Anatomiskt realistiska Neonatal hjärtat modell för användning i Neonatal patienten simulatorer
Summary
Det här protokollet beskriver en procedur för att skapa funktionella konstgjort neonatal hjärta modeller genom att utnyttja en kombination av magnetisk resonanstomografi, 3D printing och formsprutning. Syftet med dessa modeller är för integrering i nästa generation av neonatal patienten simulatorer och som ett verktyg för fysiologiska och anatomiska studier.
Abstract
Neonatal patienten simulatorer (NPS) är artificiella patienten surrogat som används i samband med medicinsk simulering utbildning. Neonatalmedicin och vårdpersonalen öva kliniska interventioner såsom bröstkompressioner att säkerställa patientens överlevnad vid bradykardi eller hjärtstillestånd. Simulatorerna används för närvarande är låg fysisk funktionsnedsättning och därför inte kan ge kvalitativ inblick i förfarandet för bröstkompressioner. För inbäddning av en anatomiskt realistiska hjärtat modell i framtiden simulatorer möjliggör upptäckt av hjärtminutvolym som genereras under bröstkompressioner; Detta kan ge läkare en utdataparameter, som kan fördjupa förståelsen för effekten av kompressioner i förhållande till mängden blodflödet genereras. Innan denna övervakning kan uppnås, en anatomiskt realistiska hjärtat modell måste skapas som innehåller: två atria, två ventriklarna, fyra hjärtklaffar, pulmonell vener och artärer, och systemiska vener och artärer. Det här protokollet beskriver förfarandet för att skapa en sådan funktionell konstgjort neonatal hjärta modell genom att använda en kombination av magnetisk resonanstomografi (MRT), 3D printing och gjutning i form av kalla formsprutning. Med den här metoden med flexibel 3D tryckta inre formar i injektion gjutning process kan en anatomiskt realistiska hjärtat modell erhållas.
Introduction
Varje år miljontals nyfödda är upptagna till neonatala intensivvårdsavdelningar (NICU). I NICUs, de flesta nödsituationer avser problem i luftvägar, andning och cirkulation (ABC) och kräver insatser såsom bröstkompressioner. NPS har värdefulla undervisning och träningsverktyg att öva sådana ingripanden. För vissa NPS, kan inbyggda sensorer upptäcka om prestanda uppfyller rekommenderade kliniska riktlinjer1 för djup och hastighet av bröstkompressioner. Adherencen till riktlinjer kan användas för att beräkna och kvantifiera prestanda, och i detta avseende sådana toppmoderna NPS kan ses som ett konkret och vita rutan mått för prestationsutvärdering.
Följsamhet till rekommenderade riktlinjer syftar till att förbättra patientens fysiologi. Exempelvis levereras bröstkompressioner med syftet att generera adekvat blodflöde i cirkulationssystemet. Nuvarande HiFi NPS (t.ex., PremieAnne (Laerdal, Stavanger, Norge) och Paul (SIMCharacters, Wien, Österrike)), inte innehåller några sensorer för att mäta fysiologiska parametrar såsom blodflödet under träning eftersom de saknar ett integrerat hjärta till generera denna fysiologiska parameter. Effekten av bröstkompressioner i nuvarande NPS kan därför inte bedömas på fysiologisk nivå. För NPS möjliggör fysiologisk bedömning bröstkompressioner, har ett anatomiskt realistiska konstgjort hjärta skall integreras i de nationella parlamenten. Dessutom visar forskning2 att en ökning av fysisk anatomiska trohet kan leda till en ökning av funktionella trohet av NPS. Att integrera ett fysiskt HiFi-organsystem skulle gynna både funktionella trohet av utbildning och aktivera fysiologiska resultatbedömning.
En betydande ökning av trohet i NPS kan uppnås genom 3D-utskrifter. I medicin används 3D imaging och utskrift mestadels för kirurgisk beredning och skapandet av implantat3,4,5. I fältet av kirurgisk simulering tillverkas exempelvis organ för att utbilda kirurger utför kirurgiska ingrepp6. Möjligheter för 3D-utskrift har inte ännu i stor utsträckning tillämpats i NPS. Kombinationen av 3D imaging och 3D printing öppnar möjligheten för NPS att nå en högre nivå av fysisk trohet. Replikering av sofistikerade, flexibel, neonatal organ såsom hjärtat blir möjligt tack vare det allt bredare utbudet av tekniker och material som används för 3D utskrift7.
I detta papper detalj vi ett protokoll för att skapa ett funktionellt, konstgjorda neonatal hjärta med en kombination av MRI, 3D printing och kalla formsprutning. Hjärtat modellen i detta papper innehåller två atria, två ventriklarna, fyra funktionella ventiler, och pulmonell och systemisk artärer och vener alla produceras från en enda silikon rösterna. Hjärtat modellen kan vara fylld med en vätska, utrustad med sensorer och används som utgång parametern generator (dvs, blodtryck eller hjärtminutvolym under bröstkompressioner och ventil funktionalitet).
Protocol
Representative Results
Discussion
För den modell som utvecklats i denna studie, identifierat vi som formsprutning under en 3-minuters period krävs för att förhindra att luft kommer in i rollistan (figur 5, figur 6). För att säkerställa att silikon når de trånga utrymmena av ventilerna, är ”före gjutning” eller ”beläggning” ventil områden i formen viktigt. Eftersom inre formarna forma hjärtats kammare måste avsluta den sista silikon kasta genom 5 mm öppningar, behövs mult…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning utfördes inom holländska ramen för IMPULS perinatology. Författarna vill tacka Radboud UMCN museet för anatomi och patologi och Máxima medicinska centrum Veldhoven för att tillhandahålla de neonatala Magnettomografi används för detta arbete. Författarna ytterligare vill tacka Jasper Sterk, Sanne van der Linden, Frederique de Jongh, Pleun Alkemade och D.search labbet vid fakulteten för industriell Design för sina betydande bidrag till utvecklingen av denna forskning. Författarna vill slutligen tacka Rohan Joshi för hans korrekturläsning av 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).
