Summary

Utvikling og evaluering av 3D-trykte kardiovaskulære fantomer for intervensjonsplanlegging og opplæring

Published: January 18, 2021
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

Etisk godkjenning ble vurdert av den etiske komiteen til Ludwig-Maximilians-Universität München og ble frafalt gitt at de radiologiske datasettene som ble brukt i denne studien, i ettertid ble samlet inn og fullstendig anonymisert. Se instituttets retningslinjer for MR-sikkerhet, spesielt når det gjelder de brukte LVAD-ventrikelen og metallkomponentene i strømningssløyfen. 1. Datainnsamling Før du lager de anatomiske fantomene, velg et passende radio…

Representative Results

De beskrevne representative resultatene fokuserer på noen få kardiovaskulære strukturer som vanligvis brukes i planleggings-, opplærings- eller testinnstillinger. Disse ble opprettet ved hjelp av isotrope CT-datasett med en ST på 1,0 mm og en voxelstørrelse på 1,0 mm³. Aortaaneurismemodellens veggtykkelse ble satt til 2,5 mm i samsvar med komparative strekktestresultater av utskriftsmaterialet (strekkfasthet: 0,62 ± 0,01 N/mm2; Fmaks:1. 55 ± 0,02 N; forleng…

Discussion

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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne publikasjonen ble støttet av German Heart Foundation/German Foundation of Heart Research.

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

  1. Goetz, L. H., Schork, N. J. Personalized medicine: motivation, challenges, and progress. Fertility and Sterility. 109 (6), 952-963 (2018).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Haglin, J. M., et al. Patient-specific orthopaedic implants. Orthopaedic surgery. 8 (4), 417-424 (2016).
  6. Liaw, C. Y., Guvendiren, M. Current and emerging applications of 3D printing in medicine. Biofabrication. 9 (2), 024102 (2017).
  7. Pugliese, L., et al. The clinical use of 3D printing in surgery. Updates in Surgery. 70 (3), 381-388 (2018).
  8. Kamalian, S., Lev, M. H., Gupta, R., Masdeu, J. C., Gonzalez, R. G. . Handbook of Clinical Neurology. , 3-20 (2016).
  9. Bücking, T. M., et al. From medical imaging data to 3D printed anatomical models. PLoS One. 12 (5), 0178540 (2017).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Rafiee, M., Farahani, R. D., Therriault, D. Multi-material 3D and 4D printing: A survey. Advanced Science. 7 (12), 1902307 (2020).
  16. 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).
  17. D’Souza, W. D., et al. Tissue mimicking materials for a multi-imaging modality prostate phantom. Medical Physics. 28 (4), 688-700 (2001).
  18. 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).
  19. Rotman, O. M., et al. Realistic vascular replicator for TAVR procedures. Cardiovascular Engineering and Technology. 9 (3), 339-350 (2018).
  20. 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).
  21. Fedorov, A., et al. 3D slicer as an image computing platform for the quantitative imaging network. Magnetic resonance imaging. 30 (9), 1323-1341 (2012).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Scott, A. D., Keegan, J., Firmin, D. N. Motion in cardiovascular MR imaging. Radiology. 250 (2), 331-351 (2009).
check_url/62063?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Grab, M., Hopfner, C., Gesenhues, A., König, F., Haas, N. A., Hagl, C., Curta, A., Thierfelder, N. Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training. J. Vis. Exp. (167), e62063, doi:10.3791/62063 (2021).

View Video