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3D打印模型助力医疗行业

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2019-05-28

  在“创新的左心室辅助装置的建模技术和3D打印:从实验台到临床实践的桥梁”中,美国研究人员研究了更好地监测左心室辅助装置(LVAD)和故障排除警报的新技术。由于近30年来LVAD一直是一项发展中的技术,因此有必要改变其流动动力学。
  
  作者研究了临床上尚未使用的新发展方法,但未来可能具有重要意义,因为它们能够改善心脏病患者的治疗,他们可能有低心输出量,甚至是终末期心力衰竭。由于LVAD为移植或进一步治疗提供了“桥梁”,某些模型可能会导致以下问题:
高血栓形成
瓣膜失败率
流量增加
出血并发症
脑卒

  即使采用了高级设计,也可能由于LVAD放置在体内而出现问题。在这里,研究人员进一步研究预测左心室流出的技术。这些技术不仅可以带来更好的故障排除,而且还可以在3D打印指南的帮助下更好地进行手术计划。

计算流体动力学用于创建LVAD原型并对其进行测试:

  在进行计算机模拟之前,需要定义物体的精确3D几何形状,通常来自心脏CT或3D超声心动图。在这种情况下,液体、血液和周围边界的物理特征是确定的。在这些计算机模拟中,血液被假定为理想的液体。

  通过'入口'(左心室)和'出口'(主动脉)的血流量可以来自心脏导管插入术或超声心动图。这些几何和边界条件是计算机模拟的输入,其基本上用作虚拟流动实验室。然后,该信息可用于生成剪切应力,散热和壁压的信息。还可以生成用于溶血和血小板活化的模型以测试装置的血液相容性。 

  CFD模拟具有相对于主动脉弓的不同流出套管角度和绝对压力的变化(以帕斯卡为单位)以及在主动脉弓和大血管上的分布。

  流体结构相互作用(FSI)允许研究人员检查“可变形结构”周围的流体流动,通过CFD模拟,可以评估以下血液动力学参数:
压力
速度
壁面剪切应力
移位

  模拟使研究人员能够观察到扰动的血流,这可能与动脉粥样硬化和血栓形成的问题有关。作者指出,大多数CFD研究缺乏所需的特定患者几何结构,以及长期结果。

  研究人员表示,“CFD可以证明是一种有用的技术,可以临床用于LVAD种植体规划,监测和LVAD患者并发症的故障排除。评估与不良长期临床结果相关的不良流体特征可能为手术植入技术提供重要见解。”

  在粒子图像测速(PIV)中,研究人员研究了用于计算速度矢量和流体动力学的快速连续成像。PIV建模涉及设置:
透明的幻影器官
激光器
相机
颗粒
图像处理软件

  作者发现了PIV在理解LVAD放置和流体动力学方面的潜力。

  3D打印模型现在也在使用,以便研究人员可以更多地了解心脏病。它们可能有助于手术计划,也有助于放置心室辅助装置(VAD)。心脏模型也有助于虚拟植入,以及儿童的VADS。研究人员指出,3D打印心脏模型确实改善了解剖学定位和手术技术,它们不如连续流动泵模拟。他们建议使用CFD或PIV建模的更好的仿真模型。

  随着3D打印技术的发展,人们希望开发能够复制解剖学和生理学特征的患者特异性模型,用于LVAD手术计划。从长远来看,改善流体动力学可能有助于改善植入技术并减轻重大不良事件的负担。

  一个流量循环回路的例子,其LVAD连接到调节室和流量计。

  因为有如此多的心脏病影响着世界上许许多多的人,他们可能是致命的,研究人员一直在寻找更好的方法来治疗患者。借助3D打印模型和设备,患者特定护理更容易获得,这意味着医疗专业人员可以更轻松地诊断心脏病,治疗心脏病,并解释患者和家人的情况。医学生也有更广泛的培训机制,包括先进的3D打印心脏模型和手术指南。

(来源:增材之光)

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