Développement et évaluation de fantômes cardiovasculaires imprimés en 3D pour la planification interventionnelle et la formation
Summary
Nous présentons ici le développement d’une configuration de circulation simulée pour l’évaluation de la thérapie multimodale, la planification pré-interventionnelle et la formation des médecins sur les anatomies cardiovasculaires. Avec l’application de tomodensitogrammes spécifiques au patient, cette configuration est idéale pour les approches thérapeutiques, la formation et l’éducation en médecine individualisée.
Abstract
Les interventions par cathéter sont des options de traitement standard pour les pathologies cardiovasculaires. Par conséquent, des modèles spécifiques aux patients pourraient aider à former les compétences de câblage des médecins ainsi qu’à améliorer la planification des procédures interventionnelles. L’objectif de cette étude était de développer un procédé de fabrication de modèles imprimés en 3D spécifiques au patient pour des interventions cardiovasculaires.
Pour créer un fantôme élastique imprimé en 3D, différents matériaux d’impression 3D ont été comparés aux tissus biologiques porcins (c’est-à-dire le tissu aortique) en termes de caractéristiques mécaniques. Un matériau de raccord a été sélectionné sur la base d’essais comparatifs de traction et des épaisseurs de matériau spécifiques ont été définies. Des ensembles de données CT anonymisées à contraste amélioré ont été recueillis rétrospectivement. Des modèles volumétriques spécifiques au patient ont été extraits de ces ensembles de données et imprimés en 3D. Une boucle d’écoulement pulsatile a été construite pour simuler le flux sanguin intraluminal pendant les interventions. L’adéquation des modèles à l’imagerie clinique a été évaluée par imagerie par rayons X, tomodensitométrie, IRM 4D et échographie (Doppler). Un produit de contraste a été utilisé pour améliorer la visibilité dans l’imagerie par rayons X. Différentes techniques de cathétérisme ont été appliquées pour évaluer les fantômes imprimés en 3D dans la formation des médecins ainsi que pour la planification du traitement pré-interventionnel.
Les modèles imprimés ont montré une résolution d’impression élevée (~ 30 μm) et les propriétés mécaniques du matériau choisi étaient comparables à la biomécanique physiologique. Les modèles physiques et numériques ont montré une grande précision anatomique par rapport à l’ensemble de données radiologiques sous-jacent. Les modèles imprimés convenaient à l’imagerie par ultrasons ainsi qu’aux rayons X standard. L’échographie Doppler et l’IRM 4D ont montré des schémas d’écoulement et des caractéristiques marquantes (c.-à-d. turbulence, contrainte de cisaillement des parois) correspondant aux données natives. Dans un laboratoire basé sur un cathéter, les fantômes spécifiques au patient étaient faciles à cathétériser. La planification thérapeutique et la formation des procédures interventionnelles sur les anatomies difficiles (p. ex., cardiopathie congénitale) étaient possibles.
Des fantômes cardiovasculaires flexibles spécifiques au patient ont été imprimés en 3D et l’application de techniques d’imagerie clinique courantes a été possible. Ce nouveau procédé est idéal comme outil de formation pour les interventions par cathéter (électrophysiologique) et peut être utilisé dans la planification d’un traitement spécifique au patient.
Introduction
Les thérapies individualisées prennent de plus en plus d’importance dans la pratique clinique moderne. Essentiellement, ils peuvent être classés en deux groupes: les approches génétiques et morphologiques. Pour les thérapies individualisées basées sur un ADN personnel unique, le séquençage du génome ou la quantification des niveaux d’expression génique est nécessaire1. On peut trouver ces méthodes en oncologie, par exemple, ou dans le traitement des troubles métaboliques2. La morphologie unique (c.-à-d. l’anatomie) de chaque individu joue un rôle important dans la médecine interventionnelle, chirurgicale et prothétique. Le développement de prothèses individualisées et la planification de thérapies pré-interventionnelles / opératoires représentent les axes centraux des groupes de recherche aujourd’hui3,4,5.
Issoin de la production de prototypes industriels, l’impression 3D est idéale pour ce domaine de la médecine personnalisée6. L’impression 3D est classée comme une méthode de fabrication additive et normalement basée sur un dépôt de matériau couche par couche. De nos jours, une grande variété d’imprimantes 3D avec différentes techniques d’impression est disponible, permettant le traitement de matériaux polymères, biologiques ou métalliques. En raison de l’augmentation des vitesses d’impression ainsi que de la disponibilité généralisée continue des imprimantes 3D, les coûts de fabrication deviennent progressivement moins chers. Par conséquent, l’utilisation de l’impression 3D pour la planification pré-interventionnelle dans les routines quotidiennes est devenue économiquement réalisable7.
L’objectif de cette étude était d’établir une méthode pour générer des fantômes spécifiques au patient ou à la maladie, utilisable dans la planification thérapeutique individualisée en médecine cardiovasculaire. Ces fantômes doivent être compatibles avec les méthodes d’imagerie courantes, ainsi qu’avec différentes approches thérapeutiques. Un autre objectif était l’utilisation des anatomies individualisées comme modèles de formation pour les médecins.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le flux de travail présenté permet d’établir des modèles individualisés et d’effectuer ainsi une planification thérapeutique pré-interventionnelle, ainsi qu’une formation des médecins sur des anatomies individualisées. Pour ce faire, les données tomographiques spécifiques au patient peuvent être utilisées pour la segmentation et l’impression 3D de fantômes cardiovasculaires flexibles. En mettant en œuvre ces modèles imprimés en 3D dans une circulation simulée, différentes situations cliniques p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette publication a été soutenue par la Fondation allemande du cœur / Fondation allemande de la recherche cardiaque.
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
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