Vorhersage undichte Herzklappen mit dem 3D-Druck: die Neue integrierte workflow verbessert die Ventil-Dimensionierung Genauigkeit während der Ersatz der Aortenklappe Verfahren

Mehr als acht Menschen im Alter von 75 Jahren und älter in den Vereinigten Staaten entwickeln eine moderate bis schwere Verstopfung der Aortenklappe im Herzen, in der Regel verursacht durch verkalkte Ablagerungen, die aufbauen auf die Ventil-Flugblätter und verhindern, dass Sie vollständig öffnen und schließen. Viele dieser älteren Patienten werden nicht gesund genug, um zu Unterziehen offene Herzoperationen; stattdessen haben Sie künstliche Ventile implantiert, die Ihre Herzen mit einem Verfahren namens transkatheter-Aortenklappenersatz (TAVR), worin das Ventil über einen Katheter eingefügt in die aorta. Es gibt Herausforderungen, die mit diesem Verfahren, aber auch die Notwendigkeit, wählen Sie die perfekte grösse Herzklappe ohne jemals Blick auf das Herz des Patienten: zu klein, und das Ventil kann sich lösen oder undicht an den Rändern; zu groß, und das Ventil kann zerreißen die Herzen, tragen ein Risiko von Tod. Wie Goldilocks, Kardiologen suchen für ein TAVR Ventil Größe „genau richtig.“

Forscher am Wyss-Institut für Biologisch Inspirierte Engineering an der Harvard University haben eine neuartige 3D-Druck-workflow, der es ermöglicht Kardiologen zu beurteilen, wie verschiedene ventilgrößen interagieren mit jedem Patienten der einzigartigen Anatomie, vor der medizinischen Prozedur tatsächlich ausgeführt wird. Dieses Protokoll nutzt CT-Daten zur Herstellung von physikalischen Modellen des einzelnen Patienten aortenklappen, zusätzlich zu einem „sizer“ Gerät zum bestimmen der perfekte Ersatz Ventil-Größe. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Forschern und ärzten, von der Brigham and Women ‚ s Hospital, Die Universität von Washington, Massachusetts General Hospital, und dem Max-Planck-Institut für Kolloid-und grenzflächenforschung, und ist veröffentlicht in der Zeitschrift der Herz-Computertomographie.

„Wenn Sie ein paar Schuhe kaufen online, ohne zu versuchen, Ihnen auf den ersten, es gibt eine gute chance, dass Sie nicht gehen, um richtig passen. Dimensionierung Ersatz TAVR Ventile stellt sich ein ähnliches problem, dass ärzte nicht die Gelegenheit bekommen, zu bewerten, wie ein bestimmtes Ventil Größe passt mit Patienten Anatomie vor der Operation“, sagte James Weaver, Ph. D., Senior Research Scientist an der Wyss Institut, der entsprechende Autor des Papiers. „Unsere integrative 3D-Druck und Ventil-Dimensionierung-system bietet eine benutzerdefinierte Bericht von jedem Patienten einzigartige Aortenklappe die Form, entfernen eine Menge von dem Rätselraten und hilft jedem Patienten erhalten mehr korrekt dimensioniert Ventil.“

Wenn ein patient braucht einen Ersatz, Herzklappe, Sie erhalten Häufig ein CT-scan, die eine Reihe von X-ray-Bilder des Herzens zu erstellen, die eine 3D-Rekonstruktion Ihrer inneren Anatomie. Während die äußere Wand der aorta und alle damit verbundenen verkalkte Ablagerungen leicht zu sehen, auf einem CT-scan, die zarte „Flugblätter“ von Gewebe, das öffnen und schließen des Ventils sind oft zu Dünn, um zu zeigen, bis gut. „Nach einer 3D-Rekonstruktion des Herzens Anatomie durchgeführt wird, sucht man oft wie die verkalkte Ablagerungen sind einfach schweben um im inneren das Ventil, die Bereitstellung von wenig oder keinen Einblick, wie eine bereitgestellte TAVR Ventil würde mit Ihnen interagieren,“ Weber erklärt.

Um dieses problem zu lösen, Ahmed Hosny, wer war Forschungsstipendiat am Wyss-Institut an der Zeit, erstellt ein software-Programm, das verwendet parametrische Modellierung zur Generierung virtueller 3D-Modelle der Flugblätter mit sieben Koordinaten, die auf jeden Patienten Ventil angezeigt, die auf CT-scans. Die digitale Broschüre-Modelle wurden dann zusammen mit den CT-Daten, und angepasst, so dass Sie passen in das Ventil richtig. Das daraus resultierende Modell, das beinhaltet der Flugblätter und Ihre zugehörigen verkalkte Ablagerungen, war dann 3D-gedruckt in ein physisches “ multi-material-Modell.

Das team hat auch 3D-gedruckt, die eine benutzerdefinierte „sizer“ – Gerät, das passt in die 3D-gedruckten Ventil-Modell und ausdehnt und zusammenzieht, um zu bestimmen, welche Größe die künstlichen Ventil würde am besten passen sich jeder patient. Dann wickelte Sie die sizer mit einer dünnen Schicht von Druck-sensing-film anzeigen, den Druck zwischen der sizer und die 3D-gedruckten Ventile und Ihre damit verbundenen verkalkte Ablagerungen, während nach und nach erweitern die sizer.

„Wir haben entdeckt, dass die Größe und die Lage der verkalkte Ablagerungen an den Broschüren haben einen großen Einfluss auf wie gut ein künstliches Ventil passen in einen verkalkten,“ sagte Hosny, wer derzeit am Dana-Farber Cancer Institute. „Manchmal gab es einfach keine Möglichkeit, eine TAVR Ventil vollständig Dichtung eine verkalkte Armatur, und jenen Patienten, die könnte tatsächlich besser dran, immer eine Operation am offenen Herzen zu erhalten, eine besser passende Ergebnis.“

In addition, die multi-material-design des 3D-gedruckten Ventil Modelle, welche sowohl flexibel Flugblätter und starre, verkalkte Ablagerungen in einem vollständig integrierten Form, könnte viel mehr genau imitieren das Verhalten von realen Herzklappen während der künstlichen Ventil-Bereitstellung, sowie haptische feedback, wie der sizer wird erweitert.

Das team getestet Ihre system-mit den Daten von 30 Patienten, die bereits unterzogen TAVR-Prozeduren, 15 von Ihnen entwickelt hatte, Leckagen von Ventilen, die zu klein waren. Die Forscher vorhergesagt, basierend auf, wie gut die sizer passen in die 3D-gedruckte Modelle Ihres aortenklappen, welche Größe Ventil jeder patient sollte erhalten haben, und ob Sie Erfahrung Lecks nach dem Eingriff. Das system war in der Lage, erfolgreich vorauszusagen, Leck Ergebnis in 60-73% der Patienten (abhängig von der Art der Armatur der patient erhalten hatte), und festgestellt, dass 60% der Patienten erhielten die entsprechende Größe des Ventils.

„In der Lage zu identifizieren, die Mittel – und niedrig-Risiko-Patienten, deren Herzklappen-Anatomie gibt Ihnen eine höhere Wahrscheinlichkeit von Komplikationen von TAVR ist kritisch, und wir hatten noch nie eine nicht-invasive Art und Weise, genau zu bestimmen, dass vor“, sagte co-Autor Beth Ripley, M. D., Ph. D, Assistant Professor in der Abteilung der Radiologie an der Universität von Washington, war ein Herz-Kreislauf-Imaging-Fellow am Brigham and Women ‚ s Hospital, in dem die Studie durchgeführt wurde. „Diese Patienten könnten besser sein, serviert von der Chirurgie, die Risiken eines unvollkommenen TAVR führen könnte, überwiegen die Vorteile.“ Zusätzlich, die physikalische Simulation der Verfahren könnte in zukünftige Iterationen von Ventil-designs und der Bereitstellung Ansätze.

Die Mannschaft hat Ihre Broschüre software zur Modellierung und 3D-printing-Protokoll, die online frei verfügbar für Wissenschaftler oder ärzte, die wünschen, Sie zu benutzen. Sie hoffen, dass Sie Ihr Projekt als Sprungbrett für optimierbare biomedical design, die Schritt hält mit dem Markt der Stand der Technik.

„Der Kern der personalisierten Medizin Herausforderung ist die Erkenntnis, dass eine medizinische Behandlung nicht für alle Patienten gleich gut, und dass Therapien sollten auf den einzelnen zugeschnitten“, sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der Harvard Medical School und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences. „Dieses Prinzip gilt auch für medizinische Geräte sowie Medikamente, und es ist spannend zu sehen, wie unsere Gemeinschaft ist innovativ in diesem Raum und versucht, zu übersetzen, neue personalisierte Ansätze aus dem Labor in die Klinik.“