Tworzenie specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca z zastosowaniami w planach przedoperacyjnych i szkoleniach praktycznych
10 lutego 2022
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.
Złożona wrodzona wada serca to trudny problem 3D. Istniejące technologie druku 3D nie są w stanie dokładnie odtworzyć właściwości tkanki mięśnia sercowego. Protokół ten tworzy modele do szkolenia chirurgicznego o wysokiej wierności.
Technika ta pozwala w ekonomiczny sposób tworzyć modele 3D dostosowane do potrzeb pacjenta na podstawie jego obrazowania. Modelowanie anatomii wewnętrznej i zewnętrznej ich narządów pozwala nam na dogłębne poznanie i opiekę nad naszymi pacjentami. Tworzenie tych modeli w materiale, który ściśle reprezentuje tkankę anatomiczną, pozwala na zastosowanie tej techniki do każdego trenera procedur, który obejmuje anatomię.
Aby rozpocząć, otwórz plik STL modelu przypadku mięśnia sercowego w programie CAD. W Magics zaimportuj pliki STL wygenerowane za pomocą części drugiej importu. W oknie zarządzania projektem wybierz przezroczystą opcję renderowania modelu.
Użyj lewego i prawego przycisku myszy, aby sterować narzędziem do obracania i przesuwania, aby dostosować widok podstawy mięśnia sercowego, kierując wierzchołek serca w dół, a łuk aorty poziomo. Aby przyciąć nadmiar materiału obudowy mięśnia sercowego z modelu, przejdź do Narzędzia, wybierz Wytnij i wskaż polilinię, a następnie wybierz punkty zainteresowania i kliknij Zastosuj. Podobnie pokrój obudowę mięśnia sercowego na wiele części.
Przejdź do cięcia, wybierz wskaż polilinię, a następnie wybierz interesujące miejsca, aby wykonać poziome przecięcie przez aortę, które dzieli obudowę mięśnia sercowego na dolną połowę zawierającą wierzchołek i górną połowę, a także do wykonania dwóch pionowych cięć wzdłuż najszerszej części dolnej połowy i górnej połowy sprawy mięśnia sercowego. I na koniec kliknij Zastosuj. Aby zapewnić prawidłowe wyrównanie podczas montażu, za pomocą narzędzia do generowania podpór i narzędzia do odejmowania Boole'a o wartości odstępu 0,25 milimetra, utwórz pasujące rekwizyty i wnęki podpór i dodaj je do elementów obudowy mięśnia sercowego, klikając dodaj rekwizyty.
Wskaż położenie na modelu, a następnie kliknij przycisk Zastosuj. W jednej z górnych połówek obudowy mięśnia sercowego utwórz silikonowy otwór wypełniający o średnicy jednego centymetra i sprawdź rozmieszczenie otworu za pomocą SME. Wybierz diagnostykę kontrolną, aby sprawdzić diagnostykę na wszystkich elementach obudowy indywidualnie, aby znaleźć błędy, takie jak odwrócona normalna, uszkodzone krawędzie, złe kontury, prawie uszkodzone krawędzie, płaskie otwory lub muszle w częściach obudowy mięśnia sercowego.
Jeśli zostanie wykryty błąd, kliknij przycisk automatycznego rozwiązywania, aby go naprawić. Alternatywnie błędy można naprawić ręcznie lub za pomocą narzędzia do naprawy lub kreatora. Jeśli błędów nie można naprawić za pomocą opcji alternatywnej, napraw je za pomocą narzędzia do owijania folią termokurczliwą.
Kliknij poprawkę, wybierz folię termokurczliwą i postępuj zgodnie z oknem dialogowym, aby dostosować interwał próbkowania folii termokurczliwej i wartości wypełnienia szczeliny zgodnie z potrzebami do skorygowania błędów na konkretnym elemencie bez zmiany fizjologii podczas przeglądu SME. Następnie zapisz lub wyeksportuj poszczególne elementy obudowy mięśnia sercowego jako pliki STL. Otwórz model przypadku mięśnia sercowego i puli krwi w odpowiednim oprogramowaniu slicer, aby utworzyć pliki do drukowania 3D.
Dodaj podpory do druku 3D do wszystkich elementów ręcznie lub użyj narzędzia do automatycznego generowania podpór dostępnego w oprogramowaniu, jeśli jest dostępne. Pokrój modele, aby wygenerować G-code do wykorzystania na drukarce 3D z parametrami opisanymi w manuskrypcie tekstowym i zapisz lub wyeksportuj G-code. Prześlij plik do druku do drukarki 3D.
Po upewnieniu się, że do drukarki 3D załadowany jest właściwy filament, rozpocznij drukowanie. Po zakończeniu drukowania użyj szczypiec półokrągłych i pęsety, aby usunąć cały materiał podporowy z wydrukowanych elementów. Zamontuj kawałki obudowy mięśnia sercowego wokół formy puli krwi, upewniając się, że wszystkie elementy ściśle do siebie przylegają.
Jeśli obudowa mięśnia sercowego nie mieści się wokół kałuży krwi, dokonaj niewielkich korekt elementów formy pojemnika za pomocą ręcznego obrotowego narzędzia szlifierskiego, aby usunąć materiał. Następnie wygładź powierzchnię mięśnia sercowego za pomocą pary acetonu. Aby to zrobić, wyłóż dno i boki pojemnika ręcznikami papierowymi, na które aceton nie będzie miał wpływu.
Wlej aceton na dolny ręcznik papierowy i pozwól mu rozproszyć ręczniki papierowe na bok pojemnika, ale nie tworząc kałuży na dnie. Umieść kawałek folii aluminiowej w pojemniku, aby przykryć dolny ręcznik papierowy. Ustaw kawałki obudowy mięśnia sercowego na folii aluminiowej tak, aby twarze, które mają być gładkie, były pionowe, upewniając się, że kawałki nie stykają się ze sobą ani z ręcznikami papierowymi na ściankach pojemnika.
Przykryj pojemnik folią aluminiową i pozwól, aby kawałki obudowy mięśnia sercowego pozostały nienaruszone w pojemniku, aż do uzyskania do 80% pożądanego wykończenia powierzchni. Gdy powierzchnia jest gładka, ostrożnie wyjmij kawałki obudowy mięśnia sercowego z pojemnika, dotykając tylko zewnętrznych powierzchni, i pozwól kawałkom całkowicie odgazować się w dobrze wentylowanym miejscu przez około 30 minut lub do momentu, gdy kawałki staną się całkowicie suche i twarde. Zmierz objętość segmentacji mięśnia sercowego za pomocą oprogramowania CAD, aby określić potrzebną ilość silikonu.
Dokładnie wymieszaj część A i część B silikonu. Jeśli pożądany jest kolor na modelu, dodaj pigment i dokładnie wymieszaj wszystkie części i pigment, a następnie umieść dokładnie wymieszany silikon w komorze próżniowej na dwie do trzech minut w temperaturze 29 cali słupa rtęci. Gdy ta mieszanina silikonu zostanie całkowicie odgazowana, wyjmij ją z komory i zanurz kałużę krwi w mieszance silikonu, aby upewnić się, że wszystkie puste przestrzenie i ubytki w basenie krwi zostaną wypełnione silikonem, a kałuża krwi zostanie dokładnie pokryta.
W dobrze wentylowanym miejscu dokładnie spryskaj wszystkie części obudowy mięśnia sercowego produktem o łatwym uwalnianiu. Zamontuj dolną połowę obudowy mięśnia sercowego wokół wierzchołka puli krwi. W przypadku wycieku uszczelnij wyciek za pomocą zacisków, gorącego kleju lub gliny.
Następnie wlej silikon do przestrzeni między kałużą krwi a ścianą obudowy, aż zmontowane kawałki formy mięśnia sercowego zostaną wypełnione. Po złożeniu pozostałych części obudowy mięśnia sercowego należy je szczelnie zabezpieczyć za pomocą gumek recepturek i zacisków w razie potrzeby. Gdy silikon zestali się, wyjmij silikonowe serce z obudowy mięśnia sercowego i odetnij wszelkie silikonowe szwy utworzone z przestrzeni między kawałkami obudowy lub otworem do napełniania.
Po zidentyfikowaniu wszystkich naczyń krwionośnych z otwartymi końcami na modelu silikonowym, przytnij wszelki silikon pokrywający naczynia, aby odsłonić kałużę krwi ABS w środku. Zanurz silikonowe serce w acetonie, a ABS zacznie mięknąć 10 do 15 minut po zanurzeniu acetonu. Po zmiękczeniu ABS usuń duże kawałki ABS za pomocą pęsety, aby zwiększyć szybkość procesu rozpuszczania ABS.
Gdy większość puli krwi ABS się rozpuści, spłucz silikonowe serce czystym acetonem dwa do trzech razy, aby usunąć cały ABS z silikonu. Wyjmij model serca z acetonu i pozwól, aby pozostały aceton odparował z modelu w dobrze wentylowanym miejscu. W celu oceny dokładności i funkcjonalności modelu silikonowego wykonano dwa nacięcia, jedno w przedniej lewej komorze, a drugie w tylnej prawej komorze, aby uwidocznić anatomię wewnętrzną.
Spodziewany ubytek przegrody międzykomorowej był obecny, podobnie jak odpowiednie struktury wewnętrzne, a plaster GORE TEX został wszyty w model przez kardiochirurga z wrodzonymi wadami serca w celu skorygowania ubytku przegrody międzykomorowej. Zaprojektowanie formy ma kluczowe znaczenie. Upewnij się, że pokroiłeś formę na tyle kawałków, ile potrzebujesz, aby zmieścić się wokół kałuży krwi.
Ta technika umożliwia tworzenie skomplikowanych modeli silikonowych dostosowanych do potrzeb pacjenta. Nie jesteśmy już skrępowani ograniczeniami materiałowymi dotyczącymi druku 3D. Jesteśmy raczej w stanie sprostać wszelkiemu zapotrzebowaniu na kompleksowych trenerów chirurgicznych.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół tworzenia spersonalizowanych silikonowych modeli serca, które usprawniają szkolenie chirurgiczne. Dzięki połączeniu druku 3D z materiałami silikonowymi, modele te mają na celu dokładniejsze odtworzenie właściwości haptycznych tkanki mięśnia sercowego niż w przypadku metod tradycyjnych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chirurgia serca
- Technologia druku 3D
- Modelowanie medyczne
Wstęp
- Złożone wrodzone wady serca stanowią istotne wyzwanie w planowaniu chirurgicznym.
- Obecne technologie druku 3D nie odwzorowują w sposób wystarczający właściwości tkanki mięśnia sercowego.
- Modele specyficzne dla pacjenta mogą poprawić wyniki operacyjne oraz proces szkolenia.
- Zrozumienie anatomii poprzez modelowanie usprawnia opiekę nad pacjentem.
Cel badania
- Opracowanie kosztowo efektywnej metody tworzenia wysokiej wierności modeli do treningu chirurgicznego.
- Poprawa dokładności reprezentacji anatomicznych w symulacjach chirurgicznych.
- Ułatwienie lepszego przygotowania do złożonych procedur kardiologicznych.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie oprogramowania CAD do manipulacji plikami STL w celu tworzenia modeli.
- Druk 3D modeli przypadków mięśnia sercowego z wypełnieniem silikonowym.
- Montaż modeli w celu zapewnienia dokładności anatomicznej i funkcjonalności.
- Techniki wygładzania powierzchni w celu zwiększenia wierności odwzorowania modelu.
Główne wyniki
- Pomyślne stworzenie silikonowych modeli serca, które ściśle naśladują właściwości tkanek.
- Poprawa wyników szkolenia chirurgicznego zgłaszana przez użytkowników.
- Modele wykazały skuteczną reprezentację anatomiczną dla różnych procedur kardiologicznych.
- Ustanowiono kosztowo efektywne metody produkcji w celu szerokiego zastosowania.
Wnioski
- Personalizowane modele silikonowe znacząco usprawniają szkolenie chirurgiczne.
- Protokół ten można dostosować do różnych zastosowań chirurgicznych poza kardiologią.
- Przyszłe badania mogą skupić się na dalszym udoskonaleniu wierności odwzorowania i użyteczności modeli.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Spersonalizowane silikonowe modele serca rozwiązują kluczowy problem w szkoleniu chirurgicznym, dokładniej odwzorowując właściwości tkanki mięśnia sercowego niż standardowe modele drukowane w technologii 3D. Podejście to umożliwia realistyczne planowanie przedoperacyjne oraz praktyczny trening w zakresie korekcji złożonych wrodzonych wad serca, co zmniejsza ryzyko proceduralne i poprawia przygotowanie chirurgiczne. Metoda ta zapewnia ciągłość translacyjną od obrazowania do walidacji funkcjonalnej modelu, zwiększając pewność prognostyczną w odniesieniu do wyników operacyjnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia funkcjonalną walidację hipotez anatomicznych w strukturach serca specyficznych dla pacjenta.
- Wartość operacyjna: Zapewnia namacalne modele do mechanistycznego ograniczania ryzyka interwencji chirurgicznych przed ich zastosowaniem klinicznym.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Umożliwia tworzenie zestandaryzowanych, powtarzalnych modeli fizycznych do spójnej oceny techniki chirurgicznej.
- Wartość operacyjna: Wspiera gotowość do analizy poprzez umożliwienie wielokrotnego testowania technik rozmieszczania łat oraz szycia.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Łączy segmentację pochodzącą z obrazowania z walidacją modelu fizycznego w celu planowania przedoperacyjnego.
- Wartość operacyjna: Ułatwia podejmowanie decyzji o postępie z uwzględnieniem ryzyka, umożliwiając chirurgom ćwiczenie i doprecyzowanie technik na replikach specyficznych dla danego pacjenta.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z continuum odkryć naukowych poprzez przekształcanie danych obrazowych pacjentów w funkcjonalne modele treningowe, które wspierają identyfikację wiodących rozwiązań w testowaniu urządzeń chirurgicznych oraz przedkliniczną walidację strategii naprawczych.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących geometrii wady i wykonalności naprawy poprzez manipulację modelem fizycznym.
- Przesiew: Zapewnia ilościową ocenę gotowości dzięki rozpuszczalnym modelom puli krwi, które pozwalają na ocenę dostępu do wady wewnętrznej oraz integracji łaty.
- Analityka: Dostarcza mierzalnych wyników, takich jak objętość wady i deformacja tkanki pod wpływem naprężeń szycia, do analizy porównawczej.
- Badania translacyjne: Zapewniają ciągłość od segmentacji wirtualnej do modelu fizycznego, walidując dokładność anatomiczną przed zastosowaniem chirurgicznym.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku przepływ pracy w celu tworzenia specyficznych dla pacjenta trenerów chirurgicznych w przypadku wrodzonych i nabytych schorzeń serca.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Poprawia pewność prognostyczną poprzez odtworzenie haptyki tkanki natywnej, co zmniejsza niejednoznaczność w przewidywaniu wyników chirurgicznych.
- Wartość operacyjna: Zwiększa standaryzację i skalowalność dzięki zastosowaniu technik rozpuszczalnych form oraz powtarzalnego odlewania z silikonu.
- Wartość strategiczna: Zwiększa efektywność kapitałową, umożliwiając niskokosztowy, wysokowierny trening, który ogranicza zależność od modeli zwierzęcych lub tkanek zwłokowych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera decyzje go/no-go skorygowane o ryzyko w zakresie wdrażania urządzeń chirurgicznych poprzez wykazanie skuteczności w symulacjach przedoperacyjnych dostosowanych do konkretnego pacjenta.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w modelowaniu CAD, druku 3D oraz pracy z materiałami silikonowymi.
- Zależne od dostępu do drukarek 3D zdolnych do druku z rozpuszczalnego ABS oraz narzędzi do obróbki końcowej, takich jak komory do wygładzania oparami.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie segmentacji i walidacji modeli pomiędzy zespołami radiologicznymi, inżynierią biomedyczną i zespołami chirurgicznymi.
- Obejmuje kwestie adaptacji do różnej złożoności wad oraz skalowania modeli w zależności od anatomii pacjentów pediatrycznych i dorosłych.
- Ograniczone koniecznością ręcznej obróbki końcowej, takiej jak usuwanie podpór, wygładzanie oparami acetonu oraz odgazowywanie silikonu, w celu zapewnienia wierności i bezpieczeństwa modelu.
