手術前計画と実習訓練における応用を有する患者特異的シリコーン心臓モデルの作成

このプロトコルは、患者情報の適切な取り扱いと患者固有のデータを使用するために必要な同意の保証を含む、著者の機関の最善の倫理的慣行に対応する方法で完了しました。使用すると、そのようなデータは、患者の私的な健康情報の保護を確保するために匿名化された。 注: 次のプロトコルは、さまざまな手順を実行できるさまざまなプログラムが存在するので、ソフトウェアに依存しない方法で記述されています。この特定のケースでは、マテリアライズ・ミミック・メディカル24.0はセグメンテーションに使用され、マテリアライズマジックは3D操作とセグメント化されたモデルとケースの作成に使用されました。これらのプログラムの具体的な指示は、一般化されたアプローチに加えて含まれます。 1. 患者の解剖学をセグメント化する SMEあたり、患者の放射線画像化データセット(典型的にはCTまたはMRI)を、適切な分解能のために3Dプロトコルを用いて取得する。コンピュータ支援設計 (CAD) セグメンテーション ソフトウェア23 でデータセットを開きます。 適切な画像取得のために機関の放射線学プロトコルを参照してください(各患者が異なる考慮事項を必要とするため、特定のガイドラインを提供することは困難です)。しかし、代表的な例として、これらは以前に文書化された3Dモデルケースで使用した設定です:CT 3Dプロトコルはパラメータを示唆しています:軸モードのスライススキャナ、0.625 mmのスライス間のスライスの厚さとスペース、70のKv、201-227のスマートmA範囲(スマートMAモード226)、0.28 msでの回転速度MRI 3Dプロトコル提案パラメータ: 軸モードでスキャナーをスライスし、0.625 mmのスライス間の厚さとスペースをスライスします。 ハウンズフィールドユニット(HU)しきい値ツールを使用して、データセットに適した適切な値に設定された上限と下限を使用して、心筋組織の初期セグメンテーションを生成します。必要に応じて選択を調整して、解剖学を正確にキャプチャします。トリミング、加算、減算、領域の拡大、マルチスライス編集、キャビティフィルの機能を備えたツールを使用することをお勧めします。[模倣]で、[ プロジェクトマネージャ ]領域を右クリックし、[ 新しいマスク]を選択します。あらかじめ設定された解剖学的ウィンドウ、正確なHU測定、またはツールによって目的の解剖学がマスクされるまで提供されたツールをスライドさせて、生成されたダイアログボックスでマスクを調整します。 血液プールのセグメンテーションを生成します。これを実現するには、手順 1.2 で説明されている手順を使用します。Mimics では、226 ~ 3071 の事前設定された解剖学的 HU ウィンドウを使用して、血液プールをキャプチャします。 生成されるモデルが患者ケアでの使用を目的としている場合は、心臓専門医、放射線科医、または他の主題専門家(SME)が仮想モデルのセグメント化を確認してから次のステップに進み、解剖学的特徴と欠陥がすべて正確にセグメント化され、完全なモデルに存在することを確認します。 心筋セグメンテーションの周りの空き空間でキャビティフィルツールを使用して心筋セグメンテーションを反転し、ブール値ツールを使用して逆筋から血液プールのセグメンテーションを差し引くことによって、心筋ケースモデルを生成します。これを実現するには、空洞充填ツール、ブールツール、および以前に生成された心筋および血液プールのセグメンテーションを使用することをお勧めします。[Mimics] で、[ キャビティフィル >心筋マスクの周りのスペースを示します。次に、 ブールツール を使用して、心筋マスクから血液プールマスクを 差し引く に提供されたダイアログを埋めます。 図1:CADセグメンテーションソフトウェアにおける心臓セグメンテーション. (A)生患者画像データを用いてCADセグメンテーションソフトウェアにおける心臓セグメンテーション。(B) 血プール モデルの 3D レンダリングによるセグメンテーション。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 最終的な血液プールと心筋ケースセグメンテーションの 3D レンダリングを表示します。SMEの提案と承認に従って、標的解剖学の評価、理解、または修復に必要ではない血管を3D血液プールモデルから取り除く。[Mimics] で、表示ウィンドウの横にあるオプションで [ 3D プレビュー ] を選択します (既定では、4 つのペインの既定のビューの右下のビューが表示されます)。 プロジェクトマネージャで対象のマスクを選択します。編集するには、[マスクを 編集] ツールを選択します。表示されたダイアログで、 なげなわ ツールを選択し、[ 削除] が選択されていることを確認します。これにより、マスクの実際の 3D プレビューを編集できるようになります。注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。 最終的な血液プールと心筋ケースセグメンテーションの3Dオブジェクトを生成します。スムーズ オブジェクト ツールを使用して、3D 心筋ケース モデルをスムーズにします。SME の提案と承認ごとに、特定のモデルで必要に応じて反復およびスムーズな因子パラメータを調整して、可能な限り滑らかで、重要な解剖学的詳細を失っていないケースモデルを作成します。 SME によって承認されたら、3D モデル編集ソフトウェアで使用するために STL 形式でモデルをエクスポートします。[Mimics] で、[プロジェクト マネージャ] で特定のマスクを右クリック >オブジェクトを作成します。表示されたダイアログで、[ 最適] 設定が選択されていることを確認し、[ はい]をクリックします。 モデルが作成されると、通常は[プロジェクトマネージャ]ウィンドウの下の[オブジェクト]ウィンドウに表示されます。そこから、生成されたモデルを右クリックし、スムーズを選択します。この場合のパラメータは、0.4 mm 平滑化で 5 回の反復でした。 最終的な3D血液プールと心筋ケースモデルを標準テッセレーション言語(STL)ファイルとして保存/エクスポートします。 STL+ >目的のモデルを右クリック>、提供されたダイアログに従って、モデルの STL バージョンをエクスポートします。 2. デジタル金型を作成する CADプログラムで心筋ケースモデルSTLファイルを開きます。心筋ケースモールドの内部に心筋が見えるように、ケースの可視性を透明にレンダリングすることをお勧めします。マジックで、インポートパートで生成されたSTL をインポートします。[ プロジェクト管理] ウィンドウで、モデルレンダリングの [透明] オプションを選択します。 カットツールまたはパンチツールを使用して、モデルから余分な心筋ケース材料をトリムします。ケースの外縁と内面の心筋の印字の間に約0.5cmを持つ必要があります。追加の素材は3Dプリントに必要な時間を追加しますが、最終的な製品には影響しません。[マジック]で、[ ポリラインを示す]>カット> 対象点を選択> 適用します。注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。 血液プール型の複雑な解剖学の周りにケースを組み立てることができるように、心筋ケースを複数の部分にカットします。これを行うには、カットツールやパンチツールを使用することをお勧めします。注:次の手順は、多くの心臓モデルの血液プールの周りの診断精度とケースアセンブリの両方に十分であることが判明した4つのセクションに分割する心筋症例で行うカットの提案を提供します。しかし、各モデルは異なることになり、シリコーンセットの後にシリコーンを注ぎ取って取り除く前に、ケースを血液プールの周りに組み立てる必要があることを覚えておいてください。ケースが血液プールのループを通過するか、長い血管を囲む必要がある場所に特別な注意を払ってください。このような特徴は、血液プールの周囲の組み立てと分解が可能であることを保証するために、特徴が存在する領域で心筋ケースを追加の部分に切断する必要があります。 心の頂点を下に向け、大間アーチを水平に向ける回転ツールとパンツールを使用して、心筋ケースのビューを調整します。心筋ケースを頂点と上半分を含む下半分に分割する大麦を水平に切り抜く。このカットの長さとすべての後続のカットは、各心臓モデルによって異なります。マジックでは、左右のマウスボタンを使用して、それぞれ回転とパンをコントロールします。そこから、[ ポリラインを示す>をカット >対象点を選択> 適用します。注: 編集ツールは無限切断平面であり、Z 方向で選択したマスクの一部を削除します。 心筋ケースの下半分の最も広い部分に沿って垂直に切り取ります。心筋ケースの下半分が大きく半分に分割されていることを確認します。 心筋ケースの上半分の最も広い部分に沿って2番目の垂直カットを行います。心筋ケースの上半分が大きく半分に分割されていることを確認します。 組み立て中に適切な位置合わせを確実にするために、心筋ケースピースにペグ(小道具)を追加します。プロップ生成ツールと、クリアランス値が 0.25mm のブール演算減算ツールを使用して、一致するプロップとプロップキャビティを作成することをお勧めします。[マジック] では、[ プロップを追加 ] >モデル> 適用の位置を示します。 心筋ケースの上半分片の1つに直径1.0cmのシリコーンの穴を作成します。フィルホールのすぐ下にある心筋表面の特徴は隠されるので、充填穴がモデルの使用に不可欠な外部解剖学的特徴の上にないことを確認してください。SME で穴の配置を確認します。 図2:CADソフトウェアにおける心筋ケースモデル VSDを有する心臓ケース用のCADソフトウェアで生成された心筋症例。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 すべてのケースピースの診断を個別にチェックして、下反転された正常、悪いエッジ、悪い輪郭、近くの不良エッジ、平面の穴、シェルなどのエラーが発生していないことを確認します。エラーが検出された場合は、修復ツール/ウィザード (利用可能な場合) を使用して修復するか、または入手できない場合は手動で修復します。マジックで、 診断をチェック>自動解決します。 手動で解決できないエラー、またはシュリンク ラップ ツールを使用してパーツシュリンク ラップを使用して修正ツール/ウィザードで解決できないエラーを修正します。SME レビュー時に生理学を変更せずに特定のピースの誤差を修正するために必要に応じて、シュリンク ラップ サンプル間隔とギャップフィル値を調整します。マジックでは、 修正>シュリンクラップ >は、対話に従います。 個々の心筋ケースの部分をSTLファイルとして保存/エクスポートします。 3. 物理金型を作成する 適切なスライサーソフトウェアで心筋ケースと血液プールモデルを開き、アディティブマニュファクチャリング(AM)3Dプリンタ用の3D印刷ファイル(Gコードファイル)を作成します。回転や平らなツールを使用して心筋ケースのピースを配置し、別のケースピースと会う側が垂直になるようにします。3D プリント サポートを手動ですべての部分に追加するか、ソフトウェアで提供される自動サポート生成ツールを使用します (可能な場合)。 図3:3D印刷CADソフトウェアにおける心筋ケースと血液プールの設定 適切な向きを持つ心筋ケースと血液プールと、VSDを備えた心臓ケース用の3DプリンティングCADソフトウェアでの3Dプリンティングの準備に対応しました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 モデルをスライスして、ABSの血液プールを使用して、3Dプリンタで使用するGコードを生成します:100°Cの加熱床温度、250°Cの押出機温度、5%の面材密度、50mm/sのデフォルト印刷速度、70mm/sの内部シェル速度、外殻速度または50mm / s;ABSまたはポリ乳酸(PLA)の心筋型(PLA)を用いた:PLAの場合は60°C、ABSの場合は100°Cの加熱床温度、PLAの場合は205°C、ABSの場合は250°Cの押出器温度、15%のインフィル密度、50mm/sのデフォルト印刷速度、内殻速度80mm/s、および30mm/sの外殻速度 Gコードを保存/エクスポートします。 フラッシュドライブまたはWi-Fi接続を使用して3Dプリンタに印刷ファイルをアップロードし、プリンタの機能に応じて、正しいフィラメントが3Dプリンタにロードされ、印刷を開始します。3Dプリンタは、互換性があり、0.4mm未満のノズル径を装備し、0.25mm未満の層解像度が可能です。印刷が完了したら、ニードルの鼻のペンチとピンセットを使用して、印刷物からすべてのサポート材を取り除きます。 図4:3Dプリントモデル作品。 (A)心臓ケースの(A)物理的な血液プールおよび(B)心筋ケース片の写真を、サポート材を取り除いた3Dプリンタから生成されたVSDを有する。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 血液プール金型の周りに心筋ケースピースを組み立て、すべてのピースがしっかりと一緒にフィットすることを確認します。心筋ケースが血液プールの周りに収まらない場合は、ハンドヘルドロータリーサンディングツールを使用してケースモールドピースを小さく調整して材料を取り除きます。大きな調整が必要な場合は、CAD ソフトウェアで STL ファイルを編集し、新しい 3D プリントを作成する必要があります。注意:ハンドヘルドロータリーサンディングツールを使用する場合は、目の保護を使用してください。血液プールまたは心筋ケースにロータリーサンディングツールを使用すると、プラスチックが溶融します。慎重に使用してください。注: このプロトコルは、この時点より前の任意のステップ間で一時停止することができます。 心筋ケースをABSを用いて3Dプリントした場合はアセトン蒸気を滑らかにし、SMEによりより滑らかなシリコーン表面仕上げが望まれる。より滑らかな表面仕上げが望まなかったり、必要とされない場合は、モデルの最終的な解剖学に最小限の効果で蒸気の滑らかなプロセスをスキップします。注意:アセトンは揮発性で可燃性です。開いた炎や火花から離れた換気の良い場所に設置してください。さらに、アセトンはポリ塩化ビニル(PVC)とポリスチレンを溶解します。プラスチック製の容器を使用している場合は、PVCやポリスチレンが含まれていないことを確認してください。 ペーパータオルでアセトンの影響を受けない容器の底部と側面を並べます。底のペーパータオルにアセトンを注ぎ、容器の側面にあるペーパータオルを拡散させますが、底にプールを形成しません。必要なアセトンの量は、使用されるコンテナのサイズによって異なります。ここで、30mLのアセトンを約400cm3のベース体積を有する容器に使用した。 底のペーパータオルを覆うために容器にアルミホイルを入れます。心筋ケースピースをアルミ箔の上に置き、スムージングしたい面が垂直になるように心筋片の向きを変えます。心筋の部分が互いに触れていないか、容器の壁にペーパータオルを使用していないことを確認します。 容器の上に蓋をするか、またはアルミニウムホイルで覆い、心筋ケースピースが望ましい表面仕上げの約80%が達成されるまで容器内に邪魔されず、目視検査ごとに残るようにします。蒸気の滑らかなプロセスを完了するために必要な時間は、容器のサイズと使用アセトンの量によって異なります。最初の30分後に15分間隔で所望の表面の終わりのための心筋ケースの部分を確認し始める。この研究では、蒸気平滑化は150 mL構造のために2時間かかった。 手袋を着用し、外側の表面にのみ触れる容器から心筋ケースピースを慎重に取り外します。換気の良い場所で30分間、または滑らかで乾燥して硬くなるまで、部品を完全に脱ガスさせます。 図5:蒸気平滑化心筋ケース片。 アセトン蒸気滑らかな後のVSDを有する心臓ケースの心筋ケース片の写真。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。 4. シリコーンを注ぐ 注:ラテックスや硫黄を含むいくつかの汚染物質は、それらが接触した場合、シリコーンの硬化を阻害することができます。シリコーンを使用する前に、技術的な情報を確認することをお勧めします。 心筋モデルを作成するために必要な2部構成のプラチナキュアシリコーンの量を推定します。必要なシリコーンの量は、作成するモデルのサイズによって異なります。あるいは、CADソフトウェアを使用して心筋セグメンテーションの体積を測定し、必要なシリコーンの量を決定します。シリコーンが、2 Aの海岸硬度、1,986 kPaの引張強度、763%の破断時伸縮、0.0254 mm/mm未満の収縮、18,000 cpsの混合粘度、12分のポット寿命、40分の硬化時間を有することを確認してください。この研究は、シリコーンの300 mLを必要としました。 シリコーンのパートAとパートBを十分に攪拌してから、必要な量を正しい割合で混合カップに注ぎます。モデルに色が必要な場合は、顔料を追加し、すべての部分と顔料を十分に混ぜます。この研究では、パートAとパートBの両方の150mLを混合し、手または攪拌機で攪拌した。シル顔料製品の色「血液」( 材料表を参照)は、所望の色が達成されるまでクラフトスティックによって添加されました。 徹底的に混合したシリコーンをHgの29の真空チャンバーに2〜3分間脱ガスします。シリコーンは、脱ガスプロセス中にその体積の約2倍に拡大し、混合容器が膨張を可能にするのに十分なスペースを持っていることを確認してください。チャンバーから脱ガスシリコーンを通して取り除き、それを徹底的にコーティングするためにシリコーンの血液プールを水没させ、血液プール内のすべての空隙および空洞がシリコーンで満たされていることを保証する。 換気の良い場所に、心筋ケースのすべての部分に簡単なリリース製品( 材料表を参照)を十分にスプレーします。血液プールの頂点の周りに心筋ケースの下半分を組み立てます。心筋ケースピースの間に縫い目があってシリコーンが漏れ出す場合は、クランプまたは熱い接着剤や粘土などの材料を使用して、金型の外部表面の漏れを密封します。 血液プールとケースウォールの間のスペースにシリコーンを注ぎ、シリコーンがすべての隙間に流れ込むことを可能にします。心筋金型の組み立て片がシリコーンで満たされるまでシリコーンを注ぎ続けます。 心筋ケースの残りの部分を組み立て、必要に応じてゴムバンドとクランプを使用してケースピースをしっかりと固定します。心筋空間全体がシリコーンで満たされるまで、心筋ケースピースの上部にある充填穴にシリコーンを注ぎます。 シリコーンを~40分間セットします。心筋ケースからシリコーンの心臓を取り除き、ケースピースまたは充填穴の間のスペースから作成されたシリコーンの縫い目を切り落とします。 5. 血液プールを溶かす シリコーンモデルで開いたエンドを持つべきすべての血管を特定し、内部のABS血液プールを露出させるためにそれらをカバーしている任意のシリコーンをトリミング. シリコーンの心臓をアセトン浴に浸します。ABSはアセトンの沈み込み後10-15分を軟化し始めます。これが発生すると、ABS溶解プロセスの速度を上げるためにピンセット付きの大きな塊を取り除きます。 ABS血液プールの大部分が溶解したときに、クリーンアセトンで2〜3本のアセトンリンス/浸漬を行い、シリコーンからすべてのABSを除去します。アセトン浴から心臓モデルを取り除き、残りのアセトンが換気の良い領域でモデルから蒸発するようにします。ABSを完全に溶解するのに必要な時間は、モデルのサイズ、手動で取り除くABSの量、および使用されるアセトンの量に依存します。 図 6: VSD を備えた患者固有のシリコーン心臓モデル VSDを用いた完全なシリコーンモデルの外膜表面図の写真。VSDは、心臓内心筋構造内の位置のために見えない。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。