介入計画と訓練のための3Dプリント心血管ファントムの開発と評価
Summary
ここでは、マルチモーダル療法評価、介入前計画、心血管解剖学に関する医師訓練のための模擬循環セットアップの開発を紹介する。患者固有の断層図スキャンの適用と、このセットアップは、個別化医療における治療アプローチ、トレーニング、および教育に最適です。
Abstract
カテーテルベースの介入は、心血管病変の標準的な治療オプションです。したがって、患者固有のモデルは、医師のワイヤースキルの訓練だけでなく、介入手順の計画を改善するのに役立つ可能性があります。本研究の目的は、心血管介入のための患者固有の3Dプリントモデルの製造プロセスを開発することであった。
3Dプリント弾性ファントムを作成するために、異なる3Dプリンティング材料を、機械的特性の点でブタの生物学的組織(すなわち大動脈組織)と比較した。比較引張試験に基づいて継手材料を選択し、特定の材料厚さを定義した。匿名化されたコントラスト強化CTデータセットを遡及的に収集した。患者固有の容積モデルをこれらのデータセットから抽出し、その後3Dプリントした。脈動流ループは、介入中の内流動をシミュレートするために構築された。臨床画像検査に対するモデルの適合性は、X線画像、CT、4D-MRIおよび(ドップラー)超音波検査によって評価された。X線ベースのイメージングで視認性を高めるために、コントラスト媒体を用いた。医師の訓練や介入前の治療計画において、3Dプリントされたファントムを評価するために、異なるカテーテル法が適用された。
印刷モデルは高い印刷解像度(〜30μm)を示し、選択した材料の機械的特性は生理学的バイオメカニクスに匹敵する。物理モデルとデジタルモデルは、基礎となる放射線データセットと比較して高い解剖学的精度を示した。印刷モデルは、超音波画像化だけでなく、標準的なX線に適していました。ドップラー超音波検査と4D-MRIは、ネイティブデータに一致する流れパターンとランドマーク特性(すなわち、乱流、壁せん断応力)を表示しました。カテーテルベースの検査室では、患者固有のファントムはカテーテル化が容易であった。難解性解剖学(先天性心疾患(CHD)など)に対する介入処置の治療計画と訓練が可能であった。
柔軟な患者固有の心血管ファントムを3Dプリントし、一般的な臨床画像技術の適用が可能であった。この新しいプロセスは、カテーテルベースの(電気生理学的)介入のためのトレーニングツールとして理想的であり、患者固有の治療計画に使用することができます。
Introduction
個別化された治療法は、現代の臨床現場でますます重要性を増しています。本質的には、遺伝的アプローチと形態学的アプローチの2つのグループに分類することができます。独自の個人DNAに基づく個別化療法の場合、ゲノムシーケンシングまたは遺伝子発現レベルの定量化のいずれかが必要である 1.1つは、腫瘍学、例えば、代謝障害治療2においてこれらの方法を見つけることができる。各個体の独自の形態(すなわち解剖学)は、介入、外科、補生医療において重要な役割を果たす。個別化プロテスと介入/手術前療法計画の開発は、今日の研究グループの中心的な焦点を表す3,4,5.
工業用プロトタイプ生産から来て、3Dプリンティングは、パーソナライズされた医学のこの分野に最適です 6.3Dプリントは、添加物製造方法として分類され、通常は材料の層ごとの堆積に基づいています。今日では、さまざまな印刷技術を持つ多種多様な3Dプリンタが利用可能であり、ポリマー、生物学的、または金属材料の処理が可能になっています。3Dプリンタの継続的な普及と同様に、印刷速度の向上により、製造コストは徐々に安価になっています。したがって、日常業務における介入前計画のための3Dプリンティングの使用は、経済的に実現可能な7.
本研究の目的は、患者固有または疾患特異的なファントムを生成する方法を確立することであり、心血管医学における個別療法計画で使用できる。これらのファントムは、一般的なイメージング方法と互換性があり、異なる治療アプローチにも適合する必要があります。さらなる目標は、医師のためのトレーニングモデルとして個別の解剖学を使用することであった。
Protocol
Representative Results
Discussion
提示されたワークフローは、個別化モデルを確立し、それによって、個別の解剖学に関する医師の訓練だけでなく、事前介入療法の計画を実行することができます。これを達成するために、患者固有の断層線データは、柔軟な心血管ファントムのセグメンテーションおよび3Dプリントに使用することができる。模擬循環でこれらの3Dプリントモデルを実装することにより、異なる臨床状況を現…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この出版物は、ドイツ心臓財団/ドイツ心臓研究財団によって支援されました。
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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