إنشاء نماذج القلب السيليكون المريض محددة مع تطبيقات في خطط ما قبل الجراحة والتدريب العملي على
Summary
تعمل النماذج الخاصة بالمرضى على تحسين ثقة الجراحين والزملاء عند تطوير أو تعلم الخطط الجراحية. تولد الطابعات ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) تفاصيل كافية للتحضير الجراحي، ولكنها تفشل في تكرار الدقة اللمسية للأنسجة. يتم تقديم بروتوكول يفصل إنشاء نماذج قلبية خاصة بالمرضى ، السيليكون ، والجمع بين دقة الطباعة ثلاثية الأبعاد مع أنسجة السيليكون المحاكاة.
Abstract
يمكن أن تكون النماذج ثلاثية الأبعاد أداة قيمة للجراحين أثناء تطويرهم الخطط الجراحية والزملاء الطبيين أثناء تعلمهم عن الحالات المعقدة. على وجه الخصوص ، يمكن أن تلعب النماذج ثلاثية الأبعاد دورا مهما في مجال أمراض القلب ، حيث تحدث أمراض القلب الخلقية المعقدة. في حين أن العديد من الطابعات ثلاثية الأبعاد يمكن أن توفر نماذج صحيحة ومفصلة تشريحيا ، فإن مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد الحالية تفشل في تكرار خصائص أنسجة عضلة القلب ويمكن أن تكون مكلفة للغاية. يهدف هذا البروتوكول إلى تطوير عملية لإنشاء نماذج خاصة بالمرضى من عيوب القلب الخلقية المعقدة باستخدام سيليكون منخفض التكلفة يطابق بشكل وثيق خصائص عضلة القلب. مع تحسين الإخلاص النموذجي ، يمكن أن يحدث التدريب الإجرائي الجراحي الفعلي قبل الإجراء. يبدأ الإنشاء الناجح لنماذج القلب بتقسيم الصور الإشعاعية لتوليد بركة دم افتراضية (الدم الذي يملأ غرف القلب) والعفن النسيج عضلة القلب. تجمع الدم والعفن عضلة القلب هي 3D المطبوعة في الاكريلونيتريل بوتاديين ستايرين (ABS)، وهو البلاستيك القابل للذوبان في الأسيتون. يتم تجميع القالب حول بركة الدم ، وخلق مساحة سلبية تحاكي عضلة القلب. يتم سكب السيليكون مع صلابة الشاطئ من 2A في الفضاء السلبي ويسمح لعلاج. تتم إزالة العفن عضلة القلب، ويتم غمر السيليكون المتبقية / نموذج تجمع الدم في الأسيتون. تؤدي العملية الموصوفة إلى نموذج مادي يتم فيه تمثيل جميع ميزات القلب ، بما في ذلك العيوب داخل القلب ، بخصائص أنسجة أكثر واقعية ويتم تقريبها بشكل وثيق أكثر من نهج الطباعة ثلاثية الأبعاد المباشر. التصحيح الجراحي الناجح لنموذج مع عيب الحاجز البطيني (VSD) باستخدام التصحيح GORE-TEX (التدخل الجراحي القياسي للعيب) يوضح فائدة هذه الطريقة.
Introduction
يولد ما يقرب من طفل واحد من كل 100 طفل في الولايات المتحدة مصابا بعيوب خلقية في القلب. ونظرا لميل الأمهات المصابات ب CHDs إلى الإنجاب المصابين ب CHDs، هناك توقع بأن المعدل قد يزيد عن الضعف على مدى الأجيال السبعة القادمة1. وفي حين أن كل مسألة من هذه الإصابات لا تعتبر معقدة أو شديدة، فإن توقعات النمو العام تشير إلى وجود حافز لتحسين التكنولوجيا والإجراءات القادرة على معالجة علاج مرضى الميثان. مع تحسن التكنولوجيا، غالبا ما يعرب جراحو القلب عن استعدادهم لمعالجة إجراءات أكثر تعقيدا. وقد أدى هذا الاستعداد إلى زيادة عدد الإجراءات القلبية المعقدة، مما دفع الحاجة إلى تقنيات أكثر تقدما للتخطيط الجراحي والتعليم. وهذا بدوره يترك جراحي القلب في حاجة إلى نماذج دقيقة للغاية ومحددة للمرضى وزملاء جراحة القلب في حاجة إلى طرق تدريب فعالة للغاية.
جراحة القلب الخلقية هي واحدة من أكثر التخصصات الجراحية تطلبا من الناحية الفنية بسبب صغر حجم المرضى ، وتعقيد تشوهات القلب ، وندرة بعض التشوهات2. في الحالات الأكثر تطرفا، قد يولد الطفل ببطين واحد. ليس من غير المألوف أن يأخذ الجراح وعاء قطره 2.0 مم ويلصقه ب التامور الثابت لإنشاء وعاء طوله 1.0 سم يسمح لحديثي الولادة بالنمو في هذا الإجراء المنقذ للحياة – كل ذلك أثناء وجوده تحت مدار الساعة ، حيث أن الوليد في حالة توقف كامل في الدورة الدموية. بين قلب أربع غرف العادية وهذه الأمثلة المتطرفة هي إمكانيات لا تعد ولا تحصى من حجم الغرفة والمواقف صمام التي تشكل الألغاز 3D معقدة للغاية. دور فريق القلب الخلقي هو تحديد التشريح الفريد بوضوح ووضع خطة لإعادة تكوين الأنسجة العضوية إلى قلب وظيفي من شأنه أن يسمح للطفل بالنمو مع أفضل فرصة في الحياة الطبيعية. تسمح النماذج الدقيقة بالممارسة الجراحية المتعمدة والتكرار في بيئة يمكن فيها غفران الأخطاء ولن تؤدي إلى ضرر المريض3،4. هذا التدريب يؤدي إلى تطوير الخبرة الجراحية المحسنة، فضلا عن المهارات التقنية والحكم. ومع ذلك ، فإن الموارد المحدودة وندرة بعض الحالات القلبية يمكن أن تجعل تحقيق المستوى المطلوب من التكرار والتصور شبه مستحيل. وللمساعدة في تفسير هذا النقص في الموارد، حدثت زيادة في استخدام المحاكاة لأغراض التعليم(2)، و 3. تشمل تقنيات المحاكاة أو النمذجة المستخدمة بشكل شائع الجثث البشرية والأنسجة الحيوانية ونماذج الواقع الافتراضي (VR) والنماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
تاريخيا، تعتبر الأنسجة الكادفيرية المعيار الذهبي للمحاكاة الجراحية، مع اقتراب الأنسجة الحيوانية من المركز الثاني. يمكن للجثث والأنسجة الحيوانية إنتاج محاكاة عالية الدقة لأنها تحتوي على البنية التشريحية للاهتمام ، وجميع الأنسجة المحيطة بها ، وتسمح لتقنيات التشوه لمحاكاة تدفق الدم4. على الرغم من فوائد نماذج الأنسجة، وهناك سلبيات. تجارب الأنسجة المحنطة تقلل من الامتثال الميكانيكي، مما يجعل بعض العمليات غير واقعية ويصعب تنفيذها. الأنسجة تتطلب الصيانة المستمرة، ومرافق محددة، ليست قابلة لإعادة الاستخدام2، يمكن أن تكون مكلفة للحصول على3، وكانت تاريخيا موضوع مخاوف أخلاقية. والأهم من ذلك، أن حالات القلب الخلقية ببساطة غير متوفرة في عينات الجثث.
VR ونماذج مطبوعة 3D5,6,7,8,9,10 توفير خيار آخر لتعليم القلب, محاكاة, والنمذجة للمساعدة في وضع خطط ما قبل الجراحة. تقلل هذه النماذج من الغموض المرتبط بقدرة المستخدم المتنوعة على الاستيفاء للصور ثلاثية الأبعاد كبنية ثلاثية الأبعاد10,11. يمكن أن تحتوي البيئة الافتراضية على أدوات جراحية يمكن التلاعب بها والتفاعل مع النماذج ، مما يسمح للجراحين والزملاء بتطوير التنسيق بين اليد والعين ، والمهارات الحركية الدقيقة ، والألفة مع بعض الإجراءات4. وقد تم العثور على تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الشائعة الحالية، بما في ذلك نمذجة الترسب المنصهر (FDM)، والتصوير المجسم (SLA)، وتغرس الليزر الانتقائي (SLS)، وبولي جيت لإنتاج نماذج بدقة تحت ملليمتر13. كل من VR و 3D نماذج مطبوعة قابلة لإعادة الاستخدام ويمكن أن تكون مفصلة للغاية; ويمكن حتى أن تتولد نماذج من بيانات التصوير الإشعاعي المريض، مما أدى إلى نسخ طبق الأصل من تشريح المريض. على الرغم من الفوائد العديدة للنماذج المطبوعة VR أو 3D ، إلا أنها تقصر عند النظر في متطلبات التكلفة والإخلاص اللمسي لجراحة القلب الخلقية. إعداد بيئة الواقع الافتراضي له تكلفة عالية ، ولا يمكن لبيئات الواقع الافتراضي توفير ردود فعل اللمسية في العالم الحقيقي. في حين أن تقنية الإخلاص اللمسية تتحسن ، فإن الفجوة الحالية تمنع قدرة الطالب على التعرف على المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لتنفيذ الإجراءات4. وبالمثل، اعتمادا على نوع تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة، يمكن أن تكون تكلفة الطباعة ثلاثية الأبعاد مرتفعة جدا، حيث يجب النظر في سعر شراء الطابعة وتكلفة مواد الطباعة 11,14. يمكن إنتاج نموذج قلب واحد عالي الدقة مع ردود فعل واقعية باستخدام طابعة راقية ولكنه سيكلف مئات الدولارات في المواد وحدها بسعر شراء طابعة يزيد عن 100،000 دولار أمريكي. تم العثور على نموذج القلب المنتجة باستخدام خيوط مع صلابة الشاطئ من 26-28 A لتكلفة ما يقرب من 220 دولارا أمريكيا لكل model16. بدلا من ذلك، تتوفر العديد من الطابعات والتقنيات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة التي يكون سعر شرائها للطابعة أقل من 5000 دولار أمريكي. تم العثور على متوسط أسعار المواد لنموذج القلب ولدت على طابعة FDM منخفضة التكلفة لتكون حوالي 3.80 USD باستخدام مادة مع صلابة الشاطئ من 82 A و 35 USD باستخدام مادة مع صلابة الشاطئ من 95 A15,16. في حين أن هذه الآلات لا تقدم حلا منخفض التكلفة، فإنه يأتي على حساب الإخلاص اللمسي.
في حين أن الطباعة VR و 3D يمكن أن تسمح بتقييم مرئي ومفاهيمي مفصل لحالة قلبية ، فإن السعر المرتفع المرتبط بإنتاج نموذج للمحاكاة الجراحية العملية غالبا ما يكون حاجزا كبيرا. أحد الحلول هو استخدام السيليكون لإنشاء نموذج القلب دقيقة جسديا ونصيا. يمكن لنماذج السيليكون الخاصة بالمرضى تسهيل فهم أعمق للتشريح الفريد من خلال السماح للجراحين برؤية الإجراء والشعور به وحتى ممارسته مع تجربة ردود فعل واقعية في بيئة تنطوي على الحد الأدنى من المخاطر على المريض وليس لها عواقب إذا كان الإجراء غير ناجح9. وقد ثبت أن صب السيليكون طريقة فعالة لنمذجة التشريح البشري الذي ينتج نماذج ذات خصائص فيزيائية أقرب بكثير إلى الأنسجة الحقيقية من النماذج الناتجة عن الطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة17. Scanlan وآخرون، مقارنة خصائص منخفضة التكلفة 3D المطبوعة إلى السيليكون مصبوب صمامات القلب لتقييم التشابه مع الأنسجة الحقيقية. وجدت الدراسة أنه في حين أن الخصائص الفيزيائية لصمامات السيليكون لم تكن نسخة طبق الأصل من الأنسجة الحقيقية ، إلا أن الخصائص كانت أعلى بكثير من الصمامات المطبوعة ثلاثية الأبعاد17. مواد الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في الدراسة هي من بين أنعم المواد المتاحة للطابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة وتمتلك صلابة الشاطئ بين 26 و 28 A18. علاج البلاتين السيليكون الموصى بها للاستخدام في البروتوكول أدناه لديه صلابة الشاطئ من 2 A وهو أقرب بكثير إلى صلابة الشاطئ من الأنسجة القلبية، 43 على مقياس 00، أو ما يقرب من 0 A19،20. هذا الفرق مهم لأن نماذج السيليكون تسمح بالتدريب على المهارات الحركية الدقيقة عالية الدقة التي لا تحققها المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد مباشرة. التكلفة الإجمالية للنموذج المقترح في هذا البروتوكول أقل من 10 USD. تجمع نماذج السيليكون المقترحة بين خصائص الأنسجة الرخوة اللازمة لردود الفعل اللمسية الواقعية مع براعة ودقة النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة.
في حين أن فوائد السيليكون قد يبدو لجعلها الخيار الواضح لخلق نموذج، وقد تم تقييد استخدام السيليكون من قبل التشريح التي يمكن تشكيلها. السيليكون المختلط الطازج هو سائل يتطلب قالبا لعقد في الشكل المطلوب لأنه يشفي. تاريخيا، قوالب القلب السيليكون يمكن أن تحتوي فقط على تفاصيل السطح الخارجي للنموذج. التفاصيل داخل القلب، بما في ذلك منطقة تجمع الدم بأكملها، سوف تكون مليئة السيليكون وفقدت. وقد حققت الدراسات السابقة نماذج السيليكون من مجالات محددة من الاهتمام داخل القلب (على سبيل المثال، الجذر الأبهري21) أو استخدمت طريقة استقراء لمحاكاة أنسجة عضلة القلب22. هذا البروتوكول هو جديد لأنها تسعى إلى الجمع بين استخدام مواد السيليكون مع عالية الدقة التشريحية، محاكاة عضلة القلب الكامل- تجنب على وجه التحديد أي طريقة استقراء. على حد علمنا، لم تقدم أي مخطوطة وصفية منهجية تجمع بين هذه الجوانب. الطريقة الموصوفة في هذا البروتوكول يدخل تقنية لتحقيق نموذج القلب المريض محددة مع تكرار التشريحية داخل القلب دقيقة بما يكفي لممارسة الجراحة قبل الجراحة. تتضمن الطريقة إنشاء قالب عضلة القلب لعقد السيليكون في الشكل المناسب لأنه يشفي والعفن الداخلي للحفاظ على التفاصيل الداخلية داخل القلب للنموذج ومنع السيليكون من ملء منطقة تجمع الدم في القلب. ثم يجب إذابة القالب الداخلي بعيدا ، تاركا نموذجا كاملا للقلب السيليكون مع تشريح خاص بالمرضى على الأسطح الخارجية والداخلية. بدون البروتوكول المقترح لإنشاء نموذج القلب هنا ، لا يوجد حل منخفض التكلفة لمحاكاة الإجراء الجراحي مع مادة تحاكي خصائص الأنسجة الفعلية للقلب العضلي.
Protocol
Representative Results
Discussion
عند الانتهاء من البروتوكول ، يجب أن ينتج نموذج قلب السيليكون الخاص بالمرضى للتحضير الجراحي. ومع ذلك، هناك العديد من الخطوات الهامة التي يجب إكمالها بشكل صحيح لتحقيق ذلك. يمكن رؤية ملخص الخطوات الهامة في البروتوكول في الملف التكميلي 2، بالإضافة إلى النتائج المحتملة إذا لم يتم تنفيذ الخطوات بشكل صحيح. تتضمن الخطوة الحرجة الأولى تجزئة بيانات التصوير الإشعاعي للمريض. تتطلب هذه الخطوة الحصول على مجموعة بيانات تصوير ثلاثي الأبعاد تشخيصية. تعتمد المنفعة النموذجية في التخطيط أو التعليم قبل الجراحة على جودة مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد. من المستحسن استخدام مجموعة صور تم جمعها بحجم شريحة يتراوح بين 0.625 مم و 2.6 مم لضمان أن تكون مجموعة البيانات ذات دقة كافية لإنتاج النموذج. ومع ذلك ، يجب أن يتم تعيين جميع معلمات التصوير من قبل خبير طبي في الأشعة ، مع رعاية المرضى هي الأولوية. وتجدر الإشارة إلى أنه قد يكون من الممكن إنتاج نموذج من مجموعة صور تم جمعها بحجم شريحة خارج القيم الموصى بها، ولكن دقة النموذج وجودته ستتأثر سلبا. بعد الحصول على الصور، إذا لم يتم تنفيذ التقسيم بشكل صحيح، فإنه عادة لا يتحقق حتى يتم إنتاج النموذج النهائي وقطع في، مما أدى إلى فقدان الوقت والمواد. لمنع هذه النتيجة السلبية ، يوصى بأن يقوم خبير الموضوع بمراجعة الملفات المجزأة قبل إنشاء القوالب الرقمية لمراقبة الجودة. الخطوة الحاسمة التالية تحدث أثناء إنشاء القوالب الرقمية. من المهم التأكد من أن حالة عضلة القلب سوف تكون قادرة على تجميعها حول نموذج تجمع الدم. إذا لم تغلق الحالة حول بركة الدم ، فلا يمكن استخدامها لإنشاء نموذج السيليكون حيث أن السيليكون غير المحدد سيتسرب باستمرار ، ويمكن تشويه التشريح. يمكن استخدام أداة الرملي الدوارة المحمولة لإزالة قطع من قالب عضلة القلب بخفة فقط إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات صغيرة. إذا كانت هناك حاجة إلى تعديلات كبيرة ، فإن القالب الرقمي يحتاج إلى تغيير وطباعة حالة محدثة. الخطوة الحاسمة الأخيرة هي صب السيليكون. الالتزام الصارم بالتعليمات المادية ضروري عند استخدام السيليكون ، حيث أن الفشل في القيام بذلك قد يؤدي إلى السيليكون الذي يشفي بسطح مبتذل. إذا اعتبر السطح مبتذلا جدا لاستخدامه من قبل الشركات الصغيرة والمتوسطة ، فقد يتعين إعادة طبع بركة الدم إذا لم يتم إزالتها بنجاح من السيليكون. السيليكون يجب أن يكون إعادة سكب، مما أدى إلى فقدان الوقت والمواد. إذا تم استخدام السيليكون غير كافية أو تسرب السيليكون من قالب حالة عضلة القلب أثناء عملية الإعداد، فإن النموذج الناتج يكون غير مكتمل. يمكن علاج هذا الفشل عن طريق خلط وصب السيليكون إضافية في القالب. ويمكن استخدام مادة مثل الغراء الساخن أو الطين لختم طبقات من قالب حالة عضلة القلب إذا كان يبدو أن كمية صغيرة من السيليكون تسرب من خلال خلال خلال عملية المعالجة.
يمكن تعديل هذه الطريقة في إنشاء نماذج قلبية خاصة بالمرضى من السيليكون للسماح بإنشاء نموذج لأي بنية تشريحية ناعمة مع هندسة داخلية وخارجية خاصة بمرضى معينين أو معقدين. على افتراض أن التشريح المستهدف مجزأ بشكل صحيح ، يمكن اتباع الخطوات المتبقية من البروتوكول بأقل تغيير. في حين لا محور العمل الحالي، وقد تم تطبيق البروتوكول على parenchyma الكبد مع نجاح مماثل. ويمكن أيضا تعديل المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة. يوصى باستخدام ABS و PLA نظرا لانخفاض تكلفتهما ، ولكن أي مواد طباعة ثلاثية الأبعاد قابلة للذوبان يمكن أن تحل محل ABS ، ويمكن لأي مواد طباعة ثلاثية الأبعاد مرغوبة أن تحل محل PLA بأقل قدر من التغيير أو لا يتغير على البروتوكول. يجب اتباع كافة معلمات الطباعة المحددة من قبل الشركة المصنعة للخيوط عند استخدام مواد طباعة أخرى. ويمكن تعديل هذه الطريقة عن طريق استخدام السيليكون مختلفة. السيليكون الموصى به للاستخدام في هذا البروتوكول له صلابة الشاطئ من 2 A، ولكن إذا كان هناك قيمة صلابة الشاطئ آخر هو مرغوب فيه، يمكن استبدال سيليكون مختلفة مع الحد الأدنى أو أي تغيير على البروتوكول. تأكد من الالتزام بجميع مواصفات وإجراءات التصنيع عند استخدام منتج سيليكون مختلف.
في حين أن هذا البروتوكول يحدد إجراء تحسين النمذجة القلبية، فإنه لا يخلو من القيود. القيد الرئيسي لهذا البروتوكول هو أنه في حين أن استخدام البلاتين علاج السيليكون هو أقرب إلى صلابة الأنسجة القلبية من المواد المتاحة الأخرى، صلابة ليست الخاصية الوحيدة التي تلعب دورا في المهارة الحركية الدقيقة للتدريب الجراحي. على وجه الخصوص، سوف تظهر الأنسجة القلبية الحقيقية قابلية التفتيت أو تمزق تحت القوة. السيليكون المستخدمة مرنة جدا، مع استطالة في كسر 763٪ وقوة الشد من 1986 كيلو باسكال19. أنسجة القلب Porcine، الذي يعتقد أنه تمثيل دقيق للأنسجة القلبية البشرية، لديه استطالة في كسر من 28-66٪ وقوة الشد من 40-59 كيلوباسكال26. هذا الاختلاف يمثل مشكلة، حيث أن زملاء جراحة القلب قد يقومون بعملية جراحية على قلب نموذج السيليكون ويكتسبون شعورا زائفا بالثقة لأن النموذج يمكن أن يتحمل القوى التي لا تستطيع أنسجة القلب الحقيقية تحملها. هذه المنهجية لديها أيضا القدرة على أن تكون محدودة من قبل نموذج القلب مع الهندسة معقدة جدا. مع زيادة التعقيد التشريحي للنموذج ، يمكن للبروتوكول تعويضه بزيادة عدد القطع في قالب عضلة القلب. أساسا، سوف نماذج معقدة على نحو متزايد تتطلب تصاميم العفن معقدة على نحو متزايد وزيادة وقت التصميم.
عملية إنشاء نموذج وصفها في هذا البروتوكول متفوقة على العديد من البدائل الأخرى المتاحة نظرا لقدرتها على إعادة إنشاء النسخ المتماثلة التشريحية الدقيقة منخفضة التكلفة من التشريح واجه جراحيا. الأنسجة الكادفيرية والحيوانية لا تسمح لمحاكاة عالية الدقة، ولكن لديهم تكلفة أعلى بكثير وتتطلب إنشاء مختبر محدد لاستخدامها وصيانتها2,6. علاوة على ذلك ، فإن نماذج الأنسجة الجفنة والحيوانية لديها مخاوف أخلاقية ، وليست خاصة بالصبر ، وغالبا ما يجب تصنيع CHD المعقد يدويا من قبل جراح أو مدرب ، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى عدم الدقة أو تلف الأنسجة والأعضاء المحيطة. وهناك تقنية أخرى محتملة للنمذجة تنطوي على استخدام الواقع الافتراضي. الواقع الافتراضي يسمح لتكرار الرقمية للنماذج القلب المريض محددة، والتي هي أداة فعالة لإنشاء تمثيلات عقلية دقيقة من تشريح المريض والخطط الجراحية. بالإضافة إلى ذلك ، سمحت بعض أنظمة الواقع الافتراضي بإجراء عمليات محاكاة أساسية مع دمج التغذية المرتدة اللمسية. ومع ذلك ، فإن ردود الفعل اللمسية المتاحة تفتقر إلى الواقعية اللازمة لتكرار المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لإجراء جراحات القلب الخلقية4. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة أخرى متاحة لإنتاج نماذج قلبية خاصة بالمرضى2,24. ومع ذلك ، فإن التنفيذ الواسع النطاق للطابعات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة القادرة على إنتاج نماذج متعددة المواد والناعمة يعوقها تكلفتها العالية للغاية11,14,15. تتوفر طابعات ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة ولكن يمكنها الطباعة فقط في مواد أكثر حزما من عضلة القلب الحقيقية. عندما تم استخدام واحدة من أنعم المواد المتاحة للطابعة 3D لإنشاء نموذج من قبل سكانلان وآخرون.17. كان للمواد الموصوفة صلابة على الشاطئ بين 26 A و 28 A ، مما يعطيها نسيجا مشابها لشريط مطاطي. السيليكون البلاتين الشفاء المستخدمة في هذا البروتوكول لديه صلابة الشاطئ من 2 A، مما يعطيها نسيج مماثل لإدراج الأحذية هلام وأقرب بكثير إلى صلابة أنسجة القلب الحقيقية، وهو 43 0020 أو ~ 0 أ. هواشي وآخرون. كما استخدمت طريقة مماثلة لتلك الموصوفة في هذا البروتوكول لتطوير نموذج مرن القلب المطبوعة 3D. اثنين من القوالب، التي تمثل الهندسة الداخلية والخارجية عضلة القلب، كانت مطبوعة 3D باستخدام طابعة جيش تحرير السودان تليها فراغ الصب راتنج البولي يوريثين مثل المطاط. في حين أن هذه الطريقة لم تنتج نموذج القلب لينة، وكانت تكلفة الإنتاج المقترحة من هذه الطريقة لكل نموذج 2000 إلى 3000 دولار أمريكي22. نسبيا، التكلفة المادية الإجمالية للطريقة المذكورة في البروتوكول المعروض أقل من 10 USD. وأخيرا، استخدمت طريقة مماثلة أيضا من قبل روسو وآخرون. لإنشاء نماذج السيليكون من الصمام الأبهري والهرطية القريبة للممارسة الإجرائية. في حين أن روسو وآخرون. ويركز الأسلوب على هدف مماثل، عملية عرضها تهدف إلى تكرار التشريح أبسط بكثير من الشريان الأورطي أو الصمامات الأبهري. يميز البروتوكول المعروض هنا نفسه من خلال التركيز على التشريح داخل القلب و عضلة القلب الأصغر حجما والأكثر تعقيدا ، وسيكون من الصعب للغاية تكراره نظرا للمنهجيات التاريخية. على الرغم من هذا الاختلاف، فإن النماذج التي أنشأتها روسو وآخرون. كانت مفيدة للغاية لمحاكاة والتدريب في جراحة القلب من قبل جراحي القلب الذين شملهم الاستطلاع23. أساسا، الطريقة الموصوفة في هذا البروتوكول يسمح لخلق منخفضة التكلفة من معقدة، ونماذج القلب الخلقية المريض محددة مع عيوب ممثلة بدقة وخصائص المواد أكثر مماثلة لأنسجة القلب الحقيقية من أساليب النمذجة الأخرى1,16، مما يسمح بتشغيل النماذج بدقة اللمسية واقعية.
وللمضي قدما، يمكن تطبيق هذه المنهجية على تشكيل نموذج لأي تشريح للمرضى له سمات داخلية وخارجية معقدة. إن تطوير مادة بديلة لتجميع الدم يمكن إزالتها من داخل نموذج السيليكون بطريقة أقل تدميرا أو إنتاجها باستخدام طريقة أقل استهلاكا للوقت من شأنه أن يجعل العملية أكثر كفاءة من حيث الوقت والتكلفة. ونتيجة لذلك، لن يكون من الضروري إعادة إنتاج مجموعة دم جديدة لكل عملية صب لاحقة، مما يؤدي إلى قابلية التدريب المرتبط بها للتطوير. كما يمكن تحسين الخصائص الفيزيائية للسيليكون المستخدم في إنشاء النموذج. السيليكون مع استطالة أقل في استراحة من شأنه أن يزيد من واقعية النموذج ويساعد على تحسين قيمته كأداة تعليمية للزملاء جراحة القلب في محاولة لتعلم المهارات الحركية الدقيقة اللازمة لأداء هذه الإجراءات المعقدة. مجموعة من المواد المعروضة حاليا في السوق تستحق النظر في المساعدة في هذا الحل هي مواد زجاجية محاكاة السيليكون25. هذه المواد السيليكون تظهر استطالة أقل بكثير في كسر مما يؤدي إلى “تحطيم” متميزة على تطبيق القوة بطريقة مماثلة للزجاج. تعديل البلاتين علاج السيليكون المستخدمة في هذا البروتوكول مع إضافات من هذه المواد الزجاجية محاكاة السيليكون قد تسمح للسيطرة على خصائص قابلية التجعد من النموذج مع الحفاظ على صلابة الشاطئ المناسبة، وتحسين الإخلاص اللمسي العام. وأخيرا، فإن دقة التشريح التي يمكن أن ينتجها هذا البروتوكول محدودة بدقة الطابعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة لتوليد القوالب. ومع استمرار تحسن التكنولوجيا، ينبغي أيضا تحسين حل التشريح الذي يمكن إنشاؤه باستخدام هذا البروتوكول.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون الاعتراف ب OSF HealthCare لجعل هذه الدراسة ممكنة ، وكذلك الدكتور مارك بلونكيت لمعرفته الإجرائية وتطبيق المهارات على منتجنا النهائي.
Materials
| 1.75 mm ABS filament | Matter Hacker | matterhackers.com/store/l/175mm-abs-filament-white-1-kg/sk/MFJ1U2CG- | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 1.75 mm PLA filament | Matter Hacker | https://www.matterhackers.com/store/l/175mm-pla-filament-white-1-kg/sk/MEEDKTKU | Anecdotally consistent quality, budget-conscious price |
| 8220 12VMax High-Performance Cordless | Dremel | https://us.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8220-12vmax-high-performance-cordless | Cordless for easier access to small features in model |
| Acetone | Sunnyside | https://www.sunnysidecorp.com/product.php?p=t&b=s&n=840G5 | Bulk |
| Dragon Skin Fx-Pro | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/dragon-skin-fx-pro | Industry-standard, characterized skin-safe |
| Ease Release 200 | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/ease-release-200 | Coating to ensure easy removal of silicone from mold |
| GORE- TEX patch | GORE | https://www.goremedical.com/products/cardiovascularpatch | Cardiovascular patch |
| ideaMaker | Raise 3D | https://www.raise3d.com/download/ | Included G-code CAD software for Raise 3D printers |
| Magics | Materilise | https://www.materialise.com/en/software/magics | Feature-rich CAD software capeable of manipulating organic surfaces |
| Mimics | Materilise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite/mimics | Feature-rich segmentation software |
| Patient DICOM data | – | – | DICOM data will typically come from a patient CT or MRI |
| Pro2 Plus | Raise 3D | https://www.raise3d.com/products/pro2-plus-3d-printer/ | Anecdotallay reliable, dual extrusion FDM 3D printer |
| PRO2-100 Industrial Glue Gun | Surebonder | https://surebonder.com/collections/industrial-glue-guns/products/pro2-100-100-watt-high-temperature-professional-heavy-duty-hot-glue-gun-uses-full-size-7-16-glue-sticks | Industrial-quality hot glue gun |
| Silc Pig | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/silc-pig-pigments | Pigment for adding color to silicone |
| Vacuum Chamber | Smooth-On | https://shop.smooth-on.com/vacuum-chamber | Anecdotally reliable vacumm chamber for removing air bubbles from mixed silicone |
References
- Hoffman, J. I. E., Kaplan, S. The incidence of congenital heart disease. Journal of the American College of Cardiology. 39 (12), 1890-1900 (2002).
- 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).
- Wilson, H. K., Feins, R. H. . Simulation in cardiothoracic surgery. Comprehensive Healthcare Simulation: Surgery and Surgical Subspecialties. Comprehensive Healthcare Simulation. , 263-274 (2019).
- Badash, I., Burtt, K., Solorzano, C. A., Carey, J. Innovations in surgery simulation: A review of past, current and future techniques. Annals of Translational Medicine. 4 (23), 1-10 (2016).
- Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., Van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153, 1530-1540 (2017).
- Hadeed, K., Acar, P., Karsenty, C. Cardiac 3D printing for better understanding of congenital heart disease. Archives of Cardiovascular Disease. 111 (1), 1-4 (2018).
- Velasco Forte, M. N., et al. Living the heart in three dimensions: applications of 3D printing in CHD. Cardiology in the Young. 29, 733-743 (2019).
- Illmann, C. F., Ghadiry-Tavi, R., Hosking, M., Harris, K. C. Utility of 3D printed cardiac models in congenital heart disease: a scoping review. Heart. 106, 1631-1637 (2020).
- Su, W., Xiao, Y., He, S., Huang, P., Deng, X. Three-dimensional printing models in congenital heart disease education for medical students: a controlled comparative study. BMC Medical Education. 18 (178), (2018).
- Farooqi, K. M., Mahmood, F. Innovations in preoperative planning: insights into another dimension using 3D printing for cardiac disease. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 32, 1937-1945 (2018).
- Illmann, C. F., Hosking, M., Harris, K. C. Utility and access to 3-dimensional printing in the context of congenital heart disease: an international physician survey study. Canadian Cardiovascular Society. 2, 207-213 (2020).
- Lau, I., Gupta, A., Sun, Z. Clinical value of virtual reality versus 3D printing in congenital heart disease. Biomolecules. 11 (884), (2021).
- Birbara, N. S., Otton, J. M., Pather, N. 3D modelling and printing technology to produce patient-specific 3D models. Heart Lung and Circulation. 28, 302-313 (2019).
- Yoo, S. J., et al. 3D printing in medicine of congenital heart disease. 3D Printing in Medicine. 2 (3), (2016).
- Gómez-Ciriza, G., Gómez-Cía, T., Rivas-González, J. A., Velasco Forte, M. N., Valverde, I. Affordable three-dimensional printed heart models. Frontiers in Cardiovascular Medicine. 8, 498 (2021).
- Lau, I., et al. Quantitative and qualitative comparison of low- and high-cost 3D-printed heart models. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 9 (1), 107-114 (2019).
- Scanlan, A. B., et al. Comparison of 3D echocardiogram derived 3D printed valve models to molded models for simulated repair of pediatric atrioventricular valves. Pediatric Cardiology. 39 (3), 538-547 (2019).
- . Dragon skin fx-pro, Smooth-On Available from: https://www.smooth-on.com/products/dragon-skin-fx-pro/ (2021)
- Tejo-Otero, A., Fenollosa-Artés, F., Buj-Corral, I. Mimicking soft living tissues for 3D printed surgical planning prototypes using different materials. Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica. , 307-310 (2019).
- Lezhnev, A. A., Ryabtsev, D. V., Hamanturov, D. B., Barskiy, V. I., Yatsyk, A. P. Silicone models of the aortic root to plan and simulate interventions. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 31 (2), 204-209 (2020).
- Laing, J. A patient-specific cardiac phantom for training and pre-procedure surgical planning. Electronic Thesis and Dissertation Repository. , 4964 (2017).
- Hoashi, T., et al. Utility of a super-flexible three-dimensional printed heart model in congenital heart surgery. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 27, 749-755 (2018).
- Mena, K. A., et al. Exploration of time-sequential, patient-specific 3D heart unlocks clinical understanding. 3D Printing in Medicine. 4 (1), 15 (2018).
- Russo, M., et al. Advanced three-dimensionally engineered simulation model for aortic valve and proximal aorta procedures. Interactive CardioVascular and Thoracic Surgery. 30, 887-895 (2020).
- Al Ali, A. B., Griffin, M. F., Butler, P. E. Three-dimensional printing surgical applications. ePlasty. 15, 37 (2015).
- . Rubber glass water-clear silicone rubber compound, Smooth-On at Available from: https://www.smooth-on.com/product-line/rubber-glass/ (2021)
- Riedle, H., Molz, P., Franke, J. Determination of the mechanical properties of cardiac tissue for 3D printed surgical models. IEEE-EMBS Conference on Biomedical Engineering and Science. , 171-176 (2018).
