Ontwikkeling en evaluatie van 3D-geprinte cardiovasculaire phantoms voor interventionele planning en training
Summary
Hier presenteren we de ontwikkeling van een mock circulation setup voor multimodale therapie evaluatie, pre-interventionele planning en arts-training over cardiovasculaire anatomieën. Met de toepassing van patiëntspecifieke tomografische scans is deze opstelling ideaal voor therapeutische benaderingen, training en onderwijs in geïndividualiseerde geneeskunde.
Abstract
Kathetergebaseerde interventies zijn standaardbehandelingsopties voor cardiovasculaire pathologieën. Daarom kunnen patiëntspecifieke modellen helpen bij het trainen van de draadvaardigheden van artsen en het verbeteren van de planning van interventionele procedures. Het doel van deze studie was om een productieproces te ontwikkelen van patiëntspecifieke 3D-geprinte modellen voor cardiovasculaire interventies.
Om een 3D-geprint elastisch fantoom te creëren, werden verschillende 3D-printmaterialen vergeleken met biologische varkensweefsels (d.w.z. aortaweefsel) in termen van mechanische kenmerken. Op basis van vergelijkende trekproeven werd een passend materiaal geselecteerd en specifieke materiaaldiktes gedefinieerd. Geanonimiseerde contrastversterkte CT-datasets werden retrospectief verzameld. Patiëntspecifieke volumetrische modellen werden uit deze datasets geëxtraheerd en vervolgens 3D-geprint. Een pulsatiele flow loop werd geconstrueerd om de intraluminale bloedstroom tijdens interventies te simuleren. De geschiktheid van modellen voor klinische beeldvorming werd beoordeeld door middel van röntgenbeeldvorming, CT, 4D-MRI en (Doppler) echografie. Contrastmiddel werd gebruikt om de zichtbaarheid in röntgengebaseerde beeldvorming te verbeteren. Verschillende katheterisatietechnieken werden toegepast om de 3D-geprinte fantomen te evalueren in de opleiding van artsen en voor pre-interventionele therapieplanning.
Gedrukte modellen toonden een hoge afdrukresolutie (~ 30 μm) en mechanische eigenschappen van het gekozen materiaal waren vergelijkbaar met fysiologische biomechanica. Fysieke en digitale modellen toonden een hoge anatomische nauwkeurigheid in vergelijking met de onderliggende radiologische dataset. Gedrukte modellen waren geschikt voor ultrasone beeldvorming en standaard röntgenfoto’s. Doppler-echografie en 4D-MRI toonden stromingspatronen en oriëntatiekenmerken (d.w.z. turbulentie, wandschuifspanning) die overeenkomen met native gegevens. In een kathetergebaseerde laboratoriumomgeving waren patiëntspecifieke phantoms gemakkelijk te katheteriseren. Therapieplanning en training van interventionele procedures op uitdagende anatomieën (bijv. Congenitale hartziekte (CHD)) was mogelijk.
Flexibele patiëntspecifieke cardiovasculaire phantoms werden 3D-geprint en de toepassing van gangbare klinische beeldvormingstechnieken was mogelijk. Dit nieuwe proces is ideaal als trainingsinstrument voor kathetergebaseerde (elektrofysiologische) interventies en kan worden gebruikt in patiëntspecifieke therapieplanning.
Introduction
Geïndividualiseerde therapieën worden steeds belangrijker in de moderne klinische praktijk. In wezen kunnen ze worden ingedeeld in twee groepen: genetische en morfologische benaderingen. Voor geïndividualiseerde therapieën op basis van uniek persoonlijk DNA is genoomsequencing of de kwantificering van genexpressieniveaus noodzakelijk1. Men kan deze methoden bijvoorbeeld vinden in de oncologie of bij de behandeling van metabolestoornissen 2. De unieke morfologie (d.w.z. anatomie) van elk individu speelt een belangrijke rol in de interventionele, chirurgische en prothetische geneeskunde. De ontwikkeling van geïndividualiseerde prothesen en pre-interventionele /-operatieve therapieplanning vertegenwoordigen centrale focus van onderzoeksgroepen vandaag3,4,5.
Afkomstig van industriële prototypeproductie, is 3D-printen ideaal voor dit gebied van gepersonaliseerde geneeskunde6. 3D-printen wordt geclassificeerd als een additieve productiemethode en is normaal gesproken gebaseerd op een laag-voor-laag depositie van materiaal. Tegenwoordig is er een breed scala aan 3D-printers met verschillende printtechnieken beschikbaar, waardoor de verwerking van polymere, biologische of metalen materialen mogelijk is. Door de toenemende printsnelheden en de continue beschikbaarheid van 3D-printers worden de productiekosten steeds goedkoper. Daarom is het gebruik van 3D-printen voor pre-interventionele planning in dagelijkse routines economisch haalbaar geworden7.
Het doel van deze studie was om een methode vast te stellen voor het genereren van patiëntspecifieke of ziektespecifieke fantomen, bruikbaar in geïndividualiseerde therapieplanning in de cardiovasculaire geneeskunde. Deze fantomen moeten compatibel zijn met gangbare beeldvormingsmethoden, evenals voor verschillende therapeutische benaderingen. Een ander doel was het gebruik van de geïndividualiseerde anatomieën als trainingsmodellen voor artsen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De gepresenteerde workflow maakt het mogelijk om geïndividualiseerde modellen vast te stellen en daardoor pre-interventionele therapieplanning uit te voeren, evenals artsentraining over geïndividualiseerde anatomieën. Om dit te bereiken, kunnen patiëntspecifieke tomografische gegevens worden gebruikt voor segmentatie en 3D-printen van flexibele cardiovasculaire phantomn. Door deze 3D-geprinte modellen in een schijncirculatie te implementeren, kunnen verschillende klinische situaties realistisch worden gesimuleerd.</p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze publicatie werd ondersteund door de Duitse Hartstichting/Duitse Stichting voor Hartonderzoek.
Materials
| 3-matic | Materialise AB | Software Version 15.0 – Commercial 3D-Modeling Software | |
| Affiniti 50 | Philips Medical Systems GmbH | Ultrasonic Imaging System | |
| Agilista W3200 | Keyence Co. | Polyjet 3D-Printer with a spatial resolution of 30µm | |
| AR-G1L | Keyence Co. | flexible 3D-Printing material | |
| Artis Zee | Siemens Healthcare GmbH | Angiographic X-ray Scanner | |
| cvi42 | CCI Inc. | Software Version 5.12 – 4D Flow Analysis Software | |
| Diagnostic Catheter, Multipurpose MPA 2 | Cordis, A Cardinal Health company | Catheter for pediatric training models, Sizes 4F for infants and 5F for children, young adults | |
| Excor Ventricular Assist Device | Berlin Heart GmbH | 80 -100ml stroke volume | |
| Imeron 400 Contrast Agent | Bracco Imaging | CT – Contrast Agent | |
| IntroGuide F | Angiokard Medizintechnik GmbH | Guidewire with J-tip; diameter: 0.035" length: 220cm | |
| Lunderquist Guidewire | Cook Medical Inc. | (T)EVAR interventional guidewire | |
| MAGNETOM Aera | Siemens Healthcare GmbH | MRI Scanner | |
| Magnevist Contrast Agent | Bayer Vital GmbH | MRI – Contrast Agent | |
| Mimics | Materialise AB | Software Version 23.0 – Commercial Segmentation Software | |
| Modeling Studio | Keyence Co. | 3D-Printer Slicing Software | |
| PVC tubing | |||
| Radifocus Guide Wire M | Terumo Europe NV | Straight guidewire; diameter: 0.035" length: 260cm | |
| Really useful box 9L | Really useful products Ltd. | ||
| Rotigarose – Standard Agar | Carl Roth GmbH | 3810.4 | |
| Solidworks | Dassault Systemes SE | Software Version 2019-2020; CAD Design Software | |
| SOMATOM Force | Siemens Healthcare GmbH | Computed Tomography Scanner | |
| syngo via | Siemens Healthcare GmbH | Radiological Imaging Software |
References
- Goetz, L. H., Schork, N. J. Personalized medicine: motivation, challenges, and progress. Fertility and Sterility. 109 (6), 952-963 (2018).
- Gwin, W. R., Disis, M. L., Ruiz-Garcia, E. Immuno-Oncology in the Era of Personalized Medicine. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1168, 117-129 (2019).
- Spetzger, U., Frasca, M., König, S. A. Surgical planning, manufacturing and implantation of an individualized cervical fusion titanium cage using patient-specific data. European Spine Journal. 25 (7), 2239-2246 (2016).
- Gardner, S. J., Kim, J., Chetty, I. J. Modern radiation therapy planning and delivery. Hematology/Oncology Clinics of North America. 33 (6), 947-962 (2019).
- Haglin, J. M., et al. Patient-specific orthopaedic implants. Orthopaedic surgery. 8 (4), 417-424 (2016).
- Liaw, C. Y., Guvendiren, M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication. 9 (2), 024102 (2017).
- Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
- Kamalian, S., Lev, M. H., Gupta, R., Masdeu, J. C., Gonzalez, R. G. . Handbook of Clinical Neurology. , 3-20 (2016).
- Bücking, T. M., et al. From medical imaging data to 3D printed anatomical models. PLoS One. 12 (5), 0178540 (2017).
- Steinberg, E. L., Segev, E., Drexler, M., Ben-Tov, T., Nimrod, S. Preoperative planning of orthopedic procedures using digitalized software systems. Israel Medical Association Journal. 18 (6), 354-358 (2016).
- Hua, J., Aziz, S., Shum, J. W. Virtual surgical planning in oral and maxillofacial surgery. Oral and Maxillofacial Surgery Clinics of North America. 31 (4), 519-530 (2019).
- Schmauss, D., Haeberle, S., Hagl, C., Sodian, R. Three-dimensional printing in cardiac surgery and interventional cardiology: a single-centre experience. European Journal of Cardiothoracic Surgery. 47 (6), 1044-1052 (2015).
- Smelt, J. L. C., et al. Operative Planning in thoracic surgery: A pilot study comparing imaging techniques and three-dimensional printing. The Annals of Thoracic Surgery. 107 (2), 401-406 (2019).
- Masaeli, R., Zandsalimi, K., Rasoulianboroujeni, M., Tayebi, L. Challenges in three-dimensional printing of bone substitutes. Tissue Engineering Part B: Reviews. 25 (5), 387-397 (2019).
- Rafiee, M., Farahani, R. D., Therriault, D. Multi-material 3D and 4D printing: A survey. Advanced Science. 7 (12), 1902307 (2020).
- Wang, S., et al. Development and testing of an ultrasound-compatible cardiac phantom for interventional procedure simulation using direct three-dimensional printing. 3D Printing and Additive Manufacturing. 7 (6), 269-278 (2020).
- D’Souza, W. D., et al. Tissue mimicking materials for a multi-imaging modality prostate phantom. Medical Physics. 28 (4), 688-700 (2001).
- Tejo-Otero, A., Buj-Corral, I., Fenollosa-Artés, F. 3D printing in medicine for preoperative surgical planning: A review. Annals of Biomedical Engineering. 48 (2), 536-555 (2020).
- Rotman, O. M., et al. Realistic vascular replicator for TAVR procedures. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 339-350 (2018).
- 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).
- Fedorov, A., et al. 3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic resonance imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
- Katsura, M., Sato, J., Akahane, M., Kunimatsu, A., Abe, O. Current and novel techniques for metal artifact reduction at ct: practical guide for radiologists. Radiographics. 38 (2), 450-461 (2018).
- Pépin, A., Daouk, J., Bailly, P., Hapdey, S., Meyer, M. E. Management of respiratory motion in PET/computed tomography: the state of the art. Nuclear Medicine Communications. 35 (2), 113-122 (2014).
- Scott, A. D., Keegan, J., Firmin, D. N. Motion in cardiovascular MR imaging. Radiology. 250 (2), 331-351 (2009).
