Entwicklung und Evaluierung von 3D-gedruckten kardiovaskulären Phantomen für die interventionelle Planung und Das Training
Summary
Hier präsentieren wir die Entwicklung eines Mock-Circulation-Setups für die multimodale Therapiebewertung, die präinterventionelle Planung und die ärztliche Ausbildung zu kardiovaskulären Anatomien. Mit der Anwendung von patientenspezifischen tomographischen Scans ist dieses Setup ideal für therapeutische Ansätze, Schulungen und Schulungen in der individualisierten Medizin.
Abstract
Katheterbasierte Interventionen sind Standardbehandlungsmöglichkeiten für kardiovaskuläre Pathologien. Daher könnten patientenspezifische Modelle dazu beitragen, die Drahtfähigkeiten von Ärzten zu trainieren und die Planung interventioneller Verfahren zu verbessern. Ziel dieser Studie war es, einen Herstellungsprozess von patientenspezifischen 3D-gedruckten Modellen für kardiovaskuläre Interventionen zu entwickeln.
Um ein 3D-gedrucktes elastisches Phantom zu erzeugen, wurden verschiedene 3D-Druckmaterialien hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften mit porcinen biologischen Geweben (d.h. Aortengewebe) verglichen. Basierend auf vergleichenden Zugversuchen wurde ein fitting Material ausgewählt und spezifische Materialdicken definiert. Anonymisierte kontrastverstärkte CT-Datensätze wurden retrospektiv erhoben. Aus diesen Datensätzen wurden patientenspezifische volumetrische Modelle extrahiert und anschließend 3D-gedruckt. Eine pulsatile Strömungsschleife wurde konstruiert, um den intraluminalen Blutfluss während der Eingriffe zu simulieren. Die Eignung der Modelle für die klinische Bildgebung wurde durch Röntgenbildgebung, CT, 4D-MRT und (Doppler-) Ultraschall beurteilt. Kontrastmittel wurde verwendet, um die Sichtbarkeit in der röntgenbasierten Bildgebung zu verbessern. Verschiedene Katheterisierungstechniken wurden angewendet, um die 3D-gedruckten Phantome in der Ärzteausbildung sowie für die präinterventionelle Therapieplanung zu bewerten.
Gedruckte Modelle zeigten eine hohe Druckauflösung (~30 μm) und die mechanischen Eigenschaften des gewählten Materials waren vergleichbar mit der physiologischen Biomechanik. Physikalische und digitale Modelle zeigten eine hohe anatomische Genauigkeit im Vergleich zum zugrunde liegenden radiologischen Datensatz. Gedruckte Modelle waren sowohl für die Ultraschallbildgebung als auch für Standardröntgenaufnahmen geeignet. Doppler-Ultraschall und 4D-MRT zeigten Strömungsmuster und Landmarken (z. B. Turbulenzen, Wandscherspannung), die mit nativen Daten übereinstimmten. In einem katheterbasierten Labor waren patientenspezifische Phantome leicht zu katheterisieren. Therapieplanung und Training interventioneller Verfahren zu herausfordernden Anatomien (z.B. angeborene Herzkrankheit (KHK)) war möglich.
Flexible patientenspezifische kardiovaskuläre Phantome wurden 3D-gedruckt und die Anwendung gängiger klinischer Bildgebungsverfahren war möglich. Dieses neue Verfahren eignet sich ideal als Trainingsinstrument für katheterbasierte (elektrophysiologische) Eingriffe und kann in der patientenspezifischen Therapieplanung eingesetzt werden.
Introduction
Individualisierte Therapien gewinnen in der modernen klinischen Praxis zunehmend an Bedeutung. Im Wesentlichen lassen sie sich in zwei Gruppen einteilen: genetische und morphologische Ansätze. Für individualisierte Therapien, die auf einzigartiger persönlicher DNA basieren, ist entweder eine Genomsequenzierung oder die Quantifizierung der Genexpressionsniveaus erforderlich1. Man kann diese Methoden zum Beispiel in der Onkologie oder in der Behandlung von Stoffwechselstörungen finden2. Die einzigartige Morphologie (d.h. Anatomie) jedes Individuums spielt eine wichtige Rolle in der interventionellen, chirurgischen und prothetischen Medizin. Die Entwicklung individualisierter Prothesen und die präinterventionelle/operative Therapieplanung stellen heute zentrale Schwerpunkte der Forschungsgruppen dar3,4,5.
Aus der industriellen Prototypenproduktion stammend, ist der 3D-Druck ideal für diesen Bereich der personalisierten Medizin6. Der 3D-Druck wird als additives Fertigungsverfahren klassifiziert und basiert normalerweise auf einer Schicht-für-Schicht-Abscheidung von Material. Heutzutage steht eine vielzahl von 3D-Druckern mit unterschiedlichen Drucktechniken zur Verfügung, die die Verarbeitung von polymeren, biologischen oder metallischen Materialien ermöglichen. Durch steigende Druckgeschwindigkeiten sowie die kontinuierlich weit verbreitete Verfügbarkeit von 3D-Druckern werden die Herstellungskosten immer günstiger. Daher ist der Einsatz des 3D-Drucks zur vorinterventionellen Planung im Tagesablauf wirtschaftlich machbar geworden7.
Ziel dieser Studie war es, eine Methode zur Erzeugung patientenspezifischer oder krankheitsspezifischer Phantome zu etablieren, die in der individualisierten Therapieplanung in der kardiovaskulären Medizin eingesetzt werden können. Diese Phantome sollten mit gängigen bildgebenden Verfahren sowie für verschiedene Therapieansätze kompatibel sein. Ein weiteres Ziel war die Nutzung der individualisierten Anatomien als Ausbildungsmodelle für Ärzte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der vorgestellte Workflow ermöglicht es, individualisierte Modelle zu etablieren und dadurch eine vorinterventionelle Therapieplanung sowie ärztliche Schulungen zu individualisierten Anatomien durchzuführen. Um dies zu erreichen, können patientenspezifische tomographische Daten für die Segmentierung und den 3D-Druck flexibler kardiovaskulärer Phantome verwendet werden. Durch die Implementierung dieser 3D-gedruckten Modelle in einer simulierten Zirkulation können verschiedene klinische Situationen realistisch simul…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Publikation wurde gefördert durch die Deutsche Herzstiftung/Deutsche Stiftung Herzforschung.
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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