Girişimsel Planlama ve Eğitim için 3D Baskılı Kardiyovasküler Fantomların Geliştirilmesi ve Değerlendirilmesi
Summary
Burada multimodal tedavi değerlendirmesi, girişim öncesi planlama ve kardiyovasküler anatomiler üzerine hekim eğitimi için sahte bir dolaşım kurulumunun geliştirilmesini sunuyoruz. Hastaya özgü tomografik taramaların uygulanmasıyla, bu kurulum bireyselleştirilmiş tıpta terapötik yaklaşımlar, eğitim ve eğitim için idealdir.
Abstract
Kateter bazlı müdahaleler kardiyovasküler patolojiler için standart tedavi seçenekleridir. Bu nedenle, hastaya özgü modeller, doktorların tel becerilerinin eğitilmesine ve girişimsel prosedürlerin planlanmasına yardımcı olabilir. Bu çalışmanın amacı kardiyovasküler müdahaleler için hastaya özgü 3D baskılı modellerin üretim sürecini geliştirmektir.
3D baskılı elastik bir hayalet oluşturmak için, farklı 3D baskı malzemeleri mekanik özellikler açısından porsin biyolojik dokulara (yani aort dokusuna) karşılaştırıldı. Karşılaştırmalı gerilme testlerine göre bir montaj malzemesi seçildi ve belirli malzeme kalınlıkları tanımlandı. Anonimleştirilmiş kontrast gelişmiş CT veri kümeleri geriye dönük olarak toplanmıştır. Bu veri kümelerinden hastaya özgü hacimsel modeller çıkarılmış ve daha sonra 3D baskılanmıştır. Müdahaleler sırasında intralüminal kan akışını simüle etmek için pulsatil bir akış döngüsü inşa edilmiştir. Modellerin klinik görüntülemeye uygunluğu x-ray görüntüleme, BT, 4D-MR ve (Doppler) ultrasonografi ile değerlendirildi. Kontrast ortamı x-ışını tabanlı görüntülemede görünürlüğü artırmak için kullanılmıştır. 3D baskılı fantomların hekim eğitimlerinde değerlendirilmesinin yanı sıra girişim öncesi tedavi planlaması için farklı kateterizasyon teknikleri uygulandı.
Baskılı modeller yüksek baskı çözünürlüğü (~30 μm) gösterdi ve seçilen malzemenin mekanik özellikleri fizyolojik biyomekanik ile karşılaştırılabilirdi. Fiziksel ve dijital modeller, alttaki radyolojik veri kümesine kıyasla yüksek anatomik doğruluk gösterdi. Baskılı modeller ultrasonik görüntülemenin yanı sıra standart x-ışınları için de uygundu. Doppler ultrasonografi ve 4D-MRI, yerel verilerle eşleşen akış desenlerini ve dönüm noktası özelliklerini (türbülans, duvar kesme stresi) görüntüledi. Kateter tabanlı bir laboratuvar ortamında, hastaya özgü hayaletlerin kateterizesi kolaydı. Zorlu anatomiler (örneğin, konjenital kalp hastalığı (CHD)) üzerine girişimsel prosedürlerin terapi planlaması ve eğitimi mümkündü.
Esnek hastaya özgü kardiyovasküler fantomlar 3D baskılıydı ve yaygın klinik görüntüleme tekniklerinin uygulanması mümkündü. Bu yeni süreç kateter bazlı (elektrofizyolojik) müdahaleler için bir eğitim aracı olarak idealdir ve hastaya özel tedavi planlamasında kullanılabilir.
Introduction
Modern klinik uygulamalarda bireyselleştirilmiş tedaviler giderek önem kazanmaktadır. Temel olarak, genetik ve morfolojik yaklaşımlar olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilirler. Benzersiz kişisel DNA’ya dayalı bireyselleştirilmiş tedaviler için genom dizilimi veya gen ekspresyon seviyelerinin nicelleştirilmesi gereklidir1. Bu yöntemleri onkolojide, örneğin metabolik bozukluk tedavisinde bulabilirsiniz2. Her bireyin kendine özgü morfolojisi (yani anatomisi) girişimsel, cerrahi ve protez tıpta önemli bir rol oynar. Bireyselleştirilmiş protezlerin gelişimi ve girişimsel/operatif öncesi tedavi planlaması günümüzde araştırma gruplarının merkezi odaklarını temsil eder3,4,5.
Endüstriyel prototip üretiminden gelen 3D baskı, bu kişiselleştirilmiş tıp alanı için idealdir6. 3D baskı, eklemeli üretim yöntemi olarak sınıflandırılır ve normalde malzemenin katman katman birikmesine dayanır. Günümüzde, polimerik, biyolojik veya metalik malzemelerin işlenmesini sağlayan farklı baskı tekniklerine sahip çok çeşitli 3D yazıcılar mevcuttur. Artan baskı hızlarının yanı sıra 3D yazıcıların sürekli yaygın kullanılabilirliği nedeniyle, üretim maliyetleri giderek daha ucuz hale geliyor. Bu nedenle, günlük rutinlerde girişimsel planlama öncesi planlama için 3D baskı kullanımı ekonomik olarak mümkün hale gelmiştir7.
Bu çalışmanın amacı, kardiyovasküler tıpta bireyselleştirilmiş tedavi planlamasında kullanılabilir hastaya özgü veya hastalığa özgü hayaletler üretmek için bir yöntem oluşturmaktı. Bu hayaletler, farklı terapötik yaklaşımların yanı sıra yaygın görüntüleme yöntemleriyle de uyumlu olmalıdır. Diğer bir hedef ise bireyselleştirilmiş anatomilerin hekimler için eğitim modeli olarak kullanılmasıydı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan iş akışı, bireyselleştirilmiş modeller oluşturulmasına ve böylece girişimsel tedavi öncesi planlamanın yanı sıra bireyselleştirilmiş anatomiler üzerinde hekim eğitimi yapılmasına olanak tanır. Bunu başarmak için, esnek kardiyovasküler hayaletlerin segmentasyonu ve 3D baskısı için hastaya özgü tomografik veriler kullanılabilir. Bu 3D baskılı modellerin sahte bir dolaşımda uygulanmasıyla, farklı klinik durumlar gerçekçi bir şekilde simüle edilebilir.
<p class="jove_conten…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu yayın Alman Kalp Vakfı/Alman Kalp Araştırmaları Vakfı tarafından desteklendi.
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).
