Erstellung patientenspezifischer Silikon-Herzmodelle mit Anwendungen in präoperativen Plänen und Hands-on-Training
Summary
Patientenspezifische Modelle verbessern das Vertrauen von Chirurgen und Mitmenschen bei der Entwicklung oder dem Erlernen von Operationsplänen. Dreidimensionale (3D) Drucker erzeugen ausreichende Details für die chirurgische Vorbereitung, replizieren jedoch nicht die haptische Treue des Gewebes. Es wird ein Protokoll vorgestellt, das die Erstellung von patientenspezifischen Silikon-Herzmodellen beschreibt und 3D-Druckpräzision mit simuliertem Silikongewebe kombiniert.
Abstract
Dreidimensionale Modelle können ein wertvolles Werkzeug für Chirurgen sein, wenn sie chirurgische Pläne entwickeln, und medizinische Kollegen, wenn sie über komplexe Fälle lernen. Insbesondere im Bereich der Kardiologie, wo komplexe angeborene Herzerkrankungen auftreten, können 3D-Modelle eine wichtige Rolle spielen. Während viele 3D-Drucker anatomisch korrekte und detaillierte Modelle liefern können, replizieren vorhandene 3D-Druckmaterialien die Eigenschaften des Myokardgewebes nicht und können extrem teuer sein. Dieses Protokoll zielt darauf ab, ein Verfahren zur Erstellung patientenspezifischer Modelle komplexer angeborener Herzfehler unter Verwendung eines kostengünstigen Silikons zu entwickeln, das den Eigenschaften des Herzmuskels besser entspricht. Mit verbesserter Modelltreue könnte ein tatsächliches chirurgisches Prozedurtraining im Vorfeld des Eingriffs stattfinden. Die erfolgreiche Erstellung von Herzmodellen beginnt mit der Segmentierung radiologischer Bilder zur Erzeugung eines virtuellen Blutpools (Blut, das die Herzkammern ausfüllt) und einer Myokardgewebeform. Der Blutpool und die Myokardform werden in Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), einem in Aceton auflösbaren Kunststoff, in 3D gedruckt. Die Form ist um den Blutpool herum zusammengesetzt, wodurch ein negativer Raum entsteht, der das Myokard simuliert. Silikon mit einer Shore-Härte von 2A wird in den negativen Raum gegossen und aushärten gelassen. Die Myokardform wird entfernt und das verbleibende Silikon- / Blutpoolmodell wird in Aceton getaucht. Der beschriebene Prozess führt zu einem physikalischen Modell, in dem alle kardialen Merkmale, einschließlich intraherzieller Defekte, mit realistischeren Gewebeeigenschaften dargestellt und näher angenähert werden als bei einem direkten 3D-Druckansatz. Die erfolgreiche chirurgische Korrektur eines Modells mit einem Ventrikelseptumdefekt (VSD) mit einem GORE-TEX Pflaster (Standardchirurgie bei Defekt) zeigt den Nutzen der Methode.
Introduction
Fast 1 von 100 Kindern in den Vereinigten Staaten wird mit angeborenen Herzfehlern (KHK) geboren. Aufgrund der Neigung von Müttern mit KHK, Kinder mit KHK zu bekommen, besteht die Erwartung, dass sich die Rate in den nächsten sieben Generationen mehr als verdoppeln kann1. Obwohl nicht jede KHK als komplex oder schwerwiegend angesehen wird, deutet die allgemeine Wachstumserwartung darauf hin, dass es eine Motivation gibt, die Technologie und die Verfahren zu verbessern, die in der Lage sind, die KHK-Behandlung zu behandeln. Mit der Verbesserung der Technologie äußern Herzchirurgen oft die Bereitschaft, komplexere Verfahren in Angriff zu nehmen. Diese Bereitschaft hat zu einer erhöhten Anzahl komplexer Herzverfahren geführt, was den Bedarf an fortschrittlicheren Techniken der chirurgischen Planung und Ausbildung erhöht. Dies wiederum führt dazu, dass Herzchirurgen hochgenaue, patientenspezifische Modelle und herzchirurgische Kollegen hochwirksame Trainingsmethoden benötigen.
Die angeborene Herzchirurgie ist aufgrund der geringen Größe der Patienten, der Komplexität der Herzanomalien und der Seltenheit einiger Anomalien eine der technisch anspruchsvollsten chirurgischen Disziplinen2. In den extremsten Fällen kann ein Kind mit einem einzigen Ventrikel geboren werden. Es ist nicht ungewöhnlich, dass der Chirurg ein Gefäß mit einem Durchmesser von 2,0 mm nimmt und es mit festem Perikard flickt, um ein 1,0 cm großes Gefäß zu schaffen, das es einem Neugeborenen ermöglicht, in diesem lebensrettenden Verfahren zu wachsen – und das alles unter der Uhr, da sich das Neugeborene in einem vollständigen Kreislaufstillstand befindet. Zwischen dem normalen Vierkammerherz und diesen extremen Beispielen liegen unzählige Möglichkeiten von Kammergröße und Klappenpositionen, die hochkomplexe 3D-Puzzles darstellen. Die Rolle des angeborenen Herzteams besteht darin, die einzigartige Anatomie klar zu beschreiben und einen Plan zu entwickeln, um das organische Gewebe in ein funktionelles Herz umzuwandeln, das es einem Kind ermöglicht, mit den besten Chancen auf ein normales Leben zu wachsen. Genaue Modelle ermöglichen eine bewusste chirurgische Praxis und Wiederholung in einer Umgebung, in der Fehler vergeben werden können und nicht zu einem Schaden für den Patienten führen3,4. Diese Ausbildung führt zur Entwicklung verbesserter chirurgischer Expertise sowie technischer und Urteilsvermögensfähigkeiten. Begrenzte Ressourcen und die Seltenheit bestimmter Herzerkrankungen können es jedoch nahezu unmöglich machen, das gewünschte Maß an Wiederholung und Visualisierung zu erreichen. Um diesem Ressourcenmangel Rechnung zu tragen, hat die Nutzung von Simulationen für den Unterricht zugenommen2,3. Zu den häufig verwendeten Simulations- oder Modellierungstechniken gehören menschliche Kadaver, tierische Gewebe, Virtual-Reality-Modelle (VR) und 3D-gedruckte Modelle.
Leichengewebe wurde in der Vergangenheit als Goldstandard für chirurgische Simulationen angesehen, mit tierischem Gewebe an zweiter Stelle. Kadaver und tierische Gewebe können High-Fidelity-Simulationen erzeugen, da sie die anatomische Struktur von Interesse, alle umgebenden Gewebe enthalten und Perfusionstechniken zur Simulation des Blutflusses ermöglichen4. Trotz der Vorteile von Gewebemodellen gibt es Nachteile. Einbalsamiertes Gewebe erfährt eine verminderte mechanische Nachgiebigkeit, was einige Operationen unrealistisch und schwierig durchzuführen macht. Gewebe erfordern ständige Wartung, spezifische Einrichtungen, sind nicht wiederverwendbar2, können teuer zu beschaffen sein3 und waren in der Vergangenheit Gegenstand ethischer Bedenken. Am wichtigsten ist, dass angeborene Herzerkrankungen in Leichenproben einfach nicht verfügbar sind.
VR- und 3D-gedruckte Modelle5,6,7,8,9,10 bieten eine weitere Option für Herzbildung, Simulation und Modellierung, um die Erstellung präoperativer Pläne zu unterstützen. Diese Modelle reduzieren die Mehrdeutigkeit, die mit der vielfältigen visuell-räumlichen Fähigkeit eines Benutzers verbunden ist, 2D-Bilder als 3D-Struktur zu interpolieren10,11. Die virtuelle Umgebung kann chirurgische Werkzeuge enthalten, die manipuliert werden können und mit Modellen interagieren können, so dass Chirurgen und Kollegen hand-augen-Koordination, Feinmotorik und Vertrautheit mit einigen Verfahren entwickeln können4. Es wurde festgestellt, dass aktuelle beliebte 3D-Drucktechnologien, einschließlich Fused Deposition Modeling (FDM), Stereolithographie (SLA), selektives Lasersintern (SLS) und Polyjet, Modelle mit Submillimetergenauigkeit erzeugen13. Sowohl VR- als auch 3D-gedruckte Modelle sind wiederverwendbar und können extrem detailliert sein. Modelle können sogar aus radiologischen Bildgebungsdaten des Patienten generiert werden, was zu Repliken der Anatomie des Patienten führt. Trotz der vielen Vorteile eines VR- oder 3D-gedruckten Modells greifen sie zu kurz, wenn die Kosten und haptischen Treueanforderungen einer angeborenen Herzoperation berücksichtigt werden. Die Einrichtung einer VR-Umgebung ist mit hohen Kosten verbunden, und VR-Umgebungen können kein reales haptisches Feedback liefern. Während sich die Haptik-Fidelity-Technologie verbessert, hemmt die aktuelle Lücke die Fähigkeit eines Schülers, sich mit den feinmotorischen Fähigkeiten vertraut zu machen, die für die Durchführung von Eingriffen erforderlich sind4. In ähnlicher Weise können die Kosten für den 3D-Druck je nach Art der verwendeten 3D-Drucktechnologie recht hoch sein, da der Kaufpreis des Druckers und die Druckmaterialkosten berücksichtigt werden müssen11,14. Ein einzelnes High-Fidelity-Herzmodell mit realistischem haptischem Feedback kann mit einem High-End-Drucker hergestellt werden, kostet aber allein an Material Hunderte von Dollar mit einem Druckerkaufpreis von über 100.000 USD15. Ein Herzmodell, das mit einem Filament mit einer Shore-Härte von 26-28 A hergestellt wurde, kostete etwa 220 USD pro Modell16. Alternativ stehen viele kostengünstige 3D-Drucker und -Technologien zur Verfügung, die einen Druckerkaufpreis von weniger als 5.000 USD haben. Die durchschnittlichen Materialpreise für ein Herzmodell, das auf einem kostengünstigen FDM-Drucker erzeugt wurde, betrugen etwa 3,80 USD bei Verwendung eines Materials mit einer Shore-Härte von 82 A und 35 USD bei einem Material mit einer Shore-Härte von 95 A15,16. Während diese Maschinen eine kostengünstige Lösung bieten, geht dies auf Kosten der haptischen Wiedergabetreue.
Während VR und 3D-Druck eine detaillierte visuelle und konzeptionelle Bewertung einer Herzerkrankung ermöglichen können, ist der hohe Preis, der mit der Erstellung eines Modells für die praktische chirurgische Simulation verbunden ist, oft ein erhebliches Hindernis. Eine Lösung ist die Verwendung von Silikon zur Erstellung eines physikalisch und texturell genauen Herzmodells. Patientenspezifische Silikonmodelle können ein tieferes Verständnis der einzigartigen Anatomie ermöglichen, indem sie es Chirurgen ermöglichen, ein Verfahren zu sehen, zu fühlen und sogar zu üben, während sie ein realistisches haptisches Feedback in einer Umgebung erfahren, die ein minimales Risiko für einen Patienten darstellt und keine Konsequenzen hat, wenn das Verfahren nicht erfolgreich ist9. Silicon Molding hat sich als eine effektive Methode zur Modellierung der menschlichen Anatomie erwiesen, die Modelle mit physikalischen Eigenschaften erzeugt, die deutlich näher am realen Gewebe liegen als Modelle, die durch kostengünstigen 3D-Druck erzeugt werden17. Scanlan et al. verglichen die Eigenschaften von kostengünstigem 3D-Druck mit silikongeformten Herzklappen, um die Ähnlichkeit mit echtem Gewebe zu bewerten; Die Studie ergab, dass die physikalischen Eigenschaften der Silikonventile zwar keine exakte Nachbildung von echtem Gewebe waren, die Eigenschaften jedoch den 3D-gedruckten Ventilen weit überlegen waren17. Das in der Studie verwendete 3D-Druckmaterial gehört zu den weichsten Materialien, die für kostengünstige 3D-Drucker verfügbar sind, und besitzt eine Shore-Härte zwischen 26 und 28 A18. Das platinhärtende Silikon, das für die Verwendung im folgenden Protokoll empfohlen wird, hat eine Shore-Härte von 2 A, die der Shore-Härte von Herzgewebe, 43 auf der 00-Skala oder ungefähr 0 A19,20, weit näher kommt. Dieser Unterschied ist signifikant, da die Silikonmodelle ein high-fidelity feinmotorisches Training ermöglichen, das die direkt 3D-gedruckten Materialien nicht erreichen. Die Gesamtmaterialkosten für das in diesem Protokoll vorgeschlagene Modell betragen weniger als 10 USD. Die vorgeschlagenen Silikonmodelle kombinieren die Weichteileigenschaften, die für ein realistisches haptisches Feedback erforderlich sind, mit der Vielseitigkeit und Präzision kostengünstiger 3D-gedruckter Modelle.
Während die Vorteile von Silikon es zur offensichtlichen Wahl für die Modellerstellung zu machen scheinen, wurde die Verwendung von Silikon durch die Anatomie, die geformt werden kann, eingeschränkt. Frisch gemischtes Silikon ist eine Flüssigkeit, die eine Form benötigt, um sie während der Aushärtung in der gewünschten Form zu halten. Historisch gesehen konnten Silikon-Herzformen nur Details der äußeren Oberfläche des Modells enthalten. Intraherzielle Details, einschließlich der gesamten Blutpoolregion, würden mit Silikon gefüllt und verloren gehen. Frühere Studien haben Silikonmodelle für bestimmte Interessengebiete innerhalb des Herzens (z. B. Aortenwurzel21) erreicht oder eine extrapolatorische Methode zur Simulation von Myokardgewebe verwendet22. Dieses Protokoll ist neuartig, da es versucht, die Verwendung von Silikonmaterial mit hochauflösender anatomischer, vollständiger Myokardsimulation zu kombinieren – insbesondere um jede Extrapolationsmethode zu vermeiden. Unseres Wissens hat kein beschreibendes Manuskript eine Methodik geliefert, die diese Aspekte kombiniert. Die in diesem Protokoll beschriebene Methode führt eine Technik ein, um ein patientenspezifisches Herzmodell mit intraherzieller anatomischer Replikation zu erreichen, die genau genug für die chirurgische präoperative Praxis ist. Die Methode beinhaltet die Schaffung einer Myokardform, um das Silikon während der Aushärtung in der richtigen Form zu halten, und einer inneren Form, um die inneren, intraherzialen Details des Modells zu erhalten und zu verhindern, dass das Silikon die Blutpoolregion des Herzens ausfüllt. Die innere Form muss dann aufgelöst werden, so dass ein ganzes Silikon-Herzmodell mit patientenspezifischer Anatomie auf der äußeren und inneren Oberfläche verbleibt. Ohne das hier vorgeschlagene Protokoll der Erstellung von Herzmodellen gibt es keine kostengünstige Lösung, um den chirurgischen Eingriff mit einem Material zu simulieren, das die tatsächlichen Gewebeeigenschaften des Myokards nachahmt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nach Abschluss des Protokolls sollte sich ein patientenspezifisches Silikon-Herzmodell zur chirurgischen Vorbereitung ergeben. Es gibt jedoch mehrere kritische Schritte, die korrekt ausgeführt werden müssen, damit dies erreicht werden kann. Eine Zusammenfassung der kritischen Schritte im Protokoll kann in Supplementary File 2 eingesehen werden, ebenso wie mögliche Ergebnisse, wenn die Schritte nicht korrekt ausgeführt werden. Der erste kritische Schritt beinhaltet die Segmentierung der radiologischen Bildgebungsdaten des Patienten. Dieser Schritt erfordert die Erfassung eines diagnostischen 3D-Bildgebungsdatensatzes. Der Modellnutzen in der präoperativen Planung oder Ausbildung hängt von der Qualität des 3D-Datensatzes ab. Es wird empfohlen, einen Bildsatz zu verwenden, der mit einer Scheibengröße zwischen 0,625 mm und 2,6 mm gesammelt wurde, um sicherzustellen, dass der Datensatz eine angemessene Auflösung für die Modellproduktion aufweist. Alle Bildgebungsparameter sollten jedoch von einem klinischen Experten für Radiologie festgelegt werden, wobei die Patientenversorgung prioritätsmäßig ist. Es sollte beachtet werden, dass es möglich sein kann, ein Modell aus einem Bildsatz zu erstellen, der mit einer Slice-Größe außerhalb der empfohlenen Werte gesammelt wurde, aber die Modellauflösung und -qualität wird negativ beeinflusst. Wenn die Segmentierung nach dem Erhalten von Bildern nicht korrekt durchgeführt wird, wird sie in der Regel erst realisiert, wenn das endgültige Modell hergestellt und geschnitten wird, was zu einem Zeit- und Materialverlust führt. Um dieses negative Ergebnis zu vermeiden, wird empfohlen, dass ein Fachexperte die segmentierten Dateien überprüft, bevor die digitalen Formen zur Qualitätskontrolle erstellt werden. Der nächste kritische Schritt erfolgt bei der Erstellung der digitalen Formen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Myokardkoffer um das Blutpoolmodell herum zusammengesetzt werden kann. Wenn sich das Gehäuse nicht um den Blutpool schließt, kann es nicht zur Erstellung des Silikonmodells verwendet werden, da nicht ausgesetztem Silikon ständig austritt und die Anatomie verzerrt sein könnte. Ein handgeführtes Rotationsschleifwerkzeug kann nur dann verwendet werden, um Teile der Myokardform leicht zu entfernen, wenn kleine Anpassungen erforderlich sind. Wenn große Anpassungen erforderlich sind, muss die digitale Form geändert und ein aktualisierter Koffer gedruckt werden. Der letzte kritische Schritt ist das Gießen des Silikons. Bei der Verwendung des Silikons ist die strikte Einhaltung der Materialanweisungen erforderlich, da dies zu Silikon führen kann, das mit einer klebrigen Oberfläche aushärtet. Wenn die Oberfläche für die Verwendung durch das KMU als zu klebrig erachtet wird, muss das Blutbecken möglicherweise erneut bedruckt werden, wenn es nicht erfolgreich aus dem Silikon entfernt werden kann. Das Silikon muss erneut gegossen werden, was zu einem Zeit- und Materialverlust führt. Wenn nicht genügend Silikon verwendet wird oder das Silikon während des Absetzvorgangs aus der Myokardgehäuseform austritt, ist das resultierende Modell unvollständig. Dieser Fehler kann durch Mischen und Gießen von zusätzlichem Silikon in die Form behoben werden. Ein Material wie Heißkleber oder Ton kann verwendet werden, um die Nähte der Myokardgehäuseform zu versiegeln, wenn während des Aushärtungsprozesses eine kleine Menge Silikon durchzutreten scheint.
Diese Methode zur Erstellung patientenspezifischer Silikon-Herzmodelle kann modifiziert werden, um die Erstellung eines Modells einer beliebigen weichen anatomischen Struktur mit patientenspezifischer oder komplexer innerer und äußerer Geometrie zu ermöglichen. Unter der Annahme, dass die Zielanatomie korrekt segmentiert ist, könnten die verbleibenden Schritte des Protokolls mit minimalen Änderungen befolgt werden. Obwohl nicht der Schwerpunkt der aktuellen Arbeit, wurde das Protokoll mit ähnlichem Erfolg auf Leberparenchym angewendet. Das verwendete 3D-Druckmaterial kann auch modifiziert werden. ABS und PLA werden aufgrund ihrer geringen Kosten für die Verwendung empfohlen, aber jedes auflösbare 3D-Druckmaterial kann den Platz von ABS einnehmen, und jedes wünschenswerte 3D-Druckmaterial kann den Platz von PLA mit minimaler oder keiner Änderung des Protokolls einnehmen. Alle vom Filamenthersteller angegebenen Druckparameter sollten bei der Verwendung anderer Druckmaterialien befolgt werden. Dieses Verfahren kann durch die Verwendung eines anderen Silikons weiter modifiziert werden. Das für die Verwendung in diesem Protokoll empfohlene Silikon hat eine Shore-Härte von 2 A, aber wenn ein anderer Shore-Härtewert wünschenswert ist, kann ein anderes Silikon mit minimaler oder keiner Änderung des Protokolls ersetzt werden. Achten Sie darauf, alle Herstellungsspezifikationen und -verfahren einzuhalten, wenn Sie ein anderes Silikonprodukt verwenden.
Während dieses Protokoll ein verbessertes kardiales Modellierungsverfahren skizziert, ist es nicht ohne Einschränkungen. Die Haupteinschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass das verwendete platinhärtende Silikon zwar näher an der Härte des Herzgewebes liegt als andere verfügbare Materialien, die Härte jedoch nicht die einzige Eigenschaft ist, die eine Rolle bei der Feinmotorik des chirurgischen Trainings spielt. Insbesondere echtes Herzgewebe zeigt Brüchigkeit oder Reißen unter Gewalt. Das verwendete Silikon ist sehr elastisch, mit einer Bruchdehnung von 763% und einer Zugfestigkeit von 1.986 kPa19. Porcines Herzgewebe, von dem angenommen wird, dass es sich um eine genaue Darstellung des menschlichen Herzgewebes handelt, hat eine Bruchdehnung von 28-66% und eine Zugfestigkeit von 40-59 kPa26. Dieser Unterschied stellt ein Problem dar, da herzchirurgische Kollegen eine Übungsoperation an einem Silikonmodellherz durchführen und ein falsches Gefühl des Vertrauens gewinnen können, da das Modell Kräften standhalten kann, die echtes Herzgewebe nicht kann. Diese Methodik hat auch das Potenzial, durch ein Herzmodell mit sehr komplexer Geometrie eingeschränkt zu werden. Wenn die anatomische Komplexität des Modells zunimmt, kann das Protokoll kompensieren, indem es die Anzahl der Teile in der Myokardform erhöht. Im Wesentlichen erfordern immer komplexere Modelle immer komplexere Formkonstruktionen und eine längere Konstruktionszeit.
Der in diesem Protokoll beschriebene Modellerstellungsprozess ist vielen der anderen verfügbaren Alternativen überlegen, da er kostengünstige exakte anatomische Repliken der chirurgisch angetroffenen Anatomie nachbilden kann. Leichen- und Tiergewebe ermöglichen High-Fidelity-Simulationen, aber sie haben viel höhere Kosten und erfordern spezifische Laboreinrichtungen, die verwendet und gewartet werden müssen2,6. Darüber hinaus haben Leichen- und Tiergewebemodelle ethische Bedenken, sind nicht patientenspezifisch und komplexe KHK müssen oft manuell von einem Chirurgen oder Ausbilder hergestellt werden, was oft zu Ungenauigkeiten oder Schäden an den umliegenden Geweben und Organen führt. Eine weitere mögliche Modellierungstechnik ist der Einsatz von Virtual Reality. Virtual Reality ermöglicht die digitale Replikation patientenspezifischer Herzmodelle, was ein effektives Werkzeug zur Erstellung genauer mentaler Darstellungen der Anatomie und der Operationspläne des Patienten ist. Darüber hinaus haben einige VR-Systeme grundlegende Simulationen mit der Einbeziehung von haptischem Feedback ermöglicht. Dem verfügbaren haptischen Feedback fehlt jedoch der Realismus, der notwendig ist, um die notwendigen feinmotorischen Fähigkeiten für angeborene Herzoperationen zu replizieren4. Der 3D-Druck ist eine weitere verfügbare Methode zur Herstellung patientenspezifischer Herzmodelle2,24. Die weit verbreitete Implementierung von High-Fidelity-3D-Druckern, die in der Lage sind, Multi-Material-Soft-Modelle herzustellen, wird jedoch durch ihre extrem hohen Kosten gehemmt11,14,15. Kostengünstige 3D-Drucker sind verfügbar, können aber nur in Materialien drucken, die viel fester sind als echtes Myokard. Als eines der weichsten verfügbaren Materialien für einen 3D-Drucker verwendet wurde, um ein Modell von Scanlan et al. zu erstellen, erwies sich das Modell als fester als echtes Herzgewebe17. Das beschriebene Material hatte eine Shore-Härte zwischen 26 A und 28 A, was ihm eine Textur ähnlich einem Gummiband verleiht. Das platinvernetzte Silikon, das in diesem Protokoll verwendet wird, hat eine Shore-Härte von 2 A, was ihm eine Textur ähnlich einem Gelschuheinsatz verleiht und der Härte des realen Herzgewebes, die 43 00 beträgt, viel näher kommt.20 oder ~0 A. Hoashi et al. verwendete auch eine ähnliche Methode wie die in diesem Protokoll beschriebene, um ein flexibles 3D-gedrucktes Herzmodell zu entwickeln. Zwei Formen, die die innere und äußere Myokardgeometrie darstellen, wurden mit einem SLA-Drucker in 3D gedruckt, gefolgt von einem Vakuumguss eines gummiartigen Polyurethanharzes. Während diese Methode ein weiches Herzmodell erzeugte, betrugen die vorgeschlagenen Produktionskosten dieser Methode pro Modell 2.000 bis 3.000 USD.22. Im Vergleich dazu betragen die Gesamtmaterialkosten der im vorgestellten Protokoll beschriebenen Methode weniger als 10 USD. Schließlich wurde eine ähnliche Methode auch von Russo et al. verwendet.. Silikonmodelle der Aortenklappe und der proximalen Aorta für die verfahrenstechnische Praxis zu erstellen. Während die Russo et al.. Die Methode konzentriert sich auf ein ähnliches Ziel, ihr vorgestellter Prozess zielt darauf ab, weitaus einfachere Anatomien der Aorta oder der Aortenklappen zu replizieren. Das hier vorgestellte Protokoll unterscheidet sich dadurch, dass es sich auf intrakardiale und myokardiale Anatomien konzentriert, die kleiner und komplexer sind und angesichts historischer Methoden extrem schwer zu replizieren wären. Trotz dieses Unterschieds sind die von Russo et al. erstellten Modelle. waren sehr nützlich für die Simulation und Ausbildung in der Herzchirurgie durch befragte Herzchirurgen23. Im Wesentlichen ermöglicht die in diesem Protokoll beschriebene Methode die kostengünstige Erstellung komplexer, patientenspezifischer angeborener Herzmodelle mit genau dargestellten Defekten und Materialeigenschaften, die dem realen Herzgewebe ähnlicher sind als andere Modellierungsmethoden.1,16, so dass Modelle mit einer realistischen haptischen Wiedergabetreue bedient werden können.
In Zukunft könnte diese Methodik auf die Bildung eines Modells jeder Patientenanatomie mit komplexen internen und externen Merkmalen angewendet werden. Die Entwicklung eines alternativen Blutpoolmaterials, das weniger destruktiv aus dem Silikonmodell entfernt oder mit einer weniger zeitaufwendigen Methode hergestellt werden könnte, würde den Prozess zeit- und kosteneffizienter machen. Dadurch müsste nicht für jeden nachfolgenden Formprozess ein neuer Blutpool reproduziert werden, was zur Skalierbarkeit des damit verbundenen Trainings führt. Die physikalischen Eigenschaften des Silikons, das zur Herstellung des Modells verwendet wurde, könnten ebenfalls verbessert werden. Silikon mit weniger Bruchdehnung würde den Realismus des Modells erhöhen und dazu beitragen, seinen Wert als pädagogisches Werkzeug für herzchirurgische Kollegen zu verbessern, die versuchen, die notwendigen Feinmotorikfähigkeiten für die Durchführung dieser komplexen Verfahren zu erlernen. Eine Gruppe von Materialien, die derzeit auf dem Markt sind und eine Überlegung wert sind, um diese Lösung zu unterstützen, sind silikonsimulierte Glasmaterialien25. Diese Silikonmaterialien weisen eine viel geringere Bruchdehnung auf, was zu einem deutlichen “Zerbrechen” bei Krafteinwirkung ähnlich wie bei Glas führt. Die Modulation des in diesem Protokoll verwendeten platinhärtenden Silikons mit Zusätzen dieses silikonsimulierten Glasmaterials kann die Kontrolle der Brüchigkeitseigenschaften des Modells ermöglichen und gleichzeitig die entsprechende Shore-Härte beibehalten, wodurch die allgemeine haptische Wiedergabetreue verbessert wird. Schließlich ist die Auflösung der Anatomie, die dieses Protokoll erzeugen kann, durch die Auflösung des 3D-Druckers begrenzt, der zur Erzeugung der Formen verwendet wird. Da sich die Technologie weiter verbessert, sollte sich auch die Auflösung der Anatomie, die mit diesem Protokoll erstellt werden kann, verbessern.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken OSF HealthCare für die Ermöglichung dieser Studie sowie Dr. Mark Plunkett für sein verfahrenstechnisches Wissen und die Anwendung von Fähigkeiten auf unser Endprodukt.
Materials
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