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Please use this identifier to cite or link to this thesis: http://hdl.handle.net/10589/138092

Author: GALLARELLO, ANTONIO
Supervisor: DE MOMI, ELENA
Scientific Disciplinary Sector: ING-INF/06 BIOINGEGNERIA ELETTRONICA E INFORMATICA
Date: 21-Dec-2017
Academic year: 2016/2017
Title: Development of a patient-specific modular vascular phantom with clinically relevant mechanical properties
Italian abstract: Le malattie cardiovascolari rappresnetano la causa principale di morte costituendo il 32.3% dei decessi nel 2013. Per questo motivo, il settore di mercato legato alla produzione e vendita di dispositivi medici è stato valutato per 33 miliardi di dollari nel 2015 con un tasso di crescita annuo complessivo del 6.6%. La sua crescita è principalmente innescata dalla necessità di nuovi dispositivi medici in grado di ridurre i costi di ospedalizzazione e i tempi di recupero dei pazienti. Dall’altra parte, l’iter di approvazione e relativa marcatura CE/FDA per suddetti prodotti ne rallenta la loro espansione. Per validare i nuovi prototipi dei dispositivi medici, i test in vitro sono generalmente preferiti ai test in vivo in quanto sono più economici, più veloci e non presentano alcun problema sul piano etico. Pianificazione pre-operatoria, decision making, training e test di nuvi device sono alcune delle applicazioni che questi fantocci possono avere. Negli ultimi anni si è assistito ad un progressivo miglioramento di questi test in vitro che permettono ora di replicare molte malattie cardiovascolari. Nonostante gli ultimi sviluppi nelle tecnologie di additive manufacturing, che permettono un tipo di prototipizzazione rapida e relativamenteeconomica, la tecnologia di stampa 3D per materiali flessibili pone ancora dei problemi e delle limitazioni. In lavori precedenti, fantocci morbidi sono stati stampati in 3D utilizzando materiali simili alla gomma. Essi si sono rivelati essere troppo deboli e con proprietà meccaniche influenzate molto dalla direzione di stampa. Nonostante ciò, l’utilizo di simulatori e di fantocci, realizzabili con precedure tradizioniali, possono migliorare il processo di apprendimento dei meno esperti fornendo la possibilità di avere modelli specifici per i singoli pazienti con un altissimo dettaglio sulle struttere anatomiche sia a livello fisiologico che patologico. La tecnica di stampa 3D richiede la conversione di un file Digital imaging and communication in medicine (DICOM) in file Standard Tessellation Language (STL) che è il formato tipico del’additive manufacturing. Questi file rappresentano solo una geometria tridimensionale senza riferimento ad altri attributi, quali il colore e la struttura. Questo file viene quindi importato in un software di “slicing” che lo divide in più strati che rappresentano tutti i livelli che la stampante creerà. Lo scopo di questo studio era quello di sviluppare un fantoccio vascolare con proprietà meccaniche clinicamente rilevanti per la sperimentazione di un nuovo catetere a 2 gradi di libertà per la procedura TAVR e per effettuare studi comparativi FSI basati su MRI. Il fantoccio dovrebbe provenire da dati specifici di un paziente, essere in grado di simulare la distensibilità umana, essere conveniente, essere MR compatibile e robusto. Questo lavoro è stato svolto allo University College London (UCL) presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Il primo passo nel flusso di lavoro era la segmentazione delle immagini. Il dataset originale è stato ottenuto da immagini CT - angiografiche di un paziente di 76 anni che è stato sottoposto a procedura Transcatheter aortic valve replacement (TAVR). Il dataset comprende l'intera aorta toracica, l'aorta addominale e la biforcazione femorale. La scansione del paziente non ha mostrato condizioni patologiche critiche come l'aneurisma o la dissezione aortica. In questa fase preliminare, le calcificazioni non sono state considerate. I dati anonimizzati sono stati ottenuti grazie al "Centro Cardiologico Monzino" (Italia, MI) che ha gentilmente fornito il file DICOM. I dati sono stati importati in 3DSlicer, un software Open Source (OS) per la lettura di file DICOM. Con questo software è stato eseguito un processo di segmentazione delle immagini. L'intero volume è stato suddiviso in quattro moduli indipendenti. La modularità del fantoccio consentirà di valutare facilmente geometrie e patologie diverse sostituendo un determinato modulo con un altro. Come Region Of Interest (ROI) per il primo modulo è stata selezionata la sezione dell'arco aortico. Il lume del vaso è stato estratto utilizzando un metodo di segmentazione manuale a doppia soglia. Guardando le tre immagini del piano anatomico del ROI, i valori della soglia sono stati regolati in modo da evidenziare il lumen dell'aorta. Il volume di uscita comprendeva sia l'arco aortico che altre strutture anatomiche, come la colonna vertebrale, poiché il livello di scala di grigi nell'immagine aveva la stessa intensità. Il volume selezionato è stato quindi esportato in formato STL e raffinato ulteriormente utilizzando altri software per Computer aided design (CAD) (Geomagic Control, 3DS e MeshMixer, Autodesk). A questo stadio, il modello 3D è stato ripulito da tutti gli errori derivanti dal metodo di sogliatura creando un modello molto più uniforme e “liscio”. Per la fabbricazione del fantoccio quattro materiali sono stati presi in considerazione: TangoBlackPlus FLX 980 (Stratasys), Eco-Flex 00-30, Eco-Flex 00-50 e Dragon Skin 30 (Smooth-On). Il primo è un materiale simile alla gomma che può essere direttamente stampato in 3D con una stampante PolyJet, gli altri sono siliconi a due parti. Per ogni materiale è stata ottenuta una curva di stress-strain per mezzo di una prova di trazione monoassiale, questa è stata importata in Abaqus CAE dove il comportamento del materiale è stato descritto con i modelli iperelastici. Una FEA (Finite Element Analysis) è stata eseguita usando una geometria del tubo cavo. Per ogni materiale sono stati valutati valori di spessore del cilindro diversi. Per ogni configurazione geometrica sono state eseguite due analisi. In entrambi i casi il modello è stato gonfiato con pressioni fisiologiche (80-120 mmHg) applicate sulla superficie interna. La superficie esterna è stata lasciata priva di carico nella prima simulazione mentre ha sperimentato una pressione di 100 mmHg nella seconda simulazione. Queste analisi preliminari hanno dimostrato che, se lasciato alla pressione atmosferica, tutti i materiali subirebbero una deformazione troppo grande. Per questo motivo è stato deciso di creare il fantoccio con uno spessore di 2 mm e collocarlo all’interno di un contenitore appositamente costruito fatto di materiale acrilico. Il phantom è circodandato di acqua, in questo modo, nessun supporto è necessario per mantenerlo in una posizione simile a quella umana. Inoltre, regolando le condizioni circostanti, è possibile ottenere un migliore controllo della sua distensibilità. Il casting è stato scelto come tecnica di produzione del fantoccio. Il vantaggio principale di questa tecnica è che assicura la creazione di un modello con uno spessore omogeneo. Questo è di solito difficile da ottenere quando si utilizza un'altra procedura, come l'immersione, dove il silicone liquido viene versato su un modello, sono sovrapposti diversi strati fino a raggiungere lo spessore desiderato. Con la procedura di colata, il silicone viene versato tra un nucleo e uno stampo. Il file STL ottenuto dalla procedura di segmentazione delle immagini è stato modificato con il software CAD per avere una mesh più raffinata e creare un secondo modello che rappresenta la superficie esterna del vaso solido 3D. Per fare questo, un valore di offset di 2 mm è stato applicato alla geometria tridimensionale precedentemente ricostruita. Sono stati aggiunti tre perni alla geometria estratta in modo da avere un perfetto allineamento della parte interna e delle parti esterne dello stampo. Inoltre, la parte esterna dello stampo è stata separata in più sezioni per semplificare il processo di estrazione del silicone. Queste parti sono state tenute insieme per mezzo di bulloni e dadi che garantiscono anche un allineamento perfetto. Per la creazione del nucleo solubile è stato utilizzato un materiale solubile stampabile in 3D, il Poly Vynyl Alcohol (PVA). Per creare questo modello, un file STL è stato generato e stampato con una stampante Wasp Turbo 2040 FDM 3D. Questo processo garantisce un'elevata precisione, ma è anche molto difficile perché questo materiale è molto influenzato dall'umidità e le impostazioni di stampa devono essere sintonizzate di conseguenza. Una scatola per l’alloggiamento del fantoccio è stata specificamente progettata e realizzata con materiale acrilico trasparente. Sono state utilizzate viti, guarnizioni e silicone di tenuta acrilica per rendere impermeabile la scatola. Il fantoccio di silicone è stato inserito nella scatola e il coperchio è stato aggiunto. Il vaso è sempre circondato da acqua. In questo modo, può galleggiare senza restrizioni al suo movimento. I soli vincoli presenti sono quelli all'entrata e all'uscita della nave in cui devono essere adottate connessioni rigide per assicurare il fantasma. Una piccola camera di compliance è stata collegata alla scatola fantasma. In questo modo, sfruttando l'effetto Windkessel, la compliance del vaso può essere regolata cambiando il rapporto acqua / aria all'interno della piccola camera. Per avere una miglior comprensione delle proprietà meccaniche di questo fantoccio in questa configurazione, tre diverse analisi sono state effettuate. esse mirano a caratterizzarlo in condizioni non pulsionali e pulsate. La prima analisi non pulsatile ha focalizzato la sua attenzione sulla compliance del sistema. Una siringa da 60 ml connessa al fantasma è stata posta su un supporto appositamente progettato e collegato ad un motore passo-passo interfacciato con una tavola Arduino. In questo modo la siringa è stata premuta e rilasciata con un preciso controllo del volume. Ad una delle connesioni del fantoccio è stato collegato un sensore di pressione che consente una lettura continua della pressione. All'inizio della prova, il fantasma è stato riempito in modo da raggiungere una condizione non deformata. Il liquido è stato iniettato fino a raggiungere una pressione di 120 mmHg. Durante l’iniezione, il volume è stato continuamente registrato in modo da avere volume diastolico e volume sistolico. In questo modo è stata calcolata la compliance per diversi rapporti aria/acqua. La seconda procedura sperimentale ha focalizzato l'attenzione sul comportamento del fantoccio in condizioni di pulsatilità. Il fantoccio è stato collegato a un impulso duplicatore ViVitro che ha simulato la funzione del cuore generando flusso pulsatile attraverso valvole protesiche. La configurazione del dispositivo, che di solito comprende due camere di compliance e una resistenza sistemica, è stata modificata per avere una connessione diretta con il fantasma. Come tale, la pompa spinge l'acqua attraverso la valvola aortica, l'acqua scorre all'interno di un tubo e entra nel vaso. La distensibilityà è dunque data solo dalla camera di compliance fantasma stessa. L'acqua scorre all'interno del fantasma e torna all'atrio che passa attraverso una valvola a sfera regolabile. Con questa configurazione è stato studiato l'effetto della resistenza sistemica (regolato con la valvola a sfera) sulla pressione all'interno del vaso. Sotto il flusso pulsatile, la deformazione del vaso è stata registrata utilizzando una telecamera High Frame Ratio (HFR) calibrata convenientemente e posta sopra il fantasma. Un post elaborazione dei video registrati ha permesso di valutare la distensibilità in una determinata sezione del fantoccio. Una scansione MRI è stata eseguita sul fantoccio. Il risultato preliminare della scansione ha mostrato alcuni “chemical shift” artefacts tipici dell'interazione tra silicone e acqua. L'artefatto dello spostamento chimico si presenta come uno spostamento dell'immagine nella direzione di codifica delle frequenze. Come tale, la forma del silicone è stata spostata verso un lato dell'immagine creando un'ombra nera sul lato e una striscia bianca sull'altro. Questi artefatti sono stati attenuati adottando una sequenza 3D FLAIR (Liquid Attenuated Inversion Recovery) che consente di ridurre il segnale derivante dal silicone. Di conseguenza, il fantasma appersa come una forma scura su uno sfondo luminoso (acqua). Dalla gamma dei valori di distensibilità ottenuti è possibile dedurre che questo sistema permette di avere un controllo fine sulla compliance del fantoccio.Inoltre, vi è un'alta ripetibilità tra le cinque misure eseguite per ogni configurazione. L'ordine di grandezza raggiunto con questo sistema è vicino a quello fisiologico. È chiaro che aumentando il volume della camera di conformità è possibile ottenere valori di conformità più elevati. L'analisi pulsatile ha consentito di esaminare il comportamento del fantasma in condizioni dinamiche. La prima osservazione che si può fare riguarda le forme d'onda di pressione ottenute. Per un valore di compliance fisso, la pressione cresce con uno spostamento semi rigido, aumentando la resistenza sistemica. D'altra parte, per lo stesso valore di pressione media, la distensibilità del sistema influisce sulla pressione pulsatile aortica che aumenta per un basso livello di compliance e diminuisce per elevati valori di compliance. Questo comportamento può essere visto anche in reali condizioni fisiologiche in cui la mancanza della conformità delle arterie, a causa di irrigidimento del loro muro portare ad un ΔP più elevato e una resistenza sistemica aumentata, a causa del restringimento dei vasi, porta ad uno stato complessivo di ipertensione. Il terzo e l'ultimo protocollo di convalida hanno contribuito a supportare l’affermazione di compatibilità con risonanza magnetica con risultati pratici. Il primo fantoccio era stato fatto con materiali MR compatibili. Il tubo all'ingresso e all'uscita e tutte le viti della scatola sono state in acciaio inossidabile. Nonostante ciò, hanno creato troppi artefatti durante la scansione. La maggior parte degli artefatti sono stati causati dai raccordi all'ingresso e all'uscita che, a causa della loro forma cilindrica, si comportano come una spira in un campo magnetico che modifica molto il segnale RF del fantasma. Il secondo fantasma, d'altra parte, era stato fabbricato con viti acriliche. Questa volta, gli unici artefatti che erano presenti erano dovuti alla presenza di silicone e acqua (artefatto di spostamento chimico) e sono stati facilmente eliminati utilizzando la sequenza 3D FLAIR. L'ultima osservazione può essere fatta sul comportamento del fantasma quando gonfiato. La deformazione della nave avviene principalmente verso l'esterno della scatola e non è perfettamente radialmente simmetrica. Ciò potrebbe essere dovuto a una piccola differenza di spessore del vaso o, sulla parte dell'arco, per ragioni geometriche. Essendo riusciti a sviluppare un processo di fabbricazione per un fantoccio vascolare, vi è ora la possibilità di migliorare ulteriormente questo modello andando ad indagare l’intera morfologia dell’aorta adottando un approccio modulare.. Perciò, il passo successivo sarà quello di sviluppare gli altri moduli del fantasma che comprenderanno il tratto addominale e le arterie femorali. Potrebbe anche essere interessante studiare alcune condizioni patologiche come aneurismi, calcificazioni e dissezione e inserirle nel fantasma. Quando la geometria specifica del paziente non è importante, questi moduli possono essere scambiati tra di loro permettendo la prova di nuovi dispositivi in diverse condizioni. Potrebbe anche essere modificato il modo in cui il modello è stato costruito. La camera di conformità potrebbe essere ingrandita e costruita usando una parte acrilica cilindrica che provocherebbe meno perdite e creerebbe meno problemi per impermeabilizzazione. L'aumento della dimensione della camera di conformità dovrebbe anche portare a valori più elevati di conformità. Un'altra cosa che dovrebbe essere costruita è una pompa su misura e un sistema di controllo. Questa pompa potrebbe assomigliare al Vivitro Pulse Duplicator comprendente valvole per consentire un flusso pulsatile unidirezionale. Potrebbe essere aggiunto anche qualche elettronica per leggere i valori di pressione e il flusso nei vani principali del fantoccio.
English abstract: Cardiovascular diseases are the main cause of mortality constituting the 32.3% of deaths in 2013. As such, the cardiovascular devices market has been valued $33billion in 2015 with a projected compound annual growth rate of 6.6%. Its expansion is mainly triggered by the need of new devices capable of reducing hospitalization costs and reduce patient’s pain and recovering time. On the other hand, an increasingly stringent regulatory product approval procedure is hindering the process of devices entering the market from research stages. For early-stage validation of new tools, in vitro tests are usually preferred to in vivo tests as they can be cost and time-efficient and do not require ethical approval. Presurgical planning, decision making, training, rehearsal and device testing are some of the other applications that this test-beds can have. In the past few years, there has been a progress in the quality of in vitro models allowing the replication of the many arterial diseases. Besides, there is a strong need for human-like in vitro models, which can be able to mimic patient-specific conditions. Despite latest advancements in additive manufacturing techniques, that are currently available and allow a rapid, cost-efficient prototyping, the 3D printing of flexible materials is still facing some issues. In previous works, flexible phantoms have been directly 3D printed with rubber-like materials. They revealed themselves as too weak and with mechanical properties that were strongly influenced by the printing settings. Nevertheless, the use of simulators and phantoms, which can be realised with traditional manufacturing processes, can improve training by enabling the creation of patient-specific models which provide excellent detail for both physiological and pathological anatomical structures The 3D printing technique requires the conversion of a Digital imaging and communication in medicine (DICOM) file to the standard tessellation language (STL) format which is the native format for stereolithography. These files only represent a 3-dimensional geometry with no reference to other attributes like colour and texture. This file is then imported into a slicing software which split it into multiple slices which represent all the layers that the printer will create. The aim of this project is to develop a fabrication process for a vascular phantom with clinically relevant mechanical properties. The phantom should originate from patient-specific data, be able to mimic human-like distensibility, be cost-effective, be MR compatible and robust. This vascular phantom can be used for validating a new 2-degrees-of-freedom catheter for TAVR procedure and carry out comparative MRI based and FSI studies. This work has been carried out at University College London (UCL) in the Mechanical Engineering Department. The first step in the workflow was thee images segmentation. The original data set was obtained from CT – angiography images of a 76-year-old patient who was undergoing Transcatheter aortic valve replacement (TAVR) procedure. The data set comprises the entire thoracic aorta, the abdominal aorta and the femoral bifurcation. The patient’s scan did not show any critical pathological condition such as aneurysm or aortic dissection. The anonymised data have been obtained thanks to “Centro Cardiologico Monzino” (Italy, MI) which has kindly provided the DICOM file. The data has been imported in 3DSlicer, an Open Source (OS) software for DICOM file reading. With this software, an image segmentation process has been carried out. The entire volume has been split into four different modules. The modularity of the phantom will allow to evaluate different geometries and pathologies by replacing a certain module with another one. The Region of interest (ROI) for the first module was fit on the aortic arch section. The lumen of the vessel has been extracted using a manual double-threshold image segmentation method. By looking at the three anatomical plane images of the ROI, the values of the threshold have been adjusted so as highlight the lumen of the aorta. The output volume comprised both the aortic arch and other anatomical structures, such as the spine, since the grayscale level in the image had the same intensity. The selected volume has then been exported in STL format and furtherly refined using other Computer aided design (CAD) software (Geomagic Control, 3DS and MeshMixer, Autodesk). At this stage, the 3D model has been cleaned up from artefacts derived by the threshold method. All the spikes have been removed creating a smooth surface. As suggested by a preliminary literature review, four materials have been considered to manufacture the phantom: TangoBlackPlus FLX 980 (Stratasys), Eco-Flex 00-30, Eco-Flex 00-50 and Dragon Skin 30 (Smooth-On). The first one is a rubber-like material that can be directly 3D-printed with a PolyJet printer (Stratasys J750), the others are two-part silicones. A stress-strain curve has been obtained for each material by mean of a uniaxial tensile test, imported in Abaqus CAE where the material behaviour has been described by mean of hyperelastic models. A Finite Element Analysis (FEA) has been carried out using a hollow tube geometry. For each material, different cylinder thickness values have been evaluated. For each geometry configuration, two analyses have been done. In both cases the model has been inflated with physiological pressures (80-120 mmHg) applied on the inner surface. The outer surface has been left load-free in the first simulation while it has been experiencing a 100-mmHg pressure in the second simulation. These preliminary analyses have shown that, if left to atmospheric pressure, the chosen materials would experience a too large deformation. For this reason, it has been decided to create the vessel with a 2mm thickness and place it in a watertight acrylic box and surround it with water. In this way, no support is needed to keep the phantom in a human-like position. Moreover, by adjusting the surrounding conditions, a better control on its distensibility can be achieved. Among all the major silicone manufacturing techniques, casting has been chosen to create the phantom as this technique is that it ensures the creation a phantom with a homogeneous thickness. This can be challenging when using other procedure such as dipping, where the liquid silicone is poured onto a model, multiple layers are overlaid until the desired (but uncontrollable) thickness is reached. Using a casting procedure, silicone is poured in between of an inner core and an outer mould. The STL file obtained from the image segmentation procedure has been edited with CAD software in order to have a more refined mesh and create a second model which represents the outer surface of the 3D solid vessel. To do that, an offset value of 2 mm, which resembles the physiological thickness, has been applied to the 3D reconstructed geometry. Three pins have been added to the extracted geometry to ensure a stable alignment of the internal part and the external parts of the mould. Moreover, the outer part of the mould has been separated in multiple sections in order to simplify the extraction process of the silicone. These parts have been kept together by mean of bolts and nuts which also guarantee a perfect alignment. For creating the core, soluble 3D printable material has been used, Poly Vinyl Alcohol (PVA). This material is a 3D printable filament. To create this model, an STL file has been generated and printed with a Wasp Turbo 2040 FDM 3D printer. A hosting box for the phantom has been designed and realised with transparent acrylic material. Acrylic screws, gaskets and sealing silicone have been used in order to make the box watertight. The silicone phantom has been placed in the box and the lid has been added. The phantom is always surrounded with water. In this way, it can float with no restrictions to its movement. The only constraints present are the ones at the inlet and outlet of the vessel where rigid connections must be adopted to ensure the phantom. A small compliance chamber has been connected to the phantom box. In this way, by exploiting the Windkessel effect, the compliance of the vessel can be adjusted by changing the water/air ratio inside the small chamber. In order to validate the mechanical properties of this phantom with this configuration, three different analysis have been carried out aiming at characterising it in both non-pulsatile and pulsatile conditions. The first non-pulsatile analysis has focused its attention on the compliance of the phantom. A 60-ml syringe connected to the phantom has been placed on a specifically designed support and connected to a stepper motor interfaced with an Arduino board. In this way, the syringe has been squeezed and released with a precise control of the volume. A pressure sensor has been connected at the outlet of the phantom allowing a continuous pressure reading. At the beginning of the test, the phantom has been filled so as to reach a non-deformed condition. The syringe has been squeezed until a 120-mmHg pressure has been reached. During the inflation, the volume has been continuously recorded so as to have diastolic volume and systolic volume. In this way, the compliance has been computed for different water/air ratio. The second experimental procedure focused its attention on the behaviour of the phantom under pulsatile conditions. The phantom has been connected to a ViVitro Pulse Duplicator which simulated the function of the heart by generating pulsatile flow through prosthetic valves. The configuration of the device, which usually comprises two compliance chambers and one systemic resistance, has been changed to have a direct connection with the phantom. As such, the pump pushes water through the aortic valve, the water flows inside a pipe and enters the phantom. The compliance is thus given only by the phantom compliance chamber itself. The water flows inside the phantom and goes back to the atrium passing through an adjustable ball valve. With this setup, the effect of the systemic resistance (adjusted with the ball valve) on the pressure inside the phantom has been investigated. Under pulsatile flow, the vessel deformation has been recorded using a High-Frame-Ratio (HFR) camera conveniently calibrated and placed above the phantom. A post processing of the recorded videos has allowed the assessment of the compliance. An MRI scan has been carried out on the phantom. The preliminary result of the scan showed some chemical shift artefacts typical of the interaction between silicone and water. The chemical shift artefact presents itself as a shift of the image in the frequency-encoding direction. As such, the shape of the silicone was shifted towards one side of the image creating a black shadow on side and a white stripe on the other.These artefacts have been attenuated adopting a 3D FLAIR (Fluid Attenuated Inversion Recovery) sequence which allows to strongly reduce the signal arising from the silicone. As a consequence, the phantom appears as a dark shape over a bright background (water). From the obtained range of distensibility values it is possible to infer that this system allows to have a good and fine control on the compliance of the phantom. There is a very high repeatability among the five measurements carried out for each configuration. The order of magnitude achieved with this system is close to the physiological one. It is clear that, increasing the volume of the compliance chamber, higher compliance values can be achieved. The pulsatile analysis has allowed to investigate the behaviour of the phantom under dynamic conditions. The first observation that can be done is about the pressure waveforms obtained. For a fixed compliance value, the pressure arises with a semi-rigid shift as the systemic resistance increases. On the other hand, for the same mean pressure value, the compliance of the system is affecting the aortic pulse pressure which arises for low level of compliance and decreases for high values of compliance This behaviour can also be seen in real physiological conditions where the lack of compliance of the arteries, due to stiffening of their wall lead to a higher ΔP and an increase systemic resistance, due to narrowing of the vessels, leads to an overall state of hypertension. The third and last validation protocols has helped supporting the MR compatibility claim with practical results. The first phantom had been done with MR compatible materials. The hose at the inlet and outlet and all the screws of the box were made of stainless steel. Despite it, they created too many artefacts during the scan. Most of the artefacts have been cause by the fittings at the inlet and the outlet that, due to their cylindrical shape, behaved like a spire in a magnetic field altering a lot the RF signal of the phantom. The second phantom, on the other hand, had been fabricated with acrylic screws. This time, the only artefacts that were present were due to the presence of silicone and water (chemical shift artefact) and they have been easily deleted using 3D FLAIR sequence. The last observation can be done on the behaviour of the phantom when inflated. The deformation of the vessel mainly occurs towards the exterior of the box and it’s not perfectly radially symmetric. This might be due a small difference in thickness of the vessel or, on the arch part, for geometrical reasons. Having achieved the aim to develop a fabrication process for a vascular phantom environment, there is now the potential to further advance this model to cover the inter morphology of the aorta in a modular manner. As such, the next step will be to develop the other modules of the phantom which will comprise the abdominal tract, and the femoral arteries. It could also be interesting to investigate some pathological conditions such as aneurysms, calcifications and dissections and insert them in the phantom. When patient-specific geometry is not important, these modules could be swapped between themselves allowing the test of new devices in different conditions. The way the model is constructed might also be changed. The compliance chamber might be enlarged and built using a cylindrical casted acrylic part which would lead to less leakages and would create less problems in making it water-tight. Increasing the size of the compliance chamber should also lead to higher values of compliance. Another thing which should be built is a custom-made pump and a control system. This pump might resemble the Vivitro Pulse Duplicator comprising valves for allowing a unidirectional pulsatile flow. Some electronics to read the pressure values and flow in the main compartments of the phantom could also be added
Italian keywords: stampa 3D; fantoccio vascolare; silicone; simulatore
English keywords: 3D-printing; vascular phantom; silicone; simulator
Language: eng
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