Summary
Aqui apresentamos o desenvolvimento de uma configuração de circulação simulada para avaliação de terapia multimodal, planejamento pré-intervencional e treinamento médico em anatomias cardiovasculares. Com a aplicação de exames tomográficos específicos do paciente, essa configuração é ideal para abordagens terapêuticas, treinamento e educação em medicina individualizada.
Abstract
Intervenções baseadas em cateter são opções de tratamento padrão para patologias cardiovasculares. Portanto, modelos específicos do paciente podem ajudar a treinar as habilidades de fio dos médicos, bem como melhorar o planejamento de procedimentos intervencionais. O objetivo deste estudo foi desenvolver um processo de fabricação de modelos impressos em 3D específicos do paciente para intervenções cardiovasculares.
Para criar um fantasma elástico impresso em 3D, diferentes materiais de impressão 3D foram comparados com tecidos biológicos suínos (ou seja, tecido aórtico) em termos de características mecânicas. Foi selecionado um material de montagem com base em testes comparativos de tração e espessuras específicas do material. Os conjuntos de dados ct-aprimorados por contraste anonimizados foram coletados retrospectivamente. Os modelos volumosos específicos do paciente foram extraídos desses conjuntos de dados e, posteriormente, impressos em 3D. Um laço de fluxo pulsante foi construído para simular o fluxo sanguíneo intraluminal durante as intervenções. A adequação dos modelos para imagem clínica foi avaliada por imagem de raio-x, tomografia computadorizada, 4D-MRI e (Doppler). O meio de contraste foi utilizado para aumentar a visibilidade em imagens baseadas em raios-X. Diferentes técnicas de cateterismo foram aplicadas para avaliar os fantasmas impressos em 3D na formação de médicos, bem como para o planejamento da terapia pré-intervencional.
Os modelos impressos apresentaram alta resolução de impressão (~30 μm) e as propriedades mecânicas do material escolhido foram comparáveis à biomecânica fisiológica. Os modelos físicos e digitais apresentaram alta precisão anatômica quando comparados com o conjunto de dados radiológicos subjacentes. Os modelos impressos foram adequados para imagens ultrassônicas, bem como raios-x padrão. A ultrassonografia doppler e a ressonância magnética 4D-mri apresentaram padrões de fluxo e características de marco (ou seja, turbulência, estresse de cisalhamento de parede) combinando dados nativos. Em um ambiente de laboratório baseado em cateter, fantasmas específicos do paciente eram fáceis de cateterizar. O planejamento terapêutico e o treinamento de procedimentos intervencionais em anatomias desafiadoras (por exemplo, doença cardíaca congênita (ACS)) foram possíveis.
Os fantasmas cardiovasculares específicos do paciente flexíveis foram impressos em 3D, e a aplicação de técnicas de imagem clínica comum foi possível. Este novo processo é ideal como uma ferramenta de treinamento para intervenções à base de cateter (eletrofisiológicas) e pode ser usado no planejamento terapêutico específico do paciente.
Introduction
As terapias individualizadas estão ganhando cada vez mais importância na prática clínica moderna. Essencialmente, eles podem ser classificados em dois grupos: abordagens genéticas e morfológicas. Para terapias individualizadas baseadas em DNA pessoal único, seja o sequenciamento do genoma ou a quantificação dos níveis de expressão genética sãonecessários 1. Pode-se encontrar esses métodos na oncologia, por exemplo, ou no tratamento da desordem metabólica2. A morfologia única (ou seja, anatomia) de cada indivíduo desempenha um papel importante na medicina intervencionista, cirúrgica e protética. O desenvolvimento de próteses individualizadas e o planejamento terapêutico pré-intervencionista/operatório representam focos centrais dos grupos de pesquisa hoje3,4,5.
Vindo da produção de protótipos industriais, a impressão 3D é ideal para este campo de medicina personalizada6. A impressão 3D é classificada como um método de fabricação aditiva e normalmente baseada em uma deposição camada por camada de material. Atualmente, uma ampla variedade de impressoras 3D com diferentes técnicas de impressão está disponível, possibilitando o processamento de materiais poliméricos, biológicos ou metálicos. Devido ao aumento das velocidades de impressão, bem como à contínua disponibilidade generalizada de impressoras 3D, os custos de fabricação estão se tornando progressivamente mais baratos. Portanto, o uso da impressão 3D para o planejamento pré-intervencional nas rotinas diárias tornou-se economicamente viável7.
O objetivo deste estudo foi estabelecer um método de geração de fantasmas específicos do paciente ou específicos para doenças, utilizáveis no planejamento de terapia individualizada na medicina cardiovascular. Esses fantasmas devem ser compatíveis com métodos comuns de imagem, bem como para diferentes abordagens terapêuticas. Outro objetivo foi o uso das anatomias individualizadas como modelos de formação para médicos.
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Protocol
A aprovação ética foi considerada pelo comitê ético da Ludwig-Maximilians-Universität München e foi dispensada, uma vez que os conjuntos de dados radiológicos utilizados neste estudo foram coletados retrospectivamente e totalmente anonimizados.
Consulte as diretrizes de segurança de ressonância magnética do instituto, especialmente no que se refere aos componentes de ventrículo e metal LVAD usados da alça de fluxo.
1. Aquisição de dados
- Antes de criar os fantasmas anatômicos, selecione um conjunto de dados radiológicos adequado, de preferência de pacientes em disciplinas cardiovasculares. O modelo 3D virtual pode ser derivado de ambos os conjuntos de dados de tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM).
- Selecione o tamanho do pixel e a espessura da fatia (ST) do conjunto de dados para se adaptar ao tamanho das estruturas destinadas a serem representadas no modelo 3D. Este experimento utilizou um ST de 0,6 mm com um tamanho de matriz de 512 x 512 e um campo de visão de 500 mm levando a um tamanho de pixel de 0,98 mm. Certifique-se de que o valor tanto do tamanho do pixel quanto do ST deve estar abaixo do tamanho do menor recurso que deve ser visível nas imagens e no modelo 3D, por exemplo, <0,3 mm para conjuntos de dados de bebês ou representação de coronárias, <0,6 mm para as principais estruturas cardiovasculares de um paciente adulto.
- Realizar aquisição padrão para angiografia de tomografia computadorizada (TC) em técnica espiral de dupla fonte com um ST de 0,6 mm para pacientes adultos. Para adultos, injete 80 mL de agente de contraste de iodo a uma velocidade de 4 mL/s e comece a aquisição 11 s após o rastreamento de bolus na aorta ascendente a um limiar de 100 HU. A tensão do tubo e a corrente do tubo são selecionadas automaticamente pelo scanner de acordo com o tipo de corpo do paciente. Realizar a reconstrução em um núcleo de tecido mole usando um alto grau de reconstrução iterativa.
NOTA: Os parâmetros e protocolos de aquisição da CTA são altamente dependentes do scanner de tomografia disponível, do tamanho do paciente e da circunferência do paciente. Os parâmetros apresentados são baseados em experiência e devem ser tomados como ponto de partida para o ajuste, em vez de um requisito fixo. - Para a angiografia mr (MRA), realize mra não aprimorada de contraste (não-CE) utilizando uma sequência modificada interna que utiliza uma forma de onda gradiente totalmente equilibrada, utilizando eCG- e desencadeamento respiratório (TE 3.59, TR 407.40, tamanho da matriz 224x224). Obtenha a aquisição acelerada de dados de ressonância magnética usando sensoriamento comprimido que combina imagens paralelas, amostragem esparsa e reconstrução iterativa. Como exemplo, são possíveis tempos de aquisição de cerca de 5 minutos para a aorta torácica.
NOTA: Certifique-se de selecionar um conjunto de dados livre de artefatos de movimento. Para reduzir os artefatos de movimento, realize a aquisição de imagens usando o acionamento potencial do ECG e o acionamento respiratório adicional para mra não-CE. Além disso, ao selecionar um modelo para uso geral, certifique-se de que não há implantes metálicos, pois isso pode melhorar a qualidade do modelo acabado. - Para a segmentação e impressão 3D de anatomias cardiovasculares, utilize conjuntos de dados aprimorados por contraste. O uso de conjuntos de dados cardiovasculares nativos dificulta a separação de estruturas anatômicas ocas (por exemplo, vasos ou ventrículos) do sangue, devido a valores hounsfield comparáveis de aproximadamente 30 HU8.
NOTA: Um gradiente de valor hounsfield mais alto entre o volume sanguíneo e o tecido mole circundante permitirá uma separação mais fácil no processo de segmentação. Se o gradiente for muito pequeno, partes do tecido mole serão exibidas como parte do volume sanguíneo, resultando em uma má qualidade do modelo e pós-processamento adicional. - Ao exportar o conjunto de dados, certifique-se de selecionar uma espessura de fatia razoavelmente baixa (aproximadamente 0,3 - 0,6 mm para CTA e 0,8 - 1,0 mm para MRA), uma vez que a resolução e a qualidade da superfície do modelo impresso dependem muito deste parâmetro.
NOTA: Se a espessura da fatia for muito fina, o poder de computação necessário para modelagem aumentará substancialmente, o que retarda o processo em conformidade. Por outro lado, a espessura excessiva da fatia pode resultar na perda de pequenos detalhes na anatomia dos pacientes.
Criação de modelo .3D 2
NOTA: A criação de um modelo 3D a partir de um conjunto de dados radiológico é chamada de processo de segmentação, e um software especial é necessário. A segmentação de imagens médicas baseia-se nas unidades hounsfield, para formar modelos tridimensionais9. Este estudo utiliza um software de segmentação comercial e modelagem 3D (ver Tabela de Materiais),mas resultados semelhantes podem ser alcançados usando freeware disponível. As seguintes etapas serão descritas para modelagem a partir de um conjunto de dados CT aprimorado por contraste.
- Após importar o conjunto de dados para o software de segmentação, corte o conjunto de dados para limitar a área de interesse, ou seja, arco de coração e aórtico. Consegui isso selecionando a ferramenta Crop Images e movendo as bordas do ROI clicando e movendo as laterais do quadro. Isso pode ser feito nas três orientações. Portanto, um foco no ROI, juntamente com uma diminuição do tamanho do arquivo é obtido, o que permite maior velocidade de computação, levando à redução do tempo de trabalho geral.
- Defina uma gama de valores unitários hounsfield (aproximadamente 200-800 HU) abrindo a ferramenta Threshold, resultando em uma máscara combinada do volume sanguíneo e estruturas ósseas aumentadas pelo contraste(Figura 1A, por exemplo, esterno, partes da caixa torácica e coluna vertebral).
- Remova todas as partes ósseas que são indesejáveis no modelo 3D final usando a ferramenta Split Mask que permite a marcação e separação de múltiplas áreas e fatias gerais, com base nos valores e localização de Hounsfield.
- Após esta separação, certifique-se de que uma máscara contendo o volume sanguíneo aumentado de contraste permanece. Isso pode ser feito, percorrendo os planos coronal e axial e combinando a máscara criada com o conjunto de dados subjacente. A partir desta máscara, calcule um modelo de superfície de polígono 3D renderizado (o chamado STL) (Figura 1B).
NOTA: Os nomes das ferramentas podem diferir em outros programas de segmentação. - Para maior adaptação e manipulação, transfira o modelo 3D para um software de modelagem 3D (ver Tabela de Materiais). Para exportar o modelo 3D, clique na Ferramenta de Exportaçãoe selecione o software de modelagem 3D ou um formato de dados adequado para o arquivo exportado. Posteriormente, confirme sua seleção e o processo de exportação será realizado.
- Use a ferramenta Trim para cortar o volume sanguíneo para a área específica de interesse (por exemplo, removendo partes da aorta ou algumas das cavidades cardíacas). Clique na ferramenta e desenhe um contorno em torno das peças que precisam ser removidas.
NOTA: Dependendo da qualidade do conjunto de dados e da precisão da segmentação, alguns pequenos reparos e modificações de superfície podem ser necessários neste momento. Outras operações de design permitem a manipulação de modelos específicos do paciente de acordo com o propósito de uso, por exemplo, no treinamento. Alguns exemplos de engenharia, de acordo com a anatomia dos pacientes, incluem o dimensionamento de todo o modelo ou estruturas únicas, para criar ou excluir conexões, combinando partes de diferentes modelos em um. Tais características são particularmente interessantes para modelos de treinamento com anormalidades congênitas, pois as imagens de tomografia e ressonância magnética são raras na pediatria, onde a minimização da radiação e sedação é fundamental. Portanto, a adaptação e modificação dos modelos existentes é especialmente útil para a impressão 3D de modelos de defeito cardíaco congênito. - Clique na ferramenta Desválida Local para ajustar a superfície do modelo segmentado manualmente e localmente. Concentre-se na remoção de formas de polígonos ásperos, picos únicos e bordas ásperas criadas pelas operações de corte anteriores.
- Para permitir a conexão posterior do modelo a um laço de fluxo, inclua peças tubulares com diâmetros definidos ajustados aos conectores de mangueira disponíveis e diâmetros do tubo(Figura 1C). Portanto, coloque um plano datum paralelo à seção transversal de abertura dos navios a uma distância de aproximadamente 10 mm.
- Para colocar o plano, selecione a ferramenta Criar Plano Datum e use o plano de 3 pontospredefinido . Em seguida, clique em três pontos igualmente espaçados na seção transversal das naves para criar o plano. Posteriormente, insira um deslocamento de 10 mm na janela de comando e confirme a operação.
- Selecione a ferramenta Novo Esboço no menu e escolha o plano datum criado anteriormente como localização do esboço. No esboço, coloque um círculo aproximadamente na linha central do vaso e defina a restrição do raio para combinar com o diâmetro externo do conector da mangueira (24 mm para entrada aórtica, 8-10 mm para vasos subclávios, carótidas e renais, e 16-20 mm para a abertura distal do vaso).
- A partir do esboço criado, use a ferramenta Extrude para criar um cilindro com um comprimento de 10 mm. Oriente a extrusão para se afastar da abertura do vaso, para criar uma distância entre o cilindro e a seção transversal do vaso de 10 mm. Em seguida, use a ferramenta Loft, para criar uma conexão entre o final do vaso e o cilindro geométrico definido. Neste ponto, garanta uma transição suave entre as duas seções transversais, evitando assim turbulência e áreas de baixo fluxo no modelo final de fluxo3D (Figura 1D).
NOTA: Seguindo estas etapas, será criado um modelo 3D do volume sanguíneo da aorta e das artérias aderentes. Além disso, incluirá os conectores necessários para conectá-lo posteriormente a um loop de fluxo. - Para fazer um espaço de sangue oco, use a ferramenta Hollow no software. Na janela de comando, insira a espessura necessária da parede (neste experimento: 2,5 mm) Além disso, a direção do processo de oco deve ser definida para fora. Posteriormente, confirme a seleção e o processo de oco será executado.
NOTA: Esta etapa permite a seleção de uma espessura fixa da parede para todo o modelo. Uma vez que o "oco" cria uma espessura de parede definida em todas as superfícies, um modelo totalmente fechado resultará. Portanto, as extremidades de todos os vasos precisarão ser aparadas mais uma vez utilizando a etapa descrita na etapa 2.6 (Figura 1E). Ao utilizar materiais flexíveis de impressão 3D, esta etapa é essencial para definir as propriedades biomecânicas finais do fantasma. Ao aumentar a espessura da parede do modelo, maior resiliência e menor elasticidade resultarão logicamente. Se as propriedades mecânicas do tecido nativo e do material de impressão 3D não forem conhecidas, os testes de tração devem ser realizados neste momento. Como a espessura da parede é constante em todo o modelo, as propriedades mecânicas desejadas devem ser recriadas na região de interesse do modelo. - Alguns softwares de processamento oferecem um "Assistente" para garantir a impressão do modelo final, o que é altamente recomendado. Esta etapa opcional de processamento analisará a malha do polígono do modelo e marcará sobreposições, defeitos e objetos pequenos, que não estão conectados ao modelo. Normalmente, o assistente oferece soluções para remover os problemas encontrados, resultando em um modelo 3D imprimível(Figura 1F).
- Exporte o modelo final como arquivo .stl selecionando a opção Exportar na guia Arquivo.
NOTA: Para confirmar a precisão do modelo 3D projetado, alguns softwares permitem a sobreposição do contorno final da STL e o conjunto de dados radiológicos subjacentes. Isso permite uma comparação visual do modelo 3D com a anatomia nativa. Além disso, uma impressora com uma resolução espacial adequada de < 40 μm deve ser selecionada, para permitir uma impressão precisa do modelo digital.
Configuração de 3.3D e loop de fluxo
- Carregue o arquivo .stl em uma impressora 3D, usando o software de fatiamento fornecido pelo fabricante, para produzir um fantasma físico da anatomia. O ideal é usar uma camada de impressão de altura de ≤ 0,15 mm para garantir alta resolução e boa qualidade de impressão.
NOTA: Há uma ampla gama de materiais de impressão elásticos e impressoras 3D adequadas disponíveis no mercado. Diferentes configurações podem ser usadas para imprimir os modelos digitais descritos anteriormente. No entanto, a resolução, o pós-processamento e o comportamento mecânico podem diferir dos resultados apresentados. - Depois de carregar o arquivo de impressão do software de corte para a impressora 3D, certifique-se de que a quantidade de material de impressão e material de suporte nos cartuchos da impressora seja suficiente para o modelo 3D e inicie a impressão.
- Após o processo de impressão, remova o material de suporte do modelo acabado. Primeiro, remova o material de suporte manualmente apertando suavemente o modelo, seguido de imersão na água ou um respectivo solvente (dependendo do material de suporte). Seque em uma incubadora a 40 °C durante a noite.
NOTA: A remoção do material de suporte pode ser uma etapa demorada, dependendo da complexidade do modelo anatômico. Embora o uso de ferramentas como espátulas, colheres e sondas médicas possa diminuir ligeiramente o tempo pós-processamento, também aumenta o perigo de perfurar a parede do modelo, tornando-a inútil para testes de fluidos. Ao usar a tecnologia de impressão Polyjet, todo o modelo será envolto por um material de suporte. Isso é necessário para manter o material do modelo não curado no lugar enquanto ele é curado usando luz UV. Em modelos tubulares ocos, isso levará a uma demanda muito maior por material de suporte em comparação com o material real do modelo. O modelo apresentado na Figura 2 utiliza cerca de 200 g de material modelo e 2.000 g de material de suporte. - Em seguida, incorpore o modelo em 1% de ágar. Isso reduz os artefatos de movimento durante a imagem clínica do modelo. Em segundo lugar, o ágar oferece um melhor feedback háptico durante a imagem sonográfica, e um melhor feedback de força durante o cateterismo, em comparação com a submersão na água.
- Use uma caixa de plástico com pelo menos 2 cm de margens laterais ao redor do modelo. Faça furos nas paredes da caixa para permitir que os tubos sejam conectados desde os vasos até a bomba e o reservatório.
- Prepare uma solução de ágar adicionando 1% de w/v na água e fervendo. Depois de ferver e mexer a mistura, deixe esfriar por 5 minutos e despeje na caixa para criar uma cama de pelo menos 2 cm de altura, na qual o modelo será colocado.
NOTA: Se o modelo for colocado diretamente na parte inferior da caixa, a pulsatilidade do fluido dentro do modelo criará um movimento assimétrico para cima.
- Enquanto a cama de ágar se instala, conecte o modelo a tubos de PVC não compatíveis, usando conectores comerciais de mangueira em cada abertura. Recomenda-se um diâmetro de tubo de 3/8" para vasos de grande porte (por exemplo, aorta) e/ou estruturas anatômicas com alto fluxo sanguíneo (por exemplo, ventrículos). Para vasos menores, um tubo de 1/8" é suficiente. Use laços zip para corrigir a conexão entre os conectores da mangueira e o modelo 3D e garantir que não haja vazamento de fluido.
- Guie os tubos de PVC através dos furos perfurados na caixa e, em seguida, coloque o modelo em cima da cama de ágar definida. Para evitar que o ágar vaze desses orifícios, use argila de modelagem à prova de calor para selá-la. Posteriormente, encha a caixa com ágar, cobrindo o modelo adicionando uma camada de 2 cm por cima e deixando por uma hora em temperatura ambiente para o ágar esfriar e definir completamente. Isso exigirá mais da mistura de ágar descrita na etapa 3.4.
NOTA: O ágar uma vez curado será utilizável por cerca de uma semana, se refrigerado. Uma vez que reduz visivelmente em volume, deve ser substituído por um lote fresco. - Conecte uma bomba pneumática pulsante ao modelo usando a tubulação de 3/8" presa à abertura proximal. Conecte os outros tubos ao reservatório e, posteriormente, conecte o reservatório à entrada da bomba ventrículo para criar um laço de fluxo fechado. (Figura 2; por exemplo, dispositivo de assistência ventricular (VAD)-ventrículo). A bomba deve ter um volume de derrame de 80 a 100 mL para garantir fluxo fisiológico suficiente em anatomias adultas. Para anatomias pediátricas, câmaras de bombeamento menores estão disponíveis.
- O ventrículo deve ser agitado por uma bomba de pistão com um volume de traçado de 120 a 150 mL, para explicar a compressão de ar no sistema do tubo conjuntivo.
4. Imagem clínica
NOTA: Para prevenir artefatos em imagens clínicas, é preciso garantir que não haja bolsões de ar no circuito do fluido.
- Imagem de tomografia computadorizada
- Para a imagem da tomografia computadorizada, coloque toda a alça de fluxo dentro do scanner de tomografia com a unidade de acionamento de prontidão. Conecte a bomba do agente de contraste diretamente ao reservatório da alça de fluxo, de modo que a inundação do modelo com o agente de contraste pode ser simulada durante a varredura. Isso é especialmente útil para visualizar patologias vasculares.
- Realize a tomografia computadorizada como uma varredura dinâmica sobre todo o modelo para visualizar o fluxo do agente de contraste. A tensão do tubo é fixada em 100 kVp, corrente do tubo a 400 mAs. A colisão é de 1,2 mm. Injete 100 mL de 1:10 agente de contraste diluído iodinado no reservatório do modelo, a uma velocidade de 4 mL/s. Inicie a varredura usando bolus que aciona no tubo líder, com um limiar de 100 HU e 4 s de atraso.
- Sonography
- Coloque uma pequena quantidade de gel ultrassônico em cima do bloco de ágar para reduzir artefatos. Inicie a bomba e use a cabeça ultrassônica para localizar a estrutura anatômica de interesse para imagens ultrassônicas (ou seja, válvulas cardíacas). Use o modo 2D-echo para avaliar o movimento do folheto, bem como o comportamento de abertura e fechamento da válvula. Use doppler colorido para avaliar o fluxo sanguíneo através da válvula e doppler espectral para quantificar a velocidade de fluxo seguindo a válvula cardíaca.
- Cateterismo/Intervenções
- Insira uma porta de acesso no tubo de PVC diretamente abaixo do modelo 3D, para permitir um acesso mais fácil da anatomia com um cateter cardíaco ou fio-guia. Depois de iniciar o loop de fluxo, verifique se há vazamento no ponto de entrada do porto. Se necessário, use um adesivo de dois componentes para selar a abertura.
- Coloque o modelo 3D na mesa do paciente sob o braço C da máquina de raio-X. Use imagens de raio-X para guiar o cateter e guiar fios através da estrutura anatômica. Para dilatação de balão ou colocação de stent, use o modo de raio-X contínuo para visualizar a expansão do dispositivo.
NOTA: O treinamento de cateterismo e intervenção em modelos impressos em 3D permite o uso intercambiável de diferentes modelos anatômicos e patológicos. Isso aumenta ainda mais a variedade e o realismo do ambiente de treinamento.
- 4D-MRI
- Use um scanner de 1,5 T para aquisição de ressonância magnética e certifique-se de que o protocolo de aquisição consiste em uma MRA não aprimorada em contraste, conforme descrito acima e a sequência de fluxo 4D. Para 4D-Flow adquira um conjunto de dados isotrótrópico com 25 fases e uma espessura de fatia de 1,2 mm (TE 2.300, TR 38.800, FA 7 °, tamanho da matriz 298 x 298). Coloque a codificação de velocidade em 100 cm/s. As medições in vitro são realizadas utilizando-se gatilhos simulados de ECG e respiratórios.
- Para análise de fluxo 4D, a caixa com o modelo incorporado e o ventrículo VAD são colocados no scanner de ressonância magnética e cobertos com uma bobina corporal de 18 canais. No que diz respeito ao campo magnético do scanner de ressonância magnética, a unidade de acionamento pneumático deve ser colocada fora da sala do scanner; portanto, geralmente é necessário um sistema de tubo conectivo mais longo.
- Realize a análise de imagem 4D-Flow com um software comercialmente disponível. Primeiro, importe o conjunto de dados 4D-MRI selecionando-o na unidade flash. Em seguida, realize correção de deslocamento semi-automatizada e correção de aliasing para melhorar a qualidade da imagem. Posteriormente, a linha central da embarcação é automaticamente rastreada, e o software extrai o volume 3D.
- Por fim, realize a análise quantitativa dos parâmetros de fluxo clicando nas guias individuais na janela de análise. Visualização de fluxo, visualização da linha de caminhos e vetor de fluxo serão visualizados sem maiores entradas. Para quantificação da pressão e do estresse da tesoura da parede na respectiva guia, coloque dois planos clicando no botão Adicionar plano. Os aviões serão automaticamente colocados perpendiculares à linha central da embarcação.
- Mova os aviões para o ROI arrastando-os ao longo da linha central, de modo que um avião é colocado no início do ROI e outro no final. No diagrama ao lado do modelo 3D, a queda de pressão no ROI e no estresse da tesoura da parede será visualizada e quantificada.
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Representative Results
Os resultados representativos descritos se concentram em algumas estruturas cardiovasculares comumente utilizadas em configurações de planejamento, treinamento ou teste. Estes foram criados utilizando conjuntos de dados isotrópicos ct com um ST de 1,0 mm e um tamanho voxel de 1,0 mm³. A espessura da parede dos modelos de aneurisma de ao mesmo período foi fixada em 2,5 mm, cumprindo os resultados comparativos dos testes de tração do material de impressão (resistência à tração: 0,62 ± 0,01 N/mm2; Fmax: 1. 55 ± 0,02 N; alongamento: 9,01 ± 0,34 %) e amostras de aórtica suína (largura: 1 mm; Fmax: 1,62 ± 0,83 N; alongamento: 9,04 ± 2,76 %.
Os modelos impressos em 3D apresentados oferecem uma ampla gama de possibilidades em tomografia computadorizada. O material impresso pode ser facilmente distinguido do ágar circundante e possíveis implantes metálicos(Figura 3A). Portanto, o uso de um agente de contraste normalmente não é necessário, exceto para gerar sequências dinâmicas de imagem. Isso pode ser especialmente útil para a avaliação de stents endovasculares, uma vez que permite a visualização de possíveis incompatibilidades de próteses e, posteriormente, aparecendo endoleaks.
Como um grampo no trabalho clínico diário, a imagem sonográfica é um exemplo primordial para a aplicação de modelos impressos em 3D como configuração de treinamento. Pode ser usado tanto para a avaliação da dinâmica da válvula cardíaca, quanto para a investigação de todo o coração, particularmente na pediatria. A imagem ultrassônica do modelo impresso em 3D revela uma boa permeabilidade das ondas ultrassônicas. Além disso, é possível distinguir entre a parede do modelo, o ágar circundante e objetos dinâmicos finos, como folhetos de válvula cardíaca(Figura 3B). A camada de ágar em cima do modelo fornece feedback háptico realista durante o processo de digitalização.
O uso de 4D-MRI na análise de fluxo dentro do loop de fluxo oferece uma ampla gama de aplicações possíveis em imagens pré-intervencionais. A sequência 4D-MRI permite a visualização do fluxo de fluidos, turbulências e estresse da cisalhamento da parede dentro do modelo impresso em 3D. Isso permite a análise de padrões de fluxo seguindo válvulas cardíacas artificiais, o que pode levar a estresse e turbulência de cisalhamento de parede alta na aorta ascendente e arco aórtico(Figura 3C). O impacto da turbulência e do estresse da cisalhamento da parede alta é especificamente interessante para a análise de aneurismas de aorta. Assim, os modelos 3D podem ajudar a entender melhor a ocorrência de aneurismas tanto na aorta torácica quanto abdominal.
Modelos cardiovasculares impressos em 3D fornecem um ambiente de treinamento realista para cardiologia diagnóstica e intervencionista. A configuração da simulação permite que os estagiários pratiquem o manuseio de fios/cateteres orientadores e manobras através dos vasos e estruturas cardíacas, medidas de pressão intracardiac, dilatação de balão de vasos ou válvulas estenóticas, posicionamento e dilatação de stents, bem como imagem angiográfica (visualização de estruturas internas do modelo 3D, por exemplo, válvulas cardíacas). As habilidades e tarefas para ambas as funções, primeiro e segundo operadores, bem como a comunicação entre os dois estão incluídas durante o treinamento. A modificação dos modelos impressos em 3D no software de modelagem 3D permite a adaptação da estrutura e tamanho do modelo (infanto-idade para adulto) a qualquer nível de treinamento e metas. Portanto, alunos e profissionais proficientes se beneficiam da formação na mesma medida. Oficinas para todos os níveis de formação - estudantes de medicina a cardiologistas pediátricos com anos de experiência - foram realizadas com sucesso em modelos 3D representando os defeitos congênitos mais comuns, que incluem arterioso de fita adesiva patente (PDA), estenose da válvula pulmonar (SV), estenose da válvula aórtica (AS), coarctação da aorta (CoA) e defeito septal atrial (TEA). O aparecimento dos modelos 3D sob imagens de raios-X, bem como o feedback háptico da manipulação dos instrumentos dentro do modelo, foram avaliados como extremamente realistas. O treinamento repetitivo em modelos 3D leva a uma orientação bem versada em 3D, melhor percepção do feedback háptico e - mais importante para o paciente - minimização da exposição à radiação.
Figura 1: Projeto passos de um conjunto de dados radiológicos para um modelo anatômico impresso (Patologia: aneurisma aórtico infra-renal). (A) Processo de segmentação baseado em conjunto de dados ct(B) Modelo 3D áspero após segmentação(C) Modelo suavizada com conectores tubulares adicionados(D) Modelo final do volume sanguíneo com conectores(E) Modelo oco com espessura de parede definida (F)modelo flexível impresso em 3D. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Configuração do loop de fluxo. (A) Modelo esquemático do loop de fluxo(B) Configuração final do loop de fluxo com LVAD (1), modelo incorporado (2), um reservatório (3) e um conector de tubo impresso em 3D (opcional) (4) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Técnicas de imagem clínica. (A) Tomografia-reconstrução de um arco aórtico impresso em 3D com válvula cardíaca cirúrgica biológica(B) Imagem ultrassônica de uma raiz aórtica impressa em 3D (1) com válvula cardíaca cirúrgica biológica aberta (1) com válvula cardíaca cirúrgica biológica aberta (1) 2) (C) Visualização do fluxo de ressonância magnética 4D-MRI no arco aórtico(D) Imagem de raio-X de um coração pediátrico impresso em 3D (1) durante uma intervenção do cateter (2) Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O fluxo de trabalho apresentado permite estabelecer modelos individualizados e, assim, realizar o planejamento da terapia pré-intervencionista, bem como a formação médica em anatomias individualizadas. Para isso, os dados tomográficos específicos do paciente podem ser usados para segmentação e impressão 3D de fantasmas cardiovasculares flexíveis. Com a implementação desses modelos impressos em 3D em uma circulação simulada, diferentes situações clínicas podem ser simuladas realisticamente.
Hoje em dia, muitos procedimentos de planejamento terapêutico se concentram na simulação digital de diferentes cenários, a fim de identificar o resultado mais favorável10,11. Em contraste com essas simulações in-silico, a configuração impressa em 3D descrita permite feedback tátil em procedimentos de treinamento; uma conformidade material próxima ao original humano é possível na perfusão pulsante. Por outro lado, muitos fantasmas cardiovasculares impressos em 3D só usam material rígido e, portanto, estão limitados a um uso principalmente visual12,13.
No entanto, deve-se entender que as atuais técnicas e materiais de impressão 3D continuam sendo a maior limitação na reprodução de propriedades biomecânicas para o fluxo de trabalho apresentado14. Embora uma recriação exata da forma anatômica seja possível, o comportamento mecânico dos modelos criados ainda difere do tecido aórtico nativo em certa medida. Imitar diferentes tecidos com diferentes propriedades bio mecânicas em um fantasma, na medida em que é possível, só pode ser realizado por algumas sofisticadas impressoras 3D multimaterial15. A criação de materiais de imitação de tecidos para impressão 3D continua sendo o foco da pesquisa científica; o desenvolvimento de novos materiais resultará em resultados ainda mais realistas16,17. Enquanto, apenas material de impressão disponível comercialmente e/ou impressão de um componente estiver disponível, as propriedades mecânicas do fantasma podem ser ajustadas por meio de variações das espessuras da parede, como foi realizado neste estudo. Não é, portanto, recomendado apenas duplicar a espessura do tecido de interesse a partir dos dados tomográficos subjacentes. É importante ressaltar que existe uma ampla gama de diferentes impressoras 3D com diferentes materiais e propriedades mecânicas variadas no mercado18. Testes mecânicos abrangentes são, portanto, recomendados, antes da impressão 3D. Para impressão de estruturas cardiovasculares, (ou seja, paredes aórticas ou ventriculares), diferentes amostras de tecido nativo são necessárias para referência. Seguindo o fluxo de trabalho de segmentação e impressão descrito, é possível a criação de modelos flexíveis e anatomicamente precisos, bem como modelos impressos em 3D projetados, mas realistas, de uma ampla gama de anatomias cardiovasculares.
O custo-efetividade dos modelos impressos em 3D depende significativamente das propriedades do material. No treinamento intervencionista é necessária alta durabilidade de cada modelo (mesmo após a dilatação do balão), para reduzir os custos globais. Ao analisar o planejamento terapêutico específico do paciente, deve-se levar em conta o efeito benéfico de um modelo impresso. Um modelo impresso em 3D não será econômico para um paciente cirúrgico "padrão", mas pode oferecer uma visão tremenda em pacientes com anatomias complexas. Portanto, os custos dos modelos de treinamento devem ser pesados em relação aos seus benefícios prospectivos.
Até agora, existem alguns fantasmas disponíveis comercialmente para treinamento clínico no mercado; alguns modelos acadêmicos foram publicados19,20. Esses modelos normalmente possuem anatomias pré-definidas e geralmente se mostram difíceis de empregar em ambientes específicos do paciente. Além disso, os altos custos de aquisição complicam o uso generalizado dessas ferramentas na formação de médicos. A circulação simulada personalizada apresentada pode ser criada com um baixo orçamento, se necessário. Tomográficos, fluoroscopia e scanners sonográficos, para aquisição dos dados específicos do paciente, bem como para o uso posterior da circulação simulada, são equipamentos padrão de qualquer hospital geral ou universitário em países desenvolvidos. A segmentação da anatomia cardiovascular e a criação do modelo 3D virtual podem ser realizadas com o software licenciado mencionado, mas o freeware também está disponível21. As opções de freeware oferecem excelentes resultados ao criar modelos 3D a partir de conjuntos de dados radiológicos, embora uma alta quantidade de trabalho inicial seja necessária para ajustar o software às necessidades individuais. Além disso, uma edição subsequente do modelo 3D digital requer um software adicional, e é por isso que um conjunto de software abrangente que cobre todos esses aspectos é altamente recomendado para um fluxo de trabalho rápido e suave. Se necessário, a impressão dos fantasmas flexíveis pode ser feita por contrato de fabricação 3D se não houver uma impressora 3D adequada no local. Com a redução anatômica na região de interesse, o tamanho do fantasma impresso em 3D pode ser reduzido, o que vem com tempos de impressão mais rápidos e custos mais baixos.
O ponto mais crítico do processo descrito acima é a aquisição inicial de imagens. Como resultado, quanto maior a qualidade dos dados tomográficos, mais preciso será o fantasma impresso em 3D final. Existem dois fatores principais na obtenção de dados adequados da Tomografia Computadorizada ou ressonância magnética: prevenção de artefatos e resolução espacial. Para prevenir artefatos, idealmente não há materiais metálicos (por exemplo, implantes) estarão próximos à região de interesse, se não houver técnicas específicas de redução de artefatos disponíveis22. Para reduzir os artefatos de movimento, o ecg e o acionamento respiratório devem ser realizados durante a aquisição de imagens23,24. A resolução espacial depende do dispositivo de imagem; no entanto, é necessária uma espessura de fatia de 1,0 mm ou menos para obter fantasmas impressos em 3D adequados sem o pós-processamento digital excessivo.
A modularidade acima mencionada, o custo-efetividade, bem como a versatilidade predispõem a circulação simulada individualizável para uso suplementar na rotina clínica diária. O método apresentado pode ser benéfico para uma ampla gama de campos de pesquisa clínica e básica. O uso de modelos realistas é excelente para ensinar aos jovens médicos e alunos o básico da sonografia, bem como técnicas intervencionistas. Especialmente com intervenções, tal modelo tornará a tecnologia mais acessível e aumentará a base de conhecimento geral dos médicos, a longo prazo. A tomografia computadorizada e a ressonância magnética, especialmente quando se olha para padrões de fluxo hemodinâmico nos vasos aórticos, podem ser uma grande adição tanto na ciência básica, quanto na determinação do resultado das intervenções cirúrgicas e transcateter.
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Disclosures
Os autores não declaram conflito de interesses.
Acknowledgments
Esta publicação foi apoiada pela Fundação Alemã do Coração/Fundação Alemã de Pesquisa do Coração.
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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