Анатомически реалистичные неонатальной сердце модель для использования в неонатальной пациента тренажеры

Резюме

Этот протокол описывает процедуру для создания функциональных искусственного сердца новорожденных модели, используя сочетание магнитно-резонансной томографии, 3D печать и для литья под давлением. Эти модели предназначен для интеграции в следующее поколение неонатальной пациента тренажеров и в качестве инструмента для физиологические и анатомические исследования.

Аннотация

Новорожденных пациента тренажеры (NPS) являются искусственные пациента суррогаты, используемых в контексте подготовки медицинского моделирования. Неонатологов и медсестер практики клинических вмешательств, подобных компрессии грудной клетки для обеспечения выживания пациента в случае брадикардии или инфаркт миокарда. Тренажеры, используемые в настоящее время являются низкой физической верности и поэтому не может обеспечить качественное понимание процедуры компрессии грудной клетки. Встраивание анатомически реалистичные сердце модель в будущем тренажеры позволяет обнаружение сердечного выброса, образующихся при компрессии грудной клетки; Это может обеспечить клиницистов с выходной параметр, который может углубить понимание влияния компрессий по отношению к количество крови поток создается. Прежде чем этот контроль может быть достигнуто, анатомически реалистичные сердце модель должна создаваться содержащий: два предсердия, два желудочка, четыре сердечных клапанов, легочных вен и артерий и системных вен и артерий. Этот протокол описывает порядок создания такой модели функционального искусственного сердца у новорожденных, используя сочетание магнитно-резонансная томография (МРТ), 3D печати и отливки в виде холодного литья. С помощью этого метода с гибким 3D печатной внутренней формы в процесса литья, модель анатомически реалистичные сердца могут быть получены.

Введение

Каждый год миллионы новорожденных допускаются к реанимации новорожденных (ОИТН). В неонатологическом большинство ситуаций относятся к проблемам в дыхательные пути, дыхания и кровообращения (ABC) и требуют вмешательства таких компрессии грудной клетки. NPS предлагают ценные обучения и учебным пособием на практике такого вмешательства. Для некоторых NPS встроенных датчиков может определить, удовлетворяет ли производительность клинические рекомендации¹ для глубины и скорости компрессии грудной клетки. Присоединение к руководящим принципам может использоваться для расчета и количественной оценки производительности, и в этой связи такие современные NPS можно рассматривать как материального и белый ящик метрики для оценки производительности.

Соблюдение рекомендаций направлен на улучшение пациента физиологии. К примеру компрессии грудной клетки поставляются с целью получения адекватного кровотока в системе кровообращения. Текущий высокой верности NPS (например, PremieAnne (Laerdal, Ставангер, Норвегия) и пол (SIMCharacters, Вена, Австрия)), не содержат любые датчики для измерения физиологических параметров, таких как поток крови во время обучения, как они отсутствие комплексной сердца для генерировать этот физиологических параметров. Поэтому эффективность компрессии грудной клетки в текущей сети не может быть оценена на физиологическом уровне. Для NPS для включения физиологическая Оценка компрессии грудной клетки анатомически реалистичные искусственное сердце должно быть интегрированы в NPS. Кроме того исследования² показывает, что увеличение физической анатомические верности может привести к увеличению функциональных верности ЯИЭ. Интеграция физически высококачественный орган системы пойдет на пользу функциональных верность профессиональной подготовки и оценки физиологической производительности.

Существенное увеличение точности NPS может достигаться путем 3D печати. В медицине 3D изображений и печати главным образом используются для хирургической подготовки и создание имплантатов^3,4,5. Например в области хирургической моделирования, органов производятся обучить хирургов на выполнении хирургических процедур⁶. Возможности 3D печати не пока применялись широко в NPS. Сочетание 3D визуализации и 3D печать открывает возможность для NPS для достижения более высокого уровня физического верности. Репликация сложные, гибкие, неонатальной органы как сердце становится возможным благодаря постоянно расширяет спектр методов и материалов, используемых для 3D печати⁷.

В этой статье мы подробно протокол для создания функциональной, искусственные неонатальной сердца, используя комбинацию МРТ, 3D печать и холодного литья. Сердце модель в этой статье включает в себя два предсердия, два желудочка, четыре функциональных клапанов и легочной и системной артерий и вен все из одного силиконовые бросили. Сердце модель может заполненные жидкостью, оснащены датчиками и используется в качестве выходного параметра генератор (например, кровяное давление или сердечного выброса при компрессии грудной клетки и клапан функциональность).

протокол

Все организационные разрешения были получены до пациента изображений.

1. приобретение и сегментации изображений

1. Приобрести грудной МРТ новорожденных в Digital Imaging и коммуникации в медицине (DICOM) формате. Захватить каждый ломтик сканирования в желудочковой диастолического стадии цикла сердца или получить от вскрытия грудной МРТ.
   Примечание: Заметно четкое определение сердечной мышцы, а также предсердий и желудочков, имеет важное значение.
2. С помощью программного обеспечения для обработки (см. Таблицу материалы) импорт файла DICOM грудной МРТ. С помощью пункта меню «Редактирование маски», выберите область сердечной мышцы на каждый ломтик МРТ, где присутствует сердце. Предсердий и желудочков, в данном случае, могут быть покрыты также.
3. Создайте новый слой эскиз и отдельно сегмент двух предсердий и двух желудочков таким же образом как выбор для сердечной мышцы. Не сегмент клапаны между предсердий и желудочков, так и между желудочков и артерий.
4. Сделать мышцы и камеры в 3D представления с помощью «Calculate 3D» меню пункт и экспортировать их в виде пяти стереолитографии (.stl) файлы, используя параметры оптимального разрешения с помощью пункта меню «STL +».
5. Загрузить файлы the.stl в CAD программное обеспечение (см. Таблицу материалы). Используйте элемент меню мастера исправления для восстановления файлов the.stl для перекрывающихся треугольников и плохих краев. Сохраните the.stl файлы снова.
   Примечание: Если не сердце МРТ, рассмотрите возможность использования сердце модели, используемые в настоящем Протоколе. Этот файл также содержит отдельные сердца клапан модели. Пожалуйста, нажмите здесь для загрузки файлов.

2. обработка и плесень печать

1. Загрузить набор предсердий и желудочков в программное обеспечение автоматизированного проектирования (см. Таблицу материалы). Пожалуйста, нажмите здесь для загрузки файлов.
   1. Определите положение аорты, легочной, митрального и трикуспидального клапанов, с использованием оригинальных МРТ (рис. 1).
2. Добавьте половинки положительные и отрицательные формы каждого клапана их соответствующие позиции в наборе загруженного предсердий и желудочков, перетащив файл клапан (полученные через ссылку выше) в текущий файл, активизируя функцию «вставить часть». Укажите положение размещения, нажав расположение поверхности предсердий или желудочков.
   1. Выдавливание базы с помощью положительной и отрицательной клапан ' вкладка функции > вытянуть босс/база ' выступают в их соответствующих палат и объединить части клапана к их соответствующей палаты.
      Примечание: Митрального клапана состоит из двух полулунных частей, в то время как трехстворчатого аортального, и легочного клапанов состоят из трех.
3. Добавьте файл легочный и аортальный клапан в их соответствующих желудочка местоположение с помощью процедуры, описанной в шаге 2.2. От верхней части этих клапанов, эскиз две выгибая Цилиндры диаметром 5 мм, нажав ' эскиз вкладки > круг ' следуя набросал изогнутая линия с помощью ' вкладка функции > развертки босс/база ' до тех пор, пока обе поверхности кругового цилиндра достичь горизонтальное положение. Объединение частей арматуры для их соответствующих желудочков и артерий.
4. От основания каждого из четырех камер, а также два арочных цилиндров, рисовать вертикальные цилиндры диаметром 5 мм, нажав ' эскиз вкладки > круг ' пункт и выдавливание их до 40 мм в длину, нажав ' вкладка функции > вытянуть босс/base ' пункт. Пусть каждый баллон выступают в их соответствующей палаты.
   1. Для обеспечения камеры позиционирования при монтаже шесть внутренних частей в плесени, добавить дифференциального вырезами в шести цилиндров (рис. 2) зарисовками полукругов верхней части цилиндра: нажмите ' эскиз вкладка > Эскиз круг ' пункт меню и использование ' Вкладка Функции > Вырезать/выдавливания ' пункт меню, чтобы создать различные глубины выемки.
      1. Вычитание их фигуры из камер и артерии, выбрав твердого тела камеры и артерии, щелкнув правой кнопкой мыши и нажать «комбинат» функция, после чего может быть выбран параметр вычитания. Не слияние этих частей. Сохраните все камеры и артерий отдельно.
5. Импортируйте модель мышцы сердца. Смещение базы эскизы 6 цилиндровый, начиная новый эскиз и выбрав все цилиндра базовый эскизы, удерживая нажатой клавишу «shift». Затем, выберите ' эскиз вкладка > преобразовать пункт меню образований. Выберите ' эскиз вкладка > смещение образований пункт меню, чтобы компенсировать эскизы на 2 мм.
   1. Выдавливание и объединить эти эскизы, нажав ' вкладка функции > вытянуть босс/бас пункт меню с моделью мышцы сердца; Повторите для выгибая цилиндров. Объединить эти цилиндры с моделью мышцы сердца, нажав ' вкладка функции > вытянуть босс/бас пункт меню.
      Примечание: Убедитесь, что модель мышцы сердца напротив предсердий является более 2 мм на расстоянии (рис. 1). В противном случае стена будет разрыв при удалении внутренней формы.
6. Модели куба из базы шести цилиндров вниз размещая первый плоскости отсчета, нажав кнопку ' вкладка функции > ссылка геометрия > плоскости '. После этого, нажмите кнопку ' эскиз вкладки > Площадь ' пункт меню и эскиз квадрат с длиной и шириной это 4 мм шире, чем в самой широкой части модели мышцы сердца.
   1. Выдавливание это вниз с толщиной 8 мм, нажав ' вкладка функции > вытянуть босс/base ' меню пункт и объединить это на базе шести цилиндров, маркировка пункта меню «слияния частей». На этих четырех углах базы добавьте кубики 4 мм, используя тот же метод.
7. Использование квадратных базы как эскиз, выдавить его для покрытия всего сердца модель и вычесть все остальные части от этого. Раскол в верхней части оставшихся прямоугольника в самой широкой части сердца модели. Первое место плоскости отсчета на нужную высоту с помощью ' вкладка функции > ссылка геометрия > плоскости. После этого, используйте пункт меню «Вставить > формы > Сплит ' для выбора поверхности, над которым раскол должен занять место и объект, требующий расщепления.
   1. Разделение оставшихся прямоугольник снова в наиболее удобной формы выпуска позицию, используя тот же метод, описанный в шаге 2.7 еще в вертикальном положении. Эскиз 4 мм кубических розетки в углах продольных частей формы и добавить 4 мм кубики в углах верхней крышки с помощью ' эскиз вкладки > Площадь ' и ' вкладка функции > вытянуть босс/base ' пункты меню.
8. Эскиз 50 кругов 1 мм в диаметре, покрытие верхней части модели всей внешней плесени и вырезать выдавливание их через все внешние формы. Кроме того выдавить несколько цилиндров 1 мм на стороне верхней крышки в широком местах модели мышцы сердца. Вырезать выдавить отверстие инъекции один 8 мм от верхней крышки.
   1. Сохраните все четыре части внешней формы отдельно.
      Предупреждение: В общей сложности, там должно быть десять форма компонентов: базы плесень, два боковых панелей внешней формы, одна внешняя форма верхней крышки, два предсердия внутренней формы с вложениями клапана, два желудочка внутренней формы с клапана вложения, и один из каждого аорты и легочной внутренней плесень артерии с клапана вложения.
9. Используйте смывающий принтер для печати с жесткими и каучука как фотополимерных материалов установлен
   (см. Таблицу материалы). При размещении части для печати на печать кровати, обеспечивают клапан негативы всех печатных вверх (по вертикали) (рис. 3).
   1. Выберите параметры печати на глянцевой. Выберите для четырех камер, а также вложения легочный и аортальный плесень, гибкий материал S95; для других частей четыре формы выберите жестких печатных материалов.
10. После печати формы частей, удалите материал поддержки, застроен гидроабразивной во время печати (см. Таблицу материалы). После очистки плесень частей, место частей в 5% раствор гидроксида натрия для 24 h. После удаления частей из раствора, промойте их с помощью холодной водой и оставить сохнуть в течение 48 ч до литья.

3. холодного литья и отделка

1. Спрей всех поверхностей деталей прессформы с агент выпуска (см. Таблицу материалы), за исключением клапанов и протрите чистой с папиросной бумаги. Оставьте для просушки на 15 мин.
   1. Закройте базу плесень и два боковых панелей и место на вершине две распорки, поэтому база плесень не в прямой контакт с поверхностью стола. Подготовьте силикона, вставив силиконовые картридж в руководстве дозирования пистолет (см. Таблицу материалы).
2. Добавьте 5 мл силикона, сжал от пистолет в измеряя Кубок и перемешать с помощью зубочистки. С помощью зубочисток, применить щедрое количество расплавленного силикона к положительные и отрицательные стороны правой предсердия и желудочка клапанов. Убедитесь, что есть нет пузырьков воздуха, захваченного в силиконовые (рис. 4).
   1. Подключение двух камер на правой заслонки и наденьте их на их соответствующих цилиндры базовой формы. Повторите это для левой стороны. Наконец присоедините легочный и аортальный арочные цилиндра аналогичным образом. Оставьте эти клапаны закрепить за 2 мин, затем прикрепите верхнюю часть формы.
3. Прикрепить статический смеситель для картриджей, выжать до тех пор, пока силикона на выходе из сопла, затем отпустите давление. Положение всего плесень на две распорки (рис. 5), вставьте пистолет в 8-мм инъекции формовки socket и выжать с низким давлением в течение 3 мин до тех пор, пока все вентиляционные отверстия признаки силиконовые переполнения.
   1. Остановить инъекции силикона на данный момент, удалить смеситель и место плесень на поверхности стола, так что все вентиляционные отверстия нижней запечатаны, и не больше силикон может вытекать из нижней части формы. Оставьте силиконовые закрепить за 30 мин.
4. Откройте в верхней части формы, любопытных и подъема металла прокладки в щель между верхней и нижней части формы. Снимите боковые части формы, используя тот же метод, удаление одной стороне одновременно.
   Примечание: Не забудьте прокол стенки сердца при вставке распорку.
   1. Обнаружить любые воздушные пузыри на сердце внешности после освобождения трех компонентов внешней формы (рис. 6). Использовать скальпель проколоть пузырь и заполнить его с небольшое количество силикона с помощью зубочистки, а затем оставить вылечить еще 30 мин.
5. Использование сжатого воздуха (см. Таблицу материалы), удар сердца модель покинуть базу плесень, оставляя шесть внутренней формы в сердце модели. Убедитесь, что вы твердо заключить сердце модель с одной стороны для предотвращения разрыва сердца стену воздуха.
   1. Используйте шприц с водой для заполнения и давление левого и правого желудочков, чтобы освободить внутренние формы. После этого используйте Магилл щипцы (см. Таблицу материалы) захватить и вытащить эти внутренние части две формы. Повторите этот процесс для аорты и легочной артерии и наконец для удаления плесени внутренний левого и правого предсердия.
      Примечание: Убедитесь, что позиционирование щипцы не сжимать сегмента клапан, когда применяется зажим давления; Он уничтожит печатных клапан.
6. Связать две трубы, ведущей прямо вниз от желудочков на базе модели сердца с помощью галстук обертывание и удалять доступ воздуха вентиляционные строки, срывая их на поверхности стены сердца.

Результаты

Это исследование Подробности метода для создания модели анатомически реалистичные неонатальной сердце объединения МРТ томографии, 3D печать и холодного литья. Открытый артериальный проток, а также овальное отверстие не были включены в сердце модель, представленная в...

Обсуждение

Для модели, разработанной в этом исследовании мы определили которые литья под давлением в течение 3-мин требуется для предотвращения воздуха, поступающего в ролях (Рисунок 5, Рисунок 6). Чтобы гарантировать, что силиконовые достигает узких пространств кла...

Материалы

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.