Ontwikkeling en evaluatie van 3D-geprinte cardiovasculaire phantoms voor interventionele planning en training

De gepresenteerde methode maakt het mogelijk om patiëntspecifieke anatomische cardiovasculaire modellen te maken voor in vitro testen, onderwijzen en plannen van procedures. Deze methode biedt een gestandaardiseerde aanpak voor het maken van 3D-printbare geïndividualiseerde anatomische modellen op basis van radiologische datasets die gemakkelijk kunnen worden opgenomen in flowlussen of trainingsopstellingen. Hoewel deze modelleringsbenadering gericht is op het cardiovasculaire systeem, kan het worden overgedragen naar andere anatomische structuren.

De kwaliteit van de radiologische dataset heeft een grote invloed op de moeilijkheden die zich voordoen tijdens het modelleren. Gebruik voor de eerste modellen een dataset met minimale bewegingsartefacten en een hoge ruimtelijke resolutie. Definieer om te beginnen een bereik van Hounsfield-eenheidswaarden door het drempelgereedschap te openen, wat resulteert in een gecombineerd masker van het contrastverbeterde bloedvolume en botstructuren.

Verwijder alle botonderdelen die ongewenst zijn in het uiteindelijke 3D-model met behulp van het gereedschap Split Mask, waarmee meerdere gebieden in algemene segmenten kunnen worden gemarkeerd en gescheiden op basis van Hounsfield-waarden en -locatie. Zorg er na deze scheiding voor dat er een masker met het contrastverbeterde bloedvolume overblijft. Dit kan worden gedaan door door de coronale en axiale vlakken te scrollen en het gemaakte masker te matchen met de onderliggende dataset.

Bereken vanuit dit masker een gerenderd 3D-polygoonoppervlakmodel. Klik op het gereedschap Lokaal vloeiend maken om het oppervlak van het gesegmenteerde model handmatig en lokaal aan te passen. Richt u op het verwijderen van ruwe veelhoekvormen, enkele pieken en ruwe randen die zijn gemaakt door eerdere bijsnijdbewerkingen.

Om de latere aansluiting van het model op een stromingslus mogelijk te maken, moet u buisvormige onderdelen opnemen met gedefinieerde diameters die zijn aangepast aan de beschikbare slangconnectoren en buisdiameters. Als u een datumvlak parallel aan de openingsdoorsnede van de vaten wilt plaatsen, selecteert u het gereedschap Datumvlak maken en gebruikt u het vooraf ingestelde 3-puntsvlak. Klik vervolgens op drie gelijk verdeelde punten op de doorsnede van het schip om het vlak te maken.

Voer een offset van 10 millimeter in het opdrachtvenster in en bevestig de bewerking. Selecteer het gereedschap Tekenschets in het menu en kies het eerder gemaakte datumvlak als locatie van de schets. Plaats in de schets een cirkel ongeveer op de middellijn van het vat en stel de straalbeperking in op de buitendiameter van de slangconnector.

Gebruik op basis van de gemaakte schets het gereedschap Extruderen om een cilinder met een lengte van 10 millimeter te maken. Oriënteer de extrusie om weg te bewegen van de opening van het vat om een afstand van 10 millimeter tussen de cilinder en de doorsnede van het vat te creëren. Gebruik vervolgens de Loft-tool om een verbinding te maken tussen het uiteinde van het vat en de geometrisch gedefinieerde cilinder.

Zorg voor een soepele overgang tussen de twee doorsneden, waardoor turbulentie en gebieden met een laag debiet in het uiteindelijke 3D-stroommodel worden vermeden. Gebruik ten slotte het gereedschap Hol om een holle bloedruimte in het opdrachtvenster te maken en plaats de vereiste wanddikte en stel de richting van het uithollingsproces in om naar buiten te bewegen. Bevestig de selectie om het uithollingsproces uit te voeren.

Nadat u het afdrukbestand van de slicingsoftware naar de 3D-printer hebt geüpload, moet u ervoor zorgen dat de hoeveelheid printmateriaal en ondersteuningsmateriaal in de cartridges van de printer voldoende is voor het 3D-model en begint u met afdrukken. Verwijder na het afdrukproces het ondersteuningsmateriaal uit het voltooide model. Verwijder eerst het ondersteuningsmateriaal handmatig door zachtjes in het model te knijpen.

Plaats het model op de gootsteen en dompel het vervolgens onder in water of een respectievelijk oplosmiddel nadat u het deksel hebt verwijderd. Droog het model 's nachts in een incubator die is ingesteld op 40 graden Celsius. Sluit het model de volgende dag in 1% agar in.

Gebruik een plastic doos met ten minste twee centimeter zijranden rond het model en boor gaten in de wanden zodat de buizen van de vaten op de pomp en het reservoir kunnen worden aangesloten. Voeg agar toe aan water en breng het aan de kook. Laat het na het roeren van het mengsel vijf minuten afkoelen en giet het in de doos om een bed van minstens twee centimeter hoog te creëren.

Terwijl het agarbed wordt geplaatst, sluit u het model aan op een niet-conforme PVC-buis met behulp van commerciële slangconnectoren bij elke opening. Gebruik ritsbanden om de verbinding tussen de slangconnectoren en het 3D-model te bevestigen en ervoor te zorgen dat er geen vloeistoflekkage is. Leid de PVC-buizen door de geboorde gaten in de doos en plaats het model vervolgens op het set agarbed.

Om te voorkomen dat agar uit deze gaten lekt, gebruikt u hittebestendige modelleerklei om het af te dichten. Vul vervolgens de doos met agar en bedek het model door er een laag van twee centimeter aan toe te voegen. Laat de agar volledig afkoelen en zet een uur op kamertemperatuur.

Roer de ventrikel met een zuigerpomp met een slagvolume van 120 tot 150 milliliter. Voor CT-beeldvorming plaatst u de volledige stroomlus in de CT-scanner met de aandrijfeenheid in de buurt. Sluit de contrastmiddelpomp rechtstreeks aan op het reservoir van de stroomlus, zodat de overstroming van het model met contrastmiddel tijdens het scannen kan worden gesimuleerd.

Dit is vooral handig voor het visualiseren van vasculaire pathologieën. Voer CT uit als een dynamische scan over het hele model om de instroom van contrastmiddelen te visualiseren. Injecteer 100 milliliter van één tot 10 verdund gejodeerd contrastmiddel in het reservoir van het model met een snelheid van vier milliliter per seconde.

Start de scan met behulp van bolus triggering in de voorste buis met een drempel van 100 Hounsfield-eenheden in een vertraging van vier seconden. Om echografie uit te voeren, plaatst u een kleine hoeveelheid ultrasone gel bovenop het agarblok om artefacten te verminderen. Start de pomp en gebruik de ultrasone kop om de anatomische structuur van belang te lokaliseren.

Gebruik de 2D-echomodus om de beweging van de folder en het openings- en sluitgedrag van de klep te evalueren. Gebruik kleurendyppler om de bloedstroom over de klep te evalueren en spectrale Doppler om de stroomsnelheid na de hartklep te kwantificeren. Plaats een toegangspoort in de PVC-buis direct onder het 3D-model om een gemakkelijkere toegang tot de anatomie mogelijk te maken met een hartkatheter of geleidingsdraad.

Controleer na het starten van de stromingslus op lekkage bij het poortingangspunt. Gebruik indien nodig een tweecomponentenlijm om de opening af te dichten. Plaats het 3D-model op de patiëntentafel onder de C-armen van het röntgenapparaat.

Gebruik röntgenbeeldvorming om de katheter en geleidingsdraden door de anatomische structuur te leiden. Gebruik voor 4D MRI een 1,5 Tesla scanner en zorg ervoor dat het acquisitieprotocol bestaat uit een niet-contrast verbeterde MRA in de 4D flow sequence. Verkrijg een isotrope dataset met 25 fasen in een plakdikte van 1,2 millimeter.

Stel de snelheidscodering in op 100 centimeter per seconde. Voer de 4D-stroombeeldanalyse uit met een in de handel verkrijgbare software. Importeer eerst de 4D MRI-gegevensset door deze te selecteren op het flashstation en voer vervolgens semi-geautomatiseerde offsetcorrectie en correctie van aliasing uit om de beeldkwaliteit te verbeteren.

De middellijn van het schip wordt automatisch getraceerd en de software extraheert het 3D-volume. Voer ten slotte een kwantitatieve analyse van stroomparameters uit door op de afzonderlijke tabbladen in het analysevenster te klikken. Flowvisualisatie, padlijnvisualisatie en flowvector kunnen zonder verdere invoer worden gevisualiseerd.

Voor kwantificering van druk en wandschuifspanning in het representatieve tabblad plaatst u twee vlakken door op de knop Vlak toevoegen te klikken. Verplaats de vlakken naar de ROI door ze langs de middellijn te slepen, zodat één vlak aan het begin van de ROI en één aan het einde wordt geplaatst. De drukval over de ROI en wall shear stress wordt gevisualiseerd en gekwantificeerd in het diagram naast het 3D-model.

De gepresenteerde 3D-geprinte modellen bieden een breed scala aan mogelijkheden in CT-beeldvorming. Het geprinte materiaal is goed te onderscheiden van de omringende agar en eventuele metalen implantaten. Daarom is het gebruik van een contrastmiddel normaal gesproken niet vereist, behalve voor het genereren van dynamische beeldvormingssequenties.

Bij het gebruik van ultrasone beeldvorming is het mogelijk om onderscheid te maken tussen de wand van het model, de omringende agar en dunne dynamische objecten zoals hartklepblaadjes. De agarlaag bovenop het model zorgt voor realistische haptische feedback tijdens het scanproces. Flowanalyse binnen de flow loop biedt een breed scala aan mogelijke toepassingen en pre-interventionele beeldvorming.

4D MRI-sequentie maakt visualisatie van vloeistofstroom, turbulenties en wandschuifspanning mogelijk binnen het 3D-geprinte model, waardoor het mogelijk is om stroompatronen na kunstmatige hartkleppen te analyseren. Deze workflow kan worden overgebracht naar verschillende interventionele medische procedures voor trainings- of planningsdoeleinden. De techniek maakt een nader in vitro onderzoek van het stroomgedrag in grote cardiovasculaire vaten mogelijk en biedt een groot potentieel voor geïndividualiseerde therapieplanning.