Создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца с применением в предоперационных планах и практическом обучении
10 февраля 2022 г.
Модели, специфичные для пациента, улучшают уверенность хирурга и коллег при разработке или изучении хирургических планов. Трехмерные (3D) принтеры генерируют достаточные детали для хирургической подготовки, но не могут воспроизвести тактильную точность тканей. Представлен протокол, подробно описывающий создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца, сочетающих точность 3D-печати с моделируемой силиконовой тканью.
Сложный врожденный порок сердца является сложной 3D-проблемой. Существующие технологии 3D-печати не в состоянии точно воспроизвести свойства ткани миокарда. Этот протокол создает модели для высокоточной хирургической подготовки.
Этот метод экономически эффективно создает 3D-модели для конкретного пациента из их изображений. Моделирование внутренней и внешней анатомии их органов позволяет нам близко знать и заботиться о наших пациентах. Создание этих моделей в материале, который близко представляет анатомическую ткань, позволяет применять эту технику к любой процедуре тренажера, которая включает в себя анатомию.
Для начала откройте STL-файл модели корпуса миокарда в программе САПР. В Magics импортируйте STL-файлы, созданные во второй части импорта. В окне управления проектами выберите прозрачный параметр рендеринга модели.
Используйте левую и правую кнопки мыши для управления поворотом и панорамированием инструмента для настройки вида основания миокарда, направляя вершину сердца вниз, а дугу аорты горизонтально. Чтобы обрезать излишки материала корпуса миокарда из модели, перейдите в инструменты, выберите вырезать и указать полилинию, затем выберите точки интереса и нажмите «Применить». Точно так же разрежьте корпус миокарда на несколько частей.
Перейдите к вырезу, выберите указать полилинию, затем выберите точки интереса для горизонтального разреза через аорту, который делит корпус миокарда на нижнюю половину, содержащую вершину и верхнюю половину, а также для выполнения двух вертикальных разрезов вдоль самого широкого участка нижней половины и верхней половины корпуса миокарда. И, наконец, нажмите применить. Чтобы обеспечить правильное выравнивание во время сборки, используя инструмент генерации опоры и инструмент логического вычитания со значением зазора 0,25 миллиметра, создайте соответствующие опоры и полости опоры и добавьте их к частям корпуса миокарда, щелкнув добавить реквизит.
Укажите положение модели и нажмите кнопку Применить. В одной из верхних половин корпуса миокарда создайте силиконовое заполняющее отверстие диаметром в один сантиметр и проверьте размещение отверстий с помощью МСП. Выберите проверку диагностики для проверки диагностики по всем частям корпуса по отдельности, чтобы найти такие ошибки, как перевернутые нормальные, плохие края, плохие контуры, почти плохие края, плоские отверстия или оболочки в частях корпуса миокарда.
При обнаружении ошибки нажмите кнопку Автоматическое разрешение, чтобы исправить ее. Кроме того, ошибки могут быть исправлены вручную или с помощью инструмента исправления или мастера. Если ошибки не могут быть исправлены с помощью альтернативного варианта, исправьте их с помощью инструмента термоусадочной упаковки.
Нажмите «Исправить», выберите «Термоусадочная пленка» и следуйте диалоговому окну, чтобы настроить интервал выборки термоусадочной пленки и значения заполнения пробелов, необходимые для исправления ошибок на конкретном куске без изменения физиологии при обзоре МСП. Затем сохраните или экспортируйте отдельные части корпуса миокарда в виде файлов STL. Откройте модели корпуса миокарда и пула крови в соответствующем программном обеспечении слайсера для создания файлов 3D-печати.
Добавьте поддержку 3D-печати ко всем частям вручную или используйте инструмент автоматической генерации поддержки, предоставляемый в программном обеспечении, если таковой имеется. Нарежьте модели для генерации G-кода для использования на 3D-принтере с параметрами, описанными в текстовой рукописи, и сохраните или экспортируйте G-код. Загрузите файл печати на 3D-принтер.
Убедившись, что на 3D-принтер загружена правильная нить, начните печать. Когда печать будет завершена, используйте плоскогубцы и пинцет, чтобы удалить весь вспомогательный материал из напечатанных частей. Соберите кусочки корпуса миокарда вокруг формы бассейна крови, убедившись, что все части плотно прилегают друг к другу.
Если корпус миокарда не может поместиться вокруг бассейна крови, внесите небольшие коррективы в детали формы корпуса, используя ручной вращающийся шлифовальный инструмент для удаления материала. Далее разгладьте поверхность корпуса миокарда с помощью паров ацетона. Для этого выровняйте дно и боковые стороны контейнера бумажными полотенцами, которые не будут затронуты ацетоном.
Налейте ацетон на нижнее бумажное полотенце и дайте ему рассеять бумажные полотенца в сторону контейнера, но не образовывайте бассейн на дне. Поместите кусок алюминиевой фольги в контейнер, чтобы покрыть нижнее бумажное полотенце. Направьте кусочки футляра миокарда на алюминиевую фольгу так, чтобы лица, которые должны быть гладкими, были вертикальными, гарантируя, что кусочки не касаются друг друга или бумажных полотенец на стенках контейнера.
Накройте контейнер алюминиевой фольгой и дайте кусочкам корпуса миокарда оставаться нетронутыми в контейнере до тех пор, пока не будет достигнуто до 80% желаемой отделки поверхности. Как только поверхность станет гладкой, осторожно извлеките кусочки корпуса миокарда из контейнера, касаясь только внешних поверхностей, и дайте кусочкам полностью дегазироваться в хорошо проветриваемом помещении в течение примерно 30 минут или до тех пор, пока кусочки не станут полностью сухими и твердыми. Измерьте объем сегментации миокарда с помощью программного обеспечения CAD для определения необходимого количества силикона.
Тщательно перемешайте часть А и часть В силикона. Если на модели желателен цвет, добавьте пигмент и тщательно перемешайте все части и пигмент, затем поместите тщательно смешанный силикон в вакуумную камеру на две-три минуты при 29 дюймах ртути. Когда эта силиконовая смесь полностью дегазирована, удалите ее из камеры и погрузите кровяную смесь в силиконовую смесь, чтобы убедиться, что все пустоты и полости в бассейне крови заполняются силиконом, а бассейн крови тщательно покрывается.
В хорошо проветриваемом помещении тщательно опрыскивайте все кусочки корпуса миокарда легко высвобождающимся продуктом. Соберите нижнюю половину корпуса миокарда вокруг вершины кровяного бассейна. В случае утечки запечатайте утечку с помощью зажимов, горячего клея или глины.
Затем налейте силикон в пространство между бассейном крови и стенкой корпуса до тех пор, пока собранные кусочки формы миокарда не будут заполнены. После сборки оставшихся частей корпуса миокарда плотно закрепите детали корпуса с помощью резинок и зажимов по мере необходимости. Когда силикон затвердеет, извлеките силиконовое сердце из корпуса миокарда и обрежьте любые силиконовые швы, созданные из пространства между частями корпуса или заливного отверстия.
После идентификации всех кровеносных сосудов с открытыми концами на силиконовой модели обрежьте любой силикон, покрывающий сосуды, чтобы обнажить кровеносный бассейн ABS внутри. Погрузите силиконовое сердце в ацетон, и ABS начнет размягчаться через 10-15 минут после погружения ацетона. После того, как ABS размягчится, удалите большие куски ABS пинцетом, чтобы увеличить скорость процесса растворения ABS.
Когда большая часть бассейна крови ABS растворится, промойте силиконовое сердце чистым ацетоном два-три раза, чтобы удалить весь ABS из силикона. Удалите сердечную модель из ацетона и позвольте оставшемуся ацетону испариться с модели в хорошо проветриваемом помещении. Для оценки точности и функциональности силиконовой модели были сделаны два разреза, один в переднем левом желудочке, а другой в заднем правом желудочке для визуализации внутренней анатомии.
Ожидаемый дефект межжелудочковой перегородки присутствовал, как и соответствующие внутренние структуры, и пластырь GORE-TEX был вшит в модель врожденным кардиохирургом для исправления дефекта межжелудочковой перегородки. Проектирование пресс-формы имеет решающее значение. Убедитесь, что вы разрезали форму на столько кусочков, сколько вам нужно, чтобы поместиться вокруг бассейна крови.
Этот метод открывает возможности для создания сложных силиконовых моделей для конкретного пациента. Мы больше не ограничены ограничениями материалов для 3D-печати. Скорее, мы уполномочены удовлетворить любой спрос на сложные хирургические тренажеры.
Обзор
В данной статье представлен протокол создания индивидуальных силиконовых моделей сердца для улучшения хирургической подготовки. Благодаря сочетанию 3D-печати с использованием силиконовых материалов, данные модели позволяют более точно воспроизвести тактильные свойства ткани миокарда по сравнению с традиционными методами.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Кардиохирургия
- Технология 3D-печати
- Медицинское моделирование
Теоретические сведения
- Сложные врожденные пороки сердца создают значительные трудности при хирургическом планировании.
- Современные технологии 3D-печати недостаточно точно имитируют свойства ткани миокарда.
- Индивидуальные модели пациентов позволяют улучшить результаты хирургических вмешательств и качество обучения.
- Понимание анатомии с помощью моделирования способствует повышению качества медицинской помощи пациентам.
Цель исследования
- Разработать экономически эффективный метод создания высокоточных моделей для обучения хирургии.
- Повысить точность анатомических репрезентаций в хирургических симуляциях.
- Обеспечить более качественную подготовку к сложным кардиологическим процедурам.
Используемые методы
- Использование программного обеспечения CAD для редактирования STL-файлов с целью создания моделей.
- 3D-печать моделей миокарда с последующим заполнением силиконом.
- Сборка моделей для обеспечения анатомической точности и функциональности.
- Методы сглаживания поверхности для повышения достоверности моделей.
Основные результаты
- Успешное создание силиконовых моделей сердца, которые точно имитируют свойства тканей.
- Улучшение результатов хирургического обучения по отзывам пользователей.
- Модели продемонстрировали эффективное анатомическое воспроизведение для различных кардиологических процедур.
- Разработаны экономически эффективные методы производства для широкого применения.
Выводы
- Специфичные для пациента силиконовые модели значительно улучшают качество хирургического обучения.
- Данный протокол может быть адаптирован для различных областей хирургии, помимо кардиологии.
- Будущие исследования могут быть направлены на дальнейшее повышение точности воспроизведения и удобства использования моделей.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Индивидуальные силиконовые модели сердца решают критическую проблему в подготовке хирургов, более точно воспроизводя свойства тканей миокарда по сравнению со стандартными 3D-печатными моделями. Такой подход позволяет проводить реалистичное предоперационное планирование и практическое обучение коррекции сложных врожденных пороков сердца, что снижает риск осложнений и повышает готовность хирурга к операции. Данный метод обеспечивает трансляционную преемственность от визуализации до валидации функциональной модели, повышая прогностическую уверенность в результатах хирургического вмешательства.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проводить функциональную валидацию анатомических гипотез на специфических для пациента структурах сердца.
- Практическая ценность: предоставляет реальные модели для механического снижения рисков при хирургических вмешательствах перед их клиническим применением.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет создавать стандартизированные, воспроизводимые физические модели для последовательной оценки хирургических методов.
- Практическая ценность: обеспечивает готовность к проведению анализов, позволяя многократно отрабатывать техники размещения заплаты и наложения швов.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: обеспечивает переход от сегментации на основе визуализации к валидации физической модели для предоперационного планирования.
- Практическая ценность: облегчает принятие решений о ходе операции с учетом рисков, позволяя хирургам отрабатывать и совершенствовать методы на индивидуальных репликах пациентов.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данный метод интегрируется в процесс исследований, преобразуя данные визуализации пациентов в функциональные обучающие модели, которые способствуют идентификации перспективных решений при испытании хирургических устройств и доклинической валидации стратегий восстановления.
- Открывательная биология: позволяет проверять гипотезы о геометрии дефектов и возможности их восстановления путем манипуляций с физическими моделями.
- Скрининг: обеспечивает количественную оценку готовности с помощью растворимых моделей кровяного пула, которые позволяют оценить доступ к внутреннему дефекту и интеграцию заплатки.
- Аналитика: предоставляет измеримые показатели, такие как объем дефекта и деформация ткани при наложении швов, для проведения сравнительного анализа.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность от виртуальной сегментации к физической модели, подтверждая анатомическую точность перед хирургическим применением.
- Корпоративное повторное использование: создает воспроизводимый рабочий процесс для разработки индивидуальных хирургических тренажеров для пациентов с врожденными и приобретенными заболеваниями сердца.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышает достоверность прогнозов за счет воспроизведения тактильных свойств нативной ткани, что снижает неопределенность при прогнозировании результатов хирургического вмешательства.
- Операционная ценность: Улучшает стандартизацию и масштабируемость благодаря использованию методов растворимых форм и воспроизводимого литья из силикона.
- Стратегическая ценность: Повышает эффективность использования капитала, обеспечивая недорогое и высокоточное обучение, что снижает зависимость от моделей на животных или трупного материала.
- Влияние на портфель: Поддерживает принятие взвешенных с учетом рисков решений о внедрении хирургических устройств, демонстрируя эффективность в персонализированных предоперационных симуляциях.
Особенности реализации
- Требуется опыт в CAD-моделировании, 3D-печати и работе с силиконом.
- Зависит от наличия 3D-принтеров, способных печатать растворимым ABS-пластиком, и инструментов постобработки, таких как камеры для парового сглаживания.
- Необходимо межкомандное согласование стандартов между радиологами, биомедицинскими инженерами и хирургическими бригадами для сегментации и валидации моделей.
- Предполагает адаптацию под различную сложность дефектов и масштабирование моделей в зависимости от анатомии пациентов (от детей до взрослых).
- Ограничено необходимостью ручных этапов постобработки, таких как удаление поддержек, сглаживание парами ацетона и дегазация силикона для обеспечения точности и безопасности модели.
