Name: development and evaluation of 3d-printed cardiovascular phantoms for interventional planning and training
Uploaded: 2021-01-18T14:30:00
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Diese Publikation wurde gefördert durch die Deutsche Herzstiftung/Deutsche Stiftung Herzforschung.

Die ethische Zulassung wurde von der Ethikkommission der Ludwig-Maximilians-Universität München geprüft und auf diese verzichten, da die in dieser Studie verwendeten radiologischen Datensätze retrospektiv erhoben und vollständig anonymisiert wurden.
Bitte beachten Sie die MRT-Sicherheitsrichtlinien des Instituts, insbesondere in Bezug auf den verwendeten LVAD-Ventrikel und die Metallkomponenten des Strömungskreislaufs.
1. Datenerfassung
<ol><li>Wählen Sie v...

<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. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surgical+planning,+manufacturing+and+implantation+of+an+individualized+cervical+fusion+titanium+cage+using+patient-specific+data.">Surgical planning, manufacturing and implantation of an individualized cervical fusion titanium cage using patient-specific data.</a> European Spine Journal. 25 (7), 2239-2246 (2016).</li><li>Gardner, S. J., Kim, J., Chetty, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modern+radiation+therapy+planning+and+delivery.">Modern radiation therapy planning and delivery.</a> Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 947-962 (2019).</li><li>Haglin, J. M., 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=Patient-specific+orthopaedic+implants.">Patient-specific orthopaedic implants.</a> Orthopaedic surgery. 8 (4), 417-424 (2016).</li><li>Liaw, C. Y., Guvendiren, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+emerging+applications+of+3D+printing+in+medicine.">Current and emerging applications of 3D printing in medicine.</a> Biofabrication. 9 (2), 024102 (2017).</li><li>Pugliese, 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=The+clinical+use+of+3D+printing+in+surgery.">The clinical use of 3D printing in surgery.</a> Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).</li><li>Kamalian, S., Lev, M. H., Gupta, R., Masdeu, J. C., Gonzalez, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of Clinical Neurology. , 3-20 (2016).</li><li>B&#252;cking, T. M., 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=From+medical+imaging+data+to+3D+printed+anatomical+models.">From medical imaging data to 3D printed anatomical models.</a> PLoS One. 12 (5), 0178540 (2017).</li><li>Steinberg, E. L., Segev, E., Drexler, M., Ben-Tov, T., Nimrod, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preoperative+planning+of+orthopedic+procedures+using+digitalized+software+systems.">Preoperative planning of orthopedic procedures using digitalized software systems.</a> Israel Medical Association Journal. 18 (6), 354-358 (2016).</li><li>Hua, J., Aziz, S., Shum, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Virtual+surgical+planning+in+oral+and+maxillofacial+surgery.">Virtual surgical planning in oral and maxillofacial surgery.</a> Oral and Maxillofacial Surgery Clinics of North America. 31 (4), 519-530 (2019).</li><li>Schmauss, D., Haeberle, S., Hagl, C., Sodian, R. <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+in+cardiac+surgery+and+interventional+cardiology:+a+single-centre+experience.">Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology: a single-centre experience.</a> European Journal of Cardiothoracic Surgery. 47 (6), 1044-1052 (2015).</li><li>Smelt, J. L. 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=Operative+Planning+in+thoracic+surgery:+A+pilot+study+comparing+imaging+techniques+and+three-dimensional+printing.">Operative Planning in thoracic surgery: A pilot study comparing imaging techniques and three-dimensional printing.</a> The Annals of Thoracic Surgery. 107 (2), 401-406 (2019).</li><li>Masaeli, R., Zandsalimi, K., Rasoulianboroujeni, M., Tayebi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+in+three-dimensional+printing+of+bone+substitutes.">Challenges in three-dimensional printing of bone substitutes.</a> Tissue Engineering Part B: Reviews. 25 (5), 387-397 (2019).</li><li>Rafiee, M., Farahani, R. D., Therriault, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-material+3D+and+4D+printing:+A+survey.">Multi-material 3D and 4D printing: A survey.</a> Advanced Science. 7 (12), 1902307 (2020).</li><li>Wang, S., 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=Development+and+testing+of+an+ultrasound-compatible+cardiac+phantom+for+interventional+procedure+simulation+using+direct+three-dimensional+printing.">Development and testing of an ultrasound-compatible cardiac phantom for interventional procedure simulation using direct three-dimensional printing.</a> 3D Printing and Additive Manufacturing. 7 (6), 269-278 (2020).</li><li>D'Souza, W. D., 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=Tissue+mimicking+materials+for+a+multi-imaging+modality+prostate+phantom.">Tissue mimicking materials for a multi-imaging modality prostate phantom.</a> Medical Physics. 28 (4), 688-700 (2001).</li><li>Tejo-Otero, A., Buj-Corral, I., Fenollosa-Art&#233;s, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+in+medicine+for+preoperative+surgical+planning:+A+review.">3D printing in medicine for preoperative surgical planning: A review.</a> Annals of Biomedical Engineering. 48 (2), 536-555 (2020).</li><li>Rotman, O. M., 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=Realistic+vascular+replicator+for+TAVR+procedures.">Realistic vascular replicator for TAVR procedures.</a> Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 339-350 (2018).</li><li>Hussein, N., 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=Hands-on+surgical+simulation+in+congenital+heart+surgery:+Literature+review+and+future+perspective.">Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective.</a> Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).</li><li>Fedorov, A., 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=3D+slicer+as+an+image+computing+platform+for+the+quantitative+imaging+network.">3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network.</a> Magnetic resonance imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).</li><li>Katsura, M., Sato, J., Akahane, M., Kunimatsu, A., Abe, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+novel+techniques+for+metal+artifact+reduction+at+ct:+practical+guide+for+radiologists.">Current and novel techniques for metal artifact reduction at ct: practical guide for radiologists.</a> Radiographics. 38 (2), 450-461 (2018).</li><li>P&#233;pin, A., Daouk, J., Bailly, P., Hapdey, S., Meyer, M. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Management+of+respiratory+motion+in+PET/computed+tomography:+the+state+of+the+art.">Management of respiratory motion in PET/computed tomography: the state of the art.</a> Nuclear Medicine Communications. 35 (2), 113-122 (2014).</li><li>Scott, A. D., Keegan, J., Firmin, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Motion+in+cardiovascular+MR+imaging.">Motion in cardiovascular MR imaging.</a> Radiology. 250 (2), 331-351 (2009).</li></ol>

Der vorgestellte Workflow ermöglicht es, individualisierte Modelle zu etablieren und dadurch eine vorinterventionelle Therapieplanung sowie ärztliche Schulungen zu individualisierten Anatomien durchzuführen. Um dies zu erreichen, können patientenspezifische tomographische Daten für die Segmentierung und den 3D-Druck flexibler kardiovaskulärer Phantome verwendet werden. Durch die Implementierung dieser 3D-gedruckten Modelle in einer simulierten Zirkulation können verschiedene klinische Situationen realistisch simul...

Individualisierte Therapien gewinnen in der modernen klinischen Praxis zunehmend an Bedeutung. Im Wesentlichen lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: genetische und morphologische Ansätze. Für individualisierte Therapien, die auf einzigartiger persönlicher DNA basieren, ist entweder eine Genomsequenzierung oder die Quantifizierung der Genexpressionsniveaus erforderlich1. Man kann diese Methoden zum Beispiel in der Onkologie oder in der Behandlung von Stoffwechselstörungen finden2. Die einzigartige Morphologie (d.h. Anatomie) jedes Individuums spielt eine wichtige Rolle in der interventionellen, chirurgischen und prothetischen Medizin. Die Entwicklung individualisierter Prothesen und die präinterventionelle/operative Therapieplanung stellen heute zentrale Schwerpunkte der Forschungsgruppen dar3,4,5.
Aus der industriellen Prototypenproduktion stammend, ist der 3D-Druck ideal für diesen Bereich der personalisierten Medizin6. Der 3D-Druck wird als additives Fertigungsverfahren klassifiziert und basiert normalerweise auf einer Schicht-für-Schicht-Abscheidung von Material. Heutzutage steht eine vielzahl von 3D-Druckern mit unterschiedlichen Drucktechniken zur Verfügung, die die Verarbeitung von polymeren, biologischen oder metallischen Materialien ermöglichen. Durch steigende Druckgeschwindigkeiten sowie die kontinuierlich weit verbreitete Verfügbarkeit von 3D-Druckern werden die Herstellungskosten immer günstiger. Daher ist der Einsatz des 3D-Drucks zur vorinterventionellen Planung im Tagesablauf wirtschaftlich machbar geworden7.
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Erzeugung patientenspezifischer oder krankheitsspezifischer Phantome zu etablieren, die in der individualisierten Therapieplanung in der kardiovaskulären Medizin eingesetzt werden können. Diese Phantome sollten mit gängigen bildgebenden Verfahren sowie für verschiedene Therapieansätze kompatibel sein. Ein weiteres Ziel war die Nutzung der individualisierten Anatomien als Ausbildungsmodelle für Ärzte.

<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

Katheterbasierte Interventionen sind Standardbehandlungsmöglichkeiten für kardiovaskuläre Pathologien. Daher könnten patientenspezifische Modelle dazu beitragen, die Drahtfähigkeiten von Ärzten zu trainieren und die Planung interventioneller Verfahren zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, einen Herstellungsprozess von patientenspezifischen 3D-gedruckten Modellen für kardiovaskuläre Interventionen zu entwickeln.
Um ein 3D-gedrucktes elastisches Phantom zu erzeugen, wurden verschiedene 3D-Druckmaterialien hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften mit porcinen biologischen Geweben (d.h. Aortengewebe) verglichen. Basierend auf vergleichenden Zugversuchen wurde ein fitting Material ausgewählt und spezifische Materialdicken definiert. Anonymisierte kontrastverstärkte CT-Datensätze wurden retrospektiv erhoben. Aus diesen Datensätzen wurden patientenspezifische volumetrische Modelle extrahiert und anschließend 3D-gedruckt. Eine pulsatile Strömungsschleife wurde konstruiert, um den intraluminalen Blutfluss während der Eingriffe zu simulieren. Die Eignung der Modelle für die klinische Bildgebung wurde durch Röntgenbildgebung, CT, 4D-MRT und (Doppler-) Ultraschall beurteilt. Kontrastmittel wurde verwendet, um die Sichtbarkeit in der röntgenbasierten Bildgebung zu verbessern. Verschiedene Katheterisierungstechniken wurden angewendet, um die 3D-gedruckten Phantome in der Ärzteausbildung sowie für die präinterventionelle Therapieplanung zu bewerten.
Gedruckte Modelle zeigten eine hohe Druckauflösung (~30 μm) und die mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials waren vergleichbar mit der physiologischen Biomechanik. Physikalische und digitale Modelle zeigten eine hohe anatomische Genauigkeit im Vergleich zum zugrunde liegenden radiologischen Datensatz. Gedruckte Modelle waren sowohl für die Ultraschallbildgebung als auch für Standardröntgenaufnahmen geeignet. Doppler-Ultraschall und 4D-MRT zeigten Strömungsmuster und Landmarken (z. B. Turbulenzen, Wandscherspannung), die mit nativen Daten übereinstimmten. In einem katheterbasierten Labor waren patientenspezifische Phantome leicht zu katheterisieren. Therapieplanung und Training interventioneller Verfahren zu herausfordernden Anatomien (z.B. angeborene Herzkrankheit (KHK)) war möglich.
Flexible patientenspezifische kardiovaskuläre Phantome wurden 3D-gedruckt und die Anwendung gängiger klinischer Bildgebungsverfahren war möglich. Dieses neue Verfahren eignet sich ideal als Trainingsinstrument für katheterbasierte (elektrophysiologische) Eingriffe und kann in der patientenspezifischen Therapieplanung eingesetzt werden.

Die beschriebenen repräsentativen Ergebnisse konzentrieren sich auf einige kardiovaskuläre Strukturen, die häufig in Planungs-, Trainings- oder Testumgebungen verwendet werden. Diese wurden mit isotropen CT-Datensätzen mit einem ST von 1,0 mm und einer Voxelgröße von 1,0 mm³ erstellt. Die Wandstärke der Aortenaneurysmmodelle wurde auf 2,5 mm festgelegt, wobei die vergleichenden Zugprüfergebnisse des Druckmaterials (Zugfestigkeit: 0,62 ± 0,01N/mm2; Fmax: 1.5...

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

Hier präsentieren wir die Entwicklung eines Mock-Circulation-Setups für die multimodale Therapiebewertung, die präinterventionelle Planung und die ärztliche Ausbildung zu kardiovaskulären Anatomien. Mit der Anwendung von patientenspezifischen tomographischen Scans ist dieses Setup ideal für therapeutische Ansätze, Schulungen und Schulungen in der individualisierten Medizin.

Entwicklung und Evaluierung von 3D-gedruckten kardiovaskulären Phantomen für die interventionelle Planung und Das Training

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

Die vorgestellte Methode ermöglicht die Erstellung patientenspezifischer anatomischer kardiovaskulärer Modelle für In-vitro-Tests, Lehre und Planung von Verfahren. Diese Methode bietet einen standardisierten Ansatz zur Erstellung von 3D-druckbaren individualisierten anatomischen Modellen auf der Grundlage radiologischer Datensätze, die leicht in Strömungsschleifen oder Trainingsaufbauten einbezogen werden können. Während sich dieser Modellierungsansatz auf das Herz-Kreislauf-System konzentriert, kann er auf andere anatomische Strukturen übertragen werden.Die Qualität des radiologischen Datensatzes hat einen großen Einfluss auf die Schwierigkeiten bei der Modellierung. Verwenden Sie für die ersten Modelle einen Datensatz mit minimalen Bewegungsartefakten und einer hohen räumlichen Auflösung. Definieren Sie zunächst einen Bereich von Hounsfield-Einheitswerten, indem Sie das Schwellenwertwerkzeug öffnen, was zu einer kombinierten Maske des kontrastverstärkten Blutvolumens und der Knochenstrukturen führt.Entfernen Sie alle Knochenteile, die im endgültigen 3D-Modell unerwünscht sind, mit dem Werkzeug "Maske teilen", das das Markieren und Trennen mehrerer Bereiche in Gesamtscheiben basierend auf Hounsfield-Werten und -Position ermöglicht. Achten Sie nach dieser Trennung darauf, dass eine Maske mit dem kontrastverstärkten Blutvolumen erhalten bleibt. Dies kann durch Scrollen durch die koronale und axiale Ebene und das Abgleichen der erstellten Maske mit dem zugrunde liegenden Datensatz erfolgen.Berechnen Sie aus dieser Maske ein gerendertes 3D-Polygonflächenmodell. Klicken Sie auf das Lokale Glättungswerkzeug, um die Fläche des segmentierten Modells manuell und lokal anzupassen. Konzentrieren Sie sich auf das Entfernen von groben Polygonformen, einzelnen Spitzen und rauen Kanten, die durch vorherige Trimmvorgänge erzeugt wurden.Um den späteren Anschluss des Modells an eine Strömungsschleife zu ermöglichen, schließen Sie Rohrteile mit definierten Durchmessern ein, die an die verfügbaren Schlauchanschlüsse und Rohrdurchmesser angepasst sind. Um eine Bezugsebene parallel zum Öffnungsquerschnitt der Gefäße zu platzieren, wählen Sie das Werkzeug Bezugsebene erzeugen aus, und verwenden Sie die voreingestellte 3-Punkt-Ebene. Klicken Sie anschließend auf drei gleichmäßig verteilte Punkte im Querschnitt des Schiffes, um die Ebene zu erstellen.Geben Sie einen Offset von 10 Millimetern in das Befehlsfenster ein und bestätigen Sie den Vorgang. Wählen Sie im Menü das Skizzenziehwerkzeug aus und wählen Sie die zuvor erzeugte Bezugsebene als Position der Skizze aus. Platzieren Sie in der Skizze einen Kreis ungefähr auf der Mittellinie des Behälters, und legen Sie die Radiusbedingung so fest, dass sie dem Außendurchmesser des Schlauchanschlusses entspricht.Verwenden Sie aus der erstellten Skizze das Werkzeug Extrudieren, um einen Zylinder mit einer Länge von 10 Millimetern zu erzeugen. Richten Sie die Extrusion so aus, dass sie sich von der Behälteröffnung entfernt, um einen Abstand zwischen dem Zylinder und dem Behälterquerschnitt von 10 Millimetern zu schaffen. Verwenden Sie dann das Loft-Werkzeug, um eine Verbindung zwischen dem Gefäßende und dem geometrisch definierten Zylinder herzustellen.Sorgen Sie für einen fließenden Übergang zwischen den beiden Querschnitten, wodurch Turbulenzen und Bereiche mit geringer Strömung im endgültigen 3D-Strömungsmodell vermieden werden. Verwenden Sie schließlich das Hollow-Werkzeug, um einen hohlen Blutraum im Befehlsfenster zu schaffen, und legen Sie die erforderliche Wandstärke fest und legen Sie die Richtung des Aushöhlungsprozesses fest, um sich nach außen zu bewegen. Bestätigen Sie die Auswahl, um den Aushöhlungsprozess auszuführen.Stellen Sie nach dem Hochladen der Druckdatei aus der Slicing-Software auf den 3D-Drucker sicher, dass die Menge an Druckmaterial und Trägermaterial in den Patronen des Druckers für das 3D-Modell ausreicht und starten Sie den Druck. Entfernen Sie nach dem Druckvorgang das Trägermaterial aus dem fertigen Modell. Entfernen Sie zunächst das Trägermaterial manuell, indem Sie das Modell vorsichtig zusammendrücken.Legen Sie das Modell auf die Spüle und tauchen Sie es nach dem Entfernen der Abdeckung in Wasser oder ein entsprechendes Lösungsmittel. Trocknen Sie das Modell über Nacht in einem Aufinkubator auf 40 Grad Celsius. Am nächsten Tag betten Sie das Modell in 1% Agar ein.Verwenden Sie eine Kunststoffbox mit mindestens zwei Zentimetern Seitenrändern um das Modell und bohren Sie Löcher in die Wände, damit die Rohre von den Behältern mit der Pumpe und dem Reservoir verbunden werden können. Fügen Sie Agar zu Wasser hinzu und bringen Sie es zum Kochen. Nachdem Sie die Mischung umgerührt haben, lassen Sie sie fünf Minuten abkühlen und gießen Sie sie in die Box, um ein Bett von mindestens zwei Zentimetern Höhe zu schaffen.Während das Agarbett feststeht, verbinden Sie das Modell mit handelsüblichen Schlauchanschlüssen an jeder Öffnung mit einem nicht konformen PVC-Rohr. Verwenden Sie Reißverschlüsse, um die Verbindung zwischen den Schlauchanschlüssen und dem 3D-Modell zu fixieren und sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit austritt. Führen Sie die PVC-Rohre durch die gebohrten Löcher in die Box und legen Sie das Modell dann auf das eingestellte Agarbett.Um zu verhindern, dass Agar aus diesen Löchern austritt, verwenden Sie hitzebeständigen Modellierton, um es zu versiegeln. Als nächstes füllen Sie die Box mit Agar und bedecken Sie das Modell, indem Sie eine zwei Zentimeter große Schicht darüber hinzufügen. Lassen Sie den Agar vollständig abkühlen und stellen Sie ihn eine Stunde lang bei Raumtemperatur ein.Rühren Sie den Ventrikel mit einer Kolbenpumpe mit einem Hubvolumen von 120 bis 150 Millilitern. Für die CT-Bildgebung platzieren Sie die gesamte Durchflussschleife innerhalb des CT-Scanners, wobei die Antriebseinheit in der Nähe steht. Schließen Sie die Kontrastmittelpumpe direkt an das Reservoir der Strömungsschleife an, damit die Flutung des Modells mit Kontrastmittel während des Scannens simuliert werden kann.Dies ist besonders nützlich für die Visualisierung von vaskulären Pathologien. Führen Sie CT als dynamischen Scan über das gesamte Modell durch, um den Zufluss von Kontrastmitteln zu visualisieren. 100 Milliliter von einem bis 10 verdünnten jodhaltigen Kontrastmittel mit einer Geschwindigkeit von vier Millilitern pro Sekunde in das Reservoir des Modells injizieren.Starten Sie den Scan mit Bolus-Triggerung in der führenden Röhre mit einer Schwelle von 100 Hounsfield-Einheiten in einer Verzögerung von vier Sekunden. Um eine Sonographie durchzuführen, legen Sie eine kleine Menge Ultraschallgel auf den Agarblock, um Artefakte zu reduzieren. Starten Sie die Pumpe und verwenden Sie den Ultraschallkopf, um die anatomische Struktur von Interesse zu lokalisieren.Verwenden Sie den 2D-Echomodus, um die Bewegung des Prospekts sowie das Öffnungs- und Schließverhalten des Ventils zu bewerten. Verwenden Sie Farbdoppler, um den Blutfluss über die Klappe zu bewerten, und spektralen Doppler, um die Strömungsgeschwindigkeit nach der Herzklappe zu quantifizieren. Setzen Sie einen Zugangsanschluss direkt unter dem 3D-Modell in das PVC-Rohr ein, um einen leichteren Zugang zur Anatomie mit einem Herzkatheter oder Führungsdraht zu ermöglichen.Überprüfen Sie nach dem Starten der Durchflussschleife am Eingangspunkt des Hafens auf Leckagen. Verwenden Sie bei Bedarf einen Zweikomponentenkleber, um die Öffnung abzudichten. Legen Sie das 3D-Modell auf den Patiententisch unter den C-Armen des Röntgengeräts.Verwenden Sie Röntgenbildgebung, um den Katheter und die Drähte durch die anatomische Struktur zu führen. Verwenden Sie für die 4D-MRT einen 1,5-Tesla-Scanner und stellen Sie sicher, dass das Erfassungsprotokoll aus einem kontrastfreien MRA in der 4D-Flow-Sequenz besteht. Erfassen Sie einen isotropen Datensatz mit 25 Phasen in einer Scheibendicke von 1,2 Millimetern.Stellen Sie die Geschwindigkeitscodierung auf 100 Zentimeter pro Sekunde ein. Führen Sie die 4D-Strömungsbildanalyse mit einer handelsüblichen Software durch. Importieren Sie zunächst den 4D-MRT-Datensatz, indem Sie ihn vom Flash-Laufwerk auswählen, und führen Sie dann eine halbautomatische Offsetkorrektur und Korrektur des Aliasing durch, um die Bildqualität zu verbessern.Die Mittellinie des Schiffes wird automatisch verfolgt und die Software extrahiert das 3D-Volumen. Führen Sie abschließend eine quantitative Analyse der Strömungsparameter durch, indem Sie auf die einzelnen Registerkarten im Analysefenster klicken. Strömungsvisualisierung, Pfadlinienvisualisierung und Strömungsvektor können ohne weitere Eingabe visualisiert werden.Um die Druck- und Wandscherspannung auf der Registerkarte "Repräsentativ" zu quantifizieren, platzieren Sie zwei Ebenen, indem Sie auf die Schaltfläche Ebene hinzufügen klicken. Bewegen Sie die Ebenen zum ROI, indem Sie sie entlang der Mittellinie ziehen, sodass eine Ebene am Anfang des ROI und eine am Ende platziert wird. Der Druckabfall über den ROI und die Wandscherspannung wird im Diagramm neben dem 3D-Modell visualisiert und quantifiziert.Die vorgestellten 3D-gedruckten Modelle bieten vielfältige Möglichkeiten in der CT-Bildgebung. Das druckte Material kann leicht von dem umgebenden Agar und möglichen metallischen Implantaten unterschieden werden. Daher ist die Verwendung eines Kontrastmittels in der Regel nicht erforderlich, außer zur Erzeugung dynamischer Bildgebungssequenzen.Bei der Ultraschallbildgebung ist es möglich, zwischen der Wand des Modells, dem umgebenden Agar und dünnen dynamischen Objekten wie Herzklappenblättchen zu unterscheiden. Die Agarschicht auf dem Modell liefert während des Scanvorgangs ein realistisches haptisches Feedback. Die Strömungsanalyse innerhalb der Strömungsschleife bietet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten und präinterventioneller Bildgebung.Die 4D-MRT-Sequenz ermöglicht die Visualisierung von Flüssigkeitsströmungen, Turbulenzen und Wandscherspannungen innerhalb des 3D-gedruckten Modells, wodurch Strömungsmuster nach künstlichen Herzklappen analysiert werden können. Dieser Workflow kann zu Trainings- oder Planungszwecken auf verschiedene interventionelle medizinische Verfahren übertragen werden. Die Technik ermöglicht eine genauere in vitro Untersuchung des Fließverhaltens in großen Herz-Kreislauf-Gefäßen und bietet großes Potenzial für eine individualisierte Therapieplanung.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

Nierenkapsel Xenografting und subkutane Implantation Pellet für die Beurteilung von Prostata-Karzinogenese und benigne Prostatahyperplasie

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

Forschung

Medizin

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

Induktion Myointimale Hyperplasie Versus Atherosklerose in Mäuse: Eine Einführung von zwei gültigen Modelle

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

Eine multizentrische MRI-Protokoll für die Beurteilung und Quantifizierung von tiefen Venenthrombosen

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

Lungenfixierung unter konstantem Druck zur Beurteilung von Emphysem bei Mäusen

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

Transaxilläre erste Rippenresektion zur Behandlung des Thoracic-Outlet-Syndroms

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

Invasive hämodynamische Beurteilung des rechten ventrikulären Systems und Hypoxie-induzierte pulmonale arterielle Hypertonie bei Mäusen

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

Neuartiger perkutaner Ansatz für den Einsatz von 3D gedruckten koronaren Stenose-Implantaten in Schweinemodellen ischämischer Herzkrankheit

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

Direkte Medikamentenabgabe an die Niere über die Nierenarterie

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

Interventionelles Diagnoseverfahren: Ein praktischer Leitfaden zur Beurteilung der koronaren Gefäßfunktion

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