Summary
Hier präsentieren wir die Entwicklung eines Mock-Circulation-Setups für die multimodale Therapiebewertung, die präinterventionelle Planung und die ärztliche Ausbildung zu kardiovaskulären Anatomien. Mit der Anwendung von patientenspezifischen tomographischen Scans ist dieses Setup ideal für therapeutische Ansätze, Schulungen und Schulungen in der individualisierten Medizin.
Abstract
Katheterbasierte Interventionen sind Standardbehandlungsmöglichkeiten für kardiovaskuläre Pathologien. Daher könnten patientenspezifische Modelle dazu beitragen, die Drahtfähigkeiten von Ärzten zu trainieren und die Planung interventioneller Verfahren zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, einen Herstellungsprozess von patientenspezifischen 3D-gedruckten Modellen für kardiovaskuläre Interventionen zu entwickeln.
Um ein 3D-gedrucktes elastisches Phantom zu erzeugen, wurden verschiedene 3D-Druckmaterialien hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften mit porcinen biologischen Geweben (d.h. Aortengewebe) verglichen. Basierend auf vergleichenden Zugversuchen wurde ein fitting Material ausgewählt und spezifische Materialdicken definiert. Anonymisierte kontrastverstärkte CT-Datensätze wurden retrospektiv erhoben. Aus diesen Datensätzen wurden patientenspezifische volumetrische Modelle extrahiert und anschließend 3D-gedruckt. Eine pulsatile Strömungsschleife wurde konstruiert, um den intraluminalen Blutfluss während der Eingriffe zu simulieren. Die Eignung der Modelle für die klinische Bildgebung wurde durch Röntgenbildgebung, CT, 4D-MRT und (Doppler-) Ultraschall beurteilt. Kontrastmittel wurde verwendet, um die Sichtbarkeit in der röntgenbasierten Bildgebung zu verbessern. Verschiedene Katheterisierungstechniken wurden angewendet, um die 3D-gedruckten Phantome in der Ärzteausbildung sowie für die präinterventionelle Therapieplanung zu bewerten.
Gedruckte Modelle zeigten eine hohe Druckauflösung (~30 μm) und die mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials waren vergleichbar mit der physiologischen Biomechanik. Physikalische und digitale Modelle zeigten eine hohe anatomische Genauigkeit im Vergleich zum zugrunde liegenden radiologischen Datensatz. Gedruckte Modelle waren sowohl für die Ultraschallbildgebung als auch für Standardröntgenaufnahmen geeignet. Doppler-Ultraschall und 4D-MRT zeigten Strömungsmuster und Landmarken (z. B. Turbulenzen, Wandscherspannung), die mit nativen Daten übereinstimmten. In einem katheterbasierten Labor waren patientenspezifische Phantome leicht zu katheterisieren. Therapieplanung und Training interventioneller Verfahren zu herausfordernden Anatomien (z.B. angeborene Herzkrankheit (KHK)) war möglich.
Flexible patientenspezifische kardiovaskuläre Phantome wurden 3D-gedruckt und die Anwendung gängiger klinischer Bildgebungsverfahren war möglich. Dieses neue Verfahren eignet sich ideal als Trainingsinstrument für katheterbasierte (elektrophysiologische) Eingriffe und kann in der patientenspezifischen Therapieplanung eingesetzt werden.
Introduction
Individualisierte Therapien gewinnen in der modernen klinischen Praxis zunehmend an Bedeutung. Im Wesentlichen lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: genetische und morphologische Ansätze. Für individualisierte Therapien, die auf einzigartiger persönlicher DNA basieren, ist entweder eine Genomsequenzierung oder die Quantifizierung der Genexpressionsniveaus erforderlich1. Man kann diese Methoden zum Beispiel in der Onkologie oder in der Behandlung von Stoffwechselstörungen finden2. Die einzigartige Morphologie (d.h. Anatomie) jedes Individuums spielt eine wichtige Rolle in der interventionellen, chirurgischen und prothetischen Medizin. Die Entwicklung individualisierter Prothesen und die präinterventionelle/operative Therapieplanung stellen heute zentrale Schwerpunkte der Forschungsgruppen dar3,4,5.
Aus der industriellen Prototypenproduktion stammend, ist der 3D-Druck ideal für diesen Bereich der personalisierten Medizin6. Der 3D-Druck wird als additives Fertigungsverfahren klassifiziert und basiert normalerweise auf einer Schicht-für-Schicht-Abscheidung von Material. Heutzutage steht eine vielzahl von 3D-Druckern mit unterschiedlichen Drucktechniken zur Verfügung, die die Verarbeitung von polymeren, biologischen oder metallischen Materialien ermöglichen. Durch steigende Druckgeschwindigkeiten sowie die kontinuierlich weit verbreitete Verfügbarkeit von 3D-Druckern werden die Herstellungskosten immer günstiger. Daher ist der Einsatz des 3D-Drucks zur vorinterventionellen Planung im Tagesablauf wirtschaftlich machbar geworden7.
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Erzeugung patientenspezifischer oder krankheitsspezifischer Phantome zu etablieren, die in der individualisierten Therapieplanung in der kardiovaskulären Medizin eingesetzt werden können. Diese Phantome sollten mit gängigen bildgebenden Verfahren sowie für verschiedene Therapieansätze kompatibel sein. Ein weiteres Ziel war die Nutzung der individualisierten Anatomien als Ausbildungsmodelle für Ärzte.
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Protocol
Die ethische Zulassung wurde von der Ethikkommission der Ludwig-Maximilians-Universität München geprüft und auf diese verzichten, da die in dieser Studie verwendeten radiologischen Datensätze retrospektiv erhoben und vollständig anonymisiert wurden.
Bitte beachten Sie die MRT-Sicherheitsrichtlinien des Instituts, insbesondere in Bezug auf den verwendeten LVAD-Ventrikel und die Metallkomponenten des Strömungskreislaufs.
1. Datenerfassung
- Wählen Sie vor der Erstellung der anatomischen Phantome einen geeigneten radiologischen Datensatz aus, vorzugsweise von Patienten in kardiovaskulären Disziplinen. Das virtuelle 3D-Modell kann sowohl aus Datensätzen der Computertomographie (CT) als auch aus der Magnetresonanztomographie (MRT) abgeleitet werden.
- Wählen Sie die Pixelgröße und Slice-Dicke (ST) des Datensatzes aus, um sie an die Größe der Strukturen anzupassen, die im 3D-Modell dargestellt werden sollen. Dieses Experiment verwendete einen ST von 0,6 mm mit einer Matrixgröße von 512 x 512 und einem Sichtfeld von 500 mm, was zu einer Pixelgröße von 0,98 mm führte. Stellen Sie sicher, dass der Wert sowohl der Pixelgröße als auch des ST unter der Größe des kleinsten Merkmals liegen muss, das in den Bildern und im 3D-Modell sichtbar sein soll, z. B. <0,3 mm für Datensätze von Säuglingen oder Darstellung von Koronaren, <0,6 mm für die wichtigsten kardiovaskulären Strukturen eines erwachsenen Patienten.
- Führen Sie die Standarderfassung für die CT-Angiographie (CTA) in Dual-Source-Spiraltechnik mit einem ST von 0,6 mm für erwachsene Patienten durch. Für Erwachsene injizieren Sie 80 ml Jodkontrastmittel mit einer Geschwindigkeit von 4 ml / s und beginnen Sie mit der Aufnahme 11 s nach Bolusverfolgung in der aufsteigenden Aorta bei einem Schwellenwert von 100 HU. Die Röhrenspannung und der Röhrenstrom werden vom Scanner automatisch entsprechend dem Körpertyp des Patienten ausgewählt. Führen Sie die Rekonstruktion in einem Weichteilkern mit einem hohen Grad an iterativer Rekonstruktion durch.
HINWEIS: CTA-Erfassungsparameter und -protokolle hängen stark vom verfügbaren CT-Scanner, der Patientengröße und dem Patientenumfang ab. Die vorgestellten Parameter sind erfahrungsbasiert und sollten als Ausgangspunkt für die Anpassung und nicht als feste Anforderung genommen werden. - Führen Sie für die MR-Angiographie (MRA) eine kontrastfreie (nicht CE) MRA mit einer intern modifizierten Sequenz durch, die eine vollständig ausgewogene Gradientenwellenform verwendet, wobei sowohl EKG- als auch Atemauslösung verwendet wird (TE 3.59, TR 407.40, Matrixgröße 224x224). Erzielen Sie eine beschleunigte MRT-Datenerfassung durch die Verwendung von komprimierter Sensorik, die parallele Bildgebung, Spärkose-Probenahme und iterative Rekonstruktion kombiniert. So sind beispielsweise Erfassungszeiten von ca. 5 min für die thorakale Aorta möglich.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass Sie einen Datensatz auswählen, der frei von Bewegungsartefakten ist. Um Bewegungsartefakte zu reduzieren, führen Sie die Bilderfassung mit prospektiver EKG-Triggerung und zusätzlicher respiratorischer Triggerung für Nicht-CE-MRA durch. Stellen Sie außerdem bei der Auswahl eines Modells für den allgemeinen Gebrauch sicher, dass keine metallischen Implantate vorhanden sind, da dies die Qualität des fertigen Modells verbessern kann. - Für die Segmentierung und den 3D-Druck kardiovaskulärer Anatomien verwenden Sie kontrastverstärkte Datensätze. Die Verwendung nativer kardiovaskulärer Datensätze erschwert die Trennung von hohlen anatomischen Strukturen (z.B. Gefäße oder Ventrikel) vom Blut aufgrund vergleichbarer Hounsfield-Werte von ca. 30 HU8.
HINWEIS: Ein höherer Hounsfield-Wertgradient zwischen Blutvolumen und umgebendem Weichgewebe ermöglicht eine einfachere Trennung im Segmentierungsprozess. Wenn der Gradient sehr klein ist, werden Teile des Weichgewebes als Teil des Blutvolumens angezeigt, was zu einer schlechten Modellqualität und zusätzlicher Nachbearbeitung führt. - Achten Sie beim Export des Datensatzes darauf, eine relativ geringe Schnittdicke zu wählen (ca. 0,3 - 0,6 mm für CTA und 0,8 - 1,0 mm für MRA), da die Auflösung und Oberflächenqualität des gedruckten Modells stark von diesem Parameter abhängt.
HINWEIS: Ist die Scheibendicke zu dünn, erhöht sich die benötigte Rechenleistung für die Modellierung erheblich, was den Prozess entsprechend verlangsamt. Auf der anderen Seite kann eine übermäßige Schichtdicke zum Verlust kleiner Details in der Anatomie der Patienten führen.
2.3D-Modellerstellung
HINWEIS: Die Erstellung eines 3D-Modells aus einem radiologischen Datensatz wird als Segmentierungsprozess bezeichnet und eine spezielle Software ist erforderlich. Die Segmentierung medizinischer Bilder basiert auf Hounsfield-Einheiten, um 3-dimensionale Modelle zu bilden9. Diese Studie verwendet eine kommerzielle Segmentierungs- und 3D-Modellierungssoftware (siehe Materialtabelle),aber ähnliche Ergebnisse können mit verfügbarer Freeware erzielt werden. Die folgenden Schritte werden für die Modellierung aus einem kontrastverstärkten CT-Datensatz beschrieben.
- Nachdem Sie den Datensatz in die Segmentierungssoftware importiert haben, schneiden Sie den Datensatz zu, um den interessierenden Bereich, d. H. Herz und Aortenbogen, einzuschränken. Dies wurde erreicht, indem Sie das Werkzeug Bilder zuschneiden auswählen und die Kanten des ROI durch Klicken und Verschieben der Seiten des Rahmens verschieben. Dies kann in allen drei Ausrichtungen erfolgen. Daher wird ein Fokus auf den ROI zusammen mit einer Verringerung der Dateigröße erreicht, was eine höhere Rechengeschwindigkeit ermöglicht, was zu einer reduzierten Gesamtarbeitszeit führt.
- Definieren Sie einen Bereich von Hounsfield-Einheitswerten (ca. 200-800 HU), indem Sie das Schwellenwertwerkzeug öffnen, was zu einer kombinierten Maske des kontrastverstärkten Blutvolumens und der Knochenstrukturen führt (Abbildung 1A, z. B. Brustbein, Teile des Brustkorbs und der Wirbelsäule).
- Entfernen Sie alle Knochenteile, die im endgültigen 3D-Modell unerwünscht sind, indem Sie das Werkzeug Split Mask verwenden, das die Markierung und Trennung mehrerer Bereiche und Gesamtscheiben basierend auf Hounsfield-Werten und -Position ermöglicht.
- Achten Sie nach dieser Trennung darauf, dass eine Maske mit dem kontrastverstärkten Blutvolumen erhalten bleibt. Dies kann durch Scrollen durch die koronale und axiale Ebene und die Übereinstimmung der erstellten Maske mit dem zugrunde liegenden Datensatz erfolgen. Berechnen Sie aus dieser Maske ein gerendertes 3D-Polygon-Oberflächenmodell (die sogenannte STL) (Abbildung 1B).
HINWEIS: Toolnamen können sich in anderen Segmentierungsprogrammen unterscheiden. - Zur weiteren Anpassung und Manipulation übertragen Sie das 3D-Modell auf eine 3D-Modellierungssoftware (siehe Materialtabelle). Um das 3D-Modell zu exportieren, klicken Sie auf das Export-Toolund wählen Sie die 3D-Modellierungssoftware oder ein passendes Datenformat für die exportierte Datei aus. Bestätigen Sie anschließend Ihre Auswahl und der Exportvorgang wird durchgeführt.
- Verwenden Sie das Trimmwerkzeug, um das Blutvolumen auf den spezifischen Interessierensbereich zuzuschneiden (z. B. Entfernen von Teilen der Aorta oder einiger Herzhöhlen). Klicken Sie auf das Werkzeug und zeichnen Sie eine Kontur um die Teile, die entfernt werden müssen.
HINWEIS: Abhängig von der Qualität des Datensatzes und der Genauigkeit der Segmentierung können an dieser Stelle einige kleinere Oberflächenreparaturen und -änderungen erforderlich sein. Weitere Konstruktionsoperationen ermöglichen die Manipulation patientenspezifischer Modelle entsprechend dem Verwendungszweck, z.B. im Training. Einige Beispiele für das Engineering, entsprechend der Anatomie der Patienten, umfassen die Skalierung des gesamten Modells oder einzelner Strukturen, um Verbindungen zu erstellen oder zu löschen, indem Teile verschiedener Modelle in einem kombiniert werden. Solche Merkmale sind besonders interessant für Trainingsmodelle mit angeborenen Anomalien, da CT- und MRT-Bilder in der Pädiatrie selten sind, wo die Minimierung von Strahlung und Sedierung entscheidend ist. Daher ist die Anpassung und Modifikation bestehender Modelle besonders hilfreich für den 3D-Druck von angeborenen Herzfehlermodellen. - Klicken Sie auf das Lokale Glättungswerkzeug, um die Fläche des segmentierten Modells manuell und lokal anzupassen. Konzentrieren Sie sich auf das Entfernen von groben Polygonformen, einzelnen Spitzen und rauen Kanten, die durch die vorherigen Trimmvorgänge erzeugt wurden.
- Um den späteren Anschluss des Modells an eine Strömungsschleife zu ermöglichen, schließen Sie Rohrteile mit definierten Durchmessern ein, die an die verfügbaren Schlauchanschlüsse und Rohrdurchmesser angepasst sind (Abbildung 1C). Platzieren Sie daher eine Bezugsebene parallel zum Öffnungsquerschnitt der Gefäße in einem Abstand von etwa 10 mm.
- Um die Ebene zu platzieren, wählen Sie das Werkzeug Bezugsebene erzeugen und verwenden Sie die voreingestellte 3-Punkt-Ebene. Klicken Sie anschließend auf drei gleichmäßig verteilte Punkte im Querschnitt des Schiffes, um die Ebene zu erstellen. Geben Sie anschließend einen Offset von 10 mm in das Befehlsfenster ein und bestätigen Sie den Vorgang.
- Wählen Sie im Menü das Werkzeug Neue Skizze aus und wählen Sie die zuvor erzeugte Bezugsebene als Position der Skizze aus. Platzieren Sie in der Skizze einen Kreis ungefähr auf der Mittellinie des Gefäßes und stellen Sie die Radiusbedingung so ein, dass sie dem Außendurchmesser Ihres Schlauchanschlusses entspricht (24 mm für Aorteneinlass, 8-10 mm für Subclavian-, Carotid- und Nierengefäße und 16-20 mm für die distale Öffnung des Gefäßes).
- Verwenden Sie aus der erstellten Skizze das Werkzeug Extrudieren, um einen Zylinder mit einer Länge von 10 mm zu erzeugen. Richten Sie die Extrusion so aus, dass sie sich von der Behälteröffnung entfernt, um einen Abstand zwischen dem Zylinder und dem Behälterquerschnitt von 10 mm zu schaffen. Verwenden Sie dann das Loft-Werkzeug, um eine Verbindung zwischen dem Gefäßende und dem geometrisch definierten Zylinder herzustellen. Achten Sie an dieser Stelle auf einen fließenden Übergang zwischen den beiden Querschnitten, wodurch Turbulenzen und Niedrigströmungsbereiche im endgültigen 3D-Strömungsmodell vermieden werden (Abbildung 1D).
HINWEIS: Durch Befolgen dieser Schritte wird ein 3D-Modell des Blutvolumens der Aorta und der adhärenten Arterien erstellt. Darüber hinaus enthält es die Stecker, die für den anschließenden Anschluss an eine Strömungsschleife erforderlich sind. - Um einen hohlen Blutraum zu erstellen, verwenden Sie das Hollow-Werkzeug in der Software. Geben Sie im Befehlsfenster die gewünschte Wandstärke ein (in diesem Experiment: 2,5 mm) Weiterhin muss die Richtung des Aushöhlungsprozesses auf Außeneingestellt werden. Anschließend bestätigen Sie die Auswahl und der Aushöhlungsprozess wird ausgeführt.
HINWEIS: Dieser Schritt ermöglicht die Auswahl einer festen Wandstärke für das gesamte Modell. Da durch "Aushöhlen" auf allen Oberflächen eine definierte Wandstärke entsteht, entsteht ein vollständig geschlossenes Modell. Daher müssen die Enden aller Gefäße mit dem in Schritt 2.6 beschriebenen Schritt (Abbildung 1E) erneut getrimmt werden. Bei der Verwendung flexibler 3D-Druckmaterialien ist dieser Schritt unerlässlich, um die endgültigen biomechanischen Eigenschaften des Phantoms zu definieren. Durch die Erhöhung der Wandstärke des Modells ergeben sich logischerweise eine höhere Belastbarkeit und eine geringere Elastizität. Sind die mechanischen Eigenschaften des nativen Gewebes und des 3D-Druckmaterials nicht bekannt, müssen an dieser Stelle Zugversuche durchgeführt werden. Da die Wandstärke über das gesamte Modell konstant ist, sollten die gewünschten mechanischen Eigenschaften im interessierenden Bereich des Modells nachgebildet werden. - Einige Verarbeitungssoftware bietet einen "Assistenten", um die Druckbarkeit des endgültigen Modells sicherzustellen, was dringend empfohlen wird. In diesem optionalen Verarbeitungsschritt werden das Polygonnetz des Modells analysiert und Markierungsüberlappungen, Defekte und kleine Objekte markiert, die nicht mit dem Modell verbunden sind. Normalerweise bietet der Assistent Lösungen, um die gefundenen Probleme zu beheben, was zu einem druckbaren 3D-Modell führt (Abbildung 1F).
- Exportieren Sie das endgültige Modell als .stl-Datei, indem Sie auf der Registerkarte Datei die Option Exportieren auswählen.
HINWEIS: Um die Genauigkeit des entworfenen 3D-Modells zu bestätigen, ermöglicht eine Software die Überlagerung der kontur des endgültigen STL und des zugrunde liegenden radiologischen Datensatzes. Dies ermöglicht einen visuellen Vergleich des 3D-Modells mit der nativen Anatomie. Des Weiteren muss ein Drucker mit einer geeigneten räumlichen Auflösung von < 40 μm gewählt werden, um einen genauen Druck des digitalen Modells zu ermöglichen.
3.3D-Druck- und Flow-Loop-Setup
- Laden Sie die .stl-Datei mit der vom Hersteller bereitgestellten Slicing-Software auf einen 3D-Drucker hoch, um ein physisches Phantom der Anatomie zu erzeugen. Idealerweise sollte man eine Druckschichthöhe von ≤ 0,15 mm verwenden, um eine hohe Auflösung und gute Druckqualität zu gewährleisten.
HINWEIS: Es gibt eine große Auswahl an elastischen Druckmaterialien und geeigneten 3D-Druckern auf dem Markt. Zum Drucken der zuvor beschriebenen digitalen Modelle können verschiedene Setups verwendet werden. Auflösung, Nachbearbeitung und mechanisches Verhalten können jedoch von den dargestellten Ergebnissen abweichen. - Stellen Sie nach dem Hochladen der Druckdatei aus der Slicing-Software auf den 3D-Drucker sicher, dass die Menge an Druckmaterial und Trägermaterial in den Patronen des Druckers für das 3D-Modell ausreicht und starten Sie den Druck.
- Entfernen Sie nach dem Druckvorgang das Trägermaterial aus dem fertigen Modell. Entfernen Sie zunächst das Trägermaterial manuell, indem Sie das Modell vorsichtig zusammendrücken, gefolgt vom Eintauchen in Wasser oder ein entsprechendes Lösungsmittel (abhängig vom Trägermaterial). Über Nacht in einem auf 40 °C eingestellten Inkubator trocknen.
HINWEIS: Das Entfernen des Trägermaterials kann je nach Komplexität des anatomischen Modells ein zeitaufwändiger Schritt sein. Während die Verwendung von Werkzeugen wie Spateln, Löffeln und medizinischen Sonden die Nachbearbeitungszeit leicht verkürzen kann, erhöht sie auch die Gefahr, die Wand des Modells zu perforieren, wodurch es für Flüssigkeitstests unbrauchbar wird. Bei Verwendung der Polyjet-Drucktechnologie wird das gesamte Modell von einem Trägermaterial umschlossen. Dies ist erforderlich, um das ungehärtete Modellmaterial an Ort und Stelle zu halten, während es mit UV-Licht ausgehärtet wird. Bei Hohlrohrmodellen führt dies zu einem viel höheren Bedarf an Trägermaterial im Vergleich zum tatsächlichen Modellmaterial. Das in Abbildung 2 dargestellte Modell verwendet etwa 200 g Modellmaterial und 2.000 g Trägermaterial. - Als nächstes betten Sie das Modell in 1% Agar ein. Dies reduziert Bewegungsartefakte während der klinischen Bildgebung des Modells. Zweitens bietet Agar ein besseres haptisches Feedback während der sonographischen Bildgebung und eine bessere Kraftrückkopplung während der Katheterisierung im Vergleich zum Eintauchen in Wasser.
- Verwenden Sie eine Kunststoffbox mit mindestens 2 cm Seitenrändern um das Modell. Bohren Sie Löcher in die Wände der Box, damit die Rohre von den Behältern mit der Pumpe und dem Reservoir verbunden werden können.
- Bereiten Sie eine Agarlösung vor, indem Sie 1% w / v in Wasser geben und zum Kochen bringen. Nach dem Kochen und Rühren der Mischung 5 min abkühlen lassen und in die Box gießen, um ein Bett von mindestens 2 cm Höhe zu schaffen, auf das das Modell gelegt wird.
HINWEIS: Wenn das Modell direkt auf der Unterseite der Box platziert wird, erzeugt die Pulsatilität der Flüssigkeit im Inneren des Modells eine asymmetrische Aufwärtsbewegung.
- Während das Agarbett ist, verbinden Sie das Modell mit nicht konformen PVC-Rohren, wobei Sie bei jeder Öffnung handelsübliche Schlauchanschlüsse verwenden. Ein Röhrchendurchmesser von 3/8" wird für große Gefäße (z.B. Aorta) und/oder anatomische Strukturen mit hohem Blutfluss (z.B. Ventrikel) empfohlen. Für kleinere Gefäße ist ein 1/8" Rohr ausreichend. Verwenden Sie Reißverschlüsse, um die Verbindung zwischen den Schlauchanschlüssen und dem 3D-Modell zu fixieren und sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit austritt.
- Führen Sie die PVC-Rohre durch die gebohrten Löcher in die Box und legen Sie das Modell dann auf das eingestellte Agarbett. Um zu verhindern, dass Agar aus diesen Löchern austritt, verwenden Sie hitzebeständigen Modellierton, um es zu versiegeln. Anschließend füllen Sie die Box mit Agar, bedecken das Modell, indem Sie eine 2 cm lange Schicht darüber hinzufügen und eine Stunde bei Raumtemperatur stehen lassen, damit das Agar vollständig abkühlen und einstellen kann. Dies erfordert mehr von der in Schritt 3.4 beschriebenen Agarmischung.
HINWEIS: Das nach dem Aushärten des Agars ist etwa eine Woche lang verwendbar, wenn es gekühlt wird. Sobald es sichtbar an Volumen abnimmt, sollte es durch eine frische Charge ersetzt werden. - Verbinden Sie eine pulsierende pneumatische Ventrikelpumpe mit dem Modell, indem Sie den 3/8"-Schlauch verwenden, der an der proximalen Öffnung befestigt ist. Verbinden Sie die anderen Rohre mit dem Reservoir und verbinden Sie anschließend das Reservoir mit dem Einlass der Ventrikelpumpe, um einen geschlossenen Durchflusskreislauf zu erzeugen. (Abbildung 2;z. B. ventrikuläres Unterstützungsgerät (VAD)-Ventrikel). Die Pumpe sollte ein Hubvolumen von 80 - 100 ml haben, um einen ausreichenden physiologischen Durchfluss in erwachsenen Anatomien zu gewährleisten. Für pädiatrische Anatomien stehen kleinere Pumpkammern zur Verfügung.
- Der Ventrikel sollte durch eine Kolbenpumpe mit einem Hubvolumen von 120 - 150 ml gerührt werden, um die Luftkompression im Verbindungsrohrsystem zu berücksichtigen.
4. Klinische Bildgebung
HINWEIS: Um Artefakte in der klinischen Bildgebung zu vermeiden, muss sichergestellt werden, dass sich keine Lufteinschlüsse im Flüssigkeitskreislauf befinden.
- CT-Bildgebung
- Für die CT-Bildgebung platzieren Sie die gesamte Durchflussschleife innerhalb des CT-Scanners, wobei die Antriebseinheit in der Nähe steht. Schließen Sie die Kontrastmittelpumpe direkt an das Reservoir der Strömungsschleife an, so dass die Flutung des Modells mit Kontrastmittel während des Scannens simuliert werden kann. Dies ist besonders nützlich für die Visualisierung von vaskulären Pathologien.
- Führen Sie CT als dynamischen Scan über das gesamte Modell durch, um den Zufluss von Kontrastmitteln zu visualisieren. Die Röhrenspannung ist auf 100 kVp eingestellt, der Röhrenstrom auf 400 mAs. Die Kollimation beträgt 1,2 mm. 100 ml 1:10 verdünntes jodhaltiges Kontrastmittel mit einer Geschwindigkeit von 4 ml/s in das Reservoir des Modells injizieren. Starten Sie den Scan mit Bolus-Triggerung in der führenden Röhre, mit einem Schwellenwert von 100 HE und einer Verzögerung von 4 s.
- Sonographie
- Legen Sie eine kleine Menge Ultraschallgel auf den Agarblock, um Artefakte zu reduzieren. Starten Sie die Pumpe und verwenden Sie den Ultraschallkopf, um die anatomische Struktur zu lokalisieren, die für die Ultraschallbildgebung von Interesse ist (z. B. Herzklappen). Verwenden Sie den 2D-Echo-Modus, um die Bewegung des Blättchens sowie das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils zu bewerten. Verwenden Sie Farbdoppler, um den Blutfluss über die Klappe zu bewerten, und spektralen Doppler, um die Strömungsgeschwindigkeit nach der Herzklappe zu quantifizieren.
- Katheterisierung/Interventionen
- Setzen Sie einen Zugangsanschluss direkt unter dem 3D-Modell in das PVC-Rohr ein, um einen leichteren Zugang zur Anatomie mit einem Herzkatheter oder Führungsdraht zu ermöglichen. Überprüfen Sie nach dem Starten der Durchflussschleife am Eingangspunkt des Hafens auf Leckagen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Zweikomponentenkleber, um die Öffnung abzudichten.
- Legen Sie das 3D-Modell auf den Patiententisch unter den C-Bogen(s) des Röntgengeräts. Verwenden Sie Röntgenbildgebung, um den Katheter und die Führungsdrähte durch die anatomische Struktur zu führen. Für die Ballondilatation oder Stentgraft-Platzierung verwenden Sie den kontinuierlichen Röntgenmodus, um die Ausdehnung des Geräts zu visualisieren.
HINWEIS: Katheterisierungs- und Interventionstraining an 3D-gedruckten Modellen ermöglicht die austauschbare Verwendung verschiedener anatomischer und pathologischer Modelle. Dies erhöht die Vielfalt und den Realismus des Trainingsumfelds weiter.
- 4D-MRT
- Verwenden Sie einen 1,5-T-Scanner für die MRT-Erfassung und stellen Sie sicher, dass das Erfassungsprotokoll aus einem nicht kontrastverstärkten MRA wie oben beschrieben und der 4D-Flow-Sequenz besteht. Für 4D-Flow erhalten Sie einen isotropen Datensatz mit 25 Phasen und einer Schnittdicke von 1,2 mm (TE 2.300, TR 38.800, FA 7°, Matrixgröße 298 x 298). Stellen Sie die Geschwindigkeitscodierung auf 100 cm/s ein. Die In-vitro-Messungen werden mit simulierten EKG- und Atemauslösern durchgeführt.
- Für die 4D-Flow-Analyse werden die Box mit dem eingebetteten Modell und dem VAD-Ventrikel in den MRT-Scanner gelegt und mit einer 18-Kanal-Körperspule abgedeckt. Hinsichtlich des Magnetfeldes des MRT-Scanners muss die pneumatische Antriebseinheit außerhalb des Scannerraums platziert werden; daher ist in der Regel ein längeres Verbindungsrohrsystem erforderlich.
- Führen Sie die 4D-Flow-Bildanalyse mit einer handelsüblichen Software durch. Importieren Sie zunächst den 4D-MRT-Datensatz, indem Sie ihn vom Flash-Laufwerk auswählen. Führen Sie als Nächstes eine halbautomatische Offset-Korrektur und Eine Korrektur des Aliasing durch, um die Bildqualität zu verbessern. Anschließend wird die Mittellinie des Gefäßes automatisch verfolgt und die Software extrahiert das 3D-Volumen.
- Führen Sie abschließend eine quantitative Analyse der Strömungsparameter durch, indem Sie auf die einzelnen Registerkarten im Analysefenster klicken. Flow-Visualisierung, Pfadlinien-Visualisierung und Flow-Vektor werden ohne weitere Eingabe visualisiert. Zur Quantifizierung von Druck und Wandscherspannung in der jeweiligen Registerkarte platzieren Sie zwei Ebenen, indem Sie auf den Button Ebene hinzufügenklicken. Die Flugzeuge werden automatisch senkrecht zur Mittellinie des Schiffes platziert.
- Bewegen Sie die Ebenen zum ROI, indem Sie sie entlang der Mittellinie ziehen, sodass eine Ebene am Anfang des ROI und eine am Ende platziert wird. Im Diagramm neben dem 3D-Modell wird der Druckabfall über den ROI und die Wandscherspannung visualisiert und quantifiziert.
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Representative Results
Die beschriebenen repräsentativen Ergebnisse konzentrieren sich auf einige kardiovaskuläre Strukturen, die häufig in Planungs-, Trainings- oder Testumgebungen verwendet werden. Diese wurden mit isotropen CT-Datensätzen mit einem ST von 1,0 mm und einer Voxelgröße von 1,0 mm³ erstellt. Die Wandstärke der Aortenaneurysmmodelle wurde auf 2,5 mm festgelegt, wobei die vergleichenden Zugprüfergebnisse des Druckmaterials (Zugfestigkeit: 0,62 ± 0,01N/mm2; Fmax: 1.55 ± 0.02 N; Dehnung: 9,01 ± 0,34 %) und Porcine Aortenproben (Breite: 1 mm; Fmax: 1,62 ± 0,83 N; Dehnung: 9,04 ± 2,76 %).
Die vorgestellten 3D-gedruckten Modelle bieten vielfältige Möglichkeiten in der CT-Bildgebung. Das bedruckte Material kann leicht vom umgebenden Agar und möglichen metallischen Implantaten unterschieden werden (Abbildung 3A). Daher ist die Verwendung eines Kontrastmittels in der Regel nicht erforderlich, außer zur Erzeugung dynamischer Bildgebungssequenzen. Dies kann besonders für die Auswertung von endovaskulären Stenttransplantaten nützlich sein, da es die Visualisierung möglicher Prothesen-Mismatches und anschließend auftretender Endoleaks ermöglicht.
Als Grundnahrungsmittel in der täglichen klinischen Arbeit ist die sonographische Bildgebung ein Paradebeispiel für die Anwendung von 3D-gedruckten Modellen als Trainingsaufbau. Es kann sowohl für die Beurteilung der Herzklappendynamik als auch für die Untersuchung des gesamten Herzens, insbesondere in der Pädiatrie, verwendet werden. Die Ultraschallbildgebung des 3D-gedruckten Modells zeigt eine gute Durchlässigkeit der Ultraschallwellen. Darüber hinaus ist es möglich, zwischen der Wand des Modells, dem umgebenden Agar und dünnen dynamischen Objekten wie Herzklappenblättchen zu unterscheiden (Abbildung 3B). Die Agarschicht auf dem Modell liefert während des Scanvorgangs ein realistisches haptisches Feedback.
Der Einsatz von 4D-MRT in der Strömungsanalyse innerhalb der Strömungsschleife bietet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten in der präinterventionellen Bildgebung. Die 4D-MRT-Sequenz ermöglicht die Visualisierung von Fluidströmungen, Turbulenzen und Wandscherspannungen innerhalb des 3D-gedruckten Modells. Dies ermöglicht die Analyse von Strömungsmustern nach künstlichen Herzklappen, die zu hohen Wandscherspannungen und Turbulenzen in der aufsteigenden Aorta und dem Aortenbogen führen können (Abbildung 3C). Der Einfluss von Turbulenzen und hoher Wandscherspannung ist speziell für die Analyse von Aortenaneurysmen interessant. So können die 3D-Modelle helfen, das Auftreten von Aneurysmen sowohl in der thorakalen als auch in der abdominalen Aorta besser zu verstehen.
3D-gedruckte kardiovaskuläre Modelle bieten eine realistische Trainingsumgebung für die diagnostische und interventionelle Kardiologie. Der Simulationsaufbau ermöglicht es den Auszubildenden, den Umgang mit Führungsdrähten/Kathetern und das Manövrieren durch die Gefäße und Herzstrukturen, intrakardiale Druckmessungen, Ballondilatation von stenotischen Gefäßen oder Klappen, Positionierung und Dilatation von Stents sowie angiographische Bildgebung (Visualisierung innerer Strukturen des 3D-Modells, z.B. Herzklappen) zu üben. Die Fähigkeiten und Aufgaben für beide Rollen, erster und zweiter Bediener, sowie die Kommunikation zwischen den beiden sind während des Trainings enthalten. Die Modifikation der 3D-gedruckten Modelle in der 3D-Modellierungssoftware ermöglicht die Anpassung der Modellstruktur und -größe (Säugling bis Erwachsener) an jedes Trainingsniveau und ziele. Daher profitieren sowohl Studierende als auch kompetente Praktiker in gleichem Maße von der Ausbildung. Workshops für alle Ausbildungsstufen - Medizinstudenten bis Kinderkardiologen mit langjähriger Erfahrung - wurden erfolgreich an 3D-Modellen durchgeführt, die die häufigsten angeborenen Defekte darstellen, darunter patenter Ductus arteriosus (PDA), Pulmonalklappenstenose (PS), Aortenklappenstenose (AS), Abgrenzung der Aorta (CoA) und Vorhofseptumdefekt (ASD). Das Erscheinungsbild der 3D-Modelle unter Röntgenbildgebung sowie die haptische Rückkopplung aus der Manipulation der Instrumente im Inneren des Modells wurden als äußerst realistisch bewertet. Wiederholtes Training an 3D-Modellen führt zu einer versierten Orientierung in 3D, einer verbesserten Wahrnehmung von haptischem Feedback und - am wichtigsten für den Patienten - einer Minimierung der Strahlenbelastung.
Abbildung 1: Entwurfsschritte von einem radiologischen Datensatz zu einem gedruckten anatomischen Modell (Pathologie: infrarenales Aortenaneurysm). (A) CT-Datensatz-basierter Segmentierungsprozess (B) Grobes 3D-Modell nach Segmentierung (C) Geglättetes Modell mit zusätzlichen röhrenförmigen Verbindern (D) Endgültiges Modell des Blutvolumens mit Anschlüssen (E) Hohlmodell mit definierter Wandstärke (F) 3D-gedrucktes flexibles Modell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Aufbau der Fließschleife. (A) Schematisches Modell der Fließschleife (B) Endgültiger Durchflussschleifenaufbau mit LVAD (1), eingebettetem Modell (2), Reservoir (3) und 3D-gedrucktem Rohranschluss (optional) (4) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Klinische bildgebende Verfahren. (A) CT-Rekonstruktion eines 3D-gedruckten Aortenbogens mit einer biologisch-chirurgischen Herzklappe (B) Ultraschallbild einer 3D-gedruckten Aortenwurzel (1) mit einer offenen biologischen chirurgischen Herzklappe (2) (C) 4D-MRT-Strömungsvisualisierung im Aortenbogen (D) Röntgenbildgebung eines 3D-gedruckten Kinderherzens (1) während eines Kathetereingriffs (2) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Der vorgestellte Workflow ermöglicht es, individualisierte Modelle zu etablieren und dadurch eine vorinterventionelle Therapieplanung sowie ärztliche Schulungen zu individualisierten Anatomien durchzuführen. Um dies zu erreichen, können patientenspezifische tomographische Daten für die Segmentierung und den 3D-Druck flexibler kardiovaskulärer Phantome verwendet werden. Durch die Implementierung dieser 3D-gedruckten Modelle in einer simulierten Zirkulation können verschiedene klinische Situationen realistisch simuliert werden.
Heutzutage konzentrieren sich viele Therapieplanungsverfahren auf die digitale Simulation verschiedener Szenarien, um das günstigste Ergebnis zu identifizieren10,11. Im Gegensatz zu diesen In-silico-Simulationen ermöglicht der beschriebene 3D-gedruckte Aufbau taktiles Feedback in Trainingsabläufen; eine materialnahe Konformität nahe am menschlichen Original ist bei pulsatiler Perfusion möglich. Auf der anderen Seite verwenden viele veröffentlichte 3D-gedruckte kardiovaskuläre Phantome nur starres Material und sind daher auf eine hauptsächlich visuelle Verwendung beschränkt12,13.
Es muss jedoch verstanden werden, dass aktuelle 3D-Drucktechniken und -materialien die größte Einschränkung bei der Reproduktion biomechanischer Eigenschaften für den vorgestellten Workflowbleiben 14. Während eine exakte Nachbildung der anatomischen Form möglich ist, wird sich das mechanische Verhalten der erstellten Modelle noch bis zu einem gewissen Grad vom nativen Aortengewebe unterscheiden. Verschiedene Gewebe mit unterschiedlichen biomechanischen Eigenschaften in einem Phantom nachzuahmen, soweit es überhaupt möglich ist, kann nur mit wenigen ausgeklügelten Multimaterial-3D-Druckern erreicht werden15. Die Herstellung von Gewebe, das Materialien für den 3D-Druck nachahmt, bleibt ein Schwerpunkt der wissenschaftlichen Forschung. die Entwicklung neuartiger Materialien wird zu noch realistischeren Ergebnissen führen16,17. Solange nur handelsübliches Druckmaterial und/oder Einkomponentendruck zur Verfügung steht, können die mechanischen Eigenschaften des Phantoms durch Variationen der Wandstärken eingestellt werden, wie in dieser Studie durchgeführt wurde. Es wird daher nicht empfohlen, nur die Dicke des interessierenden Gewebes aus den zugrunde liegenden tomographischen Daten zu duplizieren. Es ist wichtig zu betonen, dass es auf dem Markt eine breite Palette verschiedener 3D-Drucker mit unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gibt18. Umfassende mechanische Tests werden daher vor dem 3D-Druck empfohlen. Für den Druck von kardiovaskulären Strukturen (z. B. Aorten- oder Ventrikelwänden) werden verschiedene native Gewebeproben als Referenz benötigt. Nach dem beschriebenen Segmentierungs- und Druckworkflow ist die Erstellung flexibler und anatomisch genauer sowie technisch aber realistischer 3D-gedruckter Modelle einer Vielzahl von kardiovaskulären Anatomien möglich.
Die Wirtschaftlichkeit von 3D-gedruckten Modellen hängt maßgeblich von den Materialeigenschaften ab. Im interventionellen Training ist eine hohe Haltbarkeit jedes Modells (auch nach Ballondilatation) notwendig, um die Gesamtkosten zu senken. Bei der Betrachtung der patientenspezifischen Therapieplanung muss man die positive Wirkung eines gedruckten Modells berücksichtigen. Ein 3D-gedrucktes Modell wird sich für einen "Standard" -chirurgischen Patienten nicht als kostengünstig erweisen, kann aber bei Patienten mit komplexen Anatomien einen enormen Einblick bieten. Daher müssen die Kosten von Ausbildungsmodellen gegen ihren zukünftigen Nutzen abgewogen werden.
Bisher gibt es einige kommerziell erhältliche Phantome für die klinische Ausbildung auf dem Markt; einige akademische Modelle wurden veröffentlicht19,20. Diese Modelle haben normalerweise vordefinierte Anatomien und erweisen sich in der Regel als schwierig, sie in patientenspezifischen Umgebungen einzusetzen. Darüber hinaus erschweren hohe Anschaffungskosten den breiten Einsatz dieser Werkzeuge in der Ärzteausbildung. Die vorgestellte anpassbare Mock-Auflage kann bei Bedarf mit einem geringen Budget erstellt werden. Tomographische, fluoroskopische und sonographische Scanner, zur Erfassung der patientenspezifischen Daten sowie zur späteren Verwendung der Scheinzirkulation, gehören zur Standardausrüstung jedes allgemeinen oder universitären Krankenhauses in entwickelten Ländern. Die Segmentierung der kardiovaskulären Anatomie und die Erstellung des virtuellen 3D-Modells kann mit der genannten lizenzierten Software durchgeführt werden, aber auch Freeware ist verfügbar21. Die Freeware-Optionen bieten hervorragende Ergebnisse bei der Erstellung von 3D-Modellen aus radiologischen Datensätzen, obwohl ein hoher Anfänglicheraufwand erforderlich ist, um die Software an die individuellen Bedürfnisse anzupassen. Des Weiteren erfordert eine nachträgliche Bearbeitung des digitalen 3D-Modells eine zusätzliche Software, weshalb eine umfassende Software-Suite, die all diese Aspekte abdeckt, für einen schnellen und reibungslosen Workflow dringend empfohlen wird. Bei Bedarf kann der Druck der flexiblen Phantome per Auftrags-3D-Fertigung erfolgen, wenn kein geeigneter 3D-Drucker vor Ort vorhanden ist. Durch anatomische Verkleinerung auf den interessierenden Bereich kann die Größe des 3D-gedruckten Phantoms reduziert werden, was mit schnelleren Druckzeiten und geringeren Kosten einhergeht.
Der kritischste Punkt des oben beschriebenen Prozesses ist die anfängliche Bildaufnahme. Je höher die Qualität der tomographischen Daten, desto genauer wird das endgültige 3D-gedruckte Phantom. Es gibt zwei Hauptfaktoren, um geeignete Daten aus CT oder MRT zu erhalten: Vermeidung von Artefakten und räumliche Auflösung. Um Artefakte zu vermeiden, befinden sich idealerweise keine metallischen Materialien (z. B. Implantate) neben dem interessierenden Bereich, wenn keine spezifischen Techniken zur Artefaktreduktion verfügbar sind22. Um Bewegungsartefakte zu reduzieren, sollte während der Bildaufnahme eine EKG- und Atemauslösung durchgeführt werden23,24. Die räumliche Auflösung hängt vom Bildgebungsgerät ab. Eine Schnittdicke von 1,0 mm oder weniger ist jedoch notwendig, um geeignete 3D-gedruckte Phantome ohne übermäßige digitale Nachbearbeitung zu erhalten.
Die oben erwähnte Modularität, Wirtschaftlichkeit sowie Vielseitigkeit prädisponieren die individualisierbare Scheinzirkulation für den ergänzenden Einsatz im klinischen Alltag. Die vorgestellte Methode kann für eine Vielzahl von klinischen und Grundlagenforschungsbereichen von Vorteil sein. Die Verwendung realistischer Modelle eignet sich hervorragend, um jungen Ärzten und Studenten die Grundlagen der Sonographie sowie interventionelle Techniken beizubringen. Gerade bei Interventionen wird ein solches Modell die Technologie zugänglicher machen und die gesamte Wissensbasis der Ärzte langfristig erweitern. CT- und MRT-Bildgebung, insbesondere bei der Betrachtung hämodynamischer Strömungsmuster in den Aortengefäßen, kann sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei der Bestimmung des Ergebnisses von chirurgischen und transkatheterischen Eingriffen eine wichtige Ergänzung sein.
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Disclosures
Die Autoren erklären keinen Interessenkonflikt.
Acknowledgments
Diese Publikation wurde gefördert durch die Deutsche Herzstiftung/Deutsche Stiftung Herzforschung.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3-matic | Materialise AB | Software Version 15.0 - Commercial 3D-Modeling Software | |
| Affiniti 50 | Philips Medical Systems GmbH | Ultrasonic Imaging System | |
| Agilista W3200 | Keyence Co. | Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30µm | |
| AR-G1L | Keyence Co. | flexible 3D-Printing material | |
| Artis Zee | Siemens Healthcare GmbH | Angiographic X-ray Scanner | |
| cvi42 | CCI Inc. | Software Version 5.12 - 4D Flow Analysis Software | |
| Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2 | Cordis, A Cardinal Health company | Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults | |
| Excor Ventricular Assist Device | Berlin Heart GmbH | 80 -100ml stroke volume | |
| Imeron 400 Contrast Agent | Bracco Imaging | CT - Contrast Agent | |
| IntroGuide F | Angiokard Medizintechnik GmbH | Guidewire with J-tip; diameter: 0.035" length: 220cm | |
| Lunderquist Guidewire | Cook Medical Inc. | (T)EVAR interventional guidewire | |
| MAGNETOM Aera | Siemens Healthcare GmbH | MRI Scanner | |
| Magnevist Contrast Agent | Bayer Vital GmbH | MRI - Contrast Agent | |
| Mimics | Materialise AB | Software Version 23.0 - Commercial Segmentation Software | |
| Modeling Studio | Keyence Co. | 3D-Printer Slicing Software | |
| PVC tubing | |||
| Radifocus Guide Wire M | Terumo Europe NV | Straight guidewire; diameter: 0.035" length: 260cm | |
| Really useful box 9L | Really useful products Ltd. | ||
| Rotigarose - Standard Agar | Carl Roth GmbH | 3810.4 | |
| Solidworks | Dassault Systemes SE | Software Version 2019-2020; CAD Design Software | |
| SOMATOM Force | Siemens Healthcare GmbH | Computed Tomography Scanner | |
| syngo via | Siemens Healthcare GmbH | Radiological Imaging Software |
References
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