Sviluppo e valutazione di fantasmi cardiovascolari stampati in 3D per la pianificazione e la formazione interventistica
Summary
Qui presentiamo lo sviluppo di una configurazione di circolazione simulata per la valutazione della terapia multimodale, la pianificazione pre-interventistica e la formazione del medico sulle anatomie cardiovascolari. Con l’applicazione di scansioni tomografiche specifiche per il paziente, questa configurazione è ideale per approcci terapeutici, formazione e istruzione nella medicina individualizzata.
Abstract
Gli interventi basati su catetere sono opzioni di trattamento standard per le patologie cardiovascolari. Pertanto, i modelli specifici per il paziente potrebbero aiutare a formare le competenze dei medici e migliorare la pianificazione delle procedure interventistiche. Lo scopo di questo studio era quello di sviluppare un processo di produzione di modelli stampati in 3D specifici per il paziente per interventi cardiovascolari.
Per creare un fantasma elastico stampato in 3D, diversi materiali di stampa 3D sono stati confrontati con i tessuti biologici suini (cioè il tessuto aortico) in termini di caratteristiche meccaniche. È stato selezionato un materiale di raccordo sulla base di prove di trazione comparative e sono stati definiti spessori specifici del materiale. I set di dati CT anonimizzati con contrasto migliorato sono stati raccolti retrospettivamente. I modelli volumetrici specifici del paziente sono stati estratti da questi set di dati e successivamente stampati in 3D. È stato costruito un circuito di flusso pulsatile per simulare il flusso sanguigno intraluminale durante gli interventi. L’idoneità dei modelli per l’imaging clinico è stata valutata mediante imaging a raggi X, TC, risonanza magnetica 4D e (Doppler) ecografia. Il mezzo di contrasto è stato utilizzato per migliorare la visibilità nell’imaging basato su raggi X. Diverse tecniche di cateterizzazione sono state applicate per valutare i fantasmi stampati in 3D nella formazione dei medici e per la pianificazione della terapia pre-interventistica.
I modelli stampati hanno mostrato un’alta risoluzione di stampa (~ 30 μm) e le proprietà meccaniche del materiale scelto erano paragonabili alla biomeccanica fisiologica. I modelli fisici e digitali hanno mostrato un’elevata precisione anatomica rispetto al set di dati radiologico sottostante. I modelli stampati erano adatti per l’imaging ad ultrasuoni e per i raggi X standard. L’ecografia Doppler e la risonanza magnetica 4D hanno mostrato modelli di flusso e caratteristiche di riferimento (ad es. turbolenza, stress da taglio della parete) corrispondenti ai dati nativi. In un ambiente di laboratorio basato su catetere, i fantasmi specifici del paziente erano facili da cateterizzare. La pianificazione della terapia e la formazione di procedure interventistiche su anatomie impegnative (ad esempio, cardiopatia congenita (CHD)) erano possibili.
I fantasmi cardiovascolari flessibili specifici del paziente sono stati stampati in 3D e l’applicazione di tecniche di imaging clinico comuni è stata possibile. Questo nuovo processo è ideale come strumento di formazione per interventi basati su catetere (elettrofisiologici) e può essere utilizzato nella pianificazione della terapia specifica del paziente.
Introduction
Le terapie individualizzate stanno acquisendo sempre più importanza nella moderna pratica clinica. Essenzialmente, possono essere classificati in due gruppi: approcci genetici e morfologici. Per le terapie individualizzate basate su DNA personale unico, è necessario il sequenziamento del genoma o la quantificazione dei livelli di espressionegenica 1. Si possono trovare questi metodi in oncologia, ad esempio, o nel trattamento del disturbo metabolico2. La morfologia unica (cioè l’anatomia) di ogni individuo svolge un ruolo importante nella medicina interventistica, chirurgica e protesica. Lo sviluppo di protesi individualizzate e la pianificazione della terapia pre-interventistica/-operatoria rappresentano focus centrali dei gruppi di ricerca oggi3,4,5.
Proveniente dalla produzione di prototipi industriali, la stampa 3D è ideale per questo campo della medicina personalizzata6. La stampa 3D è classificata come metodo di produzione additiva e normalmente basata su una deposizione strato per strato di materiale. Al giorno d’oggi, è disponibile un’ampia varietà di stampanti 3D con diverse tecniche di stampa, che consentono la lavorazione di materiali polimerici, biologici o metallici. A causa dell’aumento della velocità di stampa e della continua disponibilità diffusa di stampanti 3D, i costi di produzione stanno diventando progressivamente meno costosi. Pertanto, l’uso della stampa 3D per la pianificazione pre-interventistica nelle routine quotidiane è diventato economicamente fattibile7.
Lo scopo di questo studio era quello di stabilire un metodo per generare fantasmi specifici per il paziente o specifici della malattia, utilizzabili nella pianificazione della terapia individualizzata in medicina cardiovascolare. Questi fantasmi dovrebbero essere compatibili con i comuni metodi di imaging, nonché per diversi approcci terapeutici. Un ulteriore obiettivo era l’uso delle anatomie individualizzate come modelli di allenamento per i medici.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il flusso di lavoro presentato consente di stabilire modelli individualizzati e quindi eseguire la pianificazione della terapia pre-interventistica, nonché la formazione del medico su anatomie individualizzate. Per raggiungere questo obiettivo, i dati tomografici specifici del paziente possono essere utilizzati per la segmentazione e la stampa 3D di fantasmi cardiovascolari flessibili. Con l’implementazione di questi modelli stampati in 3D in una finta circolazione, diverse situazioni cliniche possono essere simulate re…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa pubblicazione è stata sostenuta dalla 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 |
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