יצירת מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל עם יישומים בתוכניות טרום ניתוחיות והכשרה מעשית
Summary
מודלים ספציפיים למטופל משפרים את הביטחון של המנתחים ואת המנתחים בעת פיתוח או למידה של תוכניות כירורגיות. מדפסות תלת-ממדיות (תלת-ממדיות) מפיקות פרטים מתאימים להכנה כירורגית, אך אינן מצליחות לשכפל אמינות הפטית של רקמות. מוצג פרוטוקול המפרט את יצירתם של מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל, המשלבים דיוק הדפסה תלת-ממדי עם רקמת סיליקון מדומה.
Abstract
מודלים תלת ממדיים יכולים להיות כלי בעל ערך עבור מנתחים כאשר הם מפתחים תוכניות כירורגיות ועמיתים רפואיים כשהם לומדים על מקרים מורכבים. בפרט, מודלים תלת-ממדיים יכולים למלא תפקיד חשוב בתחום הקרדיולוגיה, שבו מתרחשות מחלות לב מולדות מורכבות. בעוד שמדפסות תלת-ממד רבות יכולות לספק דגמים נכונים ומפורטים מבחינה אנטומית, חומרי הדפסה תלת-ממדיים קיימים אינם מצליחים לשכפל מאפייני רקמת שריר הלב ויכולים להיות יקרים ביותר. פרוטוקול זה נועד לפתח תהליך ליצירת מודלים ספציפיים למטופל של מומים מולדים מורכבים בלב באמצעות סיליקון בעלות נמוכה התואם באופן הדוק יותר את תכונות שריר הלב. עם נאמנות מודל משופרת, אימון פרוצדורלי כירורגי בפועל יכול להתרחש לפני ההליך. יצירה מוצלחת של מודלים לבביים מתחילה עם פילוח של תמונות רדיולוגיות כדי ליצור בריכת דם וירטואלית (דם הממלא את חדרי הלב) ועובש רקמת שריר הלב. בריכת הדם ועובש שריר הלב הם תלת-ממד המודפסים בסטירן בוטאדין (ABS), פלסטיק שניתן להמיס באצטון. התבנית מורכבת סביב בריכת הדם, ויוצרת חלל שלילי המדמה את שריר הלב. סיליקון עם קשיות חוף של 2A נשפך לחלל השלילי ומותר לרפא. עובש שריר הלב מוסר, ואת הדגם הנותר סיליקון / בריכת דם שקוע אצטון. התוצאה של התהליך המתואר היא מודל פיזי שבו כל תכונות הלב, כולל פגמים תוך-לבביים, מיוצגים עם תכונות רקמות מציאותיות יותר והן קרובות יותר מאשר גישת הדפסה תלת-ממדית ישירה. התיקון הכירורגי המוצלח של דגם עם פגם במחיצה חדרית (VSD) באמצעות תיקון GORE-TEX (התערבות כירורגית סטנדרטית לפגם) מדגים את התועלת של השיטה.
Introduction
כמעט 1 מכל 100 ילדים בארצות הברית נולדים עם מומים מולדים בלב (CHD). בשל הנטייה של אמהות עם CHDs להביא ילדים עם CHDs, יש ציפייה כי השיעור עשוי להכפיל את עצמו במהלך שבעת הדורות הבאים1. אמנם לא כל CHD נחשב מורכב או חמור, ציפייה הצמיחה הכללית מצביעה על כך שיש מוטיבציה לשפר את הטכנולוגיה ואת ההליכים המסוגלים לטפל בטיפול CHD. ככל שהטכנולוגיה משתפרת, מנתחי לב מביעים לעתים קרובות נכונות להתמודד עם הליכים מורכבים יותר. נכונות זו הובילה למספר גדל וגביר של הליכי לב מורכבים, מה שהוביל את הצורך בטכניקות מתקדמות יותר של תכנון כירורגי וחינוך. בתורו, זה משאיר מנתחי לב הזקוקים מודלים מדויקים מאוד, ספציפיים למטופל ועמיתים כירורגיים לב הזקוקים שיטות אימון יעילות מאוד.
ניתוח לב מולד הוא אחד הדיסציפלינות הניתוחיות התובעניות ביותר מבחינה טכנית בשל גודלם הקטן של המטופלים, המורכבות של חריגות הלב, ואת נדירות של כמה חריגות2. במקרים הקיצוניים ביותר, ילד עשוי להיוולד עם חדר אחד. אין זה נדיר עבור המנתח לקחת כלי בקוטר 2.0 מ”מ ולתקן אותו עם קרום הלב קבוע כדי ליצור כלי 1.0 ס”מ המאפשר לתינוק לגדול בהליך מציל חיים זה – כל זאת בזמן מתחת לשעון, כמו התינוק הוא במעצר מחזור דם מלא. בין הלב הרגיל של ארבעה תאים ודוגמאות קיצוניות אלה הן אינספור אפשרויות של גודל החדר ומיקומי שסתום המהווים חידות תלת-ממדיות מורכבות מאוד. תפקידו של צוות הלב מולד הוא להתוות בבירור את האנטומיה הייחודית ולפתח תוכנית להגדיר מחדש את הרקמה האורגנית ללב פונקציונלי שיאפשר לילד לגדול עם הסיכוי הטוב ביותר לחיים נורמליים. מודלים מדויקים מאפשרים תרגול כירורגי מכוון וחזרה בסביבה שבה ניתן לסלוח על טעויות ולא לגרום נזק למטופל3,4. הכשרה זו מובילה לפיתוח מומחיות כירורגית משופרת, כמו גם מיומנויות טכניות ושיפוטיות. עם זאת, משאבים מוגבלים ונראות של מחלות לב מסוימות יכולים להפוך את השגת הרמה הרצויה של חזרה והדמיה כמעט בלתי אפשרית. כדי לעזור להסביר את חוסר המשאבים הזה, חלה עלייה בניצול סימולציות לחינוך2,3. טכניקות סימולציה או מידול נפוצות כוללות גופות אנושיות, רקמות בעלי חיים, מודלים של מציאות מדומה (VR) ומודלים מודפסים בתלת-ממד.
רקמת קדאוורית נחשבה היסטורית לסטנדרט הזהב לסימולציה כירורגית, עם רקמת בעלי חיים שניה קרובה. גופות ורקמות בעלי חיים יכולות לייצר סימולציות נאמנות גבוהות מכיוון שהן מכילות את המבנה האנטומי של העניין, את כל הרקמות שמסביב, ומאפשרות טכניקות זלוף כדי לדמות את זרימת הדם4. למרות היתרונות של מודלים רקמה, ישנם חסרונות. רקמה חנוט חוויות ציות מכני מופחת, מה שהופך כמה פעולות לא מציאותי וקשה לביצוע. רקמות דורשות תחזוקה מתמדת, מתקנים ספציפיים, אינם ניתנים שימוש חוזר2, יכול להיות יקר כדי להשיג3, והיסטורית היו הנושא של חששות אתיים. והכי חשוב, מחלות לב מולדות פשוט לא זמינות בדגימות קדוויות.
מודלים מודפסים VR ותלת-ממד5,6,7,8,9,10 מספקים אפשרות נוספת לחינוך לבבי, סימולציה ודוגמנות כדי לסייע ביצירת תוכניות טרום ניתוחיות. מודלים אלה מפחיתים את העמימות הקשורה ליכולת המרחבית המגוונת של המשתמש לבצע אינטרפולציה של תמונות 2D כמבנה תלת-ממדי10,11. הסביבה הווירטואלית יכולה להכיל כלים כירורגיים שניתן לתמרן ולקיים אינטראקציה עם מודלים, המאפשרים למנתחים ועמיתים לפתח תיאום עין-יד, מיומנויות מוטוריות עדינות והיכרות עם כמה הליכים4. טכנולוגיות ההדפסה התלת-ממדיות הפופולריות הנוכחיות, כולל מידול תצהיר מותך (FDM), סטריוליתוגרפיה (SLA), סינטרינג לייזר סלקטיבי (SLS) ופוליג’ט נמצאו כדי לייצר דגמים עם דיוק submillimeter13. הן דגמי VR והן דגמים מודפסים בתלת-ממד ניתנים ל שימוש חוזר ויכולים להיות מפורטים ביותר; מודלים יכולים אפילו להיווצר מנתוני הדמיה רדיולוגית של המטופל, וכתוצאה מכך העתקים של האנטומיה של המטופל. למרות היתרונות הרבים של מודלים מודפסים VR או 3D, הם נופלים כאשר העלות ודרישות הנאמנות הפטי של ניתוח לב מולד נחשבים. להגדרה של סביבת מציאות מדומה יש עלות גבוהה, וסביבות מציאות מדומה אינן יכולות לספק משוב הפטי מהעולם האמיתי. בעוד שטכנולוגיית הנאמנות הפטי משתפרת, הפער הנוכחי מעכב את יכולתו של התלמיד להכיר את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים לביצוע הליכים4. באופן דומה, בהתאם לסוג טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית בה נעשה שימוש, העלות של הדפסה בתלת-ממד יכולה להיות גבוהה למדי, שכן יש לשקול את מחיר רכישת המדפסת ואת עלות חומר ההדפסה. דגם לב אחד בעל אמינות גבוהה עם משוב הפטי מציאותי יכול להיות מיוצר באמצעות מדפסת יוקרתית אך יעלה מאות דולרים בחומר בלבד עם מחיר רכישת מדפסת מעל 100,000 USD15. דגם לב המיוצר באמצעות חוט עם קשיות חוף של 26-28 A נמצא לעלות כ 220 דולר לדגם16. לחלופין, מדפסות וטכנולוגיות תלת-ממד רבות בעלות נמוכה זמינות בעלות נמוכה בעלות של מחיר רכישת מדפסת של פחות מ- 5,000 דולר. מחירי החומר הממוצעים עבור דגם לב שנוצר במדפסת FDM בעלות נמוכה נמצאו כ-3.80 דולר ארה”ב באמצעות חומר עם קשיות חוף של 82 A ו-35 USD באמצעות חומר עם קשיות חוף של 95 A15,16. בעוד מכונות אלה מציעות פתרון בעלות נמוכה, זה בא על חשבון נאמנות הפטי.
בעוד שהדפסת מציאות מדומה ותלת-ממד יכולות לאפשר הערכה חזותית ורעיונית מפורטת של מצב לבבי, המחיר הגבוה הקשור לייצור מודל לסימולציה כירורגית מעשית הוא לעתים קרובות מחסום משמעותי. פתרון אחד הוא השימוש בסיליקון כדי ליצור מודל לב מדויק פיזית וטקסטואלית. מודלים של סיליקון ספציפיים למטופל יכולים להקל על הבנה עמוקה יותר של האנטומיה הייחודית על ידי מתן אפשרות למנתחים לראות, להרגיש ואפילו לתרגל הליך תוך חוויה של משוב הפטי מציאותי בסביבה הכרוכה בסיכון מינימלי למטופל ואין לה השלכות אם ההליך אינו מוצלח9. עיצוב סיליקון הוכח להיות שיטה יעילה מודל אנטומיה אנושית המייצרת מודלים עם תכונות פיזיות כי הם קרובים באופן משמעותי לרקמה אמיתית מאשר מודלים שנוצרו הדפסה 3D בעלות נמוכה17. Scanlan ואח ‘, השווה את המאפיינים של עלות נמוכה 3D מודפס סיליקון יצוק שסתומי לב כדי להעריך דמיון לרקמה אמיתית; המחקר מצא כי בעוד המאפיינים הפיזיים של שסתומי הסיליקון לא היו העתק מדויק של רקמה אמיתית, המאפיינים היו עדיפים בהרבה על שסתומים מודפסים 3D17. חומר ההדפסה התלת-ממדי המשמש במחקר הוא בין החומרים הרכים ביותר הזמינים עבור מדפסות תלת-ממד בעלות נמוכה ובעל קשיות חוף בין 26 ל-28 A18. סיליקון תרופת פלטינה המומלץ לשימוש בפרוטוקול להלן יש קשיות חוף של 2 A אשר קרוב הרבה יותר קשיות החוף של רקמת הלב, 43 בסולם 00, או כ 0 A19,20. הבדל זה משמעותי מכיוון שמודלים של סיליקון מאפשרים אימון מיומנות מוטורית עדינה בעלת אמינות גבוהה שהחומרים המודפסים בתלת-ממד אינם משיגים. העלות החומרית הכוללת עבור המודל המוצע בפרוטוקול זה היא פחות מ- 10 USD. דגמי הסיליקון המוצעים משלבים את תכונות הרקמות הרכות הדרושות למשוב הפטי מציאותי עם הרבגוניות והדיוק של דגמים מודפסים בתלת-ממד בעלות נמוכה.
בעוד היתרונות של סיליקון עשוי להיראות להפוך אותו הבחירה הברורה ליצירת מודל, השימוש בסיליקון הוגבל על ידי האנטומיה שניתן לעצב. סיליקון מעורב טרי הוא נוזל הדורש עובש להחזיק אותו בצורה הרצויה כפי שהוא מרפא. מבחינה היסטורית, תבניות לב סיליקון יכול להכיל רק פרטים של פני השטח החיצוניים של המודל. פרטים תוך-לבביים, כולל כל אזור בריכת הדם, יהיו מלאים בסיליקון ויאבדו. מחקרים קודמים השיגו מודלים סיליקון של תחומי עניין ספציפיים בתוך הלב (למשל, שורש אבי העורקים21) או השתמשו בשיטה אקסטרפולטורית כדי לדמות רקמת שריר הלב22. פרוטוקול זה הוא חדשני כפי שהוא מבקש לשלב את השימוש בחומר סיליקון עם סימולציה אנטומית ברזולוציה גבוהה, שריר הלב מלא – במיוחד הימנעות מכל שיטה של אקסטרפולציה. למיטב ידיעתנו, שום כתב יד תיאורי לא סיפק מתודולוגיה המשלבת היבטים אלה. השיטה המתוארת בפרוטוקול זה מציגה טכניקה להשגת מודל לב ספציפי למטופל עם שכפול אנטומי תוך-לב מדויק מספיק לתרגול ניתוחי לפני הניתוח. השיטה כוללת יצירת תבנית שריר הלב כדי להחזיק את הסיליקון בצורה הנכונה כפי שהוא מרפא עובש פנימי כדי לשמר את הפרטים הפנימיים, תוך-לב של המודל ולמנוע את הסיליקון מלמלא את אזור בריכת הדם של הלב. לאחר מכן יש להמיס את התבנית הפנימית, ולהשאיר מודל לב סיליקון שלם עם אנטומיה ספציפית למטופל על המשטחים החיצוניים והפנימיים. ללא הפרוטוקול המוצע של יצירת מודל לב כאן, אין פתרון בעלות נמוכה קיים כדי לדמות את ההליך הכירורגי עם חומר המחקה את מאפייני הרקמה בפועל של שריר הלב.
Protocol
Representative Results
Discussion
עם השלמת הפרוטוקול, מודל לב סיליקון ספציפי למטופל להכנה כירורגית צריך לגרום. עם זאת, ישנם מספר שלבים קריטיים שיש להשלים כראוי כדי שזה יושג. סיכום של השלבים הקריטיים בפרוטוקול ניתן לראות בקובץ המשלים 2, כמו גם תוצאות פוטנציאליות אם השלבים אינם מבוצעים כראוי. הצעד הקריטי הראשון כרוך בפילוח נתוני ההדמיה הרדיולוגית של המטופל. שלב זה דורש רכישה של ערכת נתונים של הדמיה תלת-ממדית אבחנתית. כלי מודל בתכנון טרום ניתוחי או חינוך תלוי באיכות ערכת הנתונים התלת-ממדית. מומלץ להשתמש בערכת תמונות שנאספה בגודל פרוסה בין 0.625 מ”מ ל-2.6 מ”מ כדי להבטיח שסט הנתונים יהיה ברזולוציה נאותה לייצור דגמים. עם זאת, כל פרמטרי ההדמיה צריכים להיקבע על ידי מומחה קליני ברדיולוגיה, כאשר הטיפול בחולים הוא בראש סדר העדיפויות. יש לציין כי ייתכן שניתן יהיה להפיק דגם מערכת תמונות שנאספו עם גודל פרוסה מחוץ לערכים המומלצים, אך רזולוציית הדגם ואיכותו יושפעו לרעה. לאחר קבלת תמונות, אם הפילוח אינו מבוצע כראוי, הוא בדרך כלל לא מתממש עד הדגם הסופי מיוצר לחתוך, וכתוצאה מכך אובדן זמן וחומרים. כדי למנוע תוצאה שלילית זו, מומלץ כי מומחה לנושא לסקור את הקבצים המפולחים לפני יצירת התבניות הדיגיטליות לבקרת איכות. השלב הקריטי הבא מתרחש במהלך יצירת התבניות הדיגיטליות. חשוב לוודא כי במקרה שריר הלב יוכל להיות מורכב סביב מודל בריכת הדם. אם המקרה לא נסגר סביב בריכת הדם, לא ניתן להשתמש בו כדי ליצור את מודל הסיליקון כמו סיליקון unset ידלוף ללא הרף החוצה, האנטומיה יכולה להיות מעוותת. כלי ליטוש סיבובי כף יד יכול לשמש כדי להסיר קלות חתיכות של עובש שריר הלב רק אם יש צורך בהתאמות קטנות. אם יש צורך בהתאמות גדולות, יהיה צורך לשנות את התבנית הדיגיטלית ולהדפיס מארז מעודכן. השלב הקריטי האחרון הוא שפיכת הסיליקון. הקפדה על הוראות חומריות היא הכרחית בעת השימוש בסיליקון, שכן כישלון לעשות זאת עלול לגרום סיליקון מרפא עם משטח דביק. אם המשטח נחשב דביק מדי לשימוש על ידי SME, ייתכן שיהיה צורך להדפיס מחדש את בריכת הדם אם לא ניתן להסיר אותה בהצלחה מהסיליקון. הסיליקון יצטרך להיות שפך מחדש, וכתוצאה מכך אובדן זמן וחומרים. אם נעשה שימוש בסיליקון לא מספיק או שהסיליקון דולף מתוך תבנית המארז שריר הלב במהלך תהליך ההגדרה, המודל המתקבל לא יהיה שלם. כישלון זה ניתן לתקן על ידי ערבוב ושופכת סיליקון נוסף לתוך התבנית. חומר כגון דבק חם או חימר יכול לשמש כדי לאטום את התפרים של עובש מקרה שריר הלב אם כמות קטנה של סיליקון נראה דולף דרך במהלך תהליך הריפוי.
שיטה זו של יצירת מודלים לב סיליקון ספציפיים למטופל ניתן לשנות כדי לאפשר יצירת מודל של כל מבנה אנטומי רך עם חולי ספציפי או מורכב גיאומטריה פנימית וחיצינית. בהנחה שאנטומיה היעד מפולחת כראוי, ניתן לעקוב אחר השלבים הנותרים של הפרוטוקול בשינוי מינימלי. אמנם לא המוקד של העבודה הנוכחית, הפרוטוקול הוחל על פרנשימה בכבד בהצלחה דומה. ניתן גם לשנות את חומר ההדפסה בתלת-ממד המנוצל. ABS ו PLA מומלצים לשימוש בשל העלות הנמוכה שלהם, אבל כל חומר הדפסה 3D מומס יכול לתפוס את המקום של ABS, וכל חומר הדפסה 3D רצוי יכול לתפוס את המקום של PLA עם מינימום או ללא שינוי לפרוטוקול. יש לעקוב אחר כל פרמטרי ההדפסה שצוינו על-ידי יצרן הסיבים בעת שימוש בחומרי הדפסה אחרים. שיטה זו יכולה להשתנות עוד יותר על ידי שימוש בסיליקון אחר. הסיליקון המומלץ לשימוש בפרוטוקול זה יש קשיות החוף של 2 A, אבל אם ערך קשיות החוף אחר רצוי, סיליקון אחר ניתן להחליף עם מינימום או ללא שינוי בפרוטוקול. הקפד לדבוק בכל מפרטי הייצור והנהלים בעת שימוש במוצר סיליקון אחר.
בעוד פרוטוקול זה מתאר הליך מידול לב משופר, זה לא ללא מגבלות. המגבלה העיקרית של פרוטוקול זה היא כי בעוד סיליקון תרופה פלטינה מנוצל קרוב יותר קשיות של רקמת לב מאשר חומרים זמינים אחרים, קשיות היא לא הנכס היחיד שממלא תפקיד במיומנות מוטורית עדינה של אימון כירורגי. בפרט, רקמת לב אמיתית תפגין פריכות או קרע תחת כוח. הסיליקון המנוצל הוא אלסטי מאוד, עם התארכות בהפסקה של 763% וכוח מתיחה של 1,986 kPa19. רקמת לב חזירית, אשר הוא האמין להיות ייצוג מדויק של רקמת הלב האנושית, יש התארכות בהפסקה של 28-66% וכוח מתיחה של 40-59 kPa26. הבדל זה מציג בעיה, כמו עמיתים כירורגי לב עשויים לבצע ניתוח בפועל על לב מודל סיליקון ולקבל תחושה כוזבת של ביטחון כי המודל יכול לעמוד בכוחות כי רקמת לב אמיתית לא יכול. למתודולוגיה זו יש גם פוטנציאל להיות מוגבל על ידי מודל לב עם גיאומטריה מורכבת מאוד. ככל שהמורכבות האנטומית של המודל גדלה, הפרוטוקול יכול לפצות על ידי הגדלת מספר החלקים בתבנית שריר הלב. בעיקרו של דבר, דגמים מורכבים יותר ויותר ידרשו עיצובי עובש מורכבים יותר ויותר וזמן תכנון מוגבר.
תהליך יצירת המודל המתואר בפרוטוקול זה עדיף על רבות מהחלופות הזמינות האחרות בשל יכולתו ליצור מחדש העתקים אנטומיים מדויקים בעלות נמוכה של אנטומיה שנתקלה בה בניתוח. רקמת קדאוורית ובעלי חיים אכן מאפשרת סימולציות אמינות גבוהות, אך יש להן עלות גבוהה בהרבה והן דורשות נעשה שימוש ותחזוקה של מערכות מעבדה ספציפיות2,6. יתר על כן, מודלים קדוויים ורקמות בעלי חיים יש חששות אתיים, אינם ספציפיים למטופל, ו CHD מורכב לעתים קרובות חייב להיות מיוצר באופן ידני על ידי מנתח או מדריך, לעתים קרובות מוביל אי דיוקים או נזק לרקמות ואיברים שמסביב. טכניקת דוגמנות פוטנציאלית נוספת כוללת שימוש במציאות מדומה. מציאות מדומה מאפשרת שכפול דיגיטלי של מודלים לב ספציפיים למטופל, המהווה כלי יעיל לביסוס ייצוגים מנטליים מדויקים של אנטומיה של מטופל ותוכניות כירורגיות. בנוסף, כמה מערכות VR אפשרו סימולציות בסיסיות עם שילוב של משוב הפטי. עם זאת, המשוב הפטי הזמין חסר את הריאליזם הדרוש כדי לשכפל את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים להליכים כירורגיים מולדים בלב4. הדפסה בתלת-ממד היא שיטה זמינה נוספת לייצור מודלים לבביים ספציפיים למטופל2,24. עם זאת, היישום הנרחב של מדפסות תלת-ממד בעלות אמינות גבוהה המסוגלות לייצר דגמים רכים מרובי חומרים מעוכבים על ידי עלותם הגבוהה ביותר11,14,15. מדפסות תלת-ממד בעלות נמוכה זמינות אך יכולות להדפיס רק בחומרים מוצקים בהרבה משריר הלב האמיתי. כאשר אחד החומרים הזמינים הרכים ביותר עבור מדפסת 3D שימש ליצירת מודל על ידי Scanlan ואח ‘, הדגם נמצא מוצק יותר מאשר רקמת לב אמיתית17. החומר המתואר היה קשיות החוף בין 26 A ו 28 A, נותן לו מרקם דומה גומייה. סיליקון פלטינה נרפא בשימוש בפרוטוקול זה יש קשיות החוף של 2 A, נותן לו מרקם דומה לתוספת נעל ג’ל הרבה יותר קרוב קשיות של רקמות לב אמיתיות, שהוא 43 0020 או ~0 A. Hoashi ואח ‘. גם השתמש בשיטה דומה לזו המתוארת בפרוטוקול זה כדי לפתח מודל לב מודפס תלת-ממדי גמיש. שתי תבניות, המייצגות את הגיאומטריה הפנימית והחיצונית של שריר הלב, הודפסו בתלת-ממד תוך שימוש במדפסת SLA ואחריה ואקום מטיל שרף פוליאוריטן דמוי גומי. בעוד שיטה זו אכן ייצרה מודל לב רך, עלות הייצור המוצעת של שיטה זו לדגם הייתה 2,000 עד 3,000 דולר22. לשם השוואה, העלות החומרית הכוללת של השיטה המתוארת בפרוטוקול המוצג היא פחות מ- 10 USD. לבסוף, שיטה דומה שימשה גם את רוסו ואח ‘. כדי ליצור מודלים סיליקון של שסתום אבי העורקים ו אבי העורקים הפרוקסימלי לתרגול פרוצדורלי. בעוד רוסו ואח ‘. השיטה מתמקדת במטרה דומה, התהליך המוצג שלהם שמטרתו לשכפל אנטומיה פשוטה בהרבה של אב העורקים או שסתומי אבי העורקים. הפרוטוקול המוצג כאן מבדיל את עצמו על ידי התמקדות באנטומיות פנים-לביות ומשאבי הלב שהן קטנות יותר, מורכבות יותר, ויהיה קשה מאוד לשכפל בהינתן מתודולוגיות היסטוריות. למרות הבדל זה, המודלים שנוצרו על ידי רוסו ואח ‘. היו שימושיים מאוד לסימולציה והכשרה בניתוחי לב על ידי מנתחי לב שנסקרו23. בעיקרו של דבר, השיטה המתוארת בפרוטוקול זה מאפשרת יצירה בעלות נמוכה של מודלים לב מולדים מורכבים, ספציפיים למטופל עם פגמים ומאפיינים חומריים המיוצגים במדויק דומים יותר לרקמת לב אמיתית מאשר שיטות מידול אחרות1,16המאפשרת ניתוח מודלים בנאמנות הפטי מציאותית.,
במבט קדימה, מתודולוגיה זו יכולה להיות מיושמת על היווצרות מודל של כל אנטומיה של מטופל עם תכונות פנימיות וחיצוניים מורכבות. פיתוח חומר חלופי לבריכת דם שניתן להסירו מתוך מודל הסיליקון באופן פחות הרסני או לייצר אותו בשיטה פחות גוזלת זמן, יהפוך את התהליך ליותר זמן וחסכוני. כתוצאה מכך, בריכת דם חדשה לא היה צריך להיות משוחזר עבור כל תהליך דפוס עוקב, מה שמוביל המדרגיות של האימון הקשור. ניתן גם לשפר את המאפיינים הפיזיים של הסיליקון המשמש ליצירת המודל. סיליקון עם פחות התארכות בהפסקה יגדיל את הריאליזם של המודל ויעזור לשפר את ערכו ככלי חינוכי עבור עמיתים כירורגיים לב מנסים ללמוד את הכישורים המוטוריים העדינים הדרושים לביצוע הליכים מורכבים אלה. קבוצה של חומרים הנמצאים כיום בשוק הראויים להתחשבות בסיוע בפתרון זה הם חומרי זכוכית מדומים מסיליקון25. חומרי סיליקון אלה מדגימים הרבה פחות התארכות בהפסקה המובילה ליישום “ניפוץ” ברור על יישום כוח באופן דומה לזכוכית. אפנון סיליקון תרופת הפלטינה המשמש בפרוטוקול זה עם תוספות של חומר זכוכית מדומה סיליקון זה עשוי לאפשר שליטה במאפייני friability של המודל תוך שמירה על קשיות החוף המתאימה, שיפור הנאמנות ההפטית הכוללת. לבסוף, הרזולוציה של האנטומיה פרוטוקול זה יכול לייצר מוגבלת על ידי הרזולוציה של מדפסת 3D המשמשת ליצירת התבניות. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להשתפר, הרזולוציה של האנטומיה שניתן ליצור עם פרוטוקול זה צריכה גם היא להשתפר.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר OSF HealthCare על הפיכת מחקר זה לאפשרי, כמו גם ד”ר מארק פלאנקט על הידע הפרוצדורלי שלו ויישום של מיומנויות למוצר הסופי שלנו.
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).
