Her presenterer vi utvikling av et mock sirkulasjonsoppsett for multimodal terapievaluering, preintervensjonell planlegging og legeopplæring på kardiovaskulære anatomier. Med anvendelsen av pasientspesifikke tomografiske skanninger er dette oppsettet ideelt for terapeutiske tilnærminger, opplæring og utdanning i individualisert medisin.
Kateterbaserte intervensjoner er standard behandlingsalternativer for kardiovaskulære patologier. Derfor kan pasientspesifikke modeller bidra til å trene legers trådferdigheter samt forbedre planleggingen av intervensjonsprosedyrer. Målet med denne studien var å utvikle en produksjonsprosess av pasientspesifikke 3D-trykte modeller for kardiovaskulære intervensjoner.
For å lage et 3D-trykt elastisk fantom ble forskjellige 3D-printing materialer sammenlignet med porcin biologisk vev (dvs. aortavev) når det gjelder mekaniske egenskaper. Et passende materiale ble valgt basert på komparative strekkprøver og spesifikke materialtykkelser ble definert. Anonymiserte kontrastforbedrede CT-datasett ble samlet inn i ettertid. Pasientspesifikke volumetriske modeller ble hentet fra disse datasettene og deretter 3D-trykt. En pulsatile strømningssløyfe ble konstruert for å simulere den intraluminale blodstrømmen under intervensjoner. Modellenes egnethet for klinisk avbildning ble vurdert ved røntgenavbildning, CT, 4D-MR og (Doppler) ultrasonografi. Kontrastmedium ble brukt til å forbedre synligheten i røntgenbasert bildebehandling. Ulike kateteriseringsteknikker ble brukt for å evaluere 3D-trykte fantomer i legers trening samt for preintervensjonell terapiplanlegging.
Trykte modeller viste høy utskriftsoppløsning (~ 30 μm) og mekaniske egenskaper til det valgte materialet var sammenlignbare med fysiologisk biomekanikk. Fysiske og digitale modeller viste høy anatomisk nøyaktighet sammenlignet med det underliggende radiologiske datasettet. Trykte modeller var egnet for ultralydavbildning så vel som standard røntgenstråler. Doppler ultrasonografi og 4D-MR viste strømningsmønstre og landemerkeegenskaper (dvs. turbulens, veggskjærstress) som samsvarer med innfødte data. I et kateterbasert laboratoriemiljø var pasientspesifikke fantomer enkle å katetrere. Terapiplanlegging og opplæring av intervensjonsprosedyrer på utfordrende anatomier (f.eks. medfødt hjertesykdom (CHD)) var mulig.
Fleksible pasientspesifikke kardiovaskulære fantomer ble 3D-trykt, og anvendelsen av vanlige kliniske avbildningsteknikker var mulig. Denne nye prosessen er ideell som et treningsverktøy for kateterbaserte (elektrofysiologiske) intervensjoner og kan brukes i pasientspesifikk terapiplanlegging.
Individualiserte terapier får økende betydning i moderne klinisk praksis. I hovedsak kan de klassifiseres i to grupper: genetiske og morfologiske tilnærminger. For individualiserte terapier basert på unikt personlig DNA, er enten genomsekvensering eller kvantifisering av genuttrykksnivåer nødvendig1. Man kan finne disse metodene i onkologi, for eksempel, eller i metabolsk lidelse behandling2. Den unike morfologien (dvs. anatomi) til hvert individ spiller en viktig rolle i intervensjons-, kirurgisk og protesemedisin. Utviklingen av individualiserte proteser og preintervensjonell/-operativ terapiplanlegging representerer sentrale fokuser på forskningsgrupper i dag3,4,5.
3D-printing kommer fra industriell prototypeproduksjon, og er ideell for dette feltet av personlig medisin6. 3D-printing er klassifisert som en additiv tilvirkningsmetode og normalt basert på en lag-for-lag-avsetning av materiale. I dag er et bredt utvalg av 3D-skrivere med forskjellige utskriftsteknikker tilgjengelig, noe som muliggjør behandling av polymere, biologiske eller metalliske materialer. På grunn av økende utskriftshastigheter og kontinuerlig utbredt tilgjengelighet av 3D-skrivere, blir produksjonskostnadene gradvis billigere. Derfor har bruken av 3D-printing for pre-intervensjonell planlegging i daglige rutiner blitt økonomisk mulig7.
Målet med denne studien var å etablere en metode for å generere pasientspesifikke eller sykdomsspesifikke fantomer, som kan brukes til individualisert terapiplanlegging i kardiovaskulær medisin. Disse fantomene skal være kompatible med vanlige avbildningsmetoder, så vel som for forskjellige terapeutiske tilnærminger. Et annet mål var bruk av individualiserte anatomier som treningsmodeller for leger.
Den presenterte arbeidsflyten gjør det mulig å etablere individualiserte modeller og dermed utføre preintervensjonell terapiplanlegging, samt legeopplæring på individualiserte anatomier. For å oppnå dette kan pasientspesifikke tomografiske data brukes til segmentering og 3D-utskrift av fleksible kardiovaskulære fantomer. Ved implementering av disse 3D-trykte modellene i en mock sirkulasjon, kan ulike kliniske situasjoner realistisk simuleres.
I dag fokuserer mange terapiplanleggingspro…
The authors have nothing to disclose.
Denne publikasjonen ble støttet av German Heart Foundation/German Foundation of Heart Research.
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 |