تطوير وتقييم الأشباح القلبية الوعائية المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط والتدريب التدخلي
Summary
هنا نقدم تطوير إعداد الدورة الدموية وهمية لتقييم العلاج متعدد الوسائط، والتخطيط قبل التدخل، وتدريب الأطباء على تشريح القلب والأوعية الدموية. مع تطبيق المسح المقطعي للمريض محددة، وهذا الإعداد مثالية للنهج العلاجية، والتدريب، والتعليم في الطب الفردي.
Abstract
التدخلات القائمة على القسطرة هي خيارات العلاج القياسية لأمراض القلب والأوعية الدموية. ولذلك، يمكن أن تساعد النماذج الخاصة بالمرضى في تدريب المهارات السلكية للأطباء وكذلك تحسين تخطيط الإجراءات التدخلية. كان الهدف من هذه الدراسة هو تطوير عملية تصنيع نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد خاصة بالمرضى للتدخلات القلبية الوعائية.
لإنشاء شبح مرن مطبوع ثلاثي الأبعاد ، تمت مقارنة مواد طباعة ثلاثية الأبعاد مختلفة بالأنسجة البيولوجية البورسينية (أي الأنسجة الأبهرية) من حيث الخصائص الميكانيكية. وقد اختيرت مادة مناسبة استنادا إلى اختبارات الشد المقارنة وحددت سماكة مواد محددة. تم جمع مجموعات بيانات CT المعززة بالتباين مجهولة المصدر بأثر رجعي. تم استخراج نماذج الحجم الخاصة بالمرضى من مجموعات البيانات هذه ثم طباعتها ثلاثية الأبعاد. تم بناء حلقة تدفق نابض لمحاكاة تدفق الدم داخل الألومنيوم أثناء التدخلات. تم تقييم مدى ملاءمة النماذج للتصوير السريري من خلال التصوير بالأشعة السينية والتصوير المقطعي والتصوير بالرنين المغناطيسي 4D والتصوير فوقسونوغرافيا (دوبلر). واستخدمت وسيلة التباين لتعزيز الرؤية في التصوير بالأشعة السينية. تم تطبيق تقنيات القسطرة المختلفة لتقييم الأشباح المطبوعة ثلاثية الأبعاد في تدريب الأطباء وكذلك لتخطيط العلاج قبل التدخل.
وأظهرت النماذج المطبوعة دقة طباعة عالية (~ 30 ميكرومتر) وكانت الخصائص الميكانيكية للمواد المختارة مماثلة للميكانيكا الحيوية الفسيولوجية. وأظهرت النماذج المادية والرقمية دقة تشريحية عالية بالمقارنة مع مجموعة البيانات الإشعاعية الأساسية. كانت النماذج المطبوعة مناسبة للتصوير بالموجات فوق الصوتية وكذلك الأشعة السينية القياسية. عرض التصوير فوق السونوغرافيا دوبلر والتصوير بالرنين المغناطيسي 4D أنماط التدفق والخصائص البارزة (أي الاضطراب، والإجهاد القص الجدار) مطابقة البيانات الأصلية. في بيئة مختبرية تعتمد على القسطرة، كان من السهل قسطرة الأشباح الخاصة بالمريض. كان من الممكن التخطيط للعلاج وتدريب الإجراءات التدخلية على التشريحات الصعبة (مثل أمراض القلب الخلقية( CHD).
كانت الأشباح القلبية الوعائية المرنة الخاصة بالمريض مطبوعة ثلاثية الأبعاد ، وكان من الممكن تطبيق تقنيات التصوير السريري الشائعة. هذه العملية الجديدة مثالية كأداة تدريبية للتدخلات القائمة على القسطرة (الكهربية) ويمكن استخدامها في تخطيط العلاج الخاص بالمرضى.
Introduction
تكتسب العلاجات الفردية أهمية متزايدة في الممارسة السريرية الحديثة. أساسا، يمكن تصنيفها في مجموعتين: النهج الوراثية والمورفولوجية. بالنسبة للعلاجات الفردية المستندة إلى الحمض النووي الشخصي الفريد ، إما تسلسل الجينوم أو التحديد الكمي لمستويات التعبير الجيني ضروري1. يمكن للمرء أن يجد هذه الأساليب في علم الأورام، على سبيل المثال، أو في علاج اضطراب التمثيل الغذائي2. يلعب المورفولوجيا الفريدة (أي التشريح) لكل فرد دورا مهما في الطب التدخلي والجراحي والأطراف الاصطناعية. يمثل تطوير الأطراف الاصطناعية الفردية وتخطيط العلاج قبل التدخل / المنطوق التركيزات المركزية لمجموعات البحث اليوم3و4و5.
تأتي من إنتاج النموذج الصناعي ، والطباعة ثلاثية الأبعاد مثالية لهذا المجال من الطب الشخصي6. تصنف الطباعة ثلاثية الأبعاد كطريقة تصنيع مضافة وعادة ما تستند إلى ترسب طبقة بطبقة من المواد. في الوقت الحاضر، تتوفر مجموعة واسعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد مع تقنيات الطباعة المختلفة، مما يتيح معالجة المواد البوليمرية أو البيولوجية أو المعدنية. نظرا لزيادة سرعات الطباعة فضلا عن التوافر المستمر على نطاق واسع للطابعات ثلاثية الأبعاد ، أصبحت تكاليف التصنيع أقل تكلفة تدريجيا. لذلك ، أصبح استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للتخطيط قبل التدخل في الروتين اليومي ممكنا اقتصاديا7.
كان الهدف من هذه الدراسة هو إنشاء طريقة لتوليد أشباح خاصة بالمرضى أو أمراض محددة ، قابلة للاستخدام في تخطيط العلاج الفردي في طب القلب والأوعية الدموية. يجب أن تكون هذه الأشباح متوافقة مع طرق التصوير الشائعة ، وكذلك مع النهج العلاجية المختلفة. وكان الهدف الثاني هو استخدام التشريحات الفردية كنماذج تدريبية للأطباء.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح سير العمل المقدم بإنشاء نماذج فردية وبالتالي إجراء تخطيط العلاج قبل التدخل ، بالإضافة إلى تدريب الأطباء على التشريح الفردي. ولتحقيق ذلك، يمكن استخدام البيانات الطبوغرافية الخاصة بالمريض للتجزئة والطباعة ثلاثية الأبعاد للأشباح القلبية الوعائية المرنة. من خلال تنفيذ هذه النماذج الم…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا المنشور من قبل مؤسسة القلب الألمانية/ المؤسسة الألمانية لأبحاث القلب.
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
- 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).
