Summary
Les modèles spécifiques au patient améliorent la confiance du chirurgien et des collègues lors de l’élaboration ou de l’apprentissage de plans chirurgicaux. Les imprimantes tridimensionnelles (3D) génèrent suffisamment de détails pour la préparation chirurgicale, mais ne parviennent pas à reproduire la fidélité haptique des tissus. Un protocole est présenté détaillant la création de modèles cardiaques en silicone spécifiques au patient, combinant la précision de l’impression 3D avec un tissu en silicone simulé.
Abstract
Les modèles tridimensionnels peuvent être un outil précieux pour les chirurgiens lorsqu’ils élaborent des plans chirurgicaux et les boursiers médicaux lorsqu’ils découvrent des cas complexes. En particulier, les modèles 3D peuvent jouer un rôle important dans le domaine de la cardiologie, où se produisent des cardiopathies congénitales complexes. Alors que de nombreuses imprimantes 3D peuvent fournir des modèles anatomiquement corrects et détaillés, les matériaux d’impression 3D existants ne parviennent pas à reproduire les propriétés du tissu myocardique et peuvent être extrêmement coûteux. Ce protocole vise à développer un processus de création de modèles spécifiques au patient de malformations cardiaques congénitales complexes à l’aide d’un silicone à faible coût qui correspond plus étroitement aux propriétés du muscle cardiaque. Avec une meilleure fidélité du modèle, une formation procédurale chirurgicale réelle pourrait avoir lieu avant la procédure. La création réussie de modèles cardiaques commence par la segmentation d’images radiologiques pour générer un pool sanguin virtuel (sang qui remplit les cavités du cœur) et une moisissure du tissu myocardique. La mare sanguine et la moisissure myocardique sont imprimées en 3D dans de l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), un plastique soluble dans l’acétone. Le moule est assemblé autour de la mare de sang, créant un espace négatif simulant le myocarde. Le silicone avec une dureté shore de 2A est versé dans l’espace négatif et laissé durcir. La moisissure myocardique est enlevée et le modèle de pool de silicone / sang restant est immergé dans l’acétone. Le processus décrit aboutit à un modèle physique dans lequel toutes les caractéristiques cardiaques, y compris les anomalies intra-cardiaques, sont représentées avec des propriétés tissulaires plus réalistes et sont plus proches qu’une approche d’impression 3D directe. La correction chirurgicale réussie d’un modèle présentant une anomalie septale ventriculaire (VSD) à l’aide d’un patch GORE-TEX (intervention chirurgicale standard pour défaut) démontre l’utilité de la méthode.
Introduction
Près de 1 enfant sur 100 aux États-Unis naît avec des malformations cardiaques congénitales (CHD). En raison de la propension des mères atteintes de coronaropathie à avoir des enfants atteints de coronaropathie, on s’attend à ce que le taux puisse plus que doubler au cours des sept prochaines générations1. Bien que chaque coronaropathie ne soit pas considérée comme complexe ou grave, les attentes générales de croissance indiquent qu’il existe une motivation pour améliorer la technologie et les procédures capables de traiter le traitement des maladies coronariennes. À mesure que la technologie s’améliore, les chirurgiens cardiaques expriment souvent leur volonté de s’attaquer à des procédures plus complexes. Cette volonté a conduit à un nombre accru de procédures cardiaques complexes, entraînant le besoin de techniques plus avancées de planification chirurgicale et d’éducation. À son tour, cela laisse les chirurgiens cardiaques dans le besoin de modèles très précis et spécifiques au patient et les boursiers en chirurgie cardiaque ont besoin de méthodes de formation très efficaces.
La chirurgie cardiaque congénitale est l’une des disciplines chirurgicales les plus exigeantes sur le plan technique en raison de la petite taille des patients, de la complexité des anomalies cardiaques et de la rareté de certaines anomalies2. Dans les cas les plus extrêmes, un enfant peut naître avec un seul ventricule. Il n’est pas rare que le chirurgien prenne un vaisseau de 2,0 mm de diamètre et le patche avec un péricarde fixe pour créer un vaisseau de 1,0 cm permettant à un nouveau-né de grandir dans cette procédure vitale - tout en étant sous l’horloge, car le nouveau-né est en arrêt circulatoire complet. Entre le cœur normal à quatre chambres et ces exemples extrêmes, il existe d’innombrables possibilités de taille de chambre et de positions de valve qui constituent des puzzles 3D très complexes. Le rôle de l’équipe cardiaque congénitale est de délimiter clairement l’anatomie unique et d’élaborer un plan pour reconfigurer le tissu organique en un cœur fonctionnel qui permettra à un enfant de grandir avec les meilleures chances d’avoir une vie normale. Des modèles précis permettent une pratique chirurgicale délibérée et la répétition dans un environnement où les erreurs peuvent être pardonnées et n’entraîneront pas de préjudice pour le patient3,4. Cette formation mène au développement d’une expertise chirurgicale améliorée, ainsi que de compétences techniques et de jugement. Cependant, les ressources limitées et la rareté de certaines affections cardiaques peuvent rendre presque impossible l’atteinte du niveau souhaité de répétition et de visualisation. Pour aider à remédier à cette pénurie de ressources, il y a eu une augmentation de l’utilisation des simulations pour l’éducation2,3. Les techniques de simulation ou de modélisation couramment utilisées comprennent les cadavres humains, les tissus animaux, les modèles de réalité virtuelle (RV) et les modèles imprimés en 3D.
Le tissu cadavérique a toujours été considéré comme l’étalon-or de la simulation chirurgicale, le tissu animal arrivant en deuxième position. Les cadavres et les tissus animaux peuvent produire des simulations haute fidélité car ils contiennent la structure anatomique d’intérêt, tous les tissus environnants, et permettent des techniques de perfusion pour simuler le flux sanguin4. Malgré les avantages des modèles tissulaires, il y a des inconvénients. Les tissus embaumés subissent une conformité mécanique réduite, ce qui rend certaines opérations irréalistes et difficiles à effectuer. Les tissus nécessitent un entretien constant, des installations spécifiques, ne sont pas réutilisables2, peuvent être coûteux à obtenir3 et ont toujours fait l’objet de préoccupations éthiques. Plus important encore, les affections cardiaques congénitales ne sont tout simplement pas disponibles dans les échantillons cadavériques.
La RV et les modèles imprimés en 3D5,6,7,8,9,10 offrent une autre option pour l’éducation cardiaque, la simulation et la modélisation afin de faciliter la création de plans préopératoires. Ces modèles réduisent l’ambiguïté associée à la capacité visuo-spatiale variée d’un utilisateur à interpoler des images 2D en tant que structure 3D10,11. L’environnement virtuel peut contenir des outils chirurgicaux qui peuvent être manipulés et interagir avec des modèles, ce qui permet aux chirurgiens et aux collègues de développer la coordination œil-main, la motricité fine et la familiarité avec certaines procédures4. Les technologies d’impression 3D populaires actuelles, notamment la modélisation par dépôt fondu (FDM), la stéréolithographie (SLA), le frittage sélectif au laser (SLS) et le polyjet, ont été trouvées pour produire des modèles avec une précision submillimétrique13. Les modèles imprimés en RV et en 3D sont réutilisables et peuvent être extrêmement détaillés; les modèles peuvent même être générés à partir des données d’imagerie radiologique du patient, ce qui donne des répliques de l’anatomie du patient. Malgré les nombreux avantages d’une RV ou de modèles imprimés en 3D, ils ne sont pas à la hauteur lorsque le coût et les exigences de fidélité haptique de la chirurgie cardiaque congénitale sont pris en compte. La configuration d’un environnement VR a un coût élevé, et les environnements VR ne peuvent pas fournir de retour haptique réel. Alors que la technologie de fidélité haptique s’améliore, l’écart actuel empêche l’élève de se familiariser avec la motricité fine nécessaire pour effectuer des procédures4. De même, selon le type de technologie d’impression 3D utilisée, le coût de l’impression 3D peut être assez élevé, car le prix d’achat de l’imprimante et le coût du matériel d’impression doivent être pris en compte11,14. Un seul modèle cardiaque haute fidélité avec un retour haptique réaliste peut être produit à l’aide d’une imprimante haut de gamme, mais coûtera des centaines de dollars en matériau seul avec un prix d’achat de l’imprimante supérieur à 100 000 USD15. Un modèle cardiaque produit à l’aide d’un filament d’une dureté shore de 26-28 A a coûté environ 220 USD par modèle16. Alternativement, de nombreuses imprimantes et technologies 3D à faible coût sont disponibles qui ont un prix d’achat d’imprimante inférieur à 5 000 USD. Les prix moyens des matériaux pour un modèle cardiaque généré sur une imprimante FDM à faible coût se sont avérés être d’environ 3,80 USD en utilisant un matériau d’une dureté shore de 82 A et 35 USD en utilisant un matériau avec une dureté shore de 95 A15,16. Bien que ces machines offrent une solution à faible coût, cela se fait au prix d’une fidélité haptique.
Alors que la RV et l’impression 3D peuvent permettre une évaluation visuelle et conceptuelle détaillée d’une maladie cardiaque, le prix élevé associé à la production d’un modèle pour la simulation chirurgicale pratique est souvent un obstacle important. Une solution est l’utilisation de silicone pour créer un modèle cardiaque physiquement et texturalement précis. Les modèles en silicone spécifiques au patient peuvent faciliter une compréhension plus approfondie de l’anatomie unique en permettant aux chirurgiens de voir, de sentir et même de pratiquer une procédure tout en faisant l’expérience d’un retour haptique réaliste dans un environnement qui implique un risque minimal pour un patient et n’a aucune conséquence si la procédure échoue9. Le moulage en silicone s’est avéré être une méthode efficace pour modéliser l’anatomie humaine qui produit des modèles avec des propriétés physiques qui sont significativement plus proches des tissus réels que les modèles générés par l’impression 3D à faible coût17. Scanlan et al., ont comparé les propriétés de l’impression 3D à faible coût à des valves cardiaques moulées en silicone pour évaluer la similitude avec les tissus réels; l’étude a révélé que si les propriétés physiques des valves en silicone n’étaient pas une réplique exacte du tissu réel, les propriétés étaient de loin supérieures aux valves imprimées en 3D17. Le matériau d’impression 3D utilisé dans l’étude est parmi les matériaux les plus doux disponibles pour les imprimantes 3D à faible coût et possède une dureté shore comprise entre 26 et 28 A18. Le silicone de durcissement au platine recommandé pour une utilisation dans le protocole ci-dessous a une dureté shore de 2 A qui est beaucoup plus proche de la dureté shore du tissu cardiaque, 43 sur l’échelle 00, soit environ 0 A19,20. Cette différence est significative car les modèles en silicone permettent un entraînement haute fidélité à la motricité fine que les matériaux directement imprimés en 3D n’atteignent pas. Le coût total des matériaux pour le modèle proposé dans ce protocole est inférieur à 10 USD. Les modèles en silicone proposés combinent les propriétés des tissus mous nécessaires à un retour haptique réaliste avec la polyvalence et la précision des modèles imprimés en 3D à faible coût.
Alors que les avantages du silicone peuvent sembler en faire le choix évident pour la création de modèles, l’utilisation du silicone a été limitée par l’anatomie qui peut être moulée. Le silicone fraîchement mélangé est un liquide qui nécessite un moule pour le maintenir dans la forme souhaitée pendant qu’il durcit. Historiquement, les moules cardiaques en silicone ne pouvaient contenir que des détails de la surface extérieure du modèle. Les détails intra-cardiaques, y compris toute la région du pool sanguin, seraient remplis de silicone et perdus. Des études antérieures ont permis d’obtenir des modèles en silicone de zones d’intérêt spécifiques dans le cœur (par exemple, la racine aortique21) ou ont utilisé une méthode extrapolatoire pour simuler le tissu myocardique22. Ce protocole est nouveau car il cherche à combiner l’utilisation de silicone avec une simulation anatomique complète du myocarde à haute résolution, évitant spécifiquement toute méthode d’extrapolation. À notre connaissance, aucun manuscrit descriptif n’a fourni de méthodologie combinant ces aspects. La méthode décrite dans ce protocole introduit une technique permettant d’obtenir un modèle cardiaque spécifique au patient avec une réplication anatomique intra-cardiaque suffisamment précise pour la pratique chirurgicale préopératoire. La méthode implique la création d’un moule myocardique pour maintenir le silicone dans la forme appropriée pendant qu’il durcit et d’un moule interne pour préserver les détails internes intra-cardiaques du modèle et empêcher le silicone de remplir la région de la piscine sanguine du cœur. Le moule interne doit ensuite être dissous, laissant un modèle cardiaque en silicone entier avec une anatomie spécifique au patient sur les surfaces extérieures et internes. Sans le protocole proposé de création de modèles cardiaques dans le présent document, il n’existe aucune solution à faible coût pour simuler l’intervention chirurgicale avec un matériau qui imite les caractéristiques tissulaires réelles du myocarde.
Protocol
Le protocole a été complété d’une manière correspondant aux meilleures pratiques éthiques de l’établissement de l’auteur, y compris le traitement approprié de toute information sur le patient et l’assurance des consentements requis nécessaires pour utiliser les données spécifiques du patient. Lorsqu’elles sont utilisées, ces données sont anonymisées pour assurer la protection des informations de santé privées du patient.
REMARQUE: Le protocole suivant est écrit de manière indépendante du logiciel, car il existe de nombreux programmes différents qui peuvent accomplir les différentes étapes. Pour ce cas particulier, Materialise Mimics Medical 24.0 a été utilisé pour la segmentation, et Materialise Magics a été utilisé pour la manipulation 3D et la création des modèles et des cas segmentés. Des instructions spécifiques pour ces programmes seront incluses en plus de l’approche généralisée.
1. Segmenter l’anatomie du patient
- Par PME, obtenez un ensemble de données d’imagerie radiologique du patient, généralement un scanner ou une IRM, acquis à l’aide d’un protocole 3D pour une résolution adéquate. Ouvrir un jeu de données dans un logiciel de segmentation de conception assistée par ordinateur (CAO)23.
- Référez-vous aux protocoles de radiologie de l’établissement pour une acquisition d’image appropriée (puisque chaque patient nécessite des considérations différentes, il est difficile de fournir une ligne directrice spécifique). Mais à titre d’exemple représentatif, voici les paramètres que nous avons utilisés dans un cas de modèle 3D précédemment documenté: le protocole CT 3D suggère des paramètres: scanner de tranches en mode axial, épaisseur de tranche et espace entre tranches de 0,625 mm, Kv de 70, plage Smart mA de 201-227 (mode MA intelligent 226), vitesse de rotation à 0,28 ms. Paramètres suggérés par le protocole IRM 3D: scanner de tranches en mode axial, épaisseur de tranche et espace entre tranches de 0,625 mm.
- Générez une segmentation initiale du tissu myocardique à l’aide d’un outil de seuil d’unité de Hounsfield (HU) avec des limites supérieures et inférieures définies sur des valeurs appropriées et spécifiques à l’ensemble de données. Affinez la sélection au besoin pour capturer avec précision l’anatomie. Il est recommandé d’utiliser des outils dotés des fonctionnalités suivantes : recadrer, ajouter et soustraire, croissance de région, édition multi-tranches et remplissage de cavité. Dans Mimics, cliquez avec le bouton droit de la souris dans la zone Gestionnaire de projets et sélectionnez Nouveau masque. Ajustez le masque dans la boîte de dialogue générée soit avec les fenêtres anatomiques prédéfinies fournies, les mesures HU exactes, soit en faisant glisser l’outil fourni jusqu’à ce que l’anatomie souhaitée soit masquée par l’outil.
- Générer une segmentation du pool sanguin. Utilisez les étapes décrites à l’étape 1.2 pour y parvenir. Dans Mimics, utilisez la fenêtre HU anatomique prédéfinie de 226 à 3071 pour capturer le pool sanguin.
- Si le modèle généré est destiné à être utilisé dans les soins aux patients, laissez un cardiologue, un radiologue ou un autre expert en la matière (SME) examiner les segmentations du modèle virtuel avant de passer à l’étape suivante pour vous assurer que toutes les caractéristiques anatomiques et les défauts ont été segmentés avec précision et seront présents dans le modèle complet.
- Générez un modèle de cas myocardique en inversant la segmentation du myocarde à l’aide d’un outil de remplissage de cavité dans l’espace vide autour de la segmentation du myocarde et en soustrayant la segmentation du pool sanguin du myocarde inversé à l’aide d’un outil de soustraction booléenne. Il est recommandé d’utiliser un outil de remplissage de cavité, un outil booléen et les segmentations du myocarde et du sang précédemment générées pour ce faire. Dans Mimics, Cavity Fill > Indiquer les espaces autour du masque de myocarde. Ensuite, utilisez l’outil booléen et remplissez le dialogue fourni à Moins le masque de piscine de sang du masque de myocarde.
Figure 1 : Segmentation cardiaque dans un logiciel de segmentation CAO. (A) Segmentation cardiaque dans un logiciel de segmentation CAO avec les données brutes de l’image du patient. (B) Segmentation avec rendu 3D du modèle de pool sanguin. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
- Visualisez le rendu 3D du pool sanguin final et les segmentations de cas myocardiques. Selon la suggestion et l’approbation de la PME, retirez tous les vaisseaux sanguins du modèle de pool sanguin 3D qui ne sont pas nécessaires à l’évaluation, à la compréhension ou à la réparation de l’anatomie cible. Dans Mimics, sélectionnez Aperçu 3D dans les options en regard de la fenêtre d’affichage (par défaut à la vue en bas à droite de la vue par défaut à quatre volets). Sélectionnez le masque qui vous intéresse dans le Gestionnaire de projets. Pour modifier, sélectionnez l’outil Modifier le masque . Dans la boîte de dialogue fournie, sélectionnez l’outil Lasso et assurez-vous que l’option Supprimer est sélectionnée. Cela permettra d’éditer l’aperçu 3D réel du masque.
REMARQUE: L’outil d’édition est un plan de coupe infini et supprimera toute partie du masque sélectionnée dans la direction Z. - Générez des objets 3D du pool sanguin final et des segmentations de cas myocardiques. Lissez le modèle de cas myocardique 3D à l’aide d’un outil d’objet lisse. Selon la suggestion et l’approbation de la PME, ajustez les paramètres d’itération et de facteur lisse si nécessaire pour le modèle spécifique afin de créer un modèle de cas aussi lisse que possible, mais qui n’a pas perdu de détails anatomiques importants.
- Une fois approuvés par une PME, exportez les modèles au format STL pour les utiliser dans un logiciel d’édition de modèles 3D. Dans Mimics, cliquez avec le bouton droit sur un masque spécifique dans le Gestionnaire de projets > Créer un objet. Dans la boîte de dialogue fournie, assurez-vous que le paramètre Optimal est sélectionné et cliquez sur OK.
- Une fois le modèle créé, il apparaît dans la fenêtre Objet , généralement sous la fenêtre Gestionnaire de projets . À partir de là, cliquez avec le bouton droit de la souris sur un modèle généré et sélectionnez Lisser. Les paramètres pour ce cas étaient cinq itérations à un lissage de 0,4 mm.
- Enregistrez/exportez le pool sanguin 3D final et les modèles de cas myocardiques sous forme de fichiers STL (Standard Tessellation Language). Cliquez avec le bouton droit sur le modèle souhaité > STL+ > suivez la boîte de dialogue fournie pour exporter une version STL du modèle.
2. Créez les moules numériques
- Ouvrez le fichier STL du modèle de cas myocardique dans un programme de CAO. Il est recommandé de rendre la visibilité du boîtier de manière transparente pour permettre au myocarde d’être visible à l’intérieur de la moisissure du boîtier myocardique. Dans Magics, importez les STL générés via Import Part. Dans la fenêtre Gestion de projet , sélectionnez l’option Transparent du rendu du modèle.
- Coupez l’excès de matériau du boîtier myocardique du modèle à l’aide d’un outil de coupe ou de poinçonnage. Il suffit d’avoir environ 0,5 cm entre le bord extérieur du boîtier et l’empreinte myocardique sur la paroi interne du boîtier. Le matériel supplémentaire ajoutera au temps nécessaire à l’impression 3D, mais n’affectera pas le produit final. Dans Magics, Couper > Indiquer la polyligne > sélectionner les points d’intérêt > Appliquer.
REMARQUE: L’outil d’édition est un plan de coupe infini et supprimera toute partie du masque sélectionnée dans la direction Z. - Coupez le boîtier myocardique en plusieurs morceaux qui permettront au boîtier d’être assemblé autour de l’anatomie complexe de la moisissure de la mare de sang. Il est recommandé d’utiliser un outil de coupe et / ou de poinçonnage pour ce faire.
REMARQUE: Les étapes suivantes fournissent une suggestion de coupes à faire dans le cas du myocarde qui le divisera en quatre sections qui se sont avérées suffisantes pour la précision du diagnostic et l’assemblage du cas autour du pool sanguin pour de nombreux modèles cardiaques. Cependant, chaque modèle sera différent, il est donc essentiel de garder à l’esprit que le boîtier doit être assemblé autour de la piscine de sang avant que le silicone ne soit versé et retiré après les ensembles de silicone. Portez une attention particulière à tous les endroits où le cas doit passer par une boucle dans la mare sanguine ou entourer de longs vaisseaux sanguins. De telles caractéristiques peuvent nécessiter que le boîtier myocardique soit coupé en morceaux supplémentaires dans la région où la caractéristique existe pour assurer l’assemblage et le démontage autour de la piscine de sang sera possible. - Ajustez la vue du cas myocardique à l’aide d’outils de rotation et de panoramique pour pointer l’apex du cœur vers le bas et l’arc de l’aorte horizontalement. Faites une coupe horizontale à travers l’aorte qui divise le cas myocardique en une moitié inférieure qui contient l’apex et une moitié supérieure. La longueur de cette coupe et de toutes les coupes ultérieures variera selon chaque modèle cardiaque. Dans Magics, utilisez les boutons gauche et droit de la souris pour contrôler la rotation et le panoramique, respectivement. À partir de là, Couper > Indiquer la polyligne > sélectionner les points d’intérêt > Appliquer.
REMARQUE: L’outil d’édition est un plan de coupe infini et supprimera toute partie du masque sélectionnée dans la direction Z.- Faites une coupe verticale le long de la section la plus large de la moitié inférieure du myocarde. Assurez-vous que la moitié inférieure du cas myocardique est divisée en deux.
- Faites une deuxième coupe verticale le long de la section la plus large de la moitié supérieure du cas myocardique. Assurez-vous que la moitié supérieure du cas myocardique est divisée en deux.
- Ajoutez des chevilles (accessoires) aux pièces du boîtier myocardique pour assurer un bon alignement lors de l’assemblage. Il est recommandé d’utiliser un outil de génération d’hélices et un outil de soustraction booléenne avec une valeur de jeu de 0,25 mm pour créer des hélices et des cavités d’hélice correspondantes. Dans Magics, Ajouter des accessoires > indiquer la position sur le modèle > Appliquer.
- Créez un trou de remplissage en silicone de 1,0 cm de diamètre sur l’un des demi-morceaux supérieurs du boîtier myocardique. Les caractéristiques de la surface du myocarde directement sous le trou de remplissage seront obscurcies, alors assurez-vous que le trou de remplissage n’est pas au-dessus de caractéristiques anatomiques externes qui seront vitales pour l’utilisation du modèle. Vérifiez l’emplacement du trou auprès d’une PME.
Figure 2 : Modèle de cas myocardique dans un logiciel de CAO. Cas myocardique généré dans un logiciel de CAO pour un cas cardiaque avec un VSD. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
- Vérifiez les diagnostics de tous les boîtiers individuellement pour vous assurer que les erreurs suivantes ne sont pas présentes : normale inversée, mauvais bords, mauvais contours, près de mauvais bords, trous planaires ou coques. Si une erreur est détectée, réparez-la à l’aide d’un outil/assistant de réparation si disponible ou manuellement si non disponible. Dans Magics, Vérifiez les diagnostics > la résolution automatique.
- Corrigez les erreurs qui ne peuvent pas être résolues manuellement ou avec un outil/assistant de fixation avec une pellicule rétractable de pièce via un outil de pellicule rétractable. Ajustez l’intervalle d’échantillonnage de la pellicule rétractable et les valeurs de remplissage de l’espace si nécessaire pour corriger les erreurs sur la pièce spécifique sans modifier la physiologie lors de l’examen de la PME. Dans Magics, Fix > Shrink Wrap > suivre le dialogue.
- Enregistrez/exportez les pièces de cas myocardiques individuelles sous forme de fichiers STL.
3. Créer les moules physiques
- Ouvrez les modèles de cas myocardique et de pool sanguin dans le logiciel de découpe approprié pour produire des fichiers d’impression 3D (fichier G-Code) pour une imprimante 3D de fabrication additive (AM). Disposez les morceaux du boîtier myocardique à l’aide d’un outil rotatif et / ou plat, de sorte que tout côté qui rencontrera un autre élément de boîtier soit vertical. Ajoutez des supports d’impression 3D à toutes les pièces manuellement ou à l’aide d’un outil de génération de support automatique fourni dans le logiciel, le cas échéant.
Figure 3 : Configuration du boîtier myocardique et du bassin sanguin dans un logiciel de CAO d’impression 3D. Boîtier myocardique et bassin sanguin avec une orientation appropriée et un support supplémentaire en préparation de l’impression 3D dans un logiciel de CAO d’impression 3D pour un cas cardiaque avec un VSD. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
- Découpez les modèles pour générer un code G à utiliser sur l’imprimante 3D avec les paramètres suivants: Pool sanguin en ABS en utilisant: température du lit chauffé de 100 ° C, température de l’extrudeuse de 250 ° C, densité de remplissage de 5%, vitesse d’impression par défaut de 50 mm / s, vitesse de la coque intérieure de 70 mm / s, vitesse de la coque extérieure ou 50 mm / s; Moule myocardique en ABS ou en acide polylactique (PLA) utilisant: température du lit chauffé de 60 °C pour le PLA ou 100 °C pour l’ABS, température de l’extrudeuse de 205 °C pour le PLA ou 250 °C pour l’ABS, densité de remplissage de 15%, vitesse d’impression par défaut de 50 mm/s, vitesse de la coque intérieure de 80 mm/s et vitesse de la coque extérieure de 30 mm/s.
- Enregistrez/exportez le G-code.
- Téléchargez le fichier d’impression sur l’imprimante 3D à l’aide d’un lecteur flash ou d’une connexion Wi-Fi, en fonction des capacités de l’imprimante, assurez-vous que le filament correct est chargé sur l’imprimante 3D et démarrez l’impression. L’imprimante 3D doit répondre aux exigences suivantes : compatible et équipée d’un diamètre de buse inférieur à 0,4 mm et capable d’une résolution de couche inférieure à 0,25 mm. Une fois l’impression terminée, utilisez une pince à aiguille et une pince à épiler pour retirer tout le matériel de support des pièces imprimées.
Figure 4 : Pièces de modèle imprimées en 3D. Photographie d’un pool sanguin physique (A) et (B) de morceaux de cas myocardique d’un cas cardiaque avec un VSD produit à partir de l’imprimante 3D avec le matériel de support retiré. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
- Assemblez les morceaux du boîtier myocardique autour du moule de la piscine de sang, en vous assurant que tous les morceaux s’emboîtent bien. Si le boîtier myocardique ne peut pas s’adapter à la mare de sang, apportez de petits ajustements à la pièce de moule du boîtier à l’aide d’un outil de ponçage rotatif portatif pour enlever le matériau. Si un ajustement important est nécessaire, il peut être nécessaire de modifier le fichier STL dans un logiciel de CAO et de créer une nouvelle impression 3D.
ATTENTION : Utilisez une protection oculaire lorsque vous utilisez un outil de ponçage rotatif portatif. L’utilisation d’un outil de ponçage rotatif sur le bassin sanguin ou le boîtier du myocarde fera fondre le plastique. Utilisez avec parcimonie et prudence.
REMARQUE: Le protocole peut être mis en pause entre toutes les étapes antérieures à ce point. - Effectuez un lissage à la vapeur d’acétone si le boîtier myocardique a été imprimé en 3D à l’aide d’ABS, et une finition de surface en silicone plus lisse est souhaitée par la PME. Si une finition de surface plus lisse n’est pas souhaitée ou nécessaire, sautez le processus de lissage à la vapeur avec un effet minimal sur l’anatomie finale du modèle.
ATTENTION : L’acétone est volatile et inflammable. Assurez-vous de vous installer dans un endroit bien ventilé, à l’abri des flammes nues ou des étincelles. De plus, l’acétone dissoudra le chlorure de polyvinyle (PVC) et le polystyrène. Si un contenant en plastique est utilisé, assurez-vous qu’il ne contient pas de PVC ou de polystyrène.- Tapisser le fond et les côtés d’un récipient qui ne sera pas affecté par l’acétone avec des serviettes en papier. Versez l’acétone sur l’essuie-tout du fond et laissez-le diffuser les serviettes en papier sur le côté du récipient, mais ne formez pas de piscine dans le fond. La quantité d’acétone nécessaire varie en fonction de la taille du récipient utilisé; ici, 30 mL d’acétone ont été utilisés dans un récipient d’un volume de base d’environ 400 cm3.
- Placez un morceau de papier d’aluminium dans le récipient pour couvrir l’essuie-tout du bas. Placez les pièces du boîtier myocardique sur le papier d’aluminium et orientez les pièces myocardiques de manière à ce que les faces à lisser soient verticales. Assurez-vous que les morceaux du myocarde ne se touchent pas ou ne touchent pas les serviettes en papier sur la paroi du récipient.
- Placez un couvercle sur le récipient ou couvrez avec du papier d’aluminium et laissez les pièces du boîtier myocardique rester intactes dans le récipient jusqu’à ce que ~ 80% de la finition de surface souhaitée soit atteinte, par inspection visuelle. Le temps nécessaire pour terminer le processus de lissage de vapeur variera en fonction de la taille du récipient et de la quantité d’acétone utilisée. Commencez à vérifier les pièces du boîtier myocardique pour la finition de surface souhaitée à des intervalles de 15 minutes après une première minute de 30 minutes. Pour cette étude, le lissage à la vapeur a pris 2 h pour une structure de 150 mL.
- En portant des gants, retirez soigneusement les morceaux de l’étui myocardique du récipient en ne touchant que les surfaces extérieures. Laissez les pièces se dégazer complètement dans un endroit bien ventilé pendant environ 30 minutes, ou jusqu’à ce qu’elles soient lisses, sèches et dures.
Figure 5 : Morceaux de boîtier myocardique lissés à la vapeur. Photographie de morceaux de cas myocardique d’un cas cardiaque avec un VSD après un lissage de vapeur d’acétone. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
4. Versez du silicone
REMARQUE: Certains contaminants, y compris le latex et le soufre, peuvent inhiber le durcissement des silicones s’ils entrent en contact. Il est conseillé de consulter tous les bulletins techniques avant d’essayer d’utiliser du silicone.
- Estimer la quantité d’un silicone durci en platine en deux parties qui sera nécessaire pour créer le modèle myocardique; la quantité de silicone nécessaire varie en fonction de la taille du modèle en cours de création. Vous pouvez également mesurer le volume de la segmentation du myocarde à l’aide d’un logiciel de CAO pour déterminer la quantité de silicone nécessaire. Assurez-vous que le silicone possède les propriétés suivantes : dureté shore de 2 A, résistance à la traction de 1 986 kPa, allongement à la rupture de 763 %, retrait inférieur à 0,0254 mm/mm, viscosité mixte de 18 000 cps, durée de vie du pot de 12 min et temps de durcissement de 40 min. Cette étude a nécessité 300 mL de silicone.
- Agitez soigneusement la partie A et la partie B du silicone avant de verser les quantités nécessaires, dans les bonnes proportions, dans une tasse à mélanger. Si la couleur est souhaitée sur le modèle, ajoutez du pigment et mélangez soigneusement toutes les parties et le pigment. Pour cette étude, 150 mL de la partie A et de la partie B ont été mélangés et agités à la main ou avec un agitateur. Une couleur de produit Sil-pigment « sang » (voir Tableau des matériaux) a été ajoutée par bâton artisanal jusqu’à ce que la couleur souhaitée soit obtenue.
- Placez le silicone bien mélangé dans une chambre à vide à 29 dans Hg pendant 2-3 min pour dégazer. Le silicone se dilatera pendant le processus de dégazage jusqu’à environ deux fois son volume, assurez-vous que le récipient de mélange a suffisamment d’espace pour permettre l’expansion. Évacuez et retirez le silicone dégazé de la chambre et immergez la mare de sang dans le silicone pour bien l’enduire, en veillant à ce que tous les vides et cavités de la piscine sanguine soient remplis de silicone.
- Vaporisez soigneusement tous les morceaux de l’étui myocardique avec un produit à libération facile (voir tableau des matériaux) dans un endroit bien ventilé. Assemblez la moitié inférieure du cas myocardique autour du sommet de la mare de sang. Si des coutures entre les pièces du boîtier myocardique permettent au silicone de s’échapper, utilisez des pinces ou un matériau tel que de la colle chaude ou de l’argile pour sceller la fuite sur la surface externe du moule.
- Versez du silicone dans l’espace entre la mare de sang et la paroi du boîtier, ce qui permet au silicone de s’écouler dans tous les espaces. Continuez à verser du silicone jusqu’à ce que les morceaux assemblés du moule myocardique soient remplis de silicone.
- Assemblez les morceaux restants du boîtier myocardique, fixez les morceaux du boîtier hermétiquement à l’aide d’élastiques et de pinces, si nécessaire. Versez du silicone dans le trou de remplissage dans le haut du boîtier myocardique jusqu’à ce que tout l’espace myocardique soit rempli de silicone.
- Laissez le silicone se fixer pendant ~ 40 min. Retirez le cœur en silicone du boîtier myocardique et coupez toutes les coutures en silicone créées à partir de l’espace entre les pièces du boîtier ou le trou de remplissage.
5. Dissoudre le pool sanguin
- Identifiez tous les vaisseaux sanguins qui devraient avoir des extrémités ouvertes sur le modèle en silicone et coupez tout silicone qui les recouvre pour exposer la mare de sang ABS à l’intérieur.
- Immergez le cœur en silicone dans un bain d’acétone. L’ABS commencera à se ramollir 10 à 15 minutes après l’immersion de l’acétone; au fur et à mesure que cela se produit, retirez de gros morceaux d’ABS avec une pince à épiler pour augmenter la vitesse du processus de dissolution de l’ABS.
- Effectuez deux à trois rinçages / trempages supplémentaires à l’acétone avec de l’acétone propre pour éliminer tout l’ABS du silicone lorsqu’une majorité du bassin sanguin d’ABS s’est dissoute. Retirez le modèle cardiaque du bain d’acétone et laissez l’acétone restante s’évaporer du modèle dans un endroit bien ventilé. Le temps nécessaire pour dissoudre complètement l’ABS dépendra de la taille du modèle, de la quantité d’ABS retirée manuellement et de la quantité d’acétone utilisée.
Figure 6 : Modèle cardiaque en silicone spécifique au patient avec un VSD. Photographie d’une vue de surface épicardique d’un modèle complet en silicone avec un VSD. VSD n’est pas visible en raison de son emplacement dans la structure myocardique intra-cardiaque. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Representative Results
Les données d’imagerie radiologique d’un patient atteint d’un VSD ont été choisies pour générer un modèle cardiaque en silicone représentatif. L’anatomie du patient a été segmentée à l’aide d’un logiciel de segmentation CAO pour générer un modèle myocardique numérique et un modèle numérique de pool sanguin (Figure 1). La segmentation manuelle du bassin sanguin et du myocarde avec le protocole présenté prend 1 à 3 heures à compléter. Une fois la segmentation terminée, le modèle myocardique a été ouvert dans un logiciel de CAO pour un traitement ultérieur. Le modèle a été aligné sur une boîte 3D créée dans le programme, puis soustrait à l’aide d’opérations booléennes. Ce processus a laissé un négatif du modèle myocardique, formant une moisissure. Cette moisissure myocardique a été taillée à une taille plus appropriée, découpée en segments et modifiée avec des accessoires pour aligner les pièces (Figure 2). La création de l’affaire a pris 2-6 h. Toutes les pièces de moisissure myocardique et le pool sanguin ont été chargés dans un logiciel de tranchage d’impression 3D, et G-Code a été généré pour imprimer en 3D en ABS (Figure 3). Les pièces imprimées en 3D avec le matériau de support enlevé peuvent être vues à la figure 4. Les pièces du boîtier myocardique ont été lissées à la vapeur pour améliorer l’état de surface du modèle (Figure 5). À la fin du processus de lissage à la vapeur, le moule a été assemblé autour du modèle de piscine de sang et du silicone a été versé. L’assemblage et la coulée de silicone ont pris une heure. Après l’ensemble de silicone, le modèle cardiaque a été retiré du boîtier myocardique et immergé dans de l’acétone pour dissoudre la mare de sang. Après environ vingt-quatre heures de trempage, la mare de sang s’était dissoute. Un rinçage final à l’acétone a été effectué et le modèle a été laissé sécher complètement. Le modèle cardiaque en silicone complété peut être vu à la figure 6. Pour évaluer la précision et la fonctionnalité du modèle en silicone, une incision a été pratiquée par l’expert en cardiopathie congénitale (CHD) pour permettre l’observation de l’anatomie interne. Le VSD attendu était présent, et un patch GORE-TEX a été cousu sur le modèle par le chirurgien cardiaque congénital pour corriger le VSD (Figure 7). Dans un modèle en silicone réalisé avec succès, toute l’anatomie et les défauts du patient seront présents à la fois à l’extérieur et à l’intérieur. Un résumé du protocole peut être consulté dans le dossier supplémentaire 1.
Figure 7 : Patch GORE-TEX cousu dans un modèle cardiaque en silicone avec VSD. Photographie de la vue du chirurgien (A) d’un modèle cardiaque en silicone spécifique au patient avec un VSD et (B) vue du chirurgien du VSD dans le modèle fermé par un patch GORE-TEX. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Dossier supplémentaire 1: Schéma du protocole de fabrication du cœur en silicone. Illustration schématique du protocole dans la fabrication d’un modèle cardiaque en silicone spécifique au patient. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Dossier supplémentaire 2 : Résumé des étapes critiques et des résultats négatifs potentiels. Résumé des étapes critiques dans le développement d’un modèle cardiaque en silicone spécifique au patient et des résultats négatifs potentiels qui peuvent en résulter si les étapes ne sont pas suivies correctement. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Discussion
Une fois le protocole terminé, un modèle cardiaque en silicone spécifique au patient pour la préparation chirurgicale devrait en résulter. Cependant, plusieurs étapes critiques doivent être accomplies correctement pour que cela soit réalisé. Un résumé des étapes critiques du protocole peut être vu dans le dossier supplémentaire 2, ainsi que les résultats potentiels si les étapes ne sont pas effectuées correctement. La première étape critique consiste à segmenter les données d’imagerie radiologique du patient. Cette étape nécessite l’acquisition d’un jeu de données d’imagerie 3D diagnostique. L’utilité du modèle dans la planification ou l’éducation pré-chirurgicale dépend de la qualité de l’ensemble de données 3D. Il est recommandé d’utiliser un ensemble d’images collectées avec une taille de tranche comprise entre 0,625 mm et 2,6 mm pour s’assurer que l’ensemble de données sera d’une résolution adéquate pour la production de modèles. Cependant, tous les paramètres d’imagerie doivent être définis par un clinicien expert en radiologie, les soins aux patients étant la priorité. Il convient de noter qu’il peut être possible de produire un modèle à partir d’un ensemble d’images collectées avec une taille de tranche en dehors des valeurs recommandées, mais la résolution et la qualité du modèle seront affectées négativement. Une fois les images obtenues, si la segmentation n’est pas effectuée correctement, elle n’est généralement pas réalisée tant que le modèle final n’est pas produit et découpé, ce qui entraîne une perte de temps et de matériaux. Pour éviter ce résultat négatif, il est recommandé qu’un expert en la matière examine les fichiers segmentés avant de créer les moules numériques pour le contrôle de la qualité. L’étape critique suivante se produit lors de la création des moules numériques. Il est important de s’assurer que le cas myocardique pourra être assemblé autour du modèle de pool sanguin. Si le boîtier ne se ferme pas autour de la mare de sang, il ne peut pas être utilisé pour créer le modèle en silicone car le silicone non réglé fuira continuellement et l’anatomie pourrait être déformée. Un outil de ponçage rotatif portatif peut être utilisé pour enlever légèrement des morceaux du moule myocardique uniquement si de petits ajustements sont nécessaires. Si de grands ajustements sont nécessaires, le moule numérique devra être modifié et un boîtier mis à jour imprimé. La dernière étape critique est le coulage du silicone. Le strict respect des instructions relatives aux matériaux est nécessaire lors de l’utilisation du silicone, car ne pas le faire peut entraîner un silicone qui durcit avec une surface collante. Si la surface est jugée trop collante pour être utilisée par la PME, il peut être nécessaire de réimprimer la masse de sang si elle ne peut pas être retirée avec succès du silicone. Le silicone devra être reversé, ce qui entraînera une perte de temps et de matériaux. Si le silicone est utilisé en quantité insuffisante ou si le silicone s’échappe du moule du boîtier myocardique pendant le processus de réglage, le modèle résultant sera incomplet. Cette défaillance peut être corrigée en mélangeant et en versant du silicone supplémentaire dans le moule. Un matériau tel que la colle chaude ou l’argile peut être utilisé pour sceller les coutures du moule du boîtier myocardique si une petite quantité de silicone semble s’échapper pendant le processus de durcissement.
Cette méthode de création de modèles cardiaques en silicone spécifiques au patient peut être modifiée pour permettre la création d’un modèle de toute structure anatomique molle avec une géométrie interne et externe spécifique au patient ou complexe. En supposant que l’anatomie cible est segmentée correctement, les étapes restantes du protocole pourraient être suivies avec un minimum de changement. Bien que ce ne soit pas l’objet des travaux actuels, le protocole a été appliqué au parenchyme hépatique avec un succès similaire. Le matériel d’impression 3D utilisé peut également être modifié. L’ABS et le PLA sont recommandés pour une utilisation en raison de leur faible coût, mais tout matériau d’impression 3D soluble peut remplacer l’ABS, et tout matériau d’impression 3D souhaitable peut remplacer le PLA avec un minimum ou pas de modification du protocole. Tous les paramètres d’impression spécifiés par le fabricant du filament doivent être respectés lors de l’utilisation d’autres matériaux d’impression. Cette méthode peut encore être modifiée par l’utilisation d’un silicone différent. Le silicone recommandé pour une utilisation dans ce protocole a une dureté shore de 2 A, mais si une autre valeur de dureté shore est souhaitable, un silicone différent peut être substitué avec un minimum ou pas de modification du protocole. Assurez-vous de respecter toutes les spécifications et procédures de fabrication lorsque vous utilisez un autre produit en silicone.
Bien que ce protocole décrive une procédure de modélisation cardiaque améliorée, il n’est pas sans limites. La principale limite de ce protocole est que, bien que le silicone de durcissement au platine utilisé soit plus proche de la dureté du tissu cardiaque que d’autres matériaux disponibles, la dureté n’est pas la seule propriété qui joue un rôle dans la motricité fine de l’entraînement chirurgical. En particulier, le tissu cardiaque réel démontrera la friabilité ou la déchirure sous la force. Le silicone utilisé est très élastique, avec un allongement à la rupture de 763% et une résistance à la traction de 1 986 kPa19. Le tissu cardiaque porcin, qui est considéré comme une représentation précise du tissu cardiaque humain, a un allongement à la rupture de 28-66% et une résistance à la traction de 40-59 kPa26. Cette différence pose un problème, car les boursiers en chirurgie cardiaque peuvent effectuer une opération de pratique sur un cœur modèle en silicone et acquérir un faux sentiment de confiance parce que le modèle peut résister à des forces que le vrai tissu cardiaque ne peut pas. Cette méthodologie a également le potentiel d’être limitée par un modèle cardiaque à géométrie très complexe. Au fur et à mesure que la complexité anatomique du modèle augmente, le protocole peut compenser en augmentant le nombre de pièces dans la moisissure myocardique. Essentiellement, les modèles de plus en plus complexes nécessiteront des conceptions de moules de plus en plus complexes et un temps de conception accru.
Le processus de création de modèle décrit dans ce protocole est supérieur à de nombreuses autres alternatives disponibles en raison de sa capacité à recréer des répliques anatomiques exactes à faible coût de l’anatomie rencontrée chirurgicalement. Les tissus cadavériques et animaux permettent des simulations haute fidélité, mais ils ont un coût beaucoup plus élevé et nécessitent des installations de laboratoire spécifiques pour être utilisés et entretenus.2,6. De plus, les modèles de tissus cadavériques et animaux ont des préoccupations éthiques, ne sont pas spécifiques au patient, et les maladies coronariennes complexes doivent souvent être fabriquées manuellement par un chirurgien ou un instructeur, ce qui entraîne souvent des inexactitudes ou des dommages aux tissus et organes environnants. Une autre technique de modélisation potentielle implique l’utilisation de la réalité virtuelle. La réalité virtuelle permet la réplication numérique de modèles cardiaques spécifiques au patient, ce qui est un outil efficace pour établir des représentations mentales précises de l’anatomie du patient et des plans chirurgicaux. De plus, certains systèmes de RV ont permis des simulations de base avec l’incorporation d’un retour haptique. Cependant, la rétroaction haptique disponible manque du réalisme nécessaire pour reproduire les habiletés motrices fines nécessaires pour les interventions chirurgicales cardiaques congénitales.4. L’impression 3D est une autre méthode disponible pour produire des modèles cardiaques spécifiques au patient2,24. Cependant, la mise en œuvre généralisée d’imprimantes 3D haute fidélité capables de produire des modèles souples multi-matériaux est inhibée par leur coût extrêmement élevé.11,14,15. Des imprimantes 3D à faible coût sont disponibles, mais ne peuvent imprimer que dans des matériaux beaucoup plus fermes que le myocarde réel. Lorsque l’un des matériaux les plus souples disponibles pour une imprimante 3D a été utilisé pour créer un modèle par Scanlan et al., le modèle s’est avéré plus ferme que le tissu cardiaque réel17. Le matériau décrit avait une dureté shore comprise entre 26 A et 28 A, ce qui lui donnait une texture similaire à un élastique. Le silicone durci au platine utilisé dans ce protocole a une dureté shore de 2 A, ce qui lui donne une texture similaire à un insert de chaussure en gel et beaucoup plus proche de la dureté des tissus cardiaques réels, qui est de 43 0020 ou ~0 A. Hoashi et al. a également utilisé une méthode similaire à celle décrite dans ce protocole pour développer un modèle cardiaque flexible imprimé en 3D. Deux moules, représentant la géométrie interne et externe du myocarde, ont été imprimés en 3D à l’aide d’une imprimante SLA suivie d’une coulée sous vide d’une résine de polyuréthane semblable à du caoutchouc. Bien que cette méthode ait produit un modèle cardiaque mou, le coût de production proposé de cette méthode par modèle était de 2 000 à 3 000 USD.22. Comparativement, le coût total des matériaux de la méthode décrite dans le protocole présenté est inférieur à 10 USD. Enfin, une méthode similaire a également été utilisée par Russo et al.. créer des modèles en silicone de la valve aortique et de l’aorte proximale pour la pratique procédurale. Alors que les Russo et al. est axée sur un objectif similaire, leur processus présenté visant à reproduire des anatomies beaucoup plus simples de l’aorte ou des valves aortiques. Le protocole présenté ici se différencie en se concentrant sur les anatomies intra-cardiaques et myocardiques qui sont plus petites, plus complexes et seraient extrêmement difficiles à reproduire compte tenu des méthodologies historiques. Malgré cette différence, les modèles créés par Russo et al. ont été très utiles pour la simulation et la formation en chirurgie cardiaque par les chirurgiens cardiaques interrogés23. Essentiellement, la méthode décrite dans ce protocole permet la création à faible coût de modèles cardiaques congénitaux complexes et spécifiques au patient avec des défauts représentés avec précision et des propriétés matérielles plus similaires au tissu cardiaque réel que d’autres méthodes de modélisation1,16, permettant d’utiliser les modèles avec une fidélité haptique réaliste.
À l’avenir, cette méthodologie pourrait être appliquée à la formation d’un modèle de toute anatomie de patient présentant des caractéristiques internes et externes complexes. Le développement d’un matériau de pool sanguin alternatif qui pourrait être retiré de l’intérieur du modèle en silicone d’une manière moins destructrice ou produit à l’aide d’une méthode moins longue rendrait le processus plus rapide et rentable. En conséquence, un nouveau pool de sang n’aurait pas à être reproduit pour chaque processus de moulage ultérieur, ce qui entraînerait l’évolutivité de la formation associée. Les propriétés physiques du silicone utilisé pour créer le modèle pourraient également être améliorées. Le silicone avec moins d’allongement à la rupture augmenterait le réalisme du modèle et aiderait à améliorer sa valeur en tant qu’outil éducatif pour les boursiers en chirurgie cardiaque qui tentent d’apprendre la motricité fine nécessaire pour effectuer ces procédures complexes. Un groupe de matériaux actuellement sur le marché dignes de considération pour aider à cette solution sont les matériaux en verre simulés en silicone25. Ces matériaux en silicone présentent beaucoup moins d’allongement à la rupture, ce qui entraîne un « éclatement » distinct lors de l’application de la force d’une manière similaire au verre. La modulation du silicone durci au platine utilisé dans ce protocole avec l’ajout de ce matériau en verre simulé en silicone peut permettre de contrôler les caractéristiques de friabilité du modèle tout en maintenant la dureté shore appropriée, améliorant ainsi la fidélité haptique globale. Enfin, la résolution d’anatomie que ce protocole peut produire est limitée par la résolution de l’imprimante 3D utilisée pour générer les moules. Au fur et à mesure que la technologie continue de s’améliorer, la résolution de l’anatomie qui peut être créée avec ce protocole devrait également s’améliorer.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs tiennent à remercier OSF HealthCare d’avoir rendu cette étude possible, ainsi que le Dr Mark Plunkett pour ses connaissances procédurales et l’application de ses compétences à notre produit final.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1.75 mm ABS filament | Matter Hacker | matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG- | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 1.75 mm PLA filament | Matter Hacker | https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 8220 12VMax High-Performance Cordless | Dremel | https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless | Cordless for easier access to small features in model |
| Acetone | Sunnyside | https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5 | Bulk |
| Dragon Skin Fx-Pro | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro | Industry-standard, characterized skin-safe |
| Ease Release 200 | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 | Coating to ensure easy removal of silicone from mold |
| GORE- TEX patch | GORE | https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch | Cardiovascular patch |
| ideaMaker | Raise 3D | https://www.raise3d.com/download/ | Included G-code CAD software for Raise 3D printers |
| Magics | Materilise | https://www.materialise.com/en/software/magics | Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces |
| Mimics | Materilise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics | Feature-rich segmentation software |
| Patient DICOM data | - | - | DICOM data will typically come from a patient CT or MRI |
| Pro2 Plus | Raise 3D | https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/ | Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer |
| PRO2-100 Industrial Glue Gun | Surebonder | 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 | Industrial-quality hot glue gun |
| Silc Pig | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments | Pigment for adding color to silicone |
| Vacuum Chamber | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber | Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone |
References
- Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
- Hussein, N., et al. Hands-on surgical simulation in congenital heart surgery: Literature review and future perspective. Seminars in Thoracic and Cardiovascular Surgery. 32 (1), 98-105 (2020).
- Wilson, H. K., Feins, R. H. Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , Springer, Cham. 263-274 (2019).
- Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).
- Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).
- Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).
- Velasco Forte, M. N., et al. Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD. Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).
- Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review. Heart. 106, 1631-1637 (2020).
- Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study. BMC Medical Education. 18 (178), (2018).
- Farooqi, K. M., Mahmood, F. Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).
- Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study. Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).
- Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
- Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).
- Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
- Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. Affordable three-dimensional printed heart models. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498 (2021).
- Lau, I., et al. Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).
- Scanlan, A. B., et al. Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves. Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).
- Tango polyJet simulated rubber material. Statasys. , Available from: www.stratasys.com (2018).
- Dragon skin fx-pro, Smooth-On. , Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021).
- Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials. Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).
- Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).
- Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964 (2017).
- Hoashi, T., et al. Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).
- Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15 (2018).
- Russo, M., et al. Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).
- Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E.
- Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at. , Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021).
- Riedle, H., Molz, P., Franke, J. Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models. IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).
