Anatomicznie realistyczny model serca noworodka do stosowania w symulatorach pacjenta noworodkowego

Podsumowanie

Ten protokół opisuje procedurę tworzenia funkcjonalnych modeli sztucznego serca noworodka za pomocą kombinacji obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, druku 3D i formowania wtryskowego. Celem tych modeli jest integracja z nową generacją symulatorów pacjenta noworodkowego oraz jako narzędzie do badań fizjologicznych i anatomicznych.

Streszczenie

Symulatory pacjenta noworodkowego (NPS) to sztuczne substytuty pacjenta używane w kontekście treningu symulacji medycznej. Neonatolodzy i personel pielęgniarski praktykują interwencje kliniczne, takie jak uciskanie klatki piersiowej, aby zapewnić przeżycie pacjenta w przypadku bradykardii lub zatrzymania akcji serca. Stosowane obecnie symulatory charakteryzują się niską wiernością fizyczną i dlatego nie mogą zapewnić jakościowego wglądu w procedurę uciśnięć klatki piersiowej. Osadzenie anatomicznie realistycznego modelu serca w przyszłych symulatorach umożliwia wykrywanie rzutu serca generowanego podczas uciśnięć klatki piersiowej; Może to zapewnić klinicystom parametr wyjściowy, który może pogłębić zrozumienie wpływu uciśnięć w odniesieniu do ilości generowanego przepływu krwi. Zanim będzie można osiągnąć ten monitorunek, musi zostać stworzony anatomicznie realistyczny model serca zawierający: dwa przedsionki, dwie komory, cztery zastawki serca, żyły i tętnice płucne oraz żyły i tętnice układowe. Protokół ten opisuje procedurę tworzenia takiego funkcjonalnego sztucznego modelu serca noworodka poprzez wykorzystanie połączenia obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), druku 3D i odlewania w postaci formowania wtryskowego na zimno. Stosując tę metodę z elastycznymi formami wewnętrznymi drukowanymi w 3D w procesie formowania wtryskowego, można uzyskać anatomicznie realistyczny model serca.

Wprowadzenie

Każdego roku miliony noworodków przyjmowane są na oddziały intensywnej terapii noworodków (NICU). Na OIOM-ach dla noworodków większość nagłych przypadków dotyczy problemów z drogami oddechowymi, oddychaniem i krążeniem (ABC) i wymaga interwencji, takich jak uciskanie klatki piersiowej. NPS stanowią cenne narzędzie dydaktyczne i szkoleniowe do praktykowania takich interwencji. W przypadku niektórych NPS wbudowane czujniki mogą wykryć, czy wydajność spełnia zalecane wytyczne kliniczne¹ dla głębokości i szybkości uciśnięć klatki piersiowej. Przestrzeganie wytycznych może być wykorzystane do obliczenia i ilościowego określenia wydajności, a w związku z tym taki najnowocześniejszy NPS może być postrzegany jako namacalna i biała miara do oceny wydajności.

Przestrzeganie zalecanych wytycznych ma na celu poprawę fizjologii pacjenta. Na przykład uciskanie klatki piersiowej jest wykonywane w celu wytworzenia odpowiedniego przepływu krwi w układzie krążenia. Obecne NPS o wysokiej wierności (np. PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norwegia) i Paul (SIMCharacters, Wiedeń, Austria)), nie zawierają żadnych czujników do pomiaru parametrów fizjologicznych, takich jak przepływ krwi podczas treningu, ponieważ brakuje im zintegrowanego serca do generowania tego parametru fizjologicznego. Skuteczność uciśnięć klatki piersiowej w obecnym NPS nie może być zatem oceniana na poziomie fizjologicznym. Aby NPS umożliwiał fizjologiczną ocenę uciśnięć klatki piersiowej, anatomicznie realistyczne sztuczne serce musi być zintegrowane z NPS. Co więcej, research^{2 pokazuje,} że wzrost fizycznej wierności anatomicznej może prowadzić do wzrostu funkcjonalnej wierności NPS. Zintegrowanie systemu narządów o wysokiej wierności pod względem fizycznym przyniosłoby korzyści zarówno w zakresie funkcjonalnej wierności treningu, jak i umożliwiłoby ocenę wydolności fizjologicznej.

Znaczny wzrost wierności NPS można osiągnąć dzięki drukowaniu 3D. W medycynie obrazowanie i druk 3D są najczęściej wykorzystywane do przygotowania chirurgicznego i tworzenia implantów^3,4,5. Na przykład w dziedzinie symulacji chirurgicznej produkowane są narządy do szkolenia chirurgów w zakresie wykonywania zabiegów chirurgicznych⁶. Możliwości druku 3D nie zostały jeszcze szeroko zastosowane w NPS. Połączenie obrazowania 3D i druku 3D otwiera przed NPS możliwość osiągnięcia wyższego poziomu fizycznej wierności. Replikacja wyrafinowanych, elastycznych narządów noworodkowych, takich jak serce, staje się możliwa dzięki stale poszerzającemu się zakresowi technik i materiałów używanych do druku 3D⁷.

W tym artykule szczegółowo opisujemy protokół tworzenia funkcjonalnego, sztucznego serca noworodka przy użyciu kombinacji rezonansu magnetycznego, druku 3D i formowania wtryskowego na zimno. Model serca w tym artykule obejmuje dwa przedsionki, dwie komory, cztery funkcjonalne zastawki oraz tętnice i żyły płucne i układowe, wszystkie wykonane z jednego odlewu silikonowego. Model serca może być wypełniony płynem, wyposażony w czujniki i używany jako generator parametrów wyjściowych (np. ciśnienia krwi lub rzutu serca podczas uciskania klatki piersiowej oraz funkcjonalności zastawki).

Protokół

Wszystkie zgody instytucji zostały uzyskane przed obrazowaniem pacjenta.

1. Akwizycja i segmentacja obrazów

1. Uzyskaj skan MRI klatki piersiowej noworodka w formacie DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Uchwyć każdy wycinek skanu w rozkurczowym etapie komory cyklu serca lub uzyskaj rezonans magnetyczny klatki piersiowej z autopsji.
   UWAGA: Niezbędna jest wyraźnie wyraźna definicja mięśnia sercowego, a także przedsionków i komór.
2. Za pomocą oprogramowania do przetwarzania (patrz tabela materiałów) zaimportuj plik DICOM z rezonansu magnetycznego klatki piersiowej. Korzystając z pozycji menu "Maski do edycji", wybierz obszar mięśnia sercowego na każdym wycinku MRI, w którym znajduje się serce. Przedsionki i komory w tym przypadku również mogą być zakryte.
3. Utwórz nową warstwę szkicu i oddzielnie podziel na segmenty dwa przedsionki i dwie komory w taki sam sposób, jak w przypadku zaznaczenia mięśnia sercowego. Nie należy segmentować zastawek znajdujących się między przedsionkami a komorami oraz między komorami a tętnicami.
4. Renderuj mięśnie i komory w osobne reprezentacje 3D za pomocą pozycji menu "Oblicz 3D" i eksportuj je jako pięć plików STereoLithography (.stl) przy użyciu optymalnych ustawień rozdzielczości za pomocą pozycji menu "STL+".
5. Załaduj pliki .stl do oprogramowania CAD (patrz Tabela materiałów). Użyj elementu menu kreatora naprawy, aby naprawić pliki.stl dla nakładających się trójkątów i złych krawędzi. Zapisz ponownie pliki.stl.
   UWAGA: Jeśli rezonans magnetyczny serca nie jest dostępny, rozważ użycie modelu serca używanego w tym protokole. Ten plik zawiera również oddzielne modele zastawek serca. Kliknij tutaj, aby pobrać pliki.

2. Przetwarzanie i drukowanie form

1. Załaduj zestaw przedsionków i komór do oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (patrz Tabela materiałów). Kliknij tutaj, aby pobrać pliki.
   1. Określ położenie zastawki aortalnej, płucnej, mitralnej i trójdzielnej za pomocą oryginalnego rezonansu magnetycznego (Rysunek 1).
2. Dodaj dodatnie i ujemne połówki formy każdej zastawki do ich odpowiedniej pozycji w załadowanym zestawie przedsionków i komór, przeciągając plik zaworu (uzyskany za pośrednictwem powyższego linku) do bieżącego pliku, aktywując funkcję "wstaw część". Wskaż pozycję umieszczenia, klikając położenie powierzchni przedsionków lub komór.
   1. Wyłóż podstawę zaworu dodatniego i ujemnego za pomocą "zakładki funkcji > wyciśnij piastę/podstawę", aby wystawać do odpowiednich komór i połączyć części zaworu z odpowiednią komorą.
      UWAGA: Zastawka mitralna składa się z dwóch części półksiężycowatych, podczas gdy zastawki trójdzielne, aortalne i płucne składają się z trzech.
3. Dodaj plik zastawki płucnej i aortalnej do odpowiedniego położenia komory, postępując zgodnie z procedurą opisaną w kroku 2.2. Od góry tych zaworów naszkicuj dwa łukowate cylindry o średnicy 5 mm, klikając "kartę szkicu > okręgu" podążając za naszkicowaną linią łukową za pomocą "zakładki cechy > przeciągnięcia występu/podstawy", aż obie okrągłe powierzchnie cylindra osiągną pozycję poziomą. Połącz części zastawki z odpowiednimi komorami i tętnicami.
4. Od podstawy każdej z czterech komór, a także dwóch łukowatych cylindrów, narysuj pionowe cylindry o średnicy 5 mm, klikając element "karta szkicu > kółko" i wyciągnij je do długości 40 mm, klikając element "zakładka elementów > wyciśnij bossa/podstawę". Niech każdy cylinder wystaje do odpowiedniej komory.
   1. Aby upewnić się, że komory są ustawione podczas montażu sześciu wewnętrznych części w formie, dodaj nacięcia różnicowe do sześciu cylindrów (Rysunek 2), szkicując półkola na górze cylindrów: Kliknij pozycję menu "Karta szkicu > Szkic koła" i użyj pozycji menu "Zakładka Funkcja > Wytnij/Wyciągnij", aby utworzyć różne wgłębienia głębokości.
      1. Odejmij ich kształty od komór i tętnic, wybierając bryłę komory i tętnicy, klikając prawym przyciskiem myszy i naciskając funkcję "połącz", po czym można wybrać ustawienie odejmowania. Nie łącz tych części. Zapisz wszystkie komory i tętnice osobno.
5. Zaimportuj model mięśnia sercowego. Odsuń szkice bazowe sześciocylindrów, rozpoczynając nowy szkic i wybierając wszystkie szkice podstawy cylindra, przytrzymując "shift". Następnie wybierz pozycję menu "karta szkicu > konwertuj elementy". Wybierz pozycję menu 'karta szkicu > elementy odsunięcia', aby odsunąć szkice o 2 mm.
   1. Wyciągnij i scal te szkice, klikając pozycję menu 'Cechy > Wyciągnij bossa/bas' z modelem mięśnia sercowego; powtórz dla łukowatych cylindrów. Połącz te cylindry z modelem mięśnia sercowego, klikając pozycję menu 'zakładka funkcje > wytłaczaj bossa/bas'.
      UWAGA: Upewnij się, że model mięśnia sercowego naprzeciwko przedsionków ma odległość ponad 2 mm (Rysunek 1). W przeciwnym razie ściana pęknie podczas wyjmowania wewnętrznych form.
6. Modeluj sześcian od podstawy sześciu cylindrów w dół, umieszczając najpierw płaszczyznę odniesienia, klikając kartę "Elementy > geometrii > płaszczyzny odniesienia". Następnie kliknij pozycję menu "karta szkicu > kwadrat" i naszkicuj kwadrat o długości i szerokości o 4 mm szersze niż najszersza część modelu mięśnia sercowego.
   1. Wyciągnij go w dół o grubości 8 mm, klikając pozycję menu 'zakładka Cechy > wytłocz dodanie/podstawę', a następnie połącz to z podstawą sześciu cylindrów oznaczających pozycję menu 'Scal części'. W czterech rogach podstawy dodaj kostki o średnicy 4 mm w ten sam sposób.
7. Używając kwadratowej podstawy jako szkicu, wyciągnij ją, aby pokryła cały model serca i odejmij od niego wszystkie inne części. Podziel górną część pozostałego prostokąta w najszerszej części modelu serca. Najpierw umieść płaszczyznę odniesienia na żądanej wysokości, korzystając z zakładki "Elementy"> geometrię odniesienia > płaszczyznę. Następnie za pomocą punktu menu "Wstaw formy > > podziału", wybierz powierzchnię, na której ma nastąpić podział, oraz obiekt wymagający podziału.
   1. Ponownie podziel pozostały prostokąt w najwygodniejszej pozycji zwalniania formy, używając tej samej metody opisanej w kroku 2.7, ale w pozycji pionowej. Naszkicuj sześcienne gniazda o średnicy 4 mm w rogach podłużnych części formy i dodaj kostki o średnicy 4 mm do rogów górnej pokrywy za pomocą elementów menu "karta szkic > kwadrat" i "karta funkcji > wyciągnięcia dodania/podstawy".
8. Naszkicuj 50 okręgów o średnicy 1 mm pokrywających górną część całego zewnętrznego modelu formy i wytnij je przez wszystkie zewnętrzne formy. Wyciśnij również kilka cylindrów 1 mm z boku górnej pokrywy w najszerszych miejscach modelu mięśnia sercowego. Wytnij i wytnij pojedynczy otwór wtryskowy o średnicy 8 mm z górnej pokrywy.
   1. Zapisz wszystkie cztery zewnętrzne części formy osobno.
      UWAGA: W sumie powinno być dziesięć elementów formy: podstawa formy, dwa zewnętrzne panele boczne formy, jedna zewnętrzna górna pokrywa formy, dwa wewnętrzne przedsionki formy z mocowaniami zaworu, dwie wewnętrzne komory formy z mocowaniami zaworów oraz po jednej z każdej tętnicy wewnętrznej formy aortalnej i płucnej z mocowaniami zastawki.
9. Użyj drukarki strumieniowej do drukowania z zainstalowanymi sztywnymi i gumopodobnymi materiałami fotopolimerowymi
   (patrz Tabela materiałów). Umieszczając części do drukowania na stole roboczym, upewnij się, że wszystkie negatywy zaworu są wydrukowane skierowane do góry (pionowo) (Rysunek 3).
   1. Wybierz ustawienia drukowania na błyszczące. W przypadku czterech komór oraz nasadek formy płucnej i aortalnej wybierz elastyczny materiał S95; W przypadku pozostałych czterech części formy wybierz sztywny materiał do drukowania.
10. Po wydrukowaniu części formy należy usunąć materiał podporowy nagromadzony podczas drukowania strumieniem wody (patrz Tabela materiałów). Po oczyszczeniu części formy umieść je w 5% roztworze wodorotlenku sodu na 24 godziny. Po wyjęciu części z roztworu opłucz je zimną wodą i pozostaw do wyschnięcia na 48 godzin przed odlewaniem.

3. Formowanie wtryskowe na zimno i wykańczanie

1. Spryskaj wszystkie powierzchnie wszystkich części formy środkiem antyadhezyjnym (patrz Tabela materiałów), z wyjątkiem zaworów, i wytrzyj do czysta bibułką. Pozostaw do wyschnięcia na 15 minut.
   1. Zamknij podstawę formy i dwa panele boczne i umieść na dwóch przekładkach, tak aby podstawa formy nie stykała się bezpośrednio z powierzchnią stołu. Przygotuj silikon, wkładając wkład silikonowy do ręcznego pistoletu dozującego (patrz Tabela materiałów).
2. Dodaj 5 ml silikonu wyciśniętego z pistoletu dozującego do miarki i wymieszaj za pomocą wykałaczki. Za pomocą wykałaczki nałóż dużą ilość stopionego silikonu na ujemną i dodatnią stronę prawego przedsionka i zastawek komorowych. Upewnij się, że w silikonie nie ma pęcherzyków powietrza uwięzionych (Rysunek 4).
   1. Połącz dwie komory pod odpowiednim kątem zaworu i wepchnij je na odpowiednie cylindry formy podstawowej. Powtórz to dla lewej strony. Na koniec przymocuj podobnie łukowate cylindry płucne i aortalne. Pozostaw te zawory do zestalenia się na 2 minuty, a następnie przymocuj górną część formy.
3. Podłącz mikser statyczny do wkładu, ściśnij, aż silikon wyjdzie z dyszy, a następnie zwolnij ciśnienie. Umieść całą formę na dwóch przekładkach (Rysunek 5), włóż pistolet do gniazda do formowania wtryskowego 8 mm i ściskaj pod niskim ciśnieniem przez 3 minuty, aż wszystkie otwory wentylacyjne będą wykazywać oznaki przelania silikonu.
   1. W tym momencie przestań wstrzykiwać silikon, wyjmij mikser i umieść formę na powierzchni stołu, tak aby wszystkie dolne otwory wentylacyjne były uszczelnione i żaden silikon nie mógł już wypływać z dna formy. Pozostaw silikon do zastygnięcia na 30 minut.
4. Otwórz górną część formy, podważając i podnosząc metalową przekładkę w szczelinę między górną a dolną częścią formy. Usuń boczne części formy tą samą metodą, usuwając jedną stronę na raz.
   UWAGA: Uważaj, aby nie przebić ścianki serca podczas wkładania przekładki.
   1. Wykryj wszelkie pęcherzyki powietrza na zewnętrznej stronie serca po uwolnieniu trzech zewnętrznych elementów formy (Rysunek 6). Za pomocą skalpela przebij bańkę i wypełnij ją niewielką ilością silikonu za pomocą wykałaczki, a następnie pozostaw do utwardzenia na kolejne 30 minut.
5. Użyj sprężonego powietrza (patrz Tabela materiałów), aby zdmuchnąć model serca z podstawy formy, pozostawiając sześć wewnętrznych form w modelu serca. Upewnij się, że jedną ręką mocno zamknąłeś model serca, aby zapobiec pęknięciu ściany serca przez powietrze.
   1. Użyj strzykawki z wodą, aby napełnić i zwiększyć ciśnienie w lewej i prawej komorze, aby uwolnić wewnętrzne pleśnie. Następnie użyj kleszczyków Magilla (patrz Tabela materiałów), aby chwycić i wyciągnąć te dwie wewnętrzne części formy. Powtórz ten proces dla tętnic płucnych i aortalnych, a na koniec dla usunięcia wewnętrznych form lewego i prawego przedsionka.
      UWAGA: Upewnij się, że położenie kleszczy nie ściska segmentu zaworu po przyłożeniu zacisku; Spowoduje to zniszczenie wydrukowanego zaworu.
6. Zwiąż dwie rurki prowadzące bezpośrednio w dół od komór u podstawy modelu serca za pomocą owijek zaciskowych i usuń sznurki wentylacyjne, szarpiąc je za powierzchnię ściany serca.

Wyniki

Niniejsze badanie szczegółowo opisuje metodę tworzenia anatomicznie realistycznego modelu serca noworodka, łączącą obrazowanie MRI, druk 3D oraz formowanie wtryskowe na zimno. Przewód tętniczy oraz otwór owalny nie zostały uwzględnione w modelu serca przedstawionym w niniejszej pracy. Metoda opisana w tej pracy może być zastosowana również do innych narządów wewnętrznych, takich jak płuca i struktury klatki piersiowej. Struktury klatki piersiowej nie wymagają form i mogą być drukowane bez...

Dyskusja

W przypadku modelu opracowanego w tym badaniu stwierdziliśmy, że formowanie wtryskowe przez okres 3 minut jest wymagane, aby zapobiec przedostawaniu się powietrza do odlewu (Rysunek 5, Rysunek 6). Aby zapewnić, że silikon dotrze do wąskich przestrzeni zaworów, niezbędne jest "wstępne odlewanie" lub "powlekanie" obszarów zaworów w formie. Ponieważ wewnętrzne formy kształtujące komory serca muszą wyjść z końcowego odlewu silikonowego przez otwory o średnicy 5 mm, ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Ecoflex 5	Smooth-on		Silikonowy materiał odlewniczy
400ml Mieszalniki statyczne	Smooth-on		Rurki mieszające
Ręczny pistolet dozujący	Smooth-on		Używany do formowania wtryskowego
5-56 PTFE spray	CRC		Środek antyadhezyjny do form
Wodorotlenek sodu	N/A		Został zakupiony jako soda kaustyczna w sklepie z narzędziami, w suchej, w 99% czystej postaci. Ponieważ jest powszechnie dostępny, nie ma określonej firmy
VeroWhite	Stratasys		Twardy materiał użyty w druku
TangoBlackPlus	Stratasys		Materiał gumowy użyty w druku
Materiał nośny	Stratasys		Standardowy materiał nośny używany przez stratasys
Kleszcze Magill	GIMA		Rozmiar dla niemowląt. Służy do usuwania wewnętrznych form
Stratasys Connex 350	Stratasys		Jeśli ta maszyna nie jest własnością, inną opcją jest wydrukowanie części za pośrednictwem zewnętrznej firmy drukarskiej, takiej jak 3D-hubs, aby wydrukować i wysłać części.
Balco Powerblast (Water Jet)	Stratasys
Euro 8-24 Set P (Sprężarka powietrza)	iSC	4007292
Strzykawka z igłą	Nie dotyczy		Strzykawka o pojemności 20 ml z igłą igłą o średnicy 0,5 mm.
Oprogramowanie Mimics 17.0	Materialise		Oprogramowanie to zostało wykorzystane do segmentacji modelu serca z rezonansu magnetycznego. Dostępne są różne bezpłatne narzędzia do obrazowania MRI, takie jak InVesalius lub Osirix, chociaż mogą one oferować mniejszą funkcjonalność.
Oprogramowanie Magics 9.0	Materialise		Zostało to użyte do naprawy i wygładzenia plików .stl generowanych przez mimiki. To wygładzenie może również  być wykonane w większości innych darmowych programów do modelowania 3D.
Oprogramowanie Solidworks			używane do edycji modelu serca. Większość innych darmowych programów CAD może być użyta do wykonania tego etapu przetwarzania.