Name: Tworzenie specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca z zastosowaniami w planach przedoperacyjnych i szkoleniach praktycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-02-10T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 15 s
Description: Naucz się tworzyć specyficzne dla pacjenta silikonowe modele serca przy użyciu druku 3D i oprogramowania CAD. Ta metoda poprawia jakość szkoleń chirurgicznych poprzez wierne odwzorowanie właściwości tkanek mięśnia sercowego.

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

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.

<ol><li>Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+incidence+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+College+of+Cardiology%22%5BJournal%5D)">The incidence of congenital heart disease.</a> Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).</li>
<li>Hussein, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hands-on+surgical+simulation+in+congenital+heart+surgery%3A+Literature+review+and+future+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Seminars+in+Thoracic+and+Cardiovascular+Surgery%22%5BJournal%5D)">Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective.</a> Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).</li>
<li>Wilson, H. K., Feins, R. H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWilson%2C+HK+%22Simulation+in+cardiothoracic+surgery.+Comprehensive+Healthcare+Simulation%3A+Surgery+and+Surgical+Subspecialties.+Comprehensive+Healthcare+Simulation%22">Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation</a>. , Springer, Cham. 263-274 (2019).</li>
<li>Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Innovations+in+surgery+simulation%3A+A+review+of+past%2C+current+and+future+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques.</a> Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).</li>
<li>Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hands-on+surgical+training+of+congenital+heart+surgery+using+3-dimensional+print+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Thoracic+and+Cardiovascular+Surgery%22%5BJournal%5D)">Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models.</a> Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).</li>
<li>Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cardiac+3D+printing+for+better+understanding+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+Cardiovascular+Disease%22%5BJournal%5D)">Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease.</a> Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).</li>
<li>Velasco Forte, M. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Living+the+heart+in+three+dimensions%3A+applications+of+3D+printing+in+CHD%5BTitle%5D)+AND+%22Cardiology+in+the+Young%22%5BJournal%5D)">Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD.</a> Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).</li>
<li>Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+of+3D+printed+cardiac+models+in+congenital+heart+disease%3A+a+scoping+review%5BTitle%5D)+AND+%22Heart%22%5BJournal%5D)">Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review.</a> Heart. 106, 1631-1637 (2020).</li>
<li>Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing+models+in+congenital+heart+disease+education+for+medical+students%3A+a+controlled+comparative+study%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Medical+Education%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study.</a> BMC Medical Education. 18 (178), (2018).</li>
<li>Farooqi, K. M., Mahmood, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Innovations+in+preoperative+planning%3A+insights+into+another+dimension+using+3D+printing+for+cardiac+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cardiothoracic+and+Vascular+Anesthesia%22%5BJournal%5D)">Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease.</a> Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).</li>
<li>Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+and+access+to+3-dimensional+printing+in+the+context+of+congenital+heart+disease%3A+an+international+physician+survey+study%5BTitle%5D)+AND+%22Canadian+Cardiovascular+Society%22%5BJournal%5D)">Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study.</a> Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).</li>
<li>Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clinical+value+of+virtual+reality+versus+3D+printing+in+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Biomolecules%22%5BJournal%5D)">Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease.</a> Biomolecules. 11 (884), (2021).</li>
<li>Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+modelling+and+printing+technology+to+produce+patient-specific+3D+models%5BTitle%5D)+AND+%22Heart+Lung+and+Circulation%22%5BJournal%5D)">3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models.</a> Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).</li>
<li>Yoo, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+in+medicine+of+congenital+heart+disease%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">3D printing in medicine of congenital heart disease.</a> 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).</li>
<li>Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Affordable+three-dimensional+printed+heart+models%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Cardiovascular+Medicine%22%5BJournal%5D)">Affordable three-dimensional printed heart models.</a> Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498(2021).</li>
<li>Lau, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+and+qualitative+comparison+of+low-+and+high-cost+3D-printed+heart+models%5BTitle%5D)+AND+%22Quantitative+Imaging+in+Medicine+and+Surgery%22%5BJournal%5D)">Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).</li>
<li>Scanlan, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+3D+echocardiogram+derived+3D+printed+valve+models+to+molded+models+for+simulated+repair+of+pediatric+atrioventricular+valves%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatric+Cardiology%22%5BJournal%5D)">Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves.</a> Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).</li>
<li>Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: 
 <a target="_blank" href="www.stratasys.com">www.stratasys.com</a> (2018).</li>
<li>Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/">https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/</a> (2021).</li>
<li>Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mimicking+soft+living+tissues+for+3D+printed+surgical+planning+prototypes+using+different+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Congreso+Anual+de+la+Sociedad+Espa%C3%B1ola+de+Ingenier%C3%ADa+Biom%C3%A9dica%22%5BJournal%5D)">Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials.</a> Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).</li>
<li>Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicone+models+of+the+aortic+root+to+plan+and+simulate+interventions%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).</li>
<li>Laing, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+patient-specific+cardiac+phantom+for+training+and+pre-procedure+surgical+planning%5BTitle%5D)+AND+%22Electronic+Thesis+and+Dissertation+Repository%22%5BJournal%5D)">A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning.</a> Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964(2017).</li>
<li>Hoashi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Utility+of+a+super-flexible+three-dimensional+printed+heart+model+in+congenital+heart+surgery%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).</li>
<li>Mena, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exploration+of+time-sequential%2C+patient-specific+3D+heart+unlocks+clinical+understanding%5BTitle%5D)+AND+%223D+Printing+in+Medicine%22%5BJournal%5D)">Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15(2018).</li>
<li>Russo, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+three-dimensionally+engineered+simulation+model+for+aortic+valve+and+proximal+aorta+procedures%5BTitle%5D)+AND+%22Interactive+CardioVascular+and+Thoracic+Surgery%22%5BJournal%5D)">Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).</li>
<li>Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+printing+surgical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22ePlasty%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional printing surgical applications.</a> ePlasty. 15, 37(2015).</li>
<li>Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/">https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/</a> (2021).</li>
<li>Riedle, H., Molz, P., Franke, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+properties+of+cardiac+tissue+for+3D+printed+surgical+models%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE-EMBS+Conference+on+Biomedical+Engineering+and+Science%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models.</a> IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>Filament ABS 1,75 mm</td><td>Matter Hacker</td> <td>matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-Anegdotycznie stała jakość, przystępna cena</td><td></td></tr> <tr><td>Filament PLA 1,75 mm</td><td>Matter Hacker</td><td>https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU</td><td>Anegdotycznie spójna jakość, przystępna cena</td></tr><tr><td>8220 12VMax o wysokiej wydajności Bezprzewodowy</td><td>Dremel</td><td>https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless</td><td>Bezprzewodowy dla łatwiejszego dostępu do małych elementów w modelu</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Sunnyside</td><td>https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5</td><td>Bulk</td></tr><tr><td>Dragon Skin Fx-Pro</td><td>Smooth-On https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro</td><td></td><td>Standardowa, bezpieczna dla skóry</td></tr><tr>powłoka<td>Ease Release 200</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/ease-release-200</td><td>zapewniająca łatwe usuwanie silikonu z formy</td></tr><tr><td>Plaster GORE-TEX</td><td>GORE</td><td>https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch</td><td>Plaster na układ sercowo-naczyniowy</td></tr><tr><td>ideaMaker</td><td>Raise 3D</td><td>https://www.raise3d.com/download/</td><td>&nbsp; Dołączone oprogramowanie CAD G-code dla drukarek 3D</td></tr><tr><td>Raise Magics</td><td>Materilise</td><td>https://www.materialise.com/en/software/magics</td><td>Bogate w funkcje oprogramowanie CAD zdolne do manipulowania powierzchniami organicznymi</td></tr><tr><td>Naśladuje</td><td>materiał</td><td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics</td><td>Bogate w funkcje oprogramowanie do segmentacji</td></tr><tr><td>Dane DICOM pacjenta</td> <td>-</td><td>-</td><td>Dane DICOM zazwyczaj pochodzą z tomografii komputerowej pacjenta lub rezonansu magnetycznego</td></tr><tr><td>Pro2 Plus</td><td>Raise 3D</td><td>https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/</td> <td>Anecdotallay niezawodna, podwójnie wytłaczana drukarka 3D FDM</td></tr><tr><td>PRO2-100 Przemysłowy pistolet do klejenia</td><td>Surebonder</td><td>https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks</td><td>Przemysłowej jakości pistolet do klejenia na gorąco</td></tr><tr><td>Silc Pig</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments</td><td>Pigment do dodawania koloru do silikonu</td></tr><tr><td>Komora próżniowa</td><td>Smooth-On</td><td>https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber</td><td>Anegdotycznie niezawodna komora próżniowa do usuwania pęcherzyków powietrza z mieszanego silikonu</td></tr></tbody></table>

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

Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training

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.

W celu stworzenia reprezentatywnego silikonowego modelu serca wybrano dane z obrazowania radiologicznego pacjenta z VSD. Anatomię pacjenta poddano segmentacji przy użyciu oprogramowania do segmentacji CAD w celu wygenerowania cyfrowego modelu mięśnia sercowego oraz cyfrowego modelu łożyska krwi (Rysunek 1). Ręczna segmentacja łożyska krwi i mięśnia sercowego przy zastosowaniu przedstawionego protokołu trwa od 1 do 3 h. Po zakończeniu segmentacji model mięśnia sercowego otwarto w oprogramowaniu CAD w celu dalszej obróbki. Model wyrównano do trójwymiarowego pudełka utworzonego w programie, a następnie odjęto go za pomocą operacji boolowskich. Proces ten pozostawił negatyw modelu mięśnia sercowego, tworząc formę. Formę mięśnia sercowego przycięto do bardziej odpowiedniego rozmiaru, podzielono na segmenty i zmodyfikowano poprzez dodanie podpór do wyrównania elementów (Rysunek 2). Tworzenie obudowy trwało od 2 do 6 h. Wszystkie elementy formy mięśnia sercowego oraz łożysko krwi załadowano do oprogramowania do slicowania druku 3D i wygenerowano G-Code w celu wydrukowania elementów z ABS (Rysunek 3). Wydrukowane w 3D elementy po usunięciu materiału podporowego przedstawiono na Rysunku 4. Elementy obudowy mięśnia sercowego poddano wygładzaniu oparami w celu poprawy wykończenia powierzchni modelu (Rysunek 5). Po zakończeniu procesu wygładzania oparami formę złożono wokół modelu łożyska krwi i wlano silikon. Montaż i wlewanie silikonu trwały jedną godzinę. Po utwardzeniu silikonu model serca wyjęto z obudowy mięśnia sercowego i zanurzono w acetonie, aby rozpuścić łożysko krwi. Po około dwudziestu czterech godzinach moczenia łożysko krwi uległo rozpuszczeniu. Wykonano końcowe płukanie acetonem i pozostawiono model do całkowitego wyschnięcia. Gotowy silikonowy model serca przedstawiono na Rysunku 6. Aby ocenić dokładność i funkcjonalność modelu silikonowego, ekspert w dziedzinie CHD (wrodzonych wad serca) wykonał nacięcie, aby umożliwić obserwację wewnętrznej anatomii. Stwierdzono obecność oczekiwanego VSD, a chirurg kardiochirurg dziecięcy naszył na model łatę GORE-TEX w celu korekcji VSD (Rysunek 7). W prawidłowo wykonanym modelu silikonowym cała anatomia i wady pacjenta będą widoczne zarówno zewnętrznie, jak i wewnętrznie. Podsumowanie protokołu znajduje się w Pliku uzupełniającym 1. 
<img alt="Metoda szycia chirurgicznego; model tkankowy; schemat dwupanelowy; zbliżenie na etapy procedury." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Łatka GORE-TEX wszyta w silikonowy model serca z VSD. Fotografia przedstawiająca (A) widok chirurga na spersonalizowany silikonowy model serca z VSD oraz (B) widok chirurga na VSD w modelu zamknięte za pomocą łatki GORE-TEX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Plik uzupełniający 1: Schemat protokołu wytwarzania silikonowego serca. Schematyczny rysunek protokołu wytwarzania spersonalizowanego silikonowego modelu serca pacjenta. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_1.psd" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Plik uzupełniający 2: Podsumowanie kluczowych etapów i potencjalnych negatywnych wyników. Podsumowanie etapów krytycznych w opracowaniu specyficznego dla pacjenta silikonowego modelu serca oraz potencjalnych negatywnych wyników, które mogą wystąpić w przypadku nieprawidłowego wykonania tych kroków. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_2.psd" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

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

Three dimensional&#160;models can be a valuable tool for surgeons as they develop surgical plans and medical fellows as they learn about complex cases. In ...

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.

creation-patient-specific-silicone-cardiac-models-with-applications

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Metodologia jest opisana tutaj do reprezentowania danych obrazowania anatomicznego w kryształach. Tworzymy skalowane trójwymiarowe modele danych obrazowania biomedycznego do wykorzystania w podpowierzchniowym grawerowaniu laserowym (SSLE) szkła kryształowego. Narzędzie to stanowi użyteczne uzupełnienie wyświetlaczy obliczeniowych lub modeli drukowanych trójwymiarowo stosowanych w warunkach klinicznych lub edukacyjnych.

Tworzenie skalowanego modelu anatomicznego na podstawie danych z obrazowania tomografii biomedycznej i powiązanych etykiet do późniejszego podpowierzchniowego grawerowania laserowego (SSLE) kryształów szklanych

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

Ten protokół opisuje wykorzystanie planowania i drukowania 3D do rekonstrukcji wad kostnych. Używamy narzędzi do segmentacji do tworzenia modeli 3D, a następnie oprogramowania do projektowania 3D, aby stworzyć implanty dostosowane do potrzeb pacjenta do celów rekonstrukcyjnych równolegle z zabiegiem ablacyjnym lub jako drugi etap.

Planowanie 3D i drukowanie implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta w celu rekonstrukcji ubytków kostnych

W miarę rozwoju technologii i stawania się coraz bardziej przyjazną dla użytkownika, planowanie operacji oraz dostosowane do potrzeb pacjenta szablony chirurgiczne i płytki mocujące powinny być wykonywane przez chirurga. Przedstawiamy protokół planowania 3D ortognatycznych ruchów szkieletu oraz planowania 3D i drukowania płytek mocujących i szablonów chirurgicznych dostosowanych do potrzeb pacjenta.

Leczenie deformacji twarzy za pomocą planowania 3D i drukowania implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta

Ten protokół opisuje wytwarzanie czaszki, mózgu i fantomu guza specyficznego dla pacjenta. Wykorzystuje druk 3D do tworzenia form, a alkohol poliwinylowy (PVA-c) jest używany jako materiał naśladujący tkankę.

Specyficzne dla pacjenta wytwarzanie fantomów z alkoholu poliwinylowego z kontrastem ultradźwiękowym i rentgenowskim w celu planowania operacji guza mózgu

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

Przepływ pracy do tworzenia trójwymiarowych (3D) wirtualnych modeli hybrydowych został zaprojektowany na podstawie zestawu danych tomografii komputerowej wiązki stożkowej i wewnątrzustnych skanów optycznych, wykorzystujących metody segmentacji obrazów radiograficznych i modelowanie powierzchni o dowolnym kształcie. Modele cyfrowe są wykorzystywane do wirtualnego planowania zabiegów chirurgicznych rekonstrukcyjnych zębodołu zębodołowego.

Przygotowanie cyfrowego modelu hybrydowego do wirtualnego planowania zabiegów chirurgicznych rekonstrukcyjnych zębodołu zębodołowego

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

Tutaj zaproponowano nową metodę tworzenia spersonalizowanego modelu drukowanego w 3D do przedoperacyjnej oceny operacji tarczycy. Sprzyja to rozmowie przedoperacyjnej, zmniejszając trudność operacji tarczycy.

Spersonalizowany model wydrukowany w 3D do oceny przedoperacyjnej w chirurgii tarczycy

To badanie ma na celu stworzenie wydrukowanego w 3D modelu kręgu lędźwiowego specyficznego dla pacjenta, który zawiera zarówno modele kręgów, jak i nerwów rdzeniowych połączone z wysokorozdzielczą tomografią komputerową (HRCT) i danymi MRI-Dixon.

Druk 3D modelu specyficznego kręgu lędźwiowego pacjenta

Postęp w leczeniu wewnątrznaczyniowym zastąpił skomplikowane otwarte procedury chirurgiczne minimalnie inwazyjnymi opcjami, takimi jak wymiana zastawki i naprawa tętniaka. W artykule zaproponowano wykorzystanie modelowania trójwymiarowego (3D) i rzeczywistości wirtualnej do pomocy w pozycjonowaniu ramienia C, pomiarach kąta i generowaniu mapy drogowej do planowania procedur w laboratorium cewnikowania neurointerwencyjnego, minimalizując czas zabiegu.

Pionierskie podejścia do precyzyjnej chirurgii dostosowanej do potrzeb pacjenta z wykorzystaniem obrazowania i rzeczywistości wirtualnej

Naucz się tworzyć specyficzne dla pacjenta silikonowe modele serca przy użyciu druku 3D i oprogramowania CAD. Ta metoda poprawia jakość szkoleń chirurgicznych poprzez wierne odwzorowanie właściwości tkanek mięśnia sercowego.

Tworzenie specyficznych dla pacjenta silikonowych modeli serca z zastosowaniami w planach przedoperacyjnych i szkoleniach praktycznych (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów