Paziente

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10172 (2022) Citare questo articolo

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La visualizzazione delle immagini mediche dei pazienti come modelli fisici 3D (modelli fantasma) ha molti ruoli in campo medico, dalla formazione alla preparazione preclinica e alla ricerca clinica. Tuttavia, gli attuali modelli fantasma sono generalmente generici, costosi e richiedono molto tempo per essere fabbricati. Pertanto, esiste la necessità di una pipeline efficiente in termini di costi e tempo, dall’imaging medico ai modelli di fantasmi specifici per il paziente. In questo lavoro, presentiamo un metodo per creare stampi sacrificali 3D complessi utilizzando una resina solubile in acqua disponibile in commercio e una stampante 3D desktop a basso costo. Ciò ci consente di ricreare parti dell'albero arterioso cerebrale come modello fantasma in scala reale (\(10\volte 6\volte 4\) cm) in gomma siliconica trasparente (polidimetilsilossano, PDMS) da immagini di angiografia con tomografia computerizzata (CTA). Abbiamo analizzato il modello con risonanza magnetica (MRI) e lo abbiamo confrontato con i dati del paziente. I risultati mostrano un buon accordo e superfici lisce per le arterie. Valutiamo anche il nostro metodo esaminando la sua capacità di riprodurre canali da 1 mm e angoli acuti. Abbiamo scoperto che le forme rotonde sono ben riprodotte, mentre le caratteristiche nitide mostrano alcune divergenze. Il nostro metodo può fabbricare un modello fantasma specifico per il paziente con meno di 2 ore di tempo di lavoro totale e con un basso costo di fabbricazione.

I modelli fantasma ricreati da immagini mediche hanno molti ruoli potenziali nel campo della medicina personalizzata. La riproduzione delle strutture interne dei pazienti come modelli 3D in scala reale è vantaggiosa per diversi motivi. In primo luogo, i modelli fantasma possono essere utilizzati dai professionisti medici prima degli interventi chirurgici, nonché per la formazione educativa1,2,3,4. In secondo luogo, modelli fantasma realistici in cui è possibile misurare le proprietà del flusso potrebbero aiutare nella diagnosi delle malattie e fornire ai ricercatori una tecnica per valutare le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD)5,6. Un esempio di geometria complessa con caratteristiche strutturate fini che sarebbe utile ricreare come modello di flusso fantasma sono le arterie cerebrali. Ricreare l'albero arterioso cerebrale come modello specifico per il paziente ha il potenziale per aiutare a visualizzare ed esplorare gli effetti sulla pressione sanguigna derivanti da un restringimento anomalo dei vasi sanguigni (stenosi) e convalidare i metodi attuali per la valutazione clinica7. Tuttavia, gli attuali modelli fantasma utilizzati in medicina sono generalmente generici, costosi e richiedono molto tempo per essere fabbricati8. Per superare queste limitazioni e fabbricare modelli specifici per il paziente, è necessaria una pipeline efficiente in termini di costi e tempo dall’imaging medico al modello di fantoccio 3D.

L'imaging medico si è sviluppato rapidamente negli ultimi decenni con una migliore risoluzione degli angiogrammi arteriosi (imaging dei vasi sanguigni) che sono facilmente ottenibili dalle misurazioni cliniche di routine. Tuttavia, la trasformazione di questi angiogrammi in modelli fantasma come parte della procedura di routine richiederebbe metodi di fabbricazione efficienti. Il recente sviluppo nella tecnologia delle stampanti 3D offre nuovi modi per creare modelli 3D. Di conseguenza, i modelli fantasma possono ora essere prodotti internamente, rapidamente e a basso costo. La maggior parte delle tecnologie di stampa 3D sono basate su estrusione (ad esempio FDM), stereolitografia (ad esempio SLA) o stampanti a getto d'inchiostro (ad esempio polyjet)9,10. Le stampanti SLA sono generalmente preferite per la loro combinazione di alta risoluzione, buona finitura superficiale e basso costo. Sebbene tutti questi aspetti siano importanti, il modello fantasma dovrebbe anche essere in grado di assomigliare alle condizioni in vivo, quindi è necessario considerare il suo materiale. Una gomma siliconica chiamata polidimetilsilossano (PDMS) è comunemente utilizzata nei modelli fantasma poiché è trasparente, inerte, non tossica11,12 e ha un'elasticità che può essere regolata13,14. Questo è ideale per i modelli di flusso utilizzati per condurre studi biologici e/o incorporare elementi conformi (flessibili). Tuttavia, il PDMS non è un materiale adatto alla stampa 3D diretta poiché i tentativi comportano una chiarezza ottica ridotta15. Pertanto, per consentire un'elevata chiarezza ottica e un'alta risoluzione, proponiamo un metodo che utilizza una stampante SLA per fabbricare uno stampo delle arterie e fonderle in PDMS.