פיתוח והערכה של פאנטום לב וכלי דם בהדפסה תלת-ממדית לתכנון והדרכה התערבותיים
Summary
כאן אנו מציגים פיתוח של מערך מחזור מדומה להערכת טיפול רב-מודאלי, תכנון טרום התערבותי, והכשרת רופא על אנטומיה של לב וכלי דם. עם היישום של סריקות טומוגרפיות ספציפיות למטופל, התקנה זו אידיאלית עבור גישות טיפוליות, הכשרה, וחינוך ברפואה אישית.
Abstract
התערבויות מבוססות צנתר הן אפשרויות טיפול סטנדרטיות לפתולוגיות לב וכלי דם. לכן, מודלים ספציפיים למטופל יכולים לסייע בהכשרת מיומנויות חוט של רופאים, כמו גם לשפר את התכנון של הליכים התערבותיים. מטרת מחקר זה הייתה לפתח תהליך ייצור של מודלים ספציפיים למטופל 3D מודפסים עבור התערבויות לב וכלי דם.
כדי ליצור פנטום אלסטי בהדפסה תלת-ממדית, הושוו חומרים שונים להדפסת תלת-ממד לרקמות ביולוגיות חזיריות (כלומר, רקמת אב העורקים) במונחים של מאפיינים מכניים. חומר מתאים נבחר על סמך בדיקות מתיחה השוואתיות והוגדרו עוביים חומר ספציפיים. ערכות נתוני CT משופרות אנונימיות נאספו בדיעבד. מודלים נפחיים ספציפיים למטופל חולצו מערכות נתונים אלה ולאחר מכן מודפסים בתלת-ממד. לולאת זרימה פועמת נבנתה כדי לדמות את זרימת הדם התוך-תאית במהלך התערבויות. התאמת הדגמים להדמיה קלינית הוערכה על ידי הדמיית רנטגן, CT, 4D-MRI ו-(דופלר) אולטרה-סאונד. מדיום ניגודיות שימש לשיפור הנראות בהדמיה מבוססת רנטגן. טכניקות צנתור שונות הוחלו כדי להעריך את הרוחות המודפסות בתלת-ממד בהכשרת רופאים, כמו גם לתכנון טיפול טרום התערבותי.
מודלים מודפסים הראו רזולוציית הדפסה גבוהה (~ 30 מיקרומטר) ומאפיינים מכניים של החומר שנבחר היו דומים לביומכניקה פיזיולוגית. מודלים פיזיים ודיגיטליים הראו דיוק אנטומי גבוה בהשוואה למערכת הנתונים הרדיולוגית הבסיסית. דגמים מודפסים היו מתאימים הדמיה קולית, כמו גם צילומי רנטגן סטנדרטיים. אולטרה-סאונד דופלר ו-4D-MRI הציגו דפוסי זרימה ומאפייני ציון דרך (כלומר, מערבולת, מתח הטיה בקיר) התואמים לנתונים מקוריים. בסביבת מעבדה מבוססת קטטר, היה קל לבצע צנתור של רוחות רפאים ספציפיות למטופל. תכנון טיפול והכשרה של הליכים התערבותיים על אנטומיה מאתגרת (למשל, מחלת לב מולדת (CHD)) היה אפשרי.
רוחות רפאים קרדיווסקולריות גמישות ספציפיות למטופל הודפסו בתלת-ממד, והיישום של טכניקות הדמיה קליניות נפוצות היה אפשרי. תהליך חדש זה הוא אידיאלי ככלי אימון להתערבויות מבוססות קטטר (אלקטרופיזיולוגיות) וניתן להשתמש בו בתכנון טיפול ספציפי למטופל.
Introduction
טיפולים בודדים צוברים חשיבות גוברת בפרקטיקה הקלינית המודרנית. בעיקרו של דבר, הם יכולים להיות מסווגים בשתי קבוצות: גישות גנטיות ומורפולוגיות. עבור טיפולים בודדים המבוססים על DNA אישי ייחודי, או ריצוף הגנום או כימות של רמות ביטוי גנים יש צורך1. ניתן למצוא שיטות אלה באונקולוגיה, למשל, או בטיפול בהפרעה מטבולית2. המורפולוגיה הייחודית (כלומר, האנטומיה) של כל אדם ממלאת תפקיד חשוב ברפואה התערבותית, כירורגית ותותבת. פיתוח תותבות פרטניות ותכנון טיפול טרום התערבותי/אופרטיבי מייצגים מוקדים מרכזיים של קבוצות מחקר כיום3,4,5.
מגיע מייצור אב טיפוס תעשייתי, הדפסה בתלת-ממד היא אידיאלית לתחום זה של רפואה מותאמת אישית6. הדפסת תלת-ממד מסווגת כשיטת ייצור תוסף ומבוססת בדרך כלל על תצהיר של חומר שכבה אחר שכבה. כיום, מגוון רחב של מדפסות תלת-ממד עם טכניקות הדפסה שונות זמין, המאפשר עיבוד של חומרים פולימריים, ביולוגיים או מתכתיים. בשל מהירויות ההדפסה הגוברות, כמו גם הזמינות הנרחבת המתמשכת של מדפסות תלת-ממד, עלויות הייצור הופכות בהדרגה לפחות יקרות. לכן, השימוש בהדפסה בתלת-ממד לתכנון טרום התערבותי בשגרת היומיום הפך לאפשרי מבחינה כלכלית7.
מטרת מחקר זה הייתה ליצור שיטה ליצירת רוחות רפאים ספציפיות למטופל או ספציפיות למחלות, שמיש בתכנון טיפול פרטני ברפואת לב וכלי דם. רוחות רפאים אלה צריכות להיות תואמות לשיטות הדמיה נפוצות, כמו גם לגישות טיפוליות שונות. מטרה נוספת הייתה השימוש באנטומיות האינדיבידואליות כמודלים להכשרה לרופאים.
Protocol
Representative Results
Discussion
זרימת העבודה המוצגת מאפשרת להקים מודלים בודדים ובכך לבצע תכנון טיפול טרום התערבותי, כמו גם הכשרת רופאים על אנטומיה אישית. כדי להשיג זאת, נתונים טומוגרפיים ספציפיים למטופל יכולים לשמש עבור פילוח והדפסה תלת-ממדית של רוחות רפאים קרדיווסקולריות גמישות. על ידי יישום של מודלים אלה מודפסים 3D במ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרסום זה נתמך על ידי קרן הלב הגרמנית / הקרן הגרמנית לחקר הלב.
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 |
Riferimenti
- 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).
