Anatomisch realistischen neonatale Herzmodell für den Einsatz bei Neugeborenen Patienten Simulatoren

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zum Erstellen von funktionalen neonatale Kunstherz Modellen durch die Verwendung einer Kombination von Magnet-Resonanz-Tomographie, 3D-Druck und Spritzguss. Der Zweck dieser Modelle ist für die Integration in die nächste Generation von Neugeborenen Patienten Simulatoren und als Werkzeug für physiologische und anatomische Studien.

Zusammenfassung

Neugeborene Patienten Simulatoren (NPS) sind künstliche Patienten Surrogate, die im Zusammenhang mit der medizinischen Simulationstraining verwendet. Neonatologen und Pflegepersonal Praxis klinische Interventionen wie Herzdruckmassage Überlebensvorteil bei Bradykardie oder Herzstillstand sicherzustellen. Die aktuell eingesetzten Simulatoren sind der geringe körperliche Treue und können daher qualitativen Einblick in das Verfahren der Herzdruckmassage bereitstellen. Die Einbettung von einem anatomisch realistischen Herzmodell künftig Simulatoren ermöglicht die Erkennung von Herzzeitvolumen während der Herzdruckmassage generiert; Dies bieten Kliniker ein Output-Parameter, die das Verständnis der Wirkung von Kompressionen in Bezug auf die Höhe des Blutflusses generiert vertiefen können. Bevor diese Überwachung erreicht werden kann, eine anatomisch realistischen Herzmodell muss erstellt werden, enthalten: zwei Atrien, zwei Herzkammern, vier Herzklappen, Lungenvenen und Arterien, und systemische Venen und Arterien. Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zum Erstellen von solchen funktionalen neonatale Kunstherz Modells durch die Verwendung einer Kombination von Magnetresonanz-Bildgebung (MRI), 3D Drucken und gießen in Form von kalten Spritzguss. Mit dieser Methode mit flexible 3D gedruckte innere Formen in der Spritzguss-Prozess ist ein anatomisch realistischen Herzmodell erhältlich.

Einleitung

Jedes Jahr werden Millionen von Neugeborenen sind neonatale Intensivstation (Neonatologie) zugelassen. In Frühgeborenenstationen die meisten Notfälle betreffen Probleme in die Atemwege, Atmung und Kreislauf (ABC) und erfordern Eingriffe wie Herzdruckmassage. NPS bieten eine wertvolle Lehre und Training-Tool um solche Eingriffe zu üben. Für einige NPS können eingebettete Sensoren erkennen, ob Performance trifft auf die empfohlenen klinischen Richtlinien¹ für Tiefe und Geschwindigkeit der Herzdruckmassage. Die Einhaltung der Richtlinien zu berechnen und zu quantifizieren Leistung verwendet werden, und in diesem Zusammenhang solche modernster NPS als eine greifbare und white-Box-Metrik zur Bewertung der Leistung angesehen werden kann.

Einhaltung der empfohlenen Richtlinien zielt Patienten Physiologie. Beispielsweise werden die Herzdruckmassage mit dem Ziel der Erzeugung von ausreichenden Blutfluss im Herz-Kreislauf-System geliefert. Aktuelle High Fidelity NPS (z. B.PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norwegen) und Paul (SIMCharacters, Wien, Österreich)), enthalten keine Sensoren, physiologische Parameter wie Blutfluss während des Trainings zu messen, da sie eine integrierte Herz fehlt Diese physiologische Parameter zu generieren. Wirksamkeit der Herzdruckmassage im aktuellen NPS kann daher nicht auf einer physiologischen Ebene bewertet werden. Für NPS physiologische Bewertung der Herzdruckmassage zu ermöglichen muss ein anatomisch realistischen Kunstherz in den NPS integriert werden. Darüber hinaus zeigt Forschung² , dass eine Erhöhung der körperlichen anatomischen Treue zu einem Anstieg der funktionalen Treue NPS führen kann. Profitieren sowohl die funktionelle Treue des Trainings und ermöglichen physiologische Leistungsbeurteilung würde ein physisch High-Fidelity-Organ-System zu integrieren.

Eine deutliche Erhöhung der Treue des NPS kann durch 3D-Druck erreicht werden. In der Medizin 3D-Bildgebung und Druck meist chirurgische Vorbereitung und Erstellung von Implantaten^3,4,5dienen. Beispielsweise sind im Bereich der chirurgischen Simulation Organe produziert, um Chirurgen zur Durchführung chirurgischer Verfahren⁶trainieren. Die Möglichkeiten des 3D-Drucks worden noch nicht ausgiebig in NPS angewendet. Die Kombination von 3D-Bildgebung und 3D-Druck eröffnet die Möglichkeit für NPS, ein höheres Maß an körperlichen Treue zu erreichen. Die Replikation von anspruchsvollen, flexibel, neonatale Organe wie das Herz wird aufgrund der immer breitere Palette von Techniken und Materialien für 3D Druck⁷möglich.

In diesem Beitrag zeigen wir ein Protokoll für die Erstellung eine funktionale, künstliche neonatale Herz mit einer Kombination von MRI, 3D-Druck und kalten Spritzguss. Das Herzmodell in diesem Papier enthält zwei Atrien, zwei Herzkammern, vier funktionale Armaturen und pulmonale und systemische Arterien und Venen alle hergestellt aus einem einzigen Silikon gegossen. Das Herzmodell kann mit einer Flüssigkeit gefüllt, mit Sensoren ausgestattet und als Output-Parameter Generator (d.h., Blutdruck oder Herzzeitvolumen während der Herzdruckmassage und Ventil-Funktionalität) verwendet.

Protokoll

Alle wurden institutionellen Genehmigungen vor Patienten Bildgebung.

1. Erwerb und Segmentierung von Bildern

1. Erwerben Sie einen Thorax MRT-Scan von einem Neugeborenen im Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Format. Erfassen Sie jedes Slice des Scans in der ventrikulären diastolischen Phase des Herz-Kreislauf oder eine Autopsie einzuholen Sie eine thorakale MRI.
   Anmerkung: Eine sichtlich klare Definition des Herzmuskels, sowie Vorhöfe und Ventrikel, ist wichtig.
2. Processing-Software zu verwenden (siehe Tabelle der Materialien) Import der DICOM-Datei des Thorax MRT. Verwenden den Menüpunkt "Bearbeiten von Masken", wählen Sie den Bereich des Herzmuskels auf jede Scheibe MRI, wo das Herz vorhanden ist. Die Vorhöfe und Herzkammern, können in diesem Fall abgedeckt werden.
3. Erstellen Sie eine neue Skizzenebene und segmentieren Sie separat den beiden Vorhöfen und zwei Herzkammern in der gleichen Weise wie die Auswahl für den Herzmuskel. Segmentieren Sie die Ventile vorhanden zwischen Vorhöfen und Herzkammern und zwischen den Herzkammern und Arterien nicht.
4. Rendern des Muskels und Kammern in separaten 3D Darstellungen über das Menü 'Berechnen 3D' Artikel und exportieren Sie sie als fünf Stereolithographie (STL) Dateien mit die optimale Auflösungseinstellungen indem Sie den Menüpunkt "STL +".
5. The.stl Dateien in der CAD-Software laden (siehe Tabelle der Materialien). Verwenden Sie den Menüpunkt Update-Assistenten, um the.stl-Dateien für überlappende Dreiecke und schlechte Kanten reparieren. Speichern Sie the.stl Dateien erneut.
   Hinweis: Sollten Sie kein Herz MRI zur Verfügung steht, mit dem Herzmodell in diesem Protokoll verwendeten. Diese Datei enthält auch separate Herz-Ventil-Modelle. Bitte klicken Sie hier, um die Dateien herunterzuladen.

2. Verarbeitung und Formen drucken

1. Laden Sie den Satz von Vorhöfen und Herzkammern in eine CAD-Software (siehe Tabelle der Materialien). Bitte klicken Sie hier, um die Dateien herunterzuladen.
   1. Bestimmen Sie die Position der Aorta, pulmonale, Mitral- und Trikuspidalklappe Ventile mit der ursprünglichen MRT (Abbildung 1).
2. Fügen Sie die positiven und negativen Formhälften jedes Ventils ihrer jeweiligen Position im geladenen Satz der Vorhöfe und Ventrikel durch Ziehen der Ventil-Datei (durch den obigen Link erhalten) in die aktuelle Datei "Teil einfügen" Funktion hinzu. Geben Sie die Position der Platzierung, indem Sie auf den Speicherort der die Oberfläche der Vorhöfe oder Herzkammern.
   1. Extrudieren Sie die Basis der positiven und negativen Ventil mit "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Base" ragen in ihren jeweiligen Kammern und Zusammenführen der Ventilteile an ihrer jeweiligen Kammer.
      Hinweis: Die Mitralklappe besteht aus zwei halbmondförmige teilen, während die dreiaufklappbar, Aorta, und pulmonale Ventile bestehen aus drei.
3. Fügen Sie die Lungen- und aortic Valve-Datei an ihren jeweiligen Herzkammer Speicherort in Schritt 2.2 beschriebene Verfahren verwenden. Von der Spitze dieser Ventile, skizzieren Sie zwei gebogenen Zylinder mit 5 mm Durchmesser durch Klicken auf die "Registerkarte Skizze > Kreis" folgt eine skizzierte Linie mit gewölbten die "Registerkarte" Eigenschaften "> Chef/Base zu fegen" bis beide Kreiszylinder Oberflächen die horizontale Position erreicht. Ventilteile zu ihren jeweiligen Herzkammern und Arterien zu verschmelzen.
4. Von der Basis eines jeden der vier Kammern sowie die beiden gewölbten Zylinder zeichnen vertikalen Zylinder mit 5 mm Durchmesser durch Klicken auf die "Registerkarte Skizze > Kreis" Artikel und extrudieren sie bis 40 mm in der Länge, indem Sie auf die "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Base" Element. Lassen Sie jeden Zylinder in ihrer jeweiligen Kammer ragen.
   1. Um die Kammern Positionierung bei den sechs inneren Teile in der Form der Montage zu gewährleisten, fügen Sie differenzielle Kerben zu den sechs Zylindern (Abbildung 2) skizzieren Halbkreise auf den Zylindern: Klicken Sie auf die "Registerkarte Skizze > skizzieren Sie Kreis" Menüpunkt und Nutzung der " Registerkarte "Feature" > Schnitt/Extrudieren "Menüpunkt unterschiedlicher Tiefe Einkerbungen erstellen.
      1. Subtrahieren Sie ihre Formen von Chambers und Arterien durch die Auswahl des Volumenkörpers der Kammer und Arterie, Rechtsklick, und drücken das "kombinieren" nach dem subtrahieren Einstellung ausgewählt werden kann. Verbinden Sie diese Teile nicht. Speichern Sie alle Kammern und Arterien separat.
5. Importieren Sie das Herz Muskel-Modell. Der Sechszylinder-Basisskizzen kompensiert starten eine neue Skizze und alle Zylinder Basisskizzen mit gedrückter "Shift" Taste auswählen. Wählen Sie dann die "Registerkarte Skizze > Menüpunkt Rechtsträger zu konvertieren. Wählen Sie die "Registerkarte Skizze > Entitäten Menüpunkt, um die Skizzen von 2 mm Versatz auszugleichen.
   1. Extrudieren und verschmelzen diese Skizzen durch Klicken auf die "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Bass Menüpunkt mit dem Herz-Muskel-Modell; Wiederholen Sie für die gebogenen Zylinder. Diese Zylinder mit dem Herz-Muskel-Modell zu verschmelzen, indem Sie auf die "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Bass Menüpunkt.
      Hinweis: Sicherstellen Sie, dass das Herz Muskelmodell gegenüber der Vorhöfe ist mehr als 2 mm Abstand (Abbildung 1). Sonst wird die Wand reißen, wenn die inneren Formen entfernen.
6. Modell einen Würfel von der Basis der sechs Zylinder nach unten durch die erste Platzierung einer Referenzebene durch Klicken auf die "Registerkarte" Eigenschaften "> Referenzgeometrie > Ebene". Klicken Sie danach auf die "Registerkarte Skizze > Platz" Menüpunkt und Skizze ein Quadrat mit einer Länge und Breite d. h. 4 mm breiter als der breiteste Teil des Muskels Herzmodell.
   1. Extrudieren dies nach unten mit einer Dicke von 8 mm, indem Sie auf die "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Base" Menü Punkt, und führen Sie dies auf der Basis der sechs Zylinder markieren den Menüpunkt 'verschmelzen Teile'. Fügen Sie an den vier Ecken der Basis 4 mm Würfel mit der gleichen Methode hinzu.
7. Mit der quadratischen Grundfläche als eine Skizze, Extrudieren sie zum Decken des gesamte Herz-Modells und alle anderen Teile von diesem subtrahieren. Teilen Sie den oberen Teil des übrig gebliebenen Rechtecks an der breitesten Stelle des Modells Herz. Legen Sie zuerst eine Referenzebene auf die gewünschte Höhe mit der "Registerkarte" Eigenschaften "> Referenzgeometrie > Flugzeug. Danach verwenden Sie den Menüpunkt "Einfügen > Formen > aufteilen" um die Fläche auszuwählen, über die die Split und das Objekt erfordern Aufspaltung stattfinden muss.
   1. Das übrig gebliebene Rechteck aufgeteilt wieder auf die bequemste Form release Position mit der gleichen Methode beschriebenen Schritt 2.7 noch in einer vertikalen Position. Kubische 4 mm-Buchsen in den Ecken der longitudinalen Teile der Form skizzieren und die Ecken der oberen Abdeckung mit 4 mm Würfel hinzufügen der "Registerkarte Skizze > Quadrat" und "Registerkarte" Eigenschaften "> Extrudieren Chef/Base" Menüpunkte.
8. Skizzieren Sie 50 Kreise von 1 mm im Durchmesser Abdeckung oben auf das gesamte äußere Spritzgussmodell und extrudieren Sie Schnitt-diese durch alle äußeren Formen. Extrudieren Sie auch mehrere 1 mm Zylinder auf der Seite die obere Abdeckung an den breitesten Stellen des Modells Herz Muskel. Schnitt-Extrudieren eines einzigen 8 mm Injektion Loch aus der oberen Abdeckung.
   1. Speichern Sie alle vier Formteile der äußeren separat.
      Vorsicht: Insgesamt, es ist zehn Schimmel Komponenten: die Basis der Form, zwei Seitenteile der äußeren Form, eine äußere Form Deckel, zwei Innenform Atrien mit Ventil-Anlagen, zwei Innenform Ventrikel mit Ventil anhängen und eines jeden Aorten- und pulmonale Inner Schimmel-Arterie mit Ventil anhängen.
9. Verwenden Sie einen Sprühvolumen Drucker für das Drucken mit starren und gummiartigen Photopolymer Materialien installiert
   (siehe Tabelle der Materialien). Wenn die Teile für den Druck auf das Druckbett platzieren, sicherzustellen, dass die Ventil-negative sind alle gedruckten nach oben (vertikal) (Abbildung 3).
   1. Wählen Sie die Druckeinstellungen auf Glossy. Wählen Sie für die vier Kammern sowie die Lungen- und Aorta Schimmel-Anlagen das flexible Material der S95; Wählen Sie für die anderen vier Formteile das starre Druckmaterial.
10. Nach dem Drucken der Formteile, entfernen Sie das Trägermaterial während des Druckens von Waterjet aufgebaut (siehe Tabelle der Materialien). Legen Sie nach der Reinigung die Formteile die Teile in einer 5 % Natriumhydroxid Lösung für 24 h. Nach dem Entfernen der Teile aus der Lösung, spülen Sie sie mit kaltem Wasser und lassen Sie trocknen für 48 h vor dem Gießen.

3. kalte Spritzgießen und Veredelung

1. Sprühen Sie alle Oberflächen der alle Formteile mit einem Trennmittel (siehe Tabelle der Materialien), mit Ausnahme der Ventile und sauber mit Papiertuch abwischen. Für 15 min trocknen lassen.
   1. In der Nähe der Basis der Form und zwei Seitenwände, und legen Sie auf zwei Abstandshalter, so ist die Basis der Form nicht in direktem Kontakt mit der Tischoberfläche. Bereiten Sie das Silikon durch Einfügen einer Silikon-Kartusche in das Handbuch Abgabe gun (siehe Tabelle der Materialien).
2. Hinzugeben Sie 5 mL Silikon gepresst aus der Abgabe Pistole in eine Mess Tasse und mischen mit einem Zahnstocher. Mit einem Zahnstocher, gelten Sie eine großzügige Menge von geschmolzenem Silikon auf die negativen und positiven Seite der rechten Herzvorhof und Herzkammer Ventile. Stellen Sie sicher, es gibt keine Luftblasen eingeschlossen in das Silikon (Abbildung 4).
   1. Verbinden Sie die beiden Kammern in die richtige Ventil Winkel, und schieben Sie sie auf ihren jeweiligen Zylindern der Basis Form. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die linke Seite. Schließlich legen Sie die Lungen- und Aorta gewölbte Zylinder ähnlich. Lassen Sie diese Ventile für 2 min zu festigen, dann befestigen Sie das Oberteil der Form.
3. Legen Sie einen statischen Mischer auf die Patrone, drücken Sie, bis das Silikon die Düse verlässt, dann lassen Sie den Druck. Position die gesamte Form auf zwei Abstandshalter (Abbildung 5), schieben Sie die Waffe in die 8-mm-Injektion Molding Socket und Squeeze mit Niederdruck im Laufe von 3 min bis alle Lüftungsschlitze Anzeichen von Silikon-Überlauf.
   1. Beenden Sie injizieren das Silikon an dieser Stelle, entfernen Sie den Mixer und legen Sie die Form auf der Tischoberfläche, so dass alle Lufteinlässe sind versiegelt, und keine mehr Silikon kann von der Unterseite der Form fließen. Lassen Sie das Silikon für 30 min zu festigen.
4. Öffnen Sie das Oberteil der Form von neugierigen und heben einen Metall Spacer in den Spalt zwischen der oberen und unteren Teil der Form. Entfernen Sie die Seitenteile des Werkzeugs mit der gleichen Methode, eine Seite zu einem Zeitpunkt zu entfernen.
   Hinweis: Stellen Sie sicher nicht, die Herzwand zu durchbohren, wenn das Distanzstück einlegen.
   1. Erkennen Sie eventuelle Luftblasen an der Außenseite des Herzens nach dem Loslassen der drei Formkomponenten der äußeren (Abbildung 6). Verwenden Sie ein Skalpell, um die Blase zu durchbohren und füllen ihn mit einer kleinen Menge Silikon mit einem Zahnstocher, dann weitere 30 Minuten aushärten lassen.
5. Verwenden Sie Druckluft (siehe Tabelle der Materialien) Herzmodell Weg von der Unterseite der Form verlassen die sechs inneren Formen im Herzmodell zu blasen. Achten Sie darauf, das Herzmodell mit einer Hand um zu verhindern, dass Luft Ruptur der Herzwand fest umschließen.
   1. Verwenden Sie eine Spritze mit Wasser zu füllen und den Druck der linken und rechten Ventrikel, die inneren Formen freizugeben. Danach verwenden Sie eine Magill-Zange (siehe Tabelle der Materialien) zu packen und ziehen Sie diese innere zwei Formteile. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die pulmonalen und aortalen Arterien und schließlich für die linken und rechten Herzvorhof Inneren Schimmel entfernen.
      Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die Positionierung der Zange nicht das Ventil Segment komprimieren wenn Klammerdruck angewendet wird; Es wird das gedruckte Ventil zerstören.
6. Die beiden Rohre führt direkt nach unten aus den Ventrikeln an der Basis des Modells Herz mit Kabelbindern binden und Zugang Air Vent Zeichenfolgen durch Zupfen sie an der Herz-Wand-Oberfläche zu entfernen.

Ergebnisse

Diese Studie beschreibt eine Methode zum Erstellen einer anatomisch realistischen neonatale Herzmodell MRT-Bildgebung, 3D-Druck und kalten Spritzgießen kombinieren. Der Ductus Arteriosus sowie Foramen Ovale wurden im Herzmodell präsentiert in diesem Papier nicht berücksichtigt. In diesem Artikel beschriebene Verfahren kann auch auf andere innere Organe, wie Lunge und Brustkorb Strukturen angewendet werden. Brustkorb Strukturen erfordern keine Formen und können direkt mit flexiblen Mat...

Diskussion

Für das Modell in dieser Studie entwickelten haben wir, die über einen Zeitraum von 3-min-Spritzguss erforderlich ist, um zu verhindern, dass Luft, die in der Besetzung (Abbildung 5, Abbildung 6) identifiziert. Um sicherzustellen, dass Silikon die engen Räumen der Ventile erreicht, ist "Pre-Casting" oder "Beschichtung" der Ventil-Bereiche im Werkzeug unerlässlich. Da die inneren Formen prägen die Herzkammern haben, beenden Sie das endgültige Silikon gegoss...

Materialien

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