신생아 환자 시뮬레이터에 사용 하기 위해 해부학 현실적인 신생아 심장 모델

요약

이 프로토콜에서는 자기 공명 영상, 3D 인쇄, 사출 성형의 조합을 이용 하 여 기능성 인공 신생아 심장 모델을 만들기 위한 절차를 설명 합니다. 이러한 모델의 목적은 생리 및 해 부 학적 연구에 대 한 다음 세대 신생아 환자 시뮬레이터 및 도구에 통합.

초록

신생아 환자 시뮬레이터 (NPS)는 의료 시뮬레이션 교육의 맥락에서 사용 하는 인공 환자 대리 모 알선. Neonatologists 및 간호 직원 연습 bradycardia 또는 심장 마비 환자 생존을 위해 가슴 압박 등 임상 개입. 현재 사용 하는 시뮬레이터 낮은 신체 충실도의 이며 따라서 가슴 압박의 절차에 대 한 질적 통찰력을 제공할 수 없습니다. 해부학 현실 심장 미래에 시뮬레이터 하면 가슴 압박; 하는 동안 생성 된 심장 출력의 감지 포함 이 출력 매개 변수, 혈 생성의 금액에 관하여 압박의 효과의 이해를 깊게 수 임상을 제공할 수 있습니다. 이 모니터링은 달성 될 수 있다, 전에 해부학 현실적인 심장 모델 만들어야 합니다 포함: 2 심 방, 2 심, 4 개의 심장 판 막, 폐 정 맥 및 동맥, 그리고 조직의 정 맥과 동맥. 이 프로토콜에서는 자기 공명 영상 (MRI), 3D 인쇄, 그리고 차가운 사출 성형의 형태로 주조의 조합을 사용 하 여 이러한 기능성 인공 신생아 심장 모델을 만들기 위한 절차를 설명 합니다. 이 메서드를 사용 하 여 유연한 3D 인쇄 내부 금형 사출 성형 과정에서에서와, 해부학 현실적인 심장 모델을 얻을 수 있습니다.

서문

매년 수백만 신생아는 신생아 집중 치료 단위 (NICU)을 인정 했다. NICUs에서 대부분 긴급 기도, 호흡, 순환 (ABC)에 문제에 관련 하 고 가슴 압박 등 개입 필요. NPS는 귀중 한 교육 및 훈련 도구 같은 개입을 연습을 제공 합니다. 일부 NPS 대 한 임베디드 센서 성능 권장된 임상 지침¹ 깊이 가슴 압박의 속도 대 한 충족 여부를 검색할 수 있습니다. 계산 하 고 성능, 계량 지침을 준수를 사용할 수 있으며 이와 관련, 같은 첨단 NPS 성능 평가 대 한 유형 및 백색 상자 통계로 볼 수 있습니다.

권장된 지침을 준수 환자 생리학을 향상을 목표로 합니다. 예를 들어 가슴 압박 순환 시스템에 충분 한 혈액의 흐름을 생성 하는 것을 목적으로 전달 됩니다. 현재 높은 충실도 NPS (예를 들어, PremieAnne (Laerdal, 스타 방 게르, 노르웨이)와 바울 (SIMCharacters, 비엔나, 오스트리아)), 그들은 부족 통합된 한 마음으로 훈련 기간 동안 혈 등 생리 적 매개 변수를 측정 하기 위해 어떤 센서를 포함 하지 않는 이 생리 적인 매개 변수를 생성 합니다. 현재 NPS에서 가슴 압박의 효능 수 따라서 없습니다 부과 생리 적 수준에서. 가슴 압박의 생리 적 평가 사용 하도록 NPS에 대 한 해부학 현실적인 인공 심장 NPS에 통합 될 수 있다. 또한, 연구² 실제 해부학 충실도 증가 NPS의 기능 충실도 증가 발생할 수 있습니다 보여 줍니다. 물리적으로 높은-충실도 기관 시스템 통합 훈련의 두 기능 충실도 유익 하 고 생리 적인 성능 평가 가능 하 게 것 이다.

3D 인쇄를 통해 NPS의 충실도에 상당한 증가 얻을 수 있습니다. 의학, 3D 이미징 및 인쇄는 대부분 수술 준비와 임 플 란 트^3,,45의 창조에 대 한 사용 됩니다. 예를 들어 수술 시뮬레이션 분야에서 장기 훈련 외과 수술⁶대 생산 됩니다. 3D 인쇄의 가능성을가지고 아직 되어 광범위 하 게 적용 되지 NPS에서. 3D 영상과 3D 인쇄 조합 물리적 충실도의 높은 수준에 도달 하기 위한 가능성을 엽니다. 정교한, 유연 하 고, 신생아 심장 같은 장기의 복제 기술과 3D 인쇄⁷사용 재료의 적-확대 범위 때문에 가능한 된다.

이 문서에서 우리는 기능, 인공 신생아 심장 MRI, 3D 인쇄, 그리고 차가운 사출 성형의 조합을 사용 하 여 만들기 위한 프로토콜 선발. 이 종이에 심장 모델 두 심 방, 2 심, 4 개의 기능 밸브, 그리고 폐와 조직의 동맥과 정 맥 모든 캐스팅 단일 실리콘에서 생산을 포함 되어 있습니다. 심장 모델은 액체 가득, 센서를 갖추고 고 출력 매개 변수 생성기 (즉, 혈압 또는 심장 출력 가슴 압박 및 밸브 기능)으로 사용 될 수 있습니다.

프로토콜

모든 기관 승인 환자 이미징 하기 전에 획득 했다.

1. 이미지 획득 및 세분화

1. 디지털 이미징 및 통신 의학 (DICOM) 형식에는 신생아의 흉부 MRI 스캔을 취득. 심장 주기의 심 실 심장 확장 단계에 스캔의 모든 슬라이스를 캡처 또는 부검에서 흉부 MRI를 얻을.
   참고: 심장 근육으로 심 방 및 심, 가시 명확한 정의 필수적 이다.
2. 프로세싱 소프트웨어를 사용 하 여 (참조 테이블의 재료) 가져오기 흉부 MRI의 DICOM 파일. ' 편집 마스크 ' 메뉴 항목을 사용 하는 마음은 존재 MRI 슬라이스 각에 심장 근육의 영역을 선택. 심 방 및 심,이 경우에 덮여 수 있습니다 또한.
3. 새로운 스케치 레이어를 만들고 별도로 심장 근육에 대 한 선택과 같은 방식으로 두 개의 심 방 및 2 개의 심 세그먼트. 심 방 및 심, 사이 심 동맥 사이의 밸브를 세그먼트 하지 마십시오.
4. 근육을 렌더링 및 챔버 '계산 3D' 메뉴를 사용 하 여 별도 3D 표현에 항목 ' STL +' 메뉴 항목을 사용 하 여 최적의 해상도 설정을 사용 하 여 5 스테레오 리소 그래피 (.stl) 파일로 내보냅니다.
5. CAD 소프트웨어에 the.stl 파일을 로드 ( 재료의 표참조). 수정 마법사 메뉴 항목을 사용 하 여 겹치는 삼각형 및 나쁜 가장자리에 대 한 the.stl 파일을 복구. The.stl 파일을 다시 저장 합니다.
   참고: 없는 심장 MRI를 사용할 수 있는 경우이 프로토콜에 사용 되는 심장 모델을 사용 하십시오. 이 파일에는 별도 심장 밸브 모델을 포함 되어 있습니다. 제발 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭합니다.

2. 처리 및 인쇄 형

1. 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어에 심 방 및 심 집합 로드 ( 재료의 표참조). 제발 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭합니다.
   1. 원래 MRI (그림 1)를 사용 하 여 대동맥, 폐, mitral, 그리고 tricuspid 벨 브의 위치를 결정 합니다.
2. (위의 링크를 통해 얻은) 밸브 파일 '부분 삽입' 기능을 활성화 하는 현재 파일에 드래그 하 여 각 밸브의 긍정적이 고 부정적인 형 반 심 방 및 심 로드 된 세트에 그들의 각각 위치에 추가 합니다. 심 방 또는 심의 화면 위치를 클릭 하 여 배치의 위치를 나타냅니다.
   1. 사용 하 여 양수 및 음수 밸브의 돌출 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 그들의 각각 약 실에 내 다 및 그들의 각각 약 실에 밸브 부품을 병합.
      참고: 승 모 판 tricuspid, 대동맥, 동안 두 semilunar 부분 이루어져 있고 폐 밸브 구성 3.
3. 2.2 단계에 설명 된 절차를 사용 하 여 그들의 각각 심 위치에 폐와 대동맥 밸브 파일을 추가 합니다. 이 밸브의 상단에서 클릭 하 여 5 mm 직경의 2 개의 아치 실린더 스케치는 ' 스케치 탭 > 원 ' 라인을 사용 하 여 아치를 스케치 따라는 ' 기능 탭 > 보스/베이스 청소 ' 두 원형 실린더 표면 수평 위치에 도달할 때까지. 그들의 각각 심 하 동맥 밸브 부품을 병합 합니다.
4. 각각 4 개의 챔버로 두 개의 아치형된 실린더의 기지에서 클릭 하 여 5 mm 직경의 수직 실린더 그리기는 ' 스케치 탭 > 원 ' 항목을 클릭 하 여 그들을 길이 40 m m 돌출는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 항목. 각 실린더는 그들의 각각 약 실에 내 다 보자.
   1. 챔버 형에서 6 내부 부품을 조립 하는 때 위치를 위해 차동 노치를 추가 6 실린더 (그림 2) 실린더 위에 반원을 스케치 하 여: 클릭는 ' 스케치 탭 > 원 스케치 ' 메뉴 항목을 사용 하는 ' 기능 탭 > 컷/밀어내기 '를 만드는 다른 깊이 들여쓰기 메뉴 항목.
      1. 챔버와 챔버의 견고한 바디를 선택 하 여 동맥을 동맥, 마우스 오른쪽 클릭 하 고 '결합' 기능을 빼기 설정을 선택할 수 있습니다 그들의 셰이프를 뺍니다. 이러한 부분을 병합 하지 마십시오. 모든 챔버와 동맥을 별도로 저장 합니다.
5. 심장 근육 모델을 가져옵니다. 새 스케치를 시작 하 고 'shift' 키를 눌러 모든 실린더 기본 스케치를 선택 하 여 6 기통 기본 스케치를 오프셋 합니다. 그런 다음 선택은 ' 스케치 탭 > 변환 엔티티 메뉴 항목. 선택은 ' 스케치 탭 > 오프셋 스케치 2 m m에 의해 오프셋 엔티티 메뉴 항목.
   1. 돌출 및 클릭 하 여 병합 하는이 스케치는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/베이스 ' 메뉴 항목 심장 근육 모델; 아치 실린더를 반복 합니다. 클릭 하 여 병합 하는 심장 근육 모델이 실린더는 ' 기능 탭 > 돌출 보스/베이스 ' 메뉴 항목.
      참고: 심장 근육의 모델을 반대는 심 방 거리 (그림 1)에서 2 mm 이상 확인 하십시오. 그렇지 않으면 벽 내부 금형을 제거 하는 때 파열 됩니다.
6. 첫 번째 클릭 하 여 참조 평면을 배치 하 여 아래로 6 개의 실린더의 기지에서 큐브 모델은 ' 기능 탭 > 형상을 참조 > 비행기 '. 이 후, 클릭는 ' 스케치 탭 > 광장 ' 메뉴 항목 및 스케치는 길이와 폭 4 m m 즉 심장 근육 모델의 넓은 부분 보다 넓은 광장.
   1. 클릭 하 여 8 m m의 두께와 이것을 아래쪽으로 돌출 된 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 메뉴 항목, 그리고 '부품 병합' 메뉴 항목을 표시 하는 6 실린더의 기지에 이것을 병합. 기지의 네 모퉁이에 동일한 메서드를 사용 하 여 4mm 큐브를 추가 합니다.
7. 광장 기지를 사용 하 여 스케치로, 전체 심장 모델을 커버 하 고이 모든 다른 부분을 빼기를 압출 성형. 심장 모델의 가장 넓은 부분에 남은 직사각형의 윗 부분을 분할. 먼저 사용 하 여 원하는 높이에 참조 평면 배치는 ' 기능 탭 > 형상을 참조 > 비행기. 이 후, 메뉴 항목 사용 하 여 ' 삽입 > 금형 > 분할 ' 통해 분할 자리 하 고 분할을 요구 하는 개체에서 서피스를 선택 하.
   1. 남은 직사각형 분할 다시 가장 편리한 몰드 릴리스 단계 수직 위치에서 아직 2.7에서에서 설명 하는 동일한 방법을 사용 하 여 위치. 금형의 경도 부품의 모서리에 4mm 큐빅 소켓을 스케치 하 고 사용 하 여 상단 덮개의 모서리에 4mm 큐브를 추가 ' 스케치 탭 > 광장 '과 ' 기능 탭 > 돌출 보스/자료 ' 메뉴 항목.
8. 전체 외부 형 모델의 상단을 덮고 하는 직경 1mm의 50 원을 스케치 하 고 모든 외부 금형을 통해 이러한 컷-돌출. 또한, 심장 근육 모델의 가장 넓은 위치에서 상단 덮개 측면에 여러 1mm 실린더를 압출 성형. 컷-압출 성형 상단 덮개에서 단일 8mm 주입 구멍.
   1. 모든 4 개의 외부 금형 부품을 별도로 저장 합니다.
      주의: 총, 이어야 한다 10 금형 구성 요소: 금형, 두 개의 외부 형 측면 패널, 하나의 외부 몰드 상단 덮개, 밸브 부착 2 내부 형 atria, 밸브 부착, 2 내부 형 심 및 각 대동맥 및 폐 동맥 내 중의 밸브 부착의 형 동맥
9. 인쇄에 대 한 처리 프린터를 사용 하 여 설치는 견고 하 고 고무 같은 photopolymer 재료로
   ( 재료의 표참조). 인쇄 침대에 인쇄에 대 한 부품을 배치할 때 확인 밸브 제외 모든 인쇄 된 위쪽으로 향하게 (세로) (그림 3).
   1. 광택 인쇄 설정을 선택 합니다. 폐와 대동맥 형 첨부 파일 뿐 아니라 4 개의 챔버에 대 한 선택 유연한 S95 소재; 다른 4 개의 금형 부품에 대 한 경직 된 인쇄 자료를 선택 합니다.
10. 금형 부품, 인쇄 후 인쇄 중 워터 건설 지원 재료를 제거 ( 재료의 표참조). 금형 부품 청소 후 24 h에 대 한 5% 수산화 나트륨 용액에 부품을 놓습니다. 그들을 씻어 솔루션에서 부품을 제거한 후 주조 하기 전에 48 h 동안 건조를 떠나과 냉 수를 사용 하 여.

3. 차가운 사출 성형 및 마무리

1. 릴리즈 에이전트 모든 금형 부품의 모든 표면 스프레이 ( 재료의 표참조), 밸브, 그리고 깨끗 한 티슈로 닦아 제외 하 고. 15 분 동안 건조를 남겨 주세요.
   1. 형과 두 측면 패널의 닫고 금형의 테이블 표면과 직접 접촉 하지 그래서 두 스페이서, 위에 배치 합니다. 설명서에는 실리콘 카트리지를 삽입 하 여 실리콘을 준비 ( 재료의 표참조) 총 분배.
2. 측정 컵과 이쑤시개를 사용 하 여 혼합 분사 총에서 압착 하는 실리콘의 5 mL를 추가 합니다. 이쑤시개를 사용 하 여 오른쪽 심 방 및 심 실 밸브의 부정적이 고 긍정적인 측면에 녹은 실리콘의 관대 한 금액을 적용. 실리콘 (그림 4)에 갇힌 공기 거품 없는 다는 것을 확인 하십시오.
   1. 밸브를 오른쪽 각도에서 두 개의 챔버를 연결 하 고 기본 형의 그들의 각각 실린더에 그들을 밀어. 왼쪽된 측면에 대 한이 반복 합니다. 마지막으로, 마찬가지로 폐 동맥 그리고 대동맥 아치 실린더를 연결 합니다. 이러한 밸브를 2 분 동안 응고를 두고 금형의 상단 부분을 연결 합니다.
3. 카트리지를 정적 믹서를 연결, 실리콘 노즐, 종료 때까지 집어넣은 다음 압력을 놓습니다. 위치 두 스페이서 (그림 5)에 전체 금형 총에 삽입 8 m m 사출 성형 소켓, 그리고 낮은 압력으로 짜 내 3 분에 걸쳐 모든 공기 통풍구 실리콘 과잉의 흔적을 보여줄 때까지.
   1. 이 시점에서 실리콘 주입을 중지 하 고 제거 믹서, 모든 하단 환기구는 봉인 하 고 아니 더 많은 실리콘 몰드의 바닥에서 흐를 수 있도록 테이블 표면에 형을 배치. 30 분을 강화 하기 위해 실리콘을 둡니다.
4. 캐 고 금형의 상단 및 하단 부분 사이 균열에 금속 스페이서를 해제 하 여 금형의 상단 부분을 엽니다. 한 번에 한쪽을 제거 하는 동일한 방법을 사용 하 여 금형의 측면 부분을 제거 합니다.
   참고: 공백 요소를 삽입할 때 심장 벽을 펑크를 하지 있는지 확인 합니다.
   1. 3 외부 몰드 컴포넌트 (그림 6) 발표 후 심장 외부에서 모든 기포를 감지 합니다. 메스를 사용 하 여 거품을 통과 하는 이쑤시개를 사용 하 여 작은 양의 실리콘으로 작성 후 또 다른 30 분 치료를 떠나.
5. 압축 공기를 사용 하 여 ( 재료의 표참조) 심장 모델에서 6 내부 금형을 떠나는 형의 기지에서 심장 모델을 날 려. 단단히 묶습니다 공기 심장 벽 파열을 방지 하기 위해 한 손으로 심장 모델에 있는지 확인 합니다.
   1. 물으로 주사기를 사용 하 여 작성 하 고 왼쪽 및 오른쪽 심 내부 금형 출시 기 압. 이 후를 잡아이 내부 두 금형 부품을 꺼내 Magill 겸 자 ( 재료의 표참조)를 사용 합니다. 폐와 대동맥 동맥이 과정을 반복 하 고 마지막으로 왼쪽 및 오른쪽 심 방 내 면 금형을 제거 하기 위한.
      참고: 확인은 집게의 위치는 압축 하지 밸브 세그먼트 때 클램프 압력이 적용 됩니다; 그것은 인쇄 된 밸브를 파괴할 것 이다.
6. 타이 랩을 사용 하 여 심장 모델의 기지에서 심에서 아래쪽으로 직접 이어지는 두 개의 튜브를 바인딩할 하 고 심장 벽 표면에 그들을 가져와서 여 액세스 공기 환기 문자열을 제거 합니다.

결과

이 연구는 MRI 이미징, 3D 인쇄, 및 차가운 사출 성형 결합 해부학 현실적인 신생아 심장 모델을 만드는 방법을 자세히 설명 합니다. 이 문서에 소개 된 심장 모델에는 ductus arteriosus로 구멍 ovale 포함 되지 않았다. 이 문서에서 설명 하는 방법은 폐, 그리고 흉 곽 구조 같은 다른 내부 장기에도 적용할 수 있습니다. 빗 구조 없는 금형을 요구 하 고 유연한 재료를 사용 하 여 직?...

토론

이 연구에서 개발 된 모델에 대 한 우리는 3 분 동안 성형 사출 캐스트 (그림 5, 그림 6)을 입력 하는 공기를 방지 하는 데 필요한 식별. 실리콘 밸브의 좁은 공간에 도달 하면 되도록 "사전 캐스팅" 또는 "코팅" 금형에서 밸브 분야의 필수적 이다. 내부 형 심장 챔버를 형성 해야 하므로 5mm 구멍을 통해 캐스팅 최종 실리콘 종료, 금형에 대 한 다중 소재 3D ?...

자료

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.