Name: development and evaluation of 3d-printed cardiovascular phantoms for interventional planning and training
Uploaded: 2021-01-18T14:30:00
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Cette publication a été soutenue par la Fondation allemande du cœur / Fondation allemande de la recherche cardiaque.

L’approbation éthique a été examinée par le comité d’éthique de la Ludwig-Maximilians-Universität München et a été levée étant donné que les ensembles de données radiologiques utilisés dans cette étude ont été collectés rétrospectivement et entièrement anonymisés.
Veuillez vous référer aux directives de sécurité IRM de l’institut, en particulier en ce qui concerne le ventricule LVAD utilisé et les composants métalliques de la boucle d’écoulement.
<p cla...

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Le flux de travail présenté permet d’établir des modèles individualisés et d’effectuer ainsi une planification thérapeutique pré-interventionnelle, ainsi qu’une formation des médecins sur des anatomies individualisées. Pour ce faire, les données tomographiques spécifiques au patient peuvent être utilisées pour la segmentation et l’impression 3D de fantômes cardiovasculaires flexibles. En mettant en œuvre ces modèles imprimés en 3D dans une circulation simulée, différentes situations cliniques p...

Les thérapies individualisées prennent de plus en plus d’importance dans la pratique clinique moderne. Essentiellement, ils peuvent être classés en deux groupes: les approches génétiques et morphologiques. Pour les thérapies individualisées basées sur un ADN personnel unique, le séquençage du génome ou la quantification des niveaux d’expression génique est nécessaire1. On peut trouver ces méthodes en oncologie, par exemple, ou dans le traitement des troubles métaboliques2. La morphologie unique (c.-à-d. l’anatomie) de chaque individu joue un rôle important dans la médecine interventionnelle, chirurgicale et prothétique. Le développement de prothèses individualisées et la planification de thérapies pré-interventionnelles / opératoires représentent les axes centraux des groupes de recherche aujourd’hui3,4,5.
Issoin de la production de prototypes industriels, l’impression 3D est idéale pour ce domaine de la médecine personnalisée6. L’impression 3D est classée comme une méthode de fabrication additive et normalement basée sur un dépôt de matériau couche par couche. De nos jours, une grande variété d’imprimantes 3D avec différentes techniques d’impression est disponible, permettant le traitement de matériaux polymères, biologiques ou métalliques. En raison de l’augmentation des vitesses d’impression ainsi que de la disponibilité généralisée continue des imprimantes 3D, les coûts de fabrication deviennent progressivement moins chers. Par conséquent, l’utilisation de l’impression 3D pour la planification pré-interventionnelle dans les routines quotidiennes est devenue économiquement réalisable7.
L’objectif de cette étude était d’établir une méthode pour générer des fantômes spécifiques au patient ou à la maladie, utilisable dans la planification thérapeutique individualisée en médecine cardiovasculaire. Ces fantômes doivent être compatibles avec les méthodes d’imagerie courantes, ainsi qu’avec différentes approches thérapeutiques. Un autre objectif était l’utilisation des anatomies individualisées comme modèles de formation pour les médecins.

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	<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

Les interventions par cathéter sont des options de traitement standard pour les pathologies cardiovasculaires. Par conséquent, des modèles spécifiques aux patients pourraient aider à former les compétences de câblage des médecins ainsi qu’à améliorer la planification des procédures interventionnelles. L’objectif de cette étude était de développer un procédé de fabrication de modèles imprimés en 3D spécifiques au patient pour des interventions cardiovasculaires.
Pour créer un fantôme élastique imprimé en 3D, différents matériaux d’impression 3D ont été comparés aux tissus biologiques porcins (c’est-à-dire le tissu aortique) en termes de caractéristiques mécaniques. Un matériau de raccord a été sélectionné sur la base d’essais comparatifs de traction et des épaisseurs de matériau spécifiques ont été définies. Des ensembles de données CT anonymisées à contraste amélioré ont été recueillis rétrospectivement. Des modèles volumétriques spécifiques au patient ont été extraits de ces ensembles de données et imprimés en 3D. Une boucle d’écoulement pulsatile a été construite pour simuler le flux sanguin intraluminal pendant les interventions. L’adéquation des modèles à l’imagerie clinique a été évaluée par imagerie par rayons X, tomodensitométrie, IRM 4D et échographie (Doppler). Un produit de contraste a été utilisé pour améliorer la visibilité dans l’imagerie par rayons X. Différentes techniques de cathétérisme ont été appliquées pour évaluer les fantômes imprimés en 3D dans la formation des médecins ainsi que pour la planification du traitement pré-interventionnel.
Les modèles imprimés ont montré une résolution d’impression élevée (~ 30 μm) et les propriétés mécaniques du matériau choisi étaient comparables à la biomécanique physiologique. Les modèles physiques et numériques ont montré une grande précision anatomique par rapport à l’ensemble de données radiologiques sous-jacent. Les modèles imprimés convenaient à l’imagerie par ultrasons ainsi qu’aux rayons X standard. L’échographie Doppler et l’IRM 4D ont montré des schémas d’écoulement et des caractéristiques marquantes (c.-à-d. turbulence, contrainte de cisaillement des parois) correspondant aux données natives. Dans un laboratoire basé sur un cathéter, les fantômes spécifiques au patient étaient faciles à cathétériser. La planification thérapeutique et la formation des procédures interventionnelles sur les anatomies difficiles (p. ex., cardiopathie congénitale) étaient possibles.
Des fantômes cardiovasculaires flexibles spécifiques au patient ont été imprimés en 3D et l’application de techniques d’imagerie clinique courantes a été possible. Ce nouveau procédé est idéal comme outil de formation pour les interventions par cathéter (électrophysiologique) et peut être utilisé dans la planification d’un traitement spécifique au patient.

Les résultats représentatifs décrits se concentrent sur quelques structures cardiovasculaires couramment utilisées dans la planification, l’entraînement ou les tests. Ceux-ci ont été créés à l’aide de jeux de données isotropes CT avec un ST de 1,0 mm et une taille de voxel de 1,0 mm³. L’épaisseur de paroi des modèles d’anévrisme de l’aortic a été fixée à 2,5 mm conformément aux résultats comparatifs des essais de traction du matériau d’impression (résist...

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

Nous présentons ici le développement d’une configuration de circulation simulée pour l’évaluation de la thérapie multimodale, la planification pré-interventionnelle et la formation des médecins sur les anatomies cardiovasculaires. Avec l’application de tomodensitogrammes spécifiques au patient, cette configuration est idéale pour les approches thérapeutiques, la formation et l’éducation en médecine individualisée.

Développement et évaluation de fantômes cardiovasculaires imprimés en 3D pour la planification interventionnelle et la formation

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

La méthode présentée permet la création de modèles cardiovasculaires anatomiques spécifiques au patient pour les tests in vitro, l’enseignement et la planification des procédures. Cette méthode offre une approche standardisée pour créer des modèles anatomiques individualisés imprimables en 3D basés sur des ensembles de données radiologiques qui peuvent être facilement inclus dans des boucles d’écoulement ou des configurations d’entraînement. Bien que cette approche de modélisation soit axée sur le système cardiovasculaire, elle peut être transférée à d’autres structures anatomiques.La qualité de l’ensemble de données radiologiques a une grande influence sur les difficultés rencontrées lors de la modélisation. Pour les premiers modèles, utilisez un jeu de données avec un minimum d’artefacts de mouvement et une résolution spatiale élevée. Pour commencer, définissez une plage de valeurs unitaires de Hounsfield en ouvrant l’outil de seuillage, ce qui donne un masque combiné du contraste qui améliore le volume sanguin et les structures osseuses.Supprimez toutes les parties osseuses indésirables dans le modèle 3D final à l’aide de l’outil Masque fractionné, qui permet de marquer et de séparer plusieurs zones dans des tranches globales en fonction des valeurs et de l’emplacement de Hounsfield. Après cette séparation, assurez-vous qu’un masque contenant le contraste a amélioré le volume sanguin. Cela peut être fait en faisant défiler les plans coronal et axial et en faisant correspondre le masque créé avec le jeu de données sous-jacent.À partir de ce masque, calculez un modèle de surface de polygone 3D rendu. Cliquez sur l’outil Lissage local pour ajuster la surface du modèle segmenté manuellement et localement. Concentrez-vous sur la suppression des formes polygonales rugueuses, des pics simples et des arêtes rugueuses créées par les opérations de rognage précédentes.Pour permettre la connexion ultérieure du modèle à une boucle d’écoulement, incluez des pièces tubulaires avec des diamètres définis ajustés aux connecteurs de tuyau et aux diamètres de tube disponibles. Pour placer un plan de référence parallèlement à la coupe d’ouverture des récipients, sélectionnez l’outil Créer un plan de référence et utilisez le plan à 3 points prédéfini. Ensuite, cliquez sur trois points également espacés sur la section transversale du navire pour créer le plan.Entrez un décalage de 10 millimètres dans la fenêtre de commande et confirmez l’opération. Sélectionnez l’outil Esquisse de dessin dans le menu et choisissez le plan de référence créé précédemment comme emplacement de l’esquisse. Dans l’esquisse, placez un cercle à peu près sur la ligne médiane du récipient et définissez la contrainte de rayon pour qu’elle corresponde au diamètre extérieur du connecteur du tuyau.À partir de l’esquisse créée, utilisez l’outil Extruder pour créer un cylindre d’une longueur de 10 millimètres. Orientez l’extrusion pour s’éloigner de l’ouverture du récipient afin de créer une distance de 10 millimètres entre le cylindre et la section transversale du récipient. Utilisez ensuite l’outil Loft pour créer une connexion entre l’fin du récipient et le cylindre géométriquement défini.Assurer une transition en douceur entre les deux sections transversales, évitant ainsi les turbulences et les zones à faible débit dans le modèle d’écoulement 3D final. Enfin, utilisez l’outil Creux pour créer un espace de sang creux dans la fenêtre de commande, mettez l’épaisseur de paroi requise et définissez la direction du processus d’évidement pour qu’il se déplace vers l’extérieur. Confirmez la sélection pour exécuter le processus d’évidement.Après avoir téléchargé le fichier d’impression du logiciel de découpage vers l’imprimante 3D, assurez-vous que la quantité de matériel d’impression et de support dans les cartouches de l’imprimante est suffisante pour le modèle 3D et démarrez l’impression. Après le processus d’impression, retirez le matériau de support du modèle fini. Tout d’abord, retirez le matériau de support manuellement en pressant doucement le modèle.Placez le modèle sur l’évier, puis immergez-le dans de l’eau ou un solvant respectif après avoir retiré le couvercle. Séchez le modèle dans un incubateur réglé à 40 degrés Celsius pendant la nuit. Le lendemain, incorporez le modèle dans 1%agar.Utilisez une boîte en plastique avec des marges latérales d’au moins deux centimètres autour du modèle et percez des trous dans les parois pour permettre aux tubes d’être connectés des récipients à la pompe et au réservoir. Ajouter la gélose à l’eau et porter à ébullition. Après avoir remué le mélange, laissez-le refroidir pendant cinq minutes et versez-le dans la boîte pour créer un lit d’au moins deux centimètres de hauteur.Pendant que le lit de gélose se fixe, connectez le modèle à un tube en PVC non conforme à l’aide de connecteurs de tuyau commerciaux à chaque ouverture. Utilisez des attaches zippées pour fixer la connexion entre les connecteurs de tuyau et le modèle 3D et assurez-vous qu’il n’y a pas de fuite de liquide. Guidez les tubes en PVC à travers les trous percés dans la boîte, puis placez le modèle sur le dessus du lit de gélose.Pour éviter que la gélose ne s’échappe de ces trous, utilisez de la pâte à modeler résistante à la chaleur pour la sceller. Ensuite, remplissez la boîte avec de la gélose et couvrez le modèle en ajoutant une couche de deux centimètres sur le dessus. Laissez la gélose refroidir complètement et réglez pendant une heure à température ambiante.Agiter le ventricule à l’aide d’une pompe à piston d’un volume de course de 120 à 150 millilitres. Pour l’imagerie CT, placez toute la boucle d’écoulement dans le scanner CT avec l’unité d’entraînement à proximité. Connectez la pompe d’agent de contraste directement au réservoir de la boucle d’écoulement afin que l’inondation du modèle avec un agent de contraste puisse être simulée pendant la numérisation.Ceci est particulièrement utile pour visualiser les pathologies vasculaires. Effectuez une tomodensitométrie sous forme de balayage dynamique sur l’ensemble du modèle pour visualiser l’entrée de l’agent de contraste. Injecter 100 millilitres d’un à 10 agents de contraste iodés dilués dans le réservoir du modèle à une vitesse de quatre millilitres par seconde.Commencez le balayage en utilisant le déclenchement du bolus dans le tube principal avec un seuil d’unité de Hounsfield de 100 dans un délai de quatre secondes. Pour effectuer une échographie, placez une petite quantité de gel à ultrasons sur le bloc d’agar pour réduire les artefacts. Démarrez la pompe et utilisez la tête à ultrasons pour localiser la structure anatomique d’intérêt.Utilisez le mode écho 2D pour évaluer le mouvement du feuillet ainsi que le comportement d’ouverture et de fermeture de la valve. Utilisez le Doppler couleur pour évaluer le flux sanguin à travers la valve et le Doppler spectral pour quantifier la vitesse d’écoulement suivant la valve cardiaque. Insérez un orifice d’accès dans le tube en PVC directement sous le modèle 3D pour permettre un accès plus facile à l’anatomie avec un cathéter cardiaque ou un fil guide.Après avoir démarré la boucle d’écoulement, vérifiez s’il y a des fuites au point d’entrée du port. Si nécessaire, utilisez un adhésif à deux composants pour sceller l’ouverture. Placez le modèle 3D sur la table du patient sous les bras C de l’appareil à rayons X.Utilisez l’imagerie par rayons X pour guider le cathéter et guider les fils à travers la structure anatomique. Pour l’IRM 4D, utilisez un scanner de 1,5 Tesla et assurez-vous que le protocole d’acquisition consiste en un ARM amélioré sans contraste dans la séquence de flux 4D. Acquérir un jeu de données isotropes avec 25 phases dans une épaisseur de tranche de 1,2 millimètre.Réglez l’encodage de la vitesse à 100 centimètres par seconde. Effectuez l’analyse d’image de flux 4D avec un logiciel disponible dans le commerce. Tout d’abord, importez le jeu de données IRM 4D en le sélectionnant à partir du lecteur flash, puis effectuez une correction semi-automatisée du décalage et une correction de l’aliasing pour améliorer la qualité de l’image.La ligne médiane du récipient sera automatiquement tracée et le logiciel extrait le volume 3D. Enfin, effectuez une analyse quantitative des paramètres de flux en cliquant sur les onglets individuels dans la fenêtre d’analyse. La visualisation de flux, la visualisation de ligne de chemin et le vecteur de flux peuvent être visualisés sans autre entrée.Pour quantifier la pression et la contrainte de cisaillement de la paroi dans l’onglet représentatif, placez deux plans en cliquant sur le bouton Ajouter un plan. Déplacez les plans vers le roi en les faisant glisser le long de la ligne centrale afin qu’un plan soit placé au début du retour sur investissement et un autre à la fin. La perte de charge à travers le retour sur investissement et la contrainte de cisaillement des murs seront visualisées et quantifiées dans le diagramme à côté du modèle 3D.Les modèles imprimés en 3D présentés offrent un large éventail de possibilités en imagerie CT. Le matériau imprimé peut être facilement distingué de la gélose environnante et d’éventuels implants métalliques. Par conséquent, l’utilisation d’un agent de contraste n’est normalement pas nécessaire, sauf pour générer des séquences d’imagerie dynamiques.Lors de l’utilisation de l’imagerie par ultrasons, il est possible de distinguer la paroi du modèle, la gélose environnante et les objets dynamiques minces comme les feuillets de valve cardiaque. La couche de gélose sur le dessus du modèle fournit un retour haptique réaliste pendant le processus de numérisation. L’analyse de flux dans la boucle d’écoulement offre un large éventail d’applications possibles et d’imagerie pré-interventionnelle.La séquence IRM 4D permet de visualiser l’écoulement des fluides, les turbulences et la contrainte de cisaillement des parois dans le modèle imprimé en 3D, ce qui permet d’analyser les schémas d’écoulement suivant des valves cardiaques artificielles. Ce flux de travail peut être transféré à différentes procédures médicales interventionnelles à des fins de formation ou de planification. La technique permet un examen in vitro plus approfondi du comportement d’écoulement dans les grands vaisseaux cardiovasculaires et offre un grand potentiel pour la planification de thérapie individualisée.

Research

JoVE Journal

Medicine

Renal Capsule Xenografting and Subcutaneous Pellet Implantation for the Evaluation of Prostate Carcinogenesis and Benign Prostatic Hyperplasia

Rénale Capsule xénogreffe sous-cutanée et Pellet implantation pour l&#39;évaluation de la carcinogenèse prostatique et l&#39;hyperplasie prostatique bénigne

New therapies for two common prostate diseases,  prostate cancer (PrCa) and benign prostatic hyperplasia (BPH), depend  critically on experiments ...

Recherche

Médecine

Dual-phase Cone-beam Computed Tomography to See, Reach, and Treat Hepatocellular Carcinoma during Drug-eluting Beads Transarterial Chemo-embolization

The advent of cone-beam computed tomography (CBCT) in the angiography suite has been revolutionary in interventional radiology. CBCT offers 3 ...

Inducing Myointimal Hyperplasia Versus Atherosclerosis in Mice: An Introduction of Two Valid Models

Induisant myointimale hyperplasie Versus athérosclérose chez la souris: An Introduction de deux modèles valides

Various in vivo laboratory rodent models for the induction of artery stenosis have been established to mimic diseases that include arterial plaque ...

A Multicenter MRI Protocol for the Evaluation and Quantification of Deep Vein Thrombosis

Un protocole IRM multicentrique pour l&#39;évaluation et la quantification des thrombose veineuse profonde

We evaluated a magnetic resonance venography (MRV) approach with gadofosveset to quantify total thrombus volume changes as the principal criterion for ...

Lung Fixation under Constant Pressure for Evaluation of Emphysema in Mice

Fixation pulmonaire sous pression constante pour l'évaluation de l'emphysème chez les souris

Emphysema is a significant feature of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). Studies involving an emphysematous mouse model require optimal lung ...

Transaxillary First Rib Resection for Treatment of the Thoracic Outlet Syndrome

Résection transaxillaire de la première côte pour le traitement du syndrome du défilé thoracique

Thoracic outlet syndrome (TOS) is a common disorder that causes a significant loss of productivity. The transaxillary first rib resection (TFRR) protocol ...

Invasive Hemodynamic Assessment for the Right Ventricular System and Hypoxia-Induced Pulmonary Arterial Hypertension in Mice

Évaluation hémodynamique invasive pour le système ventriculaire droit et l'hypertension artérielle pulmonaire induite par l'hypoxie chez les souris

Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a chronic and severe cardiopulmonary disorder. Mice are a popular animal model used to mimic this disease. ...

Novel Percutaneous Approach for Deployment of 3D Printed Coronary Stenosis Implants in Swine Models of Ischemic Heart Disease

Nouvelle approche percutanée pour le déploiement d’implants de sténose coronaire imprimés en 3D dans les modèles porcins de la maladie cardiaque ischémique

Minimally invasive methods for creating models of focal coronary narrowing in large animals are challenging. Rapid prototyping using three-dimensionally ...

Direct Drug Delivery to Kidney via the Renal Artery

Livraison directe de médicaments au rein par l’intermédiaire de l’artère rénale

There is a need for directed injections to enable increased and specific renal exposure for efficient evaluation of drug targets in the renal research ...

Interventional Diagnostic Procedure: A Practical Guide for the Assessment of Coronary Vascular Function

Procédure de diagnostic interventionnel : Guide pratique pour l’évaluation de la fonction vasculaire coronarienne

Approximately 40% of patients undergoing invasive coronary angiography for investigation of angina are found to have no obstructive coronary artery ...