Пациент

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10172 (2022) Цитировать эту статью

2000 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Визуализация медицинских изображений пациентов в виде физических 3D-моделей (фантомных моделей) имеет множество ролей в медицинской сфере: от образования до доклинической подготовки и клинических исследований. Однако современные модели фантомов, как правило, являются универсальными, дорогими и трудоемкими в изготовлении. Таким образом, существует потребность в экономичном и экономичном конвейере от медицинской визуализации до моделей фантомов, ориентированных на конкретного пациента. В этой работе мы представляем метод создания сложных трехмерных жертвенных форм с использованием готовой водорастворимой смолы и недорогого настольного 3D-принтера. Это позволяет нам воссоздавать части артериального дерева головного мозга в виде полномасштабной фантомной модели (10 раз 6 раз 4 см) в прозрачном силиконовом каучуке (полидиметилсилоксан, ПДМС) по изображениям компьютерной томографии-ангиографии (КТА). Мы проанализировали модель с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) и сравнили ее с данными пациента. Результаты показывают хорошее согласие и гладкие поверхности артерий. Мы также оцениваем наш метод, рассматривая его способность воспроизводить каналы диаметром 1 мм и острые углы. Мы обнаружили, что круглые формы хорошо воспроизводятся, тогда как резкие детали демонстрируют некоторую дивергенцию. Наш метод позволяет изготовить модель фантома для конкретного пациента, затрачивая менее 2 часов общего рабочего времени и при низкой стоимости изготовления.

Модели-фантомы, воссозданные по медицинским изображениям, имеют множество потенциальных ролей в области персонализированной медицины. Воспроизведение внутренних структур пациентов в виде полномасштабных 3D-моделей выгодно по нескольким причинам. Во-первых, фантомные модели могут использоваться медицинскими работниками перед хирургическими вмешательствами, а также для обучения1,2,3,4. Во-вторых, реалистичные фантомные модели, в которых можно измерить свойства потока, могут помочь в диагностике заболеваний и предоставить исследователям метод оценки моделирования вычислительной гидродинамики (CFD)5,6. Одним из примеров сложной геометрии с тонко структурированными элементами, которые было бы полезно воссоздать в виде модели фантомного потока, являются артерии головного мозга. Воссоздание дерева церебральных артерий в качестве модели, специфичной для пациента, может помочь визуализировать и изучить эффекты артериального давления в результате аномального сужения кровеносных сосудов (стеноза) и проверить современные методы клинической оценки7. Однако современные модели фантомов, используемые в медицине, как правило, являются универсальными, дорогими и трудоемкими в изготовлении8. Чтобы преодолеть эти ограничения и изготовить модели для конкретных пациентов, необходим экономичный и эффективный по времени конвейер от медицинской визуализации к 3D-фантомной модели.

Медицинская визуализация быстро развивалась в течение последних десятилетий благодаря улучшенному разрешению артериальных ангиограмм (изображений кровеносных сосудов), которые легко доступны при рутинных клинических измерениях. Однако превращение этих ангиограмм в фантомные модели в рамках рутинной процедуры потребует эффективных методов изготовления. Последние разработки в технологии 3D-принтеров открывают новые способы создания 3D-моделей. В результате модели фантомов теперь можно производить собственными силами, быстро и с низкими затратами. Большинство технологий 3D-печати основаны либо на экструзии (например, FDM), стереолитографии (например, SLA), либо на струйных принтерах (например, Polyjet)9,10. Принтеры SLA обычно предпочитаются из-за сочетания высокого разрешения, хорошего качества поверхности и низкой стоимости. Хотя все это важно, модель фантома также должна быть способна напоминать условия in vivo, поэтому необходимо учитывать ее материал. Силиконовый каучук под названием полидиметилсилоксан (ПДМС) обычно используется в моделях-фантомах, поскольку он прозрачен, инертен, нетоксичен11,12 и обладает регулируемой эластичностью13,14. Это идеально подходит для моделей потока, которые используются для проведения биологических исследований и/или включают совместимые (гибкие) элементы. Однако ПДМС не является материалом, подходящим для прямой 3D-печати, поскольку попытки приводят к ухудшению оптической прозрачности15. Поэтому, чтобы обеспечить высокую оптическую прозрачность и высокое разрешение, мы предлагаем метод с использованием принтера SLA для изготовления формы артерий и заливки их в PDMS.