Girişimsel Planlama ve Eğitim için 3D Baskılı Kardiyovasküler Fantomların Geliştirilmesi ve Değerlendirilmesi
January 18th, 2021
Burada multimodal tedavi değerlendirmesi, girişim öncesi planlama ve kardiyovasküler anatomiler üzerine hekim eğitimi için sahte bir dolaşım kurulumunun geliştirilmesini sunuyoruz. Hastaya özgü tomografik taramaların uygulanmasıyla, bu kurulum bireyselleştirilmiş tıpta terapötik yaklaşımlar, eğitim ve eğitim için idealdir.
Sunulan yöntem, in vitro test, öğretim ve prosedürlerin planlanması için hastaya özgü anatomik kardiyovasküler modellerin oluşturulmasına izin verir. Bu yöntem, akış döngülerine veya eğitim kurulumlarına kolayca dahil edilebilen radyolojik veri kümelerine dayalı 3D yazdırılabilir bireyselleştirilmiş anatomik modeller oluşturmak için standartlaştırılmış bir yaklaşım sunar. Bu modelleme yaklaşımı kardiyovasküler sisteme odaklanırken, diğer anatomik yapılara da aktarılabilir.
Modelleme sırasında karşılaşılan zorluklar üzerinde radyolojik veri setinin kalitesi büyük bir etkiye sahiptir. İlk modeller için, minimum hareket yapıtlarına ve yüksek uzamsal çözünürlüğe sahip bir veri kümesi kullanın. Başlamak için, kontrast gelişmiş kan hacmi ve kemik yapılarının birleşik bir maskesi ile sonuçlanan eşik aracını açarak bir dizi Hounsfield birim değeri tanımlayın.
Hounsfield değerlerine ve konumuna göre genel dilimlerde birden fazla alanın işaretlenmesine ve ayrılmasına olanak sağlayan Split Mask aracını kullanarak son 3B modelde istenmeyen tüm kemik parçalarını çıkarın. Bu ayrımı takiben, kontrastı içeren bir maskenin kan hacminin arttırıldığından emin olun. Bu, koronal ve eksenel düzlemler arasında gezinerek ve oluşturulan maskeyi temel alınan veri kümesiyle eşleştirerek yapılabilir.
Bu maskeden, işlenmiş bir 3B çokgen yüzey modeli hesaplayın. Parçalı modelin yüzeyini el ile ve yerel olarak ayarlamak için Yerel Yumuşatma aracını tıklatın. Önceki kırpma işlemleri tarafından oluşturulan kaba çokgen şekilleri, tek tepeleri ve pürüzlü kenarları kaldırmaya odaklanın.
Modelin bir akış döngüsüne daha sonra bağlanmasına izin vermek için, mevcut hortum konektörlerine ve boru çaplarına ayarlanmış tanımlanmış çaplara sahip borulu parçaları ekleyin. Gemilerin açılan kesitine paralel bir datum düzlemi yerleştirmek için aracı seçin, Datum Düzlemi Oluşturun ve önceden ayarlanmış 3 Nokta Düzlemini kullanın. Ardından, düzlemi oluşturmak için geminin kesitinde eşit aralıklı üç noktaya tıklayın.
Komut penceresine 10 milimetrelik bir uzaklık girin ve işlemi onaylayın. Menüden çizim çizim aracını seçin ve çizimin konumu olarak önceden oluşturulmuş datum düzlemini seçin. Çizimde, kabaca geminin orta çizgisine bir daire yerleştirin ve yarıçap kısıtlamasını hortum konektörünün dış çapına uyacak şekilde ayarlayın.
Oluşturulan çizimden, 10 milimetre uzunluğunda bir silindir oluşturmak için Ekstrüzyon aracını kullanın. Silindir ile 10 milimetrelik gemi kesitleri arasında bir mesafe oluşturmak için ekstrüzyonu gemi açıklığından uzaklaşmaya yönlendirin. Ardından, kap sonu ile geometrik olarak tanımlanmış silindir arasında bir bağlantı oluşturmak için Loft aracını kullanın.
İki kesit arasında sorunsuz bir geçiş sağlayın, böylece son 3B akış modelinde türbülans ve düşük akış alanlarını önleyin. Son olarak, komut penceresinde içi boş bir kan boşluğu yapmak için Hollow aracını kullanın ve gerekli duvar kalınlığını koyun ve dışarı doğru hareket etmek için oyuklama işleminin yönünü ayarlayın. Oyuklama işlemini yürütmek için seçimi onaylayın.
Yazdırma dosyasını dilimleme yazılımından 3D yazıcıya yükledikten sonra, yazıcının kartuşlarındaki baskı malzemesi ve destek malzemesi miktarının 3B model için yeterli olduğundan emin olun ve baskıyı başlatın. Yazdırma işlemini takiben, destek malzemesini bitmiş modelden çıkarın. İlk olarak, modeli hafifçe sıkarak destek malzemesini manuel olarak çıkarın.
Modeli lavaboya yerleştirin ve kapağı çıkardıktan sonra suya veya ilgili bir çözücüye daldırın. Modeli bir gecede 40 santigrat dereceye ayarlanmış bir inkübatörde kurutun. Ertesi gün, modeli% 1 agar'a gömün.
Modelin etrafında en az iki santimetre yan kenar boşluğu olan plastik bir kutu kullanın ve tüplerin kaplardan pompaya ve rezervuara bağlanmasına izin vermek için duvarlara delikler açın. Suya agar ekleyin ve kaynatın. Karışımı karıştırdıktan sonra, beş dakika soğumaya bırakın ve en az iki santimetre yüksekliğinde bir yatak oluşturmak için kutuya dökün.
Agar yatak setleri sırasında, modeli her açıklıkta ticari hortum konektörleri kullanarak uyumlu olmayan bir PVC tüpe bağlayın. Hortum konnektörleri ile 3D model arasındaki bağlantıyı düzeltmek ve sıvı sızıntısı olmadığından emin olmak için fermuar bağlarını kullanın. PVC tüpleri delinmiş deliklerden kutuya yönlendirin, ardından modeli set agar yatağının üzerine yerleştirin.
Bu deliklerden agar sızmasını önlemek için, kapatmak için ısıya dayanıklı modelleme kili kullanın. Ardından, kutuyu agar ile doldurun ve üzerine iki santimetrelik bir tabaka ekleyerek modeli örtün. Agarın tamamen soğumasını bekleyin ve oda sıcaklığında bir saat ayarlayın.
120 ila 150 mililitre strok hacmine sahip bir piston pompası kullanarak ventrikülü ajite edin. CT görüntüleme için, tüm akış döngüsünü, sürücü ünitesinin yakınında durduğu CT tarayıcısına yerleştirin. Kontrast madde pompasını doğrudan akış döngüsünün rezervuarı ile bağlayın, böylece modelin kontrast maddesi ile taşması tarama sırasında simüle edilebilir.
Bu özellikle vasküler patolojileri görselleştirmek için yararlıdır. Kontrast maddesi girişini görselleştirmek için tüm model üzerinde dinamik tarama olarak CT gerçekleştirin. Modelin rezervuarına saniyede dört mililitre hızında bir ila 10 seyreltilmiş kontrast maddeden 100 mililitre enjekte edin.
Dört saniyelik bir gecikmede 100 Hounsfield birim eşiği ile önde gelen tüpte tetikleyen bolus kullanarak taramaya başlayın. Sonografi yapmak için, eserleri azaltmak için agar bloğunun üzerine az miktarda ultrasonik jel koyun. Pompayı başlatın ve ilginin anatomik yapısını bulmak için ultrasonik başlığı kullanın.
Broşür hareketini ve vananın açma ve kapama davranışını değerlendirmek için 2D yankı modunu kullanın. Kalp kapakçığını takip eden akış hızını ölçmek için kapak boyunca kan akışını değerlendirmek için renkli Doppler ve spektral Doppler kullanın. Kalp kateteri veya kılavuz tel ile anatomiye daha kolay erişim sağlamak için PVC tüpün içine 3D modelin hemen altına bir erişim portsu yerleştirin.
Akış döngüsünü başlattıktan sonra, bağlantı noktası giriş noktasında sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Gerekirse, açıklığı kapatmak için iki bileşenli bir yapıştırıcı kullanın. 3D modeli hasta masasına x-ray makinesinin C kollarının altına yerleştirin.
Kateteri yönlendirmek ve telleri anatomik yapıda yönlendirmek için x-ışını görüntülemeyi kullanın. 4D MRI için 1.5 Tesla tarayıcı kullanın ve satın alma protokolünün 4D akış sırasında kontrastsız gelişmiş bir MRA'dan oluştuğundan emin olun. 1,2 milimetrelik dilim kalınlığında 25 fazlı bir izotropik veri kümesi haline alın.
Hız kodlamasını saniyede 100 santimetre olarak ayarlayın. 4D akış görüntü analizini piyasada bulunan bir yazılımla gerçekleştirin. İlk olarak, 4D MRI veri kümesini flash sürücüden seçerek içe aktarın, ardından görüntü kalitesini artırmak için yarı otomatik ofset düzeltmesi ve diğer ad düzeltmesi gerçekleştirin.
Geminin orta hattı otomatik olarak izlenecek ve yazılım 3D ses seviyesini çıkarır. Son olarak, analiz penceresindeki tek tek sekmelere tıklayarak akış parametrelerinin nicel analizini gerçekleştirin. Akış görselleştirmesi, yol çizgisi görselleştirmesi ve akış vektörü daha fazla giriş olmadan görselleştirilebilir.
Temsili sekmedeki basınç ve duvar kesme gerginliğinin ölçülmesi için Düzlem Ekle düğmesine tıklayarak iki düzlem yerleştirin. Uçakları orta çizgi boyunca sürükleyerek yatırım getirisine taşıyın, böylece bir düzlem yatırım getirisinin başına ve bir uçta yerleştirilir. Yatırım getirisi ve duvar kesme stresi boyunca basınç düşüşü, 3B modelin yanındaki diyagramda görselleştirilecek ve ölçülecektir.
Sunulan 3D baskılı modeller BT görüntülemede çok çeşitli olanaklar sunar. Baskılı malzeme, çevredeki agar ve olası metalik implantlardan kolayca ayırt edilebilir. Bu nedenle, dinamik görüntüleme dizileri oluşturmak dışında, bir karşıtlık aracısı kullanımı normalde gerekli değildir.
Ultrasonik görüntüleme kullanırken, modelin duvarı, çevreleyen agar ve kalp kapak broşürleri gibi ince dinamik nesneler arasında ayrım yapmak mümkündür. Modelin üstündeki agar tabakası, tarama işlemi sırasında gerçekçi dokunsal geri bildirim sağlar. Akış döngüsü içindeki akış analizi, çok çeşitli olası uygulamalar ve girişimsel öncesi görüntüleme sunar.
4D MRI dizisi, 3D baskılı modelde sıvı akışının, türbülansların ve duvar kesme stresinin görselleştirilmesini sağlayarak yapay kalp kapakçıklarını takip eden akış modellerinin analizini mümkün hale getirir. Bu iş akışı, eğitim veya planlama amacıyla farklı girişimsel tıbbi prosedürlere aktarılabilir. Teknik, büyük kardiyovasküler damarlardaki akış davranışının daha yakından in vitro olarak incelenmesini sağlar ve bireyselleştirilmiş tedavi planlaması için büyük bir potansiyel sunar.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu makale, in vitro test, öğretim ve prosedürel planlama için hastaya özgü anatomik kardiyovasküler modeller oluşturma yöntemi sunmaktadır. Bu yaklaşım, radyolojik veri setlerini kullanarak 3D yazdırılabilir bireysel modeller üretir ve kardiyovasküler tıpta eğitim ve öğretimi geliştirir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Kardiyovasküler modelleme
- In vitro test
- Tıp eğitimi
Arka Plan
- Kardiyovasküler prosedürlerde bireyselleştirilmiş tıbbın önemi.
- Radyolojik verilere dayalı modellemedeki zorluklar.
- Anatomik modellemedeki standartlaştırılmış yaklaşımlara duyulan ihtiyaç.
- Kardiyovasküler sistem ötesindeki potansiyel uygulamalar.
Çalışmanın Amacı
- Multimodal terapi değerlendirmesi için bir mock dolaşım kurulumunun geliştirilmesi.
- Münahezere planlama ve doktor eğitiminin kolaylaştırılması.
- Eğitim amaçlı yüksek kaliteli anatomik modellerin oluşturulması.
Kullanılan Yöntemler
- Hastaya özgü tomografi taramalarının kullanılması.
- Radyolojik verilere dayalı 3D yazdırılabilir modellerin oluşturulması.
- Test için akış döngülerine modellerin dahil edilmesi.
- Hounsfield birim değerlerini tanımlamak için eşikleme araçlarının uygulanması.
Ana Sonuçlar
- Bireyselleştirilmiş anatomik modellerin başarılı bir şekilde oluşturulması.
- Eğitim ve prosedürel planlamada etkinliğin gösterilmesi.
- Modelleme üzerinde radyolojik veri kalitesinin etkisinin vurgulanması.
- Çeşitli anatomik yapılara uygulanabilen bir çerçeve kurulması.
Sonuçlar
- Bu yöntem, anatomik modellemeye standartlaştırılmış bir yaklaşım sunar.
- Kardiyovasküler prosedürlerde doktorların eğitimini geliştirir.
- Tıp eğitimi ve planlamada daha geniş uygulamalar için potansiyel sunar.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Patient-specific 3D-printed cardiovascular phantoms enable high-fidelity simulation of interventional procedures, supporting both translational research and advanced physician training. These models bridge the gap between digital imaging data and physical testing, enhancing predictive confidence in device performance and procedural planning. Their integration into R&D workflows accelerates risk-adjusted decision-making for novel cardiovascular therapies and technologies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Facilitates in vitro testing of device-tissue interactions using anatomically accurate models.
- Enables mechanistic de-risking by replicating physiological flow and wall shear stress conditions.
- Supports functional validation of interventional targets in a controlled, reproducible environment.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, patient-specific platforms for evaluating device prototypes and procedural techniques.
- Ensures reproducibility and quantitative assessment of flow dynamics and imaging compatibility.
- Enables scalable training and screening of catheterization strategies across diverse anatomies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical testing with disease-relevant anatomical and biomechanical parameters.
- Supports translational biomarker development through quantitative flow and imaging readouts.
- Facilitates continuity from digital imaging to physical model validation for therapy planning.
Pipeline & Workflow Integration
These 3D-printed phantoms integrate seamlessly from early discovery through preclinical validation, providing a reusable platform for hypothesis testing and procedural optimization.
- Discovery Biology: Enables hypothesis-driven evaluation of device performance and anatomical fit.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative outputs for comparative assessment of interventions.
- Analytics: Supports measurement of flow parameters, wall shear stress, and pressure gradients for robust data analysis.
- Translational Research: Bridges imaging data with physical model validation, enhancing preclinical relevance.
- Enterprise Reuse: Offers a standardized workflow adaptable to multiple anatomical and procedural contexts.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in device and therapy development.
- Operational Value: Standardizes model creation and testing, improving reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and optimizes resource allocation by de-risking early-stage development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of cardiovascular interventions and devices.
Implementation Considerations
- Requires expertise in radiological data segmentation and 3D modeling software.
- Demands access to high-resolution imaging datasets and advanced 3D printing infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization for model preparation and flow loop integration.
- Adaptable to various anatomical systems with appropriate imaging and modeling adjustments.
- Dependent on imaging quality and material selection for optimal biomechanical fidelity.
