Modelo corazón Neonatal anatómicamente realista para el uso en simuladores de paciente Neonatal

Resumen

Este protocolo describe un procedimiento para la creación de modelos funcional cardiaca neonatal artificial utilizando una combinación de la proyección de imagen de resonancia magnética, impresión 3D y moldeo por inyección. El propósito de estos modelos es para su integración en la próxima generación de simuladores de paciente neonatales y como una herramienta para estudios fisiológicos y anatómicos.

Resumen

Simuladores de paciente neonatales (NPS) son sustitutos paciente artificiales utilizados en el contexto de formación de simulación médica. Neonatólogos y personal de enfermería práctica de intervenciones clínicas como compresiones del pecho para asegurar la supervivencia de los pacientes en caso de bradicardia o paro cardíaco. Los simuladores utilizados actualmente son de baja fidelidad física y por lo tanto no pueden proporcionar la penetración cualitativa en el procedimiento de compresiones. La incorporación de un modelo de corazón anatómicamente realista en el futuro simuladores permite la detección de gasto cardíaco generado durante las compresiones; Esto puede proporcionar a los médicos con un parámetro de salida, que puede profundizar en el conocimiento del efecto de las compresiones en relación con la cantidad de flujo sanguíneo generado. Antes de este monitoreo puede ser alcanzado, debe crearse un modelo corazón anatómicamente realista que contiene: dos aurículas, dos ventrículos, las válvulas del corazón cuatro, venas pulmonares y las arterias y sistémicas venas y arterias. Este protocolo describe el procedimiento para crear un modelo funcional cardiaca neonatal artificial mediante la utilización de una combinación de la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI), 3D impresión y fundición en forma de inyección fría. Usando este método con moldes interiores impresos 3D flexibles en el proceso de moldeo, puede obtenerse un modelo corazón anatómicamente realista.

Introducción

Cada año millones de recién nacidos que ingresan a unidades de cuidados intensivos neonatales (UCIN). En UCIN, la mayoría de las situaciones de emergencia se refieren a problemas en la vía aérea, respiración y circulación (ABC) y requieren intervenciones como compresiones. NPS ofrecen una valiosa enseñanza y herramienta de formación para la práctica de tales intervenciones. Para algunos NPS, sensores embebidos pueden detectar si desempeño cumple con las pautas clínicas recomendadas¹ de profundidad y la velocidad de compresiones. La adherencia a pautas puede utilizarse para calcular y cuantificar el rendimiento, y en este sentido, tan de vanguardia NPS puede ser vista como una métrica de caja blanca y tangible para la evaluación de desempeño.

Adherencia a las pautas que tiene como objetivo mejorar la fisiología del paciente. Por ejemplo, compresiones se entregan con el objetivo de generar el flujo de sangre adecuado en el sistema circulatorio. Actual alta fidelidad NPS (p. ej., PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Noruega) y Pablo (SIMCharacters, Viena, Austria)), no contienen los sensores para medir parámetros fisiológicos como el flujo de sangre durante el entrenamiento ya que carecen de un corazón integrado a generar este parámetro fisiológico. Por lo tanto, eficacia de compresiones en actual NPS no puede ser evaluada a un nivel fisiológico. Para que NPS permitir la evaluación fisiológica de compresiones de pecho, un corazón artificial anatómicamente realista tiene que integrarse en el NPS. Además,² de la investigación muestra que un aumento en la fidelidad anatómica física puede llevar a un aumento en la fidelidad funcional de NPS. Integración de un sistema de órganos de alta fidelidad físicamente beneficiarse tanto la fidelidad funcional de la formación y permiten la evaluación del rendimiento fisiológico.

Un aumento sustancial en la fidelidad de los NPS se logra a través de la impresión 3D. En medicina, impresión y proyección de imagen de 3D se utilizan principalmente para la preparación quirúrgica y la creación de implantes^3,4,5. Por ejemplo, en el campo de la simulación quirúrgica, los órganos se producen para capacitar a cirujanos en realizar procedimientos quirúrgicos⁶. Las posibilidades de la impresión 3D no todavía sido ampliamente aplicadas en NPS. La combinación de imágenes en 3D e impresión 3D abre la posibilidad para NPS alcanzar un mayor nivel de fidelidad física. La replicación de neonatales, flexibles y sofisticados órganos como el corazón llega a ser posible debido a la siempre ampliar gama de técnicas y materiales utilizados para la impresión 3D⁷.

En este artículo detallamos un protocolo para la creación de un corazón neonatal funcional, artificial usando una combinación de MRI, impresión 3D y moldeo a presión fría. El modelo de corazón en este trabajo incluye dos aurículas, dos ventrículos, cuatro válvulas funcionales y arterias pulmonares y sistémicas y las venas todos producidas a partir de una sola silicona del molde. El modelo de corazón puede con un líquido, equipado con sensores y utilizado como generador de parámetro de salida (es decir, la presión arterial o cardiaco durante las compresiones y la funcionalidad de la válvula).

Protocolo

Todas las aprobaciones institucionales se obtuvieron antes de la proyección de imagen paciente.

1. adquisición y segmentación de la imagen

1. Adquirir una resonancia magnética torácica de un recién nacido en imágenes digitales y comunicaciones en medicina (DICOM) formato. Captura cada parte de la exploración en la fase diastólica ventricular del ciclo del corazón u obtener una resonancia magnética torácica de una autopsia.
   Nota: Una visiblemente clara definición del músculo del corazón, aurículas y ventrículos, es esencial.
2. Utilizando software de procesamiento de importación (véase Tabla de materiales) el archivo DICOM de la resonancia magnética torácica. Usando el menú 'Edición de máscaras', seleccione el área del músculo del corazón en cada rebanada de MRI donde está presente el corazón. Las aurículas y los ventrículos, en este caso, pueden ser cubiertos también.
3. Crear una nueva capa de bosquejo y segmento por separado las dos aurículas y dos ventrículos en la misma manera que la selección para el músculo del corazón. Segmento no las válvulas presentes entre las aurículas y los ventrículos y entre los ventrículos y las arterias.
4. Hacer que el músculo y cámaras en distintas representaciones 3D usando el menú 'Calcular 3D' del artículo y exportan ficheros cinco estereolitografía (.stl) utilizando la configuración de resolución óptima mediante el elemento de menú 'STL +'.
5. Cargar archivos de the.stl en el software de CAD (véase Tabla de materiales). Utilice el elemento de menú Asistente de fix para reparar archivos de the.stl de triángulos superpuestos y bordes mal. Guardar los archivos de the.stl otra vez.
   Nota: Si no IRM del corazón está disponible, considere el modelo de corazón en este protocolo. Este archivo también contiene modelos de válvulas de corazón separado. Por favor haga clic aquí para descargar los archivos.

2. de procesamiento y la impresión del molde

1. Cargar el conjunto de atrios y ventrículos en un software de diseño asistido por ordenador (véase Tabla de materiales). Por favor haga clic aquí para descargar los archivos.
   1. Determinar la posición de las válvulas aórticas, pulmonares, mitrales y tricúspides mediante la RM original (figura 1).
2. Agregue las mitades de moldes positivos y negativos de cada válvula a su posición respectiva en el sistema cargado de aurículas y ventrículos arrastrando el archivo de válvula (obtenido a través del enlace de arriba) en el archivo actual de activar la función 'Inserte la parte'. Indica la posición de colocación haciendo clic en la ubicación de la superficie de las aurículas o ventrículos.
   1. Sacar la base de la válvula positiva y negativa usando ' ficha características > extruir base del jefe ' para sobresalir en sus respectivas cámaras y combinar las piezas de la válvula a la cámara respectiva.
      Nota: La válvula mitral consta de dos partes semilunares, mientras que la tricúspide, aórtica, y válvulas pulmonares consisten en tres.
3. Agregar el archivo de la válvula pulmonar y aórtica para su ubicación ventrículo respectivo, utilizando el procedimiento descrito en el paso 2.2. Desde la parte superior de estas válvulas, esbozar dos cilindros arqueamiento de 5 mm de diámetro haciendo clic en la ' pestaña Dibujo > círculo ' tras un esbozo de arco línea usando la ' ficha características > barrer la base del jefe ' ambas superficies de cilindro circular hasta la posición horizontal. Combinar las piezas de la válvula a sus respectivos ventrículos y las arterias.
4. Desde la base de cada una de las cuatro cámaras, así como los dos cilindros arqueados, dibujar cilindros verticales de 5 mm de diámetro haciendo clic en la ' pestaña Dibujo > círculo ' del artículo y les saca a 40 mm de longitud haciendo clic en la ' ficha características > extruir base jefe ' artículo. Que cada cilindro sobresale dentro de su respectiva cámara.
   1. Para asegurar que las cámaras de posicionamiento durante el montaje de las seis partes internas en el molde, añadir muescas diferencial a los seis cilindros (figura 2) mediante el esbozo de semicírculos en la parte superior los cilindros: haga clic en la ' pestaña Dibujo > sketch círculo ' menú y uso la ' ficha de característica > corte/saca ' del menú crear indentaciones de diversa profundidad.
      1. Reste sus formas de las cámaras y arterias seleccionando el cuerpo sólido de la cámara y de la arteria, clic derecho y presionar la función de 'combinar' después de lo cual se puede seleccionar el ajuste de restar. Combinan estas piezas. Guardar por separado todos los compartimientos y las arterias.
5. Importar el modelo de músculo de corazón. Compensar los bocetos base de seis cilindros a partir de un dibujo nuevo y seleccionando todos bocetos base cilindro manteniendo pulsada la tecla 'shift'. A continuación, seleccione la ' pestaña Dibujo > convertir el menú de entidades. Seleccione la ' pestaña Dibujo > menú de entidades para compensar los bocetos por 2 mm de offset.
   1. Extrusión y combinar estos bocetos haciendo clic en la ' ficha características > sacar el elemento de menú de boss y bajo el modelo de músculo de corazón; Repita para los cilindros de arqueamiento. Combinar estos cilindros con el modelo de músculo de corazón haciendo clic en la ' ficha características > sacar el elemento de menú de boss y bajo.
      Nota: Asegúrese de que el modelo de músculo de corazón enfrente de las aurículas es más de 2 mm de distancia (figura 1). De lo contrario se rompen la pared al retirar los moldes internos.
6. Un cubo de la base de los seis cilindros del modelo abajo colocando primero un plano de referencia haciendo clic en la ' ficha características > referencia geometría > plano '. Después de esto, haga clic en la ' pestaña Dibujo > Plaza ' del menú y dibujo un cuadrado con una longitud y anchura es 4 mm más ancha que la parte más ancha de la modelo de músculo de corazón.
   1. Esto saca hacia abajo con un espesor de 8 mm haciendo clic en la ' ficha características > extruir base jefe ' menú el tema y combinar este a la base de los seis cilindros marcando la opción de menú 'combinar piezas'. En las cuatro esquinas de la base, agregar cubos de 4 mm utilizando el mismo método.
7. Con la base cuadrada como un boceto, sacar para cubrir el modelo de todo corazón y restar todas las otras partes de este. Divide la parte superior del rectángulo sobrante en la parte más ancha del modelo corazón. Primer lugar un plano de referencia en la altura deseada usando la ' ficha características > referencia geometría > plano. Después de esto, utilice el elemento del menú ' Insertar > moldes > dividir ' para seleccionar la superficie sobre la cual la división tiene que tener lugar y el objeto que requiere partir.
   1. Dividir el rectángulo sobrante molde otra vez a lo más conveniente liberar posición utilizando el mismo método descrito en el paso 2.7 aún en posición vertical. Sketch tomas cúbicos de 4 mm en las esquinas de las piezas longitudinales del molde y agregar cubos de 4 mm en las esquinas de la tapa usando la ' pestaña Dibujo > Plaza ' y ' ficha características > extruir base jefe ' elementos del menú.
8. 50 círculos de 1 mm de diámetro que cubre la parte superior del modelo de todo molde externo del bosquejo y extrusión de corte a través de todos los moldes exteriores. Además, le saca varios cilindros de 1 mm en el lado de la tapa en los lugares más amplias del modelo de músculo de corazón. Cortar-Extruir un agujero de inyección solo 8 mm de la cubierta superior.
   1. Guarde por separado las cuatro partes del molde exterior.
      PRECAUCIÓN: En total, debe haber diez componentes del molde: base de molde, dos paneles laterales de molde externo, cubierta superior de un molde externo, dos aurículas molde interior con los accesorios de la válvula, dos ventrículos molde interior con los accesorios de la válvula y uno de cada interno aórtica y pulmonar arteria de molde con los accesorios de la válvula.
9. Usar una impresora que echa en chorro para la impresión con materiales fotopolímeros rígido y como caucho instalados
   (véase Tabla de materiales). Al colocar las piezas para la impresión en la cama de impresión, sean los negativos de válvula hacia impreso todos arriba (verticalmente) (figura 3).
   1. Seleccione las opciones de impresión a brillante. Para las cuatro cámaras como los accesorios del molde pulmonar y aórtica, seleccionar el material flexible de la S95; para las otras piezas del cuatro molde, seleccionar el material de impresión rígido.
10. Después de imprimir las piezas del molde, retirar el material de apoyo construido durante la impresión por chorro de agua (véase Tabla de materiales). Después de limpiar las piezas del molde, colocar las piezas en una solución de hidróxido de sodio 5% durante 24 h. Después de quitar las partes de la solución, enjuagar con agua fría y dejar secar durante 48 h antes de fundición.

3. frío de moldeo y acabado

1. Rocíe todas las superficies de todas las piezas del molde con un (véase Tabla de materiales), excepto las válvulas y limpie con papel de seda. Dejar secar durante 15 minutos.
   1. Cerca de la base del molde y dos paneles laterales y coloque encima de dos espaciadores, por lo que la base del molde no está en contacto directo con la superficie de la mesa. Preparar la silicona insertando un cartucho de silicona en el manual de suministro de armas (véase Tabla de materiales).
2. Añadir 5 mL de silicona exprimido de la pistola dispensadora en una taza de medir y mezclar con un palillo de dientes. Usando un palillo de dientes, aplique una cantidad abundante de silicona fundida en el lado negativo y positivo de las válvulas ventrículo y aurícula derecha. Asegúrese de que no hay burbujas de aire atrapadas en la silicona (figura 4).
   1. Conectar las dos cámaras en el ángulo derecho de la válvula y empuje en sus cilindros respectivos del molde base. Repita para el lado izquierdo. Finalmente, fije los cilindros de arco aórticos y pulmonares del mismo modo. Deje estas válvulas para solidificar por 2 min, luego coloque la parte superior del molde.
3. Instale un mezclador estático para el cartucho, presione hasta que la silicona es salir de la boquilla, luego libere la presión. Posición el molde entero en dos espaciadores (figura 5), introduzca la pistola en el zócalo de moldeo por inyección de 8 mm y apriete con la presión baja en el transcurso de 3 minutos hasta que todos los orificios de ventilación muestran signos de derrame de silicona.
   1. Dejar de inyectarse silicona en este punto, retirar la batidora y colocar el molde sobre la superficie de la mesa para que todos los respiraderos inferiores están sellados y no silicona más puede fluir desde el fondo del molde. Deje la silicona para solidificar por 30 minutos.
4. Abra la parte superior del molde curiosos y levantando a un espaciador metálico en la grieta entre la parte superior e inferior del molde. Quitar las partes laterales del molde utilizando el mismo método, eliminación de un lado a la vez.
   Nota: Asegúrese de no perforar la pared del corazón al insertar al espaciador.
   1. Detectar posibles burbujas de aire en el exterior del corazón después de soltar los tres componentes de molde externo (figura 6). Utilice un bisturí para pinchar la burbuja y rellenarlo con silicona pequeña cantidad usando un palillo de dientes y deje para curar durante otros 30 minutos.
5. Utilice aire comprimido (véase Tabla de materiales) para el modelo de centro de la base del molde dejando los seis moldes interiores en el modelo de corazón. Asegúrese de incluir firmemente el modelo de corazón con una mano para evitar que el aire rompiendo la pared del corazón.
   1. Utilizar una jeringa con agua para llenar y presurizar los ventrículos izquierdos y derecho para liberar los moldes internos. Después de esto utilizar un fórceps de Magill (véase Tabla de materiales) para agarrar y sacar estas partes internas del dos molde. Repita este proceso para las arterias pulmonares y aorta y por último para retirar los moldes internos de aurículas izquierda y derecha.
      Nota: Asegúrese de que la colocación de los fórceps no comprime el segmento de la válvula cuando se aplica presión de pinza; destruirá la válvula impresa.
6. Se unen los dos tubos que conduce directamente hacia abajo desde los ventrículos en la base del modelo corazón mediante ataduras y quitar acceso aire ventilación cuerdas por punteo en la superficie de la pared del corazón.

Resultados

Este estudio detalla un método para crear un modelo de corazón neonatal anatómicamente realista que combina la proyección de imagen de MRI, impresión 3D y moldeo a presión fría. El arteriosus del ductus como foramen oval permeable no se incluyeron en el modelo de corazón, presentado en este documento. El método descrito en este documento puede aplicarse también a otros órganos internos, como pulmones y caja torácica estructuras. Las estructuras de la caja torácica no requiere...

Discusión

El modelo desarrollado en este estudio, identificamos que moldeo a presión durante un período de 3 minutos es necesaria para prevenir el aire que entra en el molde (figura 5, figura 6). Para asegurarse de que la silicona llegue a los espacios estrechos de las válvulas, es esencial "la fundición" o "capa" de las áreas de la válvula en el molde. Puesto que los moldes interiores que forma las cámaras del corazón tienen que salir la silicona final del molde ...

Materiales

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.