Artykuł metodologiczny

Tworzenie specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca z zastosowaniami w planach przedoperacyjnych i szkoleniach praktycznych

5.2K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/62805

⸱

10 lutego 2022

 ,  ,  ,  , 
1Jump Simulation, OSF HealthCare, 2Advanced Imaging and Modeling Lab, OSF HealthCare Jump Trading Simulation & Education Center, University of Illinois College of Medicine

W tym artykule

Podsumowanie

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.

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 zasad właściwego postępowania z informacjami o pacjentach oraz zapewnieniem wymaganych zgód niezbędnych do wykorzystania danych konkretnych pacjentów. W przypadku wykorzystania takich danych, zostały one zanonimizowane w celu zapewnienia ochrony prywatnych informacji zdrowotnych pacjenta.

UWAGA: Poniższy protokół został opracowany w sposób niezależny od konkretnego 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 użyto programu Materialise Magics. Poza ogólnym podejściem zamieszczono również szczegółowe instrukcje dotyczące tych programów.

1. Segmentacja anatomii pacjenta

  1. Zgodnie z wytycznymi eksperta przedmiotowego (SME), należy pozyskać zestaw obrazów radiologicznych pacjenta, zazwyczaj tomografii komputerowej (CT) lub rezonansu magnetycznego (MRI), wykonanych przy użyciu protokołu 3D w celu zapewnienia odpowiedniej rozdzielczości. Otwórz zestaw danych w oprogramowaniu do segmentacji wspomaganego projektowania komputerowego (CAD)23.
    1. W celu prawidłowego pozyskania obrazów należy odwołać się do protokołów radiologicznych danej instytucji (ponieważ każdy pacjent wymaga innych uwzględnień, trudno jest podać konkretne wytyczne). Jednak jako reprezentatywny przykład, poniżej znajdują się ustawienia, których użyliśmy w wcześniej udokumentowanym przypadku modelu 3D: protokół CT 3D sugeruje parametry: skaner warstw w trybie osiowym, grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm, Kv 70, zakres Smart mA 201-27 (tryb smart MA 26), prędkość obrotu 0,28 ms. Sugerowane parametry protokołu MRI 3D: skaner warstw w trybie osiowym, grubość warstwy i odstęp między warstwami 0,625 mm.
  2. Wygeneruj wstępną segmentację tkanki mięśnia sercowego, używając narzędzia progu jednostek Hounsfielda (HU) z górnymi i dolnymi granicami ustawionymi na wartości odpowiednie i specyficzne dla danego zestawu danych. Doprecyzuj zaznaczenie w razie potrzeby, aby dokładnie odwzorować anatomię. Zaleca się stosowanie narzędzi posiadających następujące funkcje: przycinanie (crop), dodawanie i odejmowanie (add and subtract), wzrost regionu (region grow), edycję wielowarstwową (multi-slice edit) oraz wypełnianie wnęk (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 domyślnych okien anatomicznych, dokładnych pomiarów HU lub przesuwając suwak narzędzia, aż pożądana anatomia zostanie zamaskowana.
  3. Wygeneruj segmentację łożyska krwi. W tym celu zastosuj kroki opisane w punkcie 1.2. W programie Mimics użyj domyślnego anatomicznego okna HU od 26 do 3071, aby uchwycić łożysko krwi.
  4. Jeśli generowany model ma być wykorzystany w opiece nad pacjentem, przed przejściem do następnego kroku należy zlecić kardiologowi, radiologowi lub innemu ekspertowi przedmiotowemu (SME) weryfikację segmentacji modelu wirtualnego, aby upewnić się, że wszystkie cechy anatomiczne i wady zostały dokładnie zsegmentowane i znajdą się w kompletnym modelu.
  5. Wygeneruj model przypadku mięśnia sercowego poprzez odwrócenie segmentacji mięśnia sercowego za pomocą narzędzia wypełniania wnęk w pustej przestrzeni wokół segmentacji mięśnia sercowego i odjęcie segmentacji łożyska krwi odwróconego mięśnia sercowego za pomocą narzędzia odejmowania boolowskiego. Do wykonania tej czynności zaleca się użycie narzędzia wypełniania wnęk, narzędzia boolowskiego oraz wcześniej wygenerowanych segmentacji mięśnia sercowego i łożyska 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 łożyska krwi od maski mięśnia sercowego.

figure-protocol-1
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 powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Przejrzyj renderowanie 3D końcowych segmentacji puli krwi oraz osłonki 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 widok w prawym dolnym rogu czteropanelowego widoku domyślnego). Wybierz interesującą maskę w Project Manager. Aby wprowadzić edycje, wybierz narzędzie Edit Mask. W wyświetlonym oknie dialogowym wybierz narzędzie Lasso i upewnij się, że zaznaczona jest opcja Remove. Pozwoli to na edycję rzeczywistego podglądu 3D maski.
    UWAGA: Narzędzie edycyjne stanowi nieskończoną płaszczyznę cięcia i usunie każdą część maski wybraną w kierunku Z.
  2. Wygeneruj obiekty 3D końcowych segmentacji puli krwi oraz osłonki mięśnia sercowego. Wygładź model 3D osłonki mięśnia sercowego za pomocą narzędzia do wygładzania obiektów. Zgodnie z sugestią i zatwierdzeniem SME, dostosuj parametry iteracji i współczynnika wygładzania w zależności od konkretnego modelu, aby stworzyć model osłonki, który jest tak gładki, jak to możliwe, ale nie utracił żadnych istotnych szczegółów anatomicznych.
  3. 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.
  4. Po utworzeniu modelu pojawi się on w oknie Object, zazwyczaj poniżej okna Project Manager. Następnie kliknij prawym przyciskiem myszy wygenerowany model i wybierz Smooth. Parametrami dla tego przypadku były pięć iteracji przy wygładzaniu 0.4 mm.
  5. Zapisz/wyeksportuj końcowe modele 3D puli krwi i osłonki mięśnia sercowego jako pliki w standardowym języku teselacji (STL). Kliknij prawym przyciskiem myszy żądany model > STL+ > postępuj zgodnie z instrukcjami w oknie dialogowym, aby wyeksportować wersję STL modelu.

2. Tworzenie form cyfrowych

  1. Otwórz plik STL modelu obudowy mięśnia sercowego w programie CAD. Zaleca się ustawienie przezroczystości obudowy, aby mięsień sercowy był widoczny wewnątrz formy obudowy. W programie Magics zaimportuj pliki STL za pomocą funkcji Import Part. W oknie Project Management wybierz opcję renderowania modelu Transparent.
  2. Usuń nadmiar materiału obudowy mięśnia sercowego z modelu, używając narzędzia do cięcia lub dziurkowania. Wystarczy zachować odstęp około 0.5 cm między zewnętrzną krawędzią obudowy a odciskiem mięśnia sercowego na wewnętrznej ścianie obudowy. Dodatkowy materiał wydłuży czas druku 3D, ale nie wpłynie na produkt końcowy. W programie Magics: Cut > Indicate Polyline > wybierz interesujące punkty > Apply.
    UWAGA: Narzędzie edycyjne jest nieskończoną płaszczyzną cięcia i usunie każdą część maski wybraną w kierunku Z.
  3. Przetnij obudowę mięśnia sercowego na kilka części, co umożliwi złożenie obudowy wokół złożonej anatomii formy puli krwi. Do tego celu zaleca się użycie narzędzia do cięcia i/lub dziurkowania.
    UWAGA: Poniższe kroki stanowią sugestię cięć w obudowie mięśnia sercowego, które podzielą ją na cztery sekcje; uznano je za wystarczające zarówno dla dokładności diagnostycznej, jak i montażu obudowy wokół puli krwi w wielu modelach serca. Jednak każdy model będzie inny, dlatego kluczowe jest pamiętanie, że obudowa musi zostać złożona wokół puli krwi przed wylaniem silikonu i zdjęta po jego utwardzeniu. Zwróć szczególną uwagę na miejsca, w których obudowa musi przejść przez pętlę w puli krwi lub otoczyć długie naczynia krwionośne. Takie elementy mogą wymagać podzielenia obudowy mięśnia sercowego na dodatkowe części w obszarze występowania danej cechy, aby zapewnić możliwość montażu i demontażu wokół puli krwi.
  4. Dostosuj widok obudowy mięśnia sercowego za pomocą narzędzi rotacji i panowania, 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 i wszystkich kolejnych cięć będzie się różnić w zależności od modelu serca. W programie Magics używaj lewego i prawego przycisku myszy odpowiednio do sterowania rotacją i panowaniem. Następnie: Cut > Indicate Polyline > wybierz interesujące punkty > Apply.
    UWAGA: Narzędzie edycyjne jest nieskończoną płaszczyzną cięcia i usunie każdą część maski wybraną w kierunku Z.
    1. Wykonaj pionowe cięcie wzdłuż najszerszej sekcji dolnej połowy obudowy mięśnia sercowego. Upewnij się, że dolna połowa obudowy została podzielona mniej więcej na pół.
    2. Wykonaj drugie pionowe cięcie wzdłuż najszerszej sekcji górnej połowy obudowy mięśnia sercowego. Upewnij się, że górna połowa obudowy została podzielona mniej więcej na pół.
  5. Dodaj kołki (podpory) do elementów obudowy mięśnia sercowego, aby zapewnić prawidłowe wyrównanie podczas montażu. Zaleca się użycie narzędzia do generowania podpór oraz narzędzia odejmowania Boole'a z wartością luzu 0.25mm, aby stworzyć pasujące podpory i otwory pod podpory. W programie Magics: Add Props > wskaż pozycję na modelu > Apply.
  6. 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 nie znajduje się nad żadnymi zewnętrznymi cechami anatomicznymi, które będą kluczowe dla zastosowania modelu. Zweryfikuj rozmieszczenie otworu z ekspertem przedmiotowym (SME).

figure-protocol-2
Rysunek 2: Model przypadku mięśnia sercowego w oprogramowaniu CAD. Model mięśnia sercowego wygenerowany w oprogramowaniu CAD dla przypadku kardiologicznego z VSD. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Sprawdź diagnostykę każdego fragmentu przypadku z osobna, aby upewnić się, że nie występują następujące błędy: odwrócone normalne (inverted normal), złe krawędzie (bad edges), złe kontury (bad contours), krawędzie bliskie błędnym (near bad edges), dziury planarne (planar holes) lub powłoki (shells). Jeśli zostanie wykryty błąd, napraw go za pomocą narzędzia/kreatora naprawczego, jeśli jest dostępny, lub ręcznie, jeśli nie. W programie Magics: Check Diagnostics > Auto-resolve.
  2. Błędy, których nie można usunąć ręcznie ani za pomocą narzędzia/kreatora naprawczego, napraw za pomocą funkcji shrink wrap (opakowanie kurczliwe) przy użyciu odpowiedniego narzędzia. Dostosuj odstępy próbkowania (sample interval) oraz wartości wypełniania luk (gap fill) w zależności od potrzeb, aby skorygować błędy w konkretnym fragmencie, nie zmieniając anatomii po weryfikacji przez eksperta przedmiotowego (SME). W programie Magics: Fix > Shrink Wrap > postępuj zgodnie z oknem dialogowym.
  3. Zapisz/wyeksportuj poszczególne fragmenty przypadku mięśnia sercowego jako pliki STL.

3. Wykonanie form fizycznych

  1. Otwórz modele obudowy mięśnia sercowego oraz puli krwi w odpowiednim oprogramowaniu do warstwowania, aby wygenerować pliki do druku 3D (pliki G-Code) dla drukarki 3D wykorzystującej wytwarzanie przyrostowe (AM). Ułóż elementy obudowy mięśnia sercowego, korzystając z narzędzia obrotu i/lub poziomowania, tak aby każda krawędź stykająca się z innym elementem obudowy znajdowała się w pionie. Dodaj podpory do wszystkich elementów ręcznie lub za pomocą automatycznego narzędzia generowania podpór dostępnego w oprogramowaniu, jeśli jest ono dostępne.

figure-protocol-3
Rysunek 3: Projekt obudowy mięśnia sercowego i puli krwi w oprogramowaniu CAD do druku 3D. Obudowa mięśnia sercowego i pula krwi z odpowiednią orientacją oraz dodanymi wspornikami w przygotowaniu do druku 3D w oprogramowaniu CAD dla przypadku sercowego z VSD. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

  1. Przeprowadź slicing modeli w celu wygenerowania G-kodu do wykorzystania w drukarce 3D z następującymi parametrami: pula krwi w ABS przy użyciu: temperatury podgrzewanego stołu 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 polilaktydzie (PLA) przy użyciu: temperatury podgrzewanego stołu 60 °C dla PLA lub 10 °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.
  2. Zapisz/wyeksportuj G-kod.
  3. Prześlij plik do druku 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 półokrągłych i pęsety, aby usunąć cały materiał podporowy z wydrukowanych elementów.

figure-protocol-4
Rysunek 4: Elementy modelu wydrukowane w technologii 3D. Zdjęcie (A) fizycznej puli krwi oraz (B) elementów obudowy mięśnia sercowego przypadku kardiologicznego z VSD, wykonanych na drukarce 3D po usunięciu materiału wsporczego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Zmontować elementy obudowy mięśnia sercowego wokół formy puli krwi, upewniając się, że wszystkie części ściśle do siebie pasują. Jeśli obudowa mięśnia sercowego nie pasuje do puli krwi, należy wprowadzić niewielkie poprawki w elemencie formy obudowy za pomocą ręcznego szlifierki obrotowej, aby usunąć nadmiar materiału. Jeśli wymagana jest większa korekta, może być konieczna edycja pliku STL w oprogramowaniu CAD i wykonanie nowego wydruku 3D.
    OSTROŻNIE: Podczas używania ręcznej szlifierki obrotowej należy stosować ochronę oczu. Użycie szlifierki obrotowej na puli krwi lub obudowie mięśnia sercowego spowoduje stopienie plastiku. Należy używać jej oszczędnie i ostrożnie.
    UWAGA: Protokół można przerwać między dowolnymi etapami poprzedzającymi ten punkt.
  2. Przeprowadzić wygładzanie oparami acetonu, jeśli obudowa mięśnia sercowego została wydrukowana w 3D z ABS, a ekspert merytoryczny (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.
    1. Wyłożyć dno i ścianki pojemnika odpornego na działanie acetonu ręcznikami papierowymi. Wlać aceton na dolny ręcznik papierowy i pozwolić mu rozprzestrzenić się w górę ręczników na ściankach pojemnika, unikając tworzenia się kałuży na dnie. Ilość potrzebnego acetonu będzie zależeć od wielkości użytego pojemnika; w tym przypadku użyto 30 mL acetonu w pojemniku o objętości podstawy około 40 cm3.
    2. Umieścić w pojemniku kawałek folii aluminiowej, aby zakryć dolny ręcznik papierowy. Położyć elementy obudowy mięśnia sercowego na folii aluminiowej i zorientować je tak, aby powierzchnie przeznaczone do wygładzenia znajdowały się w pionie. Należy upewnić się, że elementy mięśnia sercowego nie dotykają się nawzajem ani nie stykają się z ręcznikami papierowymi na ściankach pojemnika.
    3. Przykryć pojemnik pokrywką lub folią aluminiową i pozostawić elementy obudowy mięśnia sercowego w pojemniku bez ruchu, aż do uzyskania około 80% pożądanego wykończenia powierzchni, co należy ocenić na podstawie inspekcji wizualnej. Czas potrzebny do zakończenia procesu wygładzania oparami będzie zależeć od wielkości pojemnika i ilości użytego acetonu. Kontrolę elementów obudowy mięśnia sercowego pod kątem pożądanego wykończenia powierzchni należy rozpocząć w odstępach 15 min po początkowych 30 min. W niniejszym badaniu wygładzanie oparami trwało 2 h dla struktury o objętości 150 mL.
    4. W rękawicach ostrożnie wyjąć elementy obudowy mięśnia sercowego z pojemnika, dotykając wyłącznie powierzchni zewnętrznych. Pozostawić elementy do całkowitego odparowania w dobrze wentylowanym pomieszczeniu przez około 30 min lub do momentu, gdy staną się gładkie, suche i twarde.

figure-protocol-5
Rysunek 5: Wygładzone oparami fragmenty obudowy mięśnia sercowego. Fotografia fragmentów obudowy mięśnia sercowego w przypadku wady z VSD po wygładzaniu 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.

  1. Oszacuj ilość dwuskładnikowego silikonu utwardzanego platynowo, która będzie potrzebna do stworzenia modelu mięśnia sercowego; ilość wymaganego silikonu będzie różnić się w zależności od rozmiaru tworzonego modelu. Alternatywnie, zmierz objętość segmentacji mięśnia sercowego za pomocą oprogramowania CAD, aby określić ilość potrzebnego silikonu. Upewnij się, że silikon posiada następujące właściwości: twardość w skali Shore'a 2 A, wytrzymałość na rozciąganie 1,986 kPa, wydłużenie przy zerwaniu 763%, skurcz poniżej 0,0254 mm/mm, lepkość po zmieszaniu 18,0 cps, czas życia mieszaniny 12 min oraz czas utwardzania 40 min. W niniejszym badaniu wymagano 30 mL silikonu.
  2. Dokładnie wymieszaj część A i część B silikonu przed wlaniem niezbędnych ilości, w odpowiednich proporcjach, do kubka do mieszania. Jeśli model ma mieć kolor, dodaj pigment i dokładnie wymieszaj wszystkie części wraz z pigmentem. W tym badaniu zmieszano i wymieszano ręcznie lub za pomocą mieszadła po 150 mL części A i części B. Za pomocą patyczka do rękodzieła dodawano produkt Sil-pigment w kolorze „blood” (patrz Tabela materiałów), aż do uzyskania pożądanego koloru.
  3. Umieść dokładnie wymieszany silikon w komorze próżniowej przy ciśnieniu 29 in Hg przez 2-3 min w celu odgazowania. Silikon zwiększy swoją objętość podczas procesu odgazowywania do około dwukrotności objętości początkowej; upewnij się, że pojemnik do mieszania ma wystarczająco dużo miejsca, aby umożliwić tę ekspansję. Wypuść powietrze i wyjmij odgazowany silikon z komory, a następnie zanurz w nim formę „blood pool”, aby dokładnie ją pokryć, upewniając się, że wszystkie pustki i wnęki w „blood pool” są wypełnione silikonem.
  4. Dokładnie spryskaj wszystkie elementy obudowy mięśnia sercowego środkiem do łatwego oddzielania (patrz Tabela materiałów) w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Złóż dolną połowę obudowy mięśnia sercowego wokół wierzchołka „blood pool”. Jeśli jakiekolwiek szczeliny między elementami obudowy pozwalają na wyciekanie silikonu, użyj zacisków lub materiału takiego jak klej na gorąco lub glina, aby uszczelnić wyciek na zewnętrznej powierzchni formy.
  5. Wlej silikon w przestrzeń między „blood pool” a ścianką obudowy, pozwalając silikonowi wpłynąć we wszystkie szczeliny. Kontynuuj wlewanie silikonu, aż elementy złożonej formy mięśnia sercowego zostaną nim wypełnione.
  6. Złóż pozostałe elementy obudowy mięśnia sercowego, mocno zabezpieczając je gumkami recepturkami i zaciskami, jeśli jest to konieczne. Wlewaj silikon przez otwór w górnym elemencie obudowy mięśnia sercowego, aż cała przestrzeń mięśnia sercowego zostanie wypełniona silikonem.
  7. Pozostaw silikon do zastygnięcia na ~ 40 min. Wyjmij silikonowe serce z obudowy mięśnia sercowego i odetnij wszelkie szwy silikonowe, które powstały w przestrzeniach między elementami obudowy lub w miejscu otworu wlewowego.

5. Rozpuszczanie puli krwi

  1. Zidentyfikuj wszystkie naczynia krwionośne, których końce na modelu silikonowym powinny pozostać otwarte, a następnie usuń nadmiar silikonu zakrywający te miejsca, aby odsłonić znajdujący się wewnątrz zbiornik krwi wykonany z ABS.
  2. Zanurz silikonowe serce w kąpieli z acetonem. ABS zacznie mięknąć po 10–15 minutach od zanurzenia w acetonie; w miarę jak to następuje, usuwaj pęsetą duże fragmenty ABS, aby przyspieszyć proces rozpuszczania tego materiału.
  3. Gdy większość puli krwi z ABS ulegnie rozpuszczeniu, należy przeprowadzić od dwóch do trzech dodatkowych płukań lub moczeń w czystym acetonie, aby usunąć cały ABS z silikonu. Wyjąć model serca z kąpieli acetonowej i pozwolić pozostałemu acetonowi odparować z modelu w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Czas potrzebny do całkowitego rozpuszczenia ABS zależy od rozmiaru modelu, ilości ABS usuniętej ręcznie oraz ilości użytego acetonu.

figure-protocol-6
Rycina 6: Specyficzny dla pacjenta silikonowy model serca z VSD.Zdjęcie widoku powierzchni osierdziowej kompletnego silikonowego modelu z VSD. VSD nie jest widoczna ze względu na swoje położenie wewnątrz struktury mięśnia sercowego. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Wyniki

Do wygenerowania reprezentatywnego silikonowego modelu serca wybrano dane obrazowania radiologicznego pacjenta z VSD. Anatomię pacjenta poddano segmentacji przy użyciu oprogramowania CAD do segmentacji w celu stworzenia cyfrowego modelu mięśnia sercowego oraz cyfrowego modelu puli krwi (Rycina 1). Ręczna segmentacja puli krwi oraz mięśnia sercowego zgodnie z przedstawionym protokołem zajmuje od 1 do 3 h. Po zakończeniu segmentacji model mięśnia sercowego otwarto w oprogramowaniu CAD w celu dalszej obróbki. Model dopasowano do stworzonego w programie trójwymiarowego prostopadłościanego obszaru (3D box), a następnie odjęto go za pomocą operacji boolowskich. Proces ten pozwolił uzyskać negatyw modelu mięśnia sercowego, tworząc formę. Formę tę przycięto do bardziej odpowiedniego rozmiaru, podzielono na segmenty i zmodyfikowano o elementy stabilizujące w celu dopasowania poszczególnych części. (Rycina 2)Przygotowanie obudowy zajęło od 2 do 6 h. Wszystkie fragmenty formy mięśnia sercowego oraz obszar wypełniony krwią zostały wprowadzone do oprogramowania do slicowania dla drukarek 3D, a następnie wygenerowano G-Code w celu wydrukowania modelu w 3D z ABS (Rysunek 3). Wydrukowane w technologii 3D elementy po usunięciu materiału podporowego przedstawiono w Rysunek 4Fragmenty obudowy mięśnia sercowego poddano wygładzaniu parowym w celu poprawy wykończenia powierzchni modelu. (Rycina 5)Po zakończeniu procesu wygładzania oparami, wokół modelu jam serca złożono formę i wlano silikon. Montaż i wlewanie silikonu trwało jedną godzinę. Po utwardzeniu silikonu model serca wyjęto z obudowy mięśnia sercowego i zanurzono w acetonie w celu rozpuszczenia modelu jam serca. Po około dwudziestu czterech godzinach moczenia model jam serca uległ rozpuszczeniu. Przepłukano model acetonem i pozostawiono go do całkowitego wyschnięcia. Gotowy silikonowy model serca przedstawiono na Rysunek 6W celu oceny dokładności i funkcjonalności modelu silikonowego, ekspert w dziedzinie wad wrodzonych serca (CHD) wykonał nacięcie, aby umożliwić obserwację anatomii wewnętrznej. Stwierdzono obecność oczekiwanej ubytku w przegrodzie międzykomorowej (VSD), a chirurg kardiochirurg dziecięcy zaszył na modelu łatę GORE-TEX w celu korekcji VSD. (Rysunek 7)W pomyślnie wykonanym modelu silikonowym cała anatomia i wady pacjenta będą widoczne zarówno zewnętrznie, jak i wewnętrznie. Podsumowanie protokołu przedstawiono w Plik uzupełniający 1.

figure-results-1
Rysunek 7: Łatka GORE-TEX wszyta w silikonowy model serca z VSD. Fotografia przedstawiająca (A) widok chirurga na specyficzny dla pacjenta 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 krytycznych etapów i potencjalnych negatywnych wyników. Podsumowanie etapów krytycznych w opracowaniu specyficznego dla pacjenta silikonowego modelu serca oraz potencjalnych negatywnych wyników, które mogą wystąpić, jeśli etapy te nie zostaną prawidłowo zrealizowane. Prosimy kliknąć 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

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Filament ABS 1,75 mmMatter Hackermatterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-Anegdotycznie stała jakość, przystępna cena
Filament PLA 1,75 mmMatter Hackerhttps://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKUAnegdotycznie spójna jakość, przystępna cena
8220 12VMax o wysokiej wydajności BezprzewodowyDremelhttps://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordlessBezprzewodowy dla łatwiejszego dostępu do małych elementów w modelu
AcetoneSunnysidehttps://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5Bulk
Dragon Skin Fx-ProSmooth-On https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-proStandardowa, bezpieczna dla skóry
Ease Release 200Smooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/ease-release-200zapewniająca łatwe usuwanie silikonu z formy
Plaster GORE-TEXGOREhttps://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatchPlaster na układ sercowo-naczyniowy
ideaMakerRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/download/  Dołączone oprogramowanie CAD G-code dla drukarek 3D
Raise MagicsMaterilisehttps://www.materialise.com/en/software/magicsBogate w funkcje oprogramowanie CAD zdolne do manipulowania powierzchniami organicznymi
Naśladujemateriałhttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimicsBogate w funkcje oprogramowanie do segmentacji
Dane DICOM pacjenta--Dane DICOM zazwyczaj pochodzą z tomografii komputerowej pacjenta lub rezonansu magnetycznego
Pro2 PlusRaise 3Dhttps://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/Anecdotallay niezawodna, podwójnie wytłaczana drukarka 3D FDM
PRO2-100 Przemysłowy pistolet do klejeniaSurebonderhttps://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-sticksPrzemysłowej jakości pistolet do klejenia na gorąco
Silc PigSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigmentsPigment do dodawania koloru do silikonu
Komora próżniowaSmooth-Onhttps://shop.smooth-on.com/vacuum-chamberAnegdotycznie niezawodna komora próżniowa do usuwania pęcherzyków powietrza z mieszanego silikonu
powłoka

Bibliografia

  1. Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
  13. 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).
  14. Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
  19. Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).
  23. 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).
  24. Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).
  25. 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).
  26. Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. Three-dimensional printing surgical applications. ePlasty. 15, 37(2015).
  27. Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
  28. 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

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Modele specyficzne dla pacjentawrodzone wady sercadruk 3Dtkanka mi nia sercowegoszkolenie chirurgicznetworzenie modeli sercaubytek w przegrodzie mi dzykomorowejsegmentacja obraz w radiologicznychplanowanie przedoperacyjne

Powiązane artykuły