Utveckling och utvärdering av 3D-printade kardiovaskulära fantomer för interventionell planering och utbildning
Summary
Här presenterar vi utveckling av en mock cirkulation setup för multimodal terapi utvärdering, pre-interventional planering och läkare-utbildning på kardiovaskulära anatomier. Med tillämpning av patientspecifika tomografiska skanningar är denna inställning idealisk för terapeutiska metoder, utbildning och utbildning i individualiserad medicin.
Abstract
Kateterbaserade interventioner är standardbehandlingsalternativ för kardiovaskulära patologier. Därför kan patientspecifika modeller hjälpa till att utbilda läkares trådfärdigheter samt förbättra planeringen av interventionella förfaranden. Syftet med denna studie var att utveckla en tillverkningsprocess av patientspecifika 3D-printade modeller för kardiovaskulära interventioner.
För att skapa en 3D-printad elastisk fantom jämfördes olika 3D-tryckmaterial med svinbiologiska vävnader (dvs. aortavävnad) när det gäller mekaniska egenskaper. Ett monteringsmaterial valdes ut baserat på jämförande dragprov och specifika materialtjocklekar definierades. Anonymiserade kontrastförbättrade CT-datamängder samlades in retroaktivt. Patientspecifika volymetriska modeller extraherades från dessa datamängder och därefter 3D-printade. En pulsatile flöde loop konstruerades för att simulera intraluminal blodflödet under interventioner. Modellernas lämplighet för klinisk avbildning bedömdes genom röntgenbilder, CT, 4D-MRI och (Doppler) ultrasonography. Kontrastmediet användes för att förbättra sikten vid röntgenbaserad avbildning. Olika kateterisering tekniker tillämpades för att utvärdera 3D-printade fantomer i läkare utbildning samt för pre-interventional terapi planering.
Tryckta modeller visade en hög utskriftsupplösning (~ 30 μm) och mekaniska egenskaper hos det valda materialet var jämförbara med fysiologisk biomekanik. Fysiska och digitala modeller visade hög anatomisk noggrannhet jämfört med den underliggande radiologiska datauppsättningen. Tryckta modeller var lämpliga för ultraljud imaging samt standard röntgenstrålar. Doppler ultrasonography och 4D-MRI visade flöde mönster och landmärke egenskaper (dvs turbulens, väggsjuvning stress) matchande inhemska data. I en kateterbaserad laboratoriemiljö var patientspecifika fantomer lätta att kateterisera. Terapi planering och utbildning av interventionella förfaranden på utmanande anatomier (t.ex. medfödda hjärtsjukdomar (CHD)) var möjligt.
Flexibla patient-specifika kardiovaskulära fantomer var 3D-printade, och tillämpningen av gemensamma kliniska imaging tekniker var möjligt. Denna nya process är idealisk som ett träningsverktyg för kateterbaserade (elektrofysiologiska) interventioner och kan användas i patientspecifik terapiplanering.
Introduction
Individualiserade terapier får allt större betydelse i modern klinisk praxis. I huvudsak kan de klassificeras i två grupper: genetiska och morfologiska metoder. För individualiserade terapier baserade på unikt personligt DNA är antingen genomsekvensering eller kvantifiering av genuttrycksnivåer nödvändig1. Man kan hitta dessa metoder i onkologi, till exempel, eller vid behandling av metabolisk störning2. Varje individs unika morfologi (dvs. anatomi) spelar en viktig roll i interventionell, kirurgisk och protesmedicin. Utvecklingen av individualiserade proteser och pre-interventional/-operative terapi planering representerar centrala fokus för forskargrupper idag3,4,5.
3D-printing kommer från industriell prototypproduktion och är idealisk för detta område av personlig medicin6. 3D-printing klassificeras som en additiv tillverkningsmetod och baseras normalt på en skikt-för-lager-deposition av material. Numera finns ett brett utbud av 3D-skrivare med olika trycktekniker, vilket möjliggör bearbetning av polymera, biologiska eller metalliska material. På grund av ökade utskriftshastigheter och den kontinuerliga utbredda tillgången på 3D-skrivare blir tillverkningskostnaderna gradvis billigare. Därför har användningen av 3D-utskrift för preinterventionell planering i dagliga rutiner blivit ekonomiskt genomförbar7.
Syftet med denna studie var att fastställa en metod för att generera patientspecifika eller sjukdomsspecifika fantomer, som kan användas i individualiserad terapiplanering inom kardiovaskulär medicin. Dessa fantomer bör vara kompatibla med vanliga avbildningsmetoder, liksom för olika terapeutiska metoder. Ett mer ytterligare mål var bruket av individualized anatomies som utbildning modellerar för läkare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det presenterade arbetsflödet gör det möjligt att etablera individualiserade modeller och därmed utföra pre-interventional terapi planering, liksom läkarutbildning på individualiserade anatomier. För att uppnå detta kan patientspecifika tomografiska data användas för segmentering och 3D-utskrift av flexibla kardiovaskulära fantomer. Genom implementering av dessa 3D-printade modeller i en falsk cirkulation kan olika kliniska situationer simuleras realistiskt.
Numera fokuserar många…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna publikation stöddes 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
- 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).
