Summary
ここでは、マルチモーダル療法評価、介入前計画、心血管解剖学に関する医師訓練のための模擬循環セットアップの開発を紹介する。患者固有の断層図スキャンの適用と、このセットアップは、個別化医療における治療アプローチ、トレーニング、および教育に最適です。
Abstract
カテーテルベースの介入は、心血管病変の標準的な治療オプションです。したがって、患者固有のモデルは、医師のワイヤースキルの訓練だけでなく、介入手順の計画を改善するのに役立つ可能性があります。本研究の目的は、心血管介入のための患者固有の3Dプリントモデルの製造プロセスを開発することであった。
3Dプリント弾性ファントムを作成するために、異なる3Dプリンティング材料を、機械的特性の点でブタの生物学的組織(すなわち大動脈組織)と比較した。比較引張試験に基づいて継手材料を選択し、特定の材料厚さを定義した。匿名化されたコントラスト強化CTデータセットを遡及的に収集した。患者固有の容積モデルをこれらのデータセットから抽出し、その後3Dプリントした。脈動流ループは、介入中の内流動をシミュレートするために構築された。臨床画像検査に対するモデルの適合性は、X線画像、CT、4D-MRIおよび(ドップラー)超音波検査によって評価された。X線ベースのイメージングで視認性を高めるために、コントラスト媒体を用いた。医師の訓練や介入前の治療計画において、3Dプリントされたファントムを評価するために、異なるカテーテル法が適用された。
印刷モデルは高い印刷解像度(〜30μm)を示し、選択した材料の機械的特性は生理学的バイオメカニクスに匹敵する。物理モデルとデジタルモデルは、基礎となる放射線データセットと比較して高い解剖学的精度を示した。印刷モデルは、超音波画像化だけでなく、標準的なX線に適していました。ドップラー超音波検査と4D-MRIは、ネイティブデータに一致する流れパターンとランドマーク特性(すなわち、乱流、壁せん断応力)を表示しました。カテーテルベースの検査室では、患者固有のファントムはカテーテル化が容易であった。難解性解剖学(先天性心疾患(CHD)など)に対する介入処置の治療計画と訓練が可能であった。
柔軟な患者固有の心血管ファントムを3Dプリントし、一般的な臨床画像技術の適用が可能であった。この新しいプロセスは、カテーテルベースの(電気生理学的)介入のためのトレーニングツールとして理想的であり、患者固有の治療計画に使用することができます。
Introduction
個別化された治療法は、現代の臨床現場でますます重要性を増しています。本質的には、遺伝的アプローチと形態学的アプローチの2つのグループに分類することができます。独自の個人DNAに基づく個別化療法の場合、ゲノムシーケンシングまたは遺伝子発現レベルの定量化のいずれかが必要である 1.1つは、腫瘍学、例えば、代謝障害治療2においてこれらの方法を見つけることができる。各個体の独自の形態(すなわち解剖学)は、介入、外科、補生医療において重要な役割を果たす。個別化プロテスと介入/手術前療法計画の開発は、今日の研究グループの中心的な焦点を表す3,4,5.
工業用プロトタイプ生産から来て、3Dプリンティングは、パーソナライズされた医学のこの分野に最適です 6.3Dプリントは、添加物製造方法として分類され、通常は材料の層ごとの堆積に基づいています。今日では、さまざまな印刷技術を持つ多種多様な3Dプリンタが利用可能であり、ポリマー、生物学的、または金属材料の処理が可能になっています。3Dプリンタの継続的な普及と同様に、印刷速度の向上により、製造コストは徐々に安価になっています。したがって、日常業務における介入前計画のための3Dプリンティングの使用は、経済的に実現可能な7.
本研究の目的は、患者固有または疾患特異的なファントムを生成する方法を確立することであり、心血管医学における個別療法計画で使用できる。これらのファントムは、一般的なイメージング方法と互換性があり、異なる治療アプローチにも適合する必要があります。さらなる目標は、医師のためのトレーニングモデルとして個別の解剖学を使用することであった。
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Protocol
倫理的承認は、ルードヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンの倫理委員会によって検討され、この研究で使用された放射線データセットが遡及的に収集され、完全に匿名化されたことを考えると放棄された。
特に、使用されるLVAD心室およびフローループの金属部品に関する研究所のMRI安全ガイドラインを参照してください。
1. データ取得
- 解剖学的ファントムを作成する前に、好ましくは心血管分野の患者から適切な放射線データセットを選択する。仮想 3D モデルは、両方のコンピューター断層撮影 (CT) または磁気共鳴画像 (MRI) データセットから派生できます。
- 3D モデルで表現する構造のサイズに合わせて、データセットのピクセル サイズとスライスの厚さ (ST) を選択します。この実験では、512 x 512のマトリックスサイズと500mmの視野を持つ0.6mmのSTを使用し、0.98mmのピクセルサイズを導いた。ピクセルサイズとSTの両方の値は、画像と3Dモデル(例えば、乳児のデータセットや冠動脈の表現の場合は<0.3mm)で見るべき最小の特徴のサイズより小さい値以下にする必要があることを確認してください <。
- 成人患者の場合、ST 0.6 mmのデュアルソーススパイラル技術でCT血管造影(CTA)の標準的な取得を行います。成人の場合、4 mL/sの速度でヨウ素造影剤を80 mL注入し、100 HUの閾値で昇る大オルタでボーラストラッキングを行った後、11 sの取得を開始します。管の電圧および管の流れは患者のボディタイプに従って走査器によって自動的に選択される。高度な反復再構成を用いて軟部組織カーネルで再構成を行う。
注:CTA取得パラメータとプロトコルは、利用可能なCTスキャナ、患者のサイズと患者の円周に大きく依存しています。提示されたパラメーターは経験ベースであり、固定要件ではなく調整の開始点として取る必要があります。 - MR血管造影(MRA)の場合、ECG-と呼吸トリガの両方を使用して、完全に平衡した勾配波形を利用する社内の修正シーケンスを使用して非コントラスト強化(非CE)MRAを実行します(TE 3.59、TR 407.40、マトリックスサイズ224x224)。並列イメージング、スパースサンプリング、反復再構成を組み合わせた圧縮センシングを使用して、高速MRIデータ取得を実現します。一例として、胸部大分に対して約5分の取得時間が可能である。
注: 移動アーティファクトのないデータセットを選択してください。動きのアーティファクトを減らすために、非CE MRAの将来の心電図のトリガーおよび追加の呼吸のトリガーを使用して画像取得を行う。さらに、一般的な使用のためのモデルを選択するとき、これは完成したモデルの質を改善することができるので金属インプラントがないことを確認してください。 - 心血管解剖学のセグメンテーションと 3D プリントには、コントラスト強化データセットを使用します。ネイティブ心血管データセットの使用は、約30 HU 8の同等のハウンズフィールド値のために、血液から中空解剖学的構造(例えば、血管または心室)の分離を困難にする。
注: 血液量と周囲の軟部組織との間の高いハウンズフィールド値勾配は、セグメンテーションプロセスで容易に分離を可能にします。勾配が非常に小さい場合、軟部組織の一部が血液量の一部として表示され、モデル品質が悪く、追加の後処理が行われます。 - データセットをエクスポートする場合は、印刷モデルの解像度と表面品質がこのパラメータに大きく依存するため、適度に低いスライス厚さ(CTAの場合は約0.3~0.6mm、MRAの場合は0.8~1.0 mm)を選択してください。
注: スライスの厚さが薄すぎると、モデリングに必要な計算能力が大幅に増加し、それに応じてプロセスが遅くなります。一方、過度のスライス厚さは、患者の解剖学における小さな細部の損失をもたらす可能性があります。
2.3D-モデル作成
注: 放射線データセットから 3D モデルを作成する場合は、セグメンテーション プロセスと呼ばれ、特別なソフトウェアが必要です。医学画像のセグメンテーションはハウンズフィールド単位に基づいて、3次元モデル9を形成する。この研究では、市販のセグメンテーションと3Dモデリングソフトウェア( 資料表を参照)を使用していますが、同様の結果は、利用可能なフリーウェアを使用して達成することができます。コントラスト強化された CT データセットからのモデリングの手順を以下に示します。
- データセットをセグメンテーション ソフトウェアにインポートした後、データセットをトリミングして対象領域(ハートと大動脈のアーチ)を制限します。これを実現するには、[ 画像のトリミング] ツールを選択し、フレームの側面をクリックして移動することで ROI のエッジを移動します。これは、3つの方向すべてで行うことができます。したがって、ROIに焦点を当て、ファイルサイズの減少とともに、より高いコンピューティング速度を可能にし、全体的な作業時間を短縮する。
- しきい値ツールを開いてハウンズフィールド単位値の範囲(約200-800 HU)を定義し、コントラスト強化された血液量と骨構造(図1A、例えば、胸骨、胸部、胸部、脊椎の部分)の組み合わせマスクを得る。
- 「 分割マスク」(Split Mask) ツールを使用して、ハウンズフィールドの値と位置に基づいて複数の領域と全体のスライスのマーキングと分離を可能にすることで、最終的な 3D モデルで望ましくないボーン部品をすべて除去します。
- この分離の後、コントラスト強化血液量を含むマスクが残っていることを確認する。これは、コロナ平面と軸平面をスクロールし、作成したマスクを基になるデータセットと一致させることによって行うことができます。このマスクから、レンダリングされた 3D ポリゴン のサーフェス モデル (いわゆる STL) を計算します (図 1B)。
注: ツール名は、他のセグメンテーション プログラムで異なる場合があります。 - さらに適応と操作を行う場合は、3D モデルを 3D モデリング ソフトウェアに転送します ( 表を参照)。3D-モデルをエクスポートするには、 エクスポート-ツールをクリックし、3D モデリングソフトウェア、またはエクスポートしたファイルの継ぎ手データ形式を選択します。その後、選択を確認し、エクスポートプロセスが実行されます。
- トリムツールを使用して、血液量を特定の対象領域にトリミングします(大動脈の一部または心臓腔の一部を取り除くなど)。ツールをクリックし、除去が必要な部品の周囲に輪郭を描きます。
注: データセットの品質とセグメンテーションの精度によっては、この時点で若干のサーフェスの修復や修正が必要になる場合があります。さらなる設計操作は、使用目的に応じて患者固有のモデルの操作を可能にします, 例えば, トレーニングで.患者の解剖学によると、工学のいくつかの例は、モデル全体または単一の構造をスケーリングし、接続を作成または削除し、異なるモデルの部分を1つに組み合わせることを含む。このような特徴は、CTおよびMRI画像が放射線および沈下の最小化が重要である小児科ではまれであるため、先天性異常を有するトレーニングモデルにとって特に興味深い。したがって、既存のモデルの適応と修正は、先天性心不全モデルの3Dプリンティングに特に役立ちます。 - [ローカル スムージング]ツールをクリックして、セグメント化されたモデルのサーフェスを手動およびローカルに調整します。前のトリミング操作で作成された、大まかなポリゴンシェイプ、単一のピーク、粗いエッジの除去に重点を置きます。
- モデルを後でフローループに接続できるようにするには、使用可能なホースコネクタとチューブ径に合わせて直径を定義した管状部品を含めます(図1C)。したがって、約10mmの距離で、船舶の開口部断面に平行なデータム平面を配置します。
- 平面を配置するには、ツール[ データム平面を作成] を選択し、プリセット の 3 点平面を使用します。次に、船舶の断面上の 3 つの等間隔のポイントをクリックして、平面を作成します。その後、コマンドウィンドウに10mmのオフセットを入力し、操作を確認します。
- メニューから [新規スケッチ ]ツールを選択し、スケッチの位置として以前に作成したデータム平面を選択します。スケッチでは、船の中心線に円を配置し、ホースコネクタの外径に合わせて半径拘束を設定します(大動脈入口の場合は24mm、鎖骨下、頸動脈、腎血管の場合は8~10mm、船の遠位開口部には16~20mm)。
- 作成したスケッチから、押し出しツールを使用して、長さ 10 mm の円柱を作成します。押出しを船口から離れて移動し、10mmのシリンダーと容器の断面との間の距離を作り出す方向を設定する。次に、ロフトツールを使用して、容器の終わりと幾何学的に定義された円柱との間に接続を作成します。この時点で、2 つの断面間のスムーズな遷移を確保し、最終的な 3D 流れモデルの乱流と低流量領域を回避します (図 1D)。
注:これらの手順に従うことによって、大動脈と付着動脈の血液量の3Dモデルが作成されます。さらに、その後フローループに接続するために必要なコネクタが含まれます。 - 中空の血液空間を作るためには、ソフトウェアの中空 ツールを使用します。コマンド ウィンドウで、必要な壁の厚さを入力します (この実験では 2.5 mm) さらに、空洞化プロセスの方向を Outsideに設定する必要があります。その後、選択を確認し、空洞化処理が実行されます。
注: この手順では、モデル全体の固定壁厚を選択できます。「空洞化」は、すべてのサーフェスに定義された壁厚みを作成するため、完全に閉じたモデルが作成されます。したがって、ステップ2.6で説明したステップを使用して、すべての船舶の端部をもう一度トリミングする必要があります(図1E)。柔軟な3Dプリント材料を使用する場合、このステップは、ファントムの最終的なバイオメカニック特性を定義するために不可欠です。モデルの壁の厚さを大きくすることで、弾力性が高くなり、弾性が低くなります。ネイティブ組織と3Dプリンティング材料の機械的特性が不明な場合、この時点で引張試験を行う必要があります。壁の厚さはモデル全体にわたって一定であるため、目的の機械的特性はモデルの対象領域で再作成する必要があります。 - 一部の処理ソフトウェアには、最終モデルの印刷可能性を確保するための「ウィザード」が用意されています。このオプションの処理手順では、モデルのポリゴン メッシュを解析し、モデルに接続されていないオーバーラップ、欠陥、および小さなオブジェクトをマークします。通常、ウィザードは見つかった問題を取り除く解決策を提供し、その結果、印刷可能な3Dモデル(図1F)が得られます。
- [ファイル]タブで[エクスポート]オプションを選択して、最終モデルを .stl ファイルとしてエクスポートします。
注: 設計された 3D モデルの精度を確認するために、一部のソフトウェアでは、最終的な STL のコンターと基になる放射線データセットのオーバーレイが有効になります。これにより、3D モデルとネイティブ解剖学を視覚的に比較できます。さらに、デジタルモデルの正確な印刷を可能にするために、<40 μmの適切な空間分解能を持つプリンタを選択する必要があります。
3.3D印刷とフローループの設定
- stl-ファイルを 3D プリンターにアップロードし、メーカーが提供するスライスソフトウェアを使用して、解剖学の物理ファントムを生成します。理想的には、高分解能と良好な印刷品質を確保するために、印刷層の高さ≤0.15mmを使用する必要があります。
メモ:市場で利用可能な弾性印刷材料と適切な3Dプリンタの広い範囲があります。異なる設定を使用して、前述のデジタルモデルを印刷することができます。ただし、解像度、後処理、機械的な動作は、表示された結果とは異なる場合があります。 - スライスソフトウェアから3Dプリンタに印刷ファイルをアップロードした後、プリンタのカートリッジの印刷材料とサポート素材の量が3Dモデルに十分であることを確認し、印刷を開始します。
- 印刷プロセスに従って、完成したモデルからサポート材料を削除します。まず、モデルを軽く絞って支持材料を手動で取り出し、続いて水またはそれぞれの溶媒(支持材料に応じて)に浸します。インキュベーターで一晩40°Cに設定して乾燥させます。
注: サポート材料の除去は、解剖モデルの複雑さに応じて、時間のかかるステップになる場合があります。スパチュラ、スプーン、医療プローブなどのツールを使用すると、後処理時間がわずかに短縮されますが、モデルの壁に穿穿ポイントする危険性が高まり、流体検査には役に立ちません。Polyjet 印刷技術を使用する場合、モデル全体がサポート材料で包まれます。UV-ライトを使用して硬化している間、未硬化モデル材料を所定の位置に保つために必要です。中空管状モデルでは、実際のモデル材料と比較してサポート材料に対する需要がはるかに高くなります。 図2 に示すモデルは、約200gのモデル材料と2,000gの支持材料を使用しています。 - 次に、1%寒天にモデルを埋め込みます。これはモデルの臨床イメージ投射の間の動きのアーチファクトを減らす。第二に、寒天は、ソノグラフィックイメージング中のより良い触覚フィードバックを提供し、水中の水没と比較して、カテーテル法中のより良い力フィードバックを提供する。
- モデルの周囲に少なくとも 2 cm の側面の余白を持つプラスチック製のボックスを使用します。箱の壁に穴を開けて、チューブを容器からポンプと貯水池に接続できるようにします。
- 水に1/vを加えて沸騰させることで寒天溶液を準備します。沸騰し、混合物をかき混ぜた後、5分間冷却し、ボックスに注ぎ、モデルが配置される少なくとも2cmの高さのベッドを作成します。
注: モデルをボックスの底面に直接配置すると、モデル内の流体の脈動性が非対称上向きの動きを作成します。
- 寒天のベッドがセットしている間、すべての開口部で商業ホースコネクタを使用して、非準拠のPVCチューブにモデルを接続します。大きな血管(大オルタなど)や高血流(心室など)を有する解剖学的構造に対しては、3/8"のチューブ径が推奨されます。小さい容器のために1/8"管は十分である。ジップタイを使用して、ホースコネクタと3Dモデル間の接続を固定し、流体漏れがないことを確認します。
- PVCチューブを穴あけ穴を通して箱に入れ、モデルをセット寒天ベッドの上に置きます。これらの穴から寒天が漏れるのを防ぐには、耐熱性モデリング粘土を使用してシールします。その後、寒天でボックスを満たし、上に2cmの層を追加し、寒天が完全に冷却し、設定するために室温で1時間放置することによって、モデルをカバーしています。これには、ステップ3.4で説明した寒天混合物の多くが必要になります。
注意:冷蔵すると、一度硬化した寒天は約1週間使用できます。それが目に見えてボリュームを減少したら、それは新鮮なバッチで置き換える必要があります。 - 脈動する空気性心室ポンプを、近位開口部に取り付けられた3/8インチチューブを使用してモデルに接続します。他のチューブを貯留槽に接続し、その後、貯蔵室を心室ポンプの入口に接続して、閉じたフローループを作成します。(図2;例えば、心室補助装置(VAD)-心室)。ポンプは、成人の解剖学で十分な生理的流れを確保するために80〜100 mLのストローク体積を有する必要があります。小児解剖学のために、より小さいポンプ室は利用できる。
- 心室は、結合管システムの空気圧縮を考慮して、120〜150 mLのストローク体積を有するピストンポンプによって攪拌されるべきである。
4. 臨床画像
注:臨床画像処理でのアーチファクトを防ぐためには、流体回路にエアポケットがないことを確認する必要があります。
- CTイメージング
- CTイメージングの場合は、ドライブユニットを近くに置いた状態で、フローループ全体をCTスキャナ内に配置します。造影剤ポンプを流れループのリザーバに直接接続して、造影剤によるモデルの洪水をスキャン中にシミュレートできます。これは血管病理を視覚化するのに特に有用である。
- モデル全体を動的スキャンして、造影剤の流入を可視化する CT を実行します。チューブ電圧は100kVp、チューブ電流は400mAに設定されています。コリメーションは1.2mmです。1:10希釈されたヨウ化した造影剤の100 mLを、4 mL/sの速度でモデルのリザーバに注入します。100 HUしきい値と4 s遅延で、先頭管で発動するボーラスを使用してスキャンを開始します。
- 超音波 検査
- アーティファクトを減らすために寒天ブロックの上に少量の超音波ゲルを入れてください。ポンプを起動し、超音波画像(すなわち、心臓弁)の目的の解剖構造を見つけるために、超音波ヘッドを使用します。2D エコー モードを使用して、リーフレットの動き、バルブの開閉動作を評価します。色ドップラーを使用して、バルブとスペクトルドップラーを横切る血流を評価し、心臓弁に続く流速を定量化します。
- カテーテル化/介入
- 3Dモデルの真下にあるPVCチューブにアクセスポートを挿入して、心臓カテーテルまたはガイドワイヤーで解剖学に簡単にアクセスできるようにします。フローループを開始した後、ポートの入口点で漏出がないか確認します。必要に応じて、開口部を密封するために2成分接着剤を使用してください。
- X線装置のCアームの下にある患者テーブルに3Dモデルを置きます。X線イメージングを使用して、カテーテルとガイドワイヤーを解剖構造に導く。バルーン拡張またはステントグラフト配置では、連続X線モードを使用してデバイスの拡張を視覚化します。
注:3Dプリントモデルのカテーテル法と介入訓練は、異なる解剖学的および病理学的モデルの交換可能な使用を可能にする。これにより、トレーニング設定の多様性とリアリズムがさらに向上します。
- 4D-MRI
- MRI取得には1.5 Tスキャナを使用し、取得プロトコルは、上記の非コントラスト強化MRAと4D-Flowシーケンスで構成されていることを確認します。4D-Flow の場合、25 相とスライス厚さ 1.2 mm の等方性データセットを取得します (TE 2.300、TR 38.800、FA 7 °、マトリックス サイズ 298 x 298)。速度エンコードを100 cm/sに設定します。インビトロ測定は、シミュレートされた心電図および呼吸トリガーを使用して行われます。
- 4D-Flow解析では、組込みモデルとVAD-心室を備えたボックスをMRIスキャナに配置し、18チャンネルのボディコイルで覆います。MRIスキャナの磁界に関しては、空気圧駆動ユニットはスキャナ室の外に配置する必要があります。したがって、長い結合チューブシステムが通常必要です。
- 市販のソフトウェアを使用して4D-Flow画像解析を実行します。最初に、フラッシュ ドライブから選択して 4D-MRI データセットをインポートします。次に、半自動オフセット補正とエイリアシングの補正を行い、画像品質を向上させます。その後、容器の中心線が自動的にトレースされ、ソフトウェアは3D容積を抽出する。
- 最後に、解析ウィンドウの個々のタブをクリックして、フローパラメータの定量分析を実行します。フロービジュアライゼーション、パスラインビジュアライゼーション、およびフローベクトルは、それ以上の入力なしで視覚化されます。それぞれのタブで圧力と壁のせん断応力を定量化するには、ボタンをクリックして 2 つの 平面を配置します。飛行機は自動的に船舶の中心線に垂直に配置されます。
- 中心線に沿ってドラッグして、面を ROI に移動し、1 つの平面を ROI の始点に配置し、最後に 1 つの平面を配置します。3D モデルの横にある図では、ROI と壁のせん断応力の圧力降下を視覚化し、定量化します。
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Representative Results
説明された代表的な結果は、計画、トレーニング、またはテストの設定で一般的に使用されるいくつかの心血管構造に焦点を当てています。これらは、ST 1.0 mm、ボクセルサイズが 1.0 mm³ の等方性 CT データセットを使用して作成されました。大動脈瘤モデルの壁厚さは、印刷材料の比較引張試験結果に準拠した2.5mmに設定されました(引張強度:0.62±0.01 N/mm2;F最大: 1. 55 ± 0.02 N;伸び:9.01±0.34%およびブタ大動脈サンプル(幅:1mm;F最大: 1.62 ± 0.83 N;伸び:9.04±2.76%。
提示された3DプリントモデルはCTイメージ投射の可能性の広い範囲を提供する。印刷物は、周囲の寒天や可能な金属インプラントと容易に区別することができる(図3A)。したがって、造影剤の使用は、動的イメージングシーケンスを生成する以外は、通常は必要ありません。これは、可能性のある補間不一致の視覚化を可能にし、その後の内皮漏れを現すので、血管内ステント移植の評価に特に有用であり得る。
毎日の臨床作業の定番として、ソノグラフィックイメージングは、トレーニングセットアップとして3Dプリントモデルを適用するための主要な例です。これは、心臓弁のダイナミクスの評価、および心臓全体の調査、特に小児科での両方に使用することができます。3Dプリントモデルの超音波画像化は、超音波の良好な透過性を明らかにします。さらに、モデルの壁、周囲の寒天と薄い動的物体、心臓弁のリーフレットなどを区別することができる(図3B)。モデルの上の寒天層はスキャンプロセスの間に現実的な触覚フィードバックを提供する。
フローループ内のフロー解析における4D-MRIの使用は、介入前のイメージングで可能な幅広い用途を提供します。4D-MRI シーケンスにより、3D プリントモデル内の流体流れ、乱流、壁せん断応力を視覚化できます。これにより、人工心臓弁に続く流れパターンの解析が可能になり、高い壁せん断応力や大動脈大動脈アーチの乱流につながる可能性があります(図3C)。乱流と高い壁のせん断応力の影響は、大動脈瘤の解析に特に興味深いものです。したがって、3Dモデルは、胸部と腹部大動脈の両方での動脈瘤の発生をよりよく理解するのに役立ちます。
3D プリントされた心臓血管モデルは、診断および介入心臓学のための現実的なトレーニング環境を提供します。シミュレーションのセットアップにより、研修生は、導線/カテーテルの取り扱いや血管や心臓構造の操縦、心臓内圧測定、ステナティック血管または弁のバルーン拡張、ステントの位置付けと拡張、血管造影イメージング(3Dモデル、心臓弁の内部構造の視覚化)を練習することができます。2 番目と 2 番目のオペレータの両方のスキルとタスク、および 2 つの間のコミュニケーションはトレーニング中に含まれます。3Dモデリングソフトウェアで3Dプリントモデルを変更することで、モデル構造とサイズ(幼児から大人)をトレーニングレベルや目標に適応させることができます。したがって、学生だけでなく、熟練した開業医は、同じ程度に訓練の恩恵を受けます。長年の経験を持つ小児心臓専門医の医学生である小児心臓専門医の医学生は、特許性動脈管(PDA)、肺動脈狭窄症(PS)、大動脈弁狭窄(AS)、大動脈(CoA)の凝集、心房外皮欠損(ASD)を含む最も一般的な先天性欠損症を表す3Dモデルで成功裏に行われています。X線イメージング下の3Dモデルの外観と、モデル内の機器の操作による触覚フィードバックは、非常に現実的であると評価された。3Dモデルに対する反復的なトレーニングは、3Dの精通したオリエンテーション、触覚フィードバックの認識の改善、および患者にとって最も重要な放射線被ばくの最小化につながります。
図1:放射線データセットから印刷された解剖学的モデル(病理学:眼圧大動脈瘤)への設計ステップ)(A)CTデータセットベースのセグメンテーションプロセス(B)大まかな3Dモデル後セグメンテーション(C)管状コネクタを追加した平滑化モデル(D)この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:フローループの設定(A)フローループの回路図モデル(B)LVAD(1)、埋め込みモデル(2)、リザーバー(3)、3Dプリントチューブコネクタ(4)(4)を使用して、この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。
図3: 臨床画像化技術(A)3Dプリントされた大動脈弓のCT再構成、生体外科用心臓弁(B)開いた生体手術用心臓弁(2)を有する3Dプリント大動脈根(1)の超音波画像(2)(C)4D-MRIフロービジュアライゼーション(D)3Dプリント小児心臓(1)のX線撮影(1)
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Discussion
提示されたワークフローは、個別化モデルを確立し、それによって、個別の解剖学に関する医師の訓練だけでなく、事前介入療法の計画を実行することができます。これを達成するために、患者固有の断層線データは、柔軟な心血管ファントムのセグメンテーションおよび3Dプリントに使用することができる。模擬循環でこれらの3Dプリントモデルを実装することにより、異なる臨床状況を現実的にシミュレートすることができます。
今日では、多くの治療計画手順は、最も有利な結果10、11を同定するために、さまざまなシナリオのデジタルシミュレーションに焦点を当てています。これらのインシリコシミュレーションとは対照的に、記載された3Dプリントされたセットアップは、トレーニング手順で触覚フィードバックを可能にします。ヒトの元に近い物質的なコンプライアンスは、脈動性灌流で可能である。一方、多くの公開された3Dプリントされた心血管ファントムは硬質材料のみを使用しているため、主に視覚的な使用に限定されています12,13.
しかし、現在の3Dプリンティング技術と材料は、提示されたワークフロー14のバイオメカニカル特性を再現する上で最大の制限事項であり続けることを理解する必要があります。解剖学的形状の正確な再現は可能ですが、作成されたモデルの機械的挙動は、依然として在来の大動脈組織とは依然として異なります。1つの幻影において様々な生体機械特性を有する異なる組織を模倣するために、可能な限り、少数の洗練されたマルチマテリアル3D-プリンタ15によってのみ達成することができる。3Dプリンティング用の組織模倣材料を作成することは、科学的研究の焦点であり続けています。新しい材料の開発は、さらに現実的な結果16、17になります。市販の印刷材料および/または1成分印刷のみが利用可能である限り、ファントムの機械的特性は、本研究で行われたように、壁厚さの変動によって調整することができる。したがって、基礎となる断層データから目的の組織の厚さを複製するだけはお勧めできません。市場18には、さまざまな材料と様々な機械的特性を持つさまざまな3Dプリンタの広い範囲が存在することを強調することが重要です。したがって、3Dプリントの前に、包括的な機械的試験をお勧めします。心血管構造の印刷には、異なるネイティブ組織サンプルが参照のために必要とされます(すなわち、大動脈壁または心室壁)。記載されたセグメンテーションと印刷のワークフローに従って、柔軟で解剖学的に正確なだけでなく、心血管解剖学の広い範囲の設計されたが、現実的な3Dプリントモデルの作成が可能です。
3D プリントモデルの費用対効果は、材料特性に大きく依存します。介入訓練では、各モデルの高い耐久性(気球拡張後も)が必要であり、全体的なコストを削減する。患者固有の治療計画を見るとき、印刷されたモデルの有益な効果を考慮に入れなければならない。3Dプリントモデルは、「標準的な」外科患者にとって費用対効果が高いことを証明するのではなく、複雑な解剖学を有する患者に多大な洞察を提供するかもしれない。したがって、トレーニングモデルのコストは、将来の利益と比較検討する必要があります。
これまで、臨床トレーニング用の市販ファントムが市場に存在します。いくつかの学術モデルは、19、20を公開されています。これらのモデルは通常、事前定義された解剖学を有し、通常、患者固有の設定で採用することは困難であることが証明される。さらに、高い取得コストは、医師のトレーニングでこれらのツールの広範な使用を複雑にします。提示されたカスタマイズ可能な模擬循環は、必要に応じて低予算で作成することができます。断層図、透視検査およびソノグラフィースキャナーは、患者固有のデータの取得ならびに後の模擬循環の使用のために、先進国の任意の一般または大学病院の標準装置である。心血管解剖学のセグメンテーションと仮想3Dモデルの作成は、上記のライセンスソフトウェアで行うことができますが、フリーウェアも21.フリーウェアオプションは、放射線データセットから3Dモデルを作成する際に優れた結果を提供しますが、ソフトウェアを個々のニーズに合わせて調整するには、大量の初期作業が必要です。さらに、デジタル3Dモデルのその後の編集には追加のソフトウェアが必要となるため、これらの側面をすべてカバーする包括的なソフトウェアスイートは、迅速かつスムーズなワークフローを実現するために強く推奨されます。必要に応じて、現場に適切な3Dプリンタがない場合、フレキシブルファントムの印刷は契約3D製造によって行うことができます。関心領域の解剖学的な減少によって、3Dプリントファントムのサイズはより速い印刷時間およびより低い費用と来る、減らすことができる。
上述のプロセスの最も重要なポイントは、初期画像取得です。その結果、断層図データの品質が高いほど、より正確な場合は、最終的な3Dプリントファントムを証明します。CT または MRI から適切なデータを取得する場合、アーティファクトの防止と空間分解能という 2 つの主要な要素があります。人工物を防ぐために、特定のアーティファクト低減技術が利用できない場合、理想的には金属材料(例えば、インプラント)が対象領域の隣にありません。動きのアーティファクトを減らすために、画像取得23、24の間に心電図および呼吸トリガを行う必要があります。空間分解能は、イメージングデバイスによって異なります。ただし、過剰なデジタルポスト処理を行わずに適切な3Dプリントファントムを得るためには、1.0mm以下のスライス厚さが必要です。
上記のモジュール性、費用対効果、汎用性は、毎日の臨床ルーチンでの補助的な使用のための個別の模擬循環を素因とする。提示された方法は、臨床および基礎研究分野の広い範囲に有益であり得る。現実的なモデルの使用は、若い医師や学生にソノグラフィーの基礎だけでなく、介入技術を教える上で優れています。特に介入によって、このようなモデルは技術をよりアクセスしやすくし、医師の全体的な知識ベースを長期的に増加させるでしょう。CTおよびMRIイメージングは、特に大動脈血管の血行流動パターンを見る場合、基礎科学の両方において、外科的および経カテーテルの介入の結果を決定する大きな追加となり得る。
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Disclosures
著者らは利益相反を宣言しない。
Acknowledgments
この出版物は、ドイツ心臓財団/ドイツ心臓研究財団によって支援されました。
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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