Modele dostosowane do potrzeb pacjenta zwiększają pewność siebie chirurga i współpracowników podczas opracowywania lub uczenia się planów chirurgicznych. Drukarki trójwymiarowe (3D) generują odpowiednie szczegóły do przygotowania chirurgicznego, ale nie są w stanie odtworzyć wierności dotykowej tkanek. Przedstawiono protokół szczegółowo opisujący tworzenie specyficznych dla pacjenta, silikonowych modeli serca, łączących precyzję druku 3D z symulowaną tkanką silikonową.
Artykuł metodologiczny
Tworzenie specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca z zastosowaniami w planach przedoperacyjnych i szkoleniach praktycznych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Modele trójwymiarowe mogą być cennym narzędziem dla chirurgów, którzy opracowują plany chirurgiczne, oraz dla lekarzy, którzy uczą się o skomplikowanych przypadkach. W szczególności modele 3D mogą odgrywać ważną rolę w dziedzinie kardiologii, gdzie występują złożone wrodzone choroby serca. Podczas gdy wiele drukarek 3D może dostarczyć anatomicznie poprawne i szczegółowe modele, istniejące materiały do drukowania 3D nie są w stanie odtworzyć właściwości tkanki mięśnia sercowego i mogą być niezwykle kosztowne. Protokół ten ma na celu opracowanie procesu tworzenia specyficznych dla pacjenta modeli złożonych wrodzonych wad serca przy użyciu taniego silikonu, który lepiej odpowiada właściwościom mięśnia sercowego. Dzięki poprawie wierności modelu, rzeczywiste szkolenie chirurgiczne może odbywać się przed zabiegiem. Udane tworzenie modeli serca rozpoczyna się od segmentacji obrazów radiologicznych w celu wygenerowania wirtualnej puli krwi (krwi wypełniającej komory serca) i formy tkanki mięśnia sercowego. Pula krwi i pleśń mięśnia sercowego są drukowane w 3D w akrylonitryl-butadien-styrenie (ABS), tworzywie sztucznym rozpuszczalnym w acetonie. Pleśń jest montowana wokół puli krwi, tworząc negatywną przestrzeń symulującą mięsień sercowy. Silikon o twardości Shore'a 2A wlewa się do przestrzeni ujemnej i pozostawia do utwardzenia. Pleśń mięśnia sercowego jest usuwana, a pozostały model silikonu/puli krwi jest zanurzany w acetonie. Wynikiem opisanego procesu jest model fizyczny, w którym wszystkie cechy serca, w tym ubytki wewnątrzsercowe, są reprezentowane z bardziej realistycznymi właściwościami tkanek i są bardziej przybliżone niż w przypadku bezpośredniego druku 3D. Skuteczna korekcja chirurgiczna modelu z ubytkiem przegrody międzykomorowej (VSD) przy użyciu plastra GORE TEX (standardowa interwencja chirurgiczna w przypadku ubytku) pokazuje użyteczność tej metody.
Wprowadzenie
Prawie 1 na 100 dzieci w Stanach Zjednoczonych rodzi się z wrodzonymi wadami serca (CHD). Ze względu na skłonność matek z chorobą niedokrwienną serca do rodzenia dzieci z tą chorobą, oczekuje się, że wskaźnik ten może się podwoić w ciągu najbliższych siedmiu pokoleń1. Chociaż nie każda choroba niedokrwienna serca jest uważana za złożoną lub ciężką, ogólne oczekiwania dotyczące wzrostu wskazują, że istnieje motywacja do ulepszania technologii i procedur zdolnych do leczenia choroby niedokrwiennej serca. Wraz z postępem technologicznym kardiochirurdzy często wyrażają gotowość do wykonywania bardziej złożonych procedur. Ta gotowość doprowadziła do wzrostu liczby skomplikowanych zabiegów kardiologicznych, co spowodowało zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane techniki planowania chirurgicznego i edukacji. To z kolei sprawia, że kardiochirurdzy potrzebują bardzo dokładnych, specyficznych dla pacjenta modeli, a kardiochirurgii potrzebują wysoce skutecznych metod szkoleniowych.
Kardiochirurgia wrodzona jest jedną z najbardziej wymagających technicznie dyscyplin chirurgicznych ze względu na mały rozmiar pacjentów, złożoność nieprawidłowości serca i rzadkość niektórych nieprawidłowości2. W najbardziej skrajnych przypadkach dziecko może urodzić się z pojedynczą komorą. Nierzadko zdarza się, że chirurg bierze naczynie o średnicy 2,0 mm i łata je stałym osierdziem, aby stworzyć naczynie o średnicy 1,0 cm, które pozwala noworodkowi rosnąć w tej ratującej życie procedurze - a wszystko to pod zegarem, ponieważ noworodek jest w stanie całkowitego zatrzymania krążenia. Pomiędzy normalnym czterokomorowym sercem a tymi ekstremalnymi przykładami znajdują się niezliczone możliwości wielkości komory i położenia zaworów, które składają się na bardzo złożone łamigłówki 3D. Rolą zespołu kardiologicznego zajmującego się wrodzonymi chorobami serca jest jasne nakreślenie unikalnej anatomii i opracowanie planu rekonfiguracji tkanki organicznej w funkcjonalne serce, które pozwoli dziecku rosnąć z największą szansą na normalne życie. Dokładne modele pozwalają na celowe ćwiczenie chirurgiczne i powtarzanie w środowisku, w którym błędy mogą zostać wybaczone i nie spowodują szkody dla pacjenta3,4. Szkolenie to prowadzi do rozwoju ulepszonej wiedzy chirurgicznej, a także umiejętności technicznych i oceny sytuacji. Jednak ograniczone zasoby i rzadkość występowania niektórych schorzeń serca mogą sprawić, że osiągnięcie pożądanego poziomu powtórzeń i wizualizacji będzie prawie niemożliwe. Aby pomóc w rozwiązaniu tego niedoboru zasobów, nastąpił wzrost wykorzystania symulacji w edukacji2,3. Powszechnie stosowane techniki symulacji lub modelowania obejmują ludzkie zwłoki, tkanki zwierzęce, modele rzeczywistości wirtualnej (VR) i modele drukowane w 3D.
Tkanka zwłok była historycznie uważana za złoty standard symulacji chirurgicznej, a tkanka zwierzęca była na drugim miejscu. Zwłoki i tkanki zwierzęce mogą tworzyć symulacje o wysokiej wierności, ponieważ zawierają interesującą nas strukturę anatomiczną, wszystkie otaczające tkanki i pozwalają technikom perfuzji symulować przepływ krwi4. Pomimo korzyści płynących z modeli tkankowych, istnieją wady. Zabalsamowana tkanka doświadcza zmniejszonej podatności mechanicznej, co sprawia, że niektóre operacje są nierealistyczne i trudne do wykonania. Tkanki wymagają stałej konserwacji, mają określone udogodnienia, nie nadają się do ponownego użycia2, mogą być kosztowne do uzyskania3 i historycznie były przedmiotem obaw etycznych. Co najważniejsze, wrodzone choroby serca po prostu nie są dostępne w próbkach zwłok.
VR i modele drukowane w 3D5,6,7,8,9,10 zapewniają kolejną opcję edukacji kardiologicznej, symulacji i modelowania, aby pomóc w tworzeniu planów przedoperacyjnych. Modele te redukują niejednoznaczność związaną z różnorodną zdolnością wzrokowo-przestrzenną użytkownika do interpolacji obrazów 2D jako struktury 3D10,11. Środowisko wirtualne może zawierać narzędzia chirurgiczne, którymi można manipulować i wchodzić w interakcje z modelami, co pozwala chirurgom i stypendystom rozwijać koordynację ręka-oko, umiejętności motoryczne i znajomość niektórych procedur4. Stwierdzono, że obecnie popularne technologie druku 3D, w tym modelowanie osadzania topionego (FDM), stereolitografia (SLA), selektywne spiekanie laserowe (SLS) i polyjet, wytwarzają modele z submilimetrową precyzją13. Zarówno modele VR, jak i drukowane w 3D są wielokrotnego użytku i mogą być niezwykle szczegółowe; Modele mogą być nawet generowane na podstawie danych obrazowania radiologicznego pacjenta, co pozwala uzyskać repliki anatomii pacjenta. Pomimo wielu korzyści płynących z VR lub modeli drukowanych w 3D, są one niewystarczające, jeśli weźmie się pod uwagę koszty i wymagania dotyczące wierności dotykowej wrodzonej operacji serca. Konfiguracja środowiska VR wiąże się z wysokimi kosztami, a środowiska VR nie są w stanie zapewnić dotykowego sprzężenia zwrotnego w świecie rzeczywistym. Podczas gdy technologia wierności dotykowej poprawia się, obecna luka hamuje zdolność ucznia do zapoznania się z umiejętnościami motorycznymi niezbędnymi do wykonywania zabiegów4. Podobnie, w zależności od rodzaju zastosowanej technologii druku 3D, koszt druku 3D może być dość wysoki, ponieważ należy wziąć pod uwagę cenę zakupu drukarki i koszt materiału do druku11,14. Pojedynczy model serca o wysokiej wierności z realistycznym dotykowym sprzężeniem zwrotnym można wyprodukować przy użyciu wysokiej klasy drukarki, ale będzie to kosztować setki dolarów w samym materiale, a cena zakupu drukarki przekracza 100 000 USD15. Okazało się, że model serca wyprodukowany przy użyciu filamentu o twardości Shore'a 26-28 A kosztował około 220 USD za model16. Alternatywnie dostępnych jest wiele tanich drukarek 3D i technologii, których cena zakupu drukarki jest mniejsza niż 5,000 USD. Stwierdzono, że średnie ceny materiału dla modelu serca wygenerowanego na taniej drukarce FDM wynoszą około 3,80 USD przy użyciu materiału o twardości Shore'a 82 A i 35 USD przy użyciu materiału o twardości Shore'a 95 A15,16. Chociaż te maszyny oferują tanie rozwiązanie, odbywa się to kosztem wierności dotykowej.
Podczas gdy VR i druk 3D mogą pozwolić na szczegółową wizualną i koncepcyjną ocenę stanu serca, wysoka cena związana z produkcją modelu do praktycznej symulacji chirurgicznej jest często znaczącą barierą. Jednym z rozwiązań jest użycie silikonu do stworzenia fizycznie i teksturalnie dokładnego modelu serca. Modele silikonowe dostosowane do potrzeb pacjenta mogą ułatwić głębsze zrozumienie unikalnej anatomii, umożliwiając chirurgom zobaczenie, odczucie, a nawet przećwiczenie zabiegu, doświadczając realistycznego dotykowego sprzężenia zwrotnego w środowisku, które wiąże się z minimalnym ryzykiem dla pacjenta i nie ma żadnych konsekwencji, jeśli zabieg się nie powiedzie9. Wykazano, że formowanie silikonu jest skuteczną metodą modelowania ludzkiej anatomii, która tworzy modele o właściwościach fizycznych, które są znacznie bliższe rzeczywistej tkance niż modele generowane z taniego druku 3D17. Scanlan i in., porównali właściwości taniego druku 3D z silikonowymi formowanymi zastawkami serca, aby ocenić podobieństwo do prawdziwej tkanki; badanie wykazało, że chociaż właściwości fizyczne silikonowych zaworów nie były dokładną repliką prawdziwej tkanki, właściwości były znacznie lepsze niż wydrukowane w 3D zawory17. Materiał do druku 3D użyty w badaniu jest jednym z najmiększych materiałów dostępnych dla tanich drukarek 3D i ma twardość Shore'a między 26 a 28 A18. Silikon utwardzany platyną zalecany do stosowania w poniższym protokole ma twardość Shore'a 2 A, która jest znacznie bliższa twardości Shore'a tkanki serca, 43 w skali 00, czyli około 0 A19,20. Różnica ta jest znacząca, ponieważ modele silikonowe pozwalają na trening umiejętności motorycznych o wysokiej wierności, którego nie osiągają materiały drukowane bezpośrednio w 3D. Całkowity koszt materiału dla modelu proponowanego w tym protokole wynosi mniej niż 10 USD. Proponowane modele silikonowe łączą w sobie właściwości tkanek miękkich niezbędne do realistycznego dotykowego sprzężenia zwrotnego z wszechstronnością i precyzją tanich modeli drukowanych w 3D.
Chociaż korzyści płynące z silikonu mogą wydawać się oczywistym wyborem do tworzenia modeli, użycie silikonu zostało ograniczone przez anatomię, którą można formować. Świeżo zmieszany silikon to płyn, który wymaga formy, aby utrzymać go w pożądanym kształcie podczas utwardzania. Historycznie rzecz biorąc, silikonowe formy kardiologiczne mogły zawierać tylko szczegóły zewnętrznej powierzchni modelu. Szczegóły wewnątrzsercowe, w tym cały obszar puli krwi, zostałyby wypełnione silikonem i utracone. W poprzednich badaniach uzyskano silikonowe modele określonych obszarów zainteresowania w sercu (np. korzeń aorty21) lub zastosowano metodę ekstrapolacyjną do symulacji tkanki mięśnia sercowego22. Protokół ten jest nowatorski, ponieważ ma na celu połączenie użycia materiału silikonowego z pełną symulacją anatomiczną mięśnia sercowego o wysokiej rozdzielczości - w szczególności unikając jakiejkolwiek metody ekstrapolacji. O ile nam wiadomo, żaden manuskrypt opisowy nie zawierał metodologii łączącej te aspekty. Metoda opisana w tym protokole wprowadza technikę pozwalającą na uzyskanie specyficznego dla pacjenta modelu serca z replikacją anatomiczną wewnątrz serca wystarczająco dokładną, aby można było zastosować chirurgiczną praktykę przedoperacyjną. Metoda polega na stworzeniu formy mięśnia sercowego, która utrzymuje silikon w odpowiednim kształcie podczas utwardzania oraz wewnętrznej formy, aby zachować wewnętrzne, wewnątrzsercowe szczegóły modelu i zapobiec wypełnianiu przez silikon obszaru puli krwi w sercu. Wewnętrzna forma musi zostać następnie rozpuszczona, pozostawiając cały silikonowy model serca z anatomią specyficzną dla pacjenta na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni. Bez proponowanego protokołu tworzenia modelu serca nie istnieje tanie rozwiązanie symulujące zabieg chirurgiczny z materiałem, który naśladuje rzeczywiste cechy tkankowe mięśnia sercowego.
Protokół
Protokół został przeprowadzony zgodnie z najlepszymi praktykami etycznymi instytucji autora, w tym z zachowaniem właściwych zasad postępowania z informacjami o pacjentach oraz zapewnieniem wymaganych zgód niezbędnych do wykorzystania danych konkretnych pacjentów. W przypadku wykorzystania, dane te zostały zanonimizowane, aby zapewnić ochronę prywatnych informacji zdrowotnych pacjenta.
UWAGA: Poniższy protokół został sformułowany w sposób niezależny od oprogramowania, ponieważ istnieje wiele różnych programów umożliwiających wykonanie poszczególnych kroków. W tym konkretnym przypadku do segmentacji wykorzystano program Materialise Mimics Medical 24.0, a do manipulacji 3D oraz tworzenia segmentowanych modeli i przypadków program Materialise Magics. Specyficzne instrukcje dla tych programów zostaną zamieszczone jako uzupełnienie podejścia ogólnego.
1. Segmentacja anatomii pacjenta
- Zgodnie z zaleceniami eksperta przedmiotowego (SME), uzyskaj zestaw danych obrazowania radiologicznego pacjenta, zazwyczaj TK lub MRI, pozyskanych przy użyciu protokołu 3D w celu zapewnienia odpowiedniej rozdzielczości. Otwórz zestaw danych w oprogramowaniu do segmentacji wspomaganego projektowania komputerowego (CAD)23.
- W celu prawidłowego pozyskiwania obrazów należy odnieść się do protokołów radiologicznych danej instytucji (ponieważ każdy pacjent wymaga innych uwzględnień, trudno jest podać konkretne wytyczne). Jako reprezentatywny przykład, poniżej przedstawiono ustawienia zastosowane w wcześniej udokumentowanym przypadku modelu 3D: protokół TK 3D sugeruje następujące parametry: skaner warstw w trybie osiowym, grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm, Kv 70, zakres Smart mA 201-227 (tryb smart MA 226), prędkość obrotu 0,28 ms. Sugerowane parametry protokołu MRI 3D: skaner warstw w tryb osiowy, grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm.
- Wygeneruj wstępną segmentację tkanki mięśnia sercowego, korzystając z narzędzia progu jednostek Hounsfielda (HU) z górnymi i dolnymi limitami ustawionymi na wartości odpowiednie i specyficzne dla danego zestawu danych. Dopracuj zaznaczenie w razie potrzeby, aby precyzyjnie oddać anatomię. Zaleca się stosowanie narzędzi o następujących funkcjach: przycinanie (crop), dodawanie i odejmowanie (add and subtract), rozszerzanie obszaru (region grow), edycja wielowarstwowa (multi-slice edit) oraz wypełnianie jam (cavity fill). W programie Mimics kliknij prawym przyciskiem myszy w obszarze Project Manager i wybierz New Mask. Dostosuj maskę w wyświetlonym oknie dialogowym, korzystając z predefiniowanych okien anatomicznych, dokładnych pomiarów HU lub przesuwając suwak narzędzia, aż pożądana anatomia zostanie zamaskowana.
- Wygeneruj segmentację puli krwi. W tym celu zastosuj kroki opisane w punkcie 1.2. W programie Mimics użyj predefiniowanego anatomicznego okna HU od 226 do 3071, aby uchwycić pulę krwi.
- Jeśli generowany model ma być wykorzystany w opiece nad pacjentem, zleć kardiologowi, radiologowi lub innemu ekspertowi przedmiotowemu (SME) przejrzenie segmentacji wirtualnego modelu przed przejściem do następnego kroku, aby upewnić się, że wszystkie cechy anatomiczne i wady zostały dokładnie wysegmentowane i będą obecne w kompletnym modelu.
- Wygeneruj model przypadku mięśnia sercowego poprzez odwrócenie segmentacji mięśnia sercowego przy użyciu narzędzia wypełniania jam w pustej przestrzeni wokół segmentacji mięśnia sercowego, a następnie odjęcie segmentacji puli krwi od odwróconego mięśnia sercowego za pomocą narzędzia odejmowania Boole'a. Do wykonania tej operacji zaleca się użycie narzędzia wypełniania jam, narzędzia Boole'a oraz wcześniej wygenerowanych segmentacji mięśnia sercowego i puli krwi. W programie Mimics wybierz Cavity Fill > i wskaż przestrzenie wokół maski mięśnia sercowego. Następnie użyj narzędzia Boolean i wypełnij okno dialogowe, aby odjąć (Minus ) maskę puli krwi od maski mięśnia sercowego.
Rycina 1: Segmentacja serca w oprogramowaniu do segmentacji CAD. (A) Segmentacja serca w oprogramowaniu do segmentacji CAD z surowymi danymi obrazowymi pacjenta. (B) Segmentacja z renderowaniem 3D modelu puli krwi. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
- Przejrzyj renderowanie 3D końcowych segmentacji puli krwi i opuszkowej warstwy mięśnia sercowego. Zgodnie z sugestią i zatwierdzeniem eksperta przedmiotowego (SME), usuń z modelu 3D puli krwi wszelkie naczynia krwionośne, które nie są niezbędne do oceny, zrozumienia lub naprawy docelowej anatomii. W programie Mimics wybierz opcję 3D Preview w ustawieniach obok okna podglądu (domyślnie w prawym dolnym widoku z czterech paneli). Wybierz odpowiednią maskę w Project Manager. Aby dokonać edycji, wybierz narzędzie Edit Mask. W wyświetlonym oknie dialogowym wybierz narzędzie Lasso i upewnij się, że zaznaczona jest opcja Remove. Pozwoli to na edycję bezpośrednio w podglądzie 3D maski.
UWAGA: Narzędzie edycyjne działa jako nieskończona płaszczyzna cięcia i usunie każdą część maski zaznaczoną w kierunku osi Z. - Wygeneruj obiekty 3D z końcowych segmentacji puli krwi i opuszkowej warstwy mięśnia sercowego. Wygładź model 3D opuszkowej warstwy mięśnia sercowego za pomocą narzędzia do wygładzania obiektów. Zgodnie z sugestią i zatwierdzeniem SME, dostosuj parametry iteracji oraz współczynnik wygładzania w zależności od konkretnego modelu, aby stworzyć model, który jest możliwie jak najgładszy, ale nie utracił ważnych szczegółów anatomicznych.
- Po zatwierdzeniu przez SME wyeksportuj modele w formacie STL do użytku w oprogramowaniu do edycji modeli 3D. W programie Mimics kliknij prawym przyciskiem myszy konkretną maskę w Project Manager > Create Object. W wyświetlonym oknie dialogowym upewnij się, że wybrana jest opcja Optimal, a następnie kliknij Okay.
- Po utworzeniu model pojawi się w oknie Object, zazwyczaj poniżej okna Project Manager. Kliknij prawym przyciskiem myszy wygenerowany model i wybierz opcję Smooth. Parametry dla tego przypadku wynosiły pięć iteracji przy wygładzaniu 0.4 mm.
- Zapisz/wyeksportuj końcowe modele 3D puli krwi i opuszkowej warstwy mięśnia sercowego jako pliki standardowego języka teselacji (STL). Kliknij prawym przyciskiem myszy wybrany model > STL+ > postępuj zgodnie z instrukcjami w oknie dialogowym, aby wyeksportować wersję STL modelu.
2. Tworzenie cyfrowych form
- Otwórz plik STL modelu obudowy mięśnia sercowego w programie CAD. Zaleca się ustawienie przezroczystości obudowy, aby mięsień sercowy był widoczny wewnątrz formy obudowy mięśnia sercowego. W programie Magics zaimportuj pliki STL za pomocą funkcji Import Part. W oknie Project Management wybierz opcję renderowania modelu Transparent.
- Usuń nadmiar materiału obudowy mięśnia sercowego z modelu za pomocą narzędzia do cięcia lub wycinania. Wystarczy zachować około 0.5 cm odstępu między zewnętrzną krawędzią obudowy a odciskiem mięśnia sercowego na wewnętrznej ściance obudowy. Dodatkowy materiał wydłuży czas druku 3D, ale nie wpłynie na produkt końcowy. W programie Magics wybierz Cut > Indicate Polyline > zaznacz interesujące punkty > Apply.
UWAGA: Narzędzie edycyjne działa jako nieskończona płaszczyzna cięcia i usunie każdą część maski zaznaczoną w kierunku osi Z. - Podziel obudowę mięśnia sercowego na kilka części, co umożliwi zmontowanie obudowy wokół złożonej anatomii formy puli krwi. Do tego celu zaleca się użycie narzędzia do cięcia i/lub wycinania.
UWAGA: Poniższe kroki stanowią sugestię cięć w obudowie mięśnia sercowego, które podzielą ją na cztery sekcje; uznano, że są one wystarczające zarówno dla dokładności diagnostycznej, jak i montażu obudowy wokół puli krwi w przypadku wielu modeli serca. Jednak każdy model będzie inny, dlatego kluczowe jest pamiętanie, że obudowa musi zostać zmontowana wokół puli krwi przed wylaniem silikonu i usunięta po jego zastygnięciu. Zwróć szczególną uwagę na miejsca, w których obudowa musi przejść przez pętlę w puli krwi lub otoczyć długie naczynia krwionośne. Takie elementy mogą wymagać podziału obudowy mięśnia sercowego na dodatkowe części w obszarze występowania danego elementu, aby zapewnić możliwość montażu i demontażu wokół puli krwi. - Dostosuj widok obudowy mięśnia sercowego za pomocą narzędzi obrotu i panoramowania tak, aby wierzchołek serca był skierowany w dół, a łuk aorty znajdował się poziomo. Wykonaj poziome cięcie przez aortę, które podzieli obudowę mięśnia sercowego na dolną połowę zawierającą wierzchołek oraz górną połowę. Długość tego cięcia oraz wszystkich kolejnych cięć będzie różnić się w zależności od modelu serca. W programie Magics używaj lewego i prawego przycisku myszy odpowiednio do sterowania obrotem i panoramowaniem. Następnie wybierz Cut > Indicate Polyline > zaznacz interesujące punkty > Apply.
UWAGA: Narzędzie edycyjne działa jako nieskończona płaszczyzna cięcia i usunie każdą część maski zaznaczoną w kierunku osi Z.- Wykonaj pionowe cięcie wzdłuż najszerszej sekcji dolnej połowy obudowy mięśnia sercowego. Upewnij się, że dolna połowa obudowy mięśnia sercowego została podzielona mniej więcej na pół.
- Wykonaj drugie pionowe cięcie wzdłuż najszerszej sekcji górnej połowy obudowy mięśnia sercowego. Upewnij się, że górna połowa obudowy mięśnia sercowego została podzielona mniej więcej na pół.
- Dodaj kołki (podpory) do elementów obudowy mięśnia sercowego, aby zapewnić prawidłowe dopasowanie podczas montażu. Zaleca się użycie narzędzia do generowania podpór oraz narzędzia odejmowania Boole'a z wartością luzu 0.25mm w celu utworzenia pasujących podpór i gniazd na podpory. W programie Magics wybierz Add Props > wskaż pozycję na modelu > Apply.
- Utwórz otwór do wypełniania silikonem o średnicy 1.0 cm w jednym z elementów górnej połowy obudowy mięśnia sercowego. Cechy powierzchni mięśnia sercowego znajdujące się bezpośrednio pod otworem wypełniającym zostaną zasłonięte, dlatego upewnij się, że otwór wypełniający nie znajduje się nad żadnymi zewnętrznymi cechami anatomicznymi, które będą kluczowe dla użytkowania modelu. Zweryfikuj rozmieszczenie otworu z ekspertem przedmiotowym (SME).
Rysunek 2: Model obudowy mięśnia sercowego w oprogramowaniu CAD. Obudowa mięśnia sercowego wygenerowana w oprogramowaniu CAD dla przypadku serca z VSD. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Przeprowadź diagnostykę każdego elementu obudowy z osobna, aby upewnić się, że nie występują następujące błędy: odwrócone normalki, błędne krawędzie, błędne kontury, bliskość błędnych krawędzi, otwory płaskie lub powłoki. W przypadku wykrycia błędu należy go naprawić za pomocą narzędzia/kreatora naprawczego, jeśli jest dostępny, lub ręcznie, jeśli nie. W programie Magics: Check Diagnostics > Auto-resolve.
- Błędy, których nie można naprawić ręcznie ani za pomocą narzędzia/kreatora, należy usunąć poprzez zastosowanie funkcji shrink wrap (opasanie) za pomocą odpowiedniego narzędzia. Dostosuj interwał próbkowania oraz wartości wypełniania luk (gap fill) w stopniu niezbędnym do usunięcia błędów w konkretnym elemencie, tak aby po recenzji eksperta przedmiotowej (SME) anatomia nie uległa zmianie. W programie Magics: Fix > Shrink Wrap > postępuj zgodnie z instrukcjami w oknie dialogowym.
- Zapisz/wyeksportuj poszczególne elementy obudowy mięśnia sercowego jako pliki STL.
3. Utworzenie form fizycznych
- Otwórz modele obudowy mięśnia sercowego oraz puli krwi w odpowiednim oprogramowaniu typu slicer, aby wygenerować pliki do druku 3D (plik G-Code) dla drukarki 3D wykorzystującej technologię wytwarzania przyrostowego (AM). Rozmieść elementy obudowy mięśnia sercowego za pomocą narzędzia do obrotu i/lub kładzenia na płasko w taki sposób, aby każda krawędź stykająca się z innym elementem obudowy znajdowała się w pionie. Dodaj podpory do wszystkich elementów ręcznie lub za pomocą narzędzia do automatycznego generowania podpór dostępnego w oprogramowaniu, jeśli jest ono dostępne.
Rysunek 3: Konfiguracja obudowy mięśnia sercowego i puli krwi w oprogramowaniu CAD do druku 3D. Obudowa mięśnia sercowego i pula krwi z odpowiednią orientacją i dodanymi podporami w ramach przygotowania do druku 3D w oprogramowaniu CAD do druku 3D dla przypadku kardiologicznego z VSD. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Przeprowadź slicing modeli w celu wygenerowania G-kodu do wykorzystania w drukarce 3D z następującymi parametrami: basen krwi w ABS przy użyciu: temperatury stołu grzejnego 100°C, temperatury ekstrudera 250°C, gęstości wypełnienia 5%, domyślnej prędkości drukowania 50 mm/s, prędkości wewnętrznej powłoki 70 mm/s oraz prędkości zewnętrznej powłoki 50 mm/s; forma mięśnia sercowego w ABS lub kwasie polimlekowym (PLA) przy użyciu: temperatury stołu grzejnego 60 °C dla PLA lub 100 °C dla ABS, temperatury ekstrudera 205 °C dla PLA lub 250 °C dla ABS, gęstości wypełnienia 15%, domyślnej prędkości drukowania 50 mm/s, prędkości wewnętrznej powłoki 80 mm/s oraz prędkości zewnętrznej powłoki 30 mm/s.
- Zapisz lub wyeksportuj G-kod.
- Prześlij plik do drukowania do drukarki 3D za pomocą dysku Flash lub połączenia Wi-fi, zależnie od możliwości drukarki; upewnij się, że do drukarki 3D załadowano odpowiedni filament, i rozpocznij drukowanie. Drukarka 3D powinna spełniać następujące wymagania: być kompatybilna i wyposażona w dyszę o średnicy mniejszej niż 0.4 mm oraz zdolna do uzyskania rozdzielczości warstwy mniejszej niż 0.25 mm. Po zakończeniu drukowania użyj szczypiec wąskonosowych i pęsety, aby usunąć cały materiał podporowy z wydrukowanych elementów.
Rycina 4: Elementy modelu wydrukowanego w 3D. Fotografia (A) fizycznej formy zbiornika krwi oraz (B) elementów obudowy mięśnia sercowego przypadku kardiologicznego z VSD, wytworzonych na drukarce 3D po usunięciu materiału podporowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
- Złóż elementy obudowy mięśnia sercowego wokół formy zbiornika krwi, upewniając się, że wszystkie części ściśle do siebie przylegają. Jeśli obudowa mięśnia sercowego nie pasuje do zbiornika krwi, dokonaj niewielkich korekt elementu formy obudowy za pomocą ręcznego szlifierki rotacyjnej w celu usunięcia nadmiaru materiału. W przypadku konieczności wprowadzenia dużych korekt może być wymagana edycja pliku STL w oprogramowaniu CAD i wykonanie nowego wydruku 3D.
OSTROŻNIE: Podczas używania ręcznej szlifierki rotacyjnej należy stosować ochronę oczu. Użycie szlifierki rotacyjnej na zbiorniku krwi lub obudowie mięśnia sercowego spowoduje stopienie plastiku. Należy używać jej oszczędnie i ostrożnie.
UWAGA: Protokół można przerwać pomiędzy dowolnymi krokami przed tym etapem. - Przeprowadź wygładzanie oparami acetonu, jeśli obudowa mięśnia sercowego została wydrukowana w 3D z ABS, a ekspert dziedzinowy (SME) wymaga gładszego wykończenia powierzchni silikonowej. Jeśli gładsze wykończenie powierzchni nie jest pożądane ani wymagane, można pominąć proces wygładzania oparami, co będzie miało minimalny wpływ na końcową anatomię modelu.
OSTROŻNIE: Aceton jest lotny i łatwopalny. Należy upewnić się, że proces odbywa się w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, z dala od otwartego ognia lub iskier. Ponadto aceton rozpuszcza polichlorek winylu (PVC) i polistyren. W przypadku użycia plastikowego pojemnika należy upewnić się, że nie zawiera on PVC ani polistyrenu.- Wyłóż dno i ścianki pojemnika odpornego na działanie acetonu ręcznikami papierowymi. Wlej aceton na dolny ręcznik papierowy i pozwól mu rozprzestrzenić się w górę ręczników na ściankach pojemnika, tak aby nie tworzył on kałuży na dnie. Ilość potrzebnego acetonu będzie zależeć od wielkości użytego pojemnika; w tym przypadku w pojemniku o objętości podstawy około 400 cm3 użyto 30 mL acetonu.
- Umieść w pojemniku kawałek folii aluminiowej, aby zakryć dolny ręcznik papierowy. Połóż elementy obudowy mięśnia sercowego na folii aluminiowej i zorientuj je tak, aby powierzchnie przeznaczone do wygładzenia znajdowały się w pionie. Upewnij się, że elementy obudowy nie dotykają się nawzajem ani nie stykają się z ręcznikami papierowymi na ściankach pojemnika.
- Przykryj pojemnik pokrywką lub folią aluminiową i pozostaw elementy obudowy mięśnia sercowego w pojemniku bez zakłóceń, aż do uzyskania około 80% pożądanego wykończenia powierzchni, co należy stwierdzić na podstawie inspekcji wizualnej. Czas potrzebny do zakończenia procesu wygładzania oparami będzie zależał od wielkości pojemnika i ilości użytego acetonu. Zacznij sprawdzać elementy obudowy pod kątem pożądanego wykończenia powierzchni w odstępach 15 min po początkowych 30 min. W tym badaniu wygładzanie oparami trwało 2 h dla struktury o objętości 150 mL.
- W rękawicach ostrożnie wyjmij elementy obudowy mięśnia sercowego z pojemnika, dotykając tylko zewnętrznych powierzchni. Pozostaw elementy do całkowitego odgazowania w dobrze wentylowanym pomieszczeniu przez około 30 min lub do momentu, aż staną się gładkie, suche i twarde.
Rysunek 5: Elementy obudowy mięśnia sercowego wygładzone oparami. Fotografia elementów obudowy mięśnia sercowego z modelu serca z VSD po wygładzeniu oparami acetonu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
4. Wlewanie silikonu
UWAGA: Niektóre zanieczyszczenia, w tym lateks i siarka, mogą hamować utwardzanie silikonów w przypadku kontaktu. Zaleca się zapoznanie z biuletynami technicznymi przed próbą zastosowania silikonu.
- Oszacuj ilość dwuskładnikowego silikonu utwardzanego platynowo, który będzie potrzebny do stworzenia modelu mięśnia sercowego; ilość silikonu będzie zależeć od rozmiaru tworzonego modelu. Alternatywnie, zmierz objętość segmentacji mięśnia sercowego za pomocą oprogramowania CAD, aby określić potrzebną ilość silikonu. Upewnij się, że silikon posiada następujące właściwości: twardość Shore 2 A, wytrzymałość na rozciąganie 1,986 kPa, wydłużenie przy zerwaniu 763%, skurcz mniejszy niż 0,0254 mm/mm, lepkość mieszaniny 18,000 cps, czas życia mieszaniny 12 min oraz czas utwardzania 40 min. W niniejszym badaniu wymagano 300 mL silikonu.
- Dokładnie wymieszaj część A i część B silikonu przed wlaniem niezbędnych ilości w odpowiednich proporcjach do kubka do mieszania. Jeśli model ma mieć określony kolor, dodaj pigment i dokładnie wymieszaj wszystkie części wraz z pigmentem. W niniejszym badaniu zmieszano po 150 mL części A i części B, mieszając je ręcznie lub za pomocą mieszadła. Produkt Sil-pigment w kolorze „blood” (patrz Tabela Materiałów) dodawano za pomocą patyczka do rzemiosła, aż do uzyskania pożądanego koloru.
- Umieść dokładnie wymieszany silikon w komorze próżniowej przy ciśnieniu 29 in Hg na 2-3 min w celu odgazowania. Silikon zwiększy swoją objętość podczas procesu odgazowywania do około dwukrotności objętości początkowej, dlatego należy upewnić się, że pojemnik do mieszania ma wystarczająco dużo miejsca na tę ekspansję. Odpowietrz i wyjmij odgazowany silikon z komory, a następnie zanurz w nim model krwi (blood pool), aby dokładnie go pokryć, upewniając się, że wszystkie pustki i wnęki w modelu krwi są wypełnione silikonem.
- Dokładnie spryskaj wszystkie elementy obudowy mięśnia sercowego środkiem ułatwiającym oddzielanie (patrz Tabela Materiałów) w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Zmontuj dolną połowę obudowy mięśnia sercowego wokół wierzchołka modelu krwi. Jeśli jakiekolwiek szwy między elementami obudowy pozwalają na wyciek silikonu, użyj zacisków lub materiału takiego jak klej na gorąco lub glina, aby uszczelnić wyciek na zewnętrznej powierzchni formy.
- Wlej silikon w przestrzeń między model krwi a ściankę obudowy, pozwalając mu wpłynąć we wszystkie szczeliny. Kontynuuj wlewanie silikonu, aż zmontowane elementy formy mięśnia sercowego zostaną nim wypełnione.
- Zmontuj pozostałe elementy obudowy mięśnia sercowego, mocno zabezpieczając je za pomocą gumek recepturek i zacisków, jeśli jest to konieczne. Wlewaj silikon przez otwór wlotowy w górnej części obudowy mięśnia sercowego, aż cała przestrzeń mięśnia sercowego zostanie wypełniona silikonem.
- Pozostaw silikon do utwardzenia na ok. 40 min. Wyjmij silikonowe serce z obudowy mięśnia sercowego i odetnij wszelkie nadlewki silikonowe powstałe w przestrzeniach między elementami obudowy lub przy otworze wlotowym.
5. Rozpuszczanie puli krwi
- Zidentyfikuj wszystkie naczynia krwionośne w modelu silikonowym, które powinny mieć otwarte końce, i odetnij nadmiar silikonu je zakrywającego, aby odsłonić znajdujący się wewnątrz zbiornik krwi z ABS.
- Zanurz silikonowe serce w kąpieli z acetonem. ABS zacznie mięknąć po 10-15 min od zanurzenia w acetonie; w miarę postępu tego procesu usuwaj pęsetą duże fragmenty ABS, aby przyspieszyć proces jego rozpuszczania.
- Gdy większość zbiornika krwi z ABS zostanie rozpuszczona, przeprowadź dwa lub trzy dodatkowe płukania/moczenia w czystym acetonie, aby usunąć cały ABS z silikonu. Wyjmij model serca z kąpieli acetonowej i pozostaw go w dobrze wentylowanym pomieszczeniu do odparowania pozostałego acetonu. Czas potrzebny do całkowitego rozpuszczenia ABS będzie zależeć od wielkości modelu, ilości ABS usuniętej ręcznie oraz ilości zastosowanego acetonu.
Rysunek 6: Specyficzny dla pacjenta silikonowy model serca z VSD. Fotografia widoku powierzchni osierdzia kompletnego modelu silikonowego z VSD. VSD nie jest widoczna ze względu na jej położenie w obrębie wewnątrzsercowej struktury mięśnia sercowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Wyniki
W celu stworzenia reprezentatywnego silikonowego modelu serca wybrano dane z obrazowania radiologicznego pacjenta z VSD. Anatomię pacjenta poddano segmentacji przy użyciu oprogramowania do segmentacji CAD w celu wygenerowania cyfrowego modelu mięśnia sercowego oraz cyfrowego modelu łożyska krwi (Rysunek 1). Ręczna segmentacja łożyska krwi i mięśnia sercowego przy zastosowaniu przedstawionego protokołu trwa od 1 do 3 h. Po zakończeniu segmentacji model mięśnia sercowego otwarto w oprogramowaniu CAD w celu dalszej obróbki. Model wyrównano do trójwymiarowego pudełka utworzonego w programie, a następnie odjęto go za pomocą operacji boolowskich. Proces ten pozostawił negatyw modelu mięśnia sercowego, tworząc formę. Formę mięśnia sercowego przycięto do bardziej odpowiedniego rozmiaru, podzielono na segmenty i zmodyfikowano poprzez dodanie podpór do wyrównania elementów (Rysunek 2). Tworzenie obudowy trwało od 2 do 6 h. Wszystkie elementy formy mięśnia sercowego oraz łożysko krwi załadowano do oprogramowania do slicowania druku 3D i wygenerowano G-Code w celu wydrukowania elementów z ABS (Rysunek 3). Wydrukowane w 3D elementy po usunięciu materiału podporowego przedstawiono na Rysunku 4. Elementy obudowy mięśnia sercowego poddano wygładzaniu oparami w celu poprawy wykończenia powierzchni modelu (Rysunek 5). Po zakończeniu procesu wygładzania oparami formę złożono wokół modelu łożyska krwi i wlano silikon. Montaż i wlewanie silikonu trwały jedną godzinę. Po utwardzeniu silikonu model serca wyjęto z obudowy mięśnia sercowego i zanurzono w acetonie, aby rozpuścić łożysko krwi. Po około dwudziestu czterech godzinach moczenia łożysko krwi uległo rozpuszczeniu. Wykonano końcowe płukanie acetonem i pozostawiono model do całkowitego wyschnięcia. Gotowy silikonowy model serca przedstawiono na Rysunku 6. Aby ocenić dokładność i funkcjonalność modelu silikonowego, ekspert w dziedzinie CHD (wrodzonych wad serca) wykonał nacięcie, aby umożliwić obserwację wewnętrznej anatomii. Stwierdzono obecność oczekiwanego VSD, a chirurg kardiochirurg dziecięcy naszył na model łatę GORE-TEX w celu korekcji VSD (Rysunek 7). W prawidłowo wykonanym modelu silikonowym cała anatomia i wady pacjenta będą widoczne zarówno zewnętrznie, jak i wewnętrznie. Podsumowanie protokołu znajduje się w Pliku uzupełniającym 1.
Rysunek 7: Łatka GORE-TEX wszyta w silikonowy model serca z VSD. Fotografia przedstawiająca (A) widok chirurga na spersonalizowany silikonowy model serca z VSD oraz (B) widok chirurga na VSD w modelu zamknięte za pomocą łatki GORE-TEX. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Plik uzupełniający 1: Schemat protokołu wytwarzania silikonowego serca. Schematyczny rysunek protokołu wytwarzania spersonalizowanego silikonowego modelu serca pacjenta. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: Podsumowanie kluczowych etapów i potencjalnych negatywnych wyników. Podsumowanie etapów krytycznych w opracowaniu specyficznego dla pacjenta silikonowego modelu serca oraz potencjalnych negatywnych wyników, które mogą wystąpić w przypadku nieprawidłowego wykonania tych kroków. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
Po zakończeniu protokołu powinien powstać specyficzny dla pacjenta silikonowy model serca do przygotowania chirurgicznego. Istnieje jednak kilka krytycznych kroków, które należy wykonać poprawnie, aby to osiągnąć. Podsumowanie krytycznych kroków w protokole można zobaczyć w pliku uzupełniającym 2, a także potencjalne wyniki, jeśli kroki te nie zostaną wykonane prawidłowo. Pierwszym krytycznym krokiem jest segmentacja danych obrazowania radiologicznego pacjenta. Ten krok wymaga pozyskania zestawu danych diagnostycznego obrazowania 3D. Użyteczność modelu w planowaniu przedoperacyjnym lub edukacji zależy od jakości zestawu danych 3D. Zaleca się użycie zestawu obrazów zebranych z rozmiarem wycinka od 0,625 mm do 2,6 mm, aby upewnić się, że zestaw danych będzie miał odpowiednią rozdzielczość do produkcji modelu. Jednak wszystkie parametry obrazowania powinny być ustalane przez lekarza eksperta w dziedzinie radiologii, przy czym priorytetem jest opieka nad pacjentem. Należy zauważyć, że może być możliwe utworzenie modelu z zestawu obrazów zebranych z rozmiarem wycinka wykraczającym poza zalecane wartości, ale będzie to miało negatywny wpływ na rozdzielczość i jakość modelu. Po uzyskaniu obrazów, jeśli segmentacja nie zostanie wykonana poprawnie, zwykle nie jest ona realizowana, dopóki ostateczny model nie zostanie wyprodukowany i pocięty, co powoduje stratę czasu i materiałów. Aby zapobiec temu negatywnemu wynikowi, zaleca się, aby ekspert w danej dziedzinie przejrzał podzielone na segmenty pliki przed utworzeniem form cyfrowych w celu kontroli jakości. Kolejny krytyczny krok ma miejsce podczas tworzenia form cyfrowych. Ważne jest, aby upewnić się, że przypadek mięśnia sercowego będzie mógł być zamontowany wokół modelu puli krwi. Jeśli etui nie zamyka się wokół kałuży krwi, nie można go użyć do stworzenia modelu silikonowego, ponieważ nieosadzony silikon będzie stale wyciekał, a anatomia może być zniekształcona. Ręczne obrotowe narzędzie szlifierskie może być używane do lekkiego usuwania kawałków formy mięśnia sercowego tylko wtedy, gdy potrzebne są niewielkie korekty. Jeśli potrzebne są duże korekty, forma cyfrowa będzie musiała zostać zmieniona, a zaktualizowane etui wydrukowane. Ostatnim krytycznym krokiem jest wylanie silikonu. Podczas korzystania z silikonu konieczne jest ścisłe przestrzeganie instrukcji materiałowych, ponieważ niezastosowanie się do tego może spowodować, że silikon utwardzi się z lepką powierzchnią. Jeśli powierzchnia zostanie uznana za zbyt lepką, aby można ją było wykorzystać przez MŚP, może być konieczne ponowne wydrukowanie puli krwi, jeśli nie można jej skutecznie usunąć z silikonu. Silikon będzie musiał zostać ponownie wylany, co spowoduje stratę czasu i materiałów. Jeśli użyjesz niewystarczającej ilości silikonu lub silikon wycieknie z formy obudowy mięśnia sercowego podczas procesu wiązania, uzyskany model będzie niekompletny. Tej awarii można zaradzić, mieszając i wlewając dodatkowy silikon do formy. Materiał taki jak gorący klej lub glina może być użyty do uszczelnienia szwów formy obudowy mięśnia sercowego, jeśli wydaje się, że niewielka ilość silikonu przecieka podczas procesu utwardzania.
Ta metoda tworzenia specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca może być modyfikowana, aby umożliwić stworzenie modelu dowolnej miękkiej struktury anatomicznej z specyficzną dla pacjenta lub złożoną geometrią wewnętrzną i zewnętrzną. Zakładając, że anatomia docelowa jest prawidłowo podzielona na segmenty, pozostałe kroki protokołu można wykonać przy minimalnych zmianach. Chociaż nie jest to przedmiotem obecnych prac, protokół został zastosowany do miąższu wątroby z podobnym powodzeniem. Wykorzystany materiał do druku 3D może być również modyfikowany. ABS i PLA są zalecane do stosowania ze względu na ich niski koszt, ale każdy rozpuszczalny materiał do druku 3D może zastąpić ABS, a każdy pożądany materiał do druku 3D może zastąpić PLA przy minimalnej lub żadnej zmianie protokołu. W przypadku korzystania z innych materiałów do druku należy przestrzegać wszystkich parametrów druku określonych przez producenta filamentu. Metoda ta może być dodatkowo modyfikowana poprzez zastosowanie innego silikonu. Silikon zalecany do stosowania w tym protokole ma twardość Shore'a 2 A, ale jeśli pożądana jest inna wartość twardości Shore'a, można zastąpić inny silikon przy minimalnych lub żadnych zmianach w protokole. Pamiętaj, aby przestrzegać wszystkich specyfikacji i procedur produkcyjnych podczas korzystania z innego produktu silikonowego.
Chociaż protokół ten nakreśla ulepszoną procedurę modelowania serca, nie jest pozbawiony ograniczeń. Głównym ograniczeniem tego protokołu jest to, że chociaż zastosowany silikon utwardzający platynę jest bliższy twardości tkanki serca niż inne dostępne materiały, twardość nie jest jedyną właściwością, która odgrywa rolę w umiejętnościach motorycznych treningu chirurgicznego. W szczególności prawdziwa tkanka serca będzie wykazywać kruchość lub rozrywanie pod wpływem siły. Zastosowany silikon jest bardzo elastyczny, z wydłużeniem przy zerwaniu 763% i wytrzymałością na rozciąganie 1 986 kPa19. Tkanka serca świni, która jest uważana za dokładne odwzorowanie ludzkiej tkanki serca, ma wydłużenie przy zerwaniu 28-66% i wytrzymałość na rozciąganie 40-59 kPa26. Różnica ta stanowi problem, ponieważ kardiochirurgii mogą przeprowadzić operację na silikonowym modelu serca i zyskać fałszywe poczucie pewności, ponieważ model może wytrzymać siły, których prawdziwa tkanka serca nie jest w stanie wytrzymać. Metodologia ta może być również ograniczona przez model serca o bardzo złożonej geometrii. Wraz ze wzrostem złożoności anatomicznej modelu, protokół może zrekompensować poprzez zwiększenie liczby elementów w formie mięśnia sercowego. Zasadniczo, coraz bardziej złożone modele będą wymagały coraz bardziej złożonych projektów form i wydłużonego czasu projektowania.
Proces tworzenia modelu opisany w tym protokole jest lepszy od wielu innych dostępnych alternatyw ze względu na jego zdolność do odtwarzania tanich, dokładnych replik anatomicznych anatomicznie napotkanej chirurgicznie. Tkanki zwłok i tkanki zwierzęce pozwalają na symulacje o wysokiej wierności, ale wiążą się one ze znacznie wyższymi kosztami i wymagają specjalnych ustawień laboratoryjnych do wykorzystania i konserwacji 2,6. Co więcej, modele tkanek zwłok i tkanek zwierzęcych mają obawy etyczne, nie są specyficzne dla pacjenta, a złożone zaburzenia wieńcowe często muszą być wytwarzane ręcznie przez chirurga lub instruktora, co często prowadzi do niedokładności lub uszkodzenia otaczających tkanek i narządów. Inną potencjalną techniką modelowania jest wykorzystanie rzeczywistości wirtualnej. Rzeczywistość wirtualna pozwala na cyfrową replikację specyficznych dla pacjenta modeli serca, co jest skutecznym narzędziem do tworzenia dokładnych reprezentacji mentalnych anatomii pacjenta i planów chirurgicznych. Ponadto niektóre systemy VR pozwoliły na podstawowe symulacje z włączeniem dotykowego sprzężenia zwrotnego. Jednak dostępne dotykowe sprzężenie zwrotne nie jest realistyczne niezbędne do odtworzenia niezbędnych umiejętności motorycznych w zabiegach chirurgicznych wrodzonych wad serca4. Druk 3D to kolejna dostępna metoda tworzenia modeli serca dostosowanych do potrzeb pacjenta 2,24. Jednak powszechne wdrażanie drukarek 3D o wysokiej wierności, zdolnych do produkcji wielomateriałowych, miękkich modeli, jest hamowane przez ich niezwykle wysoki koszt 11,14,15. Dostępne są tanie drukarki 3D, ale można drukować tylko w materiałach, które są znacznie twardsze niż prawdziwy mięsień sercowy. Kiedy jeden z najmiększych dostępnych materiałów do drukarki 3D został użyty do stworzenia modelu przez Scanlana i wsp., okazało się, że model jest twardszy niż prawdziwa tkanka serca17. Opisywany materiał posiadał twardość Shore'a pomiędzy 26 A a 28 A, nadając mu fakturę zbliżoną do gumki recepturki. Zastosowany w tym protokole silikon utwardzany platyną ma twardość Shore'a 2 A, nadając mu teksturę zbliżoną do żelowej wkładki do buta i znacznie bliższą twardości prawdziwych tkanek serca, który wynosi 43 0020 lub ~ 0 A. Hoashi i in. wykorzystali również metodę podobną do tej opisanej w tym protokole, aby opracować elastyczny model serca wydrukowany w 3D. Dwie formy, reprezentujące wewnętrzną i zewnętrzną geometrię mięśnia sercowego, zostały wydrukowane w 3D przy użyciu drukarki SLA, a następnie odlane próżniowo z gumopodobnej żywicy poliuretanowej. Chociaż metoda ta pozwoliła na stworzenie modelu miękkiego serca, proponowany koszt produkcji tej metody na model wynosił od 2000 do 3000USD. Dla porównania, całkowity koszt materiałowy metody opisanej w przedstawionym protokole wynosi mniej niż 10 USD. Wreszcie podobną metodę zastosowali również Russo i wsp. Tworzenie silikonowych modeli zastawki aortalnej i aorty proksymalnej do praktyki zabiegowej. Podczas gdy metoda Russo i wsp. skupia się na podobnym celu, przedstawiony przez nich proces miał na celu odtworzenie znacznie prostszych anatomii aorty lub zastawek aortalnych. Przedstawiony tutaj protokół wyróżnia się tym, że koncentruje się na anatomii wewnątrzsercowej i mięśnia sercowego, które są mniejsze, bardziej złożone i byłyby niezwykle trudne do odtworzenia przy użyciu historycznych metodologii. Pomimo tej różnicy, modele stworzone przez Russo i wsp. były bardzo przydatne do symulacji i szkolenia w kardiochirurgii przez ankietowanych kardiochirurgów23. Zasadniczo, metoda opisana w tym protokole pozwala na tanie tworzenie złożonych, specyficznych dla pacjenta wrodzonych modeli serca z dokładnie odwzorowanymi wadami i właściwościami materiału bardziej zbliżonymi do rzeczywistej tkanki sercaniż inne metody modelowania 1,16, co pozwala na operowanie modeli z realistyczną wiernością dotykową.
Idąc dalej, metodologia ta może być zastosowana do tworzenia modelu dowolnej anatomii pacjenta o złożonych cechach wewnętrznych i zewnętrznych. Opracowanie alternatywnego materiału do gromadzenia krwi, który mógłby zostać usunięty z modelu silikonowego w mniej destrukcyjny sposób lub wyprodukowany przy użyciu mniej czasochłonnej metody, sprawiłoby, że proces ten byłby bardziej efektywny czasowo i kosztowo. W rezultacie, nowa pula krwi nie musiałaby być odtwarzana przy każdym kolejnym procesie formowania, co prowadziłoby do skalowalności powiązanego treningu. Poprawiono również właściwości fizyczne silikonu użytego do stworzenia modelu. Silikon o mniejszym wydłużeniu przy zerwaniu zwiększyłby realizm modelu i pomógłby poprawić jego wartość jako narzędzia edukacyjnego dla kardiochirurgów próbujących nauczyć się niezbędnych umiejętności motorycznych do wykonywania tych skomplikowanych zabiegów. Grupą materiałów dostępnych obecnie na rynku, które warto wziąć pod uwagę, aby pomóc w tym rozwiązaniu, są silikonowe symulowane materiały szklane25. Te materiały silikonowe wykazują znacznie mniejsze wydłużenie przy zerwaniu, co prowadzi do wyraźnego "rozbicia" po przyłożeniu siły w sposób podobny do szkła. Modulowanie silikonu utwardzanego platyną zastosowanego w tym protokole za pomocą dodatków tego symulowanego silikonu materiału szklanego może pozwolić na kontrolę charakterystyki kruchości modelu przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej twardości Shore'a, poprawiając ogólną wierność dotykową. Wreszcie, rozdzielczość anatomii, którą może wytworzyć ten protokół, jest ograniczona rozdzielczością drukarki 3D używanej do generowania form. Wraz z postępem technologicznym powinna również ulec poprawie rozdzielczość anatomii, którą można uzyskać za pomocą tego protokołu.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować OSF HealthCare za umożliwienie tego badania, a także dr Markowi Plunkettowi za jego wiedzę proceduralną i zastosowanie umiejętności w naszym produkcie końcowym.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Filament ABS 1,75 mm | Matter Hacker | matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-Anegdotycznie stała jakość, przystępna cena | |
| Filament PLA 1,75 mm | Matter Hacker | https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU | Anegdotycznie spójna jakość, przystępna cena |
| 8220 12VMax o wysokiej wydajności Bezprzewodowy | Dremel | https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless | Bezprzewodowy dla łatwiejszego dostępu do małych elementów w modelu |
| Acetone | Sunnyside | https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5 | Bulk |
| Dragon Skin Fx-Pro | Smooth-On https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro | Standardowa, bezpieczna dla skóry | |
| Ease Release 200 | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 | zapewniająca łatwe usuwanie silikonu z formy |
| Plaster GORE-TEX | GORE | https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch | Plaster na układ sercowo-naczyniowy |
| ideaMaker | Raise 3D | https://www.raise3d.com/download/ | Dołączone oprogramowanie CAD G-code dla drukarek 3D |
| Raise Magics | Materilise | https://www.materialise.com/en/software/magics | Bogate w funkcje oprogramowanie CAD zdolne do manipulowania powierzchniami organicznymi |
| Naśladuje | materiał | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics | Bogate w funkcje oprogramowanie do segmentacji |
| Dane DICOM pacjenta | - | - | Dane DICOM zazwyczaj pochodzą z tomografii komputerowej pacjenta lub rezonansu magnetycznego |
| Pro2 Plus | Raise 3D | https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/ | Anecdotallay niezawodna, podwójnie wytłaczana drukarka 3D FDM |
| PRO2-100 Przemysłowy pistolet do klejenia | Surebonder | https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks | Przemysłowej jakości pistolet do klejenia na gorąco |
| Silc Pig | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments | Pigment do dodawania koloru do silikonu |
| Komora próżniowa | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber | Anegdotycznie niezawodna komora próżniowa do usuwania pęcherzyków powietrza z mieszanego silikonu |
Bibliografia
- Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
- Hussein, N., et al. Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).
- Wilson, H. K., Feins, R. H. Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , Springer, Cham. 263-274 (2019).
- Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).
- Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).
- Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).
- Velasco Forte, M. N., et al. Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD. Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).
- Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review. Heart. 106, 1631-1637 (2020).
- Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study. BMC Medical Education. 18 (178), (2018).
- Farooqi, K. M., Mahmood, F. Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).
- Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study. Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).
- Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
- Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).
- Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
- Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. Affordable three-dimensional printed heart models. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498(2021).
- Lau, I., et al. Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).
- Scanlan, A. B., et al. Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves. Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).
- Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
- Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
- Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials. Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).
- Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).
- Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).
- Hoashi, T., et al. Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).
- Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).
- Russo, M., et al. Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).
- Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. Three-dimensional printing surgical applications. ePlasty. 15, 37(2015).
- Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
- Riedle, H., Molz, P., Franke, J. Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models. IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).
Przedruki i uprawnienia
