Desarrollo y evaluación de fantasmas cardiovasculares impresos en 3D para la planificación y el entrenamiento intervencionista
Summary
Aquí presentamos el desarrollo de una configuración de circulación simulada para la evaluación de la terapia multimodal, la planificación preintertencial y la capacitación médica en anatomías cardiovasculares. Con la aplicación de exploraciones tomográficas específicas del paciente, esta configuración es ideal para enfoques terapéuticos, capacitación y educación en medicina individualizada.
Abstract
Las intervenciones basadas en catéteres son opciones de tratamiento estándar para las patologías cardiovasculares. Por lo tanto, los modelos específicos del paciente podrían ayudar a capacitar las habilidades de los médicos, así como a mejorar la planificación de los procedimientos de intervención. El objetivo de este estudio fue desarrollar un proceso de fabricación de modelos impresos en 3D específicos del paciente para intervenciones cardiovasculares.
Para crear un fantasma elástico impreso en 3D, se compararon diferentes materiales de impresión 3D con tejidos biológicos porcinos (es decir, tejido aórtico) en términos de características mecánicas. Se seleccionó un material de ajuste basado en pruebas comparativas de tracción y se definieron espesores de material específicos. Los conjuntos de datos de CT con contraste anonimizado se recopilaron retrospectivamente. Se extrajeron modelos volumétricos específicos del paciente de estos conjuntos de datos y posteriormente se imprimieron en 3D. Se construyó un bucle de flujo pulsátil para simular el flujo sanguíneo intraluminal durante las intervenciones. La idoneidad de los modelos para la obtención de imágenes clínicas se evaluó mediante imágenes de rayos X, TC, 4D-MRI y ecografía (Doppler). Se utilizó un medio de contraste para mejorar la visibilidad en las imágenes basadas en rayos X. Se aplicaron diferentes técnicas de cateterismo para evaluar los fantasmas impresos en 3D en la formación de los médicos, así como para la planificación de la terapia preintervencial.
Los modelos impresos mostraron una alta resolución de impresión (~ 30 μm) y las propiedades mecánicas del material elegido fueron comparables a la biomecánica fisiológica. Los modelos físicos y digitales mostraron una alta precisión anatómica en comparación con el conjunto de datos radiológicos subyacentes. Los modelos impresos eran adecuados para imágenes ultrasónicas, así como para radiografías estándar. La ecografía Doppler y la resonancia magnética 4D mostraron patrones de flujo y características históricas (es decir, turbulencia, tensión de cizallamiento de pared) que coinciden con los datos nativos. En un entorno de laboratorio basado en catéter, los fantasmas específicos del paciente fueron fáciles de cateterizar. La planificación de la terapia y el entrenamiento de los procedimientos de intervención en anatomías desafiantes (por ejemplo, enfermedad cardíaca congénita [CHD]) fueron posibles.
Se imprimieron en 3D fantasmas cardiovasculares flexibles específicos del paciente, y fue posible la aplicación de técnicas comunes de imágenes clínicas. Este nuevo proceso es ideal como herramienta de capacitación para intervenciones basadas en catéteres (electrofisiológicos) y se puede utilizar en la planificación de terapias específicas del paciente.
Introduction
Las terapias individualizadas están ganando cada vez más importancia en la práctica clínica moderna. Esencialmente, se pueden clasificar en dos grupos: enfoques genéticos y morfológicos. Para las terapias individualizadas basadas en ADN personal único, es necesaria la secuenciación del genoma o la cuantificación de los niveles de expresióngénica 1. Se pueden encontrar estos métodos en oncología, por ejemplo, o en el tratamiento de trastornos metabólicos2. La morfología única (es decir, la anatomía) de cada individuo juega un papel importante en la medicina intervencionista, quirúrgica y protésica. El desarrollo de prótesis individualizadas y la planificación de la terapia pre-intervencionista/operatoria representan focos centrales de los grupos de investigación de hoy3,4,5.
Procedente de la producción de prototipos industriales, la impresión 3D es ideal para este campo de la medicina personalizada6. La impresión 3D se clasifica como un método de fabricación aditiva y normalmente se basa en una deposición de material capa por capa. Hoy en día, una amplia variedad de impresoras 3D con diferentes técnicas de impresión está disponible, lo que permite el procesamiento de materiales poliméricos, biológicos o metálicos. Debido al aumento de las velocidades de impresión, así como a la continua disponibilidad generalizada de impresoras 3D, los costos de fabricación son cada vez menos costosos. Por lo tanto, el uso de la impresión 3D para la planificación pre-intervencionista en las rutinas diarias se ha vuelto económicamente factible7.
El objetivo de este estudio fue establecer un método para generar fantasmas específicos del paciente o de la enfermedad, utilizables en la planificación de terapias individualizadas en medicina cardiovascular. Estos fantasmas deben ser compatibles con métodos de imagen comunes, así como para diferentes enfoques terapéuticos. Otro objetivo fue el uso de las anatomías individualizadas como modelos de entrenamiento para los médicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
El flujo de trabajo presentado permite establecer modelos individualizados y, por lo tanto, realizar la planificación de la terapia preintertencial, así como la capacitación del médico en anatomías individualizadas. Para lograr esto, los datos tomográficos específicos del paciente se pueden utilizar para la segmentación y la impresión 3D de fantasmas cardiovasculares flexibles. Mediante la implementación de estos modelos impresos en 3D en una circulación simulada, se pueden simular de manera realista diferente…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta publicación fue apoyada por la Fundación Alemana del Corazón / Fundación Alemana de Investigación del Corazón.
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).
