Modelo de coração Neonatal anatomicamente realista para uso em simuladores de paciente Neonatal

Resumo

Este protocolo descreve um procedimento para a criação de modelos de coração neonatal artificial funcional, utilizando uma combinação de imagens de ressonância magnética, impressão em 3D e moldagem por injeção. O objetivo desses modelos é para integração com a próxima geração de simuladores de paciente Neonatais e como uma ferramenta para estudos fisiológicos e anatômicos.

Resumo

Simuladores de paciente neonatais (NPS) são substitutos de paciente artificiais utilizados no contexto da formação de simulação médica. Neonatologistas e equipe de enfermagem pratica intervenções clínicas tais como compressões torácicas para garantir a sobrevida do paciente em caso de bradicardia ou parada cardíaca. Os simuladores utilizados atualmente são de baixa fidelidade física e, portanto, não podem fornecer uma visão qualitativa para o procedimento de compressões torácicas. A incorporação de um modelo de coração anatomicamente realista futuramente simuladores permite a detecção de débito cardíaco gerado durante as compressões torácicas; Isto pode fornecer os clínicos com um parâmetro de saída, que pode aprofundar o entendimento do efeito das compressões em relação ao montante do fluxo de sangue gerado. Antes esta monitorização pode ser alcançado, um modelo de coração anatomicamente realista deve ser criado contendo: dois átrios, dois ventrículos, quatro válvulas, veias pulmonares e artérias e sistêmicas veias e artérias. Este protocolo descreve o procedimento para criar um modelo funcional coração artificial de neonatal, utilizando uma combinação de imagens de ressonância magnética (MRI), impressão 3D e fundição sob a forma de moldagem por injeção de frio. Usando este método com moldes flexíveis de interiores 3D impressos na processo de moldagem por injeção, um modelo de coração anatomicamente realista pode ser obtida.

Introdução

Todos os anos milhões de recém-nascidos são admitidos para unidades de cuidados intensivos neonatais (UCIN). Em NICUs, a maioria das emergências se relacionam com problemas na via aérea, respiração e circulação (ABC) em requerem intervenções como as compressões torácicas. NPS para oferecer um ensino valioso e ferramenta de treinamento para a prática de tais intervenções. Para alguns NPS, sensores incorporados podem detectar se o desempenho atende as diretrizes clínicas recomendadas¹ a profundidade e a velocidade das compressões torácicas. A aderência às diretrizes pode ser usada para calcular e quantificar o desempenho, e a este respeito, tal estado da arte NPS pode ser visto como uma métrica de caixa branca e tangível para avaliar o desempenho.

Aderência às orientações recomendadas visa melhorar a fisiologia do paciente. Por exemplo, as compressões torácicas são entregues com o objectivo de gerar fluxo sanguíneo adequado no sistema circulatório. Corrente alta fidelidade (por exemplo, PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Noruega) e Paul (SIMCharacters, Viena, Áustria)), o NPS não contêm qualquer sensores para medir parâmetros fisiológicos, tais como o fluxo de sangue durante o treinamento, como lhes falta um coração integrado para gere este parâmetro fisiológico. Eficácia das compressões torácicas no NPS atual, portanto, não pode ser avaliada em um nível fisiológico. Para NPS permitir a avaliação fisiológica das compressões torácicas, um coração artificial anatomicamente realista deve ser integrado para o NPS. Além disso, a pesquisa² mostra que um aumento na fidelidade anatômica física pode levar a um aumento da fidelidade funcional do NPS. Integrar um sistema de alta fidelidade fisicamente órgão iria beneficiar tanto a fidelidade funcional do treinamento e permitir a avaliação de desempenho fisiológico.

Um aumento substancial na fidelidade do NPS pode ser alcançado através de impressão 3D. Na medicina, impressão e imagem em 3D são utilizados principalmente para a preparação cirúrgica e criação de implantes^3,4,5. Por exemplo, no campo da simulação cirúrgica, os órgãos são produzidos para treinar cirurgiões sobre a realização de procedimentos cirúrgicos⁶. As possibilidades de impressão 3D não tenham ainda sido extensivamente aplicadas no NPS. A combinação de imagem em 3D e 3D impressão abre a possibilidade para NPS alcançar um maior nível de fidelidade física. A replicação de sofisticado, flexíveis e Neonatais de órgãos como o coração torna-se possível devido à gama de nunca-ampliação de técnicas e materiais utilizados para impressão 3D⁷.

Neste trabalho, detalhamos um protocolo para a criação de um coração neonatal funcional, artificial, usando uma combinação de MRI, impressão em 3D e moldagem por injeção de frio. O modelo de coração neste trabalho inclui dois átrios, dois ventrículos, quatro válvulas funcionais e veias todos produzidas a partir de um único silicone elenco e artérias pulmonares e sistêmicas. O modelo de coração pode ser cheio com um líquido, equipado com sensores e usado como gerador de parâmetro de saída (isto é, pressão arterial ou débito cardíaco durante as compressões torácicas e funcionalidade de válvula).

Protocolo

Todas as aprovações institucionais foram obtidas antes da imagem do paciente.

1. aquisição e segmentação de imagens

1. Adquira uma varredura de MRI torácica de um recém-nascido na Digital Imaging and Communications, em formato de medicina (DICOM). Capture cada fatia da varredura na fase diastólica do ciclo cardíaco ventricular ou obter um MRI torácico de uma autópsia.
   Nota: Uma visivelmente clara definição do músculo cardíaco, bem como átrios e ventrículos, é essencial.
2. Usando o software de processamento de importação (ver Tabela de materiais) o arquivo DICOM da RM da torácica. Usando o item de menu 'Editar máscaras', selecione a área do músculo do coração em cada fatia de MRI onde o coração está presente. Os átrios e os ventrículos, neste caso, podem ser cobertos também.
3. Crie uma nova camada de esboço e segmento separadamente os dois átrios e dois ventrículos da mesma forma como a seleção para o músculo cardíaco. Não segmente as válvulas presentes entre os átrios e os ventrículos e entre os ventrículos e as artérias.
4. Processar o músculo e câmaras em separado representações 3D usando o menu 'Calculate 3D' item e exportação-los como cinco arquivos STereoLithography (. STL) usando as configurações de resolução ideal usando o item de menu 'STL +'.
5. Carregar arquivos de the.stl para o software de CAD (ver Tabela de materiais). Use o item de menu assistente fix para reparar arquivos de the.stl para triângulos sobrepostos e bordas ruins. Salve arquivos de the.stl novamente.
   Nota: Se não há coração MRI está disponível, considere usando o modelo de coração usado no presente protocolo. Esse arquivo também contém modelos de válvula de coração separado. Por favor clique aqui para baixar os arquivos.

2. processamento e impressão do molde

1. Carregar o conjunto de átrios e os ventrículos em um software de desenho assistido por computador (consulte a Tabela de materiais). Por favor clique aqui para baixar os arquivos.
   1. Determine a posição das válvulas aórtica, pulmonares, mitral e tricúspide usar o RM original (Figura 1).
2. Adicione as metades do molde positivo e negativo de cada válvula para sua respectiva posição no conjunto carregado de átrios e os ventrículos, arrastar o arquivo de válvula (obtido através do link acima) para o arquivo atual, ativando a função 'Inserir parte'. Indica a posição de colocação clicando o local da superfície dos átrios ou ventrículos.
   1. EXTRUDE a base da válvula positiva e negativa usando ' guia Recursos > extrude boss/base ' se projetam em suas respectivas câmaras e mesclar as peças da válvula à sua respectiva câmara.
      Nota: A válvula mitral consiste de duas partes do semilunar, enquanto a tricúspide, aorta, e as válvulas pulmonares consistem em três.
3. Adicione o arquivo de válvula aórtica e pulmonar no local respectivo ventrículo usando o procedimento descrito no passo 2.2. Do topo destas válvulas, esboçar dois cilindros arqueamento de 5mm de diâmetro, clicando o ' guia de desenho > círculo ' seguir um traçado arqueado linha usando o ' guia Recursos > varrer chefe/base ' até que ambas as superfícies circulares cilindro atingir a posição horizontal. Mescle as peças da válvula para seus respectivos ventrículos e artérias.
4. Da base de cada uma das quatro câmaras, bem como os dois cilindros arqueados, desenhar cilindros verticais de 5mm de diâmetro, clicando o ' guia de croqui > círculo ' item e extrude-los a 40 mm de comprimento, clicando o ' guia Recursos > extrude boss/base ' item. Deixe cada cilindro projetam-se para sua respectiva câmara.
   1. Para garantir que as câmaras de posicionamento ao montar as seis partes internas no molde, adicionar entalhes diferenciais aos seis cilindros (Figura 2), por esboçar semicírculos em cima dos cilindros: clique o ' guia de croqui > esboçar o círculo ' item de menu e uso o ' Guia de recurso > corte/extrude ' item de menu para criar marcas de profundidade diferente.
      1. Subtrai as formas das câmaras e artérias selecionando o corpo sólido da câmara e artéria, botão direito do mouse e pressionando a função 'combinam', após o qual a configuração de subtrair pode ser selecionada. Não mescle essas peças. Salve todas as câmaras e artérias separadamente.
5. Importe o modelo do músculo do coração. Compensar os esboços de base do seis-cilindro começando um novo desenho e selecionando todos os esboços de base do cilindro, mantendo pressionada a tecla 'shift'. Em seguida, selecione o ' guia de croqui > converter o item de menu das entidades. Selecione o ' guia de croqui > compensar o item de menu das entidades para compensar os esboços de 2 mm.
   1. EXTRUDE e mesclar esses esboços clicando o ' guia Recursos > extrude o item de menu chefe/bass com o modelo de músculo do coração; Repita para os cilindros de arqueamento. Mesclar estes cilindros com o modelo do músculo do coração, clicando no ' guia Recursos > extrude o item de menu do chefe/bass.
      Nota: Certifique-se que o modelo de músculo de coração em frente dos átrios é mais de 2 mm de distância (Figura 1). Caso contrário, a parede se romper ao remover os moldes internos.
6. Modelo de um cubo da base dos seis cilindros para baixo colocando primeiro um plano de referência clicando o ' guia Recursos > geometria de referência > avião '. Após isso, clique o ' guia de croqui > Praça ' sketch um quadrado com comprimento e largura é de 4 mm mais largo que a parte mais larga do modelo de músculo de coração e o item de menu.
   1. EXTRUDE com isto para baixo, com uma espessura de 8 mm, clicando o ' guia Recursos > extrude boss/base ' menu de item e mesclar isso à base dos seis cilindros marcando o item de menu 'unir partes'. Nos quatro cantos da base, adicione cubos de 4 mm, usando o mesmo método.
7. Usando a base quadrada como um esboço, extrude para cobrir o modelo de todo o coração e subtrair todas as outras partes deste. Dividi a parte superior do retângulo de sobra na parte mais larga do modelo coração. Primeiro lugar um plano de referência para a altura desejada usando o ' guia Recursos > geometria de referência > avião. Depois disso, use o item de menu ' Inserir > moldes > dividir ' para selecionar a superfície sobre a qual a divisão tem que tomar lugar e objeto, exigindo a separação.
   1. Dividir o retângulo restante molde novamente no máximo conveniente liberar posição usando o mesmo método descrito na etapa 2.7 ainda na posição vertical. Esboço cúbicos soquetes de 4 mm nos cantos das partes longitudinais do molde e adicione cubos de 4 mm para os cantos da tampa superior, usando o ' guia de croqui > Praça ' e ' guia Recursos > extrude boss/base ' itens de menu.
8. Esboço 50 círculos de 1 mm de diâmetro, cobrindo o modelo topo de molde exterior inteiro e corte-extrude estas através de todos os moldes de exteriores. Além disso, extrude vários cilindros de 1 mm na lateral da tampa superior nos locais mais ampla do modelo de músculo de coração. Corte-extrude um buraco de injeção única de 8 mm de cobertura superior.
   1. Salve todas as partes do molde exterior quatro separadamente.
      Atenção: No total, deve haver dez componentes do molde: a base do molde, dois painéis laterais de molde exterior, tampa superior de um molde exterior, dois átrios de molde interno com anexos de válvula, dois ventrículos molde interno com anexos de válvula e de cada interno aórtico e pulmonar artéria de molde com os acessórios da válvula.
9. Usar uma impressora jorrando para impressão com fotopolímero rígida e de borracha, como materiais instalados
   (ver Tabela de materiais). Ao colocar as peças para impressão na cama impressão, certifique-se dos negativos de válvula são todos impresso voltado para cima (verticalmente) (Figura 3).
   1. Selecione as configurações de impressão para lustroso. Para as quatro câmaras, bem como os anexos de molde aórtica e pulmonar, selecione o material S95 flexível; para as outras partes do 4 molde, selecione o material de impressão rígido.
10. Depois de imprimir as peças do molde, retire o material de apoio, construído durante a impressão por jacto de água (ver Tabela de materiais). Depois de limpar as peças do molde, coloque as peças em uma solução de hidróxido de sódio 5% por 24 h. Depois de remover as partes da solução, enxaguá-los usando água fria e deixe secar por 48 h antes da fundição.

3. acabamento e moldagem por injeção frio

1. Pulverizar as superfícies de todas as partes do molde com um agente de liberação (consulte Tabela de materiais), exceto as válvulas e limpeza limpar com lenços de papel. Deixe para secar durante 15 min.
   1. Feche a base do molde e dois painéis laterais e coloque em cima de dois espaçadores, então a base do molde não está em contato direto com a superfície da mesa. Prepare o silicone através da inserção de um cartucho de silicone o manual dispensação arma (ver Tabela de materiais).
2. Adicione 5 mL de silicone espremido da pistola aplicadora em um copo de medição e mistura usando um palito de dente. Usando um palito de dente, aplique uma quantidade generosa de silicone derretido para o lado negativo e positivo dos átrios direito e válvulas de ventrículo. Certifique-se que há nenhuma bolha de ar aprisionada no silicone (Figura 4).
   1. Conectar as duas câmaras no ângulo direito da válvula e empurrá-los para seus respectivos cilindros do molde base. Repita isto para o lado esquerdo. Finalmente, anexe os cilindros em arco aórtico e pulmonares da mesma forma. Deixe estas válvulas para solidificar por 2 min, em seguida, anexar a parte superior do molde.
3. Anexar um misturador estático para o cartucho, aperte até que o silicone está saindo do bocal e, em seguida, liberar a pressão. Posição do molde inteiro em dois espaçadores (Figura 5), insira a arma o soquete de moldagem por injeção de 8 mm e aperto com baixa pressão ao longo de 3 min até que todas as saídas de ar mostram sinais de estouro do silicone.
   1. Parar de injetar o silicone neste ponto, retire a batedeira e coloque o molde sobre a superfície da mesa para que todos os respiradouros de ar inferior são selados, e não mais silicone pode fluir do fundo do molde. Deixe o silicone para solidificar durante 30 min.
4. Abra a parte superior do molde curiosos e levantando um espaçador metálico na fenda entre a parte superior e inferior do molde. Remova as partes laterais do molde usando o mesmo método, removendo um lado de cada vez.
   Nota: Certifique-se não perfurar a parede do coração, ao inserir o espaçador.
   1. Detecta quaisquer bolhas de ar para o exterior do coração depois de lançar os três componentes do molde exterior (Figura 6). Usar um bisturi para furar a bolha e preenchê-lo com um silicone de pequena quantidade, usando um palito de dente e, em seguida, deixar curar por mais 30 minutos.
5. Use ar comprimido (consulte a Tabela de materiais) para explodir o coração modelo fora da base do molde deixando os seis moldes internos no modelo de coração. Certifique-se de incluir firmemente o modelo de coração com uma das mãos para evitar a ruptura da parede do coração de ar.
   1. Use uma seringa com água para encher e Pressurizar os ventrículos direito e esquerdos para liberar os moldes internos. Depois disso use uma pinça de Magill (ver Tabela de materiais) para agarrar e retirar essas partes internas do dois molde. Repita este processo para as artérias pulmonares e aórtica e, finalmente, para remover os moldes interna átrios esquerdo e direito.
      Nota: Certifique-se que o posicionamento da pinça não comprimir o segmento de válvula, quando a pressão da braçadeira é aplicado; irá destruir a válvula impressa.
6. Ligar os dois tubos levando diretamente para baixo dos ventrículos na base do modelo coração usando gravata envoltórios e remover acesso ar vent cordas por depena-los na superfície da parede do coração.

Resultados

Este estudo detalha um método para criar um modelo de coração neonatal anatomicamente realista, combinando imagens de MRI, impressão em 3D e moldagem por injeção de frio. A persistência do canal arterial, bem como o forame oval não foram incluída no modelo coração apresentado neste trabalho. O método descrito neste artigo também pode ser aplicado a outros órgãos internos, como pulmões e estruturas da caixa torácica. Estruturas da caixa torácica exigem sem moldes e podem ...

Discussão

Para o modelo desenvolvido neste estudo, identificamos que injetora durante um período de 3-min é necessário para evitar que o ar entrar no elenco (Figura 5, Figura 6). Para garantir que o silicone atinge os espaços estreitos das válvulas, "pre-casting" ou "revestimento" das áreas da válvula no molde é essencial. Desde que os moldes internos moldar as câmaras do coração tem que sair o silicone final conversão através de aberturas de 5 mm, impressão...

Materiais

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.