Name: Anatomicznie realistyczny model serca noworodka do stosowania w symulatorach pacjenta noworodkowego (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-05T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 5 s
Description: Poznaj metodę tworzenia anatomicznie realistycznych modeli serca noworodka przy użyciu rezonansu magnetycznego, druku 3D i wtrysku silikonu. Technika ta umożliwia badania fizjologiczne i szkolenie w neonatologii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

To badanie zostało przeprowadzone w ramach holenderskiej perinatologii IMPULS. Autorzy pragną podziękować Muzeum Anatomii i Patologii Radboud UMCN oraz Centrum Medycznemu Máxima w Veldhoven za udostępnienie skanów MRI noworodków wykorzystanych w tej pracy. Autorzy pragną ponadto podziękować Jasperowi Sterkowi, Sanne van der Linden, Frederique de Jongh, Pleun Alkemade oraz laboratorium D.search na Wydziale Wzornictwa Przemysłowego za ich znaczący wkład w rozwój tych badań. Na koniec autorzy pragną podziękować Rohanowi Joshiemu za korektę manuskryptu.

Wszystkie zgody instytucji zostały uzyskane przed obrazowaniem pacjenta.
1. Akwizycja i segmentacja obrazów
<ol>
	<li>Uzyskaj skan MRI klatki piersiowej noworodka w formacie DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Uchwyć każdy wycinek skanu w rozkurczowym etapie komory cyklu serca lub uzyskaj rezonans magnetyczny klatki piersiowej z autopsji. 
	UWAGA: Niezbędna jest wyraźnie wyraźna definicja mięśnia sercowego, a także przedsionków i komór.</li>
	<li>Za pomocą oprogramowania do przetwarzania (patrz tabela materiałów) zaimportuj plik DICOM z rezonansu magnetycznego klatki piersiowej. Korzystając z pozycji menu "Maski do edycji", wybierz obszar mięśnia sercowego na każdym wycinku MRI, w którym znajduje się serce. Przedsionki i komory w tym przypadku również mogą być zakryte.</li>
	<li>Utwórz nową warstwę szkicu i oddzielnie podziel na segmenty dwa przedsionki i dwie komory w taki sam sposób, jak w przypadku zaznaczenia mięśnia sercowego. Nie należy segmentować zastawek znajdujących się między przedsionkami a komorami oraz między komorami a tętnicami.</li>
	<li>Renderuj mięśnie i komory w osobne reprezentacje 3D za pomocą pozycji menu "Oblicz 3D" i eksportuj je jako pięć plików STereoLithography (.stl) przy użyciu optymalnych ustawień rozdzielczości za pomocą pozycji menu "STL+".</li>
	<li>Załaduj pliki .stl do oprogramowania CAD (patrz Tabela materiałów). Użyj elementu menu kreatora naprawy, aby naprawić pliki.stl dla nakładających się trójkątów i złych krawędzi. Zapisz ponownie pliki.stl. 
	UWAGA: Jeśli rezonans magnetyczny serca nie jest dostępny, rozważ użycie modelu serca używanego w tym protokole. Ten plik zawiera również oddzielne modele zastawek serca. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56710/Cardiac_model_parts.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać pliki</a>.</li>
</ol>
2. Przetwarzanie i drukowanie form
<ol>
	<li>Załaduj zestaw przedsionków i komór do oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (patrz Tabela materiałów). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/56710/Cardiac_model_parts.zip" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać pliki</a>.
	<ol>
		<li>Określ położenie zastawki aortalnej, płucnej, mitralnej i trójdzielnej za pomocą oryginalnego rezonansu magnetycznego (<silna klasa = "xfig">Rysunek 1).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj dodatnie i ujemne połówki formy każdej zastawki do ich odpowiedniej pozycji w załadowanym zestawie przedsionków i komór, przeciągając plik zaworu (uzyskany za pośrednictwem powyższego linku) do bieżącego pliku, aktywując funkcję "wstaw część". Wskaż pozycję umieszczenia, klikając położenie powierzchni przedsionków lub komór.
	<ol>
		<li>Wyłóż podstawę zaworu dodatniego i ujemnego za pomocą "zakładki funkcji > wyciśnij piastę/podstawę", aby wystawać do odpowiednich komór i połączyć części zaworu z odpowiednią komorą. 
		UWAGA: Zastawka mitralna składa się z dwóch części półksiężycowatych, podczas gdy zastawki trójdzielne, aortalne i płucne składają się z trzech.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj plik zastawki płucnej i aortalnej do odpowiedniego położenia komory, postępując zgodnie z procedurą opisaną w kroku 2.2. Od góry tych zaworów naszkicuj dwa łukowate cylindry o średnicy 5 mm, klikając "kartę szkicu > okręgu" podążając za naszkicowaną linią łukową za pomocą "zakładki cechy > przeciągnięcia występu/podstawy", aż obie okrągłe powierzchnie cylindra osiągną pozycję poziomą. Połącz części zastawki z odpowiednimi komorami i tętnicami.</li>
	<li>Od podstawy każdej z czterech komór, a także dwóch łukowatych cylindrów, narysuj pionowe cylindry o średnicy 5 mm, klikając element "karta szkicu > kółko" i wyciągnij je do długości 40 mm, klikając element "zakładka elementów > wyciśnij bossa/podstawę". Niech każdy cylinder wystaje do odpowiedniej komory.
	<ol>
		<li>Aby upewnić się, że komory są ustawione podczas montażu sześciu wewnętrznych części w formie, dodaj nacięcia różnicowe do sześciu cylindrów (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 2), szkicując półkola na górze cylindrów: Kliknij pozycję menu "Karta szkicu > Szkic koła" i użyj pozycji menu "Zakładka Funkcja > Wytnij/Wyciągnij", aby utworzyć różne wgłębienia głębokości.
		<ol>
			<li>Odejmij ich kształty od komór i tętnic, wybierając bryłę komory i tętnicy, klikając prawym przyciskiem myszy i naciskając funkcję "połącz", po czym można wybrać ustawienie odejmowania. Nie łącz tych części. Zapisz wszystkie komory i tętnice osobno.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zaimportuj model mięśnia sercowego. Odsuń szkice bazowe sześciocylindrów, rozpoczynając nowy szkic i wybierając wszystkie szkice podstawy cylindra, przytrzymując "shift". Następnie wybierz pozycję menu "karta szkicu > konwertuj elementy". Wybierz pozycję menu 'karta szkicu > elementy odsunięcia', aby odsunąć szkice o 2 mm.
	<ol>
		<li>Wyciągnij i scal te szkice, klikając pozycję menu 'Cechy > Wyciągnij bossa/bas' z modelem mięśnia sercowego; powtórz dla łukowatych cylindrów. Połącz te cylindry z modelem mięśnia sercowego, klikając pozycję menu 'zakładka funkcje > wytłaczaj bossa/bas'. 
		UWAGA: Upewnij się, że model mięśnia sercowego naprzeciwko przedsionków ma odległość ponad 2 mm (<silna klasa="xfig">Rysunek 1). W przeciwnym razie ściana pęknie podczas wyjmowania wewnętrznych form.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Modeluj sześcian od podstawy sześciu cylindrów w dół, umieszczając najpierw płaszczyznę odniesienia, klikając kartę "Elementy > geometrii > płaszczyzny odniesienia". Następnie kliknij pozycję menu "karta szkicu > kwadrat" i naszkicuj kwadrat o długości i szerokości o 4 mm szersze niż najszersza część modelu mięśnia sercowego.
	<ol>
		<li>Wyciągnij go w dół o grubości 8 mm, klikając pozycję menu 'zakładka Cechy > wytłocz dodanie/podstawę', a następnie połącz to z podstawą sześciu cylindrów oznaczających pozycję menu 'Scal części'. W czterech rogach podstawy dodaj kostki o średnicy 4 mm w ten sam sposób.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Używając kwadratowej podstawy jako szkicu, wyciągnij ją, aby pokryła cały model serca i odejmij od niego wszystkie inne części. Podziel górną część pozostałego prostokąta w najszerszej części modelu serca. Najpierw umieść płaszczyznę odniesienia na żądanej wysokości, korzystając z zakładki "Elementy"> geometrię odniesienia > płaszczyznę. Następnie za pomocą punktu menu "Wstaw formy > > podziału", wybierz powierzchnię, na której ma nastąpić podział, oraz obiekt wymagający podziału.
	<ol>
		<li>Ponownie podziel pozostały prostokąt w najwygodniejszej pozycji zwalniania formy, używając tej samej metody opisanej w kroku 2.7, ale w pozycji pionowej. Naszkicuj sześcienne gniazda o średnicy 4 mm w rogach podłużnych części formy i dodaj kostki o średnicy 4 mm do rogów górnej pokrywy za pomocą elementów menu "karta szkic > kwadrat" i "karta funkcji > wyciągnięcia dodania/podstawy".</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Naszkicuj 50 okręgów o średnicy 1 mm pokrywających górną część całego zewnętrznego modelu formy i wytnij je przez wszystkie zewnętrzne formy. Wyciśnij również kilka cylindrów 1 mm z boku górnej pokrywy w najszerszych miejscach modelu mięśnia sercowego. Wytnij i wytnij pojedynczy otwór wtryskowy o średnicy 8 mm z górnej pokrywy.
	<ol>
		<li>Zapisz wszystkie cztery zewnętrzne części formy osobno. 
		UWAGA: W sumie powinno być dziesięć elementów formy: podstawa formy, dwa zewnętrzne panele boczne formy, jedna zewnętrzna górna pokrywa formy, dwa wewnętrzne przedsionki formy z mocowaniami zaworu, dwie wewnętrzne komory formy z mocowaniami zaworów oraz po jednej z każdej tętnicy wewnętrznej formy aortalnej i płucnej z mocowaniami zastawki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Użyj drukarki strumieniowej do drukowania z zainstalowanymi sztywnymi i gumopodobnymi materiałami fotopolimerowymi 
	(patrz Tabela materiałów). Umieszczając części do drukowania na stole roboczym, upewnij się, że wszystkie negatywy zaworu są wydrukowane skierowane do góry (pionowo) (<silna klasa="xfig">Rysunek 3).
	<ol>
		<li>Wybierz ustawienia drukowania na błyszczące. W przypadku czterech komór oraz nasadek formy płucnej i aortalnej wybierz elastyczny materiał S95; W przypadku pozostałych czterech części formy wybierz sztywny materiał do drukowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po wydrukowaniu części formy należy usunąć materiał podporowy nagromadzony podczas drukowania strumieniem wody (patrz Tabela materiałów). Po oczyszczeniu części formy umieść je w 5% roztworze wodorotlenku sodu na 24 godziny. Po wyjęciu części z roztworu opłucz je zimną wodą i pozostaw do wyschnięcia na 48 godzin przed odlewaniem.</li>
</ol>
3. Formowanie wtryskowe na zimno i wykańczanie
<ol>
	<li>Spryskaj wszystkie powierzchnie wszystkich części formy środkiem antyadhezyjnym (patrz Tabela materiałów), z wyjątkiem zaworów, i wytrzyj do czysta bibułką. Pozostaw do wyschnięcia na 15 minut.
	<ol>
		<li>Zamknij podstawę formy i dwa panele boczne i umieść na dwóch przekładkach, tak aby podstawa formy nie stykała się bezpośrednio z powierzchnią stołu. Przygotuj silikon, wkładając wkład silikonowy do ręcznego pistoletu dozującego (patrz Tabela materiałów).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj 5 ml silikonu wyciśniętego z pistoletu dozującego do miarki i wymieszaj za pomocą wykałaczki. Za pomocą wykałaczki nałóż dużą ilość stopionego silikonu na ujemną i dodatnią stronę prawego przedsionka i zastawek komorowych. Upewnij się, że w silikonie nie ma pęcherzyków powietrza uwięzionych (<silna klasa="xfig">Rysunek 4).
	<ol>
		<li>Połącz dwie komory pod odpowiednim kątem zaworu i wepchnij je na odpowiednie cylindry formy podstawowej. Powtórz to dla lewej strony. Na koniec przymocuj podobnie łukowate cylindry płucne i aortalne. Pozostaw te zawory do zestalenia się na 2 minuty, a następnie przymocuj górną część formy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podłącz mikser statyczny do wkładu, ściśnij, aż silikon wyjdzie z dyszy, a następnie zwolnij ciśnienie. Umieść całą formę na dwóch przekładkach (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 5), włóż pistolet do gniazda do formowania wtryskowego 8 mm i ściskaj pod niskim ciśnieniem przez 3 minuty, aż wszystkie otwory wentylacyjne będą wykazywać oznaki przelania silikonu.
	<ol>
		<li>W tym momencie przestań wstrzykiwać silikon, wyjmij mikser i umieść formę na powierzchni stołu, tak aby wszystkie dolne otwory wentylacyjne były uszczelnione i żaden silikon nie mógł już wypływać z dna formy. Pozostaw silikon do zastygnięcia na 30 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Otwórz górną część formy, podważając i podnosząc metalową przekładkę w szczelinę między górną a dolną częścią formy. Usuń boczne części formy tą samą metodą, usuwając jedną stronę na raz. 
	UWAGA: Uważaj, aby nie przebić ścianki serca podczas wkładania przekładki.
	<ol>
		<li>Wykryj wszelkie pęcherzyki powietrza na zewnętrznej stronie serca po uwolnieniu trzech zewnętrznych elementów formy (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 6). Za pomocą skalpela przebij bańkę i wypełnij ją niewielką ilością silikonu za pomocą wykałaczki, a następnie pozostaw do utwardzenia na kolejne 30 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Użyj sprężonego powietrza (patrz Tabela materiałów), aby zdmuchnąć model serca z podstawy formy, pozostawiając sześć wewnętrznych form w modelu serca. Upewnij się, że jedną ręką mocno zamknąłeś model serca, aby zapobiec pęknięciu ściany serca przez powietrze.
	<ol>
		<li>Użyj strzykawki z wodą, aby napełnić i zwiększyć ciśnienie w lewej i prawej komorze, aby uwolnić wewnętrzne pleśnie. Następnie użyj kleszczyków Magilla (patrz Tabela materiałów), aby chwycić i wyciągnąć te dwie wewnętrzne części formy. Powtórz ten proces dla tętnic płucnych i aortalnych, a na koniec dla usunięcia wewnętrznych form lewego i prawego przedsionka. 
		UWAGA: Upewnij się, że położenie kleszczy nie ściska segmentu zaworu po przyłożeniu zacisku; Spowoduje to zniszczenie wydrukowanego zaworu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zwiąż dwie rurki prowadzące bezpośrednio w dół od komór u podstawy modelu serca za pomocą owijek zaciskowych i usuń sznurki wentylacyjne, szarpiąc je za powierzchnię ściany serca.</li>
</ol>

<ol><li>Wyllie, J., Bruinenberg, J., Roehr, C. C., Rüdiger, M., Trevisanuto, D., Urlesberger, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((European+resuscitation+council+guidelines+for+resuscitation+2015%5BTitle%5D)+AND+%22Resuscitation%22%5BJournal%5D)">European resuscitation council guidelines for resuscitation 2015.</a> Resuscitation. 95, 249-263 (2015).</li>
<li>Sawyer, T., Strandjord, T. P., Johnson, K., Low, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neonatal+airway+simulators%2C+how+good+are+they%3F+A+comparative+study+of+physical+and+functional+fidelity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Perinatol%22%5BJournal%5D)">Neonatal airway simulators, how good are they? A comparative study of physical and functional fidelity.</a> J. Perinatol. 36 (2), 151-156 (2015).</li>
<li>Yao, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing%3A+review+of+application+in+medicine+and+hepatic+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Cancer+Biol.+Med%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing: review of application in medicine and hepatic surgery.</a> Cancer Biol. Med. 13 (4), 443-451 (2016).</li>
<li>Chua, C. K., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF01192281">Rapid prototyping assisted surgery planning.</a> Int. J. Adv. Manuf. Tech. 14 (9), 624-630 (1998).</li>
<li>Gibson, I., et al. <a target="_blank" href="http://newmaker.com/nmsc/u/2010/20109/dld_file/2010931138089411.pdf">The use of rapid prototyping to assist medical applications.</a> Rapid Prototyping J. 12 (1), 53-58 (2006).</li>
<li>Cai, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+3D+printing+in+orthopedics%3A+status+quo+and+opportunities+in+China%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Transl.+Med%22%5BJournal%5D)">Application of 3D printing in orthopedics: status quo and opportunities in China.</a> Ann. Transl. Med. 3 (Suppl 1), S12(2015).</li>
<li>Thielen, M. W. H., Delbressine, F. L. M. <a target="_blank" href="http://www.geometrysummit.org/proceedings/fase2016/papers/5.pdf">Rib cage recreation: towards realistic neonatal manikin construction using MRI scanning and 3D printing.</a> FASE. , 41-44 (2016).</li>
<li>Thielen, M., Joshi, R., Delbressine, F., Bambang Oetomo, S., Feijs, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+innovative+design+for+cardiopulmonary+resuscitation+manikins+based+on+a+human-like+thorax+and+embedded+flow+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22JOEIM%22%5BJournal%5D)">An innovative design for cardiopulmonary resuscitation manikins based on a human-like thorax and embedded flow sensors.</a> JOEIM. 231 (3), 243-249 (2017).</li>
<li>Cohrs, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+soft+Total+Artificial+Heart+-+First+Concept+Evaluation+on+a+Hybrid+Mock+Circulation%5BTitle%5D)+AND+%22Artif.+Organs%22%5BJournal%5D)">A soft Total Artificial Heart - First Concept Evaluation on a Hybrid Mock Circulation.</a> Artif. Organs. , (2017).</li>
<li>Sparks, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+silicone+materials+to+simulate+tissue+biomechanics+as+related+to+deep+tissue+injury%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Skin+Wound+Care%22%5BJournal%5D)">Use of silicone materials to simulate tissue biomechanics as related to deep tissue injury.</a> Adv. Skin Wound Care. 28 (2), 59-68 (2015).</li>
<li>Van der Horst, A., Geven, M. C., Rutten, M. C., Pijls, N. H., Nvan de Vosse, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+anemometric+assessment+of+coronary+flow+reserve+with+a+pressure-sensing+guide+wire%3A+An+in+vitro+evaluation%5BTitle%5D)+AND+%22Med.+Eng.+Phys%22%5BJournal%5D)">Thermal anemometric assessment of coronary flow reserve with a pressure-sensing guide wire: An in vitro evaluation.</a> Med. Eng. Phys. 33 (6), 684-691 (2011).</li>
<li>Miriyev, A., Stack, K., Lipson, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+material+for+soft+actuators%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+comm%22%5BJournal%5D)">Soft material for soft actuators.</a> Nature comm. 8 (596), (2017).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak potencjalnych konfliktów interesów w związku z badaniami, autorstwem i publikacją tego artykułu. Badania te nie otrzymały żadnego konkretnego grantu od żadnej agencji finansującej w sektorze publicznym, komercyjnym lub non-profit.

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

Każdego roku miliony noworodków przyjmowane są na oddziały intensywnej terapii noworodków (NICU). Na OIOM-ach dla noworodków większość nagłych przypadków dotyczy problemów z drogami oddechowymi, oddychaniem i krążeniem (ABC) i wymaga interwencji, takich jak uciskanie klatki piersiowej. NPS stanowią cenne narzędzie dydaktyczne i szkoleniowe do praktykowania takich interwencji. W przypadku niektórych NPS wbudowane czujniki mogą wykryć, czy wydajność spełnia zalecane wytyczne kliniczne1 dla głębokości i szybkości uciśnięć klatki piersiowej. Przestrzeganie wytycznych może być wykorzystane do obliczenia i ilościowego określenia wydajności, a w związku z tym taki najnowocześniejszy NPS może być postrzegany jako namacalna i biała miara do oceny wydajności.
Przestrzeganie zalecanych wytycznych ma na celu poprawę fizjologii pacjenta. Na przykład uciskanie klatki piersiowej jest wykonywane w celu wytworzenia odpowiedniego przepływu krwi w układzie krążenia. Obecne NPS o wysokiej wierności (np. PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norwegia) i Paul (SIMCharacters, Wiedeń, Austria)), nie zawierają żadnych czujników do pomiaru parametrów fizjologicznych, takich jak przepływ krwi podczas treningu, ponieważ brakuje im zintegrowanego serca do generowania tego parametru fizjologicznego. Skuteczność uciśnięć klatki piersiowej w obecnym NPS nie może być zatem oceniana na poziomie fizjologicznym. Aby NPS umożliwiał fizjologiczną ocenę uciśnięć klatki piersiowej, anatomicznie realistyczne sztuczne serce musi być zintegrowane z NPS. Co więcej, research2 pokazuje, że wzrost fizycznej wierności anatomicznej może prowadzić do wzrostu funkcjonalnej wierności NPS. Zintegrowanie systemu narządów o wysokiej wierności pod względem fizycznym przyniosłoby korzyści zarówno w zakresie funkcjonalnej wierności treningu, jak i umożliwiłoby ocenę wydolności fizjologicznej.
Znaczny wzrost wierności NPS można osiągnąć dzięki drukowaniu 3D. W medycynie obrazowanie i druk 3D są najczęściej wykorzystywane do przygotowania chirurgicznego i tworzenia implantów3,4,5. Na przykład w dziedzinie symulacji chirurgicznej produkowane są narządy do szkolenia chirurgów w zakresie wykonywania zabiegów chirurgicznych6. Możliwości druku 3D nie zostały jeszcze szeroko zastosowane w NPS. Połączenie obrazowania 3D i druku 3D otwiera przed NPS możliwość osiągnięcia wyższego poziomu fizycznej wierności. Replikacja wyrafinowanych, elastycznych narządów noworodkowych, takich jak serce, staje się możliwa dzięki stale poszerzającemu się zakresowi technik i materiałów używanych do druku 3D7.
W tym artykule szczegółowo opisujemy protokół tworzenia funkcjonalnego, sztucznego serca noworodka przy użyciu kombinacji rezonansu magnetycznego, druku 3D i formowania wtryskowego na zimno. Model serca w tym artykule obejmuje dwa przedsionki, dwie komory, cztery funkcjonalne zastawki oraz tętnice i żyły płucne i układowe, wszystkie wykonane z jednego odlewu silikonowego. Model serca może być wypełniony płynem, wyposażony w czujniki i używany jako generator parametrów wyjściowych (np. ciśnienia krwi lub rzutu serca podczas uciskania klatki piersiowej oraz funkcjonalności zastawki).

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

anatomicznie realistyczny model serca noworodka do stosowania w symulatorach pacjenta noworodkowego

Anatomically Realistic Neonatal Heart Model for Use in Neonatal Patient Simulators

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

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

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

Anatomicznie realistyczny model serca noworodka do stosowania w symulatorach pacjenta noworodkowego

Neonatal patient simulators (NPS) are artificial patient surrogates used in the context of medical simulation training. Neonatologists and nursing staff ...

Metoda ta może odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie neonatologii, takie jak ilość rzutu serca generowanego podczas uciśnięć klatki piersiowej. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona stworzenie elastycznego modelu serca bez utraty realizmu anatomicznego. Procedurę zademonstruje mi dziś Jasper Sterk, technik z naszego laboratorium.Aby uzyskać fragmenty obrazu reprezentatywnego serca noworodka, należy najpierw otworzyć odpowiedni program do przetwarzania. Zaimportuj obraz rezonansu magnetycznego klatki piersiowej (MRI) noworodka sformatowany jako plik Digital Imaging and Communications in Medicine. Za pomocą narzędzia Edycja masek zaznacz obszar mięśnia sercowego na każdym wycinku MRI, w którym znajduje się serce, i utwórz nową warstwę szkicu.Oddzielnie podziel dwa przedsionki i dwie komory w ten sam sposób i użyj narzędzia Oblicz 3D, aby renderować mięśnie i komory w oddzielnych reprezentacjach 3D. Następnie użyj narzędzia Stereolithography Plus, aby wyeksportować segmenty jako pięć plików stereolitograficznych przy użyciu optymalnej rozdzielczości dla każdego pliku. W celu przetworzenia i wydrukowania fragmentów formy serca noworodka, załaduj pliki formy przedsionków i zastawek komorowych do programu do projektowania wspomaganego komputerowo.Użyj oryginalnego rezonansu magnetycznego, aby określić położenie zastawki aortalnej, płucnej, mitralnej i trójdzielnej. Korzystając z funkcji wstawiania części, przeciągnij pliki zaworów dla dodatniej i ujemnej połówki formy dla każdego zaworu do odpowiednich pozycji w załadowanym zestawie przedsionków i komór do bieżącego pliku. Kliknij położenie na powierzchni przedsionka lub komory, aby wskazać pozycję umieszczenia.Na karcie Funkcje wybierz opcję Wyciągnij podstawę szefa, aby wyciągnąć podstawy zaworów dodatnich i ujemnych tak, aby zawory wystawały w odpowiednich komorach, i odpowiednio połączyć części zaworu. Dodaj pliki zastawki płucnej i aortalnej do odpowiednich lokalizacji komór, a następnie otwórz kartę Szkic i wybierz narzędzie Okrąg. Następnie otwórz zakładkę Cecha i użyj funkcji Sweep Boss Base, aby naszkicować dwa łukowate cylindry o średnicy pięciu milimetrów od wierzchołków zaworów, aż obie okrągłe powierzchnie cylindrów osiągną pozycję poziomą.Po połączeniu części zaworu z odpowiednimi komorami i tętnicami, ponownie wybierz narzędzie Okrąg i użyj funkcji Extrude Boss Base, aby wytłoczyć pionowe cylindry o średnicy pięciu milimetrów od podstawy każdej z czterech komór, aż cylindry osiągną 40 milimetrów długości i wystają do odpowiednich komór. Następnie otwórz kartę Szkic i wybierz narzędzie Szkic okręgu. Następnie, aby utworzyć różne wgłębienia głębokości, otwórz kartę Operacje i użyj funkcji Wytnij wyciągnięcie, aby naszkicować półkola na górze cylindrów, aby dodać różnicowe nacięcia do cylindrów.Aby odjąć kształty od komór i tętnic, kliknij prawym przyciskiem myszy, aby wybrać bryłę komory i tętnicy będącej przedmiotem zainteresowania, a następnie wybierz funkcję Połącz, aby umożliwić wybranie ustawienia Odejmuj. Po zapisaniu komór i tętnic należy zaimportować model mięśnia sercowego. Następnie rozpocznij nowy szkic i przytrzymaj Shift, aby wybrać wszystkie szkice podstawy cylindra.Aby odsunąć szkice bazowe sześciu cylindrów o dwa milimetry, należy otworzyć kartę Szkic i wybrać opcję Przekształć elementy. Otwórz zakładkę Operacje i użyj funkcji Wyciągnięcie podstawy dodającej, aby scalić łukowate cylindry z modelem mięśnia sercowego. Aby wymodelować sześcian od podstawy sześciu cylindrów w dół, wybierz opcję Geometria odniesienia i otwórz kartę Szkic, a następnie wybierz narzędzie Kwadrat.Następnie naszkicuj kwadrat o długości i szerokości o cztery milimetry szersze niż najszersza część modelu mięśnia sercowego. Użyj funkcji Extrude Boss Base, aby wyciągnąć kwadrat w dół o grubości ośmiu milimetrów. Scal wyciągnięty kwadrat z podstawą sześciu cylindrów za pomocą funkcji Scal części.W ten sam sposób dodaj czteromilimetrowe kostki do każdego z czterech rogów podstawy. Używając kwadratowej podstawy jako szkicu, wyciągnij podstawę, aby pokryć cały model serca i odejmij wszystkie inne części od okładki. Użyj funkcji Geometria odniesienia, aby wygenerować płaszczyznę odniesienia do interesującej Cię wysokości i wybierz opcję Wstaw, Formy i Podziel, aby podzielić górną część pozostałego prostokąta w najszerszej części modelu serca.Ponownie podziel pozostały prostokąt w najwygodniejszej pozycji zwalniania formy w ten sam sposób, ale w kierunku pionowym. Następnie użyj drukarki natryskowej i sztywnych, gumopodobnych materiałów fotopolimerowych, aby wydrukować części formy. Niezbędne jest użycie materiału gumopodobnego do wewnętrznej formy, aby formy te można było później usunąć bez łamania lub uszkadzania modelu.W przypadku formowania wtryskowego na zimno i wykańczania części formy, najpierw spryskaj wszystkie powierzchnie wszystkich drukowanych części z wyjątkiem zaworów środkiem antyadhezyjnym i wytrzyj kawałki do czysta bibułą. Po wyschnięciu na powietrzu przez 15 minut zamknij podstawę formy i dwa panele boczne i umieść formę na dwóch przekładkach, tak aby podstawa formy nie stykała się bezpośrednio z powierzchnią stołu. Włóż wkład silikonowy do ręcznego pistoletu dozującego i za pomocą pistoletu dodaj pięć mililitrów silikonu do miarki.Wymieszaj silikon za pomocą narzędzia do mieszania i użyj narzędzia do mieszania, aby nałożyć dużą ilość płynnego silikonu na ujemną i dodatnią stronę prawych przedsionków i zastawek komorowych. Powlekamy zawór, aby zapewnić ich funkcjonalność. Połącz dwie komory pod odpowiednim kątem zaworu i wepchnij komory do odpowiednich cylindrów w formie podstawowej.Następnie przymocuj cylindry łuku płucnego i aorty w podobny sposób. Pozwól silikonowi zestalić się przez dwie minuty. Przymocuj górną część formy i mikser statyczny do wkładu, ściskając wkład, aż cały silikon zostanie dozowany, a następnie zwolnij nacisk.Wyreguluj całą formę na dwóch przekładkach i włóż pistolet do ośmiomilimetrowego gniazda do formowania wtryskowego. Ściskaj pod niskim ciśnieniem przez trzy minuty, aż wszystkie otwory wentylacyjne będą wykazywać oznaki przepełnienia silikonu. Następnie włóż metalową przekładkę w szczelinę między górną i dolną częścią formy, aby otworzyć górną część formy.Usuń boczne części formy pojedynczo w ten sam sposób, uważając, aby nie przebić ścianki serca, i użyj skalpela, aby przebić wszelkie pęcherzyki w silikonie. Użyj wykałaczki, aby wypełnić wszelkie otwory bąbelkowe silikonem i pozwól modelowi utwardzić się przez kolejne 30 minut. Gdy model jest gotowy, mocno zamknij model serca jedną ręką i użyj sprężonego powietrza, aby zdmuchnąć model z podstawy formy, pozostawiając sześć wewnętrznych form w modelu serca.Użyj strzykawki z wodą, aby napełnić i zwiększyć ciśnienie w lewej i prawej komorze, aby uwolnić wewnętrzne pleśnie. Następnie użyj kleszczyków Magilla, aby wyciągnąć dwie wewnętrzne części formy bez ściskania segmentu zaworu. Ta metoda drukowania modeli 3D może być również stosowana do innych narządów wewnętrznych, takich jak płuca, lub do struktur kostnych, takich jak żebra.Użycie bardzo elastycznych materiałów formy wewnętrznej do druku 3D pozwala na tworzenie i uwalnianie złożonych struktur organicznych, które zostałyby zniszczone podczas usuwania wewnętrznych komór, gdyby użyto sztywniejszych materiałów drukarskich. Wysoka rozdzielczość skomplikowanych części modelu drukowanego w 3D jest niezbędna do generowania małych komponentów organicznych, takich jak te używane w systemie modelu serca. Po opracowaniu metoda ta utorowała naukowcom drogę do zbadania fizjologii pacjentów noworodków.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stworzyć anatomicznie realistyczne serce noworodka z czterema komorami i czterema zastawkami w jednym cyklu odlewania. Nie zapominaj, że praca z wodorotlenkiem sodu może być bardzo niebezpieczna. Podczas tej procedury należy nosić ochronę rąk i oczu.

anatomically-realistic-neonatal-heart-model-for-use-neonatal-patient

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

W tym filmie pokazujemy procedurę chirurgicznego usunięcia wierzchołka lewej komory serca noworodka myszy.

Resekcja wierzchołkowa modelu myszy noworodkowej: zabieg chirurgiczny mający na celu amputację wierzchołka komory w celu zbadania potencjału regeneracyjnego w sercu noworodka myszy

Opisano metodologię szacowania orientacji włókien komorowych na podstawie obrazów in vivo geometrii serca pacjenta do spersonalizowanego modelowania. Walidacja metodologii przeprowadzona przy użyciu normalnych i niewydolnych serc psów pokazuje, że nie ma znaczących różnic między szacowaną a nabytą orientacją włókien na poziomie klinicznie obserwowalnym.

Modelowanie serca w zależności od pacjenta: ocena orientacji włókien komorowych

Ten protokół opisuje wysoce powtarzalny model regeneracji serca poprzez chirurgiczną indukcję zawału mięśnia sercowego w lewej komorze myszy po urodzeniu 1. dnia. Metoda polega na indukcji znieczulenia hipotermicznego i podwiązaniu lewej przedniej zstępującej tętnicy wieńcowej.

Zawał mięśnia sercowego u nowonarodzonych myszy, model regeneracji serca

W tych badaniach podajemy metodologię nowatorskich, noworodkowych, mysich rusztowań serca do wykorzystania w badaniach regeneracyjnych.

Rusztowania serca noworodków: nowe matryce do badań regeneracyjnych

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

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

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.

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

Obecny protokół opisuje kaniulację aorty i wsteczną perfuzję mysiego serca ex-vivo.  Strategia dwuosobowa, wykorzystująca mikroskop preparacyjny i igłę o małym grubym rozmiarze, pozwala na niezawodną kaniulację. Kwantyfikacja podłużnego napięcia skurczowego uzyskuje się za pomocą przetwornika siły podłączonego do wierzchołka lewej komory.

Zmodyfikowana technika wykorzystania mysich serc noworodków w preparacie Langendorffa

Ten protokół demonstruje przepływ pracy platformy SILICOFCM do automatycznego generowania parametrycznego modelu lewej komory na podstawie specyficznych dla pacjenta obrazów ultrasonograficznych poprzez zastosowanie wieloskalowego modelu elektromechanicznego serca. Platforma ta umożliwia prowadzenie badań klinicznych in silico mających na celu ograniczenie rzeczywistych badań klinicznych i maksymalizację pozytywnych wyników terapeutycznych.

In Silico Badania kliniczne dotyczące chorób sercowo-naczyniowych

Ten protokół opisuje model krążenia pozaustrojowego (CPB) u noworodków świń, z zatrzymaniem krążenia i krążenia jako narzędzie do badania poważnych uszkodzeń mózgu i innych powikłań wtórnych do CPB.

Dziecięcy zwierzęcy model pozaustrojowej resuscytacji krążeniowo-oddechowej po przedłużonym zatrzymaniu krążenia

Ta praca przedstawia zwierzęcy model zwłóknienia wywołanego przejściem śródbłonka do mezenchymalnego, obserwowanego w wrodzonych wadach serca, takich jak krytyczne zwężenie zastawki aortalnej lub zespół niedorozwoju lewego serca, co pozwala na szczegółową ocenę tkanki histologicznej, identyfikację regulacyjnych szlaków sygnałowych i testowanie opcji leczenia.

Noworodkowy heterotopowy model przeszczepu serca szczura do badania przejścia ze śródbłonka do mezenchymów

Poznaj metodę tworzenia anatomicznie realistycznych modeli serca noworodka przy użyciu rezonansu magnetycznego, druku 3D i wtrysku silikonu. Technika ta umożliwia badania fizjologiczne i szkolenie w neonatologii.

Anatomicznie realistyczny model serca noworodka do stosowania w symulatorach pacjenta noworodkowego

Przeglądaj więcej filmów