Разработка и оценка 3D-печатных сердечно-сосудистых фантомов для интервенционного планирования и обучения

Представленный метод позволяет создавать специфические для пациента анатомические сердечно-сосудистые модели для тестирования in vitro, обучения и планирования процедур. Этот метод предлагает стандартизированный подход к созданию 3D-печатных индивидуализированных анатомических моделей на основе наборов радиологических данных, которые могут быть легко включены в контуры потока или обучающие установки. Хотя этот подход к моделированию ориентирован на сердечно-сосудистую систему, он может быть перенесен на другие анатомические структуры.

Качество набора радиологических данных оказывает большое влияние на трудности, возникающие при моделировании. Для первых моделей используйте набор данных с минимальными артефактами движения и высоким пространственным разрешением. Для начала определите диапазон значений единиц Хаунсфилда, открыв инструмент порогового значения, в результате чего получается комбинированная маска контраста увеличенного объема крови и костных структур.

Удалите все части кости, которые нежелательны в окончательной 3D-модели, с помощью инструмента «Разделенная маска», который позволяет маркировать и разделять несколько областей в общих срезах на основе значений Хаунсфилда и местоположения. После этого разделения убедитесь, что маска, содержащая контраст увеличенный объем крови, остается. Это можно сделать, прокрутив корональную и осевую плоскости и сопоставив созданную маску с базовым набором данных.

На 000 можно вычислить визуализированную 3D-полигональная модель поверхности. Щелкните инструмент «Локальное сглаживание», чтобы настроить поверхность сегментированной модели вручную и локально. Сосредоточьтесь на удалении грубых многоугольных фигур, одиночных пиков и шероховатого края, созданных предыдущими операциями обрезки.

Чтобы обеспечить последующее подключение модели к проточной петле, включите трубчатые детали с определенными диаметрами, отрегулированные в соответствии с имеющимися соединителями шлангов и диаметрами труб. Чтобы поместить датумную плоскость параллельно открывающейся поперечной сечению сосудов, выберите инструмент «Создать датумную плоскость» и используйте предустановленную 3-точечную плоскость. Затем нажмите на три одинаково расположенные точки на поперечном сечении судна, чтобы создать самолет.

Введите смещение 10 миллиметров в командном окне и подтвердите операцию. Выберите инструмент рисования эскиза в меню и выберите ранее созданную датумную плоскость в качестве местоположения эскиза. На эскизе поместите круг примерно на центральную линию сосуда и установите ограничение радиуса в соответствии с внешним диаметром соединителя шланга.

Из созданного эскиза используйте инструмент «Экструдировать» для создания цилиндра длиной 10 миллиметров. Ориентируйте экструзию на отход от отверстия сосуда, чтобы создать расстояние между цилиндром и поперечным сечением сосуда в 10 миллиметров. Затем используйте инструмент Loft, чтобы создать связь между окончанием сосуда и геометрически определенным цилиндром.

Обеспечьте плавный переход между двумя поперечными сечениями, тем самым избегая турбулентности и областей с низким потоком в окончательной 3D-модели потока. Наконец, используйте инструмент «Полый», чтобы сделать пустое пространство крови в командном окне, и поместите необходимую толщину стенки и задайте направление процесса выдолбления, чтобы двигаться наружу. Подтвердите выбор для выполнения процесса поллоу.

После загрузки файла печати из программного обеспечения для нарезки на 3D-принтер убедитесь, что количество печатного материала и вспомогательного материала в картриджах принтера достаточно для 3D-модели, и начните печать. После процесса печати удалите вспомогательный материал из готовой модели. Сначала снимите опорный материал вручную, аккуратно сжав модель.

Поместите модель на раковину, а затем после снятия крышки погрузите ее в воду или соответствующий растворитель. Высушите модель в инкубаторе, установленном на 40 градусов цельсия в течение ночи. На следующий день встраиваем модель в 1%агар.

Используйте пластиковую коробку с боковыми полями не менее двух сантиметров вокруг модели и просверлите отверстия в стенках, чтобы трубы могли быть соединены с сосудами с насосом и резервуаром. Добавьте агар в воду и доведите до кипения. После перемешивания смеси дайте ей остыть в течение пяти минут и вылейте ее в коробку, чтобы создать ложе высотой не менее двух сантиметров.

В то время как агаровая кровать устанавливается, подключите модель к несоответствующей трубе из ПВХ, используя коммерческие разъемы шланга при каждом отверстии. Используйте застежки-молнии, чтобы зафиксировать соединение между разъемами шланга и 3D-моделью и убедиться в отсутствии утечки жидкости. Проведите трубки из ПВХ через просверленные отверстия в коробку, затем поместите модель поверх установленного агарового ложа.

Чтобы предотвратить утечку агара из этих отверстий, используйте термостойкую пластилину для его герметизации. Далее заполните коробку агартом и накройте модель, добавив сверху двухсантиметровый слой. Дайте агарову полностью остыть и установите на час комнатную температуру.

Перемешивают желудочек с помощью поршневого насоса с тактовой объемом от 120 до 150 миллилитров. Для получения компьютерной томографии поместите весь контур потока в компьютерный томограф с приводным устройством, стоящим рядом. Подключите насос контрастных веществ непосредственно к резервуару контура потока, чтобы во время сканирования можно было имитировать затопление модели контрастным веществом.

Это особенно полезно для визуализации сосудистых патологий. Выполните КТ как динамическое сканирование всей модели для визуализации притока контрастных веществ. Впрыскиваем от 100 миллилитров от одного до 10 разбавленного йодированного контрастного вещества в резервуар модели со скоростью четыре миллилитра в секунду.

Начните сканирование с помощью болюсного запуска в ведущей трубке с порогом в 100 единиц Хаунсфилда за четырехсекундную задержку. Чтобы выполнить сонографию, наложите небольшое количество ультразвукового геля поверх блока агара, чтобы уменьшить артефакты. Запустите насос и используйте ультразвуковую головку, чтобы найти анатомическую структуру, которая представляет интерес.

Используйте режим 2D-эха для оценки движения листовки, а также поведения клапана при открытии и закрытии. Используйте цветной допплер для оценки кровотока через клапан и спектральный допплер для количественной оценки скорости потока после сердечного клапана. Вставьте порт доступа в трубку из ПВХ непосредственно под 3D-моделью, чтобы облегчить доступ к анатомии с помощью сердечного катетера или направляющего провода.

После запуска контура потока проверьте наличие утечки в точке входа в порт. При необходимости используйте двухкомпонентный клей для герметизации отверстия. Поместите 3D-модель на стол пациента под кроничками C рентгеновского аппарата.

Используйте рентгеновскую визуализацию, чтобы направлять катетер и направлять провода через анатомической структуре. Для 4D-МРТ используйте сканер 1,5 Тесла и убедитесь, что протокол сбора состоит из неконтрастной усиленной MRA в последовательности потока 4D. Получение изотропного набора данных с 25 фазами в срезе толщиной 1,2 миллиметра.

Установите кодирование скорости на уровне 100 сантиметров в секунду. Выполняйте анализ 4D-изображений с помощью коммерчески доступного программного обеспечения. Сначала импортируйте набор данных 4D MRI, выбрав его с флешки, затем выполните полуавтоматизированную коррекцию смещения и коррекцию сглаживания для улучшения качества изображения.

Центральная линия судна будет автоматически прослежена, и программное обеспечение извлекет 3D-объем. Наконец, выполните количественный анализ параметров потока, щелкнув по отдельным вкладкам в окне анализа. Визуализация потока, визуализация линии контура и вектор потока могут быть визуализированы без дополнительного ввода.

Для количественной оценки давления и напряжения сдвига стенки на вкладке репрезентативного размещения двух плоскостей, нажав кнопку «Добавить плоскость». Переместите плоскости к ROI, перетащив их вдоль центральной линии так, чтобы одна плоскость была помещена в начале ROI, а другая в конце. Падение давления через ROI и напряжение сдвига стенки будут визуализированы и количественно оценены на диаграмме рядом с 3D-моделью.

Представленные 3D-печатные модели предлагают широкий спектр возможностей в области компьютерной томографии. Печатный материал можно легко отличить от окружающего агара и возможных металлических имплантатов. Поэтому использование контрастного вещества обычно не требуется, за исключением создания динамических последовательностей изображений.

При использовании ультразвуковой визуализации можно различить стенку модели, окружающий агар и тонкие динамические объекты, такие как листочки сердечного клапана. Слой агара поверх модели обеспечивает реалистичную тактильную обратную связь во время процесса сканирования. Анализ потока в контуре потока предлагает широкий спектр возможных применений и прединтервентурную визуализацию.

Последовательность 4D MRI позволяет визуализировать поток жидкости, турбулентность и напряжение сдвига стенки в 3D-печатной модели, что позволяет анализировать модели потока после искусственных клапанов сердца. Этот рабочий процесс может быть перенесен на различные интервенционные медицинские процедуры для целей обучения или планирования. Методика позволяет более тщательно и глубоко искомознать поведение потока в крупных сердечно-сосудистых сосудах и предлагает большой потенциал для индивидуального планирования терапии.