Udvikling og evaluering af 3D-printede hjerte-kar-fantomer til interventionel planlægning og træning
Summary
Her præsenterer vi udviklingen af en mock circulation setup for multimodal terapi evaluering, præ-interventional planlægning, og læge-uddannelse på hjerte-kar-anatomier. Med anvendelsen af patientspecifikke tomografiske scanninger er denne opsætning ideel til terapeutiske tilgange, træning og uddannelse i individualiseret medicin.
Abstract
Kateterbaserede interventioner er standardbehandlingsmuligheder for kardiovaskulære patologier. Derfor kan patientspecifikke modeller hjælpe med at uddanne lægers wire-færdigheder samt forbedre planlægningen af interventionelle procedurer. Formålet med denne undersøgelse var at udvikle en fremstillingsproces af patientspecifikke 3D-printede modeller til hjerte-kar-interventioner.
For at skabe et 3D-printet elastisk fantom blev forskellige 3D-printmaterialer sammenlignet med svinebiologisk væv (dvs. aortavæv) med hensyn til mekaniske egenskaber. Et monteringsmateriale blev udvalgt på grundlag af sammenlignende trækprøver, og der blev defineret specifikke materialetykkelser. Anonymiserede kontrastforbedrede CT-datasæt blev indsamlet med tilbagevirkende kraft. Patientspecifikke volumetriske modeller blev udvundet fra disse datasæt og efterfølgende 3D-printet. En pulsatile flow loop blev konstrueret til at simulere den intraluminale blodgennemstrømning under interventioner. Modellernes egnethed til klinisk billeddannelse blev vurderet ved røntgenbilleddannelse, CT, 4D-MR og (Doppler) ultrasonografi. Kontrastmediet blev brugt til at øge synligheden i røntgenbaseret billeddannelse. Forskellige kateteriseringsteknikker blev anvendt til at evaluere de 3D-printede fantomer i lægernes træning samt til præinterventionel terapiplanlægning.
Trykte modeller viste en høj trykopløsning (~ 30 μm) og mekaniske egenskaber af det valgte materiale kunne sammenlignes med fysiologisk biomekanik. Fysiske og digitale modeller viste høj anatomisk nøjagtighed sammenlignet med det underliggende radiologiske datasæt. Trykte modeller var velegnede til ultralydsbilleddannelse samt standard røntgenstråler. Doppler ultrasonografi og 4D-MR-scanning viste flow mønstre og skelsættende egenskaber (dvs turbulens, væg forskydning stress) matcher indfødte data. I et kateterbaseret laboratorieindstilling var patientspecifikke fantomer nemme at kateterisere. Terapiplanlægning og træning af interventionelle procedurer på udfordrende anatomier (f.eks. medfødt hjertesygdom (CHD)) var mulig.
Fleksible patientspecifikke hjerte-kar-fantomer blev 3D-printet, og anvendelsen af fælles kliniske billeddannelsesteknikker var mulig. Denne nye proces er ideel som et træningsredskab til kateterbaserede (elektrofysiologiske) interventioner og kan bruges i patientspecifik terapiplanlægning.
Introduction
Individualiserede behandlinger får stigende betydning i moderne klinisk praksis. I det væsentlige kan de klassificeres i to grupper: genetiske og morfologiske tilgange. For individualiserede behandlinger baseret på unikke personlige DNA, enten genom sekventering eller kvantificering af genekspression niveauer er nødvendig1. Man kan finde disse metoder i onkologi, for eksempel, eller i metabolisk lidelse behandling2. Den unikke morfologi (dvs. anatomi) af hver enkelt spiller en vigtig rolle i interventionel, kirurgisk og protese medicin. Udviklingen af individualiserede proteser og præ-interventionel/operativ terapiplanlægning repræsenterer centrale fokuspunkter for forskningsgrupper i dag3,4,5.
Kommer fra industriel prototype produktion, 3D-print er ideel til dette område af personlig medicin6. 3D-print er klassificeret som en additiv fremstillingsmetode og normalt baseret på en lag-for-lag aflejring af materiale. I dag er en bred vifte af 3D-printere med forskellige udskrivningsteknikker tilgængelige, hvilket muliggør behandling af polymere, biologiske eller metalliske materialer. På grund af stigende udskrivningshastigheder samt den fortsatte udbredte tilgængelighed af 3D-printere bliver produktionsomkostningerne gradvist billigere. Derfor er brugen af 3D-print til præ-interventionel planlægning i daglige rutiner blevet økonomisk mulig7.
Formålet med denne undersøgelse var at etablere en metode til generering af patientspecifikke eller sygdomsspecifikke fantomer, der kan anvendes i individualiseret terapiplanlægning i hjerte-kar-medicin. Disse fantomer bør være kompatible med almindelige billeddannelsesmetoder samt til forskellige terapeutiske tilgange. Et andet mål var brugen af de individualiserede anatomier som træningsmodeller for læger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den præsenterede arbejdsgang gør det muligt at etablere individualiserede modeller og dermed udføre præ-interventionel terapiplanlægning samt lægeuddannelse i individualiserede anatomier. For at opnå dette kan patientspecifikke tomografiske data bruges til segmentering og 3D-print af fleksible hjerte-kar-fantomer. Ved implementering af disse 3D-printede modeller i en mock omsætning, kan forskellige kliniske situationer realistisk simuleres.
I dag fokuserer mange terapiplanlægningsproc…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne publikation blev støttet af Den Tyske Hjertefond/Den Tyske Hjerteforskningsfond.
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).
