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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저자는 OSF HealthCare가 이 연구를 가능하게 하기 위한 것을 인정하고 싶습니다, 뿐만 아니라 우리의 최종 제품에 기술의 절차적인 지식과 응용을 위한 박사 마크 Plunkett.

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프로토콜이 완료되면 수술 준비를위한 환자 별 실리콘 심장 모델이 발생해야합니다. 그러나 이를 위해서는 올바르게 완료해야 하는 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 프로토콜의 중요한 단계에 대한 요약은 추가 파일 2에서 볼 수 있으며 단계가 올바르게 수행되지 않으면 잠재적 결과를 볼 수 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 환자의 방사선 이미징 데이터의 세분화를 포함합니다. 이 단계에서는 진단 3D 이미징 데이터 집합을 수집해야 합니다. 수술 전 계획 이나 교육에서 모델 유틸리티는 3D 데이터 집합의 품질에 따라 달라 집니다. 데이터 세트가 모델 프로덕션에 적합한 해상도가 되도록 0.625mm에서 2.6mm 사이의 슬라이스 크기로 수집된 이미지 세트를 사용하는 것이 좋습니다. 그러나, 모든 화상 진찰 매개 변수는 환자 배려가 우선순위인 방사선학에 있는 임상의 전문가에 의해 설정되어야 합니다. 권장값 외부의 슬라이스 크기로 수집된 이미지 집합에서 모델을 생성할 수 있지만 모델 해상도와 품질은 부정적인 영향을 받게 됩니다. 이미지를 얻은 후 세분화가 올바르게 수행되지 않으면 최종 모델이 생성되고 절단될 때까지 일반적으로 실현되지 않아 시간과 재료가 손실됩니다. 이러한 부정적인 결과를 방지하기 위해 주체 전문가가 품질 관리를 위해 디지털 금형을 만들기 전에 분할된 파일을 검토하는 것이 좋습니다. 다음 중요한 단계는 디지털 금형을 만드는 동안 발생합니다. 심근 케이스가 혈액 풀 모형의 주위에 조립될 수 있을지 확인하는 것이 중요합니다. 케이스가 혈액 풀 주위에 닫히지 않는 경우에, 그것은 실리콘이 지속적으로 누출될 것이고, 해부학이 왜곡될 수 있기 때문에 실리콘 모형을 만드는 것을 이용할 수 없습니다. 핸드헬드 로터리 샌드링 도구를 사용하여 작은 조정이 필요한 경우에만 심근 금형조각을 가볍게 제거할 수 있습니다. 대규모 조정이 필요한 경우 디지털 금형을 변경하고 업데이트된 케이스가 인쇄되어야 합니다. 마지막 중요한 단계는 실리콘의 붓기입니다. 실리콘을 사용할 때 재료 지침을 엄격하게 준수하는 것이 필요하며, 그렇게 하지 않으면 끈적끈적한 표면으로 치료하는 실리콘이 발생할 수 있습니다. 표면이 SME에 의해 사용하기에 너무 끈적끈적하다고 판단되는 경우 실리콘에서 성공적으로 제거 할 수없는 경우 혈액 풀을 다시 인쇄해야 할 수 있습니다. 실리콘을 다시 부어 시간과 재료의 손실을 초래해야합니다. 실리콘이 부족하거나 실리콘이 설정 과정에서 심근 케이스 금형에서 누출되는 경우 결과 모델이 불완전합니다. 이 고장은 금형에 추가 실리콘을 혼합하고 부어 서 해결할 수 있습니다. 뜨거운 접착제 나 점토와 같은 재료는 경화 과정에서 소량의 실리콘이 누출되는 것처럼 보이는 경우 심근 케이스 금형의 솔기를 밀봉하는 데 사용할 수 있습니다.
환자 별 실리콘 심장 모델을 만드는 이 방법은 환자 특이적 또는 복잡한 내부 및 외부 형상을 사용하여 모든 연약한 해부학 적 구조의 모델을 생성할 수 있도록 수정될 수 있습니다. 대상 해부학이 올바르게 분할되었다고 가정하면 프로토콜의 나머지 단계를 최소한의 변경으로 따를 수 있습니다. 현재 작업의 초점은 아니지만, 프로토콜은 유사한 성공을 가진 간 parenchyma에 적용되었습니다. 활용된 3D 인쇄 재료도 수정할 수 있습니다. ABS와 PLA는 저렴한 비용으로 사용하기 위해 권장되지만, 용해 가능한 3D 인쇄 재료는 ABS를 대신할 수 있으며, 바람직한 3D 인쇄 재료는 프로토콜에 대한 최소한의 변경 없이 PLA를 대신할 수 있습니다. 다른 인쇄 재료를 사용할 때 필라멘트 제조업체에서 지정한 인쇄 매개 변수를 모두 따라야 합니다. 이 방법은 다른 실리콘의 사용에 의해 더 변형 될 수있다. 이 프로토콜에 사용하기 에 권장되는 실리콘은 2 A의 해안 경도를 가지고 있지만 다른 해안 경도 값이 바람직할 경우 다른 실리콘을 프로토콜에 대한 최소한의 또는 변경 없이 대체할 수 있습니다. 다른 실리콘 제품을 사용할 때는 모든 제조 사양 및 절차를 준수해야 합니다.
이 프로토콜은 향상된 심장 모델링 절차를 간략하게 설명하지만 제한없이는 아닙니다. 이 프로토콜의 주요 한계는 활용된 백금 치료 실리콘이 다른 사용 가능한 물질보다 심장 조직의 경도에 가깝지만 경도가 외과 훈련의 미세 모터 기술에 중요한 역할을하는 유일한 특성은 아니라는 것입니다. 특히, 실제 심장 조직은 경직성 또는 힘 아래 찢어지는 것을 보여줍니다. 활용된 실리콘은 매우 탄력적이며, 763%의 휴식시 신장과 1,986kPa19의 인장 강도가 있습니다. 인간의 심장 조직의 정확한 표현으로 여겨지는 돼지 심장 조직은 28-66%의 휴식과 40-59 kPa26의 인장 강도로 신장을 갖는다. 이러한 차이는 심장 외과 동료가 실리콘 모델 심장에서 연습 수술을 수행하고 모델이 실제 심장 조직이 할 수없는 힘을 견딜 수 있기 때문에 잘못된 자신감의 감각을 얻을 수 있기 때문에 문제를 제시합니다. 이 방법론은 또한 매우 복잡한 형상을 가진 심장 모델에 의해 제한될 가능성이 있습니다. 모델의 해부학적 복잡성이 증가함에 따라, 프로토콜은 심근 금형의 조각 수를 증가시킴으로써 보상할 수 있다. 본질적으로 점점 더 복잡해지는 모델에는 점점 더 복잡한 금형 설계와 설계 시간이 증가해야 합니다.
이 프로토콜에 설명된 모델 생성 프로세스는 수술로 발생한 해부학의 저비용 정확한 해부학 복제본을 다시 만드는 능력으로 인해 사용 가능한 많은 다른 대안보다 우수합니다. Cadaveric 및 동물 조직은 높은 충실도 시뮬레이션을 허용하지만 훨씬 더 높은 비용을 가지고 있으며 특정 실험실 설정을 활용하고 유지해야합니다.2,6. 또한, cadaveric 및 동물 조직 모형은 윤리적인 관심사가 있고, 환자 특정하지 않으며, 복잡한 CHD는 수시로 외과 의사 또는 강사에 의해 수동으로 제조되어야 합니다, 수시로 주변 조직 및 기관에 부정확하거나 손상으로 이끌어 냅니다. 또 다른 잠재적 모델링 기법은 가상 현실의 사용을 포함합니다. 가상 현실은 환자 해부학 및 수술 계획의 정확한 정신 표현을 확립하기위한 효과적인 도구인 환자 특정 심장 모델의 디지털 복제를 허용합니다. 또한 일부 VR 시스템은 햅틱 피드백을 통합하여 기본 시뮬레이션을 허용했습니다. 그러나, 가능한 햅틱 피드백은 선천성 심장 외과 적 수술에 필요한 미세 운동 기술을 복제하는 데 필요한 리얼리즘이 부족합니다.4. 3D 프린팅은 환자 별 심장 모델을 생성하는 또 다른 사용 가능한 방법입니다.2,24. 그러나 다중 소재의 소프트 모델을 생산할 수 있는 고충실도 3D 프린터의 광범위한 구현은 매우 높은 비용으로 억제됩니다.11,14,15. 저가형 3D 프린터를 사용할 수 있지만 실제 심근보다 훨씬 단단한 재료로만 인쇄할 수 있습니다. 3D 프린터에 가장 적합한 재료 중 하나가 Scanlan 등에서 모델을 만드는 데 사용되었을 때, 모델은 실제 심장 조직보다 더 단단한 것으로 나타났습니다.17. 설명된 소재는 26A와 28A 사이의 해안 경도를 가지고 있어 고무 대역과 유사한 질감을 주었다. 이 프로토콜에 사용되는 백금 경화 실리콘은 2A의 해안 경도를 가지며, 젤 슈 인서트와 유사한 질감을 제공하며 실제 심장 조직의 경도에 훨씬 더 가깝게 43 00입니다.20 또는 ~0 A. 호아시 외. 또한 유연한 3D 프린팅 심장 모델을 개발하기 위해 이 프로토콜에 설명된 것과 유사한 방법을 활용하였다. 내부 및 외부 심근 형상을 나타내는 두 개의 금형은 SLA 프린터를 사용하여 3D 인쇄한 다음 고무와 같은 폴리우레탄 수지를 진공 시주했습니다. 이 방법은 소프트 심장 모델을 생산했지만 모델당 이 방법의 제안된 생산 비용은 2,000~3,000USD였습니다.22. 비교적 제시된 프로토콜에 기재된 방법의 총 재료 비용은 10USD 미만이다. 마지막으로, 유사한 방법은 또한 Russo 등에서 사용되었다. 절차적 연습을 위한 대동맥 판막 및 근위 대동맥의 실리콘 모델을 생성한다. 루소 외. 방법은 유사한 목표에 초점을 맞추고, 그들의 제시 된 프로세스는 대동맥 또는 대동맥 판막의 훨씬 간단한 해부학을 복제하기위한 것입니다. 본원에 제시된 프로토콜은 더 작고, 더 복잡한 심근 내 해부학에 초점을 맞추어 서 차별화되며, 역사적 방법론을 감안할 때 복제하기가 매우 어려울 것이다. 이러한 차이에도 불구하고 Russo 등에서 만든 모델. 조사 심장 외과 의사에 의해 심장 수술에 시뮬레이션 및 훈련에 매우 유용했다23. 본질적으로, 이 프로토콜에 기술된 방법은 다른 모델링 방법보다 실제 심장 조직과 더 유사한 결함이나 물질적 특성을 정확하게 나타내는 복잡하고 환자별 선천성 심장 모델의 저비용 생성을 가능하게 합니다.1,16- 현실적인 햅틱 충실도로 모델을 작동 할 수 있습니다.
앞으로이 방법론은 복잡한 내부 및 외부 기능을 가진 모든 환자 해부학 모델의 형성에 적용 될 수 있습니다. 덜 파괴적인 방식으로 실리콘 모델 내에서 제거하거나 시간이 많이 소요되는 방법을 사용하여 생산될 수 있는 대체 혈액 풀 재료를 개발하면 공정이 더 시간과 비용 효율적으로 처리될 수 있습니다. 그 결과, 새로운 혈액 풀은 각 후속 성형 공정에 대해 재현될 필요가 없으며, 이는 관련 훈련의 확장성으로 이어진다. 모델을 만드는 데 사용되는 실리콘의 물리적 특성도 향상될 수 있습니다. 휴식 시 신장이 적은 실리콘은 모델의 리얼리즘을 높이고 이러한 복잡한 절차를 수행하는 데 필요한 미세 운동 기술을 배우려는 심장 외과 동료를위한 교육 도구로서의 가치를 향상시키는 데 도움이됩니다. 이 솔루션을 돕기 위해 고려할 가치가 있는 현재 시장에 있는 재료 그룹은 실리콘 시뮬레이션 유리 재료25입니다. 이러한 실리콘 재료는 유리와 유사한 방식으로 힘 적용 시 뚜렷한 "산산조각"으로 이어지는 휴식 시 훨씬 적은 연신을 보여줍니다. 이 실리콘 시뮬레이션 유리 재료의 첨가와 함께이 프로토콜에 사용되는 백금 경화 실리콘을 변조하면 적절한 해안 경도를 유지하면서 모델의 경직성 특성을 제어 할 수 있으며 전반적인 햅틱 충실도를 향상시킬 수 있습니다. 마지막으로, 이 프로토콜이 생성할 수 있는 해부학의 해상도는 금형생성에 활용되는 3D 프린터의 해상도에 의해 제한됩니다. 기술이 지속적으로 개선됨에 따라 이 프로토콜로 만들 수 있는 해부학의 해상도도 향상되어야 합니다.

미국에 있는 100명의 아이들에 있는 거의 1은 선천적인 심장 결함으로 태어납니다 (CHD). CHD를 가진 어머니가 CHD를 가진 아이를 갖기 위하여 성향 때문에, 비율이 다음 7대에 두 배 이상 있을 지도 모른다는 기대가 있습니다1. 각 CHD가 복잡하거나 심각한 것으로 간주되지는 않지만 일반적인 성장 기대는 CHD 치료를 해결할 수있는 기술과 절차를 개선하려는 동기가 있음을 나타냅니다. 기술이 향상됨에 따라 심장 외과 의사는 종종 더 복잡한 절차를 기꺼이 해결합니다. 이 의지는 복잡한 심장 절차의 증가 수로 이끌어 내고, 외과 계획 및 교육의 더 진보된 기술에 대한 필요를 몰고 왔습니다. 차례로, 이것은 매우 정확한, 환자 특정 모델 및 매우 효과적인 훈련 방법이 필요한 심장 외과 동료를 필요로 심장 외과 의사를 떠난다.
선천성 심장 수술은 환자의 작은 크기, 심장 이상의 복잡성 및 일부 이상의 희귀성으로 인해 기술적으로 가장 까다로운 외과 분야 중 하나입니다2. 가장 극단적인 경우에, 아이는 단 하나 심실로 품어질 수 있습니다. 외과 의사가 직경 2.0mm의 선박을 가지고 고정 된 심낭으로 패치하여 신생아가 이 생명을 구하는 절차에서 자라는 1.0cm 선박을 만드는 것은 드문 일이 아닙니다 - 신생아가 완전한 순환 체포에 있기 때문에 모든 것은 시계 아래에 있습니다. 일반적인 4 챔버 심장과 이러한 극단적 인 예 사이에 는 매우 복잡한 3D 퍼즐을 구성하는 챔버 크기와 밸브 위치의 무수한 가능성이 있습니다. 선천성 심장 팀의 역할은 독특한 해부학을 명확하게 묘사하고 아이가 정상적인 생활에서 최고의 기회와 함께 성장할 수 있도록 기능적 심장으로 유기 조직을 재구성하는 계획을 개발하는 것입니다. 정확한 모델은 오류를 용서할 수 있고 환자 해를 초래하지 않는 환경에서 고의적인 외과 적 연습과 반복을 허용합니다3,4. 이 훈련은 향상된 외과 전문 지식의 개발뿐만 아니라 기술 및 판단 능력으로 이어집니다. 그러나 제한된 자원과 특정 심장 상태의 희귀성은 원하는 수준의 반복 및 시각화를 거의 불가능하게 만들 수 있습니다. 이러한 자원 부족을 고려하기 위해 교육에 대한 시뮬레이션 활용도가 증가했습니다2,3. 일반적으로 사용되는 시뮬레이션 또는 모델링 기술에는 사람의 시체, 동물 조직, 가상 현실 모델(VR) 및 3D 인쇄 모델이 포함됩니다.
Cadaveric 조직은 역사적으로 동물 조직과 함께 수술 시뮬레이션을위한 금 본위제로 간주되어 왔습니다. 시체와 동물 조직은 관심있는 해부학 구조, 모든 주변 조직을 포함하고 혈류를 시뮬레이션하는 관류 기술을 허용하기 때문에 높은 충실도 시뮬레이션을 생성 할 수 있습니다4. 조직 모델의 이점에도 불구 하 고, 단점이 있다. 방부 처리된 조직 경험으로 인해 기계적 준수가 감소하여 일부 수술이 비현실적이고 수행하기가 어려웠습니다. 조직은 지속적인 유지 보수를 필요로, 특정 시설은 재사용할 수 없습니다2, 취득 비용이 많이 들 수 있습니다3, 역사적으로 윤리적 우려의 대상이되었습니다. 가장 중요한 것은, 선천성 심장 상태는 단순히 cadaveric 견본에서 유효하지 않습니다.
VR 및 3D 프린팅 모델5,6,7,8,9,10은 수술 전 계획 수립을 돕기 위해 심장 교육, 시뮬레이션 및 모델링을 위한 또 다른 옵션을 제공합니다. 이러한 모델은 사용자의 다양한 visuo 공간 기능과 관련된 모호성을 감소시키고 2D 이미지를 3D 구조로 보간10,11로 보간합니다. 가상 환경에는 조작하고 모델과 상호 작용할 수 있는 수술 도구가 포함될 수 있으므로 외과 의사와 동료가 손-눈 조정, 미세 운동 기술 및 일부 절차에 대한 친숙함을 개발할 수 있습니다4. 융합 증착 모델링(FDM), 스테레오리소그래피(SLA), 선택적 레이저 소결(SLS), 폴리젯 등 현재 인기 있는 3D 프린팅 기술은 서브밀리미터 정밀도13을 가진 모델을 생산하는 것으로 밝혀졌다. VR 및 3D 프프린트 모델은 모두 재사용 가능하며 매우 자세할 수 있습니다. 모델은 환자 방사선 이미징 데이터에서 생성될 수 있어 환자 해부학의 복제본이 생성될 수 있습니다. VR 또는 3D 인쇄 모델의 많은 이점에도 불구하고 선천성 심장 수술의 비용과 햅틱 충실도 요구 사항이 고려될 때 부족합니다. VR 환경의 설정은 비용이 높으며 VR 환경은 실제 햅틱 피드백을 제공할 수 없습니다. 햅틱 충실도 기술이 향상되고 있지만, 현재의 격차는 절차를 수행하는 데 필요한 미세 모터 기술에 익숙해질 수 있는 학생의 능력을 저해합니다4. 마찬가지로, 사용되는 3D 프린팅 기술의 유형에 따라 프린터 구매 가격및 인쇄 재료 비용을 고려해야 하므로 3D 프린팅 비용이 상당히 높을 수 있습니다11,14. 사실적인 햅틱 피드백을 가진 단일 고충실도 심장 모델은 하이 엔드 프린터를 사용하여 생산할 수 있지만 프린터 구매 가격이 100,000 USD15 이상으로 재료로만 수백 달러의 비용이 듭니다. 26-28A의 해안 경도를 가진 필라멘트를 사용하여 생성된 심장 모델은 model16당 약 220 USD의 비용이 드는 것으로 나타났다. 또는 5,000달러 미만의 프린터 구매 가격이 있는 저가형 3D 프린터 및 기술을 사용할 수 있습니다. 저가형 FDM 프린터에서 생성된 심장 모델의 평균 재료 가격은 해안 경도 가도가 82A, 35USD인 소재를 사용하여 95 A15,16의 해안 경도를 가진 소재를 사용하여 약 3.80 USD인 것으로 나타났다. 이 기계는 저비용 솔루션을 제공하지만, 그것은 햅틱 충실도의 비용으로 온다.
VR 및 3D 프린팅은 심장 상태에 대한 상세한 시각 및 개념적 평가를 허용할 수 있지만, 실습 수술 시뮬레이션 모델 제작과 관련된 높은 가격은 종종 상당한 장벽입니다. 한 가지 해결책은 실리콘을 사용하여 신체적, 텍스트적으로 정확한 심장 모델을 만드는 것입니다. 환자 별 실리콘 모델은 외과 의사가 환자에게 최소한의 위험을 수반하고 절차가 실패할 경우 결과가 없는 환경에서 현실적인 햅틱 피드백을 경험하면서 절차를 보고, 느끼고, 심지어 연습할 수 있도록 함으로써 독특한 해부학에 대한 심층적인 이해를 촉진할 수 있습니다. 실리콘 성형은 저비용 3D 프린팅17에서 생성된 모델보다 실제 조직에 훨씬 더 가까운 물리적 특성을 가진 모델을 생성하는 인간 해부학을 모델링하는 효과적인 방법으로 나타났습니다. Scanlan 등은 실리콘 성형 심장 판막에 인쇄된 저비용 3D의 특성을 비교하여 실제 조직과 유사성을 평가합니다. 연구 결과는 실리콘 판막의 물리적 특성이 실제 조직의 정확한 복제본이 아니었지만, 특성은 3D 인쇄 밸브17보다 훨씬 우수하다는 것을 것을을 발견했습니다. 이 연구에 사용되는 3D 프린팅 재료는 저비용 3D 프린터에 사용할 수 있는 부드러운 재료 중 하나이며 26~28A18 사이의 해안 경도를 가지고 있습니다. 아래 프로토콜에 사용하기에 권장되는 백금 치료 실리콘은 심장 조직의 해안 경도에 훨씬 더 가까운 2 A의 해안 경도, 43 00 규모, 또는 약 0 A19,20을 갖는다. 이러한 차이는 실리콘 모델이 직접 3D 인쇄 재료가 달성하지 못하는 고충실도 미세 모터 기술 교육을 허용하기 때문에 중요합니다. 이 프로토콜에서 제안된 모델의 총 재료 비용은 USD 10 미만입니다. 제안된 실리콘 모델은 사실적인 햅틱 피드백에 필요한 연조직 특성과 저비용 3D 프린팅 모델의 다재다능함과 정밀도를 결합합니다.
실리콘의 장점은 모델 생성을위한 명백한 선택을 할 수 있지만, 실리콘의 사용은 성형 될 수있는 해부학에 의해 제한되었습니다. 갓 혼합된 실리콘은 곰팡이가 원하는 모양으로 유지되어 치료할 때 필요한 액체입니다. 역사적으로 실리콘 심장 금형에는 모델의 외부 표면의 세부 정보만 포함될 수 있습니다. 전체 혈액 풀 영역을 포함한 심장 내 세부 사항은 실리콘으로 채워지고 손실될 것입니다. 이전 연구는 심장 내관심 분야의 특정 영역의 실리콘 모델(예를 들어, 대동맥 뿌리21)을 달성했거나 심근 조직을 시뮬레이션하기 위해 외삽 방법을 사용하였다22. 이 프로토콜은 실리콘 소재의 사용을 고해상도 해부학적, 전체 심근 시뮬레이션과 결합하여 특별히 외삽 방법을 피하고자 하기 때문에 참신합니다. 우리의 지식에, 어떤 설명 원고는 이러한 측면을 결합하는 방법론을 제공하지 않았습니다. 이 프로토콜에 기술된 방법은 수술 전 연습을 위해 충분히 정확한 심장 내 해부학 복제를 가진 환자 특정 심장 모형을 달성하는 기술을 소개합니다. 이 방법은 모델의 내부, 심내 내 세부 사항을 보존하고 실리콘이 심장의 혈액 풀 영역을 채우는 것을 방지하기 위해 치료와 내부 금형으로 적절한 모양으로 실리콘을 유지하는 심근 금형의 생성을 포함한다. 내부 금형은 외부 및 내부 표면에 환자 별 해부학을 가진 전체 실리콘 심장 모델을 남기고 용해되어야합니다. 본 원에서 제안된 심장 모델 생성 프로토콜없이, 심근의 실제 조직 특성을 모방하는 물질로 외과 적 시술을 시뮬레이션하기 위한 저비용 해결책이 존재하지 않는다.

<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>
			<td>Dragon Skin Fx-Pro</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro</td>
			<td>Industry-standard, characterized skin-safe</td>
		</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

3 차원 모델은 복잡한 사례에 대해 배울 때 외과 계획 및 의료 동료를 개발할 때 외과 의사에게 귀중한 도구가 될 수 있습니다. 특히, 3D 모델은 복잡한 선천성 심장 질환이 발생하는 심장학 분야에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 많은 3D 프린터가 해부학적으로 정확하고 상세한 모델을 제공할 수 있지만 기존 3D 프린팅 재료는 심근 조직 특성을 복제하지 못하며 비용이 많이 들 수 있습니다. 이 프로토콜은 심장 근육 특성과 더 밀접하게 일치하는 저비용 실리콘을 사용하여 복잡한 선천성 심장 결함의 환자 별 모델을 만드는 과정을 개발하는 것을 목표로합니다. 향상된 모형 충실도로, 실제 외과 절차 훈련은 절차의 앞에 생길 수 있었습니다. 심장 모델의 성공적인 생성은 가상 혈액 풀 (심장의 챔버를 채우는 혈액)과 심근 조직 금형을 생성하기 위해 방사선 학적 이미지의 세분화로 시작됩니다. 혈액 풀과 심근 몰드는 아세톤에서 해결할 수 있는 플라스틱 인 아크릴로니톨 부타디엔 스티렌(ABS)에 3D 프린트되어 있습니다. 곰팡이는 혈액 풀 주위에 조립되어 심근을 시뮬레이션하는 부정적인 공간을 만듭니다. 2A의 해안 경도를 가진 실리콘은 부정적인 공간에 부어 치료 할 수 있습니다. 심근 금형이 제거되고 나머지 실리콘/혈액 풀 모델은 아세톤에 침수됩니다. 설명된 프로세스는 심장 내 결함을 포함한 모든 심장 특징이 보다 현실적인 조직 특성으로 표현되고 직접 3D 프린팅 접근법보다 더 가깝게 근사되는 물리적 모델을 초래합니다. GORE-TEX 패치(결함에 대한 표준 외과 적 개입)를 사용하여 심실 중격 결함 (VSD)을 가진 모델의 성공적인 외과 적 교정은 방법의 유용성을 보여줍니다.

VSD를 가진 환자로부터 방사선 이미징 데이터는 대표적인 실리콘 심장 모델을 생성하도록 선택되었다. 환자 해부학은 디지털 심근 모델과 디지털 혈액 풀 모델을 생성하기 위해 CAD 세분화 소프트웨어를 사용하여 분할되었다(그림 1). 제시된 프로토콜을 가진 혈액 풀및 심근의 수동 분할은 완료하는 데 1-3 시간이 걸립니다. 세분화가 완료되면 추가 처리를 위해 CAD 소프트웨어에서 심근 모델을 열었습니다. 이 모델은 프로그램 내에서 만든 3D 상자에 정렬된 다음 Boolean 작업을 사용하여 빼버렸습니다. 이 과정은 심근 모델의 음수를 남기고 금형을 형성했습니다. 이 심근 금형은 보다 적절한 크기로 손질하고 세그먼트로 절단하고 조각을 정렬하기위한 소품으로 변형되었습니다 (그림 2). 케이스의 생성은 2-6 시간이 걸렸습니다. 모든 심근 금형 조각과 혈액 풀은 3D 프린팅 슬라이싱 소프트웨어에 로드되었고, G-Code는 ABS에서 3D 인쇄로 생성되었다(그림 3). 지지재가 제거된 3D 인쇄된 조각은 도 4에서 볼 수 있다. 심근 케이스 조각은 모델의 표면 마감을 향상시키기 위해 증기가 부드럽게되었다(도 5). 증기 의 원활한 과정이 완료되면, 곰팡이는 혈액 풀 모델 주위에 조립되었고, 실리콘이 부어졌다. 조립 및 실리콘 부어 1 시간이 걸렸습니다. 실리콘 세트 후, 심장 모델은 심근 케이스에서 제거되고 혈액 풀을 용해시키기 위해 아세톤에 침수되었다. 약 24시간 동안 몸을 담그고 나서, 피풀이 녹아 있었다. 최종 아세톤 린스가 수행되었고, 모델은 완전히 건조할 수 있었습니다. 완성된 실리콘 심장 모델은 도 6에서 볼 수 있다. 실리콘 모델의 정확성과 기능을 평가하기 위해 CHD(선천성 심장 결함) 전문가가 내부 해부학을 관찰할 수 있도록 절개를 했습니다. 예상 VSD가 존재했고, 고레 텍스 패치는 선천성 심장 외과 의사에 의해 모델에 수놓은 VSD(도 7). 성공적으로 완성된 실리콘 모델에서 모든 환자 해부학 및 결함은 외부 및 내부적으로 모두 존재합니다. 프로토콜의 요약은 보충 파일 1 에서 볼 수 있습니다.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig07.jpg"> 그림 7: VSD가 있는 실리콘 심장 모델에 있는 고어 텍스 패치. (A) 외과 의사의 VSD 및 (B) 외과 의사의 모델 에서 VSD의 시야가 GORE-TEX 패치로 닫혔습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig07large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 1: 실리콘 심장 제조 프로토콜의 회로도. 환자 특정 실리콘 심장 모델의 제조에 있는 프로토콜의 회로도 그림. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_1.psd" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 2: 중요한 단계와 잠재적인 부정적인 결과의 요약. 환자 별 실리콘 심장 모델의 개발에 중요한 단계와 단계를 올바르게 따르지 않으면 발생할 수있는 잠재적 인 부정적인 결과의 요약. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_2.psd" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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

환자 별 모델은 수술 계획을 개발하거나 학습 할 때 외과 의사와 동료의 자신감을 향상시킵니다. 3차원(3D) 프린터는 수술 준비를 위한 적절한 세부 정보를 생성하지만 조직 햅틱 충실도를 복제하지 못합니다. 3D 프린팅 정밀도와 시뮬레이션 된 실리콘 조직을 결합한 환자 별 실리콘 심장 모델의 생성을 자세히 설명하는 프로토콜이 제공됩니다.

수술 전 계획 및 실습 교육에서 응용 프로그램을 갖춘 환자 별 실리콘 심장 모델 생성

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 ...

복잡한 선천성 심장 질환은 어려운 3D 문제입니다. 기존 3D 프린팅 기술은 심근 조직 특성을 밀접하게 복제하지 못합니다. 이 프로토콜은 고충실도 외과 훈련을위한 모델을 만듭니다.이 기술은 이미징에서 환자 별 3D 모델을 비용 효율적으로 만듭니다. 그들의 기관의 내부 및 외부 해부학을 모델링하는 것은 우리가 우리의 환자를 친밀하게 알고 배려할 수 있습니다. 해부학 조직을 밀접하게 나타내는 재료로 이러한 모델을 만들면 이 기술이 해부학을 포함하는 모든 절차 트레이너에게 적용 할 수 있습니다.시작하려면 CAD 프로그램에서 심근 사례 모델 STL 파일을 엽니다. 매직에서 가져오기 파트 2를 통해 생성된 STL 파일을 가져옵니다. 프로젝트 관리 창에서 모델 렌더링의 투명 옵션을 선택합니다.왼쪽 및 오른쪽 마우스 버튼을 사용하여 심장의 정점과 대동맥 아크 수평을 가리키며 심근 베이스의 뷰를 조정하기 위해 회전 및 패닝 도구를 제어합니다. 모델에서 초과 심근 케이스 재질을 다듬려면 도구로 이동하여 잘라내고 폴리라인을 표시한 다음 관심 지점을 선택하고 적용을 클릭합니다. 마찬가지로 심근 케이스를 여러 조각으로 자른다.잘라서 폴리라인을 선택한 다음 심근 케이스를 정점과 상반부를 포함하는 하반부로 나누는 대동맥을 가로로 잘라내고 심근 케이스의 하반부 와 상반의 넓은 부분을 따라 두 개의 수직 컷을 만들기 위한 관심 지점을 선택합니다. 그리고 마침내 적용을 클릭합니다. 조립 중에 적절한 정렬을 보장하기 위해 소품 생성 도구와 0.25 밀리미터의 클리어런스 값을 가진 부울 감산 도구를 사용하여 일치하는 소품과 소품 캐비티를 만들고 소품 추가를 클릭하여 심근 케이스 조각에 추가합니다.모델의 위치를 표시한 다음 적용을 클릭합니다. 심근 케이스의 상부 절반 조각 중 하나에서, 1 센티미터의 직경의 실리콘 채우기 구멍을 만들고 SME로 구멍 배치를 확인합니다. 모든 케이스 조각에서 진단 을 개별적으로 검사하여 뒤엎은 정상, 불량 모서리, 잘못된 윤곽, 거의 나쁜 모서리, 평면 구멍 또는 심근 케이스 조각의 쉘과 같은 오류를 찾을 수 있습니다.오류가 감지되면 자동 확인을 클릭하여 복구합니다. 또한 수동으로 또는 수정 도구 또는 마법사를 사용하여 오류를 수정할 수 있습니다. 대체 옵션을 사용하여 오류를 해결할 수 없는 경우 축소 랩 도구를 사용하여 오류를 수정합니다.수정을 클릭하고 축소 랩을 선택하고 대화 상자를 따라 SME 검토 시 생리학을 변경하지 않고 특정 조각의 오류를 수정하기 위해 필요에 따라 수축 랩 샘플 간격 및 갭 채우기 값을 조정합니다. 그런 다음 개별 심근 케이스 조각을 STL 파일로 저장하거나 내보낼 수 있습니다. 심근 케이스 및 혈액 풀 모델을 적절한 슬라이서 소프트웨어에서 열어 3D 프린팅 파일을 생성합니다.모든 조각에 3D 인쇄 지지대를 수동으로 추가하거나 사용 가능한 경우 소프트웨어에 제공된 자동 지원 생성 도구를 사용합니다. 모델을 슬라이스하여 텍스트 원고에 설명된 매개 변수를 사용하여 3D 프린터에서 사용할 G 코드를 생성하고 G 코드를 저장하거나 내보냅니다. 인쇄 파일을 3D 프린터에 업로드합니다.올바른 필라멘트가 3D 프린터에 로드되도록 한 후 인쇄를 시작합니다. 인쇄가 완료되면 바늘 코 펜치와 핀셋을 사용하여 인쇄된 조각에서 모든 지지 재료를 제거합니다. 혈액 풀 몰드 주위에 심근 케이스 조각을 조립하여 모든 조각이 단단히 맞도록 합니다.심근 케이스가 혈액 풀 주위에 맞지 않으면 핸드홀드 로터리 샌드링 도구를 사용하여 케이스 몰드 조각을 조금씩 조정하여 재료를 제거하십시오. 다음으로, 아세톤 증기를 사용하여 심근 케이스의 표면을 부드럽게 합니다. 이렇게하려면, 아세톤의 영향을받지 않습니다 종이 타월용기의 바닥과 측면을 줄.하단 종이 타월에 아세톤을 붓고 종이 타월을 용기 측면으로 확산시키지만 바닥에 수영장을 형성하지 는 않습니다. 알루미늄 호일 조각을 용기에 넣고 하단 종이 타월을 덮습니다. 심근 케이스 조각을 알루미늄 호일에 오리엔테이션하여 매끄러운 얼굴이 수직으로 되어 조각이 서로 닿지 않도록 하거나 용기 벽에 있는 종이 타월을 선택합니다.알루미늄 호일로 용기를 덮고 원하는 표면 마감의 최대 80 %까지 얻을 때까지 심근 케이스 조각이 용기에 방해받지 않도록하십시오. 표면이 부드러워지면 용기에서 심근 케이스 조각을 조심스럽게 제거하고 외부 표면만 만만 만지고 조각이 약 30 분 동안 또는 조각이 완전히 건조하고 단단해질 때까지 잘 통풍이 잘되는 부위에서 완전히 탈가스를 만들 수 있습니다. CAD 소프트웨어를 사용하여 심근 분할의 양을 측정하여 필요한 실리콘의 양을 결정합니다.실리콘의 파트 A와 파트 B를 철저히 교반합니다. 모델에 색상이 원하는 경우, 안료를 추가하고 모든 부품과 안료를 철저히 혼합한 다음, 철저하게 혼합된 실리콘을 29인치 수은에서 2~3분 동안 진공 챔버에 넣습니다. 이 실리콘 혼합물이 완전히 탈가스되면 챔버에서 제거하고 실리콘 혼합물의 혈액 풀을 침수하여 혈액 풀의 모든 공극과 구멍이 실리콘으로 채워지고 혈액 풀을 철저히 코팅하십시오.통풍이 잘 되는 부위에는 심근 케이스의 모든 부분을 쉽게 방출할 수 있는 모든 조각을 철저히 스프레이합니다. 혈액 풀의 정점 주위에 심근 케이스의 하반부를 조립합니다. 누출의 경우 클램프, 핫 접착제 또는 점토를 사용하여 누출을 밀봉하십시오.다음으로, 조립된 심근 금형 조각이 채워질 때까지 혈액 풀과 케이스 벽 사이의 공간에 실리콘을 붓습니다. 심근 케이스의 나머지 조각을 조립 한 후 필요에 따라 고무 밴드와 클램프를 사용하여 케이스 조각을 단단히 고정하십시오. 실리콘이 고화되면 심근 케이스에서 실리콘 하트를 제거하고 케이스 조각 이나 채우기 구멍 사이의 공간에서 생성 된 실리콘 솔기를 다듬습니다.실리콘 모델에서 열린 끝을 가진 모든 혈관을 식별 한 후 혈관을 덮는 실리콘을 다듬어 ABS 혈액 풀내부를 노출시하십시오. 아세톤과 ABS에 실리콘 심장을 잠수하면 아세톤 침수 후 10~15분 간 부드러워지기 시작합니다. ABS가 부드러워지면 핀셋으로 큰 ABS 덩어리를 제거하여 ABS 용해 과정의 속도를 높입니다.ABS 혈액 풀의 대부분이 용해되면 실리콘 심장을 깨끗한 아세톤으로 헹구어 실리콘에서 모든 ABS를 제거합니다. 아세톤에서 심장 모델을 제거하고 나머지 아세톤이 통풍이 잘 되는 부위에서 모델에서 증발하도록 합니다. 실리콘 모델의 정확성과 기능을 평가하기 위해, 두 개의 절개가 만들어졌으며, 하나는 전방 좌심실과 다른 하나는 내부 해부학을 시각화하기 위해 후방 우심실에서 이루어졌다.예상되는 심실 중격 결함은 적절한 내부 구조와 GORE-TEX 패치가 선천성 심장 외과 의사에 의해 모델로 바느질되어 심실 중격 결함을 교정하는 것과 같이 존재하였다. 금형 설계는 매우 중요합니다. 혈액 풀 주위에 맞는 데 필요한 만큼 의식으로 금형을 잘라 있는지 확인하십시오.이 기술은 복잡한 환자 별 실리콘 모델의 생성을 잠금 해제합니다. 우리는 더 이상 3D 프린팅 재료 제한에 의해 제한되지 않습니다. 오히려, 우리는 복잡한 외과 트레이너에 대한 수요를 충족 할 수있는 권한을 부여합니다.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Plasma Lithography Surface Patterning for Creation of Cell Networks

세포 네트워크의 창조를위한 플라즈마 리소그래피 표면 Patterning

Systematic manipulation of a cell microenvironment with micro- and nanoscale resolution is often required for deciphering various cellular and molecular ...

연구

생체공학

Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

심장의 환자 별 모델링 : 심실 섬유 오리엔테이션의 추정

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

In situ TEM of Biological Assemblies in Liquid

시투에서 액체에 있는 생물학 어셈블리의 TEM

Researchers regularly use Transmission Electron Microscopes (TEMs) to examine biological entities and to assess new materials. Here, we describe an ...

Training Persons with Spinal Cord Injury to Ambulate Using a Powered Exoskeleton

척수 손상이있는 사람을 교육하는 것은 동력 형 외골격을 사용 Ambulate하기

Powered exoskeletons have become available for overground ambulation in persons with paralyses due to spinal cord injury (SCI) who have intact upper ...

Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving (SSLE) of Glass Crystals

Scaled Anatomical Model Creation of Biomedical Tomographic Imaging Data and Associated Labels for Subsequent Sub-surface Laser Engraving SSLE of Glass Crystals

유리 크리스탈의 후속 하위 표면 레이저 조각 (SSLE)에 대한 확장 된 해부학 모델 생체 단층 촬영 영상 데이터의 생성 및 관련 레이블

Biomedical imaging modalities like computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) provide excellent platforms for collecting three-dimensional data ...

Creation of Cardiac Tissue Exhibiting Mechanical Integration of Spheroids Using 3D Bioprinting

3D Bioprinting을 이용한 Spheroids의 기계적 통합을 보여주는 심장 조직의 생성

This protocol describes 3D bioprinting of cardiac tissue without the use of biomaterials, using only cells. Cardiomyocytes, endothelial cells and ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional PolyÃƒÆ’Ã…Â½Ãƒâ€šÃ‚Âµ-caprolactone Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

조직 공학 응용 프로그램에 대 한 제어 형태학과 3 차원 Poly(ε-caprolactone) 장비의 전기 글 녹아

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Targeting Neuronal Fiber Tracts for Deep Brain Stimulation Therapy Using Interactive, Patient-Specific Models

대화형, 환자 전용 모델을 사용 하 여 깊은 두뇌 자극 치료를 위한 신경 섬유 책자를 대상으로

Deep brain stimulation (DBS), which involves insertion of an electrode to deliver stimulation to a localized brain region, is an established therapy for ...

Protocol for MicroRNA Transfer into Adult Bone Marrow-derived Hematopoietic Stem Cells to Enable Cell Engineering Combined with Magnetic Targeting

성인 골 수 유래 조 혈 줄기 세포로 세포 공학 자기 대상으로 함께 있도록 예측에 관한 전송을 위한 프로토콜

While CD133+ hematopoietic stem cells (SCs) have been proven to provide high potential in the field of regenerative medicine, their low retention rates ...

A Net Mold-based Method of Scaffold-free Three-Dimensional Cardiac Tissue Creation

비 계-무료 3 차원 심장 조직 창조의 그물 형 기반 방법

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. ...