Drukowanie 3D używane do przewidywania zachowań zastawek serca

Drukowanie 3D było badane przez kilka różnych instytucji jako metoda wspomagania procesu zwanego przezcewnikową wymianą zastawki aortalnej lub TAVR. Więcej niż jedna na osiem osób w wieku 75 lat i starszych w Stanach Zjednoczonych cierpi na umiarkowaną lub ciężką blokadę zastawki aortalnej, często powodowaną przez zwapniałe osady, które gromadzą się na płatkach zastawki i uniemożliwiają ich całkowite otwarcie i zamknięcie. Wielu z tych pacjentów nie jest wystarczająco zdrowych, aby poddać się operacji otwartego serca, dlatego TAVR jest alternatywą, która polega na wprowadzeniu sztucznej zastawki przez cewnik wprowadzony do aorty.

Wkładanie odpowiedniego rozmiaru zaworu jest kluczowe; jeśli zawór jest zbyt mały, może się rozsuwać lub przeciekać wokół krawędzi, a jeśli jest zbyt duży, może przebić się przez serce, co może być śmiertelne. Wyzwanie polega na wybraniu właściwego rozmiaru bez bezpośredniego badania serca pacjenta. Jednak naukowcy z Instytutu Inżynierii Inspekcji Biologicznej na Uniwersytecie Harvarda opracowali układ drukowania 3D, który tworzy modele zastawek aortalnych poszczególnych pacjentów przy użyciu danych z tomografii komputerowej, a także urządzenie "sizer", które pomaga kardiologom określić właściwy zawór rozmiar. Praca została udokumentowana w artykule zatytułowanym "Przedtaktyczne testowanie dopasowania zaworów TAVR za pomocą modelowania parametrycznego i druku 3D". Badania przeprowadzono we współpracy z naukowcami i lekarzami z Brigham i Women's Hospital, University of Washington, Massachusetts General. Szpital i Instytut Kolektorów i Interfejsów Maxa Plancka.

"Jeśli kupisz buty online bez ich wcześniejszej próby, istnieje spora szansa, że ​​nie zmieszczą się prawidłowo. Zmiana rozmiaru Zawory TAVR stanowią podobny problem, ponieważ lekarze nie mają możliwości oceny, w jaki sposób określona wielkość zaworu będzie pasować do anatomii pacjenta przed operacją "- powiedział dr James Weaver, starszy pracownik naukowy Wyss Institute, który jest korespondentem autora artykułu. "Nasz zintegrowany druk 3D i system wymiarowania zaworów zapewnia spersonalizowany raport dotyczący unikalnego kształtu zastawki aortalnej każdego pacjenta, usuwając wiele zgadywanek i pomagając każdemu pacjentowi otrzymać bardziej dokładny zawór."

Gdy pacjent potrzebuje nowe zastawki serca, zwykle mają tomografię komputerową, ale podczas gdy zewnętrzna ściana aorty i wszelkie zwapnione osady są łatwo widoczne na skanie, ulotki, które otwierają i zamykają zawór są często zbyt cienkie, aby pokazaćwyraźnie.

"Po wykonaniu trójwymiarowej rekonstrukcji anatomii serca często wygląda na to, że zwapnione złogi po prostu przemieszczają się wewnątrz zastawki, zapewniając niewielki lub żaden wgląd w to, jak rozłożony zawór TAVR wchodzić w interakcje z nimi ", powiedział dr Weaver.

Aby rozwiązać ten problem, Ahmed Hosny, który był wówczas stażem naukowym w Instytucie Wyss, stworzył program do modelowania wirtualnego 3D oparty na modelowaniu parametrycznym. modele ulotek z siedmioma współrzędnymi na zaworze każdego pacjenta, które są widoczne na skanach TK. Modele 3D zostały następnie połączone z danymi CT i dostosowane tak, aby pasowały do ​​zaworu prawidłowo. Uzyskany model, który zawiera ulotki i ich zwapniałe osady, został następnie wydrukowany w 3D w wielu materiałach.

Naukowcy również wydrukowali w 3D niestandardowe urządzenie do sortowania, które mieści się w zaworze drukowanym 3D i rozszerza się i kurczy, aby ustalić jaki rozmiar sztuczny zawór byłby najlepszy dla każdego pacjenta. Następnie owinął sizer cienką warstwą filmu wykrywającego ciśnienie, aby odwzorować ciśnienie między sizerą a zaworami drukowanymi 3D i związanymi z nimi zwapnieniami, stopniowo zwiększając rozmiar.

"Odkryliśmy, że rozmiar i umiejscowienie zwapnionych depozytów na ulotkach mają duży wpływ na to, jak dobrze sztuczna zastawka zmieści się w zwapniałym "- powiedział Hosny, który jest obecnie w Dana-Farber Cancer Institute. "Czasami nie było mowy, aby zawór TAVR całkowicie uszczelnił zawapiony zawór, a ci pacjenci mogliby być skuteczniej operowani na otwartym sercu w celu uzyskania lepszego dopasowania."

materiałowe modele z wydrukowanym 3D mogą również dokładniej naśladować zachowanie prawdziwych zastawek serca podczas sztucznego zastawiania zastawki, jak również zapewniać dotykowe sprzężenie zwrotne w miarę rozszerzania się sizera. Naukowcy przetestowali system przed danymi pochodzącymi od 30 pacjentów, którzy przeszli już procedurę TAVR. 15 z tych pacjentów miało rozwinięte wycieki ze zbyt małych zastawek. Naukowcy przewidywali, na podstawie tego, jak dobrze pasują do modeli wydrukowanych w 3D ich zastawek aortalnych, jaki rozmiar zaworu powinien otrzymać każdy pacjent i czy po zabiegu wystąpią przecieki. System skutecznie przewidywał wynik wycieku u 60 do 73% pacjentów, w zależności od rodzaju zastawki, którą otrzymał każdy pacjent, i ustalił, że 60% pacjentów otrzymało prawidłowo dopasowany zawór.

"Bycie w stanie zidentyfikowaćPacjenci z średnim i niskim ryzykiem, których anatomia zastawki serca daje im większe prawdopodobieństwo powikłań TAVR, jest krytyczny i nigdy przedtem nie mieliśmy nieinwazyjnego sposobu, aby dokładnie to ustalić "- powiedziała współautorka Beth Ripley, MD, Doktorat, profesor nadzwyczajny w Wydziale Radiologii na Uniwersytecie w Waszyngtonie, który po ukończeniu badania był członkiem zespołu obrazowania układu krążenia w Brigham i Szpitalu Kobiet. "Ci pacjenci mogą być lepiej obsługiwani przez chirurgię, ponieważ ryzyko niedoskonałego wyniku TAVR może przewyższać korzyści."

Naukowcy udostępnili swoje oprogramowanie do modelowania ulotek i protokół drukowania 3D bezpłatnie.

"U podstaw wyzwania spersonalizowanej medycyny leży uświadomienie sobie, że jedno leczenie medyczne nie będzie równie dobrze służyć wszystkim pacjentom, a terapie powinny być dostosowane do indywidualnych potrzeb" - powiedział dyrektor założyciel Wyss Donald Ingber, MD, Ph .D., Który jest także profesorem Judasza Folkmana w dziedzinie biologii naczyniowej w Harvard Medical School i Vascular Biology Program w Boston Children's Hospital, a także profesorem Bioengineering w Harvard's School of Engineering and Applied Sciences. Zasada ta odnosi się zarówno do urządzeń medycznych, jak i narkotyków, i ekscytujące jest zobaczyć, jak nasza społeczność wprowadza innowacje w tej przestrzeni i próbuje tłumaczyć nowe spersonalizowane metody z laboratorium i do kliniki. "