患者特定的模型在制定或学习手术计划时提高了外科医生和同事的信心。三维(3D)打印机为手术准备生成足够的细节,但无法复制组织触觉保真度。本文提出了一个方案,详细介绍了患者特异性硅胶心脏模型的创建,将3D打印精度与模拟硅胶组织相结合。
三维模型对于外科医生来说可能是一个有价值的工具,因为他们制定手术计划,而医学研究员则了解复杂的病例。特别是,3D模型可以在心脏病学领域发挥重要作用,心脏病学领域会发生复杂的先天性心脏病。虽然许多3D打印机可以提供解剖学上正确和详细的模型,但现有的3D打印材料无法复制心肌组织的特性,并且可能非常昂贵。该协议旨在开发一种工艺,使用与心肌特性更匹配的低成本有机硅创建复杂先天性心脏缺陷的患者特异性模型。随着模型保真度的提高,可以在手术前进行实际的外科手术培训。心脏模型的成功创建始于对放射学图像进行分割,以生成虚拟血池(充满心脏腔室的血液)和心肌组织霉菌。血池和心肌霉菌在丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)中3D打印,ABS是一种可溶于丙酮的塑料。模具在血池周围组装,形成一个模拟心肌的负空间。将岸边硬度为2A的硅胶倒入负极空间并使其固化。去除心肌霉菌,并将剩余的硅胶/血池模型浸没在丙酮中。所描述的过程产生了一个物理模型,其中所有心脏特征(包括心内缺陷)都以更真实的组织特性表示,并且比直接3D打印方法更接近近似。使用GORE-TEX贴片(缺损的标准手术干预)成功对心室间隔缺损(VSD)模型进行手术矫正证明了该方法的实用性。
在美国,近十分之一的儿童出生时患有先天性心脏缺陷(CHD)。由于患有冠心病的母亲倾向于生下患有冠心病的孩子,因此预计这一比率可能会在未来七代人中增加一倍以上1。虽然并非每种CHD都被认为是复杂或严重的,但一般的生长预期表明有动力改进能够解决CHD治疗的技术和程序。随着技术的进步,心脏外科医生经常表示愿意处理更复杂的程序。这种意愿导致复杂心脏手术数量的增加,推动了对更先进的手术计划和教育技术的需求。反过来,这使得心脏外科医生需要高度准确的,特定于患者的模型,而心脏外科医生需要高效的培训方法。
先天性心脏手术是技术要求最高的外科学科之一,因为患者体型小,心脏异常的复杂性以及一些异常的罕见性2。在最极端的情况下,孩子出生时可能只有一个心室。外科医生采取直径为2.0毫米的血管并用固定的心包修补它以形成一个1.0厘米的血管,使新生儿在这个挽救生命的手术中生长并不罕见 – 所有这些都是在时钟下,因为新生儿处于完全的循环停止状态。在正常的四腔心脏和这些极端的例子之间,有无数种可能,包括腔室大小和瓣膜位置,构成了高度复杂的3D拼图。先天性心脏团队的作用是清楚地描绘独特的解剖结构,并制定一项计划,将有机组织重新配置为功能性心脏,使孩子在正常生活中有最好的机会成长。准确的模型允许在错误可以原谅的环境中进行故意的外科手术练习和重复,并且不会导致患者伤害3,4。这种培训可以提高外科专业知识,以及技术和判断技能。然而,有限的资源和某些心脏病的罕见性使得实现所需的重复和可视化水平几乎是不可能的。为了帮助解决这一资源不足的问题,在教育中越来越多地使用模拟2,3。常用的模拟或建模技术包括人体尸体、动物组织、虚拟现实模型(VR)和3D打印模型。
尸体组织历来被视为手术模拟的黄金标准,动物组织紧随其后。尸体和动物组织可以产生高保真度的模拟,因为它们包含感兴趣的解剖结构,所有周围的组织,并允许灌注技术来模拟血流4。尽管组织模型有好处,但也有缺点。防腐组织会降低机械顺应性,使某些操作不切实际且难以执行。组织需要不断维护,需要特定的设施,不可重复使用2,获得成本高昂3,并且历来一直是道德问题的主题。最重要的是,先天性心脏病在尸体样本中根本无法获得。
VR和3D打印模型5,6,7,8,9,10 为心脏教育,模拟和建模提供了另一种选择,以帮助创建术前计划。这些模型减少了与用户将 2D 图像插入为 3D 结构的各种视觉空间能力相关的模糊性10,11。虚拟环境可以包含可以操作并与模型交互的手术工具,使外科医生和研究员能够发展手眼协调,精细运动技能和对某些程序的熟悉程度4。目前流行的3D打印技术,包括熔融沉积建模(FDM),立体光刻(SLA),选择性激光烧结(SLS)和polyjet,已被发现可以生产具有亚毫米精度的模型13。VR和3D打印模型都是可重复使用的,并且可以非常详细;甚至可以从患者放射成像数据中生成模型,从而产生患者解剖结构的复制品。尽管VR或3D打印模型有许多好处,但当考虑到先天性心脏手术的成本和触觉保真度要求时,它们是不够的。VR环境的设置成本很高,VR环境无法提供现实世界的触觉反馈。虽然触觉保真度技术正在改善,但目前的差距抑制了学生熟悉执行程序所需的精细运动技能的能力4。同样,根据所使用的3D打印技术的类型,3D打印的成本可能相当高,因为必须考虑打印机的购买价格和打印材料成本11,14。使用高端打印机可以生产具有逼真触觉反馈的单个高保真心脏模型,但仅材料成本就高达数百美元,打印机购买价格超过100,000美元15美元。使用岸边硬度为26-28 A的灯丝生产的心脏模型被发现每个模型的成本约为220美元16。或者,许多低成本的3D打印机和技术的打印机购买价格低于5,000美元。在低成本FDM打印机上生成的心脏模型的平均材料价格约为3.80美元,使用岸硬度为82 A的材料约为35美元,使用岸上硬度为95 A15,16的材料为35美元。虽然这些机器确实提供了低成本的解决方案,但它是以触觉保真度为代价的。
虽然VR和3D打印可以对心脏状况进行详细的视觉和概念评估,但与制作动手手术模拟模型相关的高昂价格通常是一个重大障碍。一种解决方案是使用有机硅来创建物理和纹理准确的心脏模型。患者特定的有机硅模型可以促进对独特解剖结构的更深入理解,允许外科医生在对患者风险最小的环境中体验逼真的触觉反馈,并且如果手术不成功则不会产生任何后果9。有机硅成型已被证明是模拟人体解剖结构的有效方法,该方法产生的模型具有物理特性,比低成本3D打印生成的模型更接近真实组织17。Scanlan等人比较了低成本3D打印到硅胶模制心脏瓣膜的性能, 以评估与真实组织的相似性;研究发现,虽然硅胶瓣膜的物理性能不是真实组织的精确复制品,但其性能远远优于3D打印瓣膜17。研究中使用的3D打印材料是可用于低成本3D打印机的最柔软的材料之一,并且具有26至28 A18之间的岸硬度。推荐用于以下方案的铂固化有机硅的岸硬度为2 A,远更接近心脏组织的岸硬度,00刻度为43,或约为0 A19,20。这种差异是显着的,因为有机硅模型允许直接3D打印材料无法实现的高保真精细运动技能训练。该协议中提出的模型的总材料成本不到10美元。所提出的有机硅模型将逼真的触觉反馈所需的软组织特性与低成本3D打印模型的多功能性和精度相结合。
虽然有机硅的好处似乎使其成为模型创建的明显选择,但有机硅的使用受到可以模塑的解剖结构的限制。新鲜混合的有机硅是一种液体,需要模具在固化时将其保持在所需的形状。从历史上看,硅胶心脏模具只能包含模型外表面的细节。心脏内的细节,包括整个血液池区域,将充满硅胶并丢失。以前的研究已经实现了心脏内特定感兴趣区域(例如主动脉根21)的有机硅模型,或者使用外推法模拟心肌组织22。该协议是新颖的,因为它试图将有机硅材料的使用与高分辨率解剖学,完整的心肌模拟相结合 – 特别是避免任何外推方法。据我们所知,没有描述性手稿提供结合这些方面的方法。该协议中描述的方法引入了一种技术,以实现患者特异性心脏模型,其心脏内解剖复制对于手术前实践足够准确。该方法涉及创建心肌模具,以便在硅胶固化时将其保持在适当的形状,并创建一个内部模具以保留模型的内部心内细节并防止硅胶填充心脏的血池区域。然后必须溶解内部模具,留下整个硅胶心脏模型,在外表面和内表面上具有患者特定的解剖结构。如果没有本文提出的心脏模型创建方案,就不存在低成本的解决方案来模拟外科手术,其材料模仿心肌的实际组织特征。
完成实验方案后,应使用患者特异性硅胶心脏模型进行手术准备。但是,要实现这一点,必须正确完成几个关键步骤。可以在 补充文件2中看到协议中关键步骤的摘要,以及如果步骤未正确执行则可能的结果。第一个关键步骤涉及患者放射成像数据的分割。此步骤需要获取诊断 3D 成像数据集。术前计划或教育中的模型效用取决于3D数据集的质量。建议使用收集的切片尺寸在0.625 mm和2.6 mm之间的图像集,以确保数据集具有足够的分辨率用于模型制作。然而,所有影像学参数应由临床医生放射学专家设置,患者护理是重中之重。应该注意的是,从收集的切片大小超出建议值的图像集中生成模型是可能的,但模型分辨率和质量将受到负面影响。获得图像后,如果分割未正确执行,则通常直到最终模型生成并切割后才能实现,从而导致时间和材料的损失。为了防止这种负面结果,建议主题专家在创建用于质量控制的数字模具之前审查分段文件。下一个关键步骤发生在数字模具的创建过程中。重要的是要确保心肌病例能够围绕血池模型进行组装。如果血池周围的外壳没有关闭,则不能用于创建硅胶模型,因为未镶嵌的硅胶会不断泄漏出来,并且解剖结构可能会扭曲。手持式旋转打磨工具可用于在需要进行小幅调整时轻轻地去除心肌霉菌的碎片。如果需要进行大的调整,则需要更改数字模具并打印更新的外壳。最后的关键步骤是硅胶的浇注。使用有机硅时,必须严格遵守材料说明,因为如果不这样做,可能会导致有机硅固化为粘性表面。如果表面被认为太粘,中小企业无法使用,如果无法成功从硅胶中去除血池,则可能必须重新打印。硅胶将不得不重新浇注,导致时间和材料的损失。如果硅胶使用不足,或者硅胶在凝固过程中从心肌外壳模具中泄漏出来,则生成的模型将不完整。这种故障可以通过混合并将额外的硅胶倒入模具中来补救。如果少量硅胶在固化过程中似乎泄漏,则可以使用热胶或粘土等材料来密封心肌外壳模具的接缝。
这种创建患者特异性有机硅心脏模型的方法可以进行修改,以允许创建具有患者特异性或复杂内部和外部几何形状的任何软解剖结构的模型。假设目标解剖结构正确分段,则可以以最小的变化遵循协议的其余步骤。虽然不是当前工作的重点,但该协议已应用于肝实质,并取得了类似的成功。所利用的3D打印材料也可以进行修改。ABS和PLA由于其低成本而被推荐使用,但任何可溶解的3D打印材料都可以取代ABS,任何理想的3D打印材料都可以取代PLA,只需对协议进行最小或没有更改。使用其他打印材料时,应遵循灯丝制造商指定的所有打印参数。这种方法可以通过使用不同的有机硅来进一步改性。建议用于此方案的有机硅的岸上硬度为2 A,但如果需要另一个岸上硬度值,则可以用最小的或不需要改变方案来替代不同的有机硅。使用不同的有机硅产品时,请务必遵守所有制造规范和程序。
虽然该协议概述了改进的心脏建模程序,但它并非没有局限性。该协议的主要局限性是,虽然所利用的铂类固化有机硅比其他可用材料更接近心脏组织的硬度,但硬度并不是在手术训练的精细运动技能中发挥作用的唯一特性。特别是,真正的心脏组织在力作用下会表现出脆性或撕裂。所利用的有机硅具有很强的弹性,断裂伸长率为763%,拉伸强度为1,986 kPa19。猪心脏组织被认为是人类心脏组织的准确表示,其断裂伸长率为28-66%,拉伸强度为40-59 kPa26。这种差异带来了一个问题,因为心脏外科医生可能会对硅胶模型心脏进行练习手术并获得虚假的自信感,因为该模型可以承受真实心脏组织无法承受的力。这种方法也有可能受到具有非常复杂几何形状的心脏模型的限制。随着模型的解剖复杂性增加,该协议可以通过增加心肌模具中的碎片数量来补偿。从本质上讲,日益复杂的模型将需要越来越复杂的模具设计和更长的设计时间。
该协议中描述的模型创建过程优于许多其他可用的替代方案,因为它能够重新创建手术遇到的解剖学的低成本精确解剖学复制品。尸体和动物组织确实允许高保真度模拟,但它们的成本要高得多,并且需要使用和维护特定的实验室设置2,6.此外,尸体和动物组织模型具有伦理问题,不是特定于患者的,并且复杂的CHD通常必须由外科医生或讲师手动制造,这通常会导致周围组织和器官的不准确或损坏。另一种潜在的建模技术涉及虚拟现实的使用。虚拟现实允许对患者特定的心脏模型进行数字复制,这是建立患者解剖结构和手术计划的准确心理表示的有效工具。此外,一些VR系统允许通过结合触觉反馈进行基本模拟。然而,可用的触觉反馈缺乏复制先天性心脏外科手术所需的精细运动技能所需的真实性。4.3D打印是生产患者特定心脏模型的另一种可用方法。2,24.然而,能够生产多材料,软模型的高保真3D打印机的广泛实施受到其极高成本的抑制。11,14,15.低成本的3D打印机是可用的,但只能用比真正的心肌更坚固的材料打印。当Scanlan等人使用3D打印机最柔软的材料之一创建模型时,发现该模型比真正的心脏组织更坚固。17.所描述的材料具有26 A至28 A之间的岸硬度,使其具有类似于橡皮筋的质地。该协议中使用的铂金固化硅胶的邵氏硬度为2 A,使其质地类似于凝胶鞋垫,更接近真实心脏组织的硬度,即43 0020 或~0 A. Hoashi等人. 还利用与该协议中描述的方法类似的方法来开发灵活的3D打印心脏模型。代表内部和外部心肌几何形状的两个模具使用SLA打印机进行3D打印,然后真空铸造橡胶状聚氨酯树脂。虽然这种方法确实生产了软心模型,但每个模型的这种方法的拟议生产成本为2,000至3,000美元。22.相比之下,所提出的协议中描述的方法的总材料成本小于10美元。最后,Russo等人也使用了类似的方法。. 创建主动脉瓣和主动脉近端的硅胶模型,用于手术实践。而Russo等人. 方法集中在一个类似的目标上,他们提出的过程旨在复制主动脉瓣或主动脉瓣的更简单的解剖结构。本文提出的方案通过专注于更小,更复杂的心内和心肌解剖结构来区分自己,并且鉴于历史方法,它们极难复制。尽管存在这种差异,但Russo等人创建的模型. 对于接受调查的心脏外科医生在心脏手术中的模拟和培训非常有用23.从本质上讲,该协议中描述的方法允许低成本地创建复杂的,特定于患者的先天性心脏模型,这些模型具有准确表示的缺陷和材料属性,比其他建模方法更类似于真实的心脏组织。1,16,允许以逼真的触觉保真度操作模型。
展望未来,这种方法可以应用于形成具有复杂内部和外部特征的任何患者解剖结构模型。开发一种替代血库材料,可以以破坏性较小的方式从有机硅模型中去除,或者使用耗时较少的方法生产,这将使该过程更具时间和成本效益。因此,不必为随后的每个成型工艺复制新的血液库,从而实现相关训练的可扩展性。用于创建模型的有机硅的物理性能也可以得到改善。断裂伸长率较低的有机硅将增加模型的真实感,并有助于提高其作为心脏外科医生的教育工具的价值,这些研究人员试图学习执行这些复杂程序所需的精细运动技能。目前市场上值得考虑的一组材料是有机硅模拟玻璃材料25。这些有机硅材料在断裂时的伸长率要小得多,从而以类似于玻璃的方式在施加力时产生明显的”破碎”。通过添加这种有机硅模拟玻璃材料来调节本方案中使用的铂固化有机硅,可以控制模型的易碎性特性,同时仍保持适当的邵氏硬度,从而提高整体触觉保真度。最后,该协议可以产生的解剖学分辨率受到用于生成模具的3D打印机的分辨率的限制。随着技术的不断改进,可以使用该协议创建的解剖学分辨率也应该提高。
The authors have nothing to disclose.
作者要感谢OSF HealthCare使这项研究成为可能,以及Mark Plunkett博士的程序知识和技能应用于我们的最终产品。
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 |