本方案描述了一种通过结合磁共振成像、3D打印和注塑成型技术来构建功能性人工新生儿心脏模型的方法。这些模型旨在用于下一代新生儿患者模拟器的集成，并作为生理学和解剖学研究的工具。
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本文内容
摘要
摘要
新生儿患者模拟器（NPS）是用于医学模拟培训的人工替代患者。新生儿科医生和护理人员通过练习胸外按压等临床干预措施，以确保在心动过缓或心脏骤停情况下患者的存活。目前使用的模拟器物理保真度较低，因此无法对胸外按压操作提供定性洞察。在未来的模拟器中嵌入解剖结构逼真的心脏模型，可实现对胸外按压期间产生的心输出量的检测；这能为临床医生提供一个输出参数，有助于深入理解按压效果与血流量之间的关系。在实现这一监测功能之前，必须首先构建一个包含两个心房、两个心室、四个心脏瓣膜、肺静脉和肺动脉以及体循环静脉和动脉的解剖结构逼真的心脏模型。本方案描述了利用磁共振成像（MRI）、3D打印和冷注塑成型相结合的方法，制造此类功能性人工新生儿心脏模型的步骤。通过在注塑成型过程中使用柔性3D打印内模，可获得解剖结构逼真的心脏模型。
引言
每年有数百万新生儿被收入新生儿重症监护室（NICU）。在NICU中，大多数紧急情况与气道、呼吸和循环（ABC）问题有关，需要实施胸外按压等干预措施。新生儿模拟人（NPS）为练习此类干预提供了有价值的教学和培训工具。对于某些NPS，内置传感器可检测按压操作是否符合临床指南推荐的按压深度和速度标准1。依从指南的程度可用于计算和量化操作表现，因此，这类先进的NPS可被视为评估操作表现的一种具体且透明的指标。
遵循推荐的指南旨在改善患者的生理状态。例如，胸外按压的目的是在循环系统中产生足够的血流。目前的高保真新生儿模拟人（例如，PremieAnne（Laerdal，Stavanger，挪威）和 Paul（SIMCharacters，Vienna，奥地利））在培训过程中无法测量血流等生理参数，因为它们缺乏可生成该生理参数的集成化心脏，因此无法在生理层面上评估当前模拟人胸外按压的有效性。为了使模拟人能够实现对胸外按压的生理学评估，必须将一个解剖结构逼真的人工心脏整合到模拟人中。此外，研究2表明，物理解剖保真度的提高可能会提升模拟人的功能保真度。集成高保真的物理器官系统将有助于提高培训的功能保真度，并实现生理层面的性能评估。
通过3D打印可显著提高新生儿模拟（NPS）的保真度。在医学领域，3D成像和3D打印主要用于手术规划....
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方案
在对患者进行成像之前，已获得所有机构审批。
1. 图像采集与分割
- 获取新生儿胸部磁共振成像（MRI）扫描的医学数字成像和通信（DICOM）格式文件。在心脏周期的心室舒张阶段采集扫描的每一层图像，或获取来自尸体解剖的胸部MRI数据。
注意：必须能够清晰辨识心肌以及心房和心室的边界。 - 使用处理软件（见材料表）导入胸部MRI的DICOM文件。通过“编辑掩膜”菜单项，在每一张MRI切片上选择存在心脏的心肌区域。在此过程中，也可一并覆盖心房和心室区域。
- 创建一个新的草图图层，并以与心肌选择相同的方式，分别对左右两个心房和两个心室进行分割。不要对存在于心房与心室之间以及心室与动脉之间的瓣膜进行分割。
- 使用“计算3D”菜单项将心肌和心腔分别渲染为独立的三维模型，并通过“STL+”菜单项以最优分辨率设置将其导出为五个立体光刻（.stl）文件。
- 将.stl文件载入计算机辅助设计（CAD）软件（见材料表）。使用修复向导菜单项修复.stl文件中的三角面重叠和错误边等问题。再次保存修复后的.stl文件。
注意：若无法获得心脏MRI数据，可考虑使用本实验方案中提供的心脏模型。该文件还包含独立的心脏瓣膜模型。
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结果
本研究详细介绍了一种结合磁共振成像（MRI）、3D打印和冷注塑成型技术构建解剖结构逼真的新生儿心脏模型的方法。本文所展示的心脏模型未包含动脉导管和卵圆孔。本文所述方法亦可应用于其他内部器官，如肺脏及胸廓结构。胸廓结构无需模具，可直接使用柔性材料进行打印。在（图7）中，我们展示了其中若干示例。将该心脏模型与这些其他人工身体部件结合使用，可构建完整的胸腔模型，作为无创及有创临床干预操作的培训工具或测试平台。
构建一个完整且解剖结构逼真的模型所面临的主要挑战在于，必须将四个心腔以及瓣膜一次性整体铸造成单一部件。如果分别铸造各个部分，再在后续阶段进行粘接，则会降低解剖结构的准确性。此外，在使用心脏模型进行按压时，采用硅胶材料粘接各部分可能导致潜在的破裂风险。
3D 打印复杂部件（<.......
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讨论
对于本研究中开发的模型，我们发现需要进行为期3分钟的注塑，以防止空气进入铸型（图5，图6）。为确保硅胶能够填充到阀门的狭窄区域，对模具中的阀门区域进行"预浇注"或"涂覆"至关重要。由于形成心腔的内模需通过5 mm的开口从最终的硅胶铸件中取出，因此需要采用多材料3D打印技术来制作单一铸件的心脏模型（图4）。我们多次降低内模部分的硬度，最终采用了S95材料设置。较硬的材料会因阀门边缘过于锐利而导致硅胶模型撕裂，从而使所制得的心脏模型无法正常使用。通过使用多种具有不同固化时间的硅胶，发现必须采用快速固化的硅胶，否则在模具设计中大量通气孔存在的情况下，材料会在固化过程中流出。
本文所述技术的局限性在于，其制备方法耗时较长，且需要多种专有材料，导致生产过程相对昂贵。另一个局限是需要获取高分辨率的磁共振成像（MRI）扫描图像，以在分割过程中保持解剖结构的准确性（
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披露
作者声明，本论文的研究、署名和发表不存在任何潜在的利益冲突。本研究未从公共、商业或非营利部门的任何资助机构获得特定资助。
致谢
本研究在荷兰IMPULS围产期医学框架内进行。作者谨此感谢拉德堡德大学医学中心解剖学与病理学博物馆以及马西马医疗中心费尔德霍芬提供的用于本研究的新生儿磁共振成像扫描数据。作者还感谢Jasper Sterk、Sanne van der Linden、Frederique de Jongh、Pleun Alkemade以及工业设计学院D.search实验室在本研究开发过程中所做出的重要贡献。最后，作者感谢Rohan Joshi对稿件的校对工作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Ecoflex 5 | Smooth-on | 硅胶铸模材料 | |
| 400ml 静态混合器 | Smooth-on | 混合管 | |
| 手动分配枪 | Smooth-on | 用于注塑成型 | |
| 5-56 聚四氟乙烯喷雾 | CRC | 模具脱模剂 | |
| 氢氧化钠 | N/A | 在五金店以烧碱形式购得，为干燥的99%纯度固体。由于该物质广泛可得，未指定具体厂商 | |
| VeroWhite | Stratasys | 打印中使用的硬质材料 | |
| TangoBlackPlus | Stratasys | 打印中使用的橡胶材料 | |
| 支撑材料 | Stratasys | Stratasys 使用的标准支撑材料 | |
| 麦氏喉钳 | GIMA | 婴儿尺寸，用于取出内模 | |
| Stratasys Connex 350 | Stratasys | 若无此设备，也可通过第三方打印公司（如 3D-hubs）进行零件打印并邮寄获取。 | |
| Balco Powerblast（水射流） | Stratasys | ||
| Euro 8-24 Set P（空气压缩机） | iSC | 4007292 | |
| 带钝针头的注射器 | N/A | 20ml 注射器，配直径 0.5mm 的钝针头。 | |
| Mimics 17.0 软件 | Materialise | 该软件用于从 MRI 数据中分割心脏模型。目前有多种免费的 MRI 成像软件可供选择，例如 InVesalius 或 Osirix，但其功能可能相对有限。 | |
| Magics 9.0 软件 | Materialise | 用于修复和优化由 Mimics 生成的 .stl 文件。此类平滑处理也可在大多数其他 3D 建模免费软件中完成。 | |
| Solidworks | 用于编辑心脏模型的软件。大多数其他免费 CAD 软件也可用于完成此阶段的数据处理。 |
参考文献
- Wyllie, J., Bruinenberg, J., Roehr, C. C., Rüdiger, M., Trevisanuto, D., Urlesberger, B. European resuscitation council guidelines for resuscitation 2015. Resuscitation. 95, 249-263 (2015).
- Sawyer, T., Strandjord, T. P., Johnson, K., Low, D. Neon....
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