研究人员内置传感器的3D打印逼真主动脉瓣模型

研究人员内置传感器的3D打印逼真主动脉瓣模型

2020-10-13 17:19:45 12

为了帮助外科医生准备对患者执行手术(比以前快三倍),已显示使用3D打印医学模型进行训练有助于改善手术的总体效果。明尼苏达大学(UMN)的一组研究人员在经过同行评审的《科学进展》杂志上发表了一篇论文,介绍了他们使用多材料3D打印创建极为逼真的,针对患者的心脏主动脉瓣模型的工作。


摘要指出:“微创手术具有许多优势,但由于对靶向治疗的解剖部位的了解有限,可能会引起并发症。经导管主动脉瓣置换术(TAVR)是一种用于治疗主动脉瓣狭窄的微创手术。在这里,我们展示了具有内部集成电子传感器阵列的特定于患者的软性主动脉根模型的多材料三维打印,可以增强TAVR术前计划的测试。”

3D打印机

在主动脉根部植入TAVR假体的心脏示意图。AV,房室。

该团队制作了器官模型,其中还包括主动脉瓣周围的结构,定制的3D打印过程和专用墨水。结合集成的软传感器阵列,该3D打印模型可复制实际人类主动脉的外观。

这些3D打印模型的目标是通过提供特定于患者的工具来帮助医生了解特定患者心脏的确切解剖结构和机械特性,从而降低医疗风险和并发症。医师可以在实际操作之前测试并尝试瓣膜植入物。该模型还可以帮助患者更好地了解自己的解剖结构和手术本身,”该研究的高级研究员之一,UMN机械工程教授Michael McAlpine说,他对3D打印传感器官模型有些了解

Medtronic在美国国立卫生研究院国家生物医学成像与生物工程研究所,明尼苏达州发现,研究与创新经济(MnDRIVE)计划以及明尼苏达大学跨学科博士奖学金和博士学位论文奖学金的资助下为这项研究提供了资金共同第一作者,最近在UMN机械工程博士学位上毕业的Ghazaleh Haghiashtiani(现在在希捷工作)。团队的其他成员包括:

  • 邱凯燕(Kaiyan Qiu),第一作者,曾任机械工程博士后研究员,现为华盛顿州立大学助理教授。

  • Jorge D. Zhingre Sanchez是前生物医学工程博士学位的学生,曾在UMN的Visible Heart Laboratories工作,现在是Medtronic的高级研发工程师;

  • Zachary J. Fuenning,机械工程研究生;

  • 保罗·A·伊佐佐(Paul A. Iaizzo)是该大学医学院的外科教授,也是可见心脏实验室的创始主任。

  • 美敦力公司高级科学家Priya Nair;

  • 美敦力公司研究与技术总监Sarah E.Ahlberg

3D打印

使用专用墨水和定制的3D打印工艺制造了包括集成3D打印的软传感器阵列的特定于患者的器官模型。此类模型可用于微创手术的准备工作,以改善全球成千上万患者的预后。(图片由明尼苏达大学McAlpine集团提供)

该器官模型是针对非常特定的过程创建的:经导管主动脉瓣置换术(TAVR)。TAVR用于治疗主动脉瓣狭窄,即当主动脉瓣狭窄并减少或阻塞从心脏流入主动脉的血液时,TAVR包括在患者现有的主动脉瓣内放置一个新的主动脉瓣。这种心血管疾病是老年人中最常见的疾病,在北美,大约有270万75岁以上的成年人受其影响,并且TAVR与固定心脏手术相比,是一种微创的瓣膜固定术。

研究人员使用CT扫描3D打印附着在心脏上的主动脉部分,称为主动脉根。它由冠状动脉和主动脉瓣的开口组成,后者的特征是三个皮瓣或小叶,被纤维环包围。该模型还包括升主动脉和左心室肌。该大学的专业3D打印机使用的墨水使人联想起用于固定灰泥和石膏板的散布糊剂,从而能够制作出一个模型,该模型可以复制器官的软组织成分和瓣膜上的硬钙化。此外,特殊的有机硅油墨使3D打印模型能够与真实的心脏组织感觉相匹配。

在主动脉瓣模型中以3D打印的集成传感器可以为外科医生提供电子压力反馈,从而帮助他们指导和优化患者中实际瓣膜装置的最佳解剖位置。

“我们通过比较模型的几何保真度和患者术后数据,以及在有或没有小叶钙化的情况下的体外血液动力学表现,评估了模型的有效性。此外,我们证明了内部传感器阵列可以通过绘制主动脉解剖结构关键区域上的压力图来促进生物人工瓣膜选择和体外放置的优化,”研究人员在论文中写道。

3D打印机

3D打印主动脉根模型的解剖保真度分析,并与患者术后数据进行比较。(A)3D打印的主动脉根模型的CT扫描。(B)校准的距离图,将3D打印的主动脉根模型的解剖保真度与患者的解剖相比较。(C)3D打印的主动脉根部模型的表面点与患者的解剖结构之间的校准距离的直方图。(D)将3D打印模型中植入的TAVR假体与患者的术后数据进行比较。RCA,右冠状动脉;LCA,左冠状动脉。(E)将3D打印模型中植入瓣膜的框架直径变化与患者在九个不同节点水平的术后数据进行比较。

尽管这种主动脉瓣模型非常出色,但McAlpine确信这些3D打印器官模型只会继续变得更好。

“随着我们的3D打印技术不断改进,并且我们发现了集成电子元件以模仿器官功能的新方法,这些模型本身可以用作人工替代器官。也许有一天,这些“仿生”器官可以和它们的生物学器官一样好或更好。”他说。


文章来源:明尼苏达大学


标签: 3D打印器官
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