Name: anatomically realistic neonatal heart model for use in neonatal patient simulators
Uploaded: 2019-02-05T12:30:00
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这项研究是在荷兰的 imuls 橄榄年的框架内进行的。提交人要感谢 radboud umcn 解剖和病理博物馆和 máxima 医疗中心 veldhoven 提供了用于这项工作的新生儿核磁共振扫描。作者还要感谢贾斯珀·斯特尔克、桑娜·范·林登、弗雷德里克·德容、普莱恩·阿尔克布内和工业设计学院的 d. 查寻实验室为这项研究的发展做出了重大贡献。最后, 作者要感谢罗汉·乔希对手稿的证明阅读。

所有机构的批准都是在患者成像之前获得的。
1. 图像采集和分割
<ol><li>以医学数字成像和通信 (dibom) 的形式对新生儿进行胸腔 mri 扫描。在心脏周期的心室舒张期捕捉扫描的每一片, 或从尸体解剖中获得胸腔 mri。 注: 心脏肌肉, 以及心房和心室的明显明确的定义是必不可少的。</li>
	<li>使用处理软件 (见材料表) 导入胸部 mri 的 dicom 文件。使用 "编辑蒙版" 菜单?...

<ol>
	<li>Wyllie, J., Bruinenberg, J., Roehr, C. C., R&#252;diger, M., Trevisanuto, D., Urlesberger, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=European+resuscitation+council+guidelines+for+resuscitation+2015.">European resuscitation council guidelines for resuscitation 2015.</a> Resuscitation. 95, 249-263 (2015).</li><li>Sawyer, T., Strandjord, T. P., Johnson, K., Low, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neonatal+airway+simulators,+how+good+are+they?+A+comparative+study+of+physical+and+functional+fidelity.">Neonatal airway simulators, how good are they? A comparative study of physical and functional fidelity.</a> J. Perinatol. 36 (2), 151-156 (2015).</li><li>Yao, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+printing:+review+of+application+in+medicine+and+hepatic+surgery.">Three-dimensional printing: review of application in medicine and hepatic surgery.</a> Cancer Biol. Med. 13 (4), 443-451 (2016).</li><li>Chua, C. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+assisted+surgery+planning.">Rapid prototyping assisted surgery planning.</a> Int. J. Adv. Manuf. Tech. 14 (9), 624-630 (1998).</li><li>Gibson, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+rapid+prototyping+to+assist+medical+applications.">The use of rapid prototyping to assist medical applications.</a> Rapid Prototyping J. 12 (1), 53-58 (2006).</li><li>Cai, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+3D+printing+in+orthopedics:+status+quo+and+opportunities+in+China.">Application of 3D printing in orthopedics: status quo and opportunities in China.</a> Ann. Transl. Med. 3 (Suppl 1), S12 (2015).</li><li>Thielen, M. W. H., Delbressine, F. L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rib+cage+recreation:+towards+realistic+neonatal+manikin+construction+using+MRI+scanning+and+3D+printing.">Rib cage recreation: towards realistic neonatal manikin construction using MRI scanning and 3D printing.</a> FASE. , 41-44 (2016).</li><li>Thielen, M., Joshi, R., Delbressine, F., Bambang Oetomo, S., Feijs, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+innovative+design+for+cardiopulmonary+resuscitation+manikins+based+on+a+human-like+thorax+and+embedded+flow+sensors.">An innovative design for cardiopulmonary resuscitation manikins based on a human-like thorax and embedded flow sensors.</a> JOEIM. 231 (3), 243-249 (2017).</li><li>Cohrs, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+soft+Total+Artificial+Heart+-+First+Concept+Evaluation+on+a+Hybrid+Mock+Circulation.">A soft Total Artificial Heart - First Concept Evaluation on a Hybrid Mock Circulation.</a> Artif. Organs. , (2017).</li><li>Sparks, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+silicone+materials+to+simulate+tissue+biomechanics+as+related+to+deep+tissue+injury.">Use of silicone materials to simulate tissue biomechanics as related to deep tissue injury.</a> Adv. Skin Wound Care. 28 (2), 59-68 (2015).</li><li>Van der Horst, A., Geven, M. C., Rutten, M. C., Pijls, N. H., Nvan de Vosse, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+anemometric+assessment+of+coronary+flow+reserve+with+a+pressure-sensing+guide+wire:+An+in+vitro+evaluation.">Thermal anemometric assessment of coronary flow reserve with a pressure-sensing guide wire: An in vitro evaluation.</a> Med. Eng. Phys. 33 (6), 684-691 (2011).</li><li>Miriyev, A., Stack, K., Lipson, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+material+for+soft+actuators.">Soft material for soft actuators.</a> Nature comm. 8 (596), (2017).</li></ol>

对于本研究中开发的模型, 我们确定需要在3分钟内进行注塑成型, 以防止空气进入铸件 (图 5,图 6)。为确保有机硅到达阀门的狭窄空间, 模具中阀门区域的 "预铸" 或 "涂层" 至关重要。由于塑造心脏腔的内部模具必须通过5毫米开口退出最终的硅胶铸件, 因此需要为模具进行多材料3d 打印, 以创建单个铸造心脏模型 (图 4)。我们多次降?...

每年有数百万新生儿被新生儿重症监护室 (nicu) 收治。在国家天主教儿童联盟, 大多数紧急情况与气道、呼吸和血液循环方面的问题有关 (abc), 需要胸部按压等干预措施。nps 为实施此类干预措施提供了宝贵的教学和培训工具。对于一些 nps, 嵌入式传感器可以检测性能是否符合建议的胸部按压深度和速度的临床指南1 。遵守准则可用于计算和量化绩效, 在这方面, 这种最先进的 nps 状态可被视为评估绩效的有形和白盒指标。
遵守建议的指南旨在改善患者的生理状况。例如, 胸部按压的目的是在循环系统中产生足够的血液流动。目前的高保真 nps (例如, 普雷米安妮 (莱尔达尔, 挪威的斯塔万格) 和保罗 (sim随时随地, 维也纳, 奥地利)), 不包含任何传感器来测量生理参数, 如训练期间的血液流动, 因为他们缺乏一个完整的心脏生成此生理参数。因此, 目前 nps 中胸部按压的有效性不能在生理水平上进行评估。为了使 nps 能够对胸部按压进行生理评估, 必须将解剖现实的人工心脏纳入 nps。此外, 研究2表明, 物理解剖保真度的提高可能会导致 nps 的功能保真度的提高。整合一个物理高保真器官系统既有利于训练的功能保真, 也有利于生理性能评估。
通过3d 打印可以显著提高 nps 的保真度。在医学上, 3d 成像和打印主要用于手术制备和创建植入物3,4,5。例如, 在外科模拟领域, 产生器官是为了训练外科医生进行外科手术.3d 打印的可能性尚未在 nps 中得到广泛应用。3d 成像和3d 打印的结合为 nps 提供了达到更高的物理保真度的可能性。由于用于3d 打印的技术和材料范围不断扩大, 心脏等复杂、灵活的新生儿器官的复制成为可能.
本文详细介绍了一种利用 mri、3d 打印和冷注射成型相结合的方法来创建功能性人工新生儿心脏的协议。本文的心脏模型包括两个心房, 两个心室, 四个功能瓣膜, 肺和全身动脉和静脉都产生的一个有机硅铸件。心脏模型可以充满液体, 配备传感器, 并用作输出参数发生器 (即胸部按压时的血压或心脏输出量, 以及阀门功能)。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ecoflex 5</td>
			<td>Smooth-on</td>
			<td></td>
			<td>Silicon casting material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>400ml Static mixers</td>
			<td>Smooth-on</td>
			<td></td>
			<td>Mixing tubes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Manual dispensing gun</td>
			<td>Smooth-on</td>
			<td></td>
			<td>Used for injection molding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-56 PTFE spray</td>
			<td>CRC</td>
			<td></td>
			<td>Release agent for the molds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium-hydroxide</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VeroWhite</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>The hard material used in the print</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TangoBlackPlus</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>The rubber material used in the print</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Support Material</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>The standard support material used by stratasys&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magill Forceps</td>
			<td>GIMA</td>
			<td></td>
			<td>Infant size. This is for removing the inner molds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stratasys Connex 350</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td>&#160;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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Balco Powerblast (Water Jet)</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Euro 8-24 Set P (Air Compressor)</td>
			<td>iSC</td>
			<td>4007292</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe with blunt needle</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
			<td>A 20ml syringe with a 0.5mm diameter blunt needle.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics 17.0 software</td>
			<td>Materialise&#160;</td>
			<td></td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magics 9.0 software</td>
			<td>Materialise&#160;</td>
			<td></td>
			<td>This was used to repair and smooth the .stl files generated by mimics. This smoothing can also&#160; be done in most other 3D modeling freeware.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Software used for editting the heart model. Most other freeware CAD software can be used to perform this stage of processing.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

anatomically realistic neonatal heart model for use in neonatal patient simulators

新生儿患者模拟器 (nps) 是在医学模拟训练中使用的人工病人代孕器。新生物学家和护理人员进行临床干预, 如胸部按压, 以确保患者的生存, 在心动过缓或心脏骤停的情况下。目前使用的模拟器物理保真度较低, 因此无法提供对胸部按压过程的定性洞察。在未来的模拟器中嵌入一个解剖逼真的心脏模型, 可以检测胸部按压过程中产生的心脏输出量;这可以为临床医生提供一个输出参数, 从而加深对压缩对所产生的血流量的影响的理解。在实现这种监测之前, 必须建立一个解剖现实的心脏模型, 其中包括: 两个心房、两个心室、四个心脏瓣膜、肺静脉和动脉, 以及全身静脉和动脉。该协议描述了通过使用磁共振成像 (mri)、3d 打印和冷注射成型形式的铸造相结合来创建这种功能的人工新生儿心脏模型的过程。在注塑成型过程中, 采用灵活的三维印刷内模方法, 可以获得一种解剖逼真的心脏模型。

这项研究详细介绍了一种结合 mri 成像、3d 打印和冷注射成型的解剖逼真的新生儿心脏模型的方法。本文所提出的心脏模型中不包括动脉导管和卵圆孔。本文介绍的方法也可应用于其他内脏器官, 如肺和肋骨笼结构。肋骨架结构不需要模具, 可以直接使用柔性材料打印。在 (图 7) 中, 我们描述了其中的几个示例。将心脏模型与这些其他人造身体部位结?...

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Anatomically Realistic Neonatal Heart Model for Use in Neonatal Patient Simulators

该协议描述了利用磁共振成像、3d 打印和注塑成型相结合的方法创建功能性人工新生儿心脏模型的过程。这些模型的目的是集成到下一代新生儿患者模拟器中, 并作为生理和解剖研究的工具。

在新生儿患者模拟器中使用的解剖现实新生儿心脏模型

Neonatal patient simulators (NPS) are artificial patient surrogates used in the context of medical simulation training. Neonatologists and nursing staff ...

此方法可以回答新生儿学领域的关键问题，例如胸部压缩期间产生多少心脏输出。这种技术的主要优点是，它能够创建一个灵活的心脏模型，而不会失去解剖现实主义。今天与我一起演示这个程序的将是贾斯珀·斯特克，一个来自我们实验室的技术人员。要获得具有代表性的新生儿心脏的图像片段，首先打开适当的处理软件程序。导入新生儿胸磁共振图像（MRI）格式为医学文件中的数字成像和通信。使用"编辑蒙版"工具，选择心脏存在的每个 MRI 切片上心肌区域，并创建新的草图图层。以相同的方式单独分割两个心室和两个心室，并使用计算 3D 工具将肌肉和腔室呈现为单独的 3D 表示形式。然后使用立体光刻 Plus 工具使用每个文件的最佳分辨率将段导出为五个立体光刻文件。用于新生儿心脏模具件的加工和打印，将心室瓣膜模具文件加载到计算机辅助设计软件程序中。使用原始 MRI 确定大动脉、肺、三叶虫和三叶虫瓣膜的位置。使用插入零件功能，将每个阀正负模具半部分的阀门文件拖动到其加载的 atria 和心室集中各自的位置到当前文件中。单击中庭或心室表面的位置，以指示放置位置。在"特征"选项卡下，选择"拉伸凸台基"以拉伸正负阀的基座，使阀突出于各自的腔室中，并酌情合并阀部件。将肺和主动脉阀文件添加到各自的心室位置，然后打开"草图"选项卡并选择"圆圈"工具。然后打开"特征"选项卡，并使用"扫地"基础功能从阀门顶部绘制两个直径为 5 毫米的拱形圆柱体，直到两个圆形圆柱面达到水平位置。将阀门部件合并到各自的心室和动脉后，再次选择圆形工具，并使用"拉伸凸台基"功能从四个腔室的底座上挤出直径为 5 毫米的垂直油缸，直到圆柱体长度为 40 毫米并突出到各自的腔室中。接下来，打开"草图"选项卡并选择"草图圆"工具。然后，要创建不同的深度缩进，请打开"特征"选项卡，并使用"切割拉伸"功能在圆柱体顶部绘制半圆，以向圆柱添加差分凹口。要从腔室和动脉中减去形状，右键单击以选择造型室和感兴趣的动脉的实体，然后选择"合并"功能以选择"减法"设置。保存腔室和动脉后，导入心肌模型。然后开始新的草图并按住 Shift 键以选择所有气缸基草图。要将六个圆柱体基草图偏移两毫米，请打开"草图"选项卡并选择"转换实体"。打开"特征"选项卡并使用"拉伸凸台基础"功能将拱形圆柱体与心肌模型合并。要从六个圆柱体的基座向下建模立方体，请选择"参考几何"并打开"草图"选项卡并选择"方形"工具。然后绘制一个长度和宽度比心肌模型最宽部分宽四毫米的正方形。使用"拉伸凸台基础"函数向下拉伸厚度为 8 毫米的正方形。使用"合并零件"功能将拉伸的正方形合并到六个圆柱体的基础。以相同的方式向底座的四个角的每个角添加四毫米立方体。使用方形基座作为草图，拉伸底座以覆盖整个心脏模型，并从盖中减去所有其他部分。使用参考几何函数生成感兴趣高度的参考平面，并选择"插入"、"模具"和"拆分"以在心脏模型的最宽部分拆分剩余矩形的顶部。以相同的方式在最方便的模具释放位置再次拆分剩余矩形，但以垂直方向。然后使用喷射打印机和刚性橡胶样光聚合物材料打印模具零件。对于内部模具，必须使用橡胶样材料，以便以后在不损坏或损坏模型的情况下去除这些模具。对于模具零件的冷注塑成型和精加工，首先喷洒除带释放剂的阀门以外的所有印刷零件的所有表面，然后用纸巾擦拭。风干 15 分钟后，关闭模具底座和两个侧面板，将模具放在两个造型器的顶部，使模具底座不与台面直接接触。将硅胶盒插入手动点胶枪，并使用喷枪将五毫升硅胶添加到测量杯中。将硅胶与混合工具混合，并使用混合工具将大量液体硅胶涂抹到右侧 atria 和心室阀的负面和正面。我们涂覆阀门以确保其功能。以右侧阀角连接两个腔室，然后将腔室推到基模中各自的气缸上。然后以类似的方式连接肺和主动脉拱柱体。让硅胶凝固两分钟。将模具的顶部和静态混合器连接到墨盒，挤压墨盒，直到分配所有硅胶，然后释放压力。将整个模具调节到两个造型器上，并将喷枪插入八毫米注塑插座。在三分钟内用低压挤压，直到所有通风口都显示出硅胶溢出的迹象。然后将金属分压器插入模具顶部和下部之间的裂纹中，以打开模具顶部。以相同方式一次拆下模具的侧面部分，注意不要刺穿心壁，并使用手术刀刺穿硅胶中的任何气泡。使用牙签用硅胶填充任何气泡孔，并允许模型再固化 30 分钟。当模型准备就绪时，用一只手牢牢包裹心脏模型，并使用压缩空气将模型吹离模具底部，将六个内部模具留在心模型中。使用注射器填充和加压左右心室以释放内部模具。然后使用 Magill 钳子拉出内两个模具部件，而不压缩阀段。这种 3D 模型打印方法也可以应用于其他内脏器官，如肺，或骨骼结构，如肋骨。使用非常灵活的内模材料进行 3D 打印，可以创建和释放复杂的有机结构，如果使用更硬的印刷材料，在拆卸内室时将被破坏。复杂的 3D 打印模型部件的高分辨率对于生成小型有机组件（如心脏模型系统中使用的组件）至关重要。该方法经过开发，为科研人员探索新生儿患者生理学铺平了道路。看完这段视频后，您应该对如何在单个铸造周期内使用四个腔室和四个瓣膜创建一个解剖学上逼真的新生儿心脏有了很好的了解。不要忘记，使用氢氧化钠可能非常危险。在此过程期间，请佩戴手和眼睛保护。

Research

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Bioengineering

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