Name: creation of patient-specific silicone cardiac models with applications in pre-surgical plans and hands-on training
Uploaded: 2022-02-10T13:00:00
Duration: 9 min 15 s
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作者要感谢OSF HealthCare使这项研究成为可能，以及Mark Plunkett博士的程序知识和技能应用于我们的最终产品。

该协议以符合作者所在机构最佳道德实践的方式完成，包括正确处理任何患者信息以及保证使用患者特定数据所需的同意。使用时，这些数据是匿名的，以确保保护患者的私人健康信息。
注意：以下协议是以软件中立的方式编写的，因为有许多不同的程序可以完成各个步骤。对于此特定情况，Materialise Mimics Medical 24.0用于分割，Materialise Magics用于3D操作和分割模型和案例的创建。除了通用方法之外，还将包括这些计划的具体说明。
1. 分割患者解剖结构
<ol><li>根据 SME，获取使用 3D 方案获取的患者放射成像数据集（通常是 CT 或 MRI），以获得足够的分辨率。在计算机辅助设计（CAD）分割软件中打开数据集23。<ol>
<li>请参阅该机构的放射学方案以获得正确的图像采集（由于每个患者需要不同的考虑因素，因此很难提供具体的指南）。但作为一个代表性的例子，这些是我们在之前记录的3D模型案例中使用的设置：CT 3D协议建议参数：轴向模式下的切片扫描仪，切片厚度和切片之间的空间为0.625 mm，Kv为70，Smart mA范围为201-227（智能MA模式226），旋转速度为0.28 ms. MRI 3D协议建议参数： 轴向模式下的切片扫描仪，切片厚度和切片间距为 0.625 mm。</li>
	</ol>
</li>
	<li>使用 Hounsfield 单位 （HU） 阈值工具生成心肌组织的初始分割，并将上限和下限设置为适合且特定于数据集的值。根据需要优化选择以准确捕获解剖结构。建议使用具有以下功能的工具：裁剪、加法和减法、区域增长、多切片编辑和型腔填充。在"模拟"中，右键单击" 项目管理器 "区域，然后选择" 新建蒙版"。使用提供的预设解剖窗口、精确的 HU 测量值或滑动提供的工具，直到所需的解剖结构被工具遮蔽，在生成的对话框中调整掩码。</li>
	<li>生成血池的分割。利用步骤 1.2 中描述的步骤来实现此目的。在 Mimics 中，使用预设的解剖学 HU 窗口 226 到 3071 来捕获血池。</li>
	<li>如果要生成的模型旨在用于患者护理，请让心脏病专家、放射科医生或其他主题专家 （SME） 查看虚拟模型分割，然后再继续下一步，以确保所有解剖学特征和缺陷都得到准确分割，并将存在于整个模型中。</li>
	<li>通过使用腔填充工具在心肌分割周围的空白空间中反转心肌分割，并使用布尔减法工具从倒置的心肌中减去血池分割，从而生成心肌病例模型。建议使用腔填充工具、布尔工具以及先前生成的心肌和血池分割来实现此目的。在"模拟" 中，"腔填充 ">指示心肌面罩周围的空间。接下来，使用 布尔 工具并将提供的对话填充到 减去 心肌面罩中的血池面罩。</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig01.jpg"> 图 1：CAD 分割软件中的心脏分割。 （A） CAD 分割软件中的心脏分割与原始患者图像数据。（B）使用3D渲染对血池模型进行分割。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="6"><li>查看最终血库和心肌病例分割的 3D 渲染。根据SME的建议和批准，从3D血池模型中删除任何不需要评估，理解或修复目标解剖结构的血管。在"模仿"中，在查看窗口旁边的选项中选择" 3D 预览" （默认为四窗格默认视图的右下角视图）。在 项目管理器中选择感兴趣的掩码。要进行编辑，请选择 编辑蒙版 工具。在提供的对话框中，选择" 套索 "工具并确保选中" 删除 "。这将允许编辑蒙版的实际3D预览。 注： 编辑工具是无限剪切平面，将移除在 Z 方向上选取的蒙版的任何部分。</li>
	<li>生成最终血库和心肌病例分割的 3D 对象。使用平滑对象工具平滑 3D 心肌病例模型。根据 SME 的建议和批准，根据需要调整迭代和平滑因子参数，以便为特定模型创建尽可能平滑但未丢失任何重要解剖细节的案例模型。</li>
	<li>一旦获得中小企业的批准，以STL格式导出模型，以便在3D模型编辑软件中使用。在"模拟"中，右键单击" 项目管理器">"创建对象"中的特定掩码。在提供的对话框中，确保选中" 最佳 "设置，然后单击" 确定"。</li>
	<li>创建模型后，它将出现在" 对象 "窗口中，通常位于" 项目管理器 "窗口的下方。从那里，右键单击生成的模型，然后选择 平滑。这种情况的参数是5次迭代，平滑度为0.4 mm。</li>
	<li>将最终的3D血液库和心肌病例模型保存/导出为标准曲面细分语言（STL）文件。> STL+ 右键单击所需的模型，>按照提供的对话导出模型的 STL 版本。</li>
</ol>2. 创建数字模具
<ol><li>在 CAD 程序中打开心肌病例模型 STL 文件。建议以透明的方式呈现病例的可见性，以使心肌在心肌病例模具的内部可见。在万智牌中，导入通过 导入部件生成的 STL。在" 项目管理 "窗口中，选择模型渲染的" 透明 "选项。</li>
	<li>使用切割或冲孔工具从模型中修剪多余的心肌病例材料。只需要在病例的外边缘和内壳壁上的心肌印记之间有大约0.5厘米。额外的材料将增加3D打印所需的时间，但不会影响最终产品。在"魔术"中， "剪切">"指示折线 ">选择兴趣点> 应用"。 注： 编辑工具是无限剪切平面，将移除在 Z 方向上选取的蒙版的任何部分。</li>
	<li>将心肌病例切成多个部分，使病例能够围绕血池霉菌的复杂解剖结构进行组装。建议使用切割和/或冲孔工具来实现此目的。 注意：以下步骤提供了心肌病例切除的建议，该建议将其分为四个部分，这些部分已被发现足以在许多心脏模型的血液池周围进行诊断准确性和病例组装。但是，每个型号都会有所不同，因此必须记住，在硅胶浇注之前，必须在血池周围组装箱子，并在硅胶套装后将其取出。特别注意病例必须通过血池中的环或长血管周围的任何位置。诸如此类的特征可能需要在存在该特征的区域将心肌病例切成其他部分，以确保可以在血池周围组装和拆卸。</li>
	<li>通过旋转和平移工具调整心肌病例的视图，将心脏的顶点向下，主动脉弓水平指向下方。通过主动脉进行水平切口，将心肌病例分成包含顶点和上半部分的下半部分。此切口和所有后续切口的长度将因每个心脏模型而异。在万智牌中，使用鼠标左键和右键分别控制旋转和平移。从那里， "剪切">"指示折线 ">选择兴趣点> 应用"。 注： 编辑工具是无限剪切平面，将移除在 Z 方向上选取的蒙版的任何部分。<ol>
<li>沿着心肌病例下半部分的最宽部分进行垂直切割。确保心肌病例的下半部分大致分成两半。</li>
		<li>沿着心肌病例上半部分的最宽部分进行第二次垂直切割。确保心肌病例的上半部分大致分成两半。</li>
	</ol>
</li>
	<li>将销子（支撑物）添加到心肌病例件中，以确保在组装过程中正确对齐。建议使用间隙值为0.25mm的道具生成工具和布尔减法工具来创建匹配的道具和道具腔。在"魔术 "中，"添加道具 ">指示模型上的位置> 应用"。</li>
	<li>在其中一个心肌壳上半部分创建一个直径为1.0厘米的硅胶填充孔。填充孔正下方的心肌表面特征将被遮挡，因此请确保填充孔不会覆盖任何对模型使用至关重要的外部解剖特征。使用 SME 验证孔放置。</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig02.jpg"> 图2：CAD软件中的心肌病例模型。 在CAD软件中生成的心肌病例，用于患有室间隔缺损的心脏病例。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="7"><li>单独检查所有机箱的诊断程序，以确保不存在以下错误：倒置法线、坏边、轮廓差、边缘接近坏、平面孔或外壳。如果检测到错误，请使用修复工具/向导（如果可用）或手动修复（如果不可用）进行修复。在"魔术"中， 检查诊断>自动解析" 。</li>
	<li>修复无法手动解决的错误，或使用修复工具/向导通过收缩包装工具修复零件收缩。根据需要调整收缩包装样品间隔和间隙填充值，以纠正特定工件上的错误，而无需在SME审查时改变生理学。在 Magics 中， 修复>收缩包装 >跟随对话。</li>
	<li>将单个心肌病例保存/导出为STL文件。</li>
</ol>3. 创建物理模具
<ol><li>在相应的切片机软件中打开心肌病例和血池模型，为增材制造（AM）3D打印机生成3D打印文件（G-Code文件）。使用旋转和/或平放工具排列心肌病例的碎片，因此与另一个病例部分相遇的任何一侧都是垂直的。手动或使用软件中提供的自动支撑生成工具（如果可用）将 3D 打印支撑添加到所有部件。</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig03.jpg"> 图3：3D打印CAD软件中的心肌病例和血池设置。 心肌病例和血液池具有正确的方向，并添加了支持，为3D打印CAD软件中的3D打印做准备，用于使用VSD的心脏病例。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="2"><li>切片模型以生成G代码，以便在3D打印机上使用以下参数：ABS中的血池使用：加热床温度为100°C，挤出机温度为250°C，填充密度为5%，默认打印速度为50 mm / s，内壳速度为70 mm / s，外壳速度或50 mm / s;ABS或聚乳酸（PLA）中的心肌霉菌使用：PLA为60°C的加热床温度或ABS为100°C，PLA为205°C或ABS为250°C的挤出机温度，填充密度为15%，默认打印速度为50 mm / s，内壳速度为80 mm / s，外壳速度为30 mm / s。</li>
	<li>保存/导出 G 代码。</li>
	<li>根据打印机的功能，使用闪存驱动器或Wi-Fi连接将打印文件上传到3D打印机，确保将正确的灯丝加载到3D打印机上并开始打印。3D打印机应满足以下要求：兼容并配备直径小于0.4 mm的喷嘴，并且能够具有小于0.25 mm的层分辨率。打印完成后，使用针鼻钳和镊子从打印件上取下所有支撑材料。</li>
</ol><img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig04.jpg"> 图 4：3D 打印的模型件。 （A）物理血池和（B）心脏病例的心肌病例的照片，其中VSD由3D打印机生产，并移除了支撑材料。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<ol start="5"><li>将心肌病例碎片组装在血池模具周围，确保所有碎片紧密地结合在一起。如果心肌病例无法适应血池周围，请使用手持式旋转打磨工具对外壳模具进行小幅调整以去除材料。如果需要进行大调整，则可能需要在CAD软件中编辑STL文件并创建新的3D打印件。 注意：使用手持式旋转打磨工具时，请戴上护目镜。在血池或心肌病例上使用旋转打磨工具会导致塑料融化。谨慎使用。 注意：在此点之前的任何步骤之间，协议都可以暂停。</li>
	<li>如果心肌外壳是使用ABS进行3D打印，则执行丙酮蒸气平滑，并且SME需要更光滑的硅胶表面光洁度。如果不需要或不需要更光滑的表面光洁度，请跳过蒸汽平滑过程，对模型的最终解剖结构产生最小的影响。 注意：丙酮易挥发且易燃。确保设置在通风良好的区域，远离明火或火花。此外，丙酮会溶解聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯。如果使用塑料容器，请确保其中不含 PVC 或聚苯乙烯。<ol>
<li>用纸巾将不受丙酮影响的容器的底部和侧面排成一行。将丙酮倒在底部纸巾上，让它扩散容器侧面的纸巾，但不在底部形成一个水池。所需的丙酮量将根据所用容器的大小而有所不同;在这里，在基础体积约为400 cm3的容器中使用30mL丙酮。</li>
		<li>在容器中放入一块铝箔以覆盖底部纸巾。将心肌外壳片放在铝箔上，并定向心肌片，使需要平滑的面部垂直。确保心肌片没有相互接触或容器壁上的纸巾。</li>
		<li>在容器上盖上盖子或用铝箔盖住，让心肌表壳件在容器中保持不受干扰，直到达到所需表面光洁度的约80%，每次目视检查。完成蒸汽平滑过程所需的时间将根据容器的大小和使用的丙酮量而有所不同。在最初的30分钟后，开始每隔15分钟检查心肌病例的所需表面光洁度。对于这项研究，蒸汽平滑需要2小时才能达到150 mL结构。</li>
		<li>戴上手套，小心地从容器中取出仅接触外表面的心肌外壳。让碎片在通风良好的区域完全脱气约30分钟，或直到光滑，干燥和坚硬。</li>
	</ol>
</li>
</ol><img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig05.jpg"> 图5：蒸汽平滑心肌病例片。 拍摄心脏病例的心肌病例碎片与VSD后丙酮蒸气平滑。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
4. 倒硅胶
注意：某些污染物，包括乳胶和硫，如果接触有机硅，会抑制有机硅的固化。建议在尝试使用有机硅之前查看任何技术公告。
<ol><li>估计创建心肌模型所需的两组分铂类固化硅胶的量;所需的硅胶量将根据所创建模型的大小而有所不同。或者，使用CAD软件测量心肌分割的体积，以确定所需的硅酮量。确保有机硅具有以下性能：邵氏硬度为2 A，拉伸强度为1，986 kPa，断裂伸长率为763%，收缩率小于0.0254 mm / mm，混合粘度为18，000 cps，适用期为12分钟，固化时间为40分钟。这项研究需要300毫升硅胶。</li>
	<li>彻底搅拌有机硅的A部分和B部分，然后以正确的比例将必要的量倒入混合杯中。如果模型上需要颜色，请添加颜料并彻底混合所有部分和颜料。在本研究中，150 mL的A部分和B部分通过手或搅拌器混合和搅拌。用工艺棒添加Sil颜料产品颜色"血液"（见 材料表），直到达到所需的颜色。</li>
	<li>将充分混合的有机硅放入29 in Hg的真空室中2-3分钟以脱气。在脱气过程中，有机硅会膨胀到大约两倍的体积，确保混合容器有足够的空间来允许膨胀。从腔室中排出并取出脱气的硅胶，并将血池浸入硅胶中以彻底涂覆，确保血池中的所有空隙和空腔都充满硅胶。</li>
	<li>在通风良好的区域用易释产品彻底喷洒心肌病例的所有部分（ 见材料表）。将心肌病例的下半部分聚集在血池的顶端周围。如果心肌外壳件之间的任何接缝允许硅胶泄漏出来，请使用夹具或热胶或粘土等材料将泄漏密封在模具的外表面上。</li>
	<li>将硅胶倒入血池和外壳壁之间的空间中，使硅胶流入所有间隙。继续浇注硅胶，直到心肌模具的组装件充满硅胶。</li>
	<li>组装心肌病例的剩余部分，必要时使用橡皮筋和夹具将外壳牢固地固定。将硅胶倒入心肌外壳顶部的填充孔中，直到整个心肌空间充满硅胶。</li>
	<li>让硅胶凝固约40分钟。从心肌表壳中取出硅胶心形，并修剪掉从表壳或填充孔之间的空间形成的任何硅胶接缝。</li>
</ol>5. 溶解血池
<ol><li>识别硅胶模型上所有应具有开放端的血管，并修剪掉覆盖它们的任何硅胶，以暴露内部的ABS血池。</li>
	<li>将硅胶心浸入丙酮浴中。ABS将在丙酮浸没后10-15分钟开始软化;发生这种情况时，用镊子去除大块ABS，以提高ABS溶解过程的速度。</li>
	<li>当大部分ABS血库溶解时，用干净的丙酮进行两到三次额外的丙酮冲洗/浸泡，以去除硅胶中的所有ABS。从丙酮浴中取出心脏模型，让剩余的丙酮在通风良好的区域从模型中蒸发。完全溶解ABS所需的时间将取决于模型的大小，手动去除的ABS量以及丙酮的使用量。</li>
</ol><img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig06.jpg"> 图 6：具有室间隔缺损的患者特异性硅胶心脏模型。 使用VSD的完整硅胶模型的心外膜表面视图的照片。室间隔缺损由于其位于心内心肌结构内而不可见。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig06large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

<ol>
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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=Exploration+of+time-sequential,+patient-specific+3D+heart+unlocks+clinical+understanding.">Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding.</a> 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15 (2018).</li><li>Russo, 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=Advanced+three-dimensionally+engineered+simulation+model+for+aortic+valve+and+proximal+aorta+procedures.">Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).</li><li>Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. <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+surgical+applications.">Three-dimensional printing surgical applications.</a> ePlasty. 15, 37 (2015).</li><li>. Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at Available from: <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/">https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/</a> (2021)</li><li>Riedle, H., Molz, P., Franke, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determination+of+the+mechanical+properties+of+cardiac+tissue+for+3D+printed+surgical+models.">Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models.</a> IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).</li></ol>

作者没有什么可透露的。

完成实验方案后，应使用患者特异性硅胶心脏模型进行手术准备。但是，要实现这一点，必须正确完成几个关键步骤。可以在 补充文件2中看到协议中关键步骤的摘要，以及如果步骤未正确执行则可能的结果。第一个关键步骤涉及患者放射成像数据的分割。此步骤需要获取诊断 3D 成像数据集。术前计划或教育中的模型效用取决于3D数据集的质量。建议使用收集的切片尺寸在0.625 mm和2.6 mm之间的图像集，以确保数据集具有足够的分辨率用于模型制作。然而，所有影像学参数应由临床医生放射学专家设置，患者护理是重中之重。应该注意的是，从收集的切片大小超出建议值的图像集中生成模型是可能的，但模型分辨率和质量将受到负面影响。获得图像后，如果分割未正确执行，则通常直到最终模型生成并切割后才能实现，从而导致时间和材料的损失。为了防止这种负面结果，建议主题专家在创建用于质量控制的数字模具之前审查分段文件。下一个关键步骤发生在数字模具的创建过程中。重要的是要确保心肌病例能够围绕血池模型进行组装。如果血池周围的外壳没有关闭，则不能用于创建硅胶模型，因为未镶嵌的硅胶会不断泄漏出来，并且解剖结构可能会扭曲。手持式旋转打磨工具可用于在需要进行小幅调整时轻轻地去除心肌霉菌的碎片。如果需要进行大的调整，则需要更改数字模具并打印更新的外壳。最后的关键步骤是硅胶的浇注。使用有机硅时，必须严格遵守材料说明，因为如果不这样做，可能会导致有机硅固化为粘性表面。如果表面被认为太粘，中小企业无法使用，如果无法成功从硅胶中去除血池，则可能必须重新打印。硅胶将不得不重新浇注，导致时间和材料的损失。如果硅胶使用不足，或者硅胶在凝固过程中从心肌外壳模具中泄漏出来，则生成的模型将不完整。这种故障可以通过混合并将额外的硅胶倒入模具中来补救。如果少量硅胶在固化过程中似乎泄漏，则可以使用热胶或粘土等材料来密封心肌外壳模具的接缝。
这种创建患者特异性有机硅心脏模型的方法可以进行修改，以允许创建具有患者特异性或复杂内部和外部几何形状的任何软解剖结构的模型。假设目标解剖结构正确分段，则可以以最小的变化遵循协议的其余步骤。虽然不是当前工作的重点，但该协议已应用于肝实质，并取得了类似的成功。所利用的3D打印材料也可以进行修改。ABS和PLA由于其低成本而被推荐使用，但任何可溶解的3D打印材料都可以取代ABS，任何理想的3D打印材料都可以取代PLA，只需对协议进行最小或没有更改。使用其他打印材料时，应遵循灯丝制造商指定的所有打印参数。这种方法可以通过使用不同的有机硅来进一步改性。建议用于此方案的有机硅的岸上硬度为2 A，但如果需要另一个岸上硬度值，则可以用最小的或不需要改变方案来替代不同的有机硅。使用不同的有机硅产品时，请务必遵守所有制造规范和程序。
虽然该协议概述了改进的心脏建模程序，但它并非没有局限性。该协议的主要局限性是，虽然所利用的铂类固化有机硅比其他可用材料更接近心脏组织的硬度，但硬度并不是在手术训练的精细运动技能中发挥作用的唯一特性。特别是，真正的心脏组织在力作用下会表现出脆性或撕裂。所利用的有机硅具有很强的弹性，断裂伸长率为763%，拉伸强度为1，986 kPa19。猪心脏组织被认为是人类心脏组织的准确表示，其断裂伸长率为28-66%，拉伸强度为40-59 kPa26。这种差异带来了一个问题，因为心脏外科医生可能会对硅胶模型心脏进行练习手术并获得虚假的自信感，因为该模型可以承受真实心脏组织无法承受的力。这种方法也有可能受到具有非常复杂几何形状的心脏模型的限制。随着模型的解剖复杂性增加，该协议可以通过增加心肌模具中的碎片数量来补偿。从本质上讲，日益复杂的模型将需要越来越复杂的模具设计和更长的设计时间。
该协议中描述的模型创建过程优于许多其他可用的替代方案，因为它能够重新创建手术遇到的解剖学的低成本精确解剖学复制品。尸体和动物组织确实允许高保真度模拟，但它们的成本要高得多，并且需要使用和维护特定的实验室设置2,6.此外，尸体和动物组织模型具有伦理问题，不是特定于患者的，并且复杂的CHD通常必须由外科医生或讲师手动制造，这通常会导致周围组织和器官的不准确或损坏。另一种潜在的建模技术涉及虚拟现实的使用。虚拟现实允许对患者特定的心脏模型进行数字复制，这是建立患者解剖结构和手术计划的准确心理表示的有效工具。此外，一些VR系统允许通过结合触觉反馈进行基本模拟。然而，可用的触觉反馈缺乏复制先天性心脏外科手术所需的精细运动技能所需的真实性。4.3D打印是生产患者特定心脏模型的另一种可用方法。2,24.然而，能够生产多材料，软模型的高保真3D打印机的广泛实施受到其极高成本的抑制。11,14,15.低成本的3D打印机是可用的，但只能用比真正的心肌更坚固的材料打印。当Scanlan等人使用3D打印机最柔软的材料之一创建模型时，发现该模型比真正的心脏组织更坚固。17.所描述的材料具有26 A至28 A之间的岸硬度，使其具有类似于橡皮筋的质地。该协议中使用的铂金固化硅胶的邵氏硬度为2 A，使其质地类似于凝胶鞋垫，更接近真实心脏组织的硬度，即43 0020 或~0 A. Hoashi等人. 还利用与该协议中描述的方法类似的方法来开发灵活的3D打印心脏模型。代表内部和外部心肌几何形状的两个模具使用SLA打印机进行3D打印，然后真空铸造橡胶状聚氨酯树脂。虽然这种方法确实生产了软心模型，但每个模型的这种方法的拟议生产成本为2，000至3，000美元。22.相比之下，所提出的协议中描述的方法的总材料成本小于10美元。最后，Russo等人也使用了类似的方法。. 创建主动脉瓣和主动脉近端的硅胶模型，用于手术实践。而Russo等人. 方法集中在一个类似的目标上，他们提出的过程旨在复制主动脉瓣或主动脉瓣的更简单的解剖结构。本文提出的方案通过专注于更小，更复杂的心内和心肌解剖结构来区分自己，并且鉴于历史方法，它们极难复制。尽管存在这种差异，但Russo等人创建的模型. 对于接受调查的心脏外科医生在心脏手术中的模拟和培训非常有用23.从本质上讲，该协议中描述的方法允许低成本地创建复杂的，特定于患者的先天性心脏模型，这些模型具有准确表示的缺陷和材料属性，比其他建模方法更类似于真实的心脏组织。1,16，允许以逼真的触觉保真度操作模型。
展望未来，这种方法可以应用于形成具有复杂内部和外部特征的任何患者解剖结构模型。开发一种替代血库材料，可以以破坏性较小的方式从有机硅模型中去除，或者使用耗时较少的方法生产，这将使该过程更具时间和成本效益。因此，不必为随后的每个成型工艺复制新的血液库，从而实现相关训练的可扩展性。用于创建模型的有机硅的物理性能也可以得到改善。断裂伸长率较低的有机硅将增加模型的真实感，并有助于提高其作为心脏外科医生的教育工具的价值，这些研究人员试图学习执行这些复杂程序所需的精细运动技能。目前市场上值得考虑的一组材料是有机硅模拟玻璃材料25。这些有机硅材料在断裂时的伸长率要小得多，从而以类似于玻璃的方式在施加力时产生明显的"破碎"。通过添加这种有机硅模拟玻璃材料来调节本方案中使用的铂固化有机硅，可以控制模型的易碎性特性，同时仍保持适当的邵氏硬度，从而提高整体触觉保真度。最后，该协议可以产生的解剖学分辨率受到用于生成模具的3D打印机的分辨率的限制。随着技术的不断改进，可以使用该协议创建的解剖学分辨率也应该提高。

在美国，近十分之一的儿童出生时患有先天性心脏缺陷（CHD）。由于患有冠心病的母亲倾向于生下患有冠心病的孩子，因此预计这一比率可能会在未来七代人中增加一倍以上1。虽然并非每种CHD都被认为是复杂或严重的，但一般的生长预期表明有动力改进能够解决CHD治疗的技术和程序。随着技术的进步，心脏外科医生经常表示愿意处理更复杂的程序。这种意愿导致复杂心脏手术数量的增加，推动了对更先进的手术计划和教育技术的需求。反过来，这使得心脏外科医生需要高度准确的，特定于患者的模型，而心脏外科医生需要高效的培训方法。
先天性心脏手术是技术要求最高的外科学科之一，因为患者体型小，心脏异常的复杂性以及一些异常的罕见性2。在最极端的情况下，孩子出生时可能只有一个心室。外科医生采取直径为2.0毫米的血管并用固定的心包修补它以形成一个1.0厘米的血管，使新生儿在这个挽救生命的手术中生长并不罕见 - 所有这些都是在时钟下，因为新生儿处于完全的循环停止状态。在正常的四腔心脏和这些极端的例子之间，有无数种可能，包括腔室大小和瓣膜位置，构成了高度复杂的3D拼图。先天性心脏团队的作用是清楚地描绘独特的解剖结构，并制定一项计划，将有机组织重新配置为功能性心脏，使孩子在正常生活中有最好的机会成长。准确的模型允许在错误可以原谅的环境中进行故意的外科手术练习和重复，并且不会导致患者伤害3，4。这种培训可以提高外科专业知识，以及技术和判断技能。然而，有限的资源和某些心脏病的罕见性使得实现所需的重复和可视化水平几乎是不可能的。为了帮助解决这一资源不足的问题，在教育中越来越多地使用模拟2，3。常用的模拟或建模技术包括人体尸体、动物组织、虚拟现实模型（VR）和3D打印模型。
尸体组织历来被视为手术模拟的黄金标准，动物组织紧随其后。尸体和动物组织可以产生高保真度的模拟，因为它们包含感兴趣的解剖结构，所有周围的组织，并允许灌注技术来模拟血流4。尽管组织模型有好处，但也有缺点。防腐组织会降低机械顺应性，使某些操作不切实际且难以执行。组织需要不断维护，需要特定的设施，不可重复使用2，获得成本高昂3，并且历来一直是道德问题的主题。最重要的是，先天性心脏病在尸体样本中根本无法获得。
VR和3D打印模型5，6，7，8，9，10 为心脏教育，模拟和建模提供了另一种选择，以帮助创建术前计划。这些模型减少了与用户将 2D 图像插入为 3D 结构的各种视觉空间能力相关的模糊性10，11。虚拟环境可以包含可以操作并与模型交互的手术工具，使外科医生和研究员能够发展手眼协调，精细运动技能和对某些程序的熟悉程度4。目前流行的3D打印技术，包括熔融沉积建模（FDM），立体光刻（SLA），选择性激光烧结（SLS）和polyjet，已被发现可以生产具有亚毫米精度的模型13。VR和3D打印模型都是可重复使用的，并且可以非常详细;甚至可以从患者放射成像数据中生成模型，从而产生患者解剖结构的复制品。尽管VR或3D打印模型有许多好处，但当考虑到先天性心脏手术的成本和触觉保真度要求时，它们是不够的。VR环境的设置成本很高，VR环境无法提供现实世界的触觉反馈。虽然触觉保真度技术正在改善，但目前的差距抑制了学生熟悉执行程序所需的精细运动技能的能力4。同样，根据所使用的3D打印技术的类型，3D打印的成本可能相当高，因为必须考虑打印机的购买价格和打印材料成本11，14。使用高端打印机可以生产具有逼真触觉反馈的单个高保真心脏模型，但仅材料成本就高达数百美元，打印机购买价格超过100，000美元15美元。使用岸边硬度为26-28 A的灯丝生产的心脏模型被发现每个模型的成本约为220美元16。或者，许多低成本的3D打印机和技术的打印机购买价格低于5，000美元。在低成本FDM打印机上生成的心脏模型的平均材料价格约为3.80美元，使用岸硬度为82 A的材料约为35美元，使用岸上硬度为95 A15，16的材料为35美元。虽然这些机器确实提供了低成本的解决方案，但它是以触觉保真度为代价的。
虽然VR和3D打印可以对心脏状况进行详细的视觉和概念评估，但与制作动手手术模拟模型相关的高昂价格通常是一个重大障碍。一种解决方案是使用有机硅来创建物理和纹理准确的心脏模型。患者特定的有机硅模型可以促进对独特解剖结构的更深入理解，允许外科医生在对患者风险最小的环境中体验逼真的触觉反馈，并且如果手术不成功则不会产生任何后果9。有机硅成型已被证明是模拟人体解剖结构的有效方法，该方法产生的模型具有物理特性，比低成本3D打印生成的模型更接近真实组织17。Scanlan等人比较了低成本3D打印到硅胶模制心脏瓣膜的性能， 以评估与真实组织的相似性;研究发现，虽然硅胶瓣膜的物理性能不是真实组织的精确复制品，但其性能远远优于3D打印瓣膜17。研究中使用的3D打印材料是可用于低成本3D打印机的最柔软的材料之一，并且具有26至28 A18之间的岸硬度。推荐用于以下方案的铂固化有机硅的岸硬度为2 A，远更接近心脏组织的岸硬度，00刻度为43，或约为0 A19，20。这种差异是显着的，因为有机硅模型允许直接3D打印材料无法实现的高保真精细运动技能训练。该协议中提出的模型的总材料成本不到10美元。所提出的有机硅模型将逼真的触觉反馈所需的软组织特性与低成本3D打印模型的多功能性和精度相结合。
虽然有机硅的好处似乎使其成为模型创建的明显选择，但有机硅的使用受到可以模塑的解剖结构的限制。新鲜混合的有机硅是一种液体，需要模具在固化时将其保持在所需的形状。从历史上看，硅胶心脏模具只能包含模型外表面的细节。心脏内的细节，包括整个血液池区域，将充满硅胶并丢失。以前的研究已经实现了心脏内特定感兴趣区域（例如主动脉根21）的有机硅模型，或者使用外推法模拟心肌组织22。该协议是新颖的，因为它试图将有机硅材料的使用与高分辨率解剖学，完整的心肌模拟相结合 - 特别是避免任何外推方法。据我们所知，没有描述性手稿提供结合这些方面的方法。该协议中描述的方法引入了一种技术，以实现患者特异性心脏模型，其心脏内解剖复制对于手术前实践足够准确。该方法涉及创建心肌模具，以便在硅胶固化时将其保持在适当的形状，并创建一个内部模具以保留模型的内部心内细节并防止硅胶填充心脏的血池区域。然后必须溶解内部模具，留下整个硅胶心脏模型，在外表面和内表面上具有患者特定的解剖结构。如果没有本文提出的心脏模型创建方案，就不存在低成本的解决方案来模拟外科手术，其材料模仿心肌的实际组织特征。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.75 mm ABS filament</td>
			<td>Matter Hacker</td>
			<td>matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG-</td>
			<td>Anecdotally consistent quality, budget-conscious price</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1.75 mm PLA filament</td>
			<td>Matter Hacker</td>
			<td>https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU</td>
			<td>Anecdotally consistent quality, budget-conscious price</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8220 12VMax High-Performance Cordless</td>
			<td>Dremel</td>
			<td>https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless</td>
			<td>Cordless for easier access to small features in model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Sunnyside</td>
			<td>https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&#38;b=s&#38;n=840G5</td>
			<td>Bulk</td>
		</tr>
		<tr>
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		</tr>
		<tr>
			<td>Ease Release 200</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>https://shop.smooth-on.com/ease-release-200</td>
			<td>Coating to ensure easy removal of silicone from mold</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GORE- TEX patch</td>
			<td>GORE</td>
			<td>https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch</td>
			<td>Cardiovascular patch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ideaMaker</td>
			<td>Raise 3D</td>
			<td>https://www.raise3d.com/download/</td>
			<td>&#160;Included G-code CAD software for Raise 3D printers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magics</td>
			<td>Materilise</td>
			<td>https://www.materialise.com/en/software/magics</td>
			<td>Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics</td>
			<td>Materilise</td>
			<td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics</td>
			<td>Feature-rich segmentation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Patient DICOM data</td>
			<td>-</td>
			<td>-</td>
			<td>DICOM data will typically come from a patient CT or MRI</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pro2 Plus</td>
			<td>Raise 3D</td>
			<td>https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/</td>
			<td>Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PRO2-100 Industrial Glue Gun</td>
			<td>Surebonder</td>
			<td>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</td>
			<td>Industrial-quality hot glue gun</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silc Pig</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments</td>
			<td>Pigment for adding color to silicone</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum Chamber</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber</td>
			<td>Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

creation of patient-specific silicone cardiac models with applications in pre-surgical plans and hands-on training

三维模型对于外科医生来说可能是一个有价值的工具，因为他们制定手术计划，而医学研究员则了解复杂的病例。特别是，3D模型可以在心脏病学领域发挥重要作用，心脏病学领域会发生复杂的先天性心脏病。虽然许多3D打印机可以提供解剖学上正确和详细的模型，但现有的3D打印材料无法复制心肌组织的特性，并且可能非常昂贵。该协议旨在开发一种工艺，使用与心肌特性更匹配的低成本有机硅创建复杂先天性心脏缺陷的患者特异性模型。随着模型保真度的提高，可以在手术前进行实际的外科手术培训。心脏模型的成功创建始于对放射学图像进行分割，以生成虚拟血池（充满心脏腔室的血液）和心肌组织霉菌。血池和心肌霉菌在丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）中3D打印，ABS是一种可溶于丙酮的塑料。模具在血池周围组装，形成一个模拟心肌的负空间。将岸边硬度为2A的硅胶倒入负极空间并使其固化。去除心肌霉菌，并将剩余的硅胶/血池模型浸没在丙酮中。所描述的过程产生了一个物理模型，其中所有心脏特征（包括心内缺陷）都以更真实的组织特性表示，并且比直接3D打印方法更接近近似。使用GORE-TEX贴片（缺损的标准手术干预）成功对心室间隔缺损（VSD）模型进行手术矫正证明了该方法的实用性。

选择来自室间隔缺损患者的放射成像数据来生成具有代表性的硅胶心脏模型。利用CAD分割软件对患者解剖结构进行分割，以生成数字心肌模型和数字血库模型（图1）。使用所述方案手动分割血池和心肌需要1-3小时才能完成。分割完成后，在CAD软件中打开心肌模型进行进一步处理。模型与程序中制作的3D框对齐，然后使用布尔运算减去。这个过程留下了心肌模型的阴性，形成了一个霉菌。将这种心肌模具修剪成更合适的尺寸，切成段，并用支撑物进行修改以对齐碎片 （图2）。该案例的创建花费了2-6个小时。所有心肌模具和血池都加载到3D打印切片软件中，G-Code被生成为ABS中的3D打印（图3）。去除支撑材料的3D打印件如图 4所示。对心肌外壳片进行蒸汽平滑处理，以增强模型的表面光洁度 （图5）。蒸气顺利过程完成后，在血池模型周围组装模具，并浇注硅胶。组装和硅胶浇注花了一个小时。硅胶组后，将心脏模型从心肌病例中取出并浸没在丙酮中以溶解血池。经过大约二十四小时的浸泡，血池已经溶解。进行最后的丙酮冲洗，并允许模型完全干燥。完成的硅胶心脏模型如图 6所示。为了评估有机硅模型的准确性和功能，CHD（先天性心脏缺陷）专家做了一个切口，以便观察内部解剖结构。预期的室间隔缺损存在，先天性心脏外科医生在模型上缝制了GORE-TEX贴片以纠正室间隔缺损 （图7）。在成功完成的有机硅模型中，所有患者的解剖结构和缺陷都将存在于外部和内部。该协议的摘要可以在 补充文件1中看到。 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig07.jpg"> 图 7：采用 VSD 的硅胶心脏模型缝制的 GORE-TEX 贴片。 照片为（A）外科医生对患者特异性硅胶心脏模型的视图，带有VSD和（B）外科医生对使用GORE-TEX贴片封闭的模型中VSD的视图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig07large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
补充文件1：硅胶心脏制造方案示意图。方案在制造患者特异性硅胶心脏模型中的示意图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_1.psd" target="_blank">请点击此处下载此文件。</a>
补充文件2：关键步骤和潜在负面结果摘要。总结了在开发患者特异性有机硅心脏模型中至关重要的步骤，以及如果不正确遵循这些步骤可能导致的潜在负面结果。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_2.psd" target="_blank">请点击此处下载此文件。</a>

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Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training

患者特定的模型在制定或学习手术计划时提高了外科医生和同事的信心。三维（3D）打印机为手术准备生成足够的细节，但无法复制组织触觉保真度。本文提出了一个方案，详细介绍了患者特异性硅胶心脏模型的创建，将3D打印精度与模拟硅胶组织相结合。

创建患者专用硅胶心脏模型，应用于术前计划和实践培训

Three dimensional&#160;models can be a valuable tool for surgeons as they develop surgical plans and medical fellows as they learn about complex cases. In ...

复杂的先天性心脏病是一个困难的3D问题。现有的3D打印技术无法密切复制心肌组织的特性。该协议为高保真手术训练创建模型。这种技术经济高效地从他们的成像中创建特定于患者的3D模型。对其器官的内部和外部解剖结构进行建模，使我们能够深入了解和照顾我们的患者。在紧密代表解剖组织的材料中创建这些模型允许该技术应用于包括解剖学在内的任何程序训练器。首先，在 CAD 程序中打开心肌病例模型 STL 文件。在万智牌中，导入通过导入第二部分生成的 STL 文件。在项目管理窗口中，选择模型渲染的透明选项。使用鼠标左右按钮控制旋转和平移工具，通过将心脏的顶点朝下和主动脉弧水平指向来调整心肌基底的视图。要从模型中修剪多余的心肌病例材料，请转至工具，选择"剪切"并指示折线，然后选择感兴趣点并单击"应用"。同样，将心肌病例切成多块。转到切口，选择指示折线，然后选择兴趣点，以通过主动脉进行水平切口，将心肌病例分成包含顶点和上半部分的下半部分，以及沿着心肌病例下半部分和上半部的最宽部分进行两个垂直切割。最后，单击"应用"。为确保在装配过程中正确对齐，请使用间隙值为 0.25 毫米的螺旋体生成工具和布尔减法工具，创建匹配的道具和道具腔，并通过单击"添加道具"将它们添加到心肌病例部件中。指示模型上的位置，然后单击"应用"。在心肌病例的上半部分之一中，创建一个直径为一厘米的硅胶填充孔，并使用SME验证孔的位置。选择"检查诊断"以单独检查所有病例的诊断，以发现心肌病例中出现正常倒置、边缘不良、轮廓不良、边缘近乎不良、平面孔或外壳等错误。如果检测到错误，请单击"自动解决"以修复它。或者，可以手动或使用修复工具或向导来修复错误。如果无法使用备用选项修复错误，请使用收缩包装工具修复错误。单击"修复"，选择收缩包装，然后按照对话框根据需要调整收缩包装样品间隔和间隙填充值，以纠正特定部件上的错误，而无需在SME审查时改变生理学。然后将单个心肌病例保存或导出为STL文件。在适当的切片机软件中打开心肌病例和血池模型，以生成3D打印文件。手动将3D打印支架添加到所有部件，或使用软件中提供的自动支撑生成工具（如果可用）。对模型进行切片以生成G代码，以便在3D打印机上使用文本手稿中描述的参数，并保存或导出G代码。将打印文件上传到3D打印机。确保将正确的灯丝加载到3D打印机上后，开始打印。打印完成后，使用针鼻钳和镊子从打印件上取下所有支撑材料。将心肌病例碎片组装在血池模具周围，确保所有碎片紧密地结合在一起。如果心肌病例无法适应血池周围，请使用手持式旋转打磨工具对外壳模具件进行小幅调整以去除材料。接下来，使用丙酮蒸气平滑心肌外壳的表面。为此，请在容器的底部和侧面用不受丙酮影响的纸巾衬托。将丙酮倒在底部纸巾上，让它将纸巾扩散到容器的侧面，但不要在底部形成一个水池。在容器中放入一块铝箔以覆盖底部纸巾。将心肌表壳片定向到铝箔上，使所需的光滑面垂直，确保这些片不会相互接触或容器壁上的纸巾。用铝箔覆盖容器，让心肌外壳件在容器中保持不受干扰，直到达到所需表面光洁度的80%。一旦表面光滑，小心地从容器中取出心肌外壳碎片，仅接触外表面，并让碎片在通风良好的区域完全脱气约30分钟或直到碎片变得完全干燥和坚硬。使用CAD软件测量心肌分割的体积，以确定所需的硅酮量。彻底搅拌有机硅的A部分和B部分。如果模型上需要颜色，请添加颜料并彻底混合所有部件和颜料，然后将彻底混合的硅胶放入真空室中，在29英寸的汞柱下放置两到三分钟。当这种有机硅混合物完全脱气时，将其从腔室中取出并将血池浸入硅胶混合物中，以确保血池中的所有空隙和空腔都被硅胶填充，并且血池被彻底涂覆。在通风良好的区域，用易于释放的产品彻底喷洒心肌病例的所有部分。将心肌病例的下半部分聚集在血池的顶端周围。如果发生泄漏，请使用夹具，热胶或粘土密封泄漏。接下来，将硅胶倒入血池和外壳壁之间的空间，直到组装好的心肌模具片被填充。组装心肌外壳的剩余部分后，根据需要使用橡皮筋和夹具将外壳部件牢固。当硅胶凝固时，从心肌表壳中取出硅胶心脏，并修剪掉从表壳或填充孔之间的空间产生的任何硅胶接缝。在识别出硅胶模型上所有开口端的血管后，修剪覆盖血管的任何硅胶，以暴露内部的ABS血池。将硅胶心脏浸没在丙酮中，ABS将在丙酮浸没后10至15分钟开始软化。ABS软化后，用镊子去除大块ABS，以提高ABS溶解过程的速度。当大部分ABS血池溶解后，用干净的丙酮冲洗硅胶心脏两到三次，以去除硅胶中的所有ABS。从丙酮中取出心脏模型，让剩余的丙酮在通风良好的区域从模型中蒸发。为了评估硅胶模型的准确性和功能，制作了两个切口，一个在前左心室，另一个在右心室后部，以可视化内部解剖结构。预期的室间隔缺损以及适当的内部结构都存在，并且由先天性心脏外科医生在模型中缝制GORE-TEX贴片以纠正室间隔缺损。模具设计至关重要。确保将模具切成尽可能多的块，以适合血池。该技术解锁了复杂的患者专用有机硅模型的创建。我们不再受3D打印材料限制的约束。相反，我们有能力满足对复杂手术培训师的任何需求。

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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科研

生物工程

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