Desenvolvimento e Avaliação de Fantasmas Cardiovasculares Impressos em 3D para Planejamento e Treinamento Intervencionista
Summary
Aqui apresentamos o desenvolvimento de uma configuração de circulação simulada para avaliação de terapia multimodal, planejamento pré-intervencional e treinamento médico em anatomias cardiovasculares. Com a aplicação de exames tomográficos específicos do paciente, essa configuração é ideal para abordagens terapêuticas, treinamento e educação em medicina individualizada.
Abstract
Intervenções baseadas em cateter são opções de tratamento padrão para patologias cardiovasculares. Portanto, modelos específicos do paciente podem ajudar a treinar as habilidades de fio dos médicos, bem como melhorar o planejamento de procedimentos intervencionais. O objetivo deste estudo foi desenvolver um processo de fabricação de modelos impressos em 3D específicos do paciente para intervenções cardiovasculares.
Para criar um fantasma elástico impresso em 3D, diferentes materiais de impressão 3D foram comparados com tecidos biológicos suínos (ou seja, tecido aórtico) em termos de características mecânicas. Foi selecionado um material de montagem com base em testes comparativos de tração e espessuras específicas do material. Os conjuntos de dados ct-aprimorados por contraste anonimizados foram coletados retrospectivamente. Os modelos volumosos específicos do paciente foram extraídos desses conjuntos de dados e, posteriormente, impressos em 3D. Um laço de fluxo pulsante foi construído para simular o fluxo sanguíneo intraluminal durante as intervenções. A adequação dos modelos para imagem clínica foi avaliada por imagem de raio-x, tomografia computadorizada, 4D-MRI e (Doppler). O meio de contraste foi utilizado para aumentar a visibilidade em imagens baseadas em raios-X. Diferentes técnicas de cateterismo foram aplicadas para avaliar os fantasmas impressos em 3D na formação de médicos, bem como para o planejamento da terapia pré-intervencional.
Os modelos impressos apresentaram alta resolução de impressão (~30 μm) e as propriedades mecânicas do material escolhido foram comparáveis à biomecânica fisiológica. Os modelos físicos e digitais apresentaram alta precisão anatômica quando comparados com o conjunto de dados radiológicos subjacentes. Os modelos impressos foram adequados para imagens ultrassônicas, bem como raios-x padrão. A ultrassonografia doppler e a ressonância magnética 4D-mri apresentaram padrões de fluxo e características de marco (ou seja, turbulência, estresse de cisalhamento de parede) combinando dados nativos. Em um ambiente de laboratório baseado em cateter, fantasmas específicos do paciente eram fáceis de cateterizar. O planejamento terapêutico e o treinamento de procedimentos intervencionais em anatomias desafiadoras (por exemplo, doença cardíaca congênita (ACS)) foram possíveis.
Os fantasmas cardiovasculares específicos do paciente flexíveis foram impressos em 3D, e a aplicação de técnicas de imagem clínica comum foi possível. Este novo processo é ideal como uma ferramenta de treinamento para intervenções à base de cateter (eletrofisiológicas) e pode ser usado no planejamento terapêutico específico do paciente.
Introduction
As terapias individualizadas estão ganhando cada vez mais importância na prática clínica moderna. Essencialmente, eles podem ser classificados em dois grupos: abordagens genéticas e morfológicas. Para terapias individualizadas baseadas em DNA pessoal único, seja o sequenciamento do genoma ou a quantificação dos níveis de expressão genética sãonecessários 1. Pode-se encontrar esses métodos na oncologia, por exemplo, ou no tratamento da desordem metabólica2. A morfologia única (ou seja, anatomia) de cada indivíduo desempenha um papel importante na medicina intervencionista, cirúrgica e protética. O desenvolvimento de próteses individualizadas e o planejamento terapêutico pré-intervencionista/operatório representam focos centrais dos grupos de pesquisa hoje3,4,5.
Vindo da produção de protótipos industriais, a impressão 3D é ideal para este campo de medicina personalizada6. A impressão 3D é classificada como um método de fabricação aditiva e normalmente baseada em uma deposição camada por camada de material. Atualmente, uma ampla variedade de impressoras 3D com diferentes técnicas de impressão está disponível, possibilitando o processamento de materiais poliméricos, biológicos ou metálicos. Devido ao aumento das velocidades de impressão, bem como à contínua disponibilidade generalizada de impressoras 3D, os custos de fabricação estão se tornando progressivamente mais baratos. Portanto, o uso da impressão 3D para o planejamento pré-intervencional nas rotinas diárias tornou-se economicamente viável7.
O objetivo deste estudo foi estabelecer um método de geração de fantasmas específicos do paciente ou específicos para doenças, utilizáveis no planejamento de terapia individualizada na medicina cardiovascular. Esses fantasmas devem ser compatíveis com métodos comuns de imagem, bem como para diferentes abordagens terapêuticas. Outro objetivo foi o uso das anatomias individualizadas como modelos de formação para médicos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O fluxo de trabalho apresentado permite estabelecer modelos individualizados e, assim, realizar o planejamento da terapia pré-intervencionista, bem como a formação médica em anatomias individualizadas. Para isso, os dados tomográficos específicos do paciente podem ser usados para segmentação e impressão 3D de fantasmas cardiovasculares flexíveis. Com a implementação desses modelos impressos em 3D em uma circulação simulada, diferentes situações clínicas podem ser simuladas realisticamente.
<p class="…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta publicação foi apoiada pela Fundação Alemã do Coração/Fundação Alemã de Pesquisa do Coração.
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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