Name: development and evaluation of 3d-printed cardiovascular phantoms for interventional planning and training
Uploaded: 2021-01-18T14:30:00
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该出版物得到了德国心脏基金会/德国心脏研究基金会的支持。

路德维希-马克西米利安大学蒙琴大学伦理委员会审议了道德批准，并放弃了这一批准，因为这项研究中使用的放射性数据集是追溯收集的，并且完全匿名。
请参阅该研究所的 MRI 安全指南，特别是关于流量环的二手 LVAD 心室和金属部件。
1. 数据采集
<ol><li>在创建解剖幻象之前，选择合适的放射数据集，最好是从心血管学科的患者中选择。虚拟 3D 模型可...

<ol>
	<li>Goetz, L. H., Schork, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Personalized+medicine:+motivation,+challenges,+and+progress.">Personalized medicine: motivation, challenges, and progress.</a> Fertility and Sterility. 109 (6), 952-963 (2018).</li><li>Gwin, W. R., Disis, M. L., Ruiz-Garcia, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immuno-Oncology+in+the+Era+of+Personalized+Medicine.">Immuno-Oncology in the Era of Personalized Medicine.</a> Advances in Experimental Medicine and Biology. 1168, 117-129 (2019).</li><li>Spetzger, U., Frasca, M., K&#246;nig, S. 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呈现的工作流程允许建立个性化模型，从而执行介入前治疗规划，以及医生关于个性化解剖学的培训。为此，患者特异性断层数据可用于柔性心血管幻象的分割和 3D 打印。通过在模拟循环中实现这些 3D 打印模型，可以现实地模拟不同的临床情况。
如今，许多治疗规划程序侧重于不同场景的数字模拟，以找出最有利的结果10，11。与...

个性化疗法在现代临床实践中越来越重要。从本质上讲，它们可以分为两组：遗传方法和近视方法。对于基于独特个人DNA的个性化疗法，无论是基因组测序还是基因表达水平的量化都是必要的。例如，在肿瘤学或代谢紊乱治疗中可以找到这些方法。每个人的独特形态学（即解剖学）在介入医学、外科医学和假肢医学中起着重要作用。个性化假肢的发展和介入前/手术前的治疗规划是当今研究小组研究的重点。
3D打印来自工业原型生产，是个性化医学领域的理想之选。3D 打印被归类为添加剂制造方法，通常基于材料的逐层沉积。如今，我们拥有多种具有不同打印技术的 3D 打印机，可加工聚合物、生物或金属材料。由于打印速度的提高以及 3D 打印机的持续普及，制造成本正逐渐降低。因此，在日常生活中使用3D打印进行干预前规划在经济上已变得可行。
本研究的目的是建立一种产生患者特异性或疾病特异性幻象的方法，用于心血管医学的个性化治疗规划。这些幻象应与常见的成像方法以及不同的治疗方法兼容。另一个目标是使用个性化解剖学作为医生的培训模型。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3-matic</td>
			<td>Materialise AB</td>
			<td></td>
			<td>Software Version 15.0 - Commercial 3D-Modeling Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Affiniti 50</td>
			<td>Philips Medical Systems GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Ultrasonic Imaging System</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agilista W3200</td>
			<td>Keyence Co.</td>
			<td></td>
			<td>Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30&#181;m</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AR-G1L</td>
			<td>Keyence Co.</td>
			<td></td>
			<td>flexible 3D-Printing material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Artis Zee</td>
			<td>Siemens Healthcare GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Angiographic X-ray Scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cvi42</td>
			<td>CCI Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Software Version 5.12 - 4D Flow Analysis Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2</td>
			<td>Cordis, A Cardinal Health company</td>
			<td></td>
			<td>Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Excor Ventricular Assist Device</td>
			<td>Berlin Heart GmbH</td>
			<td></td>
			<td>80 -100ml stroke volume</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imeron 400 Contrast Agent</td>
			<td>Bracco Imaging</td>
			<td></td>
			<td>CT - Contrast Agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IntroGuide F</td>
			<td>Angiokard Medizintechnik GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Guidewire with J-tip; diameter: 0.035&#34; length: 220cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lunderquist Guidewire</td>
			<td>Cook Medical Inc.</td>
			<td></td>
			<td>(T)EVAR interventional guidewire</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MAGNETOM Aera</td>
			<td>Siemens Healthcare GmbH</td>
			<td></td>
			<td>MRI Scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnevist Contrast Agent</td>
			<td>Bayer Vital GmbH</td>
			<td></td>
			<td>MRI - Contrast Agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics</td>
			<td>Materialise AB</td>
			<td></td>
			<td>Software Version 23.0 - Commercial Segmentation Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Modeling Studio</td>
			<td>Keyence Co.</td>
			<td></td>
			<td>3D-Printer Slicing Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PVC tubing</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Radifocus Guide Wire M</td>
			<td>Terumo Europe NV</td>
			<td></td>
			<td>Straight guidewire; diameter: 0.035&#34; length: 260cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Really useful box 9L</td>
			<td>Really useful products Ltd.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotigarose - Standard Agar</td>
			<td>Carl Roth GmbH</td>
			<td>3810.4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks</td>
			<td>Dassault Systemes SE</td>
			<td></td>
			<td>Software Version 2019-2020; CAD Design Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOMATOM Force</td>
			<td>Siemens Healthcare GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Computed Tomography Scanner</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>syngo via</td>
			<td>Siemens Healthcare GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Radiological Imaging Software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development and evaluation of 3d-printed cardiovascular phantoms for interventional planning and training

基于导管的干预措施是心血管病理学的标准治疗方案。因此，患者专用模型可以帮助培训医生的线技能，以及改进干预程序的规划。本研究的目的是开发用于心血管干预的患者专用3D打印模型的制造过程。
为了创建一个3D打印弹性幻象，不同的3D打印材料被比较为猪生物组织（即主动脉组织）的机械特性。根据比较拉伸测试选择合适的材料，并定义特定材料厚度。追溯性地收集了匿名对比增强 CT 数据集。从这些数据集中提取了患者特异性体积模型，随后进行了 3D 打印。构建了脉冲流回路，以模拟干预期间的发光血流。模型是否适合临床成像，通过X射线成像、CT、4D-MRI和（多普勒）超声波检查来评估。对比介质用于提高基于 X 射线的成像的可见性。在医生培训以及介入前治疗规划中应用了不同的导管技术来评估 3D 打印幻象。
印刷模型显示打印分辨率高（+30 μm），所选材料的机械性能可与生理生物力学相媲美。与底层放射数据集相比，物理和数字模型的解剖精度较高。打印模型适用于超声波成像和标准 X 射线。多普勒超声波和 4D-MRI 显示与本地数据匹配的流模式和地标特征（即湍流、壁切应力）。在基于导管的实验室环境中，患者特异性幻象很容易导管。有可能对具有挑战性的解剖（例如先天性心脏病）的介入程序进行治疗规划和培训。
灵活的患者特异性心血管幻影是3D打印的，并有可能应用常见的临床成像技术。这一新工艺是理想的导管（电生理）干预训练工具，可用于患者特定的治疗规划。

所述的代表性结果侧重于规划、培训或测试环境中常用的一些心血管结构。这些数据是使用 ST 为 1.0 mm 和 voxel 大小为 1.0 mm 的同位素 CT 数据集创建的。主动脉瘤模型的壁厚设置为2.5毫米，符合印刷材料的比较拉伸测试结果（拉伸强度：0.62±0.01 N/mm2：最高： 1.55 ± 0.02 N：拉长： 9.01 ± 0.34%） 和猪主动脉样本 （宽度： 1 毫米：最高：1.62 ± 0.83 N：拉?...

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Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

在这里，我们介绍了一个模拟循环设置的开发，用于多式联运治疗评估、介入前规划和心血管解剖学的医生培训。通过应用患者特异性断层扫描，此设置非常适合治疗方法、培训和个性化医学教育。

干预规划和培训的3D打印心血管幻影的开发与评估

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

提出的方法允许创建患者特异性解剖心血管模型，用于体外测试、教学和程序规划。该方法提供了一种标准化的方法，可以基于放射性数据集创建 3D 可打印的个性化解剖模型，这些模型可以轻松地包含在流量循环或培训设置中。虽然这种建模方法侧重于心血管系统，但它可以转移到其他解剖结构。放射性数据集的质量对建模过程中遇到的困难有很大影响。对于第一个模型，使用具有最小运动文件和高空间分辨率的数据集。首先，通过打开阈值工具来定义一系列 Hounsfield 单位值，从而将对比度增强的血液体积和骨骼结构组合起来。使用拆分掩码工具去除最终 3D 模型中不可取的所有骨骼部分，该工具可根据 Hounsfield 值和位置标记和分离整体切片中的多个区域。分离后，确保含有对比增强血量的面膜保留。这可以通过滚动穿过日冕和轴向平面，并将创建的掩码与底层数据集进行匹配来完成。从此面膜，计算渲染的 3D 多边形表面模型。单击"本地平滑"工具，手动和本地调整分段模型的表面。专注于去除以前修剪操作创建的粗糙多边形、单峰和粗糙边缘。为了允许模型的后期连接到流环，请包括已定义直径调整为可用软管连接器和管直径的管状部件。要放置与容器开口横截面平行的基准平面，请选择工具、创建基准平面，并使用预设的 3 点平面。接下来，单击船舶横截面上的三个相等间隔点以创建平面。在命令窗口输入 10 毫米的偏移，并确认操作。从菜单中选择绘图工具，并选择以前创建的基准平面作为草图的位置。在草图中，大致在容器的中心线上放置一个圆圈，并设置半径约束，以匹配软管连接器的外径。从创建的草图中，使用 Extrude 工具创建长度为 10 毫米的圆柱体。定向挤出远离容器开口，在气缸和船横截面之间创建 10 毫米的距离。然后使用阁楼工具在容器末端和几何定义的圆柱体之间创建连接。确保两个横截面之间的平稳过渡，从而避免最终 3D 流量模型中的湍流和低流量区域。最后，使用空心工具在指挥窗口中制造空心血空间，并放置所需的墙厚，并设置空心过程向外移动的方向。确认执行空心过程的选择。将打印文件从切片软件上传到 3D 打印机后，确保打印机墨盒中的打印材料和支持材料量足以满足 3D 模型并开始打印。按照打印过程，从成品模型中取出支撑材料。首先，通过轻轻挤压模型手动拆卸支撑材料。将模型放在水槽上，然后在取下盖子后将其浸入水中或相应的溶剂中。将模型干燥在孵化器中，一夜之间达到 40 摄氏度。第二天，将模型嵌入 1% 的 agar 中。使用模型周围至少有两厘米侧边边缘的塑料盒，并在墙壁上钻孔，使管子从容器连接到泵和储油层。将阿加加入水中煮沸。搅拌混合物后，让它冷却五分钟，倒入盒子，形成至少两厘米高的床。当 Agar 床设置时，每次打开时都使用商业软管连接器将模型连接到不符合要求的 PVC 管。使用拉链连接来修复软管连接器和 3D 型号之间的连接，并确保没有液体泄漏。引导PVC管通过钻孔进入盒子，然后将模型放在设置的阿加床的顶部。为了防止从这些孔中渗出的醋，请使用耐热建模粘土将其密封。接下来，在盒子上加上一层阿加，并在上面加一层两厘米的黄油来盖住模型。让阿加完全冷却，并在室温下设置一小时。使用冲压量为 120 到 150 毫升的活塞泵搅拌心室。对于 CT 成像，将整个流量循环放在 CT 扫描仪内，驱动单元站在附近。将对比剂泵直接连接到流量循环的储层，以便在扫描过程中模拟模型与对比剂的充斥。这对于可视化血管病理学特别有用。在整个模型上执行 CT 作为动态扫描，以可视化对比剂流入。以每秒四毫升的速度将 100 毫升的 1 到 10 个稀释的碘对比剂注入模型的储层中。开始扫描使用 bolus 触发在领先的管与 100 洪斯菲尔德单位阈值在四秒延迟。要执行声像，在 agar 块顶部放置少量超声波凝胶以减少人工制品。启动泵，使用超声波头定位感兴趣的解剖结构。使用二维回波模式来评估传单运动以及阀门的开闭行为。使用彩色多普勒来评估穿过瓣膜和光谱多普勒的血流量，以量化心脏瓣膜后的流动速度。将接入端口插入 3D 模型正下方的 PVC 管中，以便使用心脏导管或导引线更轻松地访问解剖学。启动流量循环后，在端口入口处检查泄漏情况。如有必要，请使用两个组件粘合剂密封开口。将 3D 模型放在 X 光机 C 臂下方的患者桌上。使用 X 射线成像来引导导管并引导导线穿过解剖结构。对于 4D MRI，请使用 1.5 特斯拉扫描仪，并确保收购协议由 4D 流序列中的非对比增强 MRA 组成。获得切片厚度为 1.2 毫米的 25 相的同位素数据集。将速度编码设置为每秒 100 厘米。使用商用软件执行 4D 流量图像分析。首先，通过从闪存驱动器中选择 4D MRI 数据集导入，然后执行半自动偏移校正和校正别名，以提高图像质量。将自动跟踪容器的中心线，软件提取 3D 音量。最后，通过单击分析窗口中的单个选项卡对流量参数进行定量分析。无需进一步输入即可可视化流可视化、路径线可视化和流向量。要在代表选项卡中量化压力和壁切应力，请单击"添加平面"按钮放置两个平面。将飞机拖至投资回报率，沿着中心线拖动，以便将一架飞机放置在投资回报率的开头，一架飞机放在末端。在 3D 模型旁边的图表中，将可视化和量化整个 ROI 和壁切应力的压力下降。呈现的 3D 打印模型在 CT 成像方面提供了多种可能性。印刷材料可以很容易地区别于周围的阿加和可能的金属植入物。因此，通常不需要使用对比剂，但生成动态成像序列除外。使用超声波成像时，可以区分模型的墙壁、周围的阿加和心脏瓣膜传单等薄动态物体。模型顶部的 agar 层在扫描过程中提供逼真的触觉反馈。流环内的流量分析提供了广泛的可能应用和介入前成像。4D MRI 序列可在 3D 打印模型中可视化流体流、湍流和壁切应力，从而能够分析人工心脏瓣膜后的流模式。此工作流程可转移到不同的介入医疗程序，用于培训或规划目的。该技术允许对大型心血管中的流动行为进行更密切的体外检查，并为个性化治疗规划提供了巨大潜力。

Research

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