Summary
여기에서 우리는 다중 모달 치료 평가, 사전 중재 계획 및 심장 혈관 해부학에 대한 의사 훈련을위한 모의 순환 설정의 개발을 제시합니다. 환자 별 지형 검사를 적용하면 이 설정은 개별화된 의학의 치료 적 접근, 교육 및 교육에 이상적입니다.
Abstract
카테터 기반 개입은 심혈관 병리를 위한 표준 치료 옵션입니다. 따라서 환자 별 모델은 의사의 와이어 기술을 훈련하고 중재 절차의 계획을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 연구의 목적은 심혈관 내정간섭을 위한 환자 특정 3D 인쇄 모형의 제조 프로세스를 개발하는 것이었습니다.
3D 프린팅 탄성 팬텀을 생성하기 위해, 다른 3D 프린팅 재료는 기계적 특성의 관점에서 돼지 생물학적 조직 (즉, 대동맥 조직)에 비교되었다. 피팅 재료는 비교 인장 테스트및 특정 재료 두께에 기초하여 선택되었다. 익명대비 강화CT 데이터 집합은 소급하여 수집되었습니다. 환자 별 체적 모델은 이러한 데이터 집합에서 추출되었으며 이후에는 3D 인쇄되었습니다. 맥동 류루프는 내정간섭 도중 장루 혈류를 시뮬레이션하기 위하여 건설되었습니다. 임상 이미징에 대한 모델의 적합성은 엑스레이 이미징, CT, 4D-MRI 및 (Doppler) 초음파 촬영에 의해 평가되었습니다. 대비 매체는 엑스레이 기반 이미징의 가시성을 향상시키는 데 사용되었습니다. 다른 카테터화 기술은 의사의 훈련뿐만 아니라 사전 개입 치료 계획에 3D 인쇄 팬텀을 평가하기 위해 적용되었다.
인쇄 된 모델은 고인쇄 해상도 (~30 μm)와 선택한 재료의 기계적 특성이 생리 생체 역학과 비교할 수 있음을 보여주었습니다. 물리적 및 디지털 모델은 기본 방사선 데이터 집합과 비교할 때 높은 해부학적 정확도를 보였습니다. 인쇄 모델은 초음파 이미징뿐만 아니라 표준 엑스레이에도 적합했습니다. 도플러 초음파 검사 및 4D-MRI는 네이티브 데이터와 일치하는 흐름 패턴 및 랜드마크 특성(즉, 난기류, 벽 전단 응력)을 표시했습니다. 카테터 기반 실험실 환경에서 환자 별 팬텀은 쉽게 카테터화할 수 있었습니다. 도전적인 해부학에 대한 중재 절차의 치료 계획 및 훈련 (예를 들어, 선천성 심장 질환 (CHD)) 가능했다.
유연한 환자 별 심혈관 팬텀은 3D 프롬프팅되었고, 일반적인 임상 영상 기술의 적용이 가능했다. 이 새로운 과정은 카테터 기반 (전기 생리학) 내정간섭을 위한 훈련 공구로 이상적이고 환자 특정 치료 계획에 사용될 수 있습니다.
Introduction
개별화된 치료는 현대 임상 사례에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 본질적으로, 그들은 두 그룹으로 분류 될 수있다: 유전 및 형태학적 접근. 독특한 개인 DNA에 기초한 개별화된 치료의 경우, 게놈 시퀀싱 또는 유전자 발현 수준의 정량화가 필요합니다1. 하나는 종양학에서 이러한 방법을 찾을 수 있습니다, 예를 들어, 또는 대사 장애 치료2. 각 개인의 독특한 형태 (즉, 해부학)는 중재, 외과 및 보철 의학에서 중요한 역할을합니다. 개별화된 보철물의 개발 및 사전 개입/수술 전 치료 계획은오늘3,4,5의연구 그룹의 중심 초점을 나타낸다.
산업용 프로토타입 생산에서 나오는 3D 프린팅은 이 맞춤형 의학6분야에 이상적입니다. 3D 프린팅은 적층 제조 방법으로 분류되며 일반적으로 재료의 계층별 증착을 기반으로 합니다. 요즘에는 다양한 인쇄 기술을 갖춘 다양한 3D 프린터를 사용할 수 있으므로 중합체, 생물학적 또는 금속 물질을 가공할 수 있습니다. 3D 프린터의 지속적인 광범위한 가용성뿐만 아니라 인쇄 속도가 증가함에 따라 제조 비용은 점차 저렴해지고 있습니다. 따라서 일상 생활의 사전 개입 계획에 3D 프린팅을 사용하면 경제적으로 실현 가능한7이되었습니다.
이 연구의 목적은 심혈관 의학에서 개별화된 치료 계획에서 사용할 수 있는 환자 특정 또는 질병 특정 팬텀을 생성하는 방법을 수립하는 것이었습니다. 이 팬텀은 일반적인 화상 진찰 방법 및 다른 치료 접근에 대해 서도 호환되어야 합니다. 추가 목표는 의사를 위한 훈련 모형으로 개별화된 해부학의 사용이었습니다.
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Protocol
윤리적 승인은 루드비히 막시밀리안-대학 뮌헨의 윤리위원회에 의해 고려되었고, 이 연구에 사용된 방사선 데이터 세트가 소급하여 수집되고 완전히 익명화되었다는 점을 감안할 때 면제되었습니다.
특히 유동 루프의 사용되는 LVAD 심실 및 금속 구성 요소에 관한 연구소의 MRI 안전 지침을 참조하십시오.
1. 데이터 수집
- 해부학 팬텀을 만들기 전에, 심장 혈관 분야의 환자로부터 적합한 방사선 데이터 세트를 선택하십시오. 가상 3D 모델은 컴퓨터 단층 촬영(CT) 또는 자기 공명 이미징(MRI) 데이터 집합 모두에서 파생될 수 있습니다.
- 데이터 집합의 픽셀 크기와 슬라이스 두께(ST)를 선택하여 3D 모델에 표시하도록 의도된 구조의 크기에 맞게 조정합니다. 이 실험은 매트릭스 크기512 x 512의 0.6 mm의 ST와 500mm의 시야를 사용하여 픽셀 크기가 0.98mm로 이어집니다. 픽셀 크기와 ST의 값이 이미지와 3D 모델(예: 유아의 데이터 집합 또는 관상 동맥의 표현에 대한 <0.3mm) 크기 이하로 놓여있어야 하며, 성인 환자의 주요 심혈관 구조에 대해 <0.6mm입니다.
- 성인 환자를 위한 0.6 mm의 ST를 가진 이중 근원 나선형 기술에서 CT 혈관 조영술 (CTA)를 위한 표준 취득을 수행합니다. 성인의 경우, 4mL/s의 속도로 80mL의 요오드 조영제를 주입하고 100 HU의 임계값에서 오름차순 대어에서 볼루스 추적 후 11 s를 획득하십시오. 튜브 전압 및 튜브 전류는 환자의 체형에 따라 스캐너에 의해 자동으로 선택됩니다. 고정도의 반복적 재건을 사용하여 연조직 커널에서 재건을 수행합니다.
참고: CTA 획득 매개 변수 및 프로토콜은 사용 가능한 CT 스캐너, 환자 크기 및 환자 둘레에 크게 의존합니다. 제시된 매개 변수는 경험 기반이며 고정 요구 사항이 아닌 조정의 출발점으로 간주해야 합니다. - MR 혈관 조영술(MRA)의 경우 심전도 및 호흡기 트리거링(TE 3.59, TR 407.40, 매트릭스 크기 224x224)을 사용하여 완전히 균형 잡힌 그라데이션 파형을 사용하는 사내 변형 된 시퀀스를 사용하여 비 대비 향상 (비 CE) MRA를 수행하십시오. 병렬 이미징, 스파스 샘플링 및 반복 재구성을 결합한 압축 감지를 사용하여 가속화된 MRI 데이터 수집을 달성합니다. 예를 들어, 흉부 대상구에 대한 약 5분의 획득 시간이 가능하다.
참고: 이동 아티팩트가 없는 데이터 집합을 선택해야 합니다. 모션 아티팩트를 줄이려면 미래 심전도 트리거링및 비CE MRA에 대한 추가 호흡 트리거링을 사용하여 이미지 수집을 수행합니다. 또한 일반적인 용도의 모델을 선택할 때 완성된 모델의 품질을 향상시킬 수 있기 때문에 금속 임플란트가 없는지 확인하십시오. - 심혈관 해부학의 세분화 및 3D 프린팅을 위해 대비가 향상된 데이터 집합을 사용합니다. 네이티브 심혈관 데이터 세트의 사용은 약 30 HU8의유사한 Hounsfield 값때문에 혈액에서 중공 해부학 구조 (예를 들어, 혈관 또는 심실)의 분리를 어렵게 만듭니다.
참고: 혈액 부피와 주변 연조직 사이의 높은 Hounsfield 값 그라데이션은 세분화 과정에서 쉽게 분리 할 수 있습니다. 그라데이션이 매우 작으면 연조직의 일부가 혈액 량의 일부로 표시되어 모델 품질이 저하되고 추가 적인 후처리가 발생합니다. - 데이터 집합을 내보낼 때 인쇄 된 모델의 해상도 및 표면 품질이이 매개 변수에 크게 따라 달라지므로 합리적으로 낮은 슬라이스 두께 (CTA의 경우 약 0.3 - 0.6 mm 및 MRA의 경우 0.8 - 1.0mm)를 선택해야합니다.
참고: 슬라이스 두께가 너무 얇으면 모델링에 필요한 컴퓨팅 성능이 크게 증가하여 프로세스가 느려집니다. 한편, 과도한 슬라이스 두께는 환자의 해부학에서 작은 세부 사항의 손실을 초래할 수 있습니다.
2.3D 모델 생성
참고: 방사선 데이터 집합에서 3D 모델을 생성하는 것을 세분화 프로세스라고 하며 특수 소프트웨어가 필요합니다. 의료 이미지의 세분화는 3 차원 모델9를형성하기 위해, Hounsfield 단위에 자신을 기반으로합니다. 이 연구는 상용 세분화 및 3D 모델링 소프트웨어(재료 표 참조)를사용하지만 사용 가능한 프리웨어를 사용하여 유사한 결과를 얻을 수 있습니다. 대조가 향상된 CT 데이터 집합에서 모델링하기 위해 다음 단계를 설명합니다.
- 데이터 집합을 세분화 소프트웨어로 가져온 후 데이터 집합을 자르면 관심 영역(예: 하트 및 대동맥 아치)을 제한합니다. 자르기 이미지 도구를 선택하고 프레임의 측면을 클릭하고 이동하여 ROI의 가장자리를 이동하여 이를 달성했습니다. 이 작업은 세 가지 방향 모두에서 수행할 수 있습니다. 따라서 ROI에 중점을 두면 파일 크기가 감소하여 더 높은 컴퓨팅 속도를 가능하게 하여 전체 작업 시간이 단축됩니다.
- 임계값 도구를 열어 하운스필드 단위 값(약 200-800 HU)의 범위를 정의하여 대비가 향상된 혈액 부피 및 뼈 구조의 결합 된 마스크(그림 1A,예를 들어, 흉골, 흉곽의 부분 및 척추).
- Hounsfield 값과 위치를 기반으로 여러 영역과 전체 슬라이스의 표시 및 분리를 가능하게 하는 분할 마스크 도구를 사용하여 최종 3D 모델에서 바람직하지 않은 모든 골격 부품을 제거합니다.
- 이 분리 에 따라, 대조 강화 된 혈액 볼륨을 포함 하는 마스크 남아 있는지 확인. 관상 및 축 평면을 스크롤하고 생성된 마스크를 기본 데이터 집합과 일치시켜 이 작업을 수행할 수 있습니다. 이 마스크에서 렌더링된 3D 다각형 표면 모델(소위 STL)을 계산합니다(도1B).
참고: 도구 이름은 다른 세분화 프로그램에서 다를 수 있습니다. - 추가 적응 및 조작을 위해 3D 모델을 3D 모델링 소프트웨어로 전송합니다(재료 표참조). 3D 모델을 내보내려면 내보내기-Tool을클릭하고 3D 모델링 소프트웨어 또는 내보낸 파일에 대한 피팅 데이터 형식을 선택합니다. 그 후 선택 사항을 확인하고 내보내기 프로세스가 수행됩니다.
- 트림 도구를 사용하여 혈액량을 특정 관심 영역으로 자르기(예: 대오르타 또는 일부 심장 충치의 일부를 제거). 도구를 클릭하고 제거가 필요한 부품 주위에 윤곽을 그립니다.
참고: 데이터 집합 품질과 세분화의 정확성에 따라 이 시점에서 일부 사소한 표면 복구 및 수정이 필요할 수 있습니다. 추가 설계 작업을 통해 교육에서 사용 목적(예: 교육)에 따라 환자 별 모델을 조작할 수 있습니다. 환자의 해부학에 따르면 엔지니어링을 위한 몇 가지 예로는 전체 모델 또는 단일 구조 의 배율 조정, 연결을 만들거나 삭제하여 서로 다른 모델의 일부를 하나로 결합하는 것이 포함됩니다. CT와 MRI 이미지는 방사선과 퇴실의 최소화가 중요한 소아과에서 드물기 때문에 이러한 특징은 선천성 이상을 가진 모델을 훈련하는 데 특히 흥미롭습니다. 따라서 기존 모델의 적응 및 수정은 선천성 심장 결함 모델의 3D 프린팅에 특히 유용합니다. - 로컬 스무딩 도구를 클릭하여 분할된 모델의 표면을 수동으로 로컬로 조정합니다. 이전 트리밍 작업에 의해 생성된 거친 다각형 모양, 단일 피크 및 거친 가장자리를 제거하는 데 중점을 둡니다.
- 모델의 흐름을 흐름 루프에 나중에 연결할 수 있도록 하려면 사용 가능한 호스 커넥터 및 튜브 직경(도1C)에맞게 조정된 정의된 직경을 가진 관 부품을 포함한다. 따라서, 약 10mm의 거리에 선박의 개구부 단면에 평행데이텀 평면을 배치합니다.
- 평면을 배치하려면 도구 만들기 Datum 평면을 선택하고 미리 설정된 3점 평면을사용합니다. 다음으로, 선박 단면에 있는 세 개의 똑같이 간격이 있는 지점을 클릭하여 평면을 만듭니다. 그런 다음 명령 창에 10mm의 오프셋을 입력하고 작업을 확인합니다.
- 메뉴에서 새 스케치 도구를 선택하고 이전에 만든 데이텀 평면을 스케치의 위치로 선택합니다. 스케치에서, 선박의 중심선에 대략 원을 배치하고 호스 커넥터의 외부 직경에 맞게 반경 제약 조건을 설정 (대동맥 입구에 대한 24mm, 서브 클라비아안, 경동맥 및 신장 용기에 대한 8-10mm, 선박의 단층 개방을위한 16-20 mm).
- 생성된 스케치에서 Extrude 도구를 사용하여 길이가 10mm인 원통을 만듭니다. 배출을 방향을 지정하여 선박 개구부에서 벗어나 실린더와 10mm의 선박 단면 사이의 거리를 만듭니다. 그런 다음 로프트 도구를 사용하여 선박 끝과 기하학적으로 정의된 실린더 사이의 연결을 만듭니다. 이 시점에서, 최종 3D 흐름모델(그림 1D)에서난류 및 낮은 유동 영역을 피함으로써 두 단면 사이의 원활한 전환을 보장한다.
참고: 이러한 단계를 수행함으로써 대동맥과 부착동맥의 혈액부피의 3D 모델이 생성됩니다. 또한 흐름 루프에 연결하는 데 필요한 커넥터가 포함됩니다. - 빈 혈액 공간을 만들려면 소프트웨어의 중공 도구를 사용합니다. 명령 창에서 필요한 벽 두께(이 실험: 2.5mm)를 입력하면 중공 공정의 방향을 외부로설정해야 합니다. 그 후 선택 확인 및 중공 프로세스가 실행됩니다.
참고: 이 단계를 사용하면 전체 모델에 대한 고정 벽 두께를 선택할 수 있습니다. "중공"은 모든 표면에 정의된 벽 두께를 생성하므로 완전히 닫힌 모델이 생성됩니다. 따라서, 모든 선박의 끝은 2.6단계(도 1E)에기재된 단계를 사용하여 한 번 더 다듬어야 한다. 유연한 3D 프린팅 재료를 사용하는 경우 이 단계는 팬텀의 최종 바이오 정비사 특성을 정의하는 데 필수적입니다. 모델의 벽 두께를 증가시킴으로써 탄력성이 높아지고 탄력성이 낮아 논리적으로 생성됩니다. 네이티브 조직 및 3D 프린팅 재료의 기계적 특성이 알려지지 않은 경우 이 시점에서 인장 검사를 수행해야 합니다. 벽 두께는 전체 모델에 걸쳐 일정하기 때문에 원하는 기계적 특성을 모델의 관심 영역에서 재현해야 합니다. - 일부 프로세싱 소프트웨어는 "마법사"를 제공하여 최종 모델의 인쇄성을 보장하는 데 매우 권장됩니다. 이 선택적 처리 단계는 모델의 다각형 메시를 분석하고 모델에 연결되지 않은 겹침, 결함 및 작은 객체를 표시합니다. 일반적으로 마법사는 발견된 문제를 제거하는 솔루션을 제공하므로 인쇄 가능한 3D모델(그림 1F)이생성됩니다.
- 파일 탭에서 내보내기 옵션을 선택하여 최종 모델을 .stl 파일로 내보냅니다.
참고: 설계된 3D 모델의 정확성을 확인하기 위해 일부 소프트웨어는 최종 STL의 윤곽과 기본 방사선 데이터 집합의 오버레이를 가능하게 합니다. 이렇게 하면 3D 모델을 네이티브 해부학과 시각적으로 비교할 수 있습니다. 또한 디지털 모델의 정확한 인쇄를 허용하려면 < 40 μm의 적절한 공간 해상도를 갖춘 프린터를 선택해야 합니다.
3.3D 인쇄 및 흐름 루프 설정
- 제조업체에서 제공하는 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 .stl-file을 3D 프린터에 업로드하여 해부학의 물리적 유령을 생성합니다. 이상적으로는 높은 해상도와 우수한 인쇄 품질을 보장하기 위해 ≤ 0.15mm의 인쇄 층 높이를 사용해야 합니다.
참고: 다양한 탄성 인쇄 재료와 시장에 적합한 3D 프린터가 있습니다. 이전에 설명된 디지털 모델을 인쇄하는 데 다양한 설정을 사용할 수 있습니다. 그러나 해상도, 후처리 및 기계적 동작은 제시된 결과와 다를 수 있습니다. - 슬라이싱 소프트웨어에서 3D 프린터에 인쇄 파일을 업로드한 후 프린터 카트리지의 인쇄 재료 및 지원 재료의 양이 3D 모델에 충분하고 인쇄를 시작합니다.
- 인쇄 공정에 따라 완성된 모델에서 지지 재질을 제거합니다. 먼저 모델을 부드럽게 압착한 다음 물이나 각각의 용매에 침지하여(지지 재료에 따라 다름)를 수동으로 제거합니다. 하룻밤 사이에 40 °C로 설정된 인큐베이터에서 건조하십시오.
참고: 지원 재료의 제거는 해부학 적 모델의 복잡성에 따라 시간이 많이 소요되는 단계일 수 있습니다. 주걱, 숟가락 및 의료 프로브와 같은 도구를 사용하면 처리 후 시간이 약간 감소할 수 있지만 모델의 벽을 천공할 위험이 증가하여 유체 테스트에는 쓸모가 없습니다. Polyjet 인쇄 기술을 사용하는 경우 전체 모델은 지지 재료에 의해 둘러싸여 있습니다. 이는 UV-light를 사용하여 경화하는 동안 경화되지 않은 모델 재료를 제자리에 유지하는 데 필요합니다. 중공 튜브 모델에서는 실제 모델 소재에 비해 지지 재료에 대한 수요가 훨씬 높아집니다. 그림 2에 제시된 모델은 약 200g의 모델 재료와 2,000g의 지지 재료를 사용합니다. - 다음으로 모델을 1% 한천에 포함시킴이 에 포함시다. 이것은 모형의 임상 화상 진찰 도중 운동 아티팩트를 감소시킵니다. 둘째, 한천은 초음파 이미징 중에 더 나은 햅틱 피드백을 제공하고, 카테터화 시 더 나은 힘 피드백을 제공합니다.
- 모델 주위에 2cm 이상의 측면 여백이 있는 플라스틱 상자를 사용합니다. 튜브를 용기에서 펌프 및 저수지로 연결할 수 있도록 상자 벽에 구멍을 뚫습니다.
- 물에 1%w/v를 추가하고 끓여서 한천 용액을 준비하십시오. 혼합물을 끓이고 교반 한 후 5 분 동안 식히고 상자에 부어 모델이 배치 될 높이가 2cm 이상 인 침대를 만듭니다.
참고: 모델이 상자 하단에 직접 배치되면 모델 내부의 유체의 맥동은 비대칭 위쪽 이동을 생성합니다.
- 한천 침대가 설정되는 동안 모든 개구부에서 상업용 호스 커넥터를 사용하여 모델을 비준수 PVC 튜브에 연결합니다. 3/8"의 튜브 직경은 혈액 흐름이 높은 대형 혈관 (예 : 대동맥) 및 / 또는 높은 혈류를 가진 해부학 적 구조 (예 : 심실)에 권장됩니다. 작은 용기의 경우 1/8"튜브가 충분합니다. 지퍼 타이를 사용하여 호스 커넥터와 3D 모델 간의 연결을 수정하고 유체 누설이 없는지 확인합니다.
- PVC 튜브를 드릴구멍을 통해 상자에 넣은 다음 모델을 세트 한천 침대 위에 놓습니다. 이 구멍에서 한천이 누출되는 것을 방지하려면 방열 모델링 점토를 사용하여 밀봉하십시오. 그 후, 상자를 한천으로 채우고, 위에 2cm 레이어를 추가하고 한천이 완전히 시원하고 설정하기 위해 실온에서 1 시간 동안 방치하여 모델을 덮습니다. 이것은 3.4 단계에서 기술된 천 혼합물의 더 많은 것을 요구할 것이다.
참고: 한 번 완치된 한천은 냉장 보관하는 경우 약 1주일 동안 사용할 수 있습니다. 볼륨이 눈에 띄게 감소하면 새 배치로 대체해야 합니다. - 근동 개구에 부착된 3/8" 튜브를 사용하여 맥동 공압 심실 펌프를 모델에 연결합니다. 다른 튜브를 저수지에 연결하고, 저수지를 심실 펌프의 입구에 연결하여 폐쇄된 흐름 루프를 만듭니다. (그림2;예를 들어, 심실 보조 장치(VAD)-심실). 펌프는 성인 해부학에서 충분한 생리적 흐름을 보장하기 위해 80 - 100 mL의 뇌졸중 부피를 가져야합니다. 소아 해부학의 경우, 작은 펌핑 챔버를 사용할 수 있습니다.
- 심실은 결합 튜브 시스템의 공기 압축을 고려하여 120 - 150 mL의 스트로크 볼륨을 가진 피스톤 펌프에 의해 교반되어야합니다.
4. 임상 이미징
참고: 임상 이미징에서 유물을 방지하기 위해 유체 회로에 에어 포켓이 없음을 확인해야 합니다.
- CT 이미징
- CT 이미징의 경우 드라이브 유닛이 가까이 서 있는 CT 스캐너 내에 전체 흐름 루프를 배치합니다. 콘트라스트 에이전트 펌프를 흐름 루프의 저장소에 직접 연결하므로 스캔 하는 동안 콘트라스트 에이전트가 있는 모델의 홍수를 시뮬레이션할 수 있습니다. 이것은 혈관 병리를 시각화하는 데 특히 유용합니다.
- CT를 전체 모델에 대한 동적 스캔으로 수행하여 콘트라스트 에이전트 유입을 시각화합니다. 튜브 전압은 100 kVp로 설정되며 튜브 전류는 400 mA입니다. 콜리밍은 1.2mm입니다. 1:10의 100mL를 4mL/s의 속도로 모델의 저수지에 희석된 요오드 조영제를 주입합니다. 100 HU 임계값과 4s 지연으로 선두 튜브에서 볼러스 트리거링을 사용하여 스캔을 시작합니다.
- 소노그래피
- 아티팩트를 줄이기 위해 소량의 초음파 젤을 한천 블록 위에 놓습니다. 펌프를 시작하고 초음파 헤드를 사용하여 초음파 이미징 (즉, 심장 판막)에 대한 관심있는 해부학 구조를 찾습니다. 2D 에코 모드를 사용하여 리플렛 움직임을 평가하고 밸브의 개폐 거동을 평가합니다. 색상 도플러를 사용하여 밸브와 스펙트럼 도플러를 가로지르는 혈류를 평가하여 심장 판막 에 따른 유동 속도를 정량화합니다.
- 카테터라이제이션/개입
- 3D 모델 바로 아래 PVC 튜브에 액세스 포트를 삽입하여 심장 카테터 또는 가이드와이어로 해부학에 쉽게 접근할 수 있습니다. 흐름 루프를 시작한 후 포트 입구 지점에서 누설을 확인합니다. 필요한 경우 2인 조제 접착제를 사용하여 개구부를 밀봉합니다.
- X선 기계의 C-arm(s) 아래에 3D 모델을 환자 테이블에 놓습니다. X선 이미징을 사용하여 해부학 구조를 통해 카테터와 가이드와이어를 안내합니다. 풍선 팽창 또는 스텐트 이식 배치의 경우 연속 X선 모드를 사용하여 장치의 확장을 시각화합니다.
참고: 3D 프팅 모델에 대한 카테터화 및 개입 교육을 통해 다양한 해부학 및 병리학 적 모델을 교환 할 수 있습니다. 이것은 훈련 설정의 다양성과 리얼리즘을 더욱 증가시킵니다.
- 4D-MRI
- MRI 수집을 위해 1.5 T 스캐너를 사용하고 획득 프로토콜이 위에서 설명한 바와 같이 비대비 향상된 MRA 및 4D-Flow 서열로 구성되어 있는지 확인합니다. 4D-Flow의 경우 25상 및 1.2mm의 슬라이스 두께(TE 2.300, TR 38.800, FA 7°, 매트릭스 크기 298 x 298)를 가진 등위위축 데이터 집합을 획득한다. 속도 인코딩을 100cm/s로 설정합니다. 시험관 내 측정은 시뮬레이션된 심전도 및 호흡기 트리거를 사용하여 수행됩니다.
- 4D-Flow 해석을 위해 임베디드 모델과 VAD 심실이 있는 상자를 MRI 스캐너에 배치하고 18채널 바디 코일로 덮여 있습니다. MRI 스캐너의 자기장에 관해서는, 공압 구동 장치는 스캐너 룸 외부에 배치되어야합니다; 따라서 일반적으로 더 긴 결합 튜브 시스템이 필요합니다.
- 시판 되는 소프트웨어로 4D-Flow 이미지 분석을 수행합니다. 먼저 플래시 드라이브에서 선택하여 4D-MRI 데이터 집합을 가져옵니다. 다음으로, 반자동 오프셋 보정 및 이미지 품질을 향상시키기 위해 별칭수정을 수행합니다. 그 후 선박의 중심선이 자동으로 추적되고 소프트웨어가 3D 볼륨을 추출합니다.
- 마지막으로 분석 창의 개별 탭을 클릭하여 흐름 매개 변수에 대한 정량적 분석을 수행합니다. 흐름 시각화, 경로 시각화 및 흐름 벡터는 추가 입력 없이 시각화됩니다. 각 탭에서 압력 및 벽 전단 응력의 정량화를 위해, 버튼을 클릭하여 두 개의 평면을 배치 평면 추가 . 비행기는 자동으로 선박의 중앙선에 수직으로 배치됩니다.
- 평면을 중앙선을 따라 드래그하여 ROI로 이동하므로 ROI 시작 부분에 한 대의 평면이 배치되고 한 평면이 끝에 배치됩니다. 3D 모델 옆의 다이어그램에서 ROI 및 벽 전단 응력에 걸쳐 압력 강하가 시각화되고 정량화됩니다.
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Representative Results
설명된 대표적인 결과는 계획, 훈련 또는 테스트 설정에 일반적으로 사용되는 몇몇 심장 혈관 구조물에 집중합니다. 이 것들은 1.0mm의 ST와 1.0 mm³의 복셀 크기로 등위축 CT 데이터 세트를 사용하여 만들어졌습니다. 대동맥류 모델의 벽 두께는 인쇄재료의 비교 인장 테스트 결과를 준수하는 2.5mm로 설정하였다(인장 강도: 0.62 ± 0.01 N/mm2; F최대: 1. 55 ± 0.02 N; 신장: 9.01 ± 0.34 %) 및 돼지 대동맥 샘플 (폭 : 1mm; F최대: 1.62 ± 0.83 N; 신장: 9.04 ± 2.76%).
제시된 3D 프린팅 모델은 CT 이미징에서 다양한 가능성을 제공합니다. 인쇄된 재료는 주변 의 한천 및 가능한 금속임플란트(도 3A)와쉽게 구별할 수 있습니다. 따라서 동적 이미징 서열을 생성하는 것을 제외하고는 일반적으로 조영제의 사용이 필요하지 않습니다. 이것은 가능한 보철 불일치의 시각화를 허용하고 그 후에 내시경을 나타나는 것을 허용하기 때문에 혈관 내 스텐트 이식의 평가에 특히 유용할 수 있습니다.
매일 임상 작업의 주식으로서 초음파 이미징은 3D 인쇄 모델을 교육 설정으로 적용하기위한 대표적인 예입니다. 그것은 심장 판막 역학의 평가, 특히 소아과에서 온 심장의 조사 둘 다에 사용할 수 있습니다. 3D 프렉팅 모델의 초음파 이미징은 초음파의 좋은 투과성을 보여줍니다. 또한, 모델의 벽, 주변 의 한천 및 심장 밸브 전단지(그림 3B)와같은 얇은 동적 물체를 구별 할 수 있습니다. 모델 위에 있는 한고 층은 스캔 과정에서 사실적인 햅틱 피드백을 제공합니다.
흐름 루프 내의 흐름 분석에서 4D-MRI를 사용하면 사전 개입 이미징에서 가능한 광범위한 응용 프로그램을 제공합니다. 4D-MRI 시퀀스는 3D 프팅 모델 내에서 유체 흐름, 난류 및 벽 전단 응력을 시각화할 수 있습니다. 이를 통해 인공 심장 판막에 따른 유동 패턴을 분석할 수 있으며, 이는 상승하는 대동맥 및 대동맥아치(도 3C)에서높은 벽 전단 응력 및 난기류로 이어질 수 있습니다. 난기류와 높은 벽 전단 응력의 영향은 대동맥류의 분석에 특히 흥미롭습니다. 따라서, 3D 모델은 흉부와 복부 대동맥모두에서 동맥류의 발생을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다.
3D 프팅 된 심혈관 모델은 진단 및 중재 심장학을위한 현실적인 교육 환경을 제공합니다. 시뮬레이션 설정을 통해 연수생은 안내 전선/카테터의 처리를 연습하고 혈관과 심장 구조물을 통해 기동할 수 있으며, 심내 압력 측정, 스테노틱 용기 또는 밸브의 풍선 팽창, 스텐트의 위치 및 팽창, 혈관 화상 진찰(3D 모델의 내부 구조 시각화, 즉 심장 밸브)을 통해 연습할 수 있습니다. 1차 및 제2 연산자, 두 역할 간의 기술과 작업은 교육 중에 포함됩니다. 3D 모델링 소프트웨어에서 3D 프린팅 모델을 수정하면 모델 구조와 크기(유아에서 성인)를 교육 수준과 목표에 맞게 조정할 수 있습니다. 따라서, 학생뿐만 아니라 능숙한 실무자는 같은 정도로 교육혜택을 누릴 수 있습니다. 모든 교육 수준에 대한 워크샵 - 수년간의 경험을 가진 소아 심장 전문의에 대한 의대생 - 특허 덕트 동맥 (PDA), 폐 판막 협착증 (PS), 대동맥 판막 협착증 (AS), 대동맥 판막 협착증 (AS), 대동맥 판막 협착증 (COA) 및 격막 결함 (ASA)의 협착증을 포함하는 가장 일반적인 선천적 결함을 나타내는 3D 모델에 성공적으로 수행되었습니다. X선 이미징 에서 3D 모델의 출현과 모델 내부의 계측기 조작에 대한 햅틱 피드백은 매우 사실적인 것으로 평가되었습니다. 3D 모델에 대한 반복적인 훈련은 3D의 정통한 방향, 햅틱 피드백의 향상된 인식 및 환자에게 가장 중요한 방사선 노출을 최소화합니다.
도 1: 방사선 데이터 세트에서 인쇄된 해부학 모델(병리학: 관장 대동맥류)으로의 설계 단계. (A)CT 데이터 세트 기반 세분화 과정(B)세분화 후 러프 3D 모델(C)추가 관 커넥터 (D) 연결기(D)프린세서와 혈액 볼륨의 최종 모델(E)프린세이프(E) 프랭크-프랜프(E) 프랭크-프랭크(E) 프랭크-프랭크(E) 프랭크-프랜칭 모델.. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: 흐름 루프의 설정. (A)LVAD(1),임베디드 모델 (2), 저수지 (3) 및 3D 인쇄 튜브 커넥터 (선택 사항)를 가진 최종 흐름 루프 설정의 회로도 모델 (4) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 임상 이미징 기술. (A)생물학적 외과 심장 판막(B) 3D 프린팅 대동맥 아치의 CT-재구성은 3D 프린팅 대동맥 근막(1)의 초음파 영상(1)을 개방형 생물학적 외과 심장 판막(2)(C)(C)4D-MRI 유동 시각화(D) 3D 프린팅 소아 심장(1)의 증식 영상(본인)의 클릭형 검사(1)를 클릭한 동안 본인의 클릭형(1)을 클릭형으로 볼 수 있다.
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Discussion
제시된 워크플로우는 개별화된 모형을 설치하고 그으로 개별화된 해부학에 대한 의사 훈련뿐만 아니라 사전 중재 치료 계획을 능력을 발휘할 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 환자 별 토모그래피 데이터는 유연한 심혈관 팬텀의 세분화 및 3D 프린팅에 사용할 수 있습니다. 이러한 3D 프린팅 모델을 모의 순환에서 구현함으로써 다양한 임상 상황을 현실적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.
요즘, 많은 치료 계획 절차는 가장 유리한 결과를 식별하기 위해, 다른 시나리오의 디지털 시뮬레이션에 초점을 맞추고10,11. 이러한 실리코 시뮬레이션과는 달리 설명된 3D 프린팅 설정은 교육 절차에서 촉각 피드백을 가능하게 합니다. 맥사타일 관류에서 인간 본인에 가까운 재료 준수가 가능합니다. 한편, 많은 공표된 3D 프란티엄 팬텀은 강성 물질만을 사용하므로 주로 시각적사용(12,13)으로제한됩니다.
그러나 현재 3D 프린팅 기술과 재료는 제시된워크플로우(14)에대한 생체 역학적 특성을 재현하는 데 가장 큰 한계를 가지고 있음을 이해해야 한다. 해부학 적 모양의 정확한 레크리에이션이 가능하지만, 생성된 모델의 기계적 행동은 여전히 원시 대동맥 조직과 어느 정도 다를 것입니다. 하나의 팬텀에서 다양한 바이오 기계적 특성을 가진 다른 조직을 모방하기 위해, 가능한 한, 몇 가지 정교한 다중 재료 3D프린터(15)에의해서만 달성할 수 있다. 3D 프린팅을 위한 조직을 모방하는 물질을 만드는 것은 과학 연구의 초점으로 남아 있습니다. 새로운 재료의 개발은 더욱 현실적인 결과 결과 초래할 것이다16,17. 시판되는 인쇄 재료 및/또는 1성분 인쇄만 가능한 한, 이 연구에서 실시된 바와 같이, 팬텀의 기계적 특성은 벽 두께의 변화에 의해 조절될 수 있다. 따라서 기본 토모그래피 데이터에서 관심 있는 조직의 두께를 복제하는 것이 권장되지 않습니다. 다양한 재료와 다양한 기계적 특성을 가진 다양한 3D 프린터가 존재한다는 것을 강조하는 것이중요합니다(18). 따라서 포괄적인 기계적 테스트는 3D 프린팅 전에 권장됩니다. 심혈관 구조(예: 대동맥 또는 심실 벽)의 인쇄를 위해서는 참조를 위해 다른 토착 조직 샘플이 필요합니다. 설명된 세분화 및 인쇄 워크플로우에 따라 광범위한 심혈관 해부학적 정확도뿐만 아니라 엔지니어링되었지만 사실적인 3D 인쇄 모델을 만들 수 있습니다.
3D 프팅 모델의 비용 효율성은 재료 특성에 크게 좌우됩니다. 각 모델의 높은 내구성(풍선 팽창 후에도)의 내정훈련에서 전체 비용을 절감할 수 있습니다. 환자 별 치료 계획을 볼 때 인쇄 된 모델의 유익한 효과를 고려해야합니다. 3D 인쇄 모델은 "표준"외과 환자에게 비용 효율적이지 않지만 복잡한 해부학을 가진 환자에게 엄청난 통찰력을 제공 할 수 있습니다. 따라서, 교육 모델의 비용은 그들의 미래의 혜택에 대해 무게를 해야합니다.
지금까지, 임상 훈련을 위한 몇몇 상업적으로 이용 가능한 팬텀은 시장에 존재합니다; 일부 학술 모델은19,20에게시되었습니다. 이 모형은 일반적으로 미리 정의된 해부학이 있고 일반적으로 환자 특정 조정에서 사용하기 어려운 증명합니다. 또한, 높은 취득 비용은 의사의 훈련에 이러한 도구의 광범위 한 사용을 복잡 하 게. 제시 된 사용자 정의 모의 순환은 필요한 경우 낮은 예산으로 만들 수 있습니다. 외습, 형광법 및 초음파 검사 스캐너는 환자 별 데이터를 수집하고 모의 순환의 이후 사용을 위해 선진국의 일반 또는 대학 병원의 표준 장비입니다. 심혈관 해부학의 세분화 및 가상 3D 모델의 생성은 언급 된 라이센스 소프트웨어와 함께 수행 할 수 있지만 프리웨어도21을 사용할 수 있습니다. 프리웨어 옵션은 방사성 데이터 세트에서 3D 모델을 만들 때 탁월한 결과를 제공하지만 소프트웨어를 개인의 필요에 맞게 조정하려면 많은 양의 초기 작업이 필요합니다. 또한 디지털 3D 모델의 후속 편집에는 추가 소프트웨어가 필요하므로 이러한 모든 측면을 포괄하는 포괄적인 소프트웨어 제품군은 빠르고 원활한 워크플로우에 매우 권장됩니다. 필요한 경우, 유연한 팬텀의 인쇄는 현장에 적합한 3D 프린터가없는 경우 계약 3D 제조에 의해 수행 할 수 있습니다. 관심 지역에 대한 해부학적 감소로 3D 인쇄 팬텀의 크기를 줄일 수 있으며, 이는 인쇄 시간을 단축하고 비용을 절감할 수 있습니다.
위에서 설명한 프로세스의 가장 중요한 점은 초기 이미지 수집입니다. 그 결과, 지형 데이터의 품질이 높을수록 최종 3D 인쇄 팬텀이 더 정확해집니다. CT 또는 MRI에서 적절한 데이터를 얻는 데는 두 가지 주요 요인이 있습니다: 아티팩트 방지 및 공간 해상도. 아티팩트를 방지하기 위해 특정 아티팩트 감소 기술이22일없는 경우, 이상적으로금속 재료(예: 임플란트)가 관심 영역 옆에 있지 않습니다. 모션 아티팩트를 줄이기 위해 심전도 및 호흡기 트리거링은 이미지 수집23,24동안 수행되어야 한다. 공간 해상도는 이미징 장치에 따라 달라집니다. 그러나 과도한 디지털 후처리 없이 적합한 3D 프릿프린트 팬텀을 얻으려면 1.0mm 이하의 슬라이스 두께가 필요합니다.
위에서 언급 한 모듈성, 비용 효과 뿐만 아니라 다재 다능 함은 일상적인 임상 루틴에서 보충 사용을 위해 개별화 가능한 모의 순환을 걸리게합니다. 제시된 방법은 광범위한 임상 및 기본 연구 분야에 유익할 수 있습니다. 현실적인 모델의 사용은 젊은 의사와 학생들에게 초음파 의 기초뿐만 아니라 중재 기술을 가르치는 데 탁월합니다. 특히 개입으로 이러한 모델은 기술을 보다 쉽게 접근 하고 의사의 전반적인 지식 기반을 장기적으로 증가시킬 것입니다. CT와 MRI 화상 진찰은, 대동맥 혈관에 있는 혈역학 유동 패턴을 볼 때 특히, 외과 및 경피제 내정간섭의 결과를 결정하는 것 뿐만 아니라, 기초 과학에서 중요한 추가될 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 출판물은 독일 심장 재단/ 독일 심장 연구 재단에 의해 지원되었다.
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 |
References
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