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

Przedstawiona metoda pozwala na tworzenie specyficznych dla pacjenta anatomicznych modeli sercowo-naczyniowych do badań in vitro, nauczania i planowania zabiegów. Metoda ta oferuje ustandaryzowane podejście do tworzenia zindywidualizowanych modeli anatomicznych do druku 3D na podstawie zestawów danych radiologicznych, które można łatwo włączyć do pętli przepływu lub konfiguracji treningowych. Chociaż to podejście do modelowania koncentruje się na układzie sercowo-naczyniowym, można je przenieść na inne struktury anatomiczne.

Jakość zbioru danych radiologicznych ma duży wpływ na trudności napotykane podczas modelowania. W przypadku pierwszych modeli użyj zestawu danych z minimalnymi artefaktami ruchu i wysoką rozdzielczością przestrzenną. Aby rozpocząć, zdefiniuj zakres wartości jednostek Hounsfielda, otwierając narzędzie do progowania, co skutkuje połączoną maską kontrastu zwiększającego objętość krwi i struktury kostne.

Usuń wszystkie części kości, które są niepożądane w końcowym modelu 3D, za pomocą narzędzia Podziel maskę, które umożliwia oznaczanie i rozdzielanie wielu obszarów w ogólnych przekrojach na podstawie wartości i położenia Hounsfielda. Po tym oddzieleniu upewnij się, że pozostała maska zawierająca objętość krwi o zwiększonym kontraście. Można to zrobić, przewijając płaszczyznę koronalną i osiową i dopasowując utworzoną maskę do bazowego zestawu danych.

Na podstawie tej maski oblicz renderowany model powierzchni wielokąta 3D. Kliknij narzędzie Wygładzanie lokalne, aby ręcznie i lokalnie dostosować powierzchnię segmentowanego modelu. Skoncentruj się na usuwaniu szorstkich kształtów wielokątów, pojedynczych szczytów i ostrych krawędzi utworzonych przez poprzednie operacje przycinania.

Aby umożliwić późniejsze podłączenie modelu do pętli przepływu, należy dołączyć części rurowe o zdefiniowanych średnicach dostosowanych do dostępnych złączy węży i średnic rur. Aby umieścić płaszczyznę odniesienia równolegle do otworu w przekroju poprzecznym naczyń, wybierz narzędzie Utwórz płaszczyznę odniesienia i użyj wstępnie ustawionej płaszczyzny 3-punktowej. Następnie kliknij trzy równomiernie rozmieszczone punkty na przekroju naczynia, aby utworzyć płaszczyznę.

Wprowadź przesunięcie o 10 milimetrów w oknie poleceń i potwierdź operację. Wybierz z menu narzędzie Rysuj szkic i wybierz poprzednio utworzoną płaszczyznę odniesienia jako położenie szkicu. Na szkicu umieść okrąg mniej więcej na linii środkowej naczynia i ustaw ograniczenie promienia tak, aby odpowiadało zewnętrznej średnicy złącza węża.

Z utworzonego szkicu użyj narzędzia Wyciągnięcie, aby utworzyć walec o długości 10 milimetrów. Ustaw profil tak, aby odsunął się od otworu naczynia, aby utworzyć odległość między cylindrem a naczyniem o przekroju 10 milimetrów. Następnie użyj narzędzia Wyciągnięcie złożone, aby utworzyć połączenie między zakończeniem naczynia a geometrycznie zdefiniowanym walcem.

Zapewnij płynne przejście między dwoma przekrojami, unikając w ten sposób turbulencji i obszarów o niskim przepływie w końcowym modelu przepływu 3D. Na koniec użyj narzędzia Hollow, aby utworzyć pustą przestrzeń krwi w oknie poleceń, a następnie ustaw wymaganą grubość ścianki i ustaw kierunek procesu drążenia, aby przesunąć się na zewnątrz. Potwierdź wybór, aby wykonać proces drążenia.

Po przesłaniu pliku do drukowania z oprogramowania do krojenia na plasterki do drukarki 3D upewnij się, że ilość materiału do drukowania i materiału pomocniczego we wkładach drukarki jest wystarczająca dla modelu 3D i rozpocznij drukowanie. Po zakończeniu procesu drukowania usuń materiał podporowy z gotowego modelu. Najpierw usuń materiał podporowy ręcznie, delikatnie ściskając model.

Umieść model na zlewie, a następnie zanurz go w wodzie lub odpowiednim rozpuszczalniku po zdjęciu pokrywy. Wysuszyć model w inkubatorze ustawionym na 40 stopni Celsjusza przez noc. Następnego dnia osadź model w 1%agarze .

Użyj plastikowego pudełka z co najmniej dwucentymetrowymi marginesami bocznymi wokół modelu i wywierć otwory w ściankach, aby umożliwić podłączenie rurek z naczyń do pompy i zbiornika. Dodaj agar do wody i doprowadź do wrzenia. Po wymieszaniu mieszaniny pozwól jej ostygnąć przez pięć minut i wlej ją do pudełka, aby utworzyć łóżko o wysokości co najmniej dwóch centymetrów.

Podczas gdy złoże agarowe się ustawia, podłącz model do niezgodnej rurki PVC za pomocą komercyjnych złączy do węży przy każdym otworze. Użyj opasek zaciskowych, aby zamocować połączenie między złączami węży a modelem 3D i upewnij się, że nie ma wycieku płynu. Przeprowadź rurki PCV przez wywiercone otwory do pudełka, a następnie umieść model na ustawionym łożu agarowym.

Aby zapobiec wyciekaniu agaru z tych otworów, użyj żaroodpornej plasteliny, aby go uszczelnić. Następnie wypełnij pudełko agarem i przykryj model, dodając dwucentymetrową warstwę na wierzchu. Pozostaw agar do całkowitego ostygnięcia i ustaw na godzinę w temperaturze pokojowej.

Mieszaj komorę za pomocą pompy tłokowej o objętości wyrzutowej od 120 do 150 mililitrów. W przypadku obrazowania CT należy umieścić całą pętlę przepływu w tomografie komputerowym z jednostką napędową stojącą w pobliżu. Pompę środka kontrastowego należy podłączyć bezpośrednio do zbiornika pętli przepływowej, aby podczas skanowania można było symulować zalanie modelu środkiem kontrastowym.

Jest to szczególnie przydatne do wizualizacji patologii naczyniowych. Wykonaj tomografię komputerową jako skan dynamiczny na całym modelu, aby zobrazować napływ środka kontrastowego. Wstrzyknij 100 mililitrów od jednego do 10 rozcieńczonych jodowego środka kontrastowego do zbiornika modelu z prędkością czterech mililitrów na sekundę.

Rozpocznij skanowanie za pomocą wyzwalania bolusa w probówce prowadzącej z progiem 100 jednostek Hounsfielda z czterosekundowym opóźnieniem. Aby wykonać ultrasonografię, nałóż niewielką ilość żelu ultradźwiękowego na blok agaru, aby zredukować artefakty. Uruchom pompę i użyj głowicy ultradźwiękowej, aby zlokalizować interesującą Cię strukturę anatomiczną

Użyj trybu echa 2D, aby ocenić ruch ulotki, a także zachowanie zaworu podczas otwierania i zamykania. Użyj kolorowego Dopplera do oceny przepływu krwi przez zastawkę i Dopplera spektralnego, aby określić ilościowo prędkość przepływu wzdłuż zastawki serca. Włóż port dostępowy do rurki PVC bezpośrednio pod modelem 3D, aby umożliwić łatwiejszy dostęp do anatomii za pomocą cewnika sercowego lub przewodu prowadzącego.

Po uruchomieniu pętli przepływu sprawdź, czy nie ma wycieków w punkcie wejścia do portu. W razie potrzeby użyj dwuskładnikowego kleju, aby uszczelnić otwór. Umieść model 3D na stole pacjenta pod ramionami C aparatu rentgenowskiego.

Użyj obrazowania rentgenowskiego, aby poprowadzić cewnik i poprowadzić przewody przez strukturę anatomiczną. W przypadku rezonansu magnetycznego 4D należy użyć skanera o napięciu 1,5 Tesli i upewnić się, że protokół akwizycji składa się z rezonansu magnetycznego bez wzmocnienia kontrastowego w sekwencji przepływu 4D. Uzyskaj izotropowy zestaw danych z 25 fazami o grubości warstwy 1,2 milimetra.

Ustaw kodowanie prędkości na 100 centymetrów na sekundę. Wykonaj analizę obrazu przepływu 4D za pomocą dostępnego na rynku oprogramowania. Najpierw zaimportuj zestaw danych 4D MRI, wybierając go z dysku flash, a następnie wykonaj półautomatyczną korekcję offsetu i korekcję aliasingu, aby poprawić jakość obrazu.

Linia środkowa naczynia zostanie automatycznie prześledzona, a oprogramowanie wyodrębni objętość 3D. Na koniec należy przeprowadzić analizę ilościową parametrów przepływu, klikając w poszczególne zakładki w oknie analizy. Wizualizacja przepływu, wizualizacja linii ścieżki i wektor przepływu mogą być wizualizowane bez dalszych danych wejściowych.

Aby określić ilościowo nacisk i naprężenie ścinające ściany, w zakładce reprezentatywności umieść dwie płaszczyzny, klikając przycisk Dodaj płaszczyznę. Przesuń płaszczyzny do ROI, przeciągając je wzdłuż linii środkowej, tak aby jedna płaszczyzna została umieszczona na początku ROI, a druga na końcu. Spadek ciśnienia na ROI i naprężeniu ścinającym ścianę zostanie zwizualizowany i określony ilościowo na diagramie obok modelu 3D.

Prezentowane modele drukowane w 3D oferują szeroki wachlarz możliwości w obrazowaniu CT. Wydrukowany materiał można łatwo odróżnić od otaczającego go agaru i ewentualnych metalowych implantów. W związku z tym stosowanie środka kontrastowego zwykle nie jest wymagane, z wyjątkiem generowania dynamicznych sekwencji obrazowania.

Podczas korzystania z obrazowania ultradźwiękowego możliwe jest rozróżnienie ścianki modelu, otaczającego agaru i cienkich dynamicznych obiektów, takich jak płatki zastawki serca. Warstwa agaru na wierzchu modelu zapewnia realistyczne dotykowe sprzężenie zwrotne podczas procesu skanowania. Analiza przepływu w pętli przepływu oferuje szeroki zakres możliwych zastosowań i obrazowania przedinterwencyjnego.

Sekwencja MRI 4D umożliwia wizualizację przepływu płynu, turbulencji i naprężeń ścinających ścianki w wydrukowanym modelu 3D, umożliwiając analizę wzorców przepływu po sztucznych zastawkach serca. Ten przepływ pracy można przenieść do różnych interwencyjnych procedur medycznych w celach szkoleniowych lub planistycznych. Technika ta pozwala na dokładniejsze badanie in vitro zachowania przepływu w dużych naczyniach sercowo-naczyniowych i oferuje ogromny potencjał w zakresie zindywidualizowanego planowania terapii.