Name: 중재 계획 및 교육을 위한 3D 인쇄 심장 혈관 팬텀의 개발 및 평가 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-18T14:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 57 s
Description: 배우세요 환자별 3D 프린팅 심혈관 팬텀을 CT 데이터로 제작하는 방법입니다. 이 기술은 의사 교육, 중재 계획 및 생체 외 테스트에 활용되며 실제 해부학적 정확도와 생체역학적 특성을 재현합니다.

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이 출판물은 독일 심장 재단/ 독일 심장 연구 재단에 의해 지원되었다.

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</ol>

저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>3-matic</td><td>Materialise AB</td><td></td><td>소프트웨어 버전 15.0 - 상용 3D 모델링 소프트웨어</td></tr><tr><td>Affiniti 50</td><td>Philips Medical Systems GmbH</td><td></td><td>초음파 이미징 시스템</td></tr><tr><td>Agilista W3200</td><td>Keyence Co.</td><td></td><td>공간 해상도가 30&micro인 Polyjet 3D 프린터; m</td></tr><tr><td>AR-G1L</td><td>키엔스(주)</td><td></td><td>유연한 3D 프린팅 재료</td></tr><tr><td>, Artis Zee</td><td>, Siemens Healthcare GmbH</td><td></td>, <td>혈관 조영술 X선 스캐너</td></tr>, <tr><td>cvi42</td>, <td>CCI, Inc.</td><td></td><td>소프트웨어 버전 5.12 - 4D 흐름 분석 소프트웨어</td></tr><tr><td>진단 카테터, 다목적 MPA 2</td><td>Cordis, 소아 교육 모델용 Cardinal Health 회사</td><td></td><td>카테터, 유아용 4F 및 어린이, 청소년용 5F 크기</td></tr><tr><td>Excor Ventricular Assist Device</td><td>Berlin Heart GmbH</td><td></td><td>80 -100ml 스트로크 볼륨</td></tr><tr><td>Imeron 400 조영제</td><td>Bracco 이미징</td><td></td><td>CT - 조영제</td></tr><tr><td>IntroGuide F</td><td>Angiokard Medizintechnik GmbH</td><td></td><td>가이드와이어와 J-tip; 직경: 0.035" 길이: 220cm</td></tr><tr><td>Lunderquist 가이드와이어</td><td>Cook Medical Inc.</td><td></td><td>(T)EVAR 중재 가이드와이어</td></tr><tr><td>MAGNETOM Aera</td><td>Siemens Healthcare GmbH</td><td></td><td>MRI 스캐너</td></tr><tr><td>Magnevist 조영제</td><td>Bayer Vital GmbH</td><td></td><td>MRI - 조영제</td></tr><tr><td>모방</td><td>Materialise AB</td><td></td><td>소프트웨어 버전 23.0 - 상용 세분화 소프트웨어</td></tr><tr><td>모델링 스튜디오</td><td>Keyence Co.</td><td></td><td>3D 프린터 슬라이싱 소프트웨어</td></tr><tr><td>PVC 튜빙</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Radifocus 가이드 와이어 M</td><td>Terumo Europe NV</td><td></td><td>스트레이트 가이드 와이어; 직경 : 0.035 "길이 : 260cm</td></tr><tr><td>정말 유용한 상자 9L</td><td>정말 유용한 제품 주식 회사</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotigarose - Standard Agar</td><td>Carl Roth GmbH</td><td>3810.4</td><td></td></tr><tr><td>Solidworks</td><td>Dassault Systemes SE</td><td></td><td>소프트웨어 버전 2019-2020; CAD 설계 소프트웨어</td></tr><tr><td>SOMATOM Force</td><td>Siemens Healthcare GmbH</td><td></td><td>컴퓨터 단층 촬영 스캐너</td></tr><tr><td>syngo via</td><td>Siemens Healthcare GmbH</td><td></td><td>방사선 이미징 소프트웨어</td></tr></tbody></table>

중재 계획 및 교육을 위한 3d 인쇄 심장 혈관 팬텀의 개발 및 평가

Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

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.

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...

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.

중재 계획 및 교육을 위한 3D 인쇄 심장 혈관 팬텀의 개발 및 평가

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

제시된 방법은 시험관 내 시험, 교육 및 절차의 계획에 대한 환자 특정 해부학 심장 혈관 모형의 창조를 허용합니다. 이 방법은 흐름 루프 또는 교육 설정에 쉽게 포함될 수 있는 방사선 데이터 집합을 기반으로 3D 인쇄 가능한 개별 해부학 모델을 만드는 표준화된 접근 방식을 제공합니다. 이 모델링 접근은 심장 혈관 시스템에 집중하는 동안, 그것은 그밖 해부학 적인 구조물로 옮겨질 수 있습니다.방사선 데이터 세트의 품질은 모델링 중에 발생하는 어려움에 큰 영향을 미칩니다. 첫 번째 모델의 경우 최소한의 무브먼트 아티팩트와 높은 공간 해상도가 있는 데이터 집합을 사용합니다. 시작하려면 임계값 을 열어 대비가 향상된 혈액 볼륨 및 뼈 구조의 결합 된 마스크를 생성하여 Hounsfield 단위 값의 범위를 정의합니다.최종 3D 모델에서 바람직하지 않은 모든 골격 부품을 분리하여 분할 마스크 도구를 사용하여 Hounsfield 값과 위치를 기반으로 전체 조각에서 여러 영역을 표시하고 분리할 수 있습니다. 이 분리 에 따라, 대조 향상 된 혈액 볼륨을 포함 하는 마스크 남아 있는지 확인. 이 작업은 관상 및 축 평면을 스크롤하고 생성된 마스크를 기본 데이터 집합과 일치시켜 수행할 수 있습니다.이 마스크에서 렌더링된 3D 다각형 표면 모델을 계산합니다. 로컬 스무딩 도구를 클릭하여 분할된 모델의 표면을 수동으로 로컬로 조정합니다. 이전 트리밍 작업에서 만든 거친 다각형 모양, 단일 피크 및 거친 가장자리를 제거하는 데 중점을 둡니다.모델의 이후 흐름 루프를 흐름 루프에 연결할 수 있도록 하려면 사용 가능한 호스 커넥터 및 튜브 직경에 맞게 조정된 정의된 직경이 있는 관 부품을 포함합니다. 배의 개구부 단면에 평행하게 데이텀 평면을 배치하려면 도구를 선택하고 Datum 평면을 만들고 미리 설정된 3점 평면을 사용합니다. 다음으로, 선박의 단면에 세 개의 동등하게 간격이 있는 점을 클릭하여 평면을 만듭니다.명령 창에 10mm의 오프셋을 입력하고 작업을 확인합니다. 메뉴에서 그리기 스케치 도구를 선택하고 이전에 만든 다툼 평면을 스케치의 위치로 선택합니다. 스케치에서 원형을 대략 적인 선에 놓고 경전 제약 조건을 호스 커넥터의 외부 직경과 일치하도록 설정합니다.생성된 스케치에서 Extrude 도구를 사용하여 길이가 10mm인 원통을 만듭니다. 압출을 방향을 지정하여 용기 개구부에서 벗어나 실린더와 10mm의 선박 단면 사이의 거리를 만듭니다. 그런 다음 로프트 도구를 사용하여 선박 끝과 기하학적으로 정의된 실린더 사이의 연결을 만듭니다.최종 3D 흐름 모델에서 난류와 낮은 유동 영역을 방지하여 두 단면 사이의 원활한 전환을 보장합니다. 마지막으로, 중공 도구를 사용하여 명령 창에 중공 혈액 공간을 만들고 필요한 벽 두께를 넣고 바깥쪽으로 이동하는 중공 과정의 방향을 설정합니다. 중공 프로세스를 실행하도록 선택을 확인합니다.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 압착하여 지지 재료를 수동으로 제거합니다.모델을 싱크대에 놓고 덮개를 제거한 후 물이나 용매에 담급다. 하룻밤 사이에 섭씨 40도로 설정된 인큐베이터에서 모델을 건조시하십시오. 다음 날, 1 %의 천에 모델을 포함.모델 주위에 2센티미터 이상의 측면 여백이 있는 플라스틱 상자를 사용하여 튜브를 용기에서 펌프 및 저수지로 연결할 수 있도록 구멍을 벽에 뚫십시오. 물에 한천을 넣고 끓입니다. 혼합물을 교반 한 후, 5 분 동안 식히고 적어도 2 센티미터 높이의 침대를 만들기 위해 상자에 부어.한천 침대가 설정되는 동안 모든 개구부에서 상업용 호스 커넥터를 사용하여 모델을 비준수 PVC 튜브에 연결합니다. 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 내열 모델링 점토를 사용하여 밀봉하십시오. 다음으로 상자를 한천으로 채우고 위에 2센티미터 레이어를 추가하여 모델을 덮습니다. 한천이 완전히 식히고 실온에서 1시간 동안 설정하도록 허용합니다.120~150밀리리터의 스트로크 볼륨을 가진 피스톤 펌프를 사용하여 심실을 교반합니다. CT 이미징의 경우 드라이브 유닛이 가까이 서 있는 CT 스캐너 내에 전체 흐름 루프를 배치합니다. 콘트라스트 에이전트 펌프를 유동 루프의 저장소에 직접 연결하여 스캔 중에 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. 1~10밀리리터의 희석된 요오드 조영제를 초당 4밀리리터의 속도로 모델의 저수지에 주입합니다.4초 지연 시 100 개의 하운스필드 단위 임계값으로 선두 튜브에서 볼러스 트리거링을 사용하여 스캔을 시작합니다. 초음파 검사를 수행하려면 소량의 초음파 젤을 천창 블록 위에 올려 아티팩트를 줄입니다. 펌프를 시작하고 초음파 머리를 사용하여 관심있는 해부학 구조를 찾습니다.2D 에코 모드를 사용하여 리플렛 움직임과 밸브의 개폐 동작을 평가합니다. 색상 도플러를 사용하여 밸브와 스펙트럼 도플러를 가로지르는 혈류를 평가하여 심장 판막 에 따른 유동 속도를 정량화합니다. 3D 모델 바로 아래에 있는 PVC 튜브에 액세스 포트를 삽입하여 심장 카테터 또는 가이드 와이어로 해부학에 쉽게 접근할 수 있습니다.흐름 루프를 시작한 후 포트 입구 지점에서 누설을 확인합니다. 필요한 경우 두 가지 부품 접착제를 사용하여 개구부를 밀봉합니다. X선 기계의 C 암 아래에 3D 모델을 환자 테이블에 놓습니다.엑스레이 이미징을 사용하여 카테터를 안내하고 해부학 구조를 통해 와이어를 안내하십시오. 4D MRI의 경우 1.5 Tesla 스캐너를 사용하고 획득 프로토콜이 4D 흐름 시퀀스에서 비대비 향상된 MRA로 구성되어 있는지 확인합니다. 1.2 밀리미터의 슬라이스 두께에서 25 개의 위상을 가진 등위 위축 성 데이터 집합을 획득하십시오.속도 인코딩을 초당 100cm로 설정합니다. 시판 되는 소프트웨어로 4D 흐름 이미지 분석을 수행합니다. 먼저 플래시 드라이브에서 선택하여 4D MRI 데이터 집합을 가져온 다음 반자동 오프셋 보정 및 별칭 보정을 수행하여 이미지 품질을 향상시킵니다.선박의 중심 선이 자동으로 추적되고 소프트웨어가 3D 볼륨을 추출합니다. 마지막으로 분석 창의 개별 탭을 클릭하여 흐름 매개 변수에 대한 정량적 분석을 수행합니다. 흐름 시각화, 경로 선 시각화 및 흐름 벡터는 추가 입력 없이 시각화할 수 있습니다.대표 탭에서 압력 및 벽 전단 응력의 정량화를 위해 평면 추가 버튼을 클릭하여 두 개의 평면을 배치합니다. 한 평면이 ROI의 시작 부분에 배치되도록 중앙 선을 따라 드래그하여 비행기를 ROI로 이동합니다. ROI 및 벽 전단 응력에 걸쳐 압력 강하가 3D 모델 옆에 있는 다이어그램에서 시각화되고 정량화됩니다.제시된 3D 프린팅 모델은 CT 이미징에서 다양한 가능성을 제공합니다. 인쇄 된 재료는 주변 의 한천및 가능한 금속 임플란트와 쉽게 구별 할 수 있습니다. 따라서 동적 이미징 서열을 생성하는 것을 제외하고는 일반적으로 조영제의 사용이 필요하지 않습니다.초음파 이미징을 사용하는 경우 모델의 벽, 주변 천 및 심장 밸브 전단지와 같은 얇은 동적 물체를 구별 할 수 있습니다. 모델 위에 있는 한고 층은 스캔 과정에서 사실적인 햅틱 피드백을 제공합니다. 흐름 루프 내의 흐름 분석은 광범위한 응용 분야와 사전 개입 이미징을 제공합니다.4D MRI 시퀀스는 3D 프팅 모델 내에서 유체 흐름, 난기류 및 벽 전단 응력을 시각화하여 인공 심장 판막에 따른 유동 패턴을 분석할 수 있습니다. 이 워크플로우는 교육 또는 계획 목적으로 다른 중재 의료 절차로 전송할 수 있습니다. 이 기술은 큰 심장 혈관에서 유동 행동의 가까운 체외 검사를 허용하고 개별화 된 치료 계획에 대한 큰 잠재력을 제공합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Medicine

의학

광학 조직 환영 교정 및 광학 이미징 시스템의 특성 및 이론적 모델의 유효성 검사에 대 한 필수적인 도구입니다. 이 기사 팬텀 제조 조직 광학 속성 및 3 차원 조직 구조의 복제를 포함 하는 방법을 자세히 설명 합니다.

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복잡 한 대동맥 변칙의 3 차원 인쇄

스핀 코팅, 폴리젯 프린팅 및 융합 증착 모델링은 생물학적 조직의 구조적 및 기능적 특성을 시뮬레이션하는 다층 이기종 팬텀을 생성하기 위해 통합됩니다.

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허혈성 심장 질환의 돼지 모델에 3D 인쇄 관상 동맥 협착 임플란트의 배포를위한 새로운 경피적 인 접근 방식

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수술 전 계획 및 실습 교육에서 응용 프로그램을 갖춘 환자 별 실리콘 심장 모델 생성

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복셀 인쇄 해부학 : 비트 맵 인쇄를 통해 사실적이고 사전 수술 계획 모델의 설계 및 제작

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인간 심장의 다차원 3차원 해부학 연구를 위한 파이프라인

여기에서는 컴퓨터 단층 촬영을 기반으로 처음부터 심장 모델을 구성하는 프로토콜을 설명하고 3차원(3D) 프린팅 및 혼합 현실 기술을 사용하여 해부학을 학습하는 의대생에게 제시합니다.

교육에서의 혼합 현실 기술 및 3차원 인쇄: 심장 해부학을 예로 들 수 있습니다.

배우세요 환자별 3D 프린팅 심혈관 팬텀을 CT 데이터로 제작하는 방법입니다. 이 기술은 의사 교육, 중재 계획 및 생체 외 테스트에 활용되며 실제 해부학적 정확도와 생체역학적 특성을 재현합니다.

중재 계획 및 교육을 위한 3D 인쇄 심장 혈관 팬텀의 개발 및 평가

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