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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training at JoVE.com

Авторы хотели бы поблагодарить OSF HealthCare за то, что он сделал это исследование возможным, а также доктора Марка Планкетта за его процедурные знания и применение навыков к нашему конечному продукту.

<ol>
	<li>Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+incidence+of+congenital+heart+disease.">The incidence of congenital heart disease.</a> Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).</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>Wilson, H. K., Feins, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , 263-274 (2019).</li><li>Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovations+in+surgery+simulation:+A+review+of+past,+current+and+future+techniques.">Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques.</a> Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).</li><li>Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. <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+training+of+congenital+heart+surgery+using+3-dimensional+print+models.">Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models.</a> Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).</li><li>Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cardiac+3D+printing+for+better+understanding+of+congenital+heart+disease.">Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease.</a> Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).</li><li>Velasco Forte, M. 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=Living+the+heart+in+three+dimensions:+applications+of+3D+printing+in+CHD.">Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD.</a> Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).</li><li>Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Utility+of+3D+printed+cardiac+models+in+congenital+heart+disease:+a+scoping+review.">Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review.</a> Heart. 106, 1631-1637 (2020).</li><li>Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. <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+models+in+congenital+heart+disease+education+for+medical+students:+a+controlled+comparative+study.">Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study.</a> BMC Medical Education. 18 (178), (2018).</li><li>Farooqi, K. M., Mahmood, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Innovations+in+preoperative+planning:+insights+into+another+dimension+using+3D+printing+for+cardiac+disease.">Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease.</a> Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).</li><li>Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Utility+and+access+to+3-dimensional+printing+in+the+context+of+congenital+heart+disease:+an+international+physician+survey+study.">Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study.</a> Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).</li><li>Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinical+value+of+virtual+reality+versus+3D+printing+in+congenital+heart+disease.">Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease.</a> Biomolecules. 11 (884), (2021).</li><li>Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+modelling+and+printing+technology+to+produce+patient-specific+3D+models.">3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models.</a> Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).</li><li>Yoo, S. J., 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+printing+in+medicine+of+congenital+heart+disease.">3D printing in medicine of congenital heart disease.</a> 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).</li><li>G&#243;mez-Ciriza, G., G&#243;mez-C&#237;a, T., Rivas-Gonz&#225;lez, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Affordable+three-dimensional+printed+heart+models.">Affordable three-dimensional printed heart models.</a> Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498 (2021).</li><li>Lau, I., 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=Quantitative+and+qualitative+comparison+of+low-+and+high-cost+3D-printed+heart+models.">Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models.</a> Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).</li><li>Scanlan, A. B., 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=Comparison+of+3D+echocardiogram+derived+3D+printed+valve+models+to+molded+models+for+simulated+repair+of+pediatric+atrioventricular+valves.">Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves.</a> Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).</li><li>. Dragon skin fx-pro, Smooth-On Available from: <a target="_blank" href="https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/">https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/</a> (2021)</li><li>Tejo-Otero, A., Fenollosa-Art&#233;s, F., Buj-Corral, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mimicking+soft+living+tissues+for+3D+printed+surgical+planning+prototypes+using+different+materials.">Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials.</a> Congreso Anual de la Sociedad Espa&#241;ola de Ingenier&#237;a Biom&#233;dica. , 307-310 (2019).</li><li>Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicone+models+of+the+aortic+root+to+plan+and+simulate+interventions.">Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).</li><li>Laing, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+patient-specific+cardiac+phantom+for+training+and+pre-procedure+surgical+planning.">A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning.</a> Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964 (2017).</li><li>Hoashi, T., 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=Utility+of+a+super-flexible+three-dimensional+printed+heart+model+in+congenital+heart+surgery.">Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery.</a> Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).</li><li>Mena, K. 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>

Авторам нечего раскрывать.

Почти 1 из 100 детей в Соединенных Штатах рождается с врожденными пороками сердца (ИБС). Из-за склонности матерей с ИБС иметь детей с ИБС, ожидается, что этот показатель может более чем удвоиться в течение следующих семи поколений1. Хотя не каждая ИБС считается сложной или тяжелой, общее ожидание роста указывает на то, что существует мотивация для улучшения технологий и процедур, способных решить проблему лечения ИБС. По мере совершенствования технологий кардиохирурги часто выражают готовность заниматься более сложными процедурами. Эта готовность привела к увеличению числа сложных кардиологических процедур, что привело к необходимости более продвинутых методов хирургического планирования и обучения. В свою очередь, это приводит к тому, что кардиохирурги нуждаются в высокоточных, специфических для пациента моделях, а кардиохирурги нуждаются в высокоэффективных методах обучения.
Врожденная кардиохирургия является одной из самых технически сложных хирургических дисциплин из-за небольшого размера пациентов, сложности сердечных аномалий и редкости некоторых аномалий2. В самых крайних случаях ребенок может родиться с одним желудочком. Нередко хирург берет сосуд диаметром 2,0 мм и заделывает его фиксированным перикардом, чтобы создать сосуд размером 1,0 см, позволяющий новорожденному расти в этой спасительной процедуре - все это под часами, так как новорожденный находится в полной остановке кровообращения. Между нормальным четырехкамерным сердцем и этими экстремальными примерами находятся бесчисленные возможности размера камеры и положения клапана, которые представляют собой очень сложные 3D-головоломки. Роль врожденной сердечной команды заключается в том, чтобы четко очертить уникальную анатомию и разработать план по перенастройке органической ткани в функциональное сердце, которое позволит ребенку расти с наилучшими шансами на нормальную жизнь. Точные модели позволяют проводить преднамеренную хирургическую практику и повторение в среде, где ошибки могут быть прощены и не приведут к причинению вреда пациенту3,4. Это обучение приводит к развитию улучшенного хирургического опыта, а также технических и судейских навыков. Однако ограниченные ресурсы и редкость некоторых сердечных заболеваний могут сделать достижение желаемого уровня повторения и визуализации практически невозможным. Для того чтобы помочь восполнить этот дефицит ресурсов, увеличилось использование имитационных моделей для образования2,3. Обычно используемые методы моделирования или моделирования включают человеческие трупы, ткани животных, модели виртуальной реальности (VR) и 3D-печатные модели.
Трупная ткань исторически считалась золотым стандартом для хирургического моделирования, а ткани животных занимали второе место. Трупы и ткани животных могут производить моделирование высокой точности, потому что они содержат анатомическую структуру, представляющую интерес, все окружающие ткани и позволяют использовать методы перфузии для моделирования кровотока4. Несмотря на преимущества тканевых моделей, есть и недостатки. Бальзамированная ткань испытывает снижение механического соответствия, что делает некоторые операции нереалистичными и трудными для выполнения. Ткани требуют постоянного ухода, специфических помещений, не подлежат повторному использованию2, могут быть дорогостоящими для получения3 и исторически были предметом этических проблем. Самое главное, что врожденные сердечные заболевания просто недоступны в трупных образцах.
VR и 3D-печатные модели5,6,7,8,9,10 обеспечивают еще один вариант сердечного образования, симуляции и моделирования, чтобы помочь в создании предоперационных планов. Эти модели уменьшают двусмысленность, связанную с различной визуально-пространственной способностью пользователя интерполировать 2D-изображения в виде 3D-структуры10,11. Виртуальная среда может содержать хирургические инструменты, которыми можно манипулировать и взаимодействовать с моделями, что позволяет хирургам и стипендиатам развивать координацию рук и глаз, мелкую моторику и знакомство с некоторыми процедурами4. Современные популярные технологии 3D-печати, включая моделирование плавленого осаждения (FDM), стереолитографию (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и полиджет, как было обнаружено, производят модели с субмиллиметровой точностью13. Как VR, так и 3D-печатные модели являются многоразовыми и могут быть чрезвычайно детализированными; модели могут быть даже сгенерированы из данных рентгенологической визуализации пациента, что приводит к репликам анатомии пациента. Несмотря на многие преимущества VR или 3D-печатных моделей, они не соответствуют требованиям, когда рассматриваются требования к стоимости и тактильной точности врожденной операции на сердце. Настройка среды VR имеет высокую стоимость, и среды VR не могут обеспечить реальную тактильную обратную связь. В то время как технология тактильной точности совершенствуется, текущий разрыв препятствует способности студента знакомиться с мелкой моторикой, необходимой для выполнения процедур4. Точно так же, в зависимости от типа используемой технологии 3D-печати, стоимость 3D-печати может быть довольно высокой, так как цена покупки принтера и стоимость печатного материала должны учитываться11,14. Одна высококачественная сердечная модель с реалистичной тактильной обратной связью может быть изготовлена с использованием высококачественного принтера, но будет стоить сотни долларов только в материале с покупной ценой принтера более 100 000 долларов США 15. Было обнаружено, что сердечная модель, изготовленная с использованием нити накаливания с твердостью по Шору 26-28 А, стоила примерно 220 долларов США за модель16. Кроме того, доступно множество недорогих 3D-принтеров и технологий, цена покупки принтера которых составляет менее 5000 долларов США. Средние цены на материалы для кардиологической модели, сгенерированной на недорогом FDM-принтере, составили около 3,80 долларов США с использованием материала с твердостью по Шору 82 А и 35 долларов США с использованием материала с твердостью по Шору 95 А15,16. Хотя эти машины предлагают недорогое решение, оно достигается за счет тактильной точности.
В то время как VR и 3D-печать могут позволить детальную визуальную и концептуальную оценку сердечного заболевания, высокая цена, связанная с созданием модели для практического хирургического моделирования, часто является значительным барьером. Одним из решений является использование силикона для создания физически и текстурно точной модели сердца. Силиконовые модели, специфичные для пациента, могут способствовать более глубокому пониманию уникальной анатомии, позволяя хирургам видеть, чувствовать и даже практиковать процедуру, испытывая реалистичную тактильную обратную связь в среде, которая сопряжена с минимальным риском для пациента и не имеет последствий, если процедура не увенчалась успехом9. Было показано, что силиконовое формование является эффективным методом моделирования анатомии человека, который производит модели с физическими свойствами, которые значительно ближе к реальной ткани, чем модели, созданные из недорогой 3D-печати17. Scanlan et al., сравнили свойства недорогих 3D-печатных с силиконовыми формованными сердечными клапанами для оценки сходства с реальной тканью; Исследование показало, что, хотя физические свойства силиконовых клапанов не были точной копией реальной ткани, эти свойства намного превосходили 3D-печатные клапаны17. Материал для 3D-печати, используемый в исследовании, является одним из самых мягких материалов, доступных для недорогих 3D-принтеров, и обладает твердостью по Шору от 26 до 28 A18. Силикон платинового отверждения, рекомендуемый для использования в протоколе ниже, имеет твердость берега 2 А, которая намного ближе к твердости сердечной ткани, 43 по шкале 00 или примерно 0 A19,20. Это различие является существенным, потому что силиконовые модели позволяют тренировать высокоточную мелкомоторную технику, которую не достигают непосредственно 3D-печатные материалы. Общая материальная стоимость модели, предложенной в этом протоколе, составляет менее 10 долларов США. Предлагаемые силиконовые модели сочетают в себе свойства мягких тканей, необходимые для реалистичной тактильной обратной связи, с универсальностью и точностью недорогих 3D-печатных моделей.
В то время как преимущества силикона могут показаться очевидным выбором для создания модели, использование силикона было ограничено анатомией, которая может быть отлита. Свежесмешанный силикон - это жидкость, которая требует формы, чтобы удерживать его в желаемой форме по мере отверждения. Исторически сложилось так, что силиконовые сердечные формы могли содержать только детали внешней поверхности модели. Внутрисердечные детали, включая всю область пула крови, будут заполнены силиконом и потеряны. Предыдущие исследования достигли силиконовых моделей конкретных областей, представляющих интерес в сердце (например, корень аорты21) или использовали экстраполяционный метод для моделирования ткани миокарда22. Этот протокол является новым, поскольку он стремится объединить использование силиконового материала с анатомическим, полным моделированием миокарда с высоким разрешением, в частности, избегая любого метода экстраполяции. Насколько нам известно, ни одна описательная рукопись не предоставила методологию, сочетающую эти аспекты. Метод, описанный в этом протоколе, вводит технику для достижения специфической для пациента сердечной модели с внутрисердечной анатомической репликацией, достаточно точной для хирургической предоперационной практики. Метод включает в себя создание формы миокарда для удержания силикона в правильной форме по мере его отверждения и внутренней формы для сохранения внутренних, внутрисердечных деталей модели и предотвращения заполнения силиконом области кровотока сердца. Затем внутренняя форма должна быть растворена, оставив целую силиконовую сердечную модель с специфической для пациента анатомией на внешней и внутренней поверхностях. Без предлагаемого протокола создания сердечной модели в настоящем документе не существует недорогого решения для моделирования хирургической процедуры с материалом, который имитирует фактические характеристики тканей миокарда.

<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

Трехмерные модели могут быть ценным инструментом для хирургов, когда они разрабатывают хирургические планы, и медицинских работников, когда они узнают о сложных случаях. В частности, 3D-модели могут играть важную роль в области кардиологии, где возникают сложные врожденные пороки сердца. В то время как многие 3D-принтеры могут предоставлять анатомически правильные и подробные модели, существующие материалы для 3D-печати не могут воспроизвести свойства ткани миокарда и могут быть чрезвычайно дорогостоящими. Этот протокол направлен на разработку процесса создания специфических для пациента моделей сложных врожденных пороков сердца с использованием недорогого силикона, который более точно соответствует свойствам сердечной мышцы. С улучшенной точностью модели фактическое хирургическое процедурное обучение может происходить до процедуры. Успешное создание кардиологических моделей начинается с сегментации радиологических изображений для генерации виртуального пула крови (крови, которая заполняет камеры сердца) и плесени ткани миокарда. Бассейн крови и плесень миокарда напечатаны на 3D-принтере в акрилонитрилбутадиенстироле (ABS), пластике, растворяемом в ацетоне. Плесень собирается вокруг бассейна крови, создавая отрицательное пространство, имитирующее миокард. Силикон с твердостью по шору 2А заливают в отрицательное пространство и дают отверждаться. Плесень миокарда удаляется, а оставшаяся модель силиконового / кровяного пула погружается в ацетон. Описанный процесс приводит к физической модели, в которой все сердечные особенности, включая внутрисердечные дефекты, представлены с более реалистичными свойствами тканей и более близко приближены, чем подход прямой 3D-печати. Успешная хирургическая коррекция модели с дефектом межжелудочковой перегородки (ВСД) с использованием пластыря GORE-TEX (стандартное хирургическое вмешательство при дефекте) демонстрирует полезность метода.

Данные лучевой визуализации от пациента с ВСД были выбраны для создания репрезентативной силиконовой модели сердца. Анатомия пациента была сегментирована с использованием программного обеспечения сегментации САПР для создания цифровой модели миокарда и цифровой модели пула крови (рисунок 1). Мануальная сегментация пула крови и миокарда по представленному протоколу занимает 1-3 ч. По завершении сегментации модель миокарда была открыта в программном обеспечении САПР для дальнейшей обработки. Модель была выровнена по 3D-коробке, сделанной в программе, а затем вычтена с помощью логических операций. Этот процесс оставил негатив модели миокарда, образовав плесень. Эта форма миокарда была обрезана до более подходящего размера, разрезана на сегменты и модифицирована подпорками для выравнивания частей (рисунок 2).. Создание корпуса заняло 2-6 ч. Все кусочки плесени миокарда и бассейн крови были загружены в программное обеспечение для нарезки 3D-печати, а G-Code был сгенерирован для 3D-печати в ABS (рисунок 3). 3D-печатные фрагменты с удаленным вспомогательным материалом можно увидеть на рисунке 4. Части корпуса миокарда были сглажены паром для улучшения поверхностной отделки модели (рисунок 5).. По завершении процесса сглаживания пара вокруг модели пула крови собирали форму и заливали силиконом. Сборка и заливка силикона заняли один час. После силиконового набора сердечная модель была удалена из корпуса миокарда и погружена в ацетон, чтобы растворить пул крови. Примерно через двадцать четыре часа замачивания лужа крови растворилась. Было выполнено окончательное промывание ацетоном, и модели дали полностью высохнуть. Завершенную силиконовую модель сердца можно увидеть на рисунке 6. Чтобы оценить точность и функциональность силиконовой модели, эксперт по ИБС (врожденный порок сердца) сделал разрез, чтобы можно было наблюдать внутреннюю анатомию. Ожидаемый VSD присутствовал, и пластырь GORE-TEX был пришит к модели врожденным кардиохирургом для коррекции VSD (рисунок 7).. В успешно завершенной силиконовой модели вся анатомия пациента и дефекты будут присутствовать как внешне, так и внутренне. Краткое изложение протокола можно найти в Дополнительном файле 1. 
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62805/62805fig07.jpg"> Рисунок 7: Пластырь GORE-TEX, вшитый в силиконовую сердечную модель с ВСД. Фотография (А) взгляда хирурга на конкретную для пациента силиконовую модель сердца с ВСД и (В) вид хирурга на ВСД в модели, закрытой пластырем GORE-TEX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/62805fig07large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
Дополнительный файл 1: Схема протокола изготовления силиконового сердца. Схематическая иллюстрация протокола при изготовлении специфической для пациента силиконовой модели сердца. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_1.psd" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>
Дополнительный файл 2: Краткое изложение критических шагов и потенциальных негативных результатов. Краткое изложение шагов, имеющих решающее значение в разработке силиконовой модели сердца для конкретного пациента, и потенциальных негативных результатов, которые могут возникнуть, если шаги не будут выполнены правильно. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62805/Schematic_2.psd" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Creation of Patient-Specific Silicone Cardiac Models with Applications in Pre-surgical Plans and Hands-on Training at JoVE.com

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

Модели, специфичные для пациента, улучшают уверенность хирурга и коллег при разработке или изучении хирургических планов. Трехмерные (3D) принтеры генерируют достаточные детали для хирургической подготовки, но не могут воспроизвести тактильную точность тканей. Представлен протокол, подробно описывающий создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца, сочетающих точность 3D-печати с моделируемой силиконовой тканью.

Создание специфических для пациента силиконовых моделей сердца с применением в предоперационных планах и практическом обучении

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 ...

Сложный врожденный порок сердца является сложной 3D-проблемой. Существующие технологии 3D-печати не в состоянии точно воспроизвести свойства ткани миокарда. Этот протокол создает модели для высокоточной хирургической подготовки.Этот метод экономически эффективно создает 3D-модели для конкретного пациента из их изображений. Моделирование внутренней и внешней анатомии их органов позволяет нам близко знать и заботиться о наших пациентах. Создание этих моделей в материале, который близко представляет анатомическую ткань, позволяет применять эту технику к любой процедуре тренажера, которая включает в себя анатомию.Для начала откройте STL-файл модели корпуса миокарда в программе САПР. В Magics импортируйте STL-файлы, созданные во второй части импорта. В окне управления проектами выберите прозрачный параметр рендеринга модели.Используйте левую и правую кнопки мыши для управления поворотом и панорамированием инструмента для настройки вида основания миокарда, направляя вершину сердца вниз, а дугу аорты горизонтально. Чтобы обрезать излишки материала корпуса миокарда из модели, перейдите в инструменты, выберите вырезать и указать полилинию, затем выберите точки интереса и нажмите «Применить». Точно так же разрежьте корпус миокарда на несколько частей.Перейдите к вырезу, выберите указать полилинию, затем выберите точки интереса для горизонтального разреза через аорту, который делит корпус миокарда на нижнюю половину, содержащую вершину и верхнюю половину, а также для выполнения двух вертикальных разрезов вдоль самого широкого участка нижней половины и верхней половины корпуса миокарда. И, наконец, нажмите применить. Чтобы обеспечить правильное выравнивание во время сборки, используя инструмент генерации опоры и инструмент логического вычитания со значением зазора 0,25 миллиметра, создайте соответствующие опоры и полости опоры и добавьте их к частям корпуса миокарда, щелкнув добавить реквизит.Укажите положение модели и нажмите кнопку Применить. В одной из верхних половин корпуса миокарда создайте силиконовое заполняющее отверстие диаметром в один сантиметр и проверьте размещение отверстий с помощью МСП. Выберите проверку диагностики для проверки диагностики по всем частям корпуса по отдельности, чтобы найти такие ошибки, как перевернутые нормальные, плохие края, плохие контуры, почти плохие края, плоские отверстия или оболочки в частях корпуса миокарда.При обнаружении ошибки нажмите кнопку Автоматическое разрешение, чтобы исправить ее. Кроме того, ошибки могут быть исправлены вручную или с помощью инструмента исправления или мастера. Если ошибки не могут быть исправлены с помощью альтернативного варианта, исправьте их с помощью инструмента термоусадочной упаковки.Нажмите «Исправить», выберите «Термоусадочная пленка» и следуйте диалоговому окну, чтобы настроить интервал выборки термоусадочной пленки и значения заполнения пробелов, необходимые для исправления ошибок на конкретном куске без изменения физиологии при обзоре МСП. Затем сохраните или экспортируйте отдельные части корпуса миокарда в виде файлов STL. Откройте модели корпуса миокарда и пула крови в соответствующем программном обеспечении слайсера для создания файлов 3D-печати.Добавьте поддержку 3D-печати ко всем частям вручную или используйте инструмент автоматической генерации поддержки, предоставляемый в программном обеспечении, если таковой имеется. Нарежьте модели для генерации G-кода для использования на 3D-принтере с параметрами, описанными в текстовой рукописи, и сохраните или экспортируйте G-код. Загрузите файл печати на 3D-принтер.Убедившись, что на 3D-принтер загружена правильная нить, начните печать. Когда печать будет завершена, используйте плоскогубцы и пинцет, чтобы удалить весь вспомогательный материал из напечатанных частей. Соберите кусочки корпуса миокарда вокруг формы бассейна крови, убедившись, что все части плотно прилегают друг к другу.Если корпус миокарда не может поместиться вокруг бассейна крови, внесите небольшие коррективы в детали формы корпуса, используя ручной вращающийся шлифовальный инструмент для удаления материала. Далее разгладьте поверхность корпуса миокарда с помощью паров ацетона. Для этого выровняйте дно и боковые стороны контейнера бумажными полотенцами, которые не будут затронуты ацетоном.Налейте ацетон на нижнее бумажное полотенце и дайте ему рассеять бумажные полотенца в сторону контейнера, но не образовывайте бассейн на дне. Поместите кусок алюминиевой фольги в контейнер, чтобы покрыть нижнее бумажное полотенце. Направьте кусочки футляра миокарда на алюминиевую фольгу так, чтобы лица, которые должны быть гладкими, были вертикальными, гарантируя, что кусочки не касаются друг друга или бумажных полотенец на стенках контейнера.Накройте контейнер алюминиевой фольгой и дайте кусочкам корпуса миокарда оставаться нетронутыми в контейнере до тех пор, пока не будет достигнуто до 80% желаемой отделки поверхности. Как только поверхность станет гладкой, осторожно извлеките кусочки корпуса миокарда из контейнера, касаясь только внешних поверхностей, и дайте кусочкам полностью дегазироваться в хорошо проветриваемом помещении в течение примерно 30 минут или до тех пор, пока кусочки не станут полностью сухими и твердыми. Измерьте объем сегментации миокарда с помощью программного обеспечения CAD для определения необходимого количества силикона.Тщательно перемешайте часть А и часть В силикона. Если на модели желателен цвет, добавьте пигмент и тщательно перемешайте все части и пигмент, затем поместите тщательно смешанный силикон в вакуумную камеру на две-три минуты при 29 дюймах ртути. Когда эта силиконовая смесь полностью дегазирована, удалите ее из камеры и погрузите кровяную смесь в силиконовую смесь, чтобы убедиться, что все пустоты и полости в бассейне крови заполняются силиконом, а бассейн крови тщательно покрывается.В хорошо проветриваемом помещении тщательно опрыскивайте все кусочки корпуса миокарда легко высвобождающимся продуктом. Соберите нижнюю половину корпуса миокарда вокруг вершины кровяного бассейна. В случае утечки запечатайте утечку с помощью зажимов, горячего клея или глины.Затем налейте силикон в пространство между бассейном крови и стенкой корпуса до тех пор, пока собранные кусочки формы миокарда не будут заполнены. После сборки оставшихся частей корпуса миокарда плотно закрепите детали корпуса с помощью резинок и зажимов по мере необходимости. Когда силикон затвердеет, извлеките силиконовое сердце из корпуса миокарда и обрежьте любые силиконовые швы, созданные из пространства между частями корпуса или заливного отверстия.После идентификации всех кровеносных сосудов с открытыми концами на силиконовой модели обрежьте любой силикон, покрывающий сосуды, чтобы обнажить кровеносный бассейн ABS внутри. Погрузите силиконовое сердце в ацетон, и ABS начнет размягчаться через 10-15 минут после погружения ацетона. После того, как ABS размягчится, удалите большие куски ABS пинцетом, чтобы увеличить скорость процесса растворения ABS.Когда большая часть бассейна крови ABS растворится, промойте силиконовое сердце чистым ацетоном два-три раза, чтобы удалить весь ABS из силикона. Удалите сердечную модель из ацетона и позвольте оставшемуся ацетону испариться с модели в хорошо проветриваемом помещении. Для оценки точности и функциональности силиконовой модели были сделаны два разреза, один в переднем левом желудочке, а другой в заднем правом желудочке для визуализации внутренней анатомии.Ожидаемый дефект межжелудочковой перегородки присутствовал, как и соответствующие внутренние структуры, и пластырь GORE-TEX был вшит в модель врожденным кардиохирургом для исправления дефекта межжелудочковой перегородки. Проектирование пресс-формы имеет решающее значение. Убедитесь, что вы разрезали форму на столько кусочков, сколько вам нужно, чтобы поместиться вокруг бассейна крови.Этот метод открывает возможности для создания сложных силиконовых моделей для конкретного пациента. Мы больше не ограничены ограничениями материалов для 3D-печати. Скорее, мы уполномочены удовлетворить любой спрос на сложные хирургические тренажеры.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Plasma Lithography Surface Patterning for Creation of Cell Networks

Плазменные литографии поверхности паттернов для создания сотовых сетей

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

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

Пациент конкретного моделирования сердца: оценка ориентации волокон Желудочковая

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

На месте TEM биологических ассамблей в жидкости

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

Обучение лиц с повреждением спинного мозга, чтобы передвигаться Использование экзоскелетами

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

Масштабные Анатомические модели Создание биомедицинских томографических изображений данных и связанные с ними метки для последующих подповерхностных лазерной гравировки (SSLE) кристаллов стекла

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

Создание сердечной ткани, обеспечивающей механическую интеграцию сфероидов с использованием 3D-биопреобразования

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

Расплава Electrospinning написания трехмерных Poly(ε-caprolactone) леса с контролируемым морфологии тканей инженерных приложений

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

Ориентация нейрональных волокна участки для глубоких мозга стимуляции терапии с использованием интерактивных, пациент конкретных моделей

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

Протокол для передачи микроРНК в взрослого костного мозга-производные гемопоэтических стволовых клеток для включения клеточной инженерии, в сочетании с магнитной ориентации

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

Чистый метод, основанный на плесень, создания эшафот бесплатный трехмерный сердечной ткани

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