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Bioengineering

在新生儿患者模拟器中使用的解剖现实新生儿心脏模型

Published: February 5, 2019 doi: 10.3791/56710
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1
1Department of Industrial Design, Eindhoven University of Technology, 2Department of Neonatology, Máxima Medisch Centrum Veldhoven

Summary

该协议描述了利用磁共振成像、3d 打印和注塑成型相结合的方法创建功能性人工新生儿心脏模型的过程。这些模型的目的是集成到下一代新生儿患者模拟器中, 并作为生理和解剖研究的工具。

Abstract

新生儿患者模拟器 (nps) 是在医学模拟训练中使用的人工病人代孕器。新生物学家和护理人员进行临床干预, 如胸部按压, 以确保患者的生存, 在心动过缓或心脏骤停的情况下。目前使用的模拟器物理保真度较低, 因此无法提供对胸部按压过程的定性洞察。在未来的模拟器中嵌入一个解剖逼真的心脏模型, 可以检测胸部按压过程中产生的心脏输出量;这可以为临床医生提供一个输出参数, 从而加深对压缩对所产生的血流量的影响的理解。在实现这种监测之前, 必须建立一个解剖现实的心脏模型, 其中包括: 两个心房、两个心室、四个心脏瓣膜、肺静脉和动脉, 以及全身静脉和动脉。该协议描述了通过使用磁共振成像 (mri)、3d 打印和冷注射成型形式的铸造相结合来创建这种功能的人工新生儿心脏模型的过程。在注塑成型过程中, 采用灵活的三维印刷内模方法, 可以获得一种解剖逼真的心脏模型。

Introduction

每年有数百万新生儿被新生儿重症监护室 (nicu) 收治。在国家天主教儿童联盟, 大多数紧急情况与气道、呼吸和血液循环方面的问题有关 (abc), 需要胸部按压等干预措施。nps 为实施此类干预措施提供了宝贵的教学和培训工具。对于一些 nps, 嵌入式传感器可以检测性能是否符合建议的胸部按压深度和速度的临床指南1 。遵守准则可用于计算和量化绩效, 在这方面, 这种最先进的 nps 状态可被视为评估绩效的有形和白盒指标。

遵守建议的指南旨在改善患者的生理状况。例如, 胸部按压的目的是在循环系统中产生足够的血液流动。目前的高保真 nps (例如, 普雷米安妮 (莱尔达尔, 挪威的斯塔万格) 和保罗 (sim随时随地, 维也纳, 奥地利)), 不包含任何传感器来测量生理参数, 如训练期间的血液流动, 因为他们缺乏一个完整的心脏生成此生理参数。因此, 目前 nps 中胸部按压的有效性不能在生理水平上进行评估。为了使 nps 能够对胸部按压进行生理评估, 必须将解剖现实的人工心脏纳入 nps。此外, 研究2表明, 物理解剖保真度的提高可能会导致 nps 的功能保真度的提高。整合一个物理高保真器官系统既有利于训练的功能保真, 也有利于生理性能评估。

通过3d 打印可以显著提高 nps 的保真度。在医学上, 3d 成像和打印主要用于手术制备和创建植入物3,4,5。例如, 在外科模拟领域, 产生器官是为了训练外科医生进行外科手术.3d 打印的可能性尚未在 nps 中得到广泛应用。3d 成像和3d 打印的结合为 nps 提供了达到更高的物理保真度的可能性。由于用于3d 打印的技术和材料范围不断扩大, 心脏等复杂、灵活的新生儿器官的复制成为可能.

本文详细介绍了一种利用 mri、3d 打印和冷注射成型相结合的方法来创建功能性人工新生儿心脏的协议。本文的心脏模型包括两个心房, 两个心室, 四个功能瓣膜, 肺和全身动脉和静脉都产生的一个有机硅铸件。心脏模型可以充满液体, 配备传感器, 并用作输出参数发生器 (即胸部按压时的血压或心脏输出量, 以及阀门功能)。

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Protocol

所有机构的批准都是在患者成像之前获得的。

1. 图像采集和分割

  1. 以医学数字成像和通信 (dibom) 的形式对新生儿进行胸腔 mri 扫描。在心脏周期的心室舒张期捕捉扫描的每一片, 或从尸体解剖中获得胸腔 mri。
    注: 心脏肌肉, 以及心房和心室的明显明确的定义是必不可少的。
  2. 使用处理软件 (见材料表) 导入胸部 mri 的 dicom 文件。使用 "编辑蒙版" 菜单项, 选择心脏所在的每个 mri 切片上的心脏肌肉区域。在这种情况下, 心房和心室也可以覆盖。
  3. 创建一个新的草图层, 并以与选择心脏肌肉相同的方式分别分割两个心房和两个心室。不要将心房和心室之间以及心室和动脉之间的瓣膜分割在一起。
  4. 使用 "计算 3d" 菜单项将肌肉和腔体渲染为单独的3d 表示形式, 并使用 "stl +" 菜单项使用最佳分辨率设置将其导出为五个 stereo光刻 (. stl) 文件。
  5. 将. stl 文件加载到 cad 软件中 (请参阅材料表)。使用修复向导菜单项修复. stl 文件的重叠三角形和坏边缘。再次保存. stl 文件。
    注: 如果没有可用的心脏 mri, 请考虑使用本协议中使用的心脏模型。此文件还包含单独的心脏瓣膜模型。请点击此处下载文件。

2. 加工和模具印刷

  1. 将心房和心室的集合加载到计算机辅助设计软件中 (见材料表)。请点击此处下载文件。
    1. 使用原始 mri 确定主动脉、肺、二尖瓣和三尖瓣的位置 (图 1)。
  2. 通过将阀门文件 (通过上面的链接获得) 拖入激活 "插入部分" 功能的当前文件中, 将每个阀门的正负模具的一半添加到其在加载的心房和心室中各自位置的位置。通过单击心房或心室表面的位置来指示放置位置。
    1. 使用 "特征选项卡 > 挤压 boss base" 挤出正负阀门的底部, 将其拉伸到各自的腔中, 并将阀门部件合并到各自的腔中。
      注: 二尖瓣由两个半半部分组成, 而三尖瓣、主动脉和肺动脉瓣由三个部分组成。
  3. 使用步骤2.2 中描述的程序将肺和主动脉瓣文件添加到各自的心室位置。从这些阀门的顶部, 通过点击 "草图选项卡 > 圆圈", 使用 "特征选项卡 > 扫描 boss/base", 点击 "草图选项卡圆", 绘制两个直径为5毫米的拱形气缸, 直到两个圆筒表面达到水平位置。将瓣膜部分合并到各自的心室和动脉上。
  4. 从四个腔的底部, 以及两个拱形钢瓶, 绘制直径为5毫米的垂直钢瓶, 通过单击 "草图选项卡 > 圆圈" 项, 并通过单击 "功能选项卡 > 挤压 boss base" 项目将其拉伸到40毫米的长度。让每个气缸突出到各自的腔内。
    1. 为确保在装配模具中的六个内部部件时, 腔内的位置, 通过在钢瓶顶部绘制半凹槽, 在六个气缸 (图 2) 上添加差速器: 单击 "草图选项卡 > 草图圆圈" 菜单项, 然后使用 "功能选项卡 > 剪切拉伸 "菜单项, 以创建不同的深度缩进。
      1. 通过选择腔内和动脉的固体, 右键单击并按下 "组合" 功能, 然后可以选择减法设置, 从腔内和动脉中减去它们的形状。不要合并这些部分。分别保存所有的房间和动脉。
  5. 导入心脏肌肉模型。通过启动新草图和按住 "移位" 键选择所有圆柱形基础草图来偏移六缸基础草图。然后, 选择 "草图选项卡 > 转换实体" 菜单项。选择 "草图选项卡 > 偏移实体" 菜单项, 将草图偏移2毫米。
    1. 通过单击 "特征选项卡 > 挤压 boss/bass" 菜单项与心脏肌肉模型, 拉伸和合并这些草图;重复的拱形钢瓶。通过点击 "功能选项卡 > 挤压 boss/bass" 菜单项, 将这些钢瓶与心脏肌肉模型合并。
      注: 确保心房对面的心脏肌肉模型的距离超过2毫米 (图 1)。否则, 拆卸内部模具时, 墙体会破裂。
  6. 通过单击 "要素选项卡 > 参照几何 > 平面", 从六个圆柱体的底部向下设置多维数据集。之后, 单击 "草图选项卡 > 正方形" 菜单项, 并草绘长度和宽度比心脏肌肉模型最宽部分宽4毫米的正方形。
    1. 向下挤压厚度为8毫米, 方法是点击 "功能选项卡 > 拉伸 boss base" 菜单项, 并将其合并到标记 "合并部件" 菜单项的六个圆柱体的底部。在基底的四个角上, 使用相同的方法添加4毫米立方体。
  7. 使用正方形基座作为草图, 挤压它以覆盖整个心脏模型, 并从中减去所有其他部分。在心脏模型最宽的部分拆分剩余矩形的顶部。首先使用 "要素" 选项卡将参考平面放置在所需的高度 > 参照几何 > 平面。之后, 使用菜单项 "插入 > 模具 > 拆分" 来选择必须进行拆分的表面和需要拆分的对象。
    1. 使用步骤2.7 中描述的相同方法在垂直位置再次拆分剩余矩形, 位于最方便的脱模位置。在模具的纵向部分的角落绘制4毫米立方插座, 并使用 "草图选项卡 > 正方形" 和 "特征选项卡" 将 4 mm 立方体添加到顶部盖的角上, > 拉伸 boss/base "菜单项。
  8. 草绘50圈直径为1毫米, 覆盖整个外部模具模型的顶部, 并通过所有外部模具切割这些。此外, 在心脏肌肉模型最宽的位置挤压顶盖一侧的几个1毫米气瓶。从顶盖切割出一个8毫米的注射孔。
    1. 分别保存所有四个外部模具部件。
      注意: 总共应有十个模具组件: 模具的底部, 两个外模具侧板, 一个外模具顶盖, 两个内模心房带阀门附件, 两个内模心室与阀门附件, 和每个主动脉和肺内部的一个模具动脉与阀门附件。
  9. 使用喷射打印机打印安装了刚性和橡胶状的光聚合物材料
    (请参见材料表)。将打印部件放在打印床上时, 请确保阀门底片都朝上 (垂直) 打印 (图 3)。
    1. 选择有光泽的打印设置。对于四个腔以及肺和主动脉模具附件, 选择柔性 s95 材料;对于其他四个模具零件, 请选择刚性打印材料。
  10. 打印模具部件后, 取出水射流打印过程中积累的支撑材料 (参见材料表)。清洗模具部件后, 将部件放入5% 的氢氧化钠溶液中24小时。从溶液中取出零件后, 用冷水冲洗, 在铸造前干燥48小时。

3. 冷注射成型和精加工

  1. 将所有模具部件的所有表面喷涂, 但阀门除外 (见材料表), 并用纸巾擦拭干净。离开干燥15分钟。
    1. 关闭模具的底座和两个侧板, 并将其放置在两个垫片的顶部, 因此模具的基座与表表面没有直接接触。通过将硅胶盒插入手动点胶枪 (参见材料表) 来准备硅胶。
  2. 将从点胶枪中挤出的5毫升硅胶加入测量杯, 然后使用牙签混合。使用牙签, 在右心房和心室瓣膜的负侧和正面上涂抹大量融化的硅胶。确保硅胶中没有气泡 (图 4)。
    1. 以正确的阀门角度连接两个腔, 并将它们推入底座模具的各自气缸上。对左侧重复此操作。最后, 同样地附着肺和主动脉拱形气瓶。离开这些阀门固化 2分钟, 然后连接模具的顶部。
  3. 将静态混合器连接到墨盒上, 挤压至硅胶离开喷嘴, 然后释放压力。将整个模具放置在两个垫片上 (图 5), 将枪插入8毫米注塑插座, 并在3分钟内低压挤压, 直到所有通风口都出现硅胶溢出的迹象。
    1. 此时停止注入硅胶, 取出搅拌机, 将模具放在桌子表面, 以便所有底部的通风口都是密封的, 并且没有更多的硅胶可以从模具底部流出。离开硅胶固化30分钟。
  4. 通过窥探并将金属垫片提升到模具顶部和下部之间的裂纹中, 打开模具的顶部。使用相同的方法拆卸模具的侧面部分, 一次拆卸一侧。
    注: 插入间隔时, 请确保不要刺穿心壁。
    1. 释放三个外部模具组件后, 检测心脏外部的任何气泡 (图 6)。使用手术刀刺穿气泡, 用小剂量硅胶填充它使用牙签, 然后离开固化再30分钟。
  5. 使用压缩空气 (见材料表) 将心脏模型从模具的基座上吹掉, 使心脏模型中的六个内部模具离开。一定要用一只手牢牢地将心脏模型围住, 防止空气破裂心壁。
    1. 使用带水的注射器填充和加压左心室和右心室以释放内模。在此之后, 使用 magill 钳 (见材料表) 抓取并拉出这些内部两个模具部件。对肺和主动脉重复此过程, 最后切除左、右心房内模具。
      注: 在施加夹紧压力时, 确保钳子的位置不会压缩阀门段;就会破坏印制好的阀门
  6. 用领带包裹将从心脏模型底部的心室直接向下的两个管子捆绑起来, 并通过在心脏壁表面拔下它们来消除进入的通风口弦。

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Representative Results

这项研究详细介绍了一种结合 mri 成像、3d 打印和冷注射成型的解剖逼真的新生儿心脏模型的方法。本文所提出的心脏模型中不包括动脉导管和卵圆孔。本文介绍的方法也可应用于其他内脏器官, 如肺和肋骨笼结构。肋骨架结构不需要模具, 可以直接使用柔性材料打印。在 (图 7) 中, 我们描述了其中的几个示例。将心脏模型与这些其他人造身体部位结合使用, 可以创建一个完整的胸腔副本, 作为非侵入性和侵入性临床干预的训练工具或测试平台。

重新创建一个完整的、解剖上现实的模型的挑战在于, 四个腔以及阀门都必须作为一个部分来铸造。如果将单独的部分进行铸造, 并在稍后阶段粘合在一起, 则会保留较少的解剖精度。此外, 使用有机硅材料粘合在一起可能会导致在压缩过程中使用心脏模型时可能导致潜在的破裂。

3d 打印复杂部件的分辨率 (图 1) 对于实现心脏系统等小型有机部件至关重要。由于这些型号的腔和阀门中的细节决定了最终模型的功能, 因此在打印分辨率较高的情况下, 最终产品的分辨率会更高。阀门是模具的一个组成部分, 尤其是这种情况。如果这些内部模具部件不是在直接垂直位置打印的, 那么在清洗过程中, 精致的阀门会破裂, 从而导致铸造后阀门形状错误。

印刷部件的清洗应使用氢氧化钠溶液进行, 然后干燥48小时。否则, 剩余的支撑材料将抑制硅胶固化, 这将导致阀门铸模失败, 以及心脏模型的一个极其俗气的外部。

使用3d 打印使用非常灵活的内部模具材料, 可以创建有机和复杂的结构, 从最终的铸造部分释放 (图 4)。如果这些内模部件以固体材料印刷, 则在拆卸内腔时, 心脏模型部件将被破坏。

Figure 1
图 1: 完成的 mri 模型.该模型应包含以下五个固体: 心壁、左心房和右心房, 左心室和右心室。平滑这些部分对于高质量的打印和随后的心脏模型的高细节转换是必不可少的。在 cad 软件中编辑心脏模型时, 应参考心脏瓣膜定位的注意事项。此外, 心房和心壁之间的空间应至少为2毫米, 以防止在拆除内部模具时这些墙壁破裂。

Figure 2
图 2: 添加插座来固定内模件是定位所必需的.如果没有这些, 内部模具将漂移, 阀门将是一个保证误播。在负阀部件中安装插座对于最大限度地减少内模固定点, 为模型的解剖结构提供最少的干扰也是必不可少的。

Figure 3
图 3: 在打印模具时, 心脏瓣膜部件应始终以光泽模式朝上的位置打印, 以保证精确的几何形状.这也可以防止支撑材料堵塞阀门的空腔, 这可能会在清洗过程完成后破坏几何形状。

Figure 4
图 4: 在冷注射成型之前, 将有机硅添加到阀门中, 模型的其余部分至关重要.将阀门组装好, 并分别为每个阀门应用有机硅, 这对于防止空气堵塞至关重要, 这将使阀门的功能变得无用。由于阀门一半之间的通道非常狭窄, 以及这些位置缺乏通风口, 否则在冷注射成型过程中, 有机硅不可能到达所有半气缸阀的全部。

Figure 5
图 5: 将模具安装在垫片上, 以确保通风口在成型过程中能够正常工作.当一个人保持模具的位置, 以及计数进入铸造过程中的分钟数, 第二个应该慢慢地, 稳定地注入硅胶到模具使用喷射枪。将硅胶注入模具的速度越低, 最终心脏模型中出现的空气夹闭就越少。

Figure 6
图 6: 释放模具的顶部和侧面部分后, 检查心脏是否有任何空气陷阱.这些陷阱应刺破, 并填充硅胶使用牙签, 并留下治愈再30分钟之前, 最后阶段的拆除进行。

Figure 7
图 7: 附加建模和印刷的肺模具 (遵循本手稿的协议) 和肋骨笼 (用热塑性聚氨酯 (tpu) 印刷).这些模型使一个完整的新生儿胸腔模型得以复制, 用于在解剖、手术领域对临床医生进行培训, 或可视化胸部按压对新生儿胸部的影响。使用本文所述方法产生的器官具有完美的解剖契合性, 因为它们都是基于相同的 mri 扫描。

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Discussion

对于本研究中开发的模型, 我们确定需要在3分钟内进行注塑成型, 以防止空气进入铸件 (图 5,图 6)。为确保有机硅到达阀门的狭窄空间, 模具中阀门区域的 "预铸" 或 "涂层" 至关重要。由于塑造心脏腔的内部模具必须通过5毫米开口退出最终的硅胶铸件, 因此需要为模具进行多材料3d 打印, 以创建单个铸造心脏模型 (图 4)。我们多次降低内模零件的硬度, 最终使用了 s95 材料设置。更坚硬的材料会使硅胶模型撕裂, 由于尖锐的边缘的阀门, 使由此产生的心脏模型无法正常工作。通过使用不同固化时间的多个有机硅, 发现需要使用快速固化有机硅, 因为在模具设计中的许多通风口固化过程中, 材料会流出。

本手稿中描述的技术的局限性在于, 生产方法非常耗时, 需要许多专有材料, 从而导致相对昂贵的生产过程。另一个限制是在分割过程中访问保留解剖正确性所需的高分辨率 mri 扫描 (图 1)。此外, 模具设计需要大量的 cad 技能 (图 2) 来构建和实施新生儿心脏瓣膜。使用本文所描述的心脏模型的另一个局限性是, 根据 coher 等人的研究.9日, 这些模型在开始撕裂之前只会持续 3, 000个压缩周期左右, 这就需要持续生产心脏模型。但是, 我们估计本文提出的模型将超过这个数字, 因为所使用的材料具有较高的伸长率, 直到断裂参数和施加在模型上的压缩压力较低。尽管本文所描述的技术旨在生产新生儿人体模型模拟器部件, 但很少有论文2支持在模拟器中使用这种非常详细的模型。

这种方法对于创建心脏功能性三维模型的现有方法9的意义在于, 这种方法可以使用单一的软质材料进行铸造, 从而解剖地模仿人体心脏。对模拟软组织10 的有机硅材料的研究显示出模仿肌肉组织的潜力, 这种组织最终可能会被整合到实现心跳的心脏模型中。这反过来又能使心脏肌肉行为在不正常情况下的调查, 如碰撞检测。此外, 对于具有这种有机复杂性级别的模型的创建, 该方法提供了一种替代丢失蜡建模方法的方法。在失蜡成型中, 内部模具总是丢失创建模型, 使用本文中描述的方法, 这不是事实。这可以降低创建具有类似复杂性的模型的成本。

创建心脏模型的要点首先是使用高分辨率胸腔 mri 对心脏进行精确分割。精确的分割可确保尽可能准确地捕获心壁、腔室和它们的定位, 从而实现详细的3d 打印。其次, 在后处理过程中, 需要确保阀门部件和出口点的详细而准确的安装, 以生产出铸造后的功能阀门。第三, 在内部模具的3d 打印过程中使用较软的材料是强制性的, 以便以后将其取出, 而不会将精致的阀门或硅胶心脏模型的其他部分撕开。最后, 分两个阶段铸造阀门和剩余心脏模型, 以保证模型中完整的半挂号阀部件。拆卸内部模具时, 需要对这些部件进行精细的拉动, 以防止损坏阀门结构。

使用这种方法产生的心脏模型的未来应用旨在将其集成到新生儿培训中。该模型, 结合传感器的集成, 可以为临床医生提供心脏输出量和血压数据, 由于胸部按压如前面的研究 8所示。其次, 它可以作为一种潜在的体外心血管试验台, 测试新型微传感器11是否符合跳动的心脏的运动条件。在这种情况下, 运动可以使用新的人造肌肉组织12实现。最后, 心脏模型可以很容易地适应纳入不同的先天性异常, 如动脉导管未闭或室间隔缺损, 以研究这些异常在体外设置。最后, 也可作为手术训练模型, 对新生儿这些异常进行手术。

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Disclosures

作者声明在本文的研究、作者身份和发表方面没有潜在的利益冲突。这项研究没有得到公共、商业或非营利部门任何供资机构的具体赠款。

Acknowledgments

这项研究是在荷兰的 imuls 橄榄年的框架内进行的。提交人要感谢 radboud umcn 解剖和病理博物馆和 máxima 医疗中心 veldhoven 提供了用于这项工作的新生儿核磁共振扫描。作者还要感谢贾斯珀·斯特尔克、桑娜·范·林登、弗雷德里克·德容、普莱恩·阿尔克布内和工业设计学院的 d. 查寻实验室为这项研究的发展做出了重大贡献。最后, 作者要感谢罗汉·乔希对手稿的证明阅读。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ecoflex 5 Smooth-on Silicon casting material
400ml Static mixers Smooth-on Mixing tubes
Manual dispensing gun Smooth-on Used for injection molding
5-56 PTFE spray CRC Release agent for the molds
Sodium-hydroxide N/A This was purchased as caustic soda at the hardware store, in dry, 99% pure form. As it is widely available, there is no company specified
VeroWhite Stratasys The hard material used in the print
TangoBlackPlus Stratasys The rubber material used in the print
Support Material Stratasys The standard support material used by stratasys 
Magill Forceps GIMA Infant size. This is for removing the inner molds
Stratasys Connex 350 Stratasys  If this machine is not owned, another option is to have the parts printed through a third party printing firm such as 3D-hubs to get the parts printed and shipped.
Balco Powerblast (Water Jet) Stratasys
Euro 8-24 Set P (Air Compressor) iSC 4007292
Syringe with blunt needle N/A A 20ml syringe with a 0.5mm diameter blunt needle.
Mimics 17.0 software Materialise  This software was used to segment the heart model from the MRI. There are sevaral free MRI imaging software tools available such as InVesalius, or Osirix, although they may prove to provide less functionality.
Magics 9.0 software Materialise  This was used to repair and smooth the .stl files generated by mimics. This smoothing can also  be done in most other 3D modeling freeware.
Solidworks Software used for editting the heart model. Most other freeware CAD software can be used to perform this stage of processing.

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References

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生物工程 第144期 新生儿学 医学模拟 医学培训 人体模型 人造器官 心脏模型 3d 打印 模具
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Thielen, M., Delbressine, F., Bambang Oetomo, S., Feijs, L. Anatomically Realistic Neonatal Heart Model for Use in Neonatal Patient Simulators. J. Vis. Exp. (144), e56710, doi:10.3791/56710 (2019).

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