Baumgärtner Margaréta

Fodor Gergely

Márki Árpád

SZTE Publicatio Repozitórium - SZTE - Repository of Publications

Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 1423D nyomtatott tracheamodell fejlesztése légzésmechanikai vizsgálatokhozBaumgärtner Margaréta1,2, Fodor Gergely1, Márki Árpád1,31SZTE SZAOK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet, fodor.gergely@med.u-szeged.hu6720 Szeged, Korányi fasor 9.2SZTE TTIK molekuláris bionika mérnök BSc IV. évfolyam, baumgartnermargareta@gmail.com3SZTE IKIKK 3D Központ, marki.arpad@med.u-szeged.hu6720 Szeged, Tisza Lajos krt. 107.Összefoglaló: Állandó paramétereiknek köszönhetően a 3D nyomtatott modellek orvosi mérések során könnyen alkalmazhatóak kontrollként. Kutatásunk tárgya egy ilyen, kontrollként is használható légcsőmodell tervezése és előállítása volt. A modellt a porcos szelvényeknek megfelelő egységekből építettük fel, az anatómiai hűség érdekében méreteit irodalmi adatok alapján meghatározva. Az optimális falvastagság megállapításához textúraprofil-analízist végeztünk általunk tervezett és 3D nyomtatott különböző falvastagságú hengereken, illetve sertéstracheán. Az áramlási paraméterek mérése kényszerített oszcillációs technikával történt. A vizsgált tulajdonságokban az általunk tervezett modell az élő szervet jól közelítette.BevezetésA légzési rendellenességek pontos diagnosztikájához és ellátásához kulcsfontosságú a légzésmechanika teljes körű megértése. Ez különböző műszeres eljárásokkal kivitelezhető, a légzőrendszer azonban dinamikusan változik, így az állandó, ismert paraméterekkel rendelkező fantomok segítségével lehetővé válik a műszerek standard körülmények között történő kalibrálása, validálása és az áramlási paraméterek számítógépes szimulációja.Egy, az élő szervet megfelelően reprezentáló modell megalkotásához alapvető fontosságú az adott szerv anatómiájának, morfológiájának és mechanikájának pontos ismerete. A trachea (légcső) a légzőrendszer gégét és főhörgőket összekötő szakasza. Egy rugalmas kötőszövetből álló rostos membránba ágyazott csőnek tekinthető, melyet körülbelül 20 darab, C alakú hialinporc gyűrű alkot. Ezek a posterior oldal felé nyitottak, ahol kötőszövet található. A tracheát alkotó szövettípusok mechanikai viselkedése nagymértékben eltér, azonban minden komponens rugalmasnak tekinthető. Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 143Ezeket a tulajdonságokat közelítő fantom készítése hagyományos gyártási eljárásokkal nem minden esetben triviális, és olykor magas költségekkel is jár. Az utóbbi évtizedben az egyre szélesebb körben alkalmazott 3D nyomtatás optimális megoldást jelenthet geometriában és mechanikai sajátságokban egyedi modellek előállítására. Munkánk során a sztereolitográfiás 3D nyomtatási technológiát alkalmaztuk, amellyel folyékony gyantából UV-fény hatására rétegről rétegre építkezve szilárd testek építhetők [1].CélkitűzésCélunk olyan 3D nyomtatott tracheamodell létrehozása volt, mely szerkezetében és mechanikai tulajdonságaiban az élő szervet közelíti. Általa az egyedi eltérésekből származó hibák csökkenthetőek, így különböző légzésmechanikai mérőeszközök kalibrálása standard körülmények között lesz elvégezhető. További célunk, hogy a modell felhasználható legyen a jövőben számítógépes szimulációk kontrolljaként is.Módszerek3D tervezés és nyomtatásKülönböző falvastagságú koncentrikus és excentrikus hengereket készítettünk 20 mm külső átmérő és 90 mm hossz mellett, mechanikai tulajdonságaik falvastagságtól való függésének meghatározására. A két hengertípus keresztmetszetét az 1.a ábra szemlélteti. A 3D tervezés az Autodesk Fusion 360 (San Rafael, CA, USA) szoftver használatával történt. A mérési eredmények ismeretében lehetővé vált egy, a légcső mechanikáját pontosabban közelítő modell tervezése. Az anatómiai hűség érdekében ez porcos szelvényeknek megfelelő egységekből épül fel, dimenzióit az 1.b ábra szemlélteti.A 3D nyomtatás a sztereolitográfiás elven működő Formlabs Form3 (Somerville, MA USA) nyomtatóval történt, alapanyagént a gyártó Flexible típusú, 80A keménységű rugalmas műgyantáját alkalmazva. A nyomtatást követően a testeket kétszer 10 percig izopropil-alkoholban (Molar Chemicals Kft., Halásztelek, Magyarország) mostuk, majd 10 percig 60 °C-on UV fénnyel véglegesítettük a polimerizációt.Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium1448. ábra: a. Koncentrikus és excentrikus hengerek keresztmetszeti képe és a mérési pozíciók, b. A tracheamodell 3D terveTextúraprofil-analízisA hengerek és a modell rugalmasságának és keménységének meghatározását a CT3 Texture Analyzer műszerrel (AMETEK Brookfield Inc., USA) végeztük, kontrollként két sertéstracheát alkalmaztunk (hím, testtömegük 80-90 kg). A mérések lekerekített végű mérőfejjel (8 mm átmérő) történtek, összesen 16 darab pontban minden testen. A hengerek külső palástján 90°-onként kijelöltünk 4-4 pozíciót, amelyeket betűvel jelöltünk (A, B, C, D, 1.a ábra). Az A pozíció excentrikus hengereken a legvastagabb, trachea esetén az anterior oldalt, a C pozíció pedig a legvékonyabb falat és a posterior oldalt jelölte. Minden pozícióban négy pontban mértünk. A tracheamodell A pozíciójában, ahol a szelvényezettség a legnagyobb mértékű, a porcokat reprezentáló szelvények legvastagabb (1,25mm) pontjaiban és az ezeket összekötő legvékonyabb (0,75 mm) pontokban végeztük a méréseket. A mérés során a mérőfej állandó sebességgel (0,5 mm/s) 3 mm távolságban benyomta a mintát, miközben a rá ható erőket folyamatosan regisztrálta. Egy mérés két ciklusból állt, az eredményként kapott erő-idő görbéről a mechanikai paramétereket (keménység, rugalmasság) Szczesniak [2] szerint határoztuk meg: a keménység a maximális benyomáshoz szükséges erő nagysága, a rugalmasság a deformáció után történő regenerálódás mértéke (2. ábra).0,75 mm1,25 mm5 mm17 mmexcentrikus:ABCDkoncentrikus:a. b.Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 1459. ábra: Az erő-idő görbéről meghatározott mechanikai paraméterekKényszerített oszcillációA tracheamodell áramlási paramétereit kényszerített oszcillációval mértük. A technikával meghatározható a vizsgált objektum vagy alany légzőrendszeri impedanciája, amely komplex mennyiség. Valós része a rezisztencia, ebből határozható meg az áramlási ellenállás, képzetes része a reaktancia, amely a szövetek rugalmasságával, illetve az áramló levegő tehetetlenségével kapcsolatos. Az esetleges áramlási nemlinearitások (turbulens áramlás) felderítésére négy erősödő amplitúdón végeztük el a kísérletet a humán mérésekhez alkalmazott frekvenciatartományban (4-30 Hz). A mérési elrendezésben az ismert külső gerjesztő nyomáshullámot kibocsátó hangszórót és a tracheamodellt egy ismert paraméterekkel rendelkező hullámcső kötötte össze, amelynek a két végén elhelyezett identikus nyomásmérők (Honeywell Differential Pressure Sensor model 24PCEFA6D; Honeywell, Charlotte, NC, USA) digitalizált jelének (NI-6211-USB, National Instruments, Austin, TX, USA) spektrális analízisével nyomásesésből meghatározhatóak a keresett mennyiségek.Statisztikai elemzésAz adatok statisztikai elemzése kétmintás t-próbával, valamint Pearson-féle korrelációvizsgálattal történt. A normalitás ellenőrzésére Shapiro-Wilk-próbát végeztünk. Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 146EredményekHengerek keménységeA koncentrikus hengerek keménysége a falvastagságnak exponenciális, az excentrikusaké pedig lineáris függvénye (3. ábra). Az eltérés azzal magyarázható, hogy az adott pozícióban mért keménységet a henger többi pozíciójának falvastagsága is befolyásolja. Mivel a koncentrikus hengerek szélső és a két középső mérési pontjában mért keménység szignifikánsan eltér (p<0,01), ezért eredményeinkben csak a középső pontok keménységeit vettük figyelembe.Sertéstrachea és tracheamodell keménységeA sertéstrachea, illetve a hengerek keménységeinek ismeretében a tracheamodell falvastagságát a posterior oldalon 0,75 mm-nek, az anterior oldalon 1,25 mm-nek választottuk. A keménység mérésének eredményeit az 1. táblázat tartalmazza. Ezeket összevetve látható, hogy a sertéstrachea és a tracheamodell értékei a porcos pozíciókban (A, B, D) jól közelítik egymást, tehát a falvastagság megválasztása helyes volt. A C pozícióban (a trachea kötőszövetes régiója) azonban a modell keménysége szignifikánsan nagyobb (p<0,001), mint az állati szöveten meghatározott érték.10. ábra: A koncentrikus és excentrikus hengerek keménysége a falvastagság függvényébenAz egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 147keménység (mN)pozíció tracheamodell sertéstracheaA 680,3±28,8 710,0±87,3B 522,3±36,2 645,7±16,1*C 466,0±13,7 228,7±31,3***D 575,0±12,1 583,73. táblázat: Tracheamodell és sertéstrachea keménysége*: p<0,05, ***: p<0,001 a tracheamodell azonos pozíciójához képestVéleményünk szerint az észlelt szignifikáns eltérés a modell alkalmazhatóságát nem befolyásolja. Méréseink alapján a C pozícióban 0,50mm falvastagságot tartanánk megfelelőnek, viszont 0,75 mm-nél vékonyabb hengerfelület jó minőségű előállítását a 3D nyomtató technikai korlátai miatt nem tudtuk megvalósítani. A tracheamodell A pozíciójában a porcokat reprezentáló szelvények legvastagabb pontjaiban (683,3±9,9 mN), illetve a két szelvény közötti vékonyabb pontokban (677,4±10,6 mN) mért keménység között nincs jelentős eltérés (p≥0,05).RugalmasságA falvastagság, a pozíció és a mérési pont helyzete a rugalmasságot nem befolyásolja (p=0,63), annak értéke az adott anyagra jellemző. A modell mért rugalmassága 96,0±1,6%, a sertéstracheáé 88,7±4,1%. Habár a két értékkülönbsége statisztikailag szignifikáns (p<0,001), klinikailag ez az eltérés nem releváns.Kényszerített oszcillációA kényszerített oszcillációs mérés során megállapítottuk, hogy a négy, növekvő amplitúdón mért áramlási ellenállás értéke nem különbözik szignifikánsan (p≥0,05). Tehát a vizsgált tartományban, a humán tracheához hasonlóan, a modellben az áramlás lamináris. A tracheamodell áramlási ellenállásának az impedanciaspektrumról 4 Hz-en leolvasott értéke 41,1±8,6 H2Ocm∙s/ml. Ez a Jiang [3] által meghatározott 7,9 H2Ocm∙s/ml-relösszemérhető tartományba esik, eltérésük a mért minták dimenzióinak eltéréseivel jelentős mértékben magyarázható.Következtetések3D nyomtatott üreges testek mechanikai tulajdonságaiVáltozó falvastagságú hengeres testek tervezése során figyelembe kell venni, hogy a keménységet az anyagi minőségen túl az összes pozíció falvastagsága együttesen határozza meg. A testen belül a vastagságkülönbségek mértékétől függően a keménység és a falvastagság Az egészségügyi informatika COVID előtt és COVID utánA XXXV. Neumann Kollokvium 148közötti összefüggés változik, ez az optimális falvastagság meghatározása során nehézséget okozhat. Megállapítottuk, hogy a modellek rugalmassága a falvastagság változtatásával nem befolyásolható, optimalizálása a megfelelő alapanyag megválasztásával érhető el.Tracheamodell előállítása Az elkészített tracheamodell az anatómiai viszonyokat jól közelíti, végső geometriája (szelvényes felépítés, változó falvastagság: anterior: 1,25 mm, posterior: 0,75 mm) megfelelőnek bizonyult, mivel keménysége a kontroll értékeket (sertéstrachea) jól közelíti. A felhasznált műgyanta rugalmassága az élő szövetekkel nagyágrendileg azonos. A modell áramlási ellenállása is összemérhető a biológiai mintával, hosszának és belső átmérőjének finomításával a humán értékekhez tovább közelíthető.ÖsszegzésSikeresen előállítottunk egy olyan tracheamodellt, amely mechanikai tulajdonságaiban és áramlási paramétereiben nagymértékben megfeleltethető a sertés, illetve a humán légcsőnek, ezáltal az általunk kitűzött célokra alkalmazható. További finomítását követően standardként szolgálhat számítógépes szimulációk, például végeselem-analízis ellenőrzésére.KöszönetnyilvánításSzeretnénk köszönetet mondani Jójárt Balázsnak és Németh Lukácsnak a textúraprofil-analízisben nyújtott segítségükért, valamint Cseh Martinnak, amiért a 3D nyomtatás kivitelezésében közreműködött. Köszönet illeti Kaszaki Józsefet, amiért a sertéstracheákat rendelkezésünkre bocsájtotta.Hivatkozások[1.] C. W. Hull, „Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography”, 4575330, 1986. március 11. Elérés: 2022. november 13. [Online]. Elérhető: https://www.freepatentsonline.com/4575330.html[2.] A. S. Szczesniak, „Classification of Textural Characteristics”, Journal of Food Science,köt. 28, sz. 4, o. 385–389, 1963, doi: 10.1111/j.1365-2621.1963.tb00215.x.[3.] T. X. Jiang, M. Cauberghs, és K. P. Van de Woestijne, „Resistance and reactance of the excised human larynx, trachea, and main bronchi”, J Appl Physiol (1985), köt. 63, sz. 5, o. 1788–1795, 1987, doi: 10.1152/jappl.1987.63.5.1788.

Hungarian

3D nyomtatott tracheamodell fejlesztése légzésmechanikai vizsgálatokhoz

http://publicatio.bibl.u-szeged.hu/26627/1/Neumann_Kiadvany_2022-3DTrachea.pdf

3D nyomtatott tracheamodell fejlesztése légzésmechanikai vizsgálatokhoz

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

SZTE Publicatio Repozitórium - SZTE - Repository of Publications