麻省理工学院的工程师们设计了针对患者的软体机器人模型,这可以帮助临床医生确定最适合个人的植入物。可以通过控制柔软和灵活的复制品的动作来模拟病人的血液输送能力。
为了制造这种设备,研究人员将病人心脏的医学图像转换为三维计算机模型。然后,研究人员可以使用聚合物墨水3D打印模型。最终的模型是一个柔软、灵活的外壳,与患者心脏的形状完全吻合。研究人员还可以用这种方法打印病人的主动脉。
3d打印心脏的泵送动作是用类似于血压袖带的袖套来模拟的,袖套包裹在打印的心脏和主动脉上。每只袖子的下面都有精确的气泡包装纸图案。当套筒与气动系统连接时,研究人员可以调节流出的空气,有节奏地使套筒的气泡膨胀并收缩心脏。
研究人员还可以使打印主动脉周围的另一个套筒膨胀以收缩血管。他们可以调整它来模拟主动脉瓣狭窄,这是一种主动脉瓣狭窄的情况,导致心脏发挥更多的能量将血液泵到全身。
麻省理工-哈佛健康科学与技术项目的研究生卢卡·罗莎莉亚在一份研究报告中说:“每个人的心都是不同的。新闻发布会上.“有很大的差异,尤其是当病人生病的时候。我们系统的优势在于,我们不仅可以重建患者心脏的形态,还可以重建其在生理和疾病方面的功能。”
3d打印心脏复制力学和生理学
在一项研究中,研究人员发现,对于每颗3d打印的心脏,他们都可以准确地重现之前在每个患者身上测量到的相同的心脏泵压和流量。
“能够匹配患者的流量和压力非常令人鼓舞,”该研究的合著者、麻省理工学院机械工程教授艾伦·罗奇(Ellen Roche)说。“我们不仅打印了心脏的解剖结构,还复制了它的力学和生理学。这是我们感到兴奋的部分。”
麻省理工学院的研究小组希望复制一些患者接受的一些干预措施,以观察打印的心脏和血管是否有类似的反应。例如,一些患者接受了瓣膜植入以扩大主动脉,因此罗氏和她的同事在打印的主动脉中植入了类似的瓣膜,以每个患者为模型。当他们激活打印的心脏泵时,他们观察到植入的瓣膜产生的流量与实际患者在手术植入后产生的流量相似。
确定理想的治疗方法
在持续的研究中,麻省理工学院的研究人员使用驱动打印心脏来比较不同大小的植入物,以确定哪种植入物最适合和流动。
来自俄亥俄州克利夫兰克利夫兰诊所的研究人员克里斯托弗·阮(Christopher Nguyen)是该研究的合著者,他说:“患者无论如何都会完成成像,我们会用它来制作这个系统,理想的情况是在一天之内。”“一旦它开始运行,临床医生就可以测试不同的瓣膜类型和大小,看看哪种效果最好,然后用它来植入。”
最终,罗氏和研究人员建议,针对患者的特定副本可以帮助开发和确定针对具有独特和具有挑战性的心脏几何形状的个体的理想治疗方法。
罗氏说:“针对大范围的解剖结构进行包容性设计,并在这一范围内测试干预措施,可能会增加微创手术的目标人群。”
这项研究发表在杂志上科学的机器人并得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和美国国家心肺血液研究所的部分支持。