3D打印MRI及其在MRI兼容的应用 离体 beating heart

由Andrew Scott撰写

在这方面,Andrew D Scott Phd(伦敦皇家Brompton医院和帝国学院;伦敦,英国)给予偷偷摸摸地进入研究 3dmedlive 2019:3D打印在手术中,涉及使用3D打印来设计兼容MRI扫描的腔室 离体 跳动的心。

安德鲁斯科特

Andrew D Scott Phd是皇家Brompton和Harefield NHS Trust(伦敦,英国)的高级物理学家,国家心脏和龙研究所的荣誉高级研究员,以及伦敦帝国学院的数据科学研究所研究所(英国) )。他的角色是重点的研究,他领导了几个独立的项目。

Andrew目前专注于理解使用扩散张量MRI方法和潜在的心脏微观结构获得的措施之间的链接,并使心脏扩散张量成像的成像方法精确,可靠,鲁棒和临床相关。他对心血管MRI物理学的国际声誉,特别是成像的微观结构 体内 使用扩散张量方法的心脏。 2011年,他对心脏MRI的贡献被称为医学磁共振的初级学会,并于2018年被称为心血管磁共振的社会。

在2012年举办目前的职位之前,安德鲁开发了MRI技术,用于在儿科患者中伴有裂隙患者的动态影像,并在此之前完成他的博士学位,在皇家Brompton医院和帝国大学伦敦。

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磁共振成像(MRI)是一种医学成像技术,其利用Radiowaves和强静态和不同的磁场,以在体内产生氢核的图像。在磁场中,氢核将吸收可以检测的射频能量和重新发射信号。因此,图像显示出水和脂肪的分布,与基于X射线的方法(包括CT)和基于r射频的方法(SPECT和PET)不同,MRI扫描没有相关的电离辐射剂量。水和脂肪的敏感性使MRI非常适合于软组织成像,并且有许多造影机制可用。这些不同的采集策略允许使用明亮或深色的血液,脂肪,肌肉,白质,灰质和脑脊液在其他方面产生的图像。这些方法中的许多方法基于组织的内在特性,其确定发射的无线电管的强度衰减的强度(时间常数T2)和随后的恢复,以便再次重复实验(时间常数T1)。螯合钆造影剂的注射缩短了T1并允许跟踪动力学研究进行灌注,心肌瘢痕,血脑屏障渗透率,肿瘤特征在其他方面的评估。先进的MRI方法提供血流量的定量测量,水分子的扩散甚至通过光谱检查组织的化学成分。

虽然相对于CT的空间分辨率可以是有限的,并且该方法比超声波的耗时且昂贵,相对安全和柔性软组织对比意味着MRI在临床上使用各种专业,并且有一个高度活跃的学术研究界。

优异的软组织对比意味着MRI图像通常被用作外科计划,患者信息和训练的3D印刷模型的基础[1,2]。 3D打印可能使3D印刷的一个关键领域是先天性心脏病。基于MRI的一个或两个血液池和心脏和巨大血管的模型可以用于规划手术或干预或在辅助患者理解其状况[3]。

3D打印变得重要的一个领域是在所谓的幻影的构建中,这是与MRI扫描仪(或其他成像模型)成像的对象,以评估技术的性能[4]。幻影通常用于医学成像设备的连续质量保证测试,也是在评估新技术的性能方面。幽灵通常用于评估扫描仪,空间分辨率的信噪比(SNR),空间分辨率或各种特性对图像上的成像组织的影响(例如运动)。理想幻影的构建可能是昂贵的,在某些情况下,困难甚至不可能。 3D打印允许经济有效地生产一次性幻像或可重复的倍数生产。最常见的是,使用油和/或水基材料创建和填充3D印刷壳。 3D打印区域可用于在产生幻像时产生信号空隙,例如,用于评估分辨率或几何失真[5]。在这种类型的幻像中,由于空气塑料界面的磁磁敏感性的急剧变化,必须在没有材料节省的填充因子的情况下构造出没有材料的填充因子而没有材料。由于水或油进入打印,融合沉积建模印刷也可能是有问题的,这将导致偏离设计为无信号的区域的部分信号。用不可渗透的喷雾涂覆表面可以解决这个问题(//phantoms.martinos.org/ 或者可以允许水穿透灯丝间隙,以便为评估扩散的MRI技术进行微观结构[6]。

另一类3D印刷的幽灵是基于患者扫描的解剖学现实幽灵。这些幽灵可以是患者特异性的,并且已被用于通过使用基于MRI的流量测量的验证来验证通过复杂脉管系统的计算流体动力学模拟[7]。基于实际MRI数据的3D印刷的全头幻影已经发现用于测量MRI相关的组织加热[8],并且由于头部内的空气填充的空腔,磁场变化的影响[9]。 MRI中使用的大部分幻影已经直接印刷,然后填充有MRI可见流体,而在超声波和X射线计算机断层扫描(CT)中,通常印刷模具,然后用于产生组织复制结构本身成像,因为它们不依赖于成像信号的氢核[4]。然而,一些3D印刷材料已经直接与MRI成像,尽管材料的T1和T2性质对体内的大多数感兴趣的组织具有相当不现实物[10]。

在临床前MRI研究中,几组具有3D印刷猪左心室腔的模具,基于在跳动中获得的图像进行猪的心脏 体内 心脏[11] [12]。然后可以将该模具放入切除的心中,以最小化否则导致的变形和收缩,从而产生显着差异 体内离体 心。这些填充, 离体 然后可以在空间决议中在很多小时甚至几天内成像,在跳动的心中是不可能的。

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在2019年3DMedlive,我将在开发MRI兼容的大型动物方面提出我们最近的临床前作品 离体 使用3D印刷设备跳动心脏设置。该工作的目的是评估心脏运动和菌株对心脏微观结构MRI测量的影响。我们在布里斯托尔(英国)的合作者根据心脏移植方案删除了​​猪的心脏。这些被捕的心脏被摩托车快递运往皇家布朗普顿医院(英国伦敦),在那里我们将心灵连接到改进的心脏旁路电路。使用其发明人的方法奥斯卡拉德·弗拉夫(Oskar Langendorff)通过泵送含有盐,葡萄糖和氧气的热溶液,主动脉瓣被推动,这种灌注液被迫沿着冠状动脉(图1)喂养心肌[ 13]并允许它再次开始跳动(图2)。我们扫描了跳动的心脏,然后切换了灌注解决方案,以将心脏停留在宽松状态下,然后再次切换到导致收缩的溶液。

Langendorff灌注涉及逆行灌注主动脉
图1: Langendorff灌注涉及主动脉的逆行灌注。这迫使主动脉瓣关闭并且流量进入冠状动脉。冠状动脉供应心肌,氧气,温暖和营养素允许心脏再次开始跳动。
殴打langendorff灌注猪心
图2: 在将Langendorff灌注猪心脏放入腔室之前。

虽然存在的leg-endorff灌注心脏的现成的解决方案,它们依靠许多金属零件。 MRI扫描仪恒定产生的大磁场意味着这些商业上可获得的Langendorff系统是MRI-Unsafe,因为由于铁基零件成为射弹的风险。我们与3D打印专家合作,Alex Berry设计了一个腔室,以将跳动的Langendorff猪心脏在MRI扫描仪的中心(见图3)。主动脉套管集成到室盖中,以及多个端口,允许压力,温度,心电图和起搏连接进入腔室。套管上的心脏由Voronoi图案托盘支撑,该托盘具有填充油管沿着底面蜿蜒。在MRI扫描上可见管,并允许成像切片的共定位与随后的组织学中除去的组织部分。盖子扭转在前面内的双O形环密封件密封在腔室本身的面上。圆柱形腔室的侧面和底部的连接器允许其与侧面的心脏一起使用,由托盘支撑或从主动脉套管垂直悬挂。

3D印刷MRI兼容Langendorff灌注室
图3: 3D印刷MRI兼容Langendorff灌注室。将灌注套管集成(蓝色箭头)进入盖子,Voronoi设计支撑托盘附着在盖子上,A.填充管(绿色箭头)连接到支撑盘的底部,允许连接MRI的共同定位和组织学数据,B。盖子扭转到腔室中,形成密封(C),并且心脏保持在磁体的中心。面板D在室内进入扫描仪之前显示了腔室内的跳动心脏。

除了圆柱形丙烯酸管外,酚醛板基础和PTFE直立支撑,所有部件都是使用立体化系统(2,FORMLABS; MA,USA)在半柔性材料(耐用树脂)中印刷3D,包括用于该的插头排水口密封腔室。通过3D打印腔室的部件,我们能够生产较小的原型室并产生许多MRI兼容室设计。

SLA打印机的使用意味着可以通过固定到3D印刷盖子的O形环和机器铣削环来实现足够称重的密封。

MRI和3D打印是兼容的技术。高度活跃的MRI研究界热衷于利用3D打印可用的快速生产的非金属部件,利用3D印刷的MRI研究出版物的数量可能会上升。 Bioplinting可以有一天能够通过组织类似的MRI性能越来越真实的幽灵,并且在生产预临临床研究中,使用3D印刷将很快成为常态。

致谢
  • 心血管磁共振单元,皇家Brompton和哈雷菲尔德NHS基金会信托和伦敦帝国学院的同事。 (所有伦敦,英国)
  • Raimondo教授Ascione和Bristol大学翻译生物医学研究中心团队(英国)
  • Alex Berry(英国)
  • Tim Jackson和团队,灌注,皇家Brompton和Harefield NHS Foundation Trust
  • Robin Hardie,临床工程,皇家Brompton和Harefield NHS基金会信托
参考

[1] Giannopoulos AA,Mitsouras D,Yoo SJ,Liu PP,Chatzizisis ys,Rybicki FJ。 3D印刷在心血管疾病中的应用. NAT。 rev. cardiol。 13, 701—718 (2016).

[2] Parthasarathy J,Krishnamurthy R,Ostendorf A,Shinoka T,Krishnamurthy R. 3D打印与儿科应用中的MRI. J. MANG。共振。成像。 DOI:10.1002 / JMRI.26870(印刷品前)(2019年)。

[3] Biglino G,Koniordou D,Gasparini M . 试验使用患者特异性心脏模型作为一种新颖的工具,以便在临床咨询期间促进沟通. Pediastr。 Cardiol.。 38(4),813-818(2017)。

[4] Filippou v,Tsoumpas C. 使用3D打印对CT,MRI,PET,SPECT和超声波进行成像的幻影开发的最新进展. Med。 phys。 45(9),740-760(2018)。

[5] Bieniosek MF,Lee Bj,Levin CS。 技术说明:自定义3D打印多模成像映像的特征. Med。 phys。 42(10),5913-5918(2015)。

[6]阿布萨玛如此,Baron Ca,Moore J,Peters T,Khan Ar,Hussain U. 三维印刷扩散MRI光纤幻像的设计与评估。 Proc。 SPIE 10573,医学成像2018:医学成像物理学,105731Q(2018)。

[7]安德森JR,Diaz O,Klucznik r . 用解剖学精确,3D印刷MRI幻影和4D PCMRI验证计算流体动力学方法. Conf Proc Ieee Eng Med Biol Soc。 2014年。 6699-701(2014)。

[8] GRAEDEL NN,POLIMENI JR,Guerin B,Gagoski B,Bonmassar G,Wald LL。 用于射频加热测量的解剖学现实温度幻像. 巨大的。共振。 Med.。 73(1),422-450(2015)。

[9]GuéRin B,Stockmann JP,Baboli M,Torrado-Carvajal A,Stenger Av,Wald LL。 在大B0变化存在下,稳健的时移辐射脉冲设计,通过同时减小通过平面去除,B1 +效应以及使用并行传输的特定吸收率. 巨大的。共振。 Med.。 76(2),540-554(2016)。

[10] rai r,王yf,manton d,dong b,deshpande s,liney gp。 MRI的多功能3D印刷幻影的开发. 物理。 Med。 BIOL.。 64(7),075010(2019)。

[11] Roujol S,Tschabrunn C,Basha Ta,Kissinger KV,Manning WJ,Josephson Me,Anter E,Nezafat R. 统一分析的新框架 体内离体 心脏数据使用 体内 MRI衍生的3D印刷模型:应用于心脏MRI. Proc。 int。 SOC。巨大的。共振。 Med。安努。见面。  2584(2015)。

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[13] Zimmer Hg。 孤立的灌注心脏及其先驱。生理。 13(4),203-210(1998)。

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