使用特定于患者的 3D 打印模型进行排练模拟以确定左心耳闭塞装置的尺寸

科学报告|(2022) 12:7746| https://doi.org/10.1038/s41598-022-11967-21 打开排练模拟确定使用患者特定的 3D 打印模型进行左心耳封堵的设备尺寸Daying Hong1, Sojin Moon1, Youngjin Cho2, Il-Young Oh2,5, 恩珠春3,5 &Namkug左心耳 (LAA) 封堵术 (LAAO) 用于使用封堵器封闭左心房的手指状延伸，以阻断血栓形成的来源。然而，由于各种解剖结构的变化，设备尺寸的选择并不容易。本研究的目的是针对特定患者、基于计算机断层扫描血管造影 (CTA) 的三维 (3D) 打印 LAAO 体模在手术前应用以确定尺寸。 2019年3月和2020年12月前瞻性入组10例患者。首先对CTA中出现的心脏结构进行分割，并对LAAO手术中的左心房及相关结构进行建模。使用热塑性聚氨酯 (TPU) 和柔性树脂材料的熔融沉积成型 (FDM) 和立体光刻 (SLA) 3D 打印机两种方法制造模型，并通过比较它们的物理和材料特性进行评估。 3D打印的模型直接用于确认形状的 LAA，并预测 LAAO 的设备大小。综上所述，FDM的TPU的肖氏A硬度约为80-85肖氏A，SLA的柔性树脂约为50-70肖氏A。STL模型与3D打印模型的测量误差为0.45±0.37 mm （Bland-Altman，从 - 1.8 到 1.6 毫米的一致性限制）。在排练中，对设备尺寸的估计是准确的与全部10例患者的实际操作相同。总之，使用 3D 打印的左心房体模进行模拟可用于在手术前准确预测 LAAO 插入装置的尺寸。左心耳 (LAA) 闭塞 (LAAO) 使用闭塞装置关闭左心耳的入口，以阻断血栓形成的来源，因为 90% 的血栓是在左心房产生的1.房颤患者的治疗依赖抗凝剂来预防血栓和中风4.然而，老年或慢性病患者必须终身服药，并会出现出血等副作用7.因此，LAAO已被提议作为心房颤动患者的一种新疗法。 LAAO是长期抗凝的新治疗替代品9.现有的 LAAO 方法被证明能够确认 LAA 的大小，并在 3D LAA 映射和计算机断层扫描 (CT) 血管造影 (CTA) 的经食道超声心动图 (TEE) 中预测设备13.此外，由于仙人掌、鸡翅、风向袋、花椰菜等多种形态，目前的解决方案并不充分，手术后经常发生渗漏。15.1 蔚山大学医学院牙山医学中心融合科学技术研究院生物医学工程系，韩国首尔 05505。 2韩国首尔国立大学内科心内科盆唐医院 82, Gumi-ro 173beon-gil, Bundang-gu, Gyeonggi-do, Seongnam-si 13620, South Korea. 3首尔国立大学盆唐医院放射科 82, Gumi-ro 173beon-gil, Bundang-gu, Gyeonggi-do, Seongnam-si 13620, South Korea. 4韩国首尔05505 首尔松坡区奥林匹克路43 Gil 88 Olympic-ro 43 Gil 388-1 Pungnap2-dong 388-1 Pungnap2-dong 蔚山大学医学院放射学和融合医学系。 5这些作者贡献相同：Il-Young Oh、Eun Ju Chun 和 Namkug Kim。电子邮件：ilyoung.oh@snubh.org； humandr@snubh.org； namkugkim@gmail.com 科学报告|(2022) 12:7746 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-11967-223D 打印已用于从医学图像制作各种医学模型，用于程序规划、教育、模拟和培训20.最近，积极开展了使用 3D 打印的患者特定模型。其中，Kim 等人报道的基于患者特异性 3D 打印的复杂胸腹主动脉疾病的手术修复。可能是提高程序效率的有用方法30.洪等人。开发了一种基于 CT 图像的个性化和逼真的教育性甲状腺癌体模，补充了对学习进行甲状腺手术的住院医师的培训28.此外，Ko 等人。为手术计划以及住院医师和患者教育开发了针对患者的乳房手术指南模型37.此外，还有与LAAO相关的3D打印研究38.然而，由于 3D 打印材料的限制，在实际手术过程中很难实现具有类似于心脏病专家处理特性的模型。本研究的目的是提出适用于具有 CTA 的 LAAO 的患者特异性 3D 打印技术，并确认该方法的医学教育价值。方法这项研究是根据赫尔辛基宣言的原则和当前的科学指南进行的。该研究方案得到了首尔国立大学盆唐医院机构审查委员会 (IRB-B-2106/688-103) 的批准。所有方法均按照相关指南和法规执行。基于医学图像，例如 CT 和磁共振成像来制作患者特定的 3D 打印体模，解剖结构应该被分割和建模以产生患者特定的 3D 打印体模。两种类型的 3D 打印机用于制造具有不同材料的实际模型。评估形状精度和机械性能以确定最终的模型材料，并通过模拟进行评估。立体光刻 (SLA) 3D 打印机用于用树脂材料制造实际的模型。它被应用于使用幻影对总共 10 名患者进行的排练模拟。总体流程如图 1 所示。3D 打印工作流程。制造 3D 打印排练模型的过程包括多个步骤：（a）获取解剖结构的高质量医学图像，（b）医学图像处理以提取相关的感兴趣区域，（c）3D 建模适应未满足的临床需求，（d）质量检查和确定 3D 打印模型的准确性，（e）选择 3D 打印类型和材料，以及（f）打印模型。为了充分利用 3D 打印技术的多样性，设计和规划以适应未满足的临床需求非常重要。材料因 3D 打印技术的类型而异，从而导致模型的机械性能不同。两种打印技术的特性和材料特性总结如表 1 所示。CT 采集。根据首尔国立大学盆唐医院（韩国城南）的标准方案，使用双层光谱探测器 CT（IQon Spectral CT®，飞利浦医疗保健公司，荷兰贝斯特）对患有各种需要 LAAO 疾病的患者的心脏 CTA 进行扫描朝鲜）。 CT 扫描在 120 kVp 下获得，层厚 0.67 mm。此外，使用图像重建软件（Spectral 3，Filter B，Philips，Best，荷兰）将图像重建为 0.3 毫米轴向切片。数据包括整个心脏结构和伴随的血管。解剖设计。对与 LAAO 相关的特定结构进行建模对于该过程非常重要，该过程是一种血管介入，将导管插入患者的股静脉以到达左心房。特别是，它不是开腹手术；因此，确定左心耳及其周围结构的位置很重要。 LAAO 排练模型的重要结构包括右心房、左心房、主动脉、左上肺静脉、LAA、左旋冠状动脉和二尖瓣环（图 2）。四个心腔形态比较清晰，使用 Mimics 软件的心脏 CT 功能很容易分割。相比之下，CT 上没有表现出清晰形状的二尖瓣环和左旋冠状动脉是通过参考解剖位置建模的。使用不同材料进行 3D 打印。进行了确定 3D 打印技术和材料的试点研究，以生产排练模拟模型。熔融沉积成型 (FDM) 打印机的热塑性聚氨酯 (TPU) 材料和 SLA 打印机的柔性树脂打印的厚度分别为 0.8、1.2、1.6 和 2.0 mm。将试样的尺寸制作为 3.0 × 3.0 mm，一位研究人员使用硬度计对四个位置进行三次测量以获得平均值。使用 FDM 打印机的 TPU 材料通过厚度测量 95A 肖氏硬度的结果是，所有厚度为 0.8-2.0 mm 的试样都在大约 80-85 Shore A 的范围内。同时使用厚度测量硬度SLA 打印机的光敏树脂，厚度为 0.8-2.0 mm 的试样在 50-70 Shore A 范围内。根据光敏树脂的紫外线 (UV) 固化时间测量硬度的结果在 10 分钟内为 54.6 海岸 A。随着紫外线照射时间的延长，硬度会增加。虽然这两种材料都不在人类心脏的实际性能范围内（小于 40），但 0.8 毫米的样本，这是 SLA 类型的最小可打印厚度，是最接近人类心脏特性的范围（图 3）。LAAO 体模是使用两种材料打印的，用于材料测试。随机选择参加该研究的 10 名患者中的一名。对于患者，使用 FDM 和 SLA 3D 打印机打印模型（图 4）。使用不同材料的 3D 打印模型，制作了 LAAO 排练模拟模型。由于价格低廉且易于使用，这两款打印机通常用于医疗打印 科学报告|(2022) 12:7746 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-11967-23图1。使用 3D 打印和医学图像为 LAAO 开发排练模型的整体工作流程。 3D 三维，CTA 计算机断层扫描血管造影，LAAO 左心耳闭塞，Lcx 左旋冠状动脉，STL 立体光刻。印刷类型增材制造工艺FDMFDM 技术通过加热和挤出热塑性长丝，从下往上逐层构建物体。该过程有点类似于 SLA，专用程序或切片器将 CAD 模型“切割”成层并计算打印机的挤出机应组装每一层的方式服务水平协议SLA 是一种 3D 打印技术，用于生产模型、原型、图案，并使用光化学过程逐层创建零件，光通过光化学过程使化学单体和低聚物交联在一起形成聚合物。这种3D打印类型速度快，可以进行多种设计；因此，它可能比 FDM 更昂贵表格1。两种 3D 打印技术的描述，包括 FDM 和 SLA。 3D立体，CAD 计算机辅助设计、FDM 熔融沉积建模、SLA 立体光刻。 科学报告|(2022) 12:7746 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-11967-24图 2。心脏CT血管造影基于心脏解剖的分割，包括：（一个) 基于 CT 图像的心脏解剖：(一个）腔房交界处，（b) 升主动脉, (C) 主肺动脉, (d） 左心房， （e) 左心耳；和 （乙) 基于 CT 血管造影的分割。 CT 计算机断层扫描（Spectral 3，Filter B，Philips，Best，荷兰）。图 3。3D打印材料的力学性能比较。两张图中的灰色区域是人体心脏组织的肖氏 A 硬度（平均值）约为 40。（一个) 两种 FDM 打印材料不同厚度值的硬度。 (乙) 硬度取决于一种材料的 UV 固化时间。 3D 三维，FDM 熔融沉积建模，UV 紫外。（表 2）。 FDM 打印机的商业化程度很高，使用的材料种类繁多，与其他类型的 3D 打印机所使用的材料相比，这些材料价格低廉。但是这些材料的硬度很难控制，而且表面不光滑，因为需要支架来克服惯性。另一方面，与 FDM 打印机相比，SLA 打印机需要更昂贵的材料，但精度和表面光滑度要高得多。此外，打印输出的硬度和透明度可以根据打印输出的厚度和 SLA 打印机的 UV 固化条件进行调整。作为 FDM 打印机，Ultimaker S5 (Ultimaker BV, Geldermalsen, The Netherlands) 与 TPU 95A 灯丝一起使用。由于模拟器生产中使用的 TPU 95A 长丝与现有的丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 和聚乳酸 (PLA) 相比具有更高的柔韧性和弹性，因此在各种 FDM 长丝中选择了 TPU 95A。作为 SLA 打印机，X-Fab（DWS，意大利维琴察）与 Flexa693 一起使用，Flexa693 是一种具有更高柔韧性和透明度的光敏聚合物树脂。另外，修改这台SLA打印机的UV固化时间可以控制打印件的伸长率和硬度。此外，与 FDM 不同，透明材料可用于半透明打印输出。 科学报告|(2022) 12:7746 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-11967-25图 4。LAAO 幻影由两种类型的 3D 打印机制成。 (一个) 3D 建模 (乙) FDM, (C) 服务水平协议。 3D 三维，FDM 融合沉积建模，LAAO 左心耳封堵，SLA 立体光刻。FDM服务水平协议成本低成本成本相对较高材料热塑性塑料光敏聚合物特征不透明，多色，需要支持通透、柔和、精度高表 2。两种类型的 3D