stata valutata mediante imaging a raggi X, TC, risonanza magnetica 4D e (Doppler) ecografia. Il mezzo di contrasto è stato utilizzato per migliorare la visibilità nell'imaging basato su raggi X. Diverse tecniche di cateterizzazione sono state applicate per valutare i fantasmi stampati in 3D nella formazione dei medici e per la pianificazione della terapia pre-interventistica.

I modelli stampati hanno mostrato un'alta risoluzione di stampa (~ 30 μm) e le proprietà meccaniche del materiale scelto erano paragonabili alla biomeccanica fisiologica. I modelli fisici e digitali hanno mostrato un'elevata precisione anatomica rispetto al set di dati radiologico sottostante. I modelli stampati erano adatti per l'imaging ad ultrasuoni e per i raggi X standard. L'ecografia Doppler e la risonanza magnetica 4D hanno mostrato modelli di flusso e caratteristiche di riferimento (ad es. turbolenza, stress da taglio della parete) corrispondenti ai dati nativi. In un ambiente di laboratorio basato su catetere, i fantasmi specifici del paziente erano facili da cateterizzare. La pianificazione della terapia e la formazione di procedure interventistiche su anatomie impegnative (ad esempio, cardiopatia congenita (CHD)) erano possibili.

I fantasmi cardiovascolari flessibili specifici del paziente sono stati stampati in 3D e l'applicazione di tecniche di imaging clinico comuni è stata possibile. Questo nuovo processo è ideale come strumento di formazione per interventi basati su catetere (elettrofisiologici) e può essere utilizzato nella pianificazione della terapia specifica del paziente.

Introduction

Le terapie individualizzate stanno acquisendo sempre più importanza nella moderna pratica clinica. Essenzialmente, possono essere classificati in due gruppi: approcci genetici e morfologici. Per le terapie individualizzate basate su DNA personale unico, è necessario il sequenziamento del genoma o la quantificazione dei livelli di espressione^{genica 1}. Si possono trovare questi metodi in oncologia, ad esempio, o nel trattamento del disturbo metabolico². La morfologia unica (cioè l'anatomia) di ogni individuo svolge un ruolo importante nella medicina interventistica, chirurgica e protesica. Lo sviluppo di protesi individualizzate e la pianificazione della terapia pre-interventistica/-operatoria rappresentano focus centrali dei gruppi di ricerca oggi^3,4,5.

Proveniente dalla produzione di prototipi industriali, la stampa 3D è ideale per questo campo della medicina personalizzata⁶. La stampa 3D è classificata come metodo di produzione additiva e normalmente basata su una deposizione strato per strato di materiale. Al giorno d'oggi, è disponibile un'ampia varietà di stampanti 3D con diverse tecniche di stampa, che consentono la lavorazione di materiali polimerici, biologici o metallici. A causa dell'aumento della velocità di stampa e della continua disponibilità diffusa di stampanti 3D, i costi di produzione stanno diventando progressivamente meno costosi. Pertanto, l'uso della stampa 3D per la pianificazione pre-interventistica nelle routine quotidiane è diventato economicamente fattibile⁷.

Lo scopo di questo studio era quello di stabilire un metodo per generare fantasmi specifici per il paziente o specifici della malattia, utilizzabili nella pianificazione della terapia individualizzata in medicina cardiovascolare. Questi fantasmi dovrebbero essere compatibili con i comuni metodi di imaging, nonché per diversi approcci terapeutici. Un ulteriore obiettivo era l'uso delle anatomie individualizzate come modelli di allenamento per i medici.

Protocol

L'approvazione etica è stata presa in considerazione dal comitato etico della Ludwig-Maximilians-Universität München ed è stata revocata dato che i set di dati radiologici utilizzati in questo studio sono stati raccolti retrospettivamente e completamente anonimizzati.

Si prega di fare riferimento alle linee guida di sicurezza MRI dell'istituto, in particolare per quanto riguarda il ventricolo LVAD utilizzato e i componenti metallici del flusso continuo.

1. Acquisizione dei dati

1. Prima di creare i fantasmi anatomici, selezionare un set di dati radiologico adatto, preferibilmente da pazienti in discipline cardiovascolari. Il modello 3D virtuale può essere derivato da entrambi i set di dati di tomografia computerizzata (CT) o risonanza magnetica (MRI).
2. Selezionare la dimensione in pixel e lo spessore della sezione (ST) del set di dati per adattarli alle dimensioni delle strutture da rappresentare nel modello 3D. Questo esperimento ha utilizzato un ST di 0,6 mm con una dimensione della matrice di 512 x 512 e un campo visivo di 500 mm che porta a una dimensione dei pixel di 0,98 mm. Assicurarsi che il valore sia della dimensione dei pixel che della ST debba trovarsi al di sotto della dimensione della caratteristica più piccola che dovrebbe essere visibile nelle immagini e nel modello 3D, ad esempio <0,3 mm per i set di dati dei neonati o la rappresentazione delle coronarie, <0,6 mm per le principali strutture cardiovascolari di un paziente adulto.
3. Eseguire l'acquisizione standard per l'angiografia TC (CTA) in tecnica a spirale a doppia sorgente con un ST di 0,6 mm per pazienti adulti. Per gli adulti, iniettare 80 mL di mezzo di contrasto allo iodio ad una velocità di 4 mL/s e iniziare l'acquisizione 11 s dopo il tracciamento del bolo nell'aorta ascendente ad una soglia di 100 HU. La tensione del tubo e la corrente del tubo vengono selezionate automaticamente dallo scanner in base al tipo di corpo del paziente. Eseguire la ricostruzione in un kernel di tessuti molli utilizzando un alto grado di ricostruzione iterativa.
   NOTA: i parametri e i protocolli di acquisizione CTA dipendono fortemente dallo scanner CT disponibile, dalle dimensioni del paziente e dalla circonferenza del paziente. I parametri presentati sono basati sull'esperienza e dovrebbero essere presi come punto di partenza per l'aggiustamento piuttosto che un requisito fisso.
4. Per l'angiografia MR (MRA), eseguire MRA non potenziato dal contrasto (non CE) utilizzando una sequenza modificata interna che utilizza una forma d'onda a gradiente completamente bilanciata, utilizzando sia l'ECG che l'innesco respiratorio (TE 3.59, TR 407.40, dimensione della matrice 224x224). Ottieni un'acquisizione accelerata dei dati MRI utilizzando il rilevamento compresso che combina imaging parallelo, campionamento sparso e ricostruzione iterativa. Ad esempio, sono possibili tempi di acquisizione di circa 5 minuti per l'aorta toracica.
   NOTA: assicurarsi di selezionare un set di dati privo di artefatti di movimento. Per ridurre gli artefatti di movimento, eseguire l'acquisizione delle immagini utilizzando l'attivazione ECG prospettica e l'attivazione respiratoria aggiuntiva per MRA non CE. Inoltre, quando si seleziona un modello per uso generale, assicurarsi che non vi siano impianti metallici in quanto ciò può migliorare la qualità del modello finito.
5. Per la segmentazione e la stampa 3D di anatomie cardiovascolari, utilizzare set di dati con contrasto migliorato. L'uso di set di dati cardiovascolari nativi rende difficile la separazione delle strutture anatomiche cave (ad esempio, vasi o ventricolo) dal sangue, a causa di valori di Hounsfield comparabili di circa 30 HU⁸.
   NOTA: un gradiente di valore di Hounsfield più elevato tra il volume del sangue e i tessuti molli circostanti consentirà una separazione più facile nel processo di segmentazione. Se il gradiente è molto piccolo, parti dei tessuti molli verranno visualizzate come parte del volume del sangue, con conseguente scarsa qualità del modello e post-elaborazione aggiuntiva.
6. Quando si esporta il set di dati, assicurarsi di selezionare uno spessore della fetta ragionevolmente basso (circa 0,3 - 0,6 mm per CTA e 0,8 - 1,0 mm per MRA), poiché la risoluzione e la qualità della superficie del modello stampato dipendono in gran parte da questo parametro.
   NOTA: se lo spessore della fetta è troppo sottile, la potenza di calcolo richiesta per la modellazione aumenterà in modo sostanziale, rallentando di conseguenza il processo. D'altra parte, uno spessore eccessivo della fetta può comportare la perdita di piccoli dettagli nell'anatomia dei pazienti.

2.3D-modello

NOTA: la creazione di un modello 3D da un set di dati radiologico è chiamata processo di segmentazione ed è necessario un software speciale. La segmentazione delle immagini mediche si basa su unità di Hounsfield, per formare modelli tridimensionali⁹. Questo studio utilizza un software di segmentazione commerciale e modellazione 3D (vedi Tabella dei materiali),ma risultati simili possono essere ottenuti utilizzando il freeware disponibile. I seguenti passaggi saranno descritti per la modellazione da un set di dati CT con contrasto migliorato.

1. Dopo aver importato il set di dati nel software di segmentazione, ritagliare il set di dati per limitare l'area di interesse, ovvero cuore e arco aortico. Ha ottenuto questo risultato selezionando lo strumento Ritaglia immagini e spostando i bordi del ROI facendo clic e spostando i lati della cornice. Questo può essere fatto in tutti e tre gli orientamenti. Pertanto, si ottiene un focus sul ROI, insieme a una diminuzione delle dimensioni del file, che consente una maggiore velocità di elaborazione, portando a una riduzione del tempo di lavoro complessivo.
2. Definire un intervallo di valori unitari di Hounsfield (circa 200-800 HU) aprendo lo strumento Soglia, ottenendo una maschera combinata del volume del sangue e delle strutture ossee potenziate dal contrasto(Figura 1A,ad esempio sterno, parti della gabbia toracica e colonna vertebrale).
3. Rimuovere tutte le parti ossee che non sono desiderabili nel modello 3D finale utilizzando lo strumento Maschera di divisione che consente la marcatura e la separazione di più aree e sezioni complessive, in base ai valori e alla posizione di Hounsfield.
4. 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, calcolare un modello di superficie poligonale 3D renderizzato (il cosiddetto STL) (Figura 1B).
   NOTA: i nomi degli strumenti potrebbero differire in altri programmi di segmentazione.
5. Per ulteriori adattamenti e manipolazioni, trasferire il modello 3D a un software di modellazione 3D (vedere Tabella dei materiali). Per esportare il modello 3D, fare clic sullo strumento Esportae selezionare il software di modellazione 3D o un formato di dati di adattamento per il file esportato. Successivamente, conferma la tua selezione e verrà eseguito il processo di esportazione.
6. Utilizzare lo strumento Taglia per ritagliare il volume del sangue nell'area specifica di interesse (ad esempio, rimuovendo parti dell'aorta o alcune delle cavità cardiache). Fate clic sull'utensile e disegnate un contorno attorno alle parti che devono essere rimosse.
   NOTA: a seconda della qualità del set di dati e dell'accuratezza della segmentazione, a questo punto potrebbero essere necessarie alcune piccole riparazioni e modifiche della superficie. Ulteriori operazioni di progettazione consentono la manipolazione di modelli specifici per il paziente in base allo scopo di utilizzo, ad esempio nella formazione. Alcuni esempi di ingegneria, secondo l'anatomia dei pazienti, includono il ridimensionamento dell'intero modello o di singole strutture, per creare o eliminare connessioni, combinando parti di diversi modelli in uno. Tali caratteristiche sono particolarmente interessanti per i modelli di allenamento con anomalie congenite, poiché le immagini TC e MRI sono rare in pediatria, dove la minimizzazione delle radiazioni e della sedazione è fondamentale. Pertanto, l'adattamento e la modifica di modelli esistenti è particolarmente utile per la stampa 3D di modelli di difetti cardiaci congeniti.
7. 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 dalle precedenti operazioni di rifilatura.
8. 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 (Figura 1C). Pertanto, posizionare un piano di Riferimento parallelo alla sezione trasversale di apertura dei recipienti a una distanza di circa 10 mm.
   1. Per posizionare il piano, selezionate lo strumento Crea piano di Riferimento (Create Datum Plane) e utilizzate il piano a 3 puntipreimpostato. Quindi, fate clic su tre punti equamente distanziati sulla sezione trasversale dei vasi per creare il piano. Successivamente, inserisci un offset di 10 mm nella finestra di comando e conferma l'operazione.
   2. Selezionate lo strumento Nuovo sketch dal menu e scegliete il piano di Riferimento creato in precedenza come posizione dello sketch. Nello schizzo, 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 (24 mm per l'ingresso aortico, 8-10 mm per i vasi succlavia, carotidei e renali e 16-20 mm per l'apertura distale del vaso).
9. Dallo sketch creato, utilizzate lo strumento Estrusione (Extrude) per creare un cilindro con una lunghezza di 10 mm. Orientare l'estrusione per allontanarsi dall'apertura del recipiente, per creare una distanza tra il cilindro e la sezione trasversale del recipiente di 10 mm. Quindi, utilizzare lo strumento Loft per creare una connessione tra la terminazione del vaso e il cilindro geometricamente definito. A questo punto, garantire una transizione graduale tra le due sezioni trasversali, evitando così turbolenze e aree a basso flusso nel modello di flusso 3D finale (Figura 1D).
   NOTA: Seguendo questi passaggi, verrà creato un modello 3D del volume sanguigno dell'aorta e delle arterie aderenti. Inoltre, includerà i connettori necessari per collegarlo successivamente a un loop di flusso.
10. Per creare uno spazio di sangue vuoto, utilizzare lo strumento Vuoto nel software. Nella finestra di comando, inserire lo spessore della parete richiesto (in questo esperimento: 2,5 mm) Inoltre, la direzione del processo di svuotatura deve essere impostata su Esterno. Successivamente, conferma la selezione e verrà eseguito il processo di svuotamento.
    NOTA: questo passaggio consente di selezionare uno spessore di parete fisso per l'intero modello. Poiché lo "svuotare" crea uno spessore di parete definito su tutte le superfici, ne risulterà un modello completamente chiuso. Pertanto, le estremità di tutte le navi dovranno essere tagliate ancora una volta utilizzando il passaggio descritto nel passaggio 2.6 (Figura 1E). Quando si utilizzano materiali di stampa 3D flessibili, questo passaggio è essenziale per definire le proprietà biomeccanico finali del fantasma. Aumentando lo spessore della parete del modello, si otterrà logicamente una maggiore resilienza e una minore elasticità. Se le proprietà meccaniche del tessuto nativo e del materiale di stampa 3D non sono note, a questo punto devono essere eseguite prove di trazione. Poiché lo spessore della parete è costante in tutto il modello, le proprietà meccaniche desiderate devono essere ricreate nella regione di interesse del modello.
11. Alcuni software di elaborazione offrono un "Wizard" per garantire la stampabilità del modello finale, che è altamente raccomandato. Questa fase di elaborazione opzionale analizzerà la mesh poligonale del modello e segnerà sovrapposizioni, difetti e piccoli oggetti, che non sono collegati al modello. Di solito, la procedura guidata offre soluzioni per rimuovere i problemi riscontrati, risultando in un modello 3D stampabile (Figura 1F).
12. Esportate il modello finale come file .stl selezionando l'opzione Esporta nella scheda File.
    NOTA: per confermare l'accuratezza del modello 3D progettato, alcuni software consentono la sovrapposizione del contorno dell'STL finale e del set di dati radiologico sottostante. Ciò consente un confronto visivo del modello 3D con l'anatomia nativa. Inoltre, deve essere selezionata una stampante con una risoluzione spaziale adeguata di < 40 μm, per consentire una stampa accurata del modello digitale.

3.3D stampa e configurazione del flusso

1. Carica il file .stl su una stampante 3D, utilizzando il software di slicing fornito dal produttore, per produrre un fantasma fisico dell'anatomia. Idealmente, si dovrebbe usare un'altezza dello strato di stampa di ≤ 0,15 mm per garantire un'alta risoluzione e una buona qualità di stampa.
   NOTA: C'è una vasta gamma di materiali di stampa elastici e stampanti 3D adatte disponibili sul mercato. È possibile utilizzare diverse configurazioni per stampare i modelli digitali descritti in precedenza. Tuttavia, la risoluzione, la post-elaborazione e il comportamento meccanico potrebbero differire dai risultati presentati.
2. 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.
3. Dopo il processo di stampa, rimuovere il materiale di supporto dal modello finito. In primo luogo, rimuovere manualmente il materiale di supporto spremendo delicatamente il modello, quindi immergere in acqua o in un rispettivo solvente (a seconda del materiale di supporto). Asciugare in un'incubatrice impostata a 40 °C durante la notte.
   NOTA: La rimozione del materiale di supporto può richiedere molto tempo, a seconda della complessità del modello anatomico. Mentre l'uso di strumenti come spatole, cucchiai e sonde mediche può ridurre leggermente il tempo di post-elaborazione, aumenta anche il pericolo di perforare la parete del modello, rendendola inutile per il test dei fluidi. Quando si utilizza la tecnologia di stampa Polyjet, l'intero modello sarà racchiuso da un materiale di supporto. Ciò è necessario per mantenere il materiale del modello non polimerizzato in posizione mentre viene polimerizzato utilizzando la luce UV. Nei modelli tubolari cavi, ciò porterà a una domanda molto più elevata di materiale di supporto rispetto al materiale del modello reale. Il modello presentato nella Figura 2 utilizza circa 200 g di materiale del modello e 2.000 g di materiale di supporto.
4. Quindi, incorporare il modello in agar all'1%. Ciò riduce gli artefatti di movimento durante l'imaging clinico del modello. In secondo luogo, l'agar offre un migliore feedback tattile durante l'imaging ecografico e un migliore feedback di forza durante il cateterismo, rispetto all'immersione in acqua.
   1. Utilizzare una scatola di plastica con margini laterali di almeno 2 cm attorno al modello. Praticare fori nelle pareti della scatola per consentire il collegamento dei tubi dai vasi alla pompa e al serbatoio.
   2. Preparare una soluzione di agar aggiungendo l'1% p/v in acqua e portando a ebollizione. Dopo aver fatto bollire e mescolato il composto, lasciarlo raffreddare per 5 minuti e versare nella scatola per creare un letto di almeno 2 cm di altezza, su cui verrà posizionato il modello.
      NOTA: se il modello viene posizionato direttamente sul fondo della scatola, la pulsatilità del fluido all'interno del modello creerà un movimento asimmetrico verso l'alto.
5. Mentre il letto in agar si imposta, collegare il modello a tubi in PVC non conformi, utilizzando connettori per tubi commerciali ad ogni apertura. Un diametro del tubo di 3/8" è raccomandato per vasi di grandi dimensioni (ad esempio, aorta) e / o strutture anatomiche con flusso sanguigno elevato (ad esempio, ventricoli). Per le navi più piccole è sufficiente un tubo da 1/8". 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.
6. Guidare i tubi in PVC attraverso i fori praticati nella scatola e quindi posizionare il modello sopra il letto di agar impostato. Per evitare che l'agar fuoriesca da questi fori, utilizzare argilla modellante a prova di calore per sigillarlo. Successivamente, riempire la scatola con l'agar, coprendo il modello aggiungendo uno strato di 2 cm sulla parte superiore e lasciando per un'ora a temperatura ambiente affinché l'agar si raffreddi completamente e si imposti. Ciò richiederà una maggiore miscela di agar descritta nel passaggio 3.4.
   NOTA: L'agar una volta indurito sarà utilizzabile per circa una settimana, se refrigerato. Una volta che si riduce visibilmente di volume, dovrebbe essere sostituito da un nuovo lotto.
7. Collegare una pompa ventricolare pneumatica pulsante al modello utilizzando il tubo da 3/8" collegato all'apertura prossimale. Collegare gli altri tubi al serbatoio e successivamente, collegare il serbatoio all'ingresso della pompa del ventricolo per creare un circuito di flusso chiuso. (Figura 2; ad esempio, dispositivo di assistenza ventricolare (VAD)-ventricolo). La pompa dovrebbe avere un volume di corsa di 80 - 100 ml per garantire un flusso fisiologico sufficiente nelle anatomie degli adulti. Per le anatomie pediatriche sono disponibili camere di pompaggio più piccole.
8. Il ventricolo deve essere agitato da una pompa a pistone con un volume di corsa di 120 - 150 ml, per tenere conto della compressione dell'aria nel sistema di tubi connettivi.

4. Imaging clinico

NOTA: per prevenire artefatti nell'imaging clinico, è necessario assicurarsi che non vi siano sacche d'aria nel circuito del fluido.

1. Imaging TC
   1. 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'allagamento del modello con l'agente di contrasto possa essere simulato durante la scansione. Ciò è particolarmente utile per visualizzare le patologie vascolari.
   2. Eseguire la TC come scansione dinamica sull'intero modello per visualizzare l'afflusso dell'agente di contrasto. La tensione del tubo è impostata a 100 kVp, la corrente del tubo a 400 mAs. La collimazione è di 1,2 mm. Iniettare 100 mL di mezzo di contrasto iodato diluito 1:10 nel serbatoio del modello, ad una velocità di 4 mL/s. Avviare la scansione utilizzando l'attivazione del bolo nel tubo principale, con una soglia di 100 HU e un ritardo di 4 s.
2. Ecografia
   1. Metti una piccola quantità di gel ad ultrasuoni sopra il blocco di agar per ridurre i manufatti. Avviare la pompa e utilizzare la testa ad ultrasuoni per individuare la struttura anatomica di interesse per l'imaging ad ultrasuoni (ad esempio, valvole cardiache). Utilizzare la modalità eco 2D per valutare il movimento del volantino, nonché 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.
3. Cateterizzazione/Interventi
   1. 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.
   2. Posizionare il modello 3D sul tavolo del paziente sotto i bracci a C della macchina a raggi X. Utilizzare l'imaging a raggi X per guidare il catetere e i fili guida attraverso la struttura anatomica. Per la dilatazione del palloncino o il posizionamento dello stenttrapianto utilizzare la modalità a raggi X continua per visualizzare l'espansione del dispositivo.
      NOTA: La cateterizzazione e l'addestramento all'intervento su modelli stampati in 3D consentono l'uso intercambiabile di diversi modelli anatomici e patologici. Ciò aumenta ulteriormente la varietà e il realismo dell'impostazione di allenamento.
4. 4D-MRI
   1. Utilizzare uno scanner da 1,5 T per l'acquisizione MRI e assicurarsi che il protocollo di acquisizione sia costituito da un MRA non con contrasto migliorato come descritto sopra e dalla sequenza 4D-Flow. Per 4D-Flow acquisire un dataset isotropo con 25 fasi e uno spessore della fetta di 1,2 mm (TE 2.300, TR 38.800, FA 7°, matrice 298 x 298). Impostare la codifica della velocità a 100 cm/s. Le misurazioni in vitro vengono eseguite utilizzando trigger ECG e respiratori simulati.
   2. Per l'analisi 4D-Flow la scatola con il modello incorporato e il ventricolo VAD sono posizionati nello scanner MRI e coperti con una bobina del corpo a 18 canali. Per quanto riguarda il campo magnetico dello scanner MRI, l'unità di azionamento pneumatico deve essere posizionata all'esterno della sala scanner; pertanto, di solito è necessario un sistema di tubi connettivi più lungo.
   3. Esegui l'analisi delle immagini 4D-Flow con un software disponibile in commercio. Innanzitutto, importa il set di dati 4D-MRI selezionandolo dall'unità flash. Successivamente, esegui la correzione semi-automatica dell'offset e la correzione dell'aliasing per migliorare la qualità dell'immagine. Successivamente, la linea centrale della nave viene tracciata automaticamente e il software estrae il volume 3D.
   4. 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 tracciato e il vettore del flusso verranno visualizzati senza ulteriori input. Per la quantificazione della pressione e della sollecitazione di taglio della parete nella rispettiva scheda, posizionare due piani facendo clic sul pulsante Aggiungi piano. Gli aerei saranno posizionati automaticamente perpendicolarmente alla linea centrale della nave.
   5. Sposta i piani al ROI trascinandoli lungo la linea centrale, in modo che un piano sia posizionato all'inizio del ROI e uno alla fine. Nel diagramma accanto al modello 3D verrà visualizzata e quantificata la caduta di pressione attraverso il ROI e lo stress di taglio della parete.

Representative Results

I risultati rappresentativi descritti si concentrano su alcune strutture cardiovascolari comunemente utilizzate nelle impostazioni di pianificazione, allenamento o test. Questi sono stati creati utilizzando set di dati CT isotropi con un ST di 1,0 mm e una dimensione voxel di 1,0 mm³. Lo spessore della parete dei modelli di aneurisma aortico è stato fissato a 2,5 mm in conformità con i risultati comparativi delle prove di trazione del materiale di stampa (resistenza alla trazione: 0,62 ± 0,01 N/mm^2; F_max: 1. 55 ± 0.02 N; allungamento: 9,01 ± 0,34 %) e campioni aortici suini (larghezza: 1 mm; F_max: 1,62 ± 0,83 N; allungamento: 9,04 ± 2,76 %).

I modelli stampati in 3D presentati offrono una vasta gamma di possibilità nell'imaging TC. Il materiale stampato può essere facilmente distinto dall'agar circostante e da eventuali impianti metallici (Figura 3A). Pertanto, l'uso di un agente di contrasto non è normalmente richiesto, ad eccezione della generazione di sequenze di imaging dinamiche. Ciò può essere particolarmente utile per la valutazione degli stentinnesti endovascolari, poiché consente la visualizzazione di possibili disallineamenti protesiche e successive endoleaks che appaiono.

Come punto fermo nel lavoro clinico quotidiano, l'imaging ecografico è un ottimo esempio per l'applicazione di modelli stampati in 3D come configurazione di addestramento. Può essere utilizzato sia per la valutazione della dinamica delle valvole cardiache, sia per l'indagine di tutto il cuore, in particolare in pediatria. L'imaging ad ultrasuoni del modello stampato in 3D rivela una buona permeabilità delle onde ultrasoniche. Inoltre, è possibile distinguere tra la parete del modello, l'agar circostante e sottili oggetti dinamici, come i lembi delle valvole cardiache (Figura 3B). Lo strato di agar sulla parte superiore del modello fornisce un feedback tattile realistico durante il processo di scansione.

L'utilizzo della risonanza magnetica 4D nell'analisi del flusso all'interno del ciclo di flusso offre una vasta gamma di possibili applicazioni nell'imaging pre-intervento. La sequenza 4D-MRI consente la visualizzazione del flusso del fluido, delle turbolenze e dello sforzo di taglio della parete all'interno del modello stampato in 3D. Ciò consente l'analisi dei modelli di flusso che seguono le valvole cardiache artificiali, che possono portare a elevate sollecitazioni di taglio della parete e turbolenza nell'aorta ascendente e nell'arco aortico (Figura 3C). L'impatto della turbolenza e dell'elevato stress da taglio della parete è particolarmente interessante per l'analisi degli aneurismi aortici. Pertanto, i modelli 3D possono aiutare a comprendere meglio l'insorgenza di aneurismi sia nell'aorta toracica che in quella addominale.

I modelli cardiovascolari stampati in 3D forniscono un ambiente di allenamento realistico per la cardiologia diagnostica e interventistica. La configurazione della simulazione consente ai tirocinanti di praticare la manipolazione di fili guida / cateteri e le manovre attraverso i vasi e le strutture cardiache, le misurazioni della pressione intracardiaca, la dilatazione del palloncino di vasi o valvole stenotiche, il posizionamento e la dilatazione degli stent, nonché l'imaging angiografico (visualizzazione delle strutture interne del modello 3D, ad esempio valvole cardiache). Le competenze e i compiti per entrambi i ruoli, primo e secondo operatore, nonché la comunicazione tra i due sono inclusi durante la formazione. La modifica dei modelli stampati in 3D nel software di modellazione 3D consente l'adattamento della struttura e delle dimensioni del modello (dal bambino all'adulto) a qualsiasi livello di allenamento e obiettivo. Pertanto, gli studenti e i professionisti competenti beneficiano della formazione nella stessa misura. Workshop per tutti i livelli di formazione - da studenti di medicina a cardiologi pediatrici con anni di esperienza - sono stati condotti con successo su modelli 3D che rappresentano i difetti congeniti più comuni, che includono il dotto arterioso pervio (PDA), la stenosi della valvola polmonare (PS), la stenosi della valvola aortica (AS), la coartazione dell'aorta (CoA) e il difetto del setto atriale (ASD). L'aspetto dei modelli 3D sotto l'imaging a raggi X, così come il feedback tattile dalla manipolazione degli strumenti all'interno del modello, sono stati valutati come estremamente realistici. L'allenamento ripetitivo su modelli 3D porta a un orientamento esperto in 3D, a una migliore percezione del feedback tattile e, cosa più importante per il paziente, alla minimizzazione dell'esposizione alle radiazioni.

Figura 1: Fasi di progettazione da un set di dati radiologico a un modello anatomico stampato (Patologia: aneurisma aortico infrarenale). (A) Processo di segmentazione basato su set di dati CT (B) Modello 3D approssimativo dopo segmentazione (C) Modello levigato con connettori tubolari aggiunti (D) Modello finale del volume del sangue con connettori (E) Modello cavo con spessore della parete definito (F) Modello flessibile stampato in 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Configurazione del flusso continuo. (A) Modello schematico del flusso loop (B) Configurazione finale del flow loop con LVAD (1), modello incorporato (2), un serbatoio (3) e un connettore per tubi stampato in 3D (opzionale) (4) Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Tecniche di imaging clinico. (A) Ricostruzione TC di un arco aortico stampato in 3D con una valvola cardiaca chirurgica biologica (B) Immagine ultrasonica di una radice aortica stampata in 3D (1) con una valvola cardiaca chirurgica biologica aperta (2) (C) Visualizzazione del flusso 4D-MRI nell'arco aortico (D) Imaging a raggi X di un cuore pediatrico stampato in 3D (1) durante un intervento con catetere (2) Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Il flusso di lavoro presentato consente di stabilire modelli individualizzati e quindi eseguire la pianificazione della terapia pre-interventistica, nonché la formazione del medico su anatomie individualizzate. Per raggiungere questo obiettivo, i dati tomografici specifici del paziente possono essere utilizzati per la segmentazione e la stampa 3D di fantasmi cardiovascolari flessibili. Con l'implementazione di questi modelli stampati in 3D in una finta circolazione, diverse situazioni cliniche possono essere simulate realisticamente.

Al giorno d'oggi, molte procedure di pianificazione della terapia si concentrano sulla simulazione digitale di diversi scenari, al fine di identificare l'esito più favorevole^10,11. In contrasto con queste simulazioni in silico, la configurazione stampata in 3D descritta consente un feedback tattile nelle procedure di allenamento; una conformità materiale vicina all'originale umano è possibile nella perfusione pulsatile. D'altra parte, molti fantasmi cardiovascolari stampati in 3D pubblicati utilizzano solo materiale rigido e quindi sono limitati a un uso principalmente visivo^12,13.

Tuttavia, deve essere chiaro che le attuali tecniche e materiali di stampa 3D rimangono la più grande limitazione nella riproduzione delle proprietà biomeccaniche per il flusso di lavoro presentato¹⁴. Mentre è possibile una ricreazione esatta della forma anatomica, il comportamento meccanico dei modelli creati differirà ancora in una certa misura dal tessuto aortico nativo. Imitare diversi tessuti con proprietà bio-meccaniche variabili in un fantasma, per quanto possibile, può essere realizzato solo da poche sofisticate stampanti 3D multi-materiale¹⁵. La creazione di materiali che imitano i tessuti per la stampa 3D rimane un punto focale della ricerca scientifica; lo sviluppo di nuovi materiali si tradurrà in risultati ancora più realistici^16,17. Finché è disponibile solo materiale di stampa disponibile in commercio e/o stampa monocomponente, le proprietà meccaniche del fantasma possono essere regolate mediante variazioni degli spessori delle pareti, come è stato condotto in questo studio. Pertanto, non è consigliabile solo duplicare lo spessore del tessuto di interesse dai dati tomografici sottostanti. È importante sottolineare che esiste una vasta gamma di diverse stampanti 3D con materiali diversi e proprietà meccaniche variabili sul mercato¹⁸. Si raccomandano pertanto test meccanici completi prima della stampa 3D. Per la stampa di strutture cardiovascolari (cioè pareti aortiche o ventricolari), sono necessari diversi campioni di tessuto nativo come riferimento. Seguendo la segmentazione descritta e il flusso di lavoro di stampa, è possibile la creazione di modelli flessibili e anatomicamente accurati, nonché ingegnerizzati ma realistici stampati in 3D di una vasta gamma di anatomie cardiovascolari.

Il rapporto costo-efficacia dei modelli stampati in 3D dipende in modo significativo dalle proprietà del materiale. Nell'allenamento interventale è necessaria un'elevata durata di ogni modello (anche dopo la dilatazione del palloncino), per ridurre i costi complessivi. Quando si esamina la pianificazione della terapia specifica del paziente, si deve tenere conto dell'effetto benefico di un modello stampato. Un modello stampato in 3D non si rivelerà conveniente per un paziente chirurgico "standard", ma potrebbe offrire una visione straordinaria nei pazienti con anatomie complesse. Pertanto, i costi dei modelli di formazione devono essere valutati rispetto ai loro potenziali benefici.

Fino ad ora, sul mercato esistono alcuni fantasmi disponibili in commercio per la formazione clinica; alcuni modelli accademici sono stati pubblicati^19,20. Questi modelli normalmente hanno anatomie predefinite e di solito si rivelano difficili da impiegare in contesti specifici del paziente. Inoltre, gli elevati costi di acquisizione complicano l'uso diffuso di questi strumenti nella formazione dei medici. La finta circolazione personalizzabile presentata può essere creata con un budget ridotto, se necessario. Gli scanner tomografici, fluoroscopici ed ecografici, per l'acquisizione dei dati specifici del paziente e per l'uso successivo della circolazione simulata, sono apparecchiature standard di qualsiasi ospedale generale o universitario nei paesi sviluppati. La segmentazione dell'anatomia cardiovascolare e la creazione del modello 3D virtuale possono essere eseguite con il software concesso in licenza menzionato, ma il freeware è disponibile anche²¹. Le opzioni freeware offrono risultati eccellenti quando si creano modelli 3D da set di dati radiologici, sebbene sia necessaria un'elevata quantità di lavoro iniziale per adattare il software alle esigenze individuali. Inoltre, una successiva modifica del modello 3D digitale richiede un software aggiuntivo, motivo per cui una suite software completa che copre tutti questi aspetti è altamente raccomandata per un flusso di lavoro rapido e fluido. Se necessario, la stampa dei fantasmi flessibili può essere eseguita tramite produzione 3D a contratto se non esiste una stampante 3D adatta in loco. Riducendo anatomicamente la regione di interesse, è possibile ridurre le dimensioni del fantasma stampato in 3D, il che comporta tempi di stampa più rapidi e costi inferiori.

Il punto più critico del processo sopra descritto è l'acquisizione iniziale dell'immagine. Di conseguenza, maggiore è la qualità dei dati tomografici, più accurato sarà il fantasma finale stampato in 3D. Ci sono due fattori principali nell'ottenere dati adeguati dalla TC o dalla risonanza magnetica: prevenzione degli artefatti e risoluzione spaziale. Per prevenire artefatti, idealmente nessun materiale metallico (ad esempio, impianti) sarà vicino alla regione di interesse, se non sono disponibili tecniche specifiche di riduzione degli artefatti²². Al fine di ridurre gli artefatti di movimento, l'innesco ECG e respiratorio deve essere eseguito durante l'acquisizione dell'immagine^23,24. La risoluzione spaziale dipende dal dispositivo di imaging; tuttavia, è necessario uno spessore della fetta di 1,0 mm o inferiore per ottenere fantasmi stampati in 3D adatti senza un'eccessiva post-elaborazione digitale.

La suddetta modularità, economicità e versatilità predispongono la circolazione simulata individualizzabile per l'uso supplementare nella routine clinica quotidiana. Il metodo presentato può essere utile per una vasta gamma di campi di ricerca clinica e di base. L'uso di modelli realistici è eccellente per insegnare a giovani medici e studenti le basi dell'ecografia, nonché le tecniche interventistiche. Soprattutto con gli interventi, un tale modello renderà la tecnologia più accessibile e aumenterà la base di conoscenze complessiva dei medici, a lungo termine. L'imaging TC e MRI, specialmente quando si esaminano i modelli di flusso emodinamico nei vasi aortici, può essere un'aggiunta importante sia nella scienza di base, sia nel determinare l'esito degli interventi chirurgici e transcateteri.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-matic	Materialise AB		Software Version 15.0 - Commercial 3D-Modeling Software
Affiniti 50	Philips Medical Systems GmbH		Ultrasonic Imaging System
Agilista W3200	Keyence Co.		Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30µm
AR-G1L	Keyence Co.		flexible 3D-Printing material
Artis Zee	Siemens Healthcare GmbH		Angiographic X-ray Scanner
cvi42	CCI Inc.		Software Version 5.12 - 4D Flow Analysis Software
Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2	Cordis, A Cardinal Health company		Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults
Excor Ventricular Assist Device	Berlin Heart GmbH		80 -100ml stroke volume
Imeron 400 Contrast Agent	Bracco Imaging		CT - Contrast Agent
IntroGuide F	Angiokard Medizintechnik GmbH		Guidewire with J-tip; diameter: 0.035" length: 220cm
Lunderquist Guidewire	Cook Medical Inc.		(T)EVAR interventional guidewire
MAGNETOM Aera	Siemens Healthcare GmbH		MRI Scanner
Magnevist Contrast Agent	Bayer Vital GmbH		MRI - Contrast Agent
Mimics	Materialise AB		Software Version 23.0 - Commercial Segmentation Software
Modeling Studio	Keyence Co.		3D-Printer Slicing Software
PVC tubing
Radifocus Guide Wire M	Terumo Europe NV		Straight guidewire; diameter: 0.035" length: 260cm
Really useful box 9L	Really useful products Ltd.
Rotigarose - Standard Agar	Carl Roth GmbH	3810.4
Solidworks	Dassault Systemes SE		Software Version 2019-2020; CAD Design Software
SOMATOM Force	Siemens Healthcare GmbH		Computed Tomography Scanner
syngo via	Siemens Healthcare GmbH		Radiological Imaging Software