EP3453012A1 - DREIDIMENSIONALES GEFÄßCHIRURGISCHES-SIMULATIONSMODELL SOWIE DAZUGEHÖRIGES HERSTELLUNGSVERFAHREN - Google Patents

DREIDIMENSIONALES GEFÄßCHIRURGISCHES-SIMULATIONSMODELL SOWIE DAZUGEHÖRIGES HERSTELLUNGSVERFAHREN

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Publication number
EP3453012A1
EP3453012A1 EP17725157.6A EP17725157A EP3453012A1 EP 3453012 A1 EP3453012 A1 EP 3453012A1 EP 17725157 A EP17725157 A EP 17725157A EP 3453012 A1 EP3453012 A1 EP 3453012A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
liquid
simulation model
vascular system
vascular
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17725157.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dr. André KEMMLING
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet zu Luebeck
Original Assignee
Universitaet zu Luebeck
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet zu Luebeck filed Critical Universitaet zu Luebeck
Publication of EP3453012A1 publication Critical patent/EP3453012A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models
    • G09B23/303—Anatomical models specially adapted to simulate circulation of bodily fluids

Definitions

  • the invention relates to a three-dimensional vascular surgical simulation model and associated production method.
  • imaging systems for use in a medical interventional operation are known in the imaging systems, e.g. A series of 2D CT fluoroscopy images are transformed into a 3D model image on a screen to directly assist a surgeon with this image information.
  • imaging method for vascular models is also shown by US 7,739,090 B2.
  • the document DE 10 2010 008 702 B4 discloses a method for producing a drilling template for introducing implantological bores, in which a physical 3D model is produced on the basis of segmented image data using a rapid prototyping method or 3D printing method, wherein the 3D model is made transparent in a partial area in order to visualize features of a tooth, mouth or jaw area and to simulate a planned intervention on the 3D model and to tune a surgical template thereon.
  • EP 2 287 823 A1 shows a method for producing a vessel model from a polymer in printing technique.
  • DE 10 2013 004 843 A1 discloses a medical simulation system with a dummy / patient model with input / output device and sensor system which informs the physiological state data during a simulated medical intervention and thus simulates the operating environment.
  • US 2005 0 186 361 A1 shows a 3D model for blood vessels and the production method.
  • the problems in the prior art are essentially to map the entire dynamic flow vessel situation in a transparent model-carrier 3D model to allow for disturbances, e.g. a closure and the associated effects can be studied.
  • silicone models are not suitable for the production in large numbers for regular patient-specific Conducting device tests in the model.
  • silicone models are so far integrated in enclosed pump system, so that each vessel of the arterial outflow needs its own connection; This makes the production complicated and very expensive. Multiple small ramifications of the peripheral cerebral arteries can not be individually provided with a drain port.
  • the present invention is based on the object, a three-dimensional
  • Vascular surgical simulation model with a model carrier which represents the vascular system to provide. Another object is to provide a corresponding
  • the three-dimensional vascular surgical simulation model has:
  • a container with a receiving space and located in the receiving space
  • an artificially prepared vascular system having at least one delivery / delivery artery and at least one discharge / peripheral laxative branch, wherein
  • the vascular system is arranged in the receiving space of the container and can be flowed around by the liquid,
  • the at least one supplying artery from the outside of the container is wettrömbar with the liquid
  • the peripheral laxative branches of the artery terminate freely in the receiving space of the container, so that the liquid flowing through the vascular system from the supplying artery to the discharging arterial branches flows out into the receiving space of the container;
  • a circulation pump and circulation conduits for withdrawing the liquid from the receptacle of the receptacle and introducing it into the afferent artery of the receptacle
  • Vascular system wherein the liquid from the receiving space of the container by means of the circulation pump and circulation lines is circulated through the vascular system.
  • vascular systems in particular the brain region of a patient, to which
  • Vascular system made of a transparent material or transparent plastic. In this way, when exercising and planning vascular surgical procedures, a visual check can be made. At the same time an exercise by means of radiological imaging is possible.
  • a further preferred embodiment is provided when the liquid in the container is a transparent liquid, in particular a glycerol-water mixture.
  • a transparent liquid in particular a glycerol-water mixture.
  • access may be provided for one or more instruments, catheters and / or anomalies, artificial closures, thrombi for insertion and / or movement into the afferent artery.
  • the aneurysm model has a feeding vessel via a cervical artery (right internal left / right arteries, right / left vertebral artery) and many downstream lumbar peripheral vessels.
  • the laxative vessels of the model do not get their own connection (as previously with silicone models), but end up open in a transparent container as a reservoir.
  • the return of the liquid to a pump This set-up, in turn, allows for easy fabrication and application of high-resolution 3D models as a block by laser stereolithography (SLA), whereby very small peripheral arteries can be realized in one model.
  • SLA laser stereolithography
  • the vascular system can be produced by means of 3D printing methods, stereolithography [STL or SLA printing] and / or laser stereolithography.
  • a plastic produced by means of SLA print technology is suitable.
  • relevant scales namely lumen diameter between 1 to 10 mm cost and be realized with little effort, but with very high anatomical accuracy, which are not accessible for example in the prior art by silicone model.
  • control loop with sensors, control and
  • Automatic control can be provided, wherein the circulation of the liquid is controlled, in addition, a display for visualizing the intensity and / or direction of the flow of the liquid or a rotating wheel can be provided.
  • the vascular system can advantageously be a replication of an actual human vascular system and / or be designed as a simulation for endovascular interventions in the brain.
  • a lighting device and / or an imaging unit, a visual camera and / or an X-ray can be provided to the
  • MRI, CT and / or non-invasive imaging of patients may be used to produce the print data set.
  • Such three-dimensional vascular surgical simulation models can be used in courses
  • Patient-specific models as digitally possible through the use of MRI and other imaging techniques, allow the exerciser to practice on their own planned case, with the image data being provided to make a 3D model.
  • the benefits Low cost, fast production, high resolution, patient-specific flow models.
  • the flow system is usually not suitable for permanent use, but this is compensated by the approach of low production costs. 3D models can be used at any time without great effort on the basis of image data processing
  • Aneurysm model can be easily reproduced, since the replication in the SLA printer is arbitrarily combinskalierbar.
  • the flow system according to the invention with integration of the transparent 3D model of the cerebral arteries in an open transparent container allows easy handling and a simple structure, as well as very simple image data processing for the production of the aneurysm models which only need an inflow adapter, through which the liquid is introduced into the vascular system and which exits an open laxative arterial branches into the container.
  • the refractive index of the liquid surrounding the model is adjusted.
  • the open flow system allows for easy production of models using SLA Rapid Manufacturing.
  • SLA an optical process using UV laser light at 405 nm hardens a photocuring plastic, a photopolymer, which conforms to the model based on image data.
  • SLA allows rapid manufacturing of high-resolution models.
  • the photopolymer must ensure a very good transparency of the models. This is necessary for application and placement of devices and devices in the model under X-ray vision.
  • the surface of the offered transparent resin for example FLGPCL02
  • FLGPCL02 the surface of the offered transparent resin
  • the model in the open flow system of Liquid wherein the refractive index of the liquid, in particular a mixture of water and glycerol, is adjusted by appropriate mixing ratio of the refractive index of the resin, whereby a maximum transparency for visual review of the 3D model is given.
  • the flow system with integrated visual flow control can be used to quickly set the flow velocity for the realistic use of the flow system
  • DSA digital subtraction angiography
  • Brain aneurysms or stenoses e.g. can be practiced by coils, flow diverter, stents or preoperatively tested.
  • 3D rotational angiographic (3D RA) pre-treatment aneurysm data were processed for SLA volume model printing. Cerebral arterial models were printed directly with transparent photopolymer resin.
  • the arterial connections have been connected to a circulation pump via a PVC tubing, allowing for an optimal simulated environment of aneurysms in a true neurological angio suite.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the inventive three-dimensional vascular surgical simulation model 1;
  • FIG. 2 is a schematic representation of the vascular system 5 used in the embodiment shown in Figure 1;
  • Fig. 3 is an illustration of a 3D model of a patient vessel
  • Fig. 4 is an illustration of the actual patient vessel system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the
  • the main element is the container 2 with the receiving space 3, in which the vascular system 5 with the aneurysm 54, the supplying artery 51 and the schematically shown laxative artery branches 52 and 53 is shown.
  • the circulation system is designed such that from the container 2, a circulation line 61 is guided to a circulation pump 6. From the circulation pump 6, another connection is made via a further circulation line 61 to a rotating wheel 62, which indicates the flow, and further via a further circulation line 61 to the supplying artery 51 of the vascular system 5.
  • the laxative arterial branches 52 and 53 terminate open in the container 2, namely in the
  • a camera 7 To control a camera 7 is provided with a monitor 71 arranged thereon.
  • the liquid 4 used throughout the system 1 is a glycerin-water solution.
  • the circulation pump 6 works with: Pulsatile Flow 1.2 Hz, Pressure gradient ⁇ 40 mmHg and a volume ⁇ 300 ml / min to realize a typical flow.
  • the vascular system 5 has been created by means of 3D SLA technology.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of that shown in Figure 1
  • Embodiment used vascular system 5.
  • the afferent artery 51 and a plurality of the discharging arterial branches are shown by way of example as 52 and 53. It is an ICA
  • Fig. 3 shows a representation of a 3D model of a patient vessel.
  • Fig. 4 shows a representation of the actual patient vessel system. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell Aufweisend: - ein Behältnis (2) mit einem Aufnahmeraum (3) und einer in dem Aufnahmeraum (3) befindlichen Flüssigkeit (4); - ein künstlich hergestelltes Gefäßsystem (5) mit wenigstens einer Zuführung / zuführenden Arterie (51) und wenigstens einer Abführung / periphere abführende Arterienäste (52, 53), wobei - das Gefäßsystem (5) in dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) angeordnet ist und von der Flüssigkeit (4) umströmbar ist, - die wenigstens eine zuführende Arterie (51) von außerhalb des Behältnisses (2) mit der Flüssigkeit (4) beströmbar ist und - die peripheren abführenden Arterienäste (52, 53) frei in dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) enden, so dass die das Gefäßsystem (5) von der zuführenden Arterie (51) zu den abführenden Arterienästen (52, 53) durchströmende Flüssigkeit (4) in den Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) entströmt; - eine Zirkulationspumpe (6) und Zirkulationsleitungen (61) zur Entnahme der Flüssigkeit (4) aus dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) und Einbringung in die zuführende Arterie (51) des Gefäßsystems (5), wobei die Flüssigkeit (4) aus dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) mittels der Zirkulationspumpe (6) und Zirkulationsleitungen (61) durch das Gefäßsystem (2, 51->52/53) zirkulierbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein dazu gehöriges Herstellungsverfahren.

Description

Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell sowie dazugehöriges
Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell sowie dazugehöriges Herstellungsverfahren.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Lösungen bekannt, um dreidimensionale gefäßchirurgische-Simulationsmodelle sowie dazugehörige Herstellungsverfahren für einen Gefäßbereich zu realisieren.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 050 000 A1 sind Bildgebungssysteme zur Verwendung in einer medizinischen Eingriffsoperation bekannt, bei den bildgebende Systeme, z.B. eine Serie von 2D CT-Fluoroskopie Bildern in ein 3D Modell-Bild an einem Bildschirm überführt werden, um einen Operateur mit diesen Bild-Informationen direkt zu unterstützen. Ein derartiges bildgebendes Verfahren für Gefäßmodelle wird auch durch die US 7 739 090 B2 gezeigt.
Weiter ist aus der Druckschrift DE 10 2010 008 702 B4 ein Verfahren zur Herstellung einer Bohrschablone zum Einbringen von implantologischen Bohrungen bekannt, bei der auf Basis von segmentierten Bilddaten ein körperliches 3D-Modell mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren oder 3D- Druckverfahren hergestellt wird, wobei das 3D-Modell in einem Teilbereich transparent ausgeführt ist, um Merkmale eines Zahns-, Mund- oder Kieferbereichs zu visualisieren und einen geplanten Eingriff am 3D-Modell simulieren zu können und eine Bohrschablone darauf abzustimmen. Die EP 2 287 823 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Gefäßmodells aus einem Polymer in Drucktechnik.
Ferner ist aus der Druckschrift DE 10 2013 004 843 A1 ein medizinisches Simulationssystem bekannt, mit einem Dummy/ Patientenmodell mit Eingabe-/Ausgabeeinrichtung und Sensorik die bei einem simulierten medizinischen Eingriff über die physiologischen Zustandsdaten informieren und damit die Operationsumgebung simulieren.
Die US 2005 0 186 361 A1 zeigt ein 3D- Modell für Blutgefäße und die Herstellungsmethode.
Aus der WO 2005 010 849 A1 ist ein Simulationsmodell für eine Eingriffssituation bei endovasculären Eingriffen am Herzen mit einem Blutzirkulationsmodell bekannt.
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen die gesamte Gefäßsituation mit dynamischem Durchfluss in einem transparenten 3D-Modell mit Modellträger abzubilden, damit unter realistischen Bedingungen Störungen, z.B. ein Verschluss und die damit verbundenen Auswirkungen studiert werden können.
Wegen zeitlichem Aufwand, Preis und anatomischer Ungenauigkeit eignen sich Silikonmodelle nicht zur Herstellung in großer Stückzahl für die regelmäßige patienten-spezifische Durchführung von Device-Tests im Modell. Zudem werden Silikonmodelle bisher in eingeschlossenen Pumpensystem integriert, so dass jedes Gefäß des arteriellen Abfluss einen eigenen Anschluss braucht; dies macht die Herstellung kompliziert und sehr aufwendig. Multiple kleine Verästelungen der peripheren Hirnarterien können nicht einzeln mit einem Anschluss für den Abfluss versehen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dreidimensionales
gefäßchirurgisches-Simulationsmodell mit einem Modellträger, welches das Gefäßsystem darstellt, bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein entsprechendes
dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell-Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem kostengünstig ein entsprechendes dreidimensionales gefäßchirurgisches-
Simulationsmodell hergestellt werden kann. Hierbei soll besonderes Augenmerk auf die
Herstellungskosten, die Realitätsnähe als auch die Kontrollierbarkeit bei Verwendung des Modells gelegt werden.
Gelöst werden diese Aufgaben mit einem dreidimensionalen gefäßchirurgischen- Simulationsmodell gemäß Hauptanspruch sowie einem Herstellungsverfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch.
Erfindungsgemäß weist das dreidimensionale gefäßchirurgische-Simulationsmodell auf:
- ein Behältnis mit einem Aufnahmeraum und einer in dem Aufnahmeraum befindlichen
Flüssigkeit;
- ein künstlich hergestelltes Gefäßsystem mit wenigstens einer Zuführung / zuführenden Arterie und wenigstens einer Abführung / periphere abführende Arterienäste, wobei
- das Gefäßsystem in dem Aufnahmeraum des Behältnisses angeordnet ist und von der Flüssigkeit umströmbar ist,
- die wenigstens eine zuführende Arterie von außerhalb des Behältnisses mit der Flüssigkeit beströmbar ist
und
- die peripheren abführenden Arterienäste frei in dem Aufnahmeraum des Behältnisses enden, so dass die das Gefäßsystem von der zuführenden Arterie zu den abführenden Arterienästen durchströmende Flüssigkeit in den Aufnahmeraum des Behältnisses entströmt;
- eine Zirkulationspumpe und Zirkulationsleitungen zur Entnahme der Flüssigkeit aus dem Aufnahmeraum des Behältnisses und Einbringung in die zuführende Arterie des
Gefäßsystems, wobei die Flüssigkeit aus dem Aufnahmeraum des Behältnisses mittels der Zirkulationspumpe und Zirkulationsleitungen durch das Gefäßsystem zirkulierbar ist.
Hierdurch ist es erstmalig möglich, ein Flussmodell auf sehr günstige Weise von
Gefäßsystemen, insbesondere der Hirnregion eines Patienten, zu erstellen, an dem zu
Übungszwecken als auch zur Vorbereitung auf eine tatsächliche Operation geübt und trainiert werden kann. Es ist hierdurch möglich mit einer sehr hohen Auflösung und Detailtreue zu arbeiten, wobei insbesondere auch Problemstellen wie Hirnaneurysmen darstellbar sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante sind das Behältnis und/oder das
Gefäßsystem aus einem transparenten Material oder transparenten Kunststoff hergestellt. Auf diese Weise kann beim Üben und Planen von Gefäß-chirurgischen Eingriffen eine optische Kontrolle erfolgen. Gleichzeitig ist auch eine Übung mittels radiologischer Bildgebung möglich.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist gegeben, wenn die Flüssigkeit in dem Behältnis eine transparente Flüssigkeit, insbesondere ein Glyzerin-Wassergemisch ist. Hierdurch ist eine nahezu absolute Transparenz gegeben, so dass innerhalb des Modells die Strukturen von Außen nahezu vollständig bis vollständig transparent sind.
Das technische Detail des offenen Fluss-Systems, das einerseits die einfache Herstellung von 3D Modellen ermöglicht, wobei die peripheren abführenden Arterienäste keinen Anschluss benötigen, andererseits der Ausgleich des Brechungsindex durch die umgebende Flüssigkeit für maximale Transparenz zum Einsatz unter Sicht, sowie die zusätzlich visuelle Flusskontrolle zum Einsatz unter Röntgendurchleuchtung sind die Schlüsselkomponenten des System.
Insbesondere ist die Gesamtschau dieser Eigenschaften von großer Bedeutung.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann ein Zugang für ein oder mehrere Instrumente, Katheter und/oder Anomalien, künstliche Verschlüsse, Thromben zum Einführen und/oder Bewegen in die zuführende Arterie vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist bei der erfinderischen Vorrichtung, dass beim Führen von Instrumenten in den durchströmten Gefäßen der Einfluss unterschiedlichster Geräte und deren Einfluss auf die Hydromechanik des gesamten Systems studiert werden kann. Dies schließt das Studium der Untersuchung von Auswirkungen invasiver Folgen des Eingriffs mit ein. Das Aneurysmamodell hat ein zuführendes Gefäß über eine Halsarterie (Arteria Carotis interna rechts/links, Arteria vertebralis rechts/links) und viele nachgeschaltete abführende Gefäße der Hirnperipherie. Die abführenden Gefäße des Modells bekommen keinen eigenen Anschluss (wie bisher bei Silikonmodellen), sondern enden offen in einem transparenten Behälter als Sammelbecken. Hier erfolgt die Rückführung der Flüssigkeit zu einer Pumpe. Dieses Set-up ermöglicht wiederum die einfache Herstellung und Anwendung von hochaufgelösten 3D Modellen als Block mittels Laserstereolithographie (SLA), wobei sehr kleine periphere Arterien in einem Modell realisiert werden können.
Insbesondere kann das Gefäßsystem mittels 3D-Druckverfahren, Stereolithografie [STL oder SLA-Printing] und/oder Laser-Stereolithografie hergestellt werden. Hierbei bietet sich insbesondere ein mittels SLA-Print-Technologie hergestellter Kunststoff an. Insbesondere können relevante Maßstäbe, nämlich Lumendurchmesser zwischen 1 bis 10 mm kostengünstig und mit geringem Aufwand, allerdings mit sehr hoher anatomischer Genauigkeit realisiert werden, die beispielsweise im Stand der Technik durch Silikonmodell nicht erreichbar sind.
Ferner kann zur weiteren Ausgestaltung ein Regelkreis mit Sensoren, Steuerung und
Regelautomatik vorgesehen sein, wobei die Zirkulation der Flüssigkeit gesteuert wird, wobei ergänzend eine Anzeige zur Visualisierung der Intensität und/oder Richtung der Strömung der Flüssigkeit oder ein rotating wheel vorgesehen werden kann.
Im Weiteren kann vorteilhafterweise das Gefäßsystem eine Replikation eines tatsächlichen menschlichen Gefäßsystems sein und/oder als Simulation für endovasculäre Eingriffe im Hirn ausgebildet werden.
Zusätzlich kann eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine bildgebende Aufnahmeeinheit, eine visuelle Kamera und/oder eine Röntgendiagnostik vorgesehen werden, um die
Durchführung der praktischen Übung zu dokumentieren bzw. realitätsnah nachzustellen bzw. zu proben.
Weiter erfindungsgemäß ist es, ein dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell- Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße dreidimensionale gefäßchirurgische- Simulationsmodell anzugeben, wobei dieses die Schritte aufweist:
1. Herstellen eines computerlesbaren Druckdatensatzes für das Herstellen / Drucken / SLA Drucken des Gefäßsystems;
2. Herstellen des Gefäßsystems;
3. Einbauen des Gefäßsystems in das Behältnis;
4. Herstellen des Zirkulationskreislaufes.
Insbesondere können zum Herstellen des Druckdatensatzes MRT-, CT- und/oder nicht invasive Bildgebungsverfahren von Patienten verwendet werden.
Durch die kostengünstige Herstellung des 3D-Modells mit Modellträger eignet sich die
Vorrichtung sowohl für Studien, Schulungen, Vorträge, als auch eine ggf. unabhängige
Vorbereitung und in situ Fallbetrachtung bei Operationen.
Derartige dreidimensionale gefäßchirurgische-Simulationsmodelle können in Kursen
angewendet werden, sog. Hands on Workshops für Neuroradiologen. Die Möglichkeit, solche Hands On Workshops durchzuführen, ist insbesondere für Device Firmen sehr interessant Die wesentliche Aspekte zusammengefasst sind insbesondere die Kostenreduktion und
Flexibilität sowie die schnellere und kostengünstigere Herstellung des Fluss-Systems und der 3D Modelle im Vergleich zu Silikonmodellen. Es ist somit auch möglich, auf Tiermodelle, wie Hase, Schwein und dergleichen, zu verzichten, da diese teurer sind und sich weniger gut für Kurse mit vielen Teilnehmer eignen, da diese nicht hochskalierbar und zudem ethisch bedenklich sind.
Patientenspezifische Modelle, wie sie durch Nutzung von MRT und weiteren bildgebenden Verfahren digital möglich sind, erlauben den Trainierenden an einem eigenem geplanten Fall zu üben, wobei die Bilddaten zur Verfügung gestellt werden, um ein 3D Modell herzustellen.
Zusammengefasst die Vorteile: Geringe Kosten, schnelle Produktion, hohe Auflösung, patientenspezifische Fluss-Modelle.
Der gesamte Herstellungsprozess für ein funktionierendes out of the box Fluss-System sowie für die 3D Modelle von Hirnaneurysmen ab Roh-Bilddaten bis fertiges Modell nach SLA Technik ist bereits durch den Erfinder etabliert worden.
Das Fluss-System ist in der Regel nicht zum dauerhaften Gebrauch geeignet, jedoch wird dies durch den Ansatz der geringen Herstellungskosten deutlich kompensiert. 3D Modelle können jederzeit ohne großen zeitlichen Aufwand anhand der Bilddatenverarbeitung pro
Aneurysmamodell leicht reproduziert werden, da die Replikation im SLA Drucker beliebig hochskalierbar ist.
Das erfindungsgemäße Fluss-System mit Integration des transparenten 3D Modells der Hirnarterien in einem offenen transparenten Behälter ermöglicht eine einfache Handhabung und einen einfachen Aufbau, so wie sehr einfache Bilddatenverarbeitung zur Erzeugung der Aneurysmamodelle welche nur einen Zuflussadapter benötigen, durch den die Flüssigkeit in das Gefäßsystem eingebracht wird und welche einen offenen abführenden Arterienästen in den Behälter austritt.
Zum Erreichen einer maximalen Transparenz des 3D Modells erfolgt ein Angleichen des Brechungsindex der das Modell umgebenen Flüssigkeit.
Das offene Fluss-System ermöglicht die einfache Herstellung von Modellen mittels SLA Rapid Manufacturing. Bei der SLA Technik wird mit einem optischen Verfahren mittels UV Laserlicht bei 405 nm ein lichtaushärtender Kunststoff, ein Photopolymer, ausgehärtet, das entsprechend dem auf Bilddaten basierten Modell entspricht. SLA erlaubt ein Rapid-Manufacturing von hochauflösenden Modellen. Das Photoplymer muss eine sehr gute Transparenz der Modelle gewährleisten. Dies ist notwendig zur Anwendung und Platzierung von Geräten und Devices in das Modell unter Sicht ohne Röntgenstrahlung.
Die Oberfläche des angebotenen transparenten Resins, beispielsweise FLGPCL02, ist jedoch nach Aushärtung nicht vollständig klar zur visuellen Durchsicht und präzisen Inspektion platzierter Devices im Millimeterbereich. Jedoch wird das Modell im offenen Fluss-System von Flüssigkeit umgeben, wobei der Brechungsindex der Flüssigkeit, insbesondere einem Gemisch aus Wasser und Glycerin, durch entsprechendes Mischungsverhältnis dem Brechungsindex des Resins angepasst wird, wodurch eine maximale Transparenz zur visuellen Durchsicht des 3D Modells gegeben ist. Eine aufwendige Oberflächennachbehandlung des Modells zur
Verbesserung der Transparenz entfällt.
Das Fluss-System mit integrierter visueller Flusskontrolle kann zur schnellen Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit für den realistischen Einsatz des Fluss-Systems unter
Durchleuchtung bzw. für die digitale Subtraktionangiographie (DSA) verwendet werden. Es kann ein Maskenbild "Roadmap" der Gefäße zur Katheternavigation realistisch erzeugt werden. Die Erfindung beschreibt also eine technische Lösung zur Herstellung bzw. Anwendung von patienten-spezifischen transparenten 3D Modellen insbesondere von Hals- und Hirnarterien welche in ein Fluss-System integriert werden, so dass unter Sicht oder unter
Röntgendurchleuchtung das Einbringen von Devices zur Behandlung von arteriellen
Hirnaneurysmen oder Stenosen, z.B. durch Coils, Flowdiverter, Stents geübt oder präoperativ getestet werden kann.
3D-Rotationsangiographische (3D RA) Daten von Aneurysmen vor der Behandlung wurden für den Druck der Volumenmodelle mittels SLA verarbeitet. Cerebral-arterielle Modelle wurden mit transparenten Photopolymer-Harz direkt gedruckt.
In einem einfachen Aufbau eines 3D-Modells sind die arteriellen Verbindungen über einen PVC- Schlauch mit einer Umwälzpumpe verbunden worden, was eine optimale simulierte Umgebung von Aneurysmen in einem echten neurologischen Angio-Suite erlaubt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der nachfolgenden Beschreibung der Abbildungen beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
Es zeigen:
Abb. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen dreidimensionalen gefäßchirurgischen-Simulationsmodells 1 ;
Abb. 2 eine schematische Darstellung des in Abbildung 1 dargestellten Ausführungsbeispiels verwendeten Gefäßsystems 5;
Abb. 3 eine Darstellung eines 3D-Modells eines Patientengefäßes und
Abb. 4 eine Darstellung des tatsächlichen Patientengefäßsystems. In Abb. 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen dreidimensionalen gefäßchirurgischen-Simulationsmodells 1 dargestellt.
Das Hauptelement ist das Behältnis 2 mit dem Aufnahmeraum 3, in dem das Gefäßsystem 5 mit dem Aneurysma 54, der zuführenden Arterie 51 und den schematisch dargestellten abführenden Arterienästen 52 und 53 dargestellt ist.
Das Zirkulationssystem ist derart ausgebildet, dass aus dem Behältnis 2 eine Zirkulationsleitung 61 zu einer Zirkulationspumpe 6 geführt ist. Von der Zirkulationspumpe 6 erfolgt ein weiterer Anschluss über eine weitere Zirkulationsleitung 61 zu einem rotating wheel 62, welches den Fluss anzeigt, und weiter über eine weitere Zirkulationsleitung 61 hin zu der zuführenden Arterie 51 des Gefäßsystems 5.
Die abführenden Arterienäste 52 und 53 enden offen in dem Behältnis 2, nämlich im
Aufnahmeraum 3, in dem das Gefäßsystem 5 angeordnet ist.
Zur Kontrolle ist eine Kamera 7 mit einem daran angeordneten Monitor 71 vorgesehen.
Die Flüssigkeit 4, die in dem gesamten System 1 verwendet wird, ist eine Glycerin -Wasser- Lösung.
Die Zirkulationspumpe 6 arbeitet mit: Pulsatile Flow 1.2 Hz, Pressure gradient ~ 40 mmHg und einem Volumen ~ 300 ml/min, um einen typischen Fluss zu realisieren.
Das Gefäßsystem 5 ist mittels 3D-SLA-Technologie erstellt worden.
Abb. 2 zeigt eine schematische Darstellung des in Abbildung 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels verwendeten Gefäßsystems 5.
Hier sind die zuführende Arterie 51 sowie eine Vielzahl der abführenden Arterienäste exemplarisch mit 52 und 53 gekennzeichnet dargestellt. Es handelt sich um ein ICA
Aneurysma.
In Abb. 3 ist eine Darstellung eines 3D-Modells eines Patientengefäßes gezeigt. Abb. 4 zeigt eine Darstellung des tatsächlichen Patientengefäßsystems. Bezugszeichenliste
1 dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell
2 Behältnis
3 Aufnahmeraum
4 Flüssigkeit
5 Gefäßsystems
51 zuführende Arterie
52, 53 abführende Arterienäste
54 Aneurysma
6 Zirkulationspumpe
61 Zirkulationsleitungen
62 rotating wheel
7 Kamera
71 Monitor

Claims

A N S P R Ü C H E
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1)
aufweisend
- ein Behältnis (2) mit einem Aufnahmeraum (3) und einer in dem Aufnahmeraum (3) befindlichen Flüssigkeit (4);
- ein künstlich hergestelltes Gefäßsystem (5) mit wenigstens einer Zuführung /
zuführenden Arterie (51) und wenigstens einer Abführung / periphere abführende Arterienäste (52, 53), wobei
- das Gefäßsystem (5) in dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) angeordnet ist und von der Flüssigkeit (4) umströmbar ist,
- die wenigstens eine zuführende Arterie (51) von außerhalb des Behältnisses (2) mit der Flüssigkeit (4) beströmbar ist
und
- die peripheren abführenden Arterienäste (52, 53) frei in dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) enden, so dass die das Gefäßsystem (5) von der zuführenden Arterie (51) zu den abführenden Arterienästen (52, 53) durchströmende Flüssigkeit (4) in den Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) entströmt;
- eine Zirkulationspumpe (6) und Zirkulationsleitungen (61) zur Entnahme der Flüssigkeit (4) aus dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) und Einbringung in die zuführende Arterie (51) des Gefäßsystems (5), wobei die Flüssigkeit (4) aus dem Aufnahmeraum (3) des Behältnisses (2) mittels der Zirkulationspumpe (6) und Zirkulationsleitungen (61) durch das Gefäßsystem (2, 51->52/53) zirkulierbar ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Behältnis (2) und/oder das Gefäßsystem (5) aus einem transparenten Material oder transparenten Kunststoff hergestellt sind.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Flüssigkeit (4) in dem Behältnis (2) eine transparente Flüssigkeit, ein Glyzerin- Wassergemisch ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zugang für ein oder mehrere Instrumente, Katheter und/oder Anomalien, künstliche Verschlüsse, Thromben zum Einführen und/oder Bewegen in die zuführende Arterie (51) vorgesehen ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gefäßsystem (5) mittels 3D-Druckverfahren, Stereolithografie [STL oder SLA-Printing] und/oder Laser-Stereolithografie hergestellt ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Regelkreis mit Sensoren, Steuerung und Regelautomatik vorgesehen ist, wobei die Zirkulation der Flüssigkeit (4) gesteuert wird, wobei ergänzend eine Anzeige zur
Visualisierung der Intensität und/oder Richtung der Strömung der Flüssigkeit oder ein rotating wheel vorgesehen ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gefäßsystem (5) eine Replikation eines tatsächlichen menschlichen Gefäßsystems ist und/oder als Simulation für endovasculäre Eingriffe im Hirn ausgebildet ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Beleuchtungseinrichtung und/oder eine bildgebende Aufnahmeeinheit, visuelle Kamera (7) und/oder eine Röntgendiagnostik vorgesehen ist.
Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell-Herstellungsverfahren für ein dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell (1) nach einem der
vorangehenden Ansprüche aufweisend die Schritte:
1. Herstellen eines computerlesbaren Druckdatensatzes für das Herstellen / Drucken / SLA Drucken des Gefäßsystems (5);
2. Herstellen des Gefäßsystems (5);
3. Einbauen des Gefäßsystems in das Behältnis (2);
4. Herstellen des Zirkulationskreislaufes.
10. Dreidimensionales gefäßchirurgisches-Simulationsmodell-Herstellungsverfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Herstellen des Druckdatensatzes MRT-, CT- und/oder nicht invasive
Bildgebungsverfahren von Patienten verwendet werden.
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