Opracowanie i ocena drukowanych w 3D fantomów sercowo-naczyniowych do planowania interwencyjnego i treningu

Summary

Tutaj prezentujemy rozwój symulowanej konfiguracji krążenia do oceny terapii multimodalnej, planowania przedinterwencyjnego i szkolenia lekarzy w zakresie anatomii układu sercowo-naczyniowego. Dzięki zastosowaniu skanów tomograficznych specyficznych dla pacjenta, ta konfiguracja jest idealna do podejść terapeutycznych, szkoleń i edukacji w zakresie medycyny zindywidualizowanej.

Abstract

Interwencje oparte na cewnikach są standardowymi opcjami leczenia patologii sercowo-naczyniowych. W związku z tym modele dostosowane do potrzeb pacjenta mogą pomóc w szkoleniu umiejętności lekarzy w zakresie przewodów, a także w usprawnieniu planowania procedur interwencyjnych. Celem tego badania było opracowanie procesu produkcyjnego specyficznych dla pacjenta modeli drukowanych w 3D do interwencji sercowo-naczyniowych.

Aby stworzyć elastyczny fantom wydrukowany w 3D, różne materiały do druku 3D zostały porównane z tkankami biologicznymi świń (tj. tkanką aorty) pod względem właściwości mechanicznych. Na podstawie porównawczych prób rozciągania wybrano materiał montażowy i określono konkretne grubości materiału. Zanonimizowane zestawy danych CT ze wzmocnieniem kontrastowym zostały zebrane retrospektywnie. Z tych zestawów danych wyodrębniono modele wolumetryczne specyficzne dla pacjenta, a następnie wydrukowano je w 3D. Skonstruowano pętlę przepływu pulsacyjnego w celu symulacji przepływu krwi w świetle podczas interwencji. Przydatność modeli do obrazowania klinicznego oceniano za pomocą obrazowania rentgenowskiego, tomografii komputerowej, rezonansu magnetycznego 4D-MRI i ultrasonografii (dopplerowskiej). Środek kontrastowy został użyty w celu poprawy widoczności w obrazowaniu rentgenowskim. Zastosowano różne techniki cewnikowania do oceny fantomów wydrukowanych w 3D podczas szkolenia lekarzy, a także do planowania terapii przedinterwencyjnej.

Wydrukowane modele wykazały wysoką rozdzielczość druku (~30 μm), a właściwości mechaniczne wybranego materiału były porównywalne z fizjologiczną biomechaniką. Modele fizyczne i cyfrowe wykazały wysoką dokładność anatomiczną w porównaniu z bazowym zestawem danych radiologicznych. Wydrukowane modele nadawały się zarówno do obrazowania ultradźwiękowego, jak i do standardowych promieni rentgenowskich. Ultrasonografia dopplerowska i rezonans magnetyczny 4D, wyświetlały wzorce przepływu i charakterystyki punktów orientacyjnych (tj. turbulencje, naprężenia ścinające ściany) zgodne z danymi natywnymi. W warunkach laboratoryjnych opartych na cewniku fantomy specyficzne dla pacjenta były łatwe do ceteterizowania. Możliwe było zaplanowanie terapii i przeszkolenie procedur interwencyjnych w trudnych warunkach anatomicznych (np. wrodzonej wadze serca (CHD)).

Elastyczne fantomy sercowo-naczyniowe specyficzne dla pacjenta zostały wydrukowane w 3D, a zastosowanie powszechnych technik obrazowania klinicznego było możliwe. Ten nowy proces idealnie nadaje się jako narzędzie szkoleniowe do interwencji cewnikowych (elektrofizjologicznych) i może być wykorzystany w planowaniu terapii dostosowanej do potrzeb pacjenta.

Introduction

Zindywidualizowane terapie zyskują coraz większe znaczenie w nowoczesnej praktyce klinicznej. Zasadniczo można je podzielić na dwie grupy: podejście genetyczne i morfologiczne. W przypadku zindywidualizowanych terapii opartych na unikalnym osobistym DNA konieczne jest albo sekwencjonowanie genomu, albo kwantyfikacja poziomów ekspresji genów¹. Metody te można znaleźć na przykład w onkologii lub w leczeniu zaburzeń metabolicznych². Unikalna morfologia (tj. anatomia) każdej osoby odgrywa ważną rolę w medycynie interwencyjnej, chirurgicznej i protetycznej. Rozwój zindywidualizowanych protez i planowanie terapii przedinterwencyjnej/operacyjnej stanowią obecnie główne obszary zainteresowań grup badawczych^3,4,5.

Druk 3D, wywodzący się z przemysłowej produkcji prototypów, jest idealny dla tej dziedziny medycyny spersonalizowanej⁶. 3D-printing jest klasyfikowany jako metoda wytwarzania przyrostowego i zwykle opiera się na osadzaniu materiału warstwa po warstwie. Obecnie dostępna jest szeroka gama drukarek 3D o różnych technikach drukowania, umożliwiających przetwarzanie materiałów polimerowych, biologicznych lub metalicznych. Ze względu na rosnące prędkości drukowania, a także ciągłą powszechną dostępność drukarek 3D, koszty produkcji stają się coraz niższe. W związku z tym wykorzystanie druku 3D do planowania przedinterwencyjnego w codziennych czynnościach stało się ekonomicznie wykonalne⁷.

Celem tego badania było opracowanie metody generowania fantomów specyficznych dla pacjenta lub choroby, które można by wykorzystać w indywidualnym planowaniu terapii w medycynie sercowo-naczyniowej. Fantomy te powinny być kompatybilne z powszechnie stosowanymi metodami obrazowania, a także z różnymi podejściami terapeutycznymi. Kolejnym celem było wykorzystanie zindywidualizowanych anatomii jako modeli treningowych dla lekarzy.

Protocol

Etyczna aprobata została rozpatrzona przez komisję etyczną Ludwig-Maximilians-Universität München i została uchylona, biorąc pod uwagę, że zestawy danych radiologicznych użyte w tym badaniu zostały zebrane retrospektywnie i w pełni zanonimizowane.

Proszę zapoznać się z wytycznymi instytutu dotyczącymi bezpieczeństwa MRI, szczególnie w odniesieniu do używanej komory LVAD i metalowych elementów pętli przepływu.

1. Akwizycja danych

1. Przed utworzeniem fantomów anatomicznych należy wybrać odpowiedni zestaw danych radiologicznych, najlepiej od pacjentów z dyscyplin sercowo-naczyniowych. Wirtualny model 3D można uzyskać zarówno z zestawów danych tomografii komputerowej (CT), jak i rezonansu magnetycznego (MRI).
2. Wybierz rozmiar piksela i grubość warstwy (ST) zestawu danych, aby dostosować się do rozmiaru struktur, które mają być reprezentowane w modelu 3D. W tym eksperymencie wykorzystano ST 0,6 mm z rozmiarem matrycy 512 x 512 i polem widzenia 500 mm, co prowadziło do rozmiaru piksela 0,98 mm. Upewnij się, że wartość zarówno rozmiaru piksela, jak i ST musi leżeć poniżej rozmiaru najmniejszej cechy, która powinna być widoczna na obrazach i modelu 3D, np. <0,3 mm dla zestawów danych niemowląt lub reprezentacji naczyń wieńcowych, <0,6 mm dla głównych struktur sercowo-naczyniowych dorosłego pacjenta.
3. Wykonaj standardową akwizycję do angiografii CT (CTA) w technice spiralnej z podwójnym źródłem ze ST 0,6 mm dla dorosłych pacjentów. U dorosłych wstrzyknąć 80 ml jodowego środka kontrastowego z prędkością 4 ml/s i rozpocząć akwizycję 11 s po śledzeniu bolusa w aorcie wstępującej przy progu 100 HU. Napięcie lampy i prąd lampy są wybierane automatycznie przez skaner w zależności od typu ciała pacjenta. Wykonaj rekonstrukcję w jądrze tkanki miękkiej przy użyciu wysokiego stopnia rekonstrukcji iteracyjnej.
   UWAGA: Parametry i protokoły akwizycji CTA są w dużym stopniu zależne od dostępnego tomografu komputerowego, wielkości pacjenta i obwodu pacjenta. Przedstawione parametry są oparte na doświadczeniu i powinny być traktowane jako punkt wyjścia do dostosowania, a nie jako stały wymóg.
4. W przypadku angiografii MR (MRA) należy wykonać MRA bez wzmocnienia kontrastowego (bez CE) przy użyciu własnej zmodyfikowanej sekwencji, która wykorzystuje w pełni zbalansowany przebieg gradientowy, wykorzystując zarówno wyzwalanie EKG, jak i oddechowe (TE 3.59, TR 407.40, rozmiar matrycy 224x224). Osiągnij przyspieszone pozyskiwanie danych MRI dzięki zastosowaniu skompresowanego wykrywania, które łączy obrazowanie równoległe, rzadkie próbkowanie i rekonstrukcję iteracyjną. Na przykład możliwe są czasy akwizycji aorty piersiowej wynoszące około 5 minut.
   UWAGA: Pamiętaj, aby wybrać zestaw danych, który jest wolny od artefaktów ruchu. Aby zredukować artefakty ruchu, należy wykonać akwizycję obrazu za pomocą prospektywnego wyzwalania EKG i dodatkowego wyzwalania oddechowego w przypadku MRA bez CE. Ponadto, wybierając model do ogólnego użytku, upewnij się, że nie ma w nim metalowych implantów, ponieważ może to poprawić jakość gotowego modelu.
5. Do segmentacji i drukowania 3D anatomii układu sercowo-naczyniowego użyj zestawów danych ze wzmocnionym kontrastem. Wykorzystanie natywnych zestawów danych sercowo-naczyniowych utrudnia oddzielenie pustych struktur anatomicznych (np. naczyń krwionośnych lub komór) od krwi, ze względu na porównywalne wartości Hounsfielda wynoszące około 30 HU⁸.
   UWAGA: Wyższy gradient wartości Hounsfielda między objętością krwi a otaczającą tkanką miękką pozwoli na łatwiejsze oddzielenie w procesie segmentacji. Jeśli gradient jest bardzo mały, części tkanki miękkiej będą wyświetlane jako część objętości krwi, co spowoduje słabą jakość modelu i dodatkowe przetwarzanie końcowe.
6. Podczas eksportowania zestawu danych należy pamiętać o wybraniu odpowiednio niskiej grubości warstwy (około 0,3 - 0,6 mm dla CTA i 0,8 - 1,0 mm dla MRA), ponieważ rozdzielczość i jakość powierzchni drukowanego modelu zależy w dużej mierze od tego parametru.
   UWAGA: Jeśli grubość warstwy jest zbyt cienka, wymagana moc obliczeniowa do modelowania znacznie wzrośnie, co odpowiednio spowolni proces. Z drugiej strony, nadmierna grubość plastra może powodować utratę drobnych szczegółów w anatomii pacjenta.

2. 3D-model tworzenia

UWAGA: Tworzenie modelu 3D na podstawie zestawu danych radiologicznych nazywa się procesem segmentacji i wymagane jest specjalne oprogramowanie. Segmentacja obrazów medycznych opiera się na jednostkach Hounsfielda, tworząc modele trójwymiarowe⁹. W tym badaniu wykorzystano komercyjne oprogramowanie do segmentacji i modelowania 3D (patrz tabela materiałów), ale podobne wyniki można osiągnąć przy użyciu dostępnego darmowego oprogramowania. Poniższe kroki zostaną opisane w przypadku modelowania na podstawie zestawu danych CT ze wzmocnieniem kontrastowym.

1. Po zaimportowaniu zestawu danych do oprogramowania do segmentacji, przytnij zestaw danych, aby ograniczyć obszar zainteresowania, tj. serce i łuk aorty. Osiągnięto to, wybierając narzędzie Przytnij obrazy i przesuwając krawędzie ROI, klikając i przesuwając boki ramki. Można to zrobić we wszystkich trzech orientacjach. W ten sposób uzyskuje się skupienie na ROI wraz ze zmniejszeniem rozmiaru pliku, co umożliwia większą prędkość obliczeniową, co prowadzi do skrócenia ogólnego czasu pracy.
2. Zdefiniuj zakres wartości jednostek Hounsfielda (ok. 200-800 HU), otwierając narzędzie Próg, co daje połączoną maskę objętości krwi i struktur kostnych o zwiększonym kontraście (Rysunek 1A, np. mostek, części klatki piersiowej i kręgosłup).
3. Usuń wszystkie części kości, które są niepożądane w końcowym modelu 3D, za pomocą narzędzia Podziel maskę, które umożliwia oznaczanie i rozdzielanie wielu obszarów i ogólnych plasterków na podstawie wartości i lokalizacji Hounsfielda.
4. Po tym oddzieleniu należy upewnić się, że pozostała maska zawierająca objętość krwi ze zwiększonym kontrastem. Można to zrobić, przewijając płaszczyznę koronalną i osiową i dopasowując utworzoną maskę do bazowego zestawu danych. Na podstawie tej maski oblicz renderowany model powierzchni wielokąta 3D (tzw. STL) (Rysunek 1B).
   UWAGA: Nazwy narzędzi mogą się różnić w innych programach do segmentacji.
5. W celu dalszej adaptacji i manipulacji przenieś model 3D do oprogramowania do modelowania 3D (patrz tabela materiałów). Aby wyeksportować model 3D, kliknij narzędzie do eksportu i wybierz oprogramowanie do modelowania 3D lub format danych dopasowania do eksportowanego pliku. Następnie potwierdź swój wybór, a proces eksportu zostanie przeprowadzony.
6. Użyj narzędzia Trim, aby przyciąć objętość krwi do określonego obszaru zainteresowania (np. usunąć części aorty lub niektóre jamy serca). Kliknij narzędzie i narysuj kontur wokół części, które wymagają usunięcia.
   UWAGA: W zależności od jakości zestawu danych i dokładności segmentacji, w tym momencie mogą być wymagane drobne naprawy i modyfikacje powierzchni. Dalsze operacje projektowe pozwalają na manipulowanie modelami specyficznymi dla pacjenta zgodnie z celem użycia, np. w szkoleniu. Niektóre przykłady inżynierii, zgodnie z anatomią pacjentów, obejmują skalowanie całego modelu lub pojedynczych struktur w celu tworzenia lub usuwania połączeń, łączenia części różnych modeli w jeden. Takie cechy są szczególnie interesujące w przypadku modeli treningowych z wadami wrodzonymi, ponieważ obrazy CT i MRI są rzadkie w pediatrii, gdzie minimalizacja promieniowania i sedacja są kluczowe. Dlatego adaptacja i modyfikacja istniejących modeli jest szczególnie pomocna w przypadku drukowania 3D modeli wrodzonych wad serca.
7. Kliknij narzędzie Wygładzanie lokalne, aby ręcznie i lokalnie dostosować powierzchnię segmentowanego modelu. Skoncentruj się na usuwaniu szorstkich kształtów wielokątów, pojedynczych szczytów i ostrych krawędzi utworzonych przez poprzednie operacje przycinania.
8. Aby umożliwić późniejsze podłączenie modelu do pętli przepływu, dołącz części rurowe o zdefiniowanych średnicach dostosowanych do dostępnych złączy węży i średnic rur (Rysunek 1C). Dlatego należy umieścić płaszczyznę odniesienia równolegle do otworu w przekroju poprzecznym naczyń w odległości około 10 mm.
   1. Aby umieścić płaszczyznę, wybierz narzędzie Utwórz płaszczyznę odniesienia i użyj wstępnie ustawionej płaszczyzny 3-punktowej. Następnie kliknij trzy równomiernie rozmieszczone punkty na przekroju naczyń, aby utworzyć płaszczyznę. Następnie wprowadź przesunięcie 10 mm w oknie poleceń i potwierdź operację.
   2. Wybierz z menu narzędzie Nowy szkic i wybierz poprzednio utworzoną płaszczyznę odniesienia jako położenie szkicu. Na szkicu umieść okrąg mniej więcej na osi naczynia i ustaw ograniczenie promienia tak, aby pasowało do zewnętrznej średnicy łącznika węża (24 mm dla wlotu aorty, 8-10 mm dla naczyń podobojczykowych, szyjnych i nerkowych oraz 16-20 mm dla dystalnego otworu naczynia).
9. Na podstawie utworzonego szkicu użyj narzędzia Wyciągnięcie, aby utworzyć walec o długości 10 mm. Ustaw wyciągnięcie w taki sposób, aby odsunęło się od otworu naczynia, aby utworzyć odległość między cylindrem a przekrojem naczynia wynoszącą 10 mm. Następnie użyj narzędzia Wyciągnięcie złożone, aby utworzyć połączenie między zakończeniem naczynia a geometrycznie zdefiniowanym walcem. W tym momencie należy zapewnić płynne przejście między dwoma przekrojami, unikając w ten sposób turbulencji i obszarów o niskim przepływie w końcowym modelu przepływu 3D (Rysunek 1D).
   UWAGA: Wykonując te kroki, zostanie utworzony model 3D objętości krwi aorty i przylegających tętnic. Ponadto będzie zawierał złącza wymagane do późniejszego podłączenia go do pętli przepływu.
10. Aby zrobić pustą przestrzeń krwi, użyj narzędzia Hollow w oprogramowaniu. W oknie poleceń wprowadź wymaganą grubość ścianki (w tym eksperymencie: 2,5 mm) Ponadto kierunek procesu drążenia musi być ustawiony na Na zewnątrz. Następnie potwierdź wybór, a proces drążenia zostanie wykonany.
    UWAGA: Ten krok umożliwia wybór stałej grubości ścianki dla całego modelu. Ponieważ "drążenie" tworzy określoną grubość ścianki na wszystkich powierzchniach, w rezultacie powstanie całkowicie zamknięty model. W związku z tym końce wszystkich naczyń będą musiały zostać ponownie przycięte za pomocą kroku opisanego w kroku 2.6 (Rysunek 1E). W przypadku korzystania z elastycznych materiałów do druku 3D, ten krok jest niezbędny do określenia ostatecznych właściwości biomechanicznych fantomu. Zwiększenie grubości ścianki modelu logicznie skutkuje większą sprężystością i niższą elastycznością. Jeśli właściwości mechaniczne tkanki natywnej i materiału do druku 3D nie są znane, w tym momencie należy przeprowadzić próby rozciągania. Ponieważ grubość ścianki jest stała w całym modelu, pożądane właściwości mechaniczne powinny zostać odtworzone w obszarze zainteresowania modelu.
11. Niektóre programy do przetwarzania oferują "Kreatora", aby zapewnić drukowalność końcowego modelu, co jest wysoce zalecane. Ten opcjonalny krok przetwarzania spowoduje przeanalizowanie siatki wielokątów modelu i oznaczenie nakładania się, wad i małych obiektów, które nie są połączone z modelem. Zazwyczaj kreator oferuje rozwiązania w celu usunięcia znalezionych problemów, w wyniku czego powstaje model 3D do wydrukowania (Rysunek 1F).
12. Wyeksportuj ostateczny model jako plik .stl, wybierając opcję Eksportuj w zakładce Plik.
    UWAGA: Aby potwierdzić dokładność zaprojektowanego modelu 3D, niektóre programy umożliwiają nałożenie końcowego konturu STL i leżącego pod nim zestawu danych radiologicznych. Pozwala to na wizualne porównanie modelu 3D z anatomią natywną. Ponadto należy wybrać drukarkę o odpowiedniej rozdzielczości przestrzennej < 40 μm, aby umożliwić dokładny wydruk modelu cyfrowego.

3. 3D-drukowanie i ustawienie pętli przepływu

1. Prześlij plik .stl do drukarki 3D, korzystając z oprogramowania do krojenia dostarczonego przez producenta, aby wytworzyć fizyczny fantom anatomii. Idealnie byłoby, gdyby warstwa druku była ≤ wysokości 0,15 mm, aby zapewnić wysoką rozdzielczość i dobrą jakość druku.
   UWAGA: Na rynku dostępna jest szeroka gama elastycznych materiałów drukarskich i odpowiednich drukarek 3D. Do drukowania wcześniej opisanych modeli cyfrowych można użyć różnych konfiguracji. Jednak rozdzielczość, przetwarzanie końcowe i zachowanie mechaniczne mogą różnić się od prezentowanych wyników.
2. Po przesłaniu pliku do drukowania z oprogramowania do krojenia do drukarki 3D, upewnij się, że ilość materiału do drukowania i materiału pomocniczego we wkładach drukarki jest wystarczająca dla modelu 3D i rozpocznij drukowanie.
3. Po zakończeniu procesu drukowania usuń materiał podporowy z gotowego modelu. Najpierw usuń materiał podporowy ręcznie, delikatnie ściskając model, a następnie zanurz go w wodzie lub odpowiednim rozpuszczalniku (w zależności od materiału podporowego). Suszyć przez noc w inkubatorze nastawionym na temperaturę 40 °C.
   UWAGA: Usunięcie materiału podporowego może być czasochłonnym krokiem, w zależności od złożoności modelu anatomicznego. Podczas gdy użycie narzędzi takich jak szpatułki, łyżki i sondy medyczne może nieznacznie skrócić czas obróbki końcowej, zwiększa również niebezpieczeństwo perforacji ściany modelu, czyniąc go bezużytecznym do testowania płynów. W przypadku korzystania z technologii druku Polyjet cały model zostanie pokryty materiałem nośnym. Jest to wymagane, aby utrzymać nieutwardzony materiał modelowy na miejscu podczas utwardzania za pomocą światła UV. W pustych modelach rurowych doprowadzi to do znacznie większego zapotrzebowania na materiał nośny w porównaniu z rzeczywistym materiałem modelowym. Model przedstawiony w Rysunek 2 wykorzystuje około 200 g materiału modelowego i 2,000 g materiału podporowego.
4. Następnie osadź model w 1% agarze . Zmniejsza to artefakty ruchowe podczas obrazowania klinicznego modelu. Po drugie, agar zapewnia lepsze dotykowe sprzężenie zwrotne podczas obrazowania ultrasonograficznego i lepsze sprzężenie zwrotne siły podczas cewnikowania, w porównaniu do zanurzenia w wodzie.
   1. Użyj plastikowego pudełka z co najmniej 2 cm bocznymi marginesami wokół modelu. Wywierć otwory w ściankach skrzynki, aby umożliwić podłączenie rurek od naczyń do pompy i zbiornika.
   2. Przygotuj roztwór agaru, dodając 1% w/v do wody i doprowadzając do wrzenia. Po ugotowaniu i wymieszaniu mieszaniny pozwól jej ostygnąć przez 5 minut i wlej do pudełka, aby utworzyć łóżko o wysokości co najmniej 2 cm, na którym zostanie umieszczony model.
      UWAGA: Jeśli model zostanie umieszczony bezpośrednio na dnie pudełka, pulsalność płynu wewnątrz modelu spowoduje asymetryczny ruch w górę.
5. Podczas gdy łoże agarowe się ustawia, podłącz model do niezgodnych rurek PVC, używając dostępnych w handlu złączy do węży przy każdym otworze. Średnica rurki 3/8" jest zalecana dla dużych naczyń (np. aorty) i/lub struktur anatomicznych o wysokim przepływie krwi (np. komór). W przypadku mniejszych naczyń wystarczy rurka 1/8". Użyj opasek zaciskowych, aby zamocować połączenie między złączami węża a modelem 3D i upewnij się, że nie ma wycieku płynu.
6. Przeprowadź rurki PCV przez wywiercone otwory do pudełka, a następnie umieść model na wierzchu ustawionego łoża agarowego. Aby zapobiec wyciekaniu agaru z tych otworów, użyj żaroodpornej plasteliny, aby go uszczelnić. Następnie napełnij pudełko agarem, przykrywając model, dodając 2 cm warstwę na wierzch i pozostawiając na godzinę w temperaturze pokojowej, aby agar całkowicie ostygł i stężał. Będzie to wymagało większej ilości mieszanki agarowej opisanej w kroku 3.4.
   UWAGA: Agar po utwardzeniu będzie nadawał się do użytku przez około tydzień, jeśli jest przechowywany w lodówce. Gdy widocznie zmniejszy swoją objętość, należy go zastąpić nową partią.
7. Podłącz pulsacyjną pneumatyczną pompę komorową do modelu za pomocą rurki 3/8" dołączonej do bliższego otworu. Podłącz pozostałe rurki do zbiornika, a następnie podłącz zbiornik do wlotu pompy komorowej, aby utworzyć zamkniętą pętlę przepływu. (Rysunek 2; np. urządzenie wspomagające komorę (VAD)-komora). Pompa powinna mieć objętość wyrzutową 80 - 100 ml, aby zapewnić wystarczający przepływ fizjologiczny w anatomii dorosłych. W przypadku anatomii pediatrycznej dostępne są mniejsze komory do pompowania.
8. Komora powinna być mieszana przez pompę tłokową o objętości wyrzutowej 120 - 150 ml, aby uwzględnić sprężanie powietrza w systemie rurki łączącej.

4. Obrazowanie kliniczne

UWAGA: Aby zapobiec artefaktom w obrazowaniu klinicznym, należy upewnić się, że w obiegu płynu nie ma kieszeni powietrznych.

1. Obrazowanie TK
   1. W przypadku obrazowania CT należy umieścić całą pętlę przepływu w tomografie komputerowym z jednostką napędową stojącą w pobliżu. Pompę środka kontrastowego należy podłączyć bezpośrednio do zbiornika pętli przepływu, aby podczas skanowania można było symulować zalanie modelu środkiem kontrastowym. Jest to szczególnie przydatne do wizualizacji patologii naczyniowych.
   2. Wykonaj tomografię komputerową jako skan dynamiczny na całym modelu, aby zobrazować napływ środka kontrastowego. Napięcie lampy jest ustawione na 100 kVp, prąd lampy na 400 mAs. Kolimacja wynosi 1,2 mm. Wstrzyknąć 100 ml rozcieńczonego jodowego środka kontrastowego w stosunku 1:10 do zbiornika modelu, z prędkością 4 ml/s. Rozpocznij skanowanie od wyzwalania bolusa w rurce prowadzącej, z progiem 100 HU i 4 s opóźnieniem.
2. Ultrasonografia
   1. Umieść niewielką ilość żelu ultradźwiękowego na bloku agaru, aby zredukować artefakty. Uruchom pompę i użyj głowicy ultradźwiękowej, aby zlokalizować strukturę anatomiczną będącą przedmiotem zainteresowania dla obrazowania ultradźwiękowego (tj. zastawki serca). Użyj trybu 2D-echo, aby ocenić ruch ulotki, a także zachowanie zaworu podczas otwierania i zamykania. Użyj kolorowego Dopplera do oceny przepływu krwi przez zastawkę i Dopplera spektralnego, aby określić ilościowo prędkość przepływu wzdłuż zastawki serca.
3. Cewnikowanie/Interwencje
   1. Włóż port dostępowy do rurki PVC bezpośrednio pod modelem 3D, aby umożliwić łatwiejszy dostęp do anatomii za pomocą cewnika sercowego lub prowadnika. Po uruchomieniu pętli przepływu sprawdź, czy nie ma wycieków w punkcie wejścia do portu. W razie potrzeby użyj dwuskładnikowego kleju, aby uszczelnić otwór.
   2. Umieść model 3D na stole pacjenta pod ramieniem C aparatu rentgenowskiego. Użyj obrazowania rentgenowskiego, aby poprowadzić cewnik i prowadniki przez strukturę anatomiczną. Do rozszerzania balonu lub umieszczania stentgraftu należy użyć trybu ciągłego promieniowania rentgenowskiego, aby zwizualizować rozszerzanie się urządzenia.
      UWAGA: Szkolenie w zakresie cewnikowania i interwencji na modelach wydrukowanych w 3D pozwala na wymienne stosowanie różnych modeli anatomicznych i patologicznych. To jeszcze bardziej zwiększa różnorodność i realizm środowiska treningowego.
4. Rezonans magnetyczny 4D
   1. Użyj skanera 1,5 T do akwizycji MRI i upewnij się, że protokół akwizycji składa się z MRA bez wzmocnienia kontrastowego, jak opisano powyżej, oraz sekwencji 4D-Flow. W przypadku 4D-Flow należy uzyskać izotropowy zestaw danych z 25 fazami i grubością warstwy 1,2 mm (TE 2.300, TR 38.800, FA 7 °, rozmiar matrycy 298 x 298). Ustaw kodowanie prędkości na 100 cm/s. Pomiary in vitro są wykonywane przy użyciu symulowanych wyzwalaczy EKG i wyzwalaczy oddechowych.
   2. W przypadku analizy 4D-Flow skrzynka z wbudowanym modelem i komora VAD są umieszczane w skanerze MRI i pokrywane 18-kanałową cewką ciała. Jeśli chodzi o pole magnetyczne skanera MRI, pneumatyczna jednostka napędowa musi być umieszczona na zewnątrz pomieszczenia skanera; Dlatego zwykle wymagany jest dłuższy system rurek łączących.
   3. Wykonaj analizę obrazu 4D-Flow za pomocą dostępnego na rynku oprogramowania. Najpierw zaimportuj zestaw danych 4D-MRI, wybierając go z dysku flash. Następnie wykonaj półautomatyczną korekcję offsetu i korekcję aliasingu, aby poprawić jakość obrazu. Następnie automatycznie śledzona jest linia środkowa naczynia, a oprogramowanie wyodrębnia objętość 3D.
   4. Na koniec należy przeprowadzić analizę ilościową parametrów przepływu, klikając w poszczególne zakładki w oknie analizy. Wizualizacja przepływu, wizualizacja ścieżki i wektor przepływu będą wizualizowane bez dalszych danych wejściowych. W celu ilościowego określenia nacisku i naprężenia ścinającego ścianę w odpowiedniej zakładce, należy umieścić dwie płaszczyzny, klikając przycisk Dodaj płaszczyznę. Płaszczyzny zostaną automatycznie ustawione prostopadle do osi statku.
   5. Przesuń płaszczyzny do ROI, przeciągając je wzdłuż linii środkowej, tak aby jedna płaszczyzna została umieszczona na początku ROI, a druga na końcu. Na schemacie obok modelu 3D spadek ciśnienia w obszarze zwrotu z inwestycji i naprężenie ścinające ścianki zostaną zwizualizowane i określone ilościowo.

Results

Opisane reprezentatywne wyniki koncentrują się na kilku strukturach sercowo-naczyniowych powszechnie używanych w planowaniu, treningu lub testowaniu. Zostały one stworzone przy użyciu izotropowych zestawów danych CT o ST 1,0 mm i rozmiarze woksela 1,0 mm³. Grubość ścianki modelu tętniaka aorty ustalono na 2,5 mm zgodnie z wynikami porównawczych prób rozciągania materiału drukarskiego (wytrzymałość na rozciąganie: 0,62 ± 0,01 N/^mm2; F_max: 1,55 ± 0,02 N; wydłużenie: 9,...

Discussion

Prezentowany przepływ pracy pozwala na ustalenie zindywidualizowanych modeli, a tym samym na przeprowadzenie planowania terapii przedinterwencyjnej, a także szkolenia lekarzy w zakresie zindywidualizowanych anatomii. Aby to osiągnąć, dane tomograficzne specyficzne dla pacjenta mogą być wykorzystywane do segmentacji i drukowania 3D elastycznych fantomów sercowo-naczyniowych. Wdrażając te wydrukowane w 3D modele w symulowanym obiegu, można realistycznie symulować różne sytuacje kliniczne.

Obecni...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-matic	Materialise AB		Software Version 15.0 - Komercyjne oprogramowanie do modelowania 3D
Affiniti 50	Philips Medical Systems GmbH		Ultradźwiękowy system obrazowania
Agilista W3200	Keyence Co.		Drukarka 3D Polyjet o rozdzielczości przestrzennej 30µ m
AR-G1L	Keyence Co.		elastyczny materiał do druku 3D
Artis Zee	Siemens Healthcare GmbH		Angiograficzny skaner rentgenowski
cvi42	CCI Inc.		Wersja oprogramowania 5.12 - Cewnik diagnostyczny do oprogramowania do analizy przepływu 4D
, uniwersalny MPA 2	Cordis, firma		Cewnik do modeli treningowych dla dzieci, rozmiary 4F dla niemowląt i 5F dla dzieci, młodych dorosłych
Urządzenie wspomagające komorę Excor	Berlin Heart GmbH		80 -100 ml
Środek kontrastowy Imeron 400 Obrazowanie	Bracco CT		- Środek kontrastowy
IntroGuide F	Angiokard Medizintechnik GmbH		Drut prowadnikowy z końcówką J; średnica: 0,035" długość: 220cm
Lunderquist Guidewire	Cook Medical Inc.		(T)EVAR interwencyjny prowadnik
MAGNETOM Aera	Siemens Healthcare GmbH		Skaner MRI
Magnevist Środek kontrastowy	Bayer Vital GmbH		MRI - Środek kontrastowy
naśladuje	Materialise AB		Oprogramowanie Version 23.0 - Komercyjne oprogramowanie do segmentacji
Studio modelowania	Keyence Co.		Oprogramowanie do krojenia drukarki 3D
Rurki
Drut prowadzący Radifocus M	Terumo Europe NV		Prowadnica prosta; średnica: 0,035" długość: 260cm
Naprawdę przydatne pudełko 9L	Naprawdę przydatne produkty Ltd.
Rotigarose - Standard Agar	Carl Roth GmbH	3810.4
Solidworks	Dassault Systemes SE		Wersja oprogramowania 2019-2020; Oprogramowanie do projektowania CAD
SOMATOM Force	Siemens Healthcare GmbH		Skaner tomografii komputerowej
syngo za pośrednictwem	oprogramowania do obrazowania radiologicznego	Siemens Healthcare GmbH