Anatomisk realistisk Neonatal hjerte Model til brug i Neonatal Patient simulatorer
Summary
Denne protokol beskriver en procedure til at oprette funktionelle kunstige neonatal hjerte modeller ved at udnytte en kombination af magnetisk resonans, 3D udskrivning og sprøjtestøbning. Formålet med disse modeller er for integration i den næste generation af neonatal patient simulatorer og som et redskab for anatomiske og fysiologiske undersøgelser.
Abstract
Neonatal patient simulatorer (NPS) er kunstige patient surrogater bruges i forbindelse med medicinske simulatortræning. Børnelæger og plejepersonalet praksis kliniske interventioner såsom brystet kompression til at sikre patienternes overlevelse ved bradykardi eller hjertestop. De simulatorer, der anvendes i øjeblikket er lav fysisk troskab og frembyder derfor ikke kvalitativt indblik i proceduren for brystet komprimeringer. Indlejring af en anatomisk realistisk hjerte model i fremtiden simulatorer giver mulighed for påvisning af cardiac output genereret under brystet komprimeringer; Dette kan give klinikere med en outputparameter, som kan uddybe forståelsen af effekten af kompression i forhold til mængden af blod flyde genereret. Før denne overvågning kan opnås, et anatomisk realistisk hjerte model skal være oprettet som indeholder: to forkamre, to ventrikler, fire hjerteklapper, pulmonal venerne og arterierne, og systemisk vener og arterier. Denne protokol beskriver proceduren for at skabe sådan en funktionel kunstige neonatal hjerte model ved at udnytte en kombination af magnetisk resonans imaging (MR), 3D udskrivning, og støbning i form af kolde sprøjtestøbning. Ved hjælp af denne metode med fleksible 3D trykte indre forme i sprøjtestøbning proces, kan en anatomisk realistisk hjerte model opnås.
Introduction
Hvert år millioner af nyfødte er optaget på neonatal intensiv pleje enheder (NICU). I NICUs, de fleste nødsituationer vedrører problemer i luftvejene, vejrtrækning, og cirkulation (ABC) og kræver indgreb såsom brystet komprimeringer. NPS tilbyder en værdifuld undervisning og uddannelse værktøj til at praktisere sådanne interventioner. For nogle NPS, kan indlejrede sensorer registrerer, om ydeevnen opfylder de anbefalede kliniske retningslinjer1 for depth og speed af brystet komprimeringer. Overholdelsen af retningslinjerne kan bruges til at beregne og kvantificere ydeevne, og i denne henseende sådanne avancerede NPS kan ses som en konkret og hvid boks metrikværdi til evaluering af ydeevne.
Tilslutning til de anbefalede retningslinjer sigter mod at forbedre patienternes fysiologi. For eksempel, er brystet kompression leveret med formålet at generere tilstrækkelig blodgennemstrømningen i kredsløbet. Nuværende high fidelity NPS (f.eks.PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norge) og Paul (SIMCharacters, Wien, Østrig)), ikke indeholder nogen sensorer til at måle fysiologiske parametre såsom blodgennemstrømning under træning, da de mangler et integreret hjerte til generere denne fysiologiske parameter. Effekten af brystet kompression i nuværende NPS kan derfor ikke vurderes på en fysiologisk niveau. For NPS fysiologiske vurdering af brystet komprimeringer, har en anatomisk realistisk kunstige hjerteklapper skal integreres i de nationale parlamenter. Forskning2 viser endvidere, at en stigning i fysiske anatomiske troskab kan føre til en stigning i funktionelle troskab af NPS. Integrere en fysisk high-fidelity organsystem ville gavne både de funktionelle troskab af uddannelse og aktiverer fysiologiske performance vurdering.
En betydelig stigning i troskab af NPS kan opnås gennem 3D-printning. I medicin bruges 3D imaging og udskrivning for det meste til kirurgisk forberedelse og oprettelsen af implantater3,4,5. For eksempel inden for kirurgisk simulation er organer produceret for at træne kirurger om at udføre kirurgiske procedurer6. Mulighederne for 3D udskrivning blevet ikke endnu flittigt anvendt i NPS. Kombinationen af 3D imaging og 3D udskrivning åbner mulighed for NPS at nå et højere niveau af fysisk troskab. Replikering af avancerede, fleksible, neonatal organer såsom hjertet bliver muligt på grund af den stadig bredere vifte af teknikker og materialer, der anvendes til 3D udskrivning7.
I dette papir detalje vi en protokol for at skabe en funktionel, kunstige neonatal hjerte ved hjælp af en kombination af MRI, 3D udskrivning og kolde sprøjtestøbning. Hjerte model i dette papir indeholder to forkamre, to ventrikler, fire funktionelle ventiler, og pulmonal og systemiske arterier og vener alle fremstillet af en enkelt silikone stemmer. Hjerte model kan fyldes med en væske, udstyret med sensorer og bruges som output parameter generator (dvs., blodtryk eller minutvolumen under brystet kompression og valve funktionalitet).
Protocol
Representative Results
Discussion
For modellen udviklet i denne undersøgelse, identificeret vi som sprøjtestøbning over en periode på 3-min er påkrævet for at forhindre luft ind støbt (figur 5, figur 6). For at sikre, at silikone når de smalle rum af ventiler, er “før støbning” eller “belægning” af områderne ventil i formen afgørende. Da de indre forme, forme hjertekamre nødt til at afslutte de endelige silikone kastede gennem 5 mm åbninger, multi materielle 3D udskrivning for for…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev udført inden for den nederlandske rammerne af IMPULS perinatology. Forfatterne vil gerne takke Radboud UMCN Museum for anatomi og patologi og Maxima medicinsk center Veldhoven for at levere neonatal Mr scanninger anvendes til dette arbejde. Forfatterne yderligere vil gerne takke Jasper Sterk, Sanne van der Linden, Frederique de Jongh, Pleun Alkemade og D.search lab på fakultetet for industrielt Design for deres betydelige bidrag til udviklingen af denne forskning. Endelig vil forfatterne gerne takke Rohan Joshi for hans korrekturlæsning af manuskriptet.
Materials
| Ecoflex 5 | Smooth-on | Silicon casting material | |
| 400ml Static mixers | Smooth-on | Mixing tubes | |
| Manual dispensing gun | Smooth-on | Used for injection molding | |
| 5-56 PTFE spray | CRC | Release agent for the molds | |
| Sodium-hydroxide | N/A | This was purchased as caustic soda at the hardware store, in dry, 99% pure form. As it is widely available, there is no company specified | |
| VeroWhite | Stratasys | The hard material used in the print | |
| TangoBlackPlus | Stratasys | The rubber material used in the print | |
| Support Material | Stratasys | The standard support material used by stratasys | |
| Magill Forceps | GIMA | Infant size. This is for removing the inner molds | |
| Stratasys Connex 350 | Stratasys | If this machine is not owned, another option is to have the parts printed through a third party printing firm such as 3D-hubs to get the parts printed and shipped. | |
| Balco Powerblast (Water Jet) | Stratasys | ||
| Euro 8-24 Set P (Air Compressor) | iSC | 4007292 | |
| Syringe with blunt needle | N/A | A 20ml syringe with a 0.5mm diameter blunt needle. | |
| Mimics 17.0 software | Materialise | This software was used to segment the heart model from the MRI. There are sevaral free MRI imaging software tools available such as InVesalius, or Osirix, although they may prove to provide less functionality. | |
| Magics 9.0 software | Materialise | This was used to repair and smooth the .stl files generated by mimics. This smoothing can also be done in most other 3D modeling freeware. | |
| Solidworks | Software used for editting the heart model. Most other freeware CAD software can be used to perform this stage of processing. |
References
- 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. Neonatal airway simulators, how good are they? A comparative study of physical and functional fidelity. J. Perinatol. 36 (2), 151-156 (2015).
- Yao, R., et al. Three-dimensional printing: review of application in medicine and hepatic surgery. Cancer Biol. Med. 13 (4), 443-451 (2016).
- Chua, C. K., et al. Rapid prototyping assisted surgery planning. Int. J. Adv. Manuf. Tech. 14 (9), 624-630 (1998).
- Gibson, I., et al. The use of rapid prototyping to assist medical applications. Rapid Prototyping J. 12 (1), 53-58 (2006).
- Cai, H. Application of 3D printing in orthopedics: status quo and opportunities in China. Ann. Transl. Med. 3 (Suppl 1), S12 (2015).
- Thielen, M. W. H., Delbressine, F. L. M. Rib cage recreation: towards realistic neonatal manikin construction using MRI scanning and 3D printing. FASE. , 41-44 (2016).
- Thielen, M., Joshi, R., Delbressine, F., Bambang Oetomo, S., Feijs, L. An innovative design for cardiopulmonary resuscitation manikins based on a human-like thorax and embedded flow sensors. JOEIM. 231 (3), 243-249 (2017).
- Cohrs, N. C., et al. A soft Total Artificial Heart – First Concept Evaluation on a Hybrid Mock Circulation. Artif. Organs. , (2017).
- Sparks, J. L., et al. Use of silicone materials to simulate tissue biomechanics as related to deep tissue injury. Adv. Skin Wound Care. 28 (2), 59-68 (2015).
- Van der Horst, A., Geven, M. C., Rutten, M. C., Pijls, N. H., Nvan de Vosse, F. Thermal anemometric assessment of coronary flow reserve with a pressure-sensing guide wire: An in vitro evaluation. Med. Eng. Phys. 33 (6), 684-691 (2011).
- Miriyev, A., Stack, K., Lipson, H. Soft material for soft actuators. Nature comm. 8 (596), (2017).
