Creatie van patiëntspecifieke siliconen cardiale modellen met toepassingen in pre-chirurgische plannen en hands-on training
10 februari 2022
Patiëntspecifieke modellen verbeteren het vertrouwen van de chirurg en collega bij het ontwikkelen of leren van chirurgische plannen. Driedimensionale (3D) printers genereren voldoende details voor chirurgische voorbereiding, maar slagen er niet in om de haptische getrouwheid van weefsel te repliceren. Er wordt een protocol gepresenteerd met details over de creatie van patiëntspecifieke, siliconen cardiale modellen, waarbij 3D-printprecisie wordt gecombineerd met gesimuleerd siliconenweefsel.
Complexe aangeboren hartziekten zijn een moeilijk 3D-probleem. Bestaande 3D-printtechnologieën slagen er niet in om de eigenschappen van myocardiaal weefsel nauwkeurig te repliceren. Dit protocol creëert modellen voor high-fidelity chirurgische training.
Deze techniek creëert op kosteneffectieve wijze patiëntspecifieke 3D-modellen op basis van hun beeldvorming. Het modelleren van de interne en externe anatomie van hun organen stelt ons in staat om onze patiënten intiem te kennen en te verzorgen. Door deze modellen te maken in een materiaal dat anatomisch weefsel nauw vertegenwoordigt, kan deze techniek worden toegepast op elke proceduretrainer die anatomie omvat.
Open om te beginnen het STL-bestand van het myocardiale casusmodel in een CAD-programma. Importeer in Magics de STL-bestanden die zijn gegenereerd via importdeel twee. Selecteer in het venster projectbeheer de transparante optie voor modelrendering.
Gebruik de linker- en rechtermuisknop om het rotatie- en pangereedschap te bedienen voor het aanpassen van de weergave van de myocardiale basis door de apex van het hart naar beneden en de aortaboog horizontaal te richten. Om het overtollige myocardiale behuizingsmateriaal van het model bij te snijden, gaat u naar gereedschappen, selecteert u knippen en geeft u polyline aan, selecteert u vervolgens interessante punten en klikt u op Toepassen. Snijd op dezelfde manier de myocardiale behuizing in meerdere stukken.
Ga naar snede, selecteer geef polyline aan en selecteer vervolgens aandachtspunten voor het maken van een horizontale snede door de aorta die de myocardiale behuizing verdeelt in een onderste helft met de top en de bovenste helft, evenals voor het maken van twee verticale sneden langs het breedste deel van de onderste helft en bovenste helft van de myocardiale behuizing. En klik ten slotte op toepassen. Om een goede uitlijning tijdens de montage te garanderen, maakt u met behulp van een gereedschap voor het genereren van schroef en een Booleaans aftrekkingsgereedschap met een spelingswaarde van 0,25 millimeter bijpassende rekwisieten en schroefholtes en voegt u deze toe aan de myocardiale behuizingsstukken door op props toevoegen te klikken.
Geef de positie op het model aan en klik vervolgens op toepassen. Maak in een van de bovenste helftstukken van de myocardiale behuizing een siliconen vulgat met een diameter van één centimeter en controleer de plaatsing van het gat met een KMO. Selecteer controleerdiagnostiek voor het controleren van diagnostiek op alle case pieces afzonderlijk om fouten te vinden zoals omgekeerd normaal, slechte randen, slechte contouren, bijna-slechte randen, vlakke gaten of schelpen in de myocardiale behuizingsstukken.
Als er een fout wordt gedetecteerd, klikt u op Automatisch oplossen om deze te herstellen. En als alternatief kunnen fouten handmatig worden opgelost of met behulp van een reparatietool of wizard. Als fouten niet kunnen worden opgelost met de alternatieve optie, corrigeert u de fouten met een krimpfolietool.
Klik op fix, selecteer shrink wrap en volg het dialoogvenster om het krimpfoliemonsterinterval en de gap fill-waarden aan te passen als dat nodig is om de fouten op het specifieke stuk te corrigeren zonder de fysiologie te wijzigen bij MKB-beoordeling. Sla vervolgens de afzonderlijke myocardiale behuizingsstukken op of exporteer ze als STL-bestanden. Open de myocardiale behuizing en bloedpoolmodellen in de juiste snijsoftware om 3D-afdrukbestanden te produceren.
Voeg handmatig 3D-printondersteuning toe aan alle onderdelen of gebruik een automatische ondersteuningstool die in de software wordt geleverd, indien beschikbaar. Segmenteer de modellen om G-code te genereren voor gebruik op de 3D-printer met de parameters die worden beschreven in het tekstmanuscript en sla de G-code op of exporteer deze. Upload het afdrukbestand naar de 3D-printer.
Nadat u ervoor hebt gezorgd dat het juiste filament op de 3D-printer is geladen, begint u met afdrukken. Wanneer het afdrukken is voltooid, gebruikt u de naaldneustang en een pincet om al het ondersteunende materiaal van de bedrukte stukken te verwijderen. Monteer de myocardiale behuizingsstukken rond de bloedbadvorm en zorg ervoor dat alle stukjes goed in elkaar passen.
Als de myocardiale behuizing niet rond het bloedbad past, maak dan kleine aanpassingen aan de malstukken van de behuizing met behulp van een handgreep roterend schuurgereedschap om materiaal te verwijderen. Maak vervolgens het oppervlak van de myocardiale behuizing glad met acetondamp. Bekleed hiervoor de bodem en zijkanten van een container met papieren handdoeken die niet worden beïnvloed door aceton.
Giet de aceton op de onderste papieren handdoek en laat het de papieren handdoeken naar de zijkant van de container verspreiden, maar vorm geen zwembad op de bodem. Plaats een stuk aluminiumfolie in de container om de onderste papieren handdoek te bedekken. Oriënteer de stukjes myocardiale behuizing op de aluminiumfolie zodat de gewenste gladde gezichten verticaal zijn, zodat de stukken elkaar of de papieren handdoeken niet op de wanden van de container raken.
Bedek de container met aluminiumfolie en laat de myocardiale behuizingsstukken ongestoord in de container blijven totdat tot 80% van de gewenste oppervlakteafwerking is bereikt. Zodra het oppervlak glad is, verwijdert u voorzichtig de stukjes myocardiale behuizing uit de container, raakt u alleen de buitenoppervlakken aan en laat u de stukken gedurende ongeveer 30 minuten volledig ontgassen in een goed geventileerde ruimte of totdat de stukken volledig droog en hard worden. Meet het volume van de myocardsegmentatie met behulp van CAD-software om de benodigde hoeveelheid siliconen te bepalen.
Roer deel A en deel B van de siliconen grondig. Als kleur gewenst is op het model, voeg pigment toe en meng alle delen en pigment grondig, plaats dan een grondig gemengde siliconen in een vacuümkamer gedurende twee tot drie minuten bij 29 inch kwik. Wanneer dit siliconenmengsel volledig is ontgast, verwijdert u het uit de kamer en dompelt u het bloedbad onder in het siliconenmengsel om ervoor te zorgen dat alle holtes en holtes in de bloedpool worden gevuld met siliconen en het bloedbad grondig wordt gecoat.
Spuit in een goed geventileerde ruimte alle stukken van de myocardiale behuizing grondig in met een product met een eenvoudige afgifte. Monteer de onderste helft van het myocardiale geval rond de top van de bloedpool. In geval van lekkage, dicht het lek met klemmen, hete lijm of klei.
Giet vervolgens siliconen in de ruimte tussen het bloedbad en de wand van de behuizing totdat de geassembleerde myocardiale malstukken zijn gevuld. Na het monteren van de resterende stukken van de myocardiale behuizing, bevestigt u de behuizingsstukken indien nodig stevig met behulp van elastiekjes en klemmen. Wanneer de siliconen zijn gestold, verwijdert u het siliconenhart uit de myocardiale behuizing en snijdt u alle siliconennaden af die zijn ontstaan uit de ruimte tussen de stukjes van de behuizing of het vulgat.
Na het identificeren van alle bloedvaten met open uiteinden op het siliconenmodel, trimt u alle siliconen die de bloedvaten bedekken om de ABS-bloedpool binnenin bloot te leggen. Dompel het siliconenhart onder in aceton en ABS begint 10 tot 15 minuten na acetononderdompeling zachter te worden. Zodra ABS is verzacht, verwijdert u grote stukken ABS met een pincet om de snelheid van het ABS-oplosproces te verhogen.
Wanneer het grootste deel van het ABS-bloedbad is opgelost, spoelt u het siliconenhart twee tot drie keer met schone aceton om al het ABS uit de siliconen te verwijderen. Verwijder het hartmodel uit de aceton en laat de resterende aceton uit het model verdampen in een goed geventileerde ruimte. Voor het evalueren van de nauwkeurigheid en functionaliteit van het siliconenmodel werden twee incisies gemaakt, een in de voorste linker ventrikel en de andere in de achterste rechter ventrikel om de innerlijke anatomie te visualiseren.
Het verwachte ventrikelseptumdefect was aanwezig, evenals de juiste inwendige structuren en een GORE-TEX-pleister werd door een aangeboren hartchirurg in het model genaaid om het ventrikelseptumdefect te corrigeren. Het ontwerpen van de mal is cruciaal. Zorg ervoor dat je de mal in zoveel stukjes snijdt als je nodig hebt om rond het bloedbad te passen.
Deze techniek ontsluit de creatie van ingewikkelde patiëntspecifieke siliconenmodellen. We worden niet langer beperkt door 3D-printmateriaalbeperkingen. Integendeel, we zijn in staat om aan elke vraag naar complexe chirurgische trainers te voldoen.
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor het creëren van patiëntspecifieke siliconen hartmodellen die de chirurgische training verbeteren. Door 3D-printen te combineren met siliconenmaterialen, beogen de modellen de haptische eigenschappen van myocardweefsel nauwkeuriger te repliceren dan traditionele methoden.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Hartchirurgie
- 3D-printtechnologie
- Medische modellering
Achtergrond
- Comple aangeboren hartafwijkingen vormen aanzienlijke uitdagingen bij de chirurgische planning.
- Huidige 3D-printtechnologieën bootsen de eigenschappen van myocardweefsel onvoldoende na.
- Patiëntspecifieke modellen kunnen de chirurgische resultaten en de training verbeteren.
- Het begrijpen van de anatomie door middel van modellering verbetert de patiëntenzorg.
Doel van de studie
- Om een kosteneffectieve methode te ontwikkelen voor het creëren van hoogwaardige chirurgische trainingsmodellen.
- Om de nauwkeurigheid van anatomische weergaven in chirurgische simulaties te verbeteren.
- Om een betere voorbereiding op complexe cardiale procedures te faciliteren.
Gebruikte methoden
- Gebruik van CAD-software voor het bewerken van STL-bestanden voor modelcreatie.
- 3D-printen van myocardiale casusmodellen met siliconevulling.
- Assemblage van modellen om anatomische nauwkeurigheid en functionaliteit te waarborgen.
- Technieken voor oppervlaktegladmaking om de getrouwheid van het model te verbeteren.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle creatie van siliconen hartmodellen die de weefseleigenschappen nauwkeurig nabootsen.
- Verbeterde resultaten bij chirurgische trainingen gerapporteerd door gebruikers.
- Modellen vertoonden een effectieve anatomische representatie voor diverse hartprocedures.
- Kosteneffectieve productiemethoden zijn vastgesteld voor wijdverbreid gebruik.
Conclusies
- Patiëntspecifieke siliconenmodellen verbeteren de chirurgische training aanzienlijk.
- Het protocol kan worden aangepast voor diverse chirurgische toepassingen buiten de cardiologie.
- Toekomstige studies kunnen verdere verfijningen in de getrouwheid en bruikbaarheid van de modellen onderzoeken.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Management
Patiëntspecifieke siliconen hartmodellen vullen een kritisch gat in de chirurgische opleiding door myocardiale weefseleigenschappen nauwkeuriger te reproduceren dan standaard 3D-geprinte modellen. Deze aanpak maakt realistische preoperatieve planning en praktijktraining voor complexe correcties van aangeboren hartafwijkingen mogelijk, waardoor het procedurele risico wordt verminderd en de chirurgische voorbereiding wordt verbeterd. De methode ondersteunt de translationele continuïteit van beeldvorming naar functionele modelvalidatie, wat het voorspellende vertrouwen in chirurgische uitkomsten vergroot.
Strategische toepassingen in BioPharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt functionele validatie van anatomische hypothesen in patiëntspecifieke hartstructuren mogelijk.
- Operationele waarde: Biedt tastbare modellen voor mechanische risicoreductie van chirurgische interventies voorafgaand aan klinische toepassing.
Screening & assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert gestandaardiseerde, reproduceerbare fysieke modellen voor een consistente evaluatie van chirurgische technieken.
- Operationele waarde: Ondersteunt een assay-achtige gereedheid door herhaaldelijk testen van patchplaatsing en hechtingstechnieken mogelijk te maken.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Slaat een brug tussen segmentatie op basis van beeldvorming en fysieke modelvalidatie voor preoperatieve planning.
- Operationele waarde: Faciliteert risico-gecorrigeerde beslissingen over de voortgang door chirurgen in staat te stellen technieken te oefenen en te verfijnen op patiëntspecifieke replica's.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm door patiëntbeeldvormingsgegevens om te vormen tot functionele trainingsmodellen die leiden tot de identificatie van kandidaten bij het testen van chirurgische instrumenten en de preklinische validatie van herstelstrategieën.
- Discovery Biology: Maakt hypothesetesten van defectgeometrie en herstelmogelijkheden mogelijk door fysieke modelmanipulatie.
- Screening: Biedt kwantitatieve gereedheid via oplosbare bloedpoolmodellen waarmee de toegang tot interne defecten en de integratie van patches kan worden beoordeeld.
- Analytics: Levert meetbare resultaten, zoals defectvolume en weefseldeformatie onder hechtingsstress, voor comparatieve analyse.
- Translationeel onderzoek: Garandeert continuïteit van virtuele segmentatie naar fysiek model, waarbij de anatomische nauwkeurigheid wordt gevalideerd vóór chirurgische toepassing.
- Enterprise Reuse: Vestigt een herbruikbare workflow voor het genereren van patiëntspecifieke chirurgische trainers voor zowel congenitale als verworven hartaandoeningen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verbetert de voorspellende betrouwbaarheid door de haptiek van natuurlijk weefsel na te bootsen, waardoor ambiguïteit bij het voorspellen van chirurgische uitkomsten wordt verminderd.
- Operationele waarde: Verhoogt de standaardisatie en schaalbaarheid door gebruik te maken van oplosbare maltechnieken en reproduceerbaar gieten met siliconen.
- Strategische waarde: Verhoogt de kapitaalefficiëntie door mogelijk te maken van goedkope, getrouwe trainingen die de afhankelijkheid van diermodellen of kadaverweefsel verminderen.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde go/no-go beslissingen voor de adoptie van chirurgische instrumenten door de effectiviteit aan te tonen in patiëntspecifieke preoperatieve simulaties.
Overwegingen bij Implementatie
- Vereist expertise in CAD-modellering, 3D-printen en het verwerken van siliconenmaterialen.
- Afhankelijk van toegang tot 3D-printers die in staat zijn om oplosbaar ABS te printen en post-processing tools zoals dampgladmaakkamers.
- Necessiteert standaardisatie tussen teams uit de radiologie, biomedische technologie en chirurgische teams voor segmentatie en modelvalidatie.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen bij variërende defectcomplexiteit en modelscalering van pediatrische tot volwassen anatomieën.
- Beperkt door de noodzaak van handmatige post-processing stappen zoals het verwijderen van supportstructuren, aceton-dampgladmaking en het ontgassen van siliconen om de getrouwheid en veiligheid van het model te waarborgen.
