Создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца с применением в предоперационных планах и практическом обучении

Резюме

Модели, специфичные для пациента, улучшают уверенность хирурга и коллег при разработке или изучении хирургических планов. Трехмерные (3D) принтеры генерируют достаточные детали для хирургической подготовки, но не могут воспроизвести тактильную точность тканей. Представлен протокол, подробно описывающий создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца, сочетающих точность 3D-печати с моделируемой силиконовой тканью.

Аннотация

Трехмерные модели могут быть ценным инструментом для хирургов, когда они разрабатывают хирургические планы, и медицинских работников, когда они узнают о сложных случаях. В частности, 3D-модели могут играть важную роль в области кардиологии, где возникают сложные врожденные пороки сердца. В то время как многие 3D-принтеры могут предоставлять анатомически правильные и подробные модели, существующие материалы для 3D-печати не могут воспроизвести свойства ткани миокарда и могут быть чрезвычайно дорогостоящими. Этот протокол направлен на разработку процесса создания специфических для пациента моделей сложных врожденных пороков сердца с использованием недорогого силикона, который более точно соответствует свойствам сердечной мышцы. С улучшенной точностью модели фактическое хирургическое процедурное обучение может происходить до процедуры. Успешное создание кардиологических моделей начинается с сегментации радиологических изображений для генерации виртуального пула крови (крови, которая заполняет камеры сердца) и плесени ткани миокарда. Бассейн крови и плесень миокарда напечатаны на 3D-принтере в акрилонитрилбутадиенстироле (ABS), пластике, растворяемом в ацетоне. Плесень собирается вокруг бассейна крови, создавая отрицательное пространство, имитирующее миокард. Силикон с твердостью по шору 2А заливают в отрицательное пространство и дают отверждаться. Плесень миокарда удаляется, а оставшаяся модель силиконового / кровяного пула погружается в ацетон. Описанный процесс приводит к физической модели, в которой все сердечные особенности, включая внутрисердечные дефекты, представлены с более реалистичными свойствами тканей и более близко приближены, чем подход прямой 3D-печати. Успешная хирургическая коррекция модели с дефектом межжелудочковой перегородки (ВСД) с использованием пластыря GORE-TEX (стандартное хирургическое вмешательство при дефекте) демонстрирует полезность метода.

Введение

Почти 1 из 100 детей в Соединенных Штатах рождается с врожденными пороками сердца (ИБС). Из-за склонности матерей с ИБС иметь детей с ИБС, ожидается, что этот показатель может более чем удвоиться в течение следующих семи ^{поколений1}. Хотя не каждая ИБС считается сложной или тяжелой, общее ожидание роста указывает на то, что существует мотивация для улучшения технологий и процедур, способных решить проблему лечения ИБС. По мере совершенствования технологий кардиохирурги часто выражают готовность заниматься более сложными процедурами. Эта готовность привела к увеличению числа сложных кардиологических процедур, что привело к необходимости более продвинутых методов хирургического планирования и обучения. В свою очередь, это приводит к тому, что кардиохирурги нуждаются в высокоточных, специфических для пациента моделях, а кардиохирурги нуждаются в высокоэффективных методах обучения.

Врожденная кардиохирургия является одной из самых технически сложных хирургических дисциплин из-за небольшого размера пациентов, сложности сердечных аномалий и редкости некоторых ^{аномалий2}. В самых крайних случаях ребенок может родиться с одним желудочком. Нередко хирург берет сосуд диаметром 2,0 мм и заделывает его фиксированным перикардом, чтобы создать сосуд размером 1,0 см, позволяющий новорожденному расти в этой спасительной процедуре - все это под часами, так как новорожденный находится в полной остановке кровообращения. Между нормальным четырехкамерным сердцем и этими экстремальными примерами находятся бесчисленные возможности размера камеры и положения клапана, которые представляют собой очень сложные 3D-головоломки. Роль врожденной сердечной команды заключается в том, чтобы четко очертить уникальную анатомию и разработать план по перенастройке органической ткани в функциональное сердце, которое позволит ребенку расти с наилучшими шансами на нормальную жизнь. Точные модели позволяют проводить преднамеренную хирургическую практику и повторение в среде, где ошибки могут быть прощены и не приведут к причинению вреда ^{пациенту3,4}. Это обучение приводит к развитию улучшенного хирургического опыта, а также технических и судейских навыков. Однако ограниченные ресурсы и редкость некоторых сердечных заболеваний могут сделать достижение желаемого уровня повторения и визуализации практически невозможным. Для того чтобы помочь восполнить этот дефицит ресурсов, увеличилось использование имитационных моделей для ^{образования2,3}. Обычно используемые методы моделирования или моделирования включают человеческие трупы, ткани животных, модели виртуальной реальности (VR) и 3D-печатные модели.

Трупная ткань исторически считалась золотым стандартом для хирургического моделирования, а ткани животных занимали второе место. Трупы и ткани животных могут производить моделирование высокой точности, потому что они содержат анатомическую структуру, представляющую интерес, все окружающие ткани и позволяют использовать методы перфузии для моделирования ^{кровотока4}. Несмотря на преимущества тканевых моделей, есть и недостатки. Бальзамированная ткань испытывает снижение механического соответствия, что делает некоторые операции нереалистичными и трудными для выполнения. Ткани требуют постоянного ухода, специфических помещений, не подлежат повторному ^{использованию2}, могут быть дорогостоящими для ^{получения3} и исторически были предметом этических проблем. Самое главное, что врожденные сердечные заболевания просто недоступны в трупных образцах.

VR и 3D-печатные модели5,6,7,8,9,10 обеспечивают еще один вариант сердечного образования, симуляции и моделирования, чтобы помочь в создании предоперационных планов. Эти модели уменьшают двусмысленность, связанную с различной визуально-пространственной способностью пользователя интерполировать 2D-изображения в виде 3D-структуры10,11. Виртуальная среда может содержать хирургические инструменты, которыми можно манипулировать и взаимодействовать с моделями, что позволяет хирургам и стипендиатам развивать координацию рук и глаз, мелкую моторику и знакомство с некоторыми ^{процедурами4}. Современные популярные технологии 3D-печати, включая моделирование плавленого осаждения (FDM), стереолитографию (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и полиджет, как было обнаружено, производят модели с субмиллиметровой ^{точностью13}. Как VR, так и 3D-печатные модели являются многоразовыми и могут быть чрезвычайно детализированными; модели могут быть даже сгенерированы из данных рентгенологической визуализации пациента, что приводит к репликам анатомии пациента. Несмотря на многие преимущества VR или 3D-печатных моделей, они не соответствуют требованиям, когда рассматриваются требования к стоимости и тактильной точности врожденной операции на сердце. Настройка среды VR имеет высокую стоимость, и среды VR не могут обеспечить реальную тактильную обратную связь. В то время как технология тактильной точности совершенствуется, текущий разрыв препятствует способности студента знакомиться с мелкой моторикой, необходимой для выполнения ^{процедур4}. Точно так же, в зависимости от типа используемой технологии 3D-печати, стоимость 3D-печати может быть довольно высокой, так как цена покупки принтера и стоимость печатного материала должны ^{учитываться11,14}. Одна высококачественная сердечная модель с реалистичной тактильной обратной связью может быть изготовлена с использованием высококачественного принтера, но будет стоить сотни долларов только в материале с покупной ценой принтера более 100 000 долларов США ¹⁵. Было обнаружено, что сердечная модель, изготовленная с использованием нити накаливания с твердостью по Шору 26-28 А, стоила примерно 220 долларов США за ^{модель16}. Кроме того, доступно множество недорогих 3D-принтеров и технологий, цена покупки принтера которых составляет менее 5000 долларов США. Средние цены на материалы для кардиологической модели, сгенерированной на недорогом FDM-принтере, составили около 3,80 долларов США с использованием материала с твердостью по Шору 82 А и 35 долларов США с использованием материала с твердостью по Шору 95 ^А15,16. Хотя эти машины предлагают недорогое решение, оно достигается за счет тактильной точности.

В то время как VR и 3D-печать могут позволить детальную визуальную и концептуальную оценку сердечного заболевания, высокая цена, связанная с созданием модели для практического хирургического моделирования, часто является значительным барьером. Одним из решений является использование силикона для создания физически и текстурно точной модели сердца. Силиконовые модели, специфичные для пациента, могут способствовать более глубокому пониманию уникальной анатомии, позволяя хирургам видеть, чувствовать и даже практиковать процедуру, испытывая реалистичную тактильную обратную связь в среде, которая сопряжена с минимальным риском для пациента и не имеет последствий, если процедура не увенчалась ^{успехом9}. Было показано, что силиконовое формование является эффективным методом моделирования анатомии человека, который производит модели с физическими свойствами, которые значительно ближе к реальной ткани, чем модели, созданные из недорогой 3D-печати17. Scanlan et al., сравнили свойства недорогих 3D-печатных с силиконовыми формованными сердечными клапанами для оценки сходства с реальной тканью; Исследование показало, что, хотя физические свойства силиконовых клапанов не были точной копией реальной ткани, эти свойства намного превосходили 3D-печатные ^{клапаны17}. Материал для 3D-печати, используемый в исследовании, является одним из самых мягких материалов, доступных для недорогих 3D-принтеров, и обладает твердостью по Шору от 26 до 28 ^A18. Силикон платинового отверждения, рекомендуемый для использования в протоколе ниже, имеет твердость берега 2 А, которая намного ближе к твердости сердечной ткани, 43 по шкале 00 или примерно 0 ^A19,20. Это различие является существенным, потому что силиконовые модели позволяют тренировать высокоточную мелкомоторную технику, которую не достигают непосредственно 3D-печатные материалы. Общая материальная стоимость модели, предложенной в этом протоколе, составляет менее 10 долларов США. Предлагаемые силиконовые модели сочетают в себе свойства мягких тканей, необходимые для реалистичной тактильной обратной связи, с универсальностью и точностью недорогих 3D-печатных моделей.

В то время как преимущества силикона могут показаться очевидным выбором для создания модели, использование силикона было ограничено анатомией, которая может быть отлита. Свежесмешанный силикон - это жидкость, которая требует формы, чтобы удерживать его в желаемой форме по мере отверждения. Исторически сложилось так, что силиконовые сердечные формы могли содержать только детали внешней поверхности модели. Внутрисердечные детали, включая всю область пула крови, будут заполнены силиконом и потеряны. Предыдущие исследования достигли силиконовых моделей конкретных областей, представляющих интерес в сердце (например, корень ^аорты21) или использовали экстраполяционный метод для моделирования ткани миокарда22. Этот протокол является новым, поскольку он стремится объединить использование силиконового материала с анатомическим, полным моделированием миокарда с высоким разрешением, в частности, избегая любого метода экстраполяции. Насколько нам известно, ни одна описательная рукопись не предоставила методологию, сочетающую эти аспекты. Метод, описанный в этом протоколе, вводит технику для достижения специфической для пациента сердечной модели с внутрисердечной анатомической репликацией, достаточно точной для хирургической предоперационной практики. Метод включает в себя создание формы миокарда для удержания силикона в правильной форме по мере его отверждения и внутренней формы для сохранения внутренних, внутрисердечных деталей модели и предотвращения заполнения силиконом области кровотока сердца. Затем внутренняя форма должна быть растворена, оставив целую силиконовую сердечную модель с специфической для пациента анатомией на внешней и внутренней поверхностях. Без предлагаемого протокола создания сердечной модели в настоящем документе не существует недорогого решения для моделирования хирургической процедуры с материалом, который имитирует фактические характеристики тканей миокарда.

протокол

Протокол был составлен таким образом, чтобы это соответствовало лучшим этическим практикам учреждения автора, включая надлежащую обработку любой информации о пациенте и обеспечение требуемых согласий, необходимых для использования конкретных данных пациента. При использовании такие данные анонимизировались для обеспечения защиты частной медицинской информации пациента.

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующий протокол написан в программно-нейтральной манере, так как существует множество различных программ, которые могут выполнять различные шаги. Для этого конкретного случая materialize Mimics Medical 24.0 использовался для сегментации, а Materialise Magics использовался для 3D-манипуляций и создания сегментированных моделей и случаев. Конкретные инструкции для этих программ будут включены в дополнение к обобщенному подходу.

1. Сегмент анатомии пациента

1. Для каждого МСП получение набора данных радиологической визуализации пациента, обычно КТ или МРТ, полученного с использованием 3D-протокола для адекватного разрешения. Открытый набор данных в программном обеспечении сегментации автоматизированного проектирования (САПР)²³.
   1. Обратитесь к протоколам радиологии учреждения для правильного получения изображения (поскольку каждый пациент требует разных соображений, трудно предоставить конкретное руководство). Но в качестве репрезентативного примера, вот настройки, которые мы использовали в ранее задокументированном случае 3D-модели: протокол CT 3D предлагает параметры: срезовый сканер в осевом режиме, толщина среза и пространство между срезами 0,625 мм, Kv 70, диапазон Smart mA 201-227 (режим smart MA 226), скорость вращения при 0,28 мс. Предложенные параметры протокола MRI 3D: сканер срезов в осевом режиме, толщина среза и расстояние между срезами 0,625 мм.
2. Сгенерируйте начальную сегментацию ткани миокарда с помощью инструмента порогового значения единицы Хаунсфилда (HU) с верхним и нижним пределами, установленными для значений, соответствующих и специфичных для набора данных. Уточните выбор по мере необходимости, чтобы точно захватить анатомию. Рекомендуется использовать инструменты со следующими возможностями: обрезка, сложение и вычитание, увеличение региона, многосрезовое редактирование и заполнение полости. В разделе Мимика щелкните правой кнопкой мыши в области Диспетчер проектов и выберите Новая маска. Отрегулируйте маску в сгенерированном диалоговом окне либо с помощью предварительно заданных анатомических окон, точных измерений HU, либо путем скольжения предоставленного инструмента до тех пор, пока требуемая анатомия не будет замаскирована инструментом.
3. Сгенерируйте сегментацию пула крови. Для этого используйте шаги, описанные в шаге 1.2. В Mimics используйте предварительно установленное анатомическое окно HU от 226 до 3071, чтобы захватить пул крови.
4. Если генерируемая модель предназначена для использования в уходе за пациентами, позвольте кардиологу, радиологу или другому эксперту по предмету (SME) просмотреть сегментацию виртуальной модели, прежде чем перейти к следующему шагу, чтобы убедиться, что все анатомические особенности и дефекты были точно сегментированы и будут присутствовать в полной модели.
5. Сгенерируйте модель случая миокарда путем инвертирования сегментации миокарда с помощью инструмента заполнения полости в пустом пространстве вокруг сегментации миокарда и вычитания сегментации пула крови из перевернутого миокарда с помощью инструмента булева вычитания. Для этого рекомендуется использовать инструмент для заполнения полостей, булев инструмент и ранее сгенерированные сегментации миокарда и пула крови. В Mimics, Заполнение полости > Обозначьте пробелы вокруг маски миокарда. Затем используйте инструмент Boolean и заполните предоставленный диалог минус маска бассейна крови из маски миокарда.

Рисунок 1: Сегментация сердца в программном обеспечении сегментации САПР. (A) Сегментация сердца в программном обеспечении сегментации ИБС с необработанными данными изображения пациента. (B) Сегментация с 3D-рендерингом модели пула крови. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

6. Просмотр 3D-рендеринга окончательного пула крови и сегментации случая миокарда. В соответствии с предложением и одобрением МСП удалите из 3D-модели пула крови любые кровеносные сосуды, которые не являются необходимыми для оценки, понимания или восстановления целевой анатомии. В разделе «Мимика » выберите «Предварительный просмотр 3D» в параметрах рядом с окном просмотра (по умолчанию используется в правом нижнем углу представления по умолчанию с четырьмя панелями). Выберите маску интереса в менеджере проектов. Для редактирования выберите инструмент «Редактировать маску ». В предоставленном диалоговом окне выберите инструмент «Лассо » и убедитесь, что выбран параметр «Удалить ». Это позволит редактировать фактический 3D-просмотр маски.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент редактирования представляет собой бесконечную плоскость разреза и удалит любую часть маски, выбранную в Z-направлении.
7. Генерация 3D объектов конечного пула крови и сегментации корпуса миокарда. Сгладьте 3D-модель корпуса миокарда с помощью инструмента «Гладкий объект». В соответствии с предложением и утверждением МСП настраивайте параметры итерации и коэффициента плавности по мере необходимости для конкретной модели, чтобы создать модель случая, которая была бы максимально гладкой, но не потеряла никаких важных анатомических деталей.
8. После утверждения МСП экспортируйте модели в формате STL для использования в программном обеспечении для редактирования 3D-моделей. В разделе Mimics щелкните правой кнопкой мыши определенную маску в диспетчере проектов > Create Object. В предоставленном диалоговом окне убедитесь, что выбран параметр Оптимальный параметр, и нажмите кнопку ОК.
9. После создания модели она появится в окне Объект , обычно под окном Диспетчер проектов . Оттуда щелкните правой кнопкой мыши на сгенерированной модели и выберите Smooth. Параметрами для этого случая стали пять итераций при сглаживании 0,4 мм.
10. Сохранение/экспорт окончательных 3D-моделей пула крови и случаев миокарда в виде стандартных файлов языка тесселяции (STL). Щелкните правой кнопкой мыши нужную модель > STL+ , > следуйте предоставленному диалоговому окну для экспорта STL-версии модели.

2. Создание цифровых пресс-форм

1. Откройте STL-файл модели миокарда в программе САПР. Рекомендуется сделать видимость корпуса прозрачной, чтобы миокард был виден на внутренней стороне плесени корпуса миокарда. В Magics импортируйте списки STL, созданные с помощью импортной части. В окне Управление проектами выберите параметр Прозрачный параметр отрисовки модели.
2. Обрежьте излишки материала корпуса миокарда с модели с помощью режущего или перфораторного инструмента. Необходимо только иметь приблизительно 0,5 см между внешним краем корпуса и отпечатком миокарда на внутренней стенке корпуса. Дополнительный материал увеличит время, необходимое для 3D-печати, но не повлияет на конечный продукт. В магии вырезать > указать полилинию > выбрать точки интереса > применить.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент редактирования представляет собой бесконечную плоскость разреза и удалит любую часть маски, выбранную в Z-направлении.
3. Разрежьте корпус миокарда на несколько частей, что позволит собрать корпус вокруг сложной анатомии плесени бассейна крови. Для этого рекомендуется использовать режущий и/или перфорационный инструмент.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги дают представление о разрезах, которые следует сделать в случае миокарда, который разделит его на четыре секции, которые были признаны достаточными как для диагностической точности, так и для сборки случая вокруг пула крови для многих кардиологических моделей. Тем не менее, каждая модель будет отличаться, поэтому важно иметь в виду, что корпус должен быть собран вокруг бассейна крови, прежде чем силикон будет налит и удален после силиконовых наборов. Обратите особое внимание на любые места, где корпус должен проходить через петлю в кровеносном бассейне или окружать длинные кровеносные сосуды. Такие особенности могут потребовать разрезания корпуса миокарда на дополнительные части в области, где эта функция существует, чтобы обеспечить возможность сборки и разборки вокруг бассейна крови.
4. Отрегулируйте вид корпуса миокарда с помощью инструментов поворота и панорамирования, чтобы направить вершину сердца вниз, а дугу аорты горизонтально. Сделайте горизонтальный разрез через аорту, который делит корпус миокарда на нижнюю половину, содержащую вершину, и верхнюю половину. Длина этого разреза и всех последующих разрезов будет варьироваться в зависимости от модели сердца. В Magics используйте левую и правую кнопки мыши для управления поворотом и сдвигом соответственно. Оттуда вырезать > указать polyline > выбрать точки интереса > Применить.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инструмент редактирования представляет собой бесконечную плоскость разреза и удалит любую часть маски, выбранную в Z-направлении.
   1. Сделайте вертикальный разрез вдоль самого широкого участка нижней половины корпуса миокарда. Убедитесь, что нижняя половина корпуса миокарда разделена примерно пополам.
   2. Сделайте второй вертикальный разрез вдоль самого широкого участка верхней половины корпуса миокарда. Убедитесь, что верхняя половина корпуса миокарда разделена примерно пополам.
5. Добавьте колышки (опоры) к частям корпуса миокарда, чтобы обеспечить правильное выравнивание во время сборки. Рекомендуется использовать инструмент генерации опоры и инструмент логического вычитания со значением зазора 0,25 мм для создания соответствующих опор и опорных полостей. В Magics добавить реквизит > указать положение на модели > Применить.
6. Создайте силиконовое заполняющее отверстие диаметром 1,0 см к одной из верхних половин корпуса миокарда. Особенности поверхности миокарда непосредственно под заливным отверстием будут скрыты, поэтому убедитесь, что заполняющее отверстие не находится над какими-либо внешними анатомическими особенностями, которые будут иметь жизненно важное значение для использования модели. Проверьте размещение отверстий с помощью МСП.

Рисунок 2: Модель корпуса миокарда в программном обеспечении САПР. Случай миокарда, сгенерированный в программном обеспечении CAD для сердечного случая с ВСД. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

7. Проверьте диагностику на всех частях корпуса индивидуально, чтобы убедиться, что отсутствуют следующие ошибки: перевернутый нормальный, плохие края, плохие контуры, вблизи плохих краев, плоские отверстия или оболочки. При обнаружении ошибки исправьте ее с помощью средства/мастера исправления, если оно доступно, или вручную, если недоступно. В Magics проверьте диагностику > автоматического разрешения.
8. Исправьте ошибки, которые не могут быть устранены вручную или с помощью инструмента/мастера исправления с помощью термоусадочной пленки с помощью инструмента термоусадочной упаковки. Отрегулируйте интервал заполнения образца термоусадочной пленки и значения заполнения пробелов по мере необходимости, чтобы исправить ошибки на конкретном изделии без изменения физиологии при обзоре МСП. В Magics Fix > Shrink Wrap > следовать диалогу.
9. Сохраните/экспортируйте отдельные части корпуса миокарда в виде файлов STL.

3. Создание физических форм

1. Откройте модели корпуса миокарда и пула крови в соответствующем программном обеспечении слайсера для создания файлов 3D-печати (файл G-Code) для 3D-принтера аддитивного производства (AM). Расположите части корпуса миокарда с помощью поворотного и/или уложенного плоского инструмента, чтобы любая сторона, которая встретится с другой частью корпуса, была вертикальной. Добавьте поддержку 3D-печати ко всем частям вручную или с помощью инструмента автоматической генерации поддержки, предоставляемого в программном обеспечении, если таковой имеется.

Рисунок 3: Настройка корпуса миокарда и пула крови в программном обеспечении САПР для 3D-печати. Корпус миокарда и пул крови с правильной ориентацией и дополнительной поддержкой в подготовке к 3D-печати в программном обеспечении САПР для 3D-печати для сердечного случая с ВСД. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

2. Нарежьте модели для генерации G-кода для использования на 3D-принтере со следующими параметрами: Пул крови в ABS с использованием: температура нагреваемого слоя 100°C, температура экструдера 250°C, плотность заполнения 5%, скорость печати по умолчанию 50 мм/с, внутренняя скорость оболочки 70 мм/с, скорость наружной оболочки или 50 мм/с; Миокардиальная форма из ABS или полимолочной кислоты (PLA) с использованием: температура нагреваемого слоя 60 °C для PLA или 100 °C для ABS, температура экструдера 205 °C для PLA или 250 °C для ABS, плотность заполнения 15%, скорость печати по умолчанию 50 мм / с, внутренняя скорость оболочки 80 мм / с и внешняя скорость оболочки 30 мм / с.
3. Сохраните/экспортируйте G-код.
4. Загрузите файл печати на 3D-принтер с помощью флэш-накопителя или Wi-Fi-соединения, в зависимости от возможностей принтера, убедитесь, что на 3D-принтер загружена правильная нить, и начните печать. 3D-принтер должен отвечать следующим требованиям: совместим и оснащен соплом диаметром менее 0,4 мм и способным к разрешению слоя менее 0,25 мм. По завершении печати используйте плоскогубцы и пинцет, чтобы удалить весь вспомогательный материал с напечатанных частей.

Рисунок 4: 3D-печатные модели. Фотография (А) физического бассейна крови и (Б) фрагментов корпуса миокарда сердечного корпуса с ВСД, изготовленного из 3D-принтера с удаленным вспомогательным материалом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

5. Соберите кусочки корпуса миокарда вокруг формы бассейна крови, убедившись, что все части плотно прилегают друг к другу. Если корпус миокарда не может поместиться вокруг бассейна крови, внесите небольшие коррективы в кусок формы корпуса, используя ручной вращающийся шлифовальный инструмент для удаления материала. Если требуется большая корректировка, может потребоваться отредактировать файл STL в программном обеспечении САПР и создать новую 3D-печать.
   ВНИМАНИЕ: Используйте защиту глаз при использовании ручного вращающегося шлифовального инструмента. Использование вращающегося шлифовального инструмента на бассейне крови или корпусе миокарда приведет к расплавлению пластика. Используйте экономно и с осторожностью.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол может быть приостановлен между любыми шагами, предшествующими этому моменту.
6. Выполните разглаживание паров ацетона, если корпус миокарда был напечатан на 3D-принтере с использованием ABS, и МСП требует более гладкой силиконовой отделки поверхности. Если более гладкая отделка поверхности не желательна или не нужна, пропустите процесс сглаживания пара с минимальным воздействием на окончательную анатомию модели.
   ВНИМАНИЕ: Ацетон летучий и легковоспламеняющийся. Обязательно установите в хорошо проветриваемом помещении вдали от открытого огня или искр. Кроме того, ацетон растворяет поливинилхлорид (ПВХ) и полистирол. Если используется пластиковый контейнер, убедитесь, что он не содержит ПВХ или полистирола.
   1. Выровняйте дно и боковые стороны контейнера, который не будет затронут ацетоном, бумажными полотенцами. Налейте ацетон на нижнее бумажное полотенце и дайте ему рассеять бумажные полотенца на боковой стороне контейнера, но не образовывать бассейн на дне. Необходимое количество ацетона будет варьироваться в зависимости от размера используемого контейнера; здесь 30 мл ацетона использовали в контейнере с объемом основания около 400 ^см3.
   2. Поместите кусок алюминиевой фольги в контейнер, чтобы покрыть нижнее бумажное полотенце. Поместите кусочки футляра миокарда на алюминиевую фольгу и сориентируйте кусочки миокарда так, чтобы лица, которые желательно сгладить, были вертикальными. Убедитесь, что кусочки миокарда не касаются друг друга или бумажных полотенец на стенке контейнера.
   3. Поместите крышку на контейнер или крышку алюминиевой фольгой и позвольте кусочкам корпуса миокарда оставаться нетронутыми в контейнере до тех пор, пока не будет достигнуто ~ 80% желаемой отделки поверхности, согласно визуальному осмотру. Время, необходимое для завершения процесса сглаживания пара, будет варьироваться в зависимости от размера контейнера и количества используемого ацетона. Начните проверку кусочков корпуса миокарда на желаемую отделку поверхности с интервалом в 15 минут после начальных 30 минут. Для этого исследования сглаживание пара заняло 2 часа для структуры 150 мл.
   4. Надев перчатки, аккуратно выньте кусочки футляра миокарда из контейнера, касаясь только наружных поверхностей. Дайте кусочкам полностью дегазироваться в хорошо проветриваемом помещении в течение ~ 30 минут или до однородности, сухости и твердости.

Рисунок 5: Паровые сглаженные кусочки корпуса миокарда. Фотосъемка фрагментов корпуса миокарда сердечного футляра с ВСД после гладкого пара ацетона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

4. Налейте силикон

ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые загрязняющие вещества, включая латекс и серу, могут препятствовать отверждению силиконов, если они вступают в контакт. Рекомендуется ознакомиться с любыми техническими бюллетенями, прежде чем пытаться использовать силикон.

1. Оцените количество силикона из двух частей платинового отверждения, которое потребуется для создания модели миокарда; количество необходимого силикона будет варьироваться в зависимости от размера создаваемой модели. В качестве альтернативы можно измерить объем сегментации миокарда с помощью программного обеспечения CAD для определения необходимого количества силикона. Убедитесь, что силикон обладает следующими свойствами: твердость по шору 2 А, прочность на растяжение 1 986 кПа, удлинение при разрыве 763%, усадка менее 0,0254 мм/мм, смешанная вязкость 18 000 спс, срок службы горшка 12 мин и время отверждения 40 мин. Для этого исследования потребовалось 300 мл силикона.
2. Тщательно перемешайте часть А и часть В силикона, прежде чем перелить необходимые количества, в правильных пропорциях, в чашку для смешивания. Если на модели желателен цвет, добавьте пигмент и тщательно перемешайте все части и пигмент. Для этого исследования 150 мл части А и части В смешивали и перемешивали вручную или с помощью мешалки. Sil-пигментный цвет продукта «кровь» (см. Таблицу материалов) добавляли ремесленным стиком до тех пор, пока не был достигнут желаемый цвет.
3. Поместите тщательно смешанный силикон в вакуумную камеру при 29 в Hg в течение 2-3 мин до дегазации. Силикон будет расширяться во время процесса дегазации примерно в два раза по объему, убедитесь, что в смесительном контейнере достаточно места, чтобы обеспечить расширение. Впустите и удалите дегазированный силикон из камеры и погрузите кровяную лужу в силикон, чтобы тщательно покрыть его, гарантируя, что все пустоты и полости в бассейне крови заполнены силиконом.
4. Тщательно опрыскивайте все кусочки корпуса миокарда легко высвобождаемым продуктом (см. Таблицу материалов) в хорошо проветриваемом помещении. Соберите нижнюю половину корпуса миокарда вокруг вершины кровяного бассейна. Если какие-либо швы между частями корпуса миокарда позволяют силикону вытекать, используйте зажимы или материал, такой как горячий клей или глина, чтобы запечатать утечку на внешней поверхности формы.
5. Налейте силикон в пространство между бассейном крови и стенкой корпуса, позволяя силикону течь во все промежутки. Продолжайте заливать силиконом до тех пор, пока собранные кусочки формы миокарда не будут заполнены силиконом.
6. Соберите оставшиеся части корпуса миокарда, плотно закрепите детали корпуса с помощью резиновых лент и зажимов, по мере необходимости. Налейте силикон в заливное отверстие в верхней части корпуса миокарда до тех пор, пока все пространство миокарда не будет заполнено силиконом.
7. Дайте силикону схватиться в течение ~ 40 мин. Извлеките силиконовое сердце из корпуса миокарда и обрежьте все силиконовые швы, которые были созданы из пространства между частями корпуса или заполняющего отверстия.

5. Растворите пул крови

1. Определите все кровеносные сосуды, которые должны иметь открытые концы на силиконовой модели, и обрежьте любой силикон, который их покрывает, чтобы обнажить бассейн крови ABS внутри.
2. Погрузите силиконовое сердце в ацетоновую ванну. АБС начнет размягчаться через 10-15 мин после погружения ацетона; по мере этого удаляйте большие куски ABS пинцетом, чтобы увеличить скорость процесса растворения ABS.
3. Выполните два-три дополнительных ацетоновых ополаскивания / замачивания чистым ацетоном, чтобы удалить весь ABS из силикона, когда большая часть пула крови ABS растворилась. Извлеките сердечную модель из ацетоновой ванны и дайте оставшемуся ацетону испариться с модели в хорошо проветриваемом помещении. Время, необходимое для полного растворения ABS, будет зависеть от размера модели, количества ABS, удаленного вручную, и количества используемого ацетона.

Рисунок 6: Специфическая для пациента силиконовая сердечная модель с ВСД. Фотография эпикардиальной поверхности полной силиконовой модели с VSD. ВСД не видна из-за ее расположения внутрисердечной структуры миокарда. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Результаты

Данные лучевой визуализации от пациента с ВСД были выбраны для создания репрезентативной силиконовой модели сердца. Анатомия пациента была сегментирована с использованием программного обеспечения сегментации САПР для создания цифровой модели миокарда и цифровой модели пула крови (рисунок 1). Мануальная сегментация пула крови и миокарда по представленному протоколу занимает 1-3 ч. По завершении сегментации модель миокарда была открыта в программном обеспечении САПР для дальнейшей обработки. Модель была выровнена по 3D-коробке, сделанной в программе, а затем вычтена с помощью логических операций. Этот процесс оставил негатив модели миокарда, образовав плесень. Эта форма миокарда была обрезана до более подходящего размера, разрезана на сегменты и модифицирована подпорками для выравнивания частей (рисунок 2).. Создание корпуса заняло 2-6 ч. Все кусочки плесени миокарда и бассейн крови были загружены в программное обеспечение для нарезки 3D-печати, а G-Code был сгенерирован для 3D-печати в ABS (рисунок 3). 3D-печатные фрагменты с удаленным вспомогательным материалом можно увидеть на рисунке 4. Части корпуса миокарда были сглажены паром для улучшения поверхностной отделки модели (рисунок 5).. По завершении процесса сглаживания пара вокруг модели пула крови собирали форму и заливали силиконом. Сборка и заливка силикона заняли один час. После силиконового набора сердечная модель была удалена из корпуса миокарда и погружена в ацетон, чтобы растворить пул крови. Примерно через двадцать четыре часа замачивания лужа крови растворилась. Было выполнено окончательное промывание ацетоном, и модели дали полностью высохнуть. Завершенную силиконовую модель сердца можно увидеть на рисунке 6. Чтобы оценить точность и функциональность силиконовой модели, эксперт по ИБС (врожденный порок сердца) сделал разрез, чтобы можно было наблюдать внутреннюю анатомию. Ожидаемый VSD присутствовал, и пластырь GORE-TEX был пришит к модели врожденным кардиохирургом для коррекции VSD (рисунок 7).. В успешно завершенной силиконовой модели вся анатомия пациента и дефекты будут присутствовать как внешне, так и внутренне. Краткое изложение протокола можно найти в Дополнительном файле 1.

Рисунок 7: Пластырь GORE-TEX, вшитый в силиконовую сердечную модель с ВСД. Фотография (А) взгляда хирурга на конкретную для пациента силиконовую модель сердца с ВСД и (В) вид хирурга на ВСД в модели, закрытой пластырем GORE-TEX. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный файл 1: Схема протокола изготовления силиконового сердца. Схематическая иллюстрация протокола при изготовлении специфической для пациента силиконовой модели сердца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный файл 2: Краткое изложение критических шагов и потенциальных негативных результатов. Краткое изложение шагов, имеющих решающее значение в разработке силиконовой модели сердца для конкретного пациента, и потенциальных негативных результатов, которые могут возникнуть, если шаги не будут выполнены правильно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Обсуждение

По завершении протокола должна быть получена специфическая для пациента силиконовая модель сердца для хирургической подготовки. Тем не менее, есть несколько критических шагов, которые должны быть выполнены правильно, чтобы это было достигнуто. Краткое изложение критических шагов в протоколе можно увидеть в дополнительном файле 2, а также потенциальные результаты, если шаги выполнены неправильно. Первый критический шаг включает сегментацию данных рентгенологической визуализации пациента. Этот шаг требует получения диагностического набора данных 3D-визуализации. Полезность модели в предоперационном планировании или образовании зависит от качества набора 3D-данных. Рекомендуется использовать набор изображений, собранный с размером среза от 0,625 мм до 2,6 мм, чтобы гарантировать, что набор данных будет иметь адекватное разрешение для производства модели. Тем не менее, все параметры визуализации должны быть установлены клиницистом-экспертом в области радиологии, при этом уход за пациентом является приоритетом. Следует отметить, что может быть возможно создать модель из набора изображений, собранных с размером фрагмента, превышающим рекомендуемые значения, но разрешение и качество модели будут отрицательно затронуты. После получения изображений, если сегментация выполнена неправильно, она обычно не реализуется до тех пор, пока не будет изготовлена и разрезана окончательная модель, что приводит к потере времени и материалов. Чтобы предотвратить этот негативный результат, рекомендуется, чтобы эксперт по предмету рассмотрел сегментированные файлы перед созданием цифровых форм для контроля качества. Следующий критический шаг происходит во время создания цифровых пресс-форм. Важно убедиться, что корпус миокарда сможет быть собран вокруг модели пула крови. Если корпус не закрывается вокруг бассейна крови, его нельзя использовать для создания силиконовой модели, так как неустановленный силикон будет постоянно просачиваться наружу, а анатомия может быть искажена. Ручной вращающийся шлифовальный инструмент можно использовать для легкого удаления кусочков формы миокарда только в том случае, если требуются небольшие корректировки. Если требуются большие корректировки, цифровая форма должна быть изменена и напечатан обновленный корпус. Последним критическим этапом является заливка силикона. Строгое соблюдение инструкций по материалу необходимо при использовании силикона, так как неспособность сделать это может привести к силикону, который отверждается с липкой поверхностью. Если поверхность считается слишком липкой для использования МСП, пул крови, возможно, придется перепечатать, если он не может быть успешно удален из силикона. Силикон придется повторно заливать, что приведет к потере времени и материалов. Если используется недостаточное количество силикона или силикон вытекает из формы корпуса миокарда во время процесса настройки, полученная модель будет неполной. Эта неисправность может быть исправлена путем смешивания и заливки дополнительного силикона в форму. Такой материал, как горячий клей или глина, может быть использован для герметизации швов формы корпуса миокарда, если небольшое количество силикона, по-видимому, просачивается во время процесса отверждения.

Этот метод создания специфических для пациента силиконовых моделей сердца может быть модифицирован, чтобы позволить создать модель любой мягкой анатомической структуры с специфичной для пациента или сложной внутренней и внешней геометрией. Предполагая, что целевая анатомия сегментирована правильно, остальные шаги протокола могут быть выполнены с минимальными изменениями. Хотя протокол не находится в центре внимания текущей работы, он был применен к паренхиме печени с аналогичным успехом. Используемый материал для 3D-печати также может быть изменен. ABS и PLA рекомендуются для использования из-за их низкой стоимости, но любой растворимый материал для 3D-печати может занять место ABS, а любой желаемый материал для 3D-печати может занять место PLA с минимальными изменениями или без изменения протокола. При использовании других печатных материалов должны соблюдаться все параметры печати, заданные производителем нити. Этот метод может быть дополнительно модифицирован путем использования другого силикона. Силикон, рекомендуемый для использования в этом протоколе, имеет твердость по шору 2 А, но если желательно другое значение твердости по Шору, другой силикон может быть заменен с минимальными изменениями или без изменений протокола. Обязательно придерживайтесь всех производственных спецификаций и процедур при использовании другого силиконового продукта.

Хотя этот протокол описывает улучшенную процедуру моделирования сердца, он не лишен ограничений. Основным ограничением этого протокола является то, что, хотя используемый силикон платинового отверждения ближе к твердости сердечной ткани, чем другие доступные материалы, твердость не является единственным свойством, которое играет роль в мелкомоторном мастерстве хирургической подготовки. В частности, настоящая сердечная ткань продемонстрирует рыхлость или разрыв под силой. Используемый силикон очень упругий, с удлинением при разрыве 763% и прочностью на растяжение 1,986 ^кПа19. Сердечная ткань свиньи, которая считается точным представлением сердечной ткани человека, имеет удлинение при разрыве 28-66% и прочность на растяжение 40-59 ^кПа26. Эта разница представляет собой проблему, так как кардиохирурги могут выполнить практическую операцию на силиконовой модели сердца и получить ложное чувство уверенности, потому что модель может противостоять силам, которые настоящая сердечная ткань не может. Эта методология также может быть ограничена сердечной моделью с очень сложной геометрией. По мере увеличения анатомической сложности модели протокол может компенсировать это за счет увеличения количества кусочков в форме миокарда. По сути, все более сложные модели потребуют все более сложных конструкций пресс-форм и увеличения времени проектирования.

Процесс создания модели, описанный в этом протоколе, превосходит многие другие доступные альтернативы из-за его способности воссоздавать недорогие точные анатомические реплики хирургически встречной анатомии. Трупные и животные ткани позволяют проводить высокоточное моделирование, но они имеют гораздо более высокую стоимость и требуют использования и обслуживания специальных лабораторных установок.^2,6. Кроме того, модели трупных и животных тканей имеют этические проблемы, не зависят от пациента, и сложные ИБС часто должны быть изготовлены вручную хирургом или инструктором, что часто приводит к неточностям или повреждению окружающих тканей и органов. Другой потенциальный метод моделирования предполагает использование виртуальной реальности. Виртуальная реальность позволяет осуществлять цифровую репликацию кардиологических моделей для конкретного пациента, что является эффективным инструментом для создания точных ментальных представлений анатомии пациента и хирургических планов. Кроме того, некоторые системы VR допускают базовое моделирование с включением тактильной обратной связи. Однако имеющейся тактильной обратной связи не хватает реализма, необходимого для воспроизведения необходимых навыков мелкой моторики для врожденных хирургических операций на сердце.⁴. 3D-печать является еще одним доступным методом для создания моделей сердца для конкретного пациента.^2,24. Однако повсеместное внедрение высококачественных 3D-принтеров, способных производить многоматериальные, мягкие модели, тормозится их чрезвычайно высокой стоимостью.^11,14,15. Недорогие 3D-принтеры доступны, но могут печатать только в материалах, которые намного тверже, чем настоящий миокард. Когда один из самых мягких доступных материалов для 3D-принтера был использован для создания модели Scanlan et al., модель оказалась более твердой, чем реальная сердечная ткань.¹⁷. Описанный материал имел твердость по берегу между 26 А и 28 А, что придавало ему текстуру, похожую на резиновую ленту. Платиновый отвержденный силикон, используемый в этом протоколе, имеет твердость по Шору 2 А, что придает ему текстуру, похожую на гелевую вставку для обуви и гораздо более близкую к твердости реальных сердечных тканей, которая составляет 43 00²⁰ или ~0 А. Хоаши и др.. также использовал метод, аналогичный описанному в этом протоколе, для разработки гибкой 3D-печатной модели сердца. Две формы, представляющие внутреннюю и внешнюю геометрию миокарда, были напечатаны на 3D-принтере с использованием принтера SLA с последующим вакуумным литьем резиноподобной полиуретановой смолы. Хотя этот метод действительно производил мягкую сердечную модель, предлагаемая стоимость производства этого метода на модель составляла от 2000 до 3000 долларов США.²². Для сравнения, общая материальная стоимость метода, описанного в представленном протоколе, составляет менее 10 USD. Наконец, аналогичный метод был также использован Russo et al.. создание силиконовых моделей аортального клапана и проксимальной аорты для процедурной практики. В то время как Руссо и др.. Метод ориентирован на аналогичную цель, представленный ими процесс направлен на тиражирование гораздо более простых анатомий аорты или аортальных клапанов. Протокол, представленный здесь, дифференцирует себя, фокусируясь на внутрикардиальных анатомиях и анатомиях миокарда, которые меньше, сложнее и их было бы чрезвычайно трудно воспроизвести с учетом исторических методологий. Несмотря на эту разницу, модели, созданные Russo et al.. были очень полезны для моделирования и обучения кардиохирургии опрошенными кардиохирургами²³. По сути, метод, описанный в этом протоколе, позволяет создавать недорогие, специфические для пациента врожденные модели сердца с точно представленными дефектами и свойствами материала, более похожими на реальную сердечную ткань, чем другие методы моделирования.^1,16, позволяющие оперировать моделями с реалистичной тактильной точностью.

Двигаясь вперед, данная методика может быть применена для формирования модели любой анатомии пациента со сложными внутренними и внешними особенностями. Разработка альтернативного материала для пула крови, который может быть удален из силиконовой модели менее разрушительным образом или получен с использованием менее трудоемкого метода, сделает процесс более эффективным по времени и затратам. В результате новый пул крови не нужно будет воспроизводить для каждого последующего процесса формования, что приведет к масштабируемости соответствующего обучения. Физические свойства силикона, используемого для создания модели, также могут быть улучшены. Силикон с меньшим удлинением при разрыве повысит реалистичность модели и поможет повысить ее ценность в качестве образовательного инструмента для кардиохирургов, пытающихся освоить необходимую мелкую моторику для выполнения этих сложных процедур. Группа материалов, которые в настоящее время находятся на рынке, достойные рассмотрения, чтобы помочь в этом решении, - это силиконовые имитационные стеклянные ^{материалы25}. Эти силиконовые материалы демонстрируют гораздо меньшее удлинение при разрыве, что приводит к отчетливому «разрушению» при применении силы аналогично стеклу. Модуляция силикона платинового отверждения, используемого в этом протоколе, с добавлением этого силиконового моделируемого стеклянного материала может позволить контролировать характеристики рыхлости модели, сохраняя при этом соответствующую твердость по Шору, улучшая общую тактильную точность. Наконец, разрешение анатомии, которую может производить этот протокол, ограничено разрешением 3D-принтера, используемого для создания пресс-форм. Поскольку технология продолжает совершенствоваться, разрешение анатомии, которое может быть создано с помощью этого протокола, также должно улучшиться.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.75 mm ABS filament	Matter Hacker	matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-	Anecdotally consistent quality, budget-conscious price
1.75 mm PLA filament	Matter Hacker	https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU	Anecdotally consistent quality, budget-conscious price
8220 12VMax High-Performance Cordless	Dremel	https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless	Cordless for easier access to small features in model
Acetone	Sunnyside	https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5	Bulk
Dragon Skin Fx-Pro	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro	Industry-standard, characterized skin-safe
Ease Release 200	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/ease-release-200	Coating to ensure easy removal of silicone from mold
GORE- TEX patch	GORE	https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch	Cardiovascular patch
ideaMaker	Raise 3D	https://www.raise3d.com/download/	Included G-code CAD software for Raise 3D printers
Magics	Materilise	https://www.materialise.com/en/software/magics	Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces
Mimics	Materilise	https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics	Feature-rich segmentation software
Patient DICOM data	-	-	DICOM data will typically come from a patient CT or MRI
Pro2 Plus	Raise 3D	https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/	Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer
PRO2-100 Industrial Glue Gun	Surebonder	https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks	Industrial-quality hot glue gun
Silc Pig	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments	Pigment for adding color to silicone
Vacuum Chamber	Smooth-On	https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber	Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone