Congenital TrainHeart: development of a fully 3D printed simulator for hands-on surgical training

Background: With the growing expectation of a perfect outcome for patients undergoing cardiac surgery, it is now imperative to find alternative surgical training methods for residents and fellows. However, surgical simulation usually requires a fair amount of funds and manpower to establish a reliable program. For this reason, the increasing interest in the 3D printing field allowed the development of new technologies that found immediate application in surgical simulation. Aim of the study: This thesis illustrates the development of a low-cost 3D printed simulator for congenital and acquired cardiac surgery. Materials and methods: A simulator was designed to replicate position, view, and exposure of the heart within the chest wall using different approaches (median sternotomy, mini-sternotomy, subaxillary, and posterior mini-thoracotomy). All components were designed using a 3D modeling software and printed using a stereolithography 3D printer. All models that come with the simulator were designed using the same CAD software used for the chest simulator or using 3D reconstruction software for CT or MRI scans. Results: The simulator consists of a chest wall cavity with an oval opening on the top simulating a median sternotomy. The simulator can be attached to a tripod, allowing for height adjustments and pitch-and-roll movements. In addition, five different covers were designed to modify the opening, thus allowing to replicate minimally-invasive surgical approaches. The fully printed design made it possible to significantly reduce the cost of the entire product. All models are printed with a special elastic resin which makes it possible to cut and suture all structures. Conclusion: A novel low-cost fully 3D printed simulator was developed. This may represent a valid tool for high fidelity simulation programs in congenital and acquired cardiac surgery in addition to a patient-specific surgical planning.

RIASSUNTO Introduzione: Con la crescente aspettativa di un perfetto outcome per i pazienti sottoposti a interventi di cardiochirurgia, risulta fondamentale sviluppare e utilizzare nuove modalità per la formazione dei giovani chirurghi. Tuttavia, ad oggi, l’organizzazione di corsi di simulazione risulta dispendioso sia in termini di risorse economiche che di personale. Proprio per questo, il crescente interesse collettivo verso la stampa 3D ha permesso di sviluppare nuove tecnologie che possono essere efficacemente utilizzate nell’ambito della simulazione cardiochirurgica. Obiettivo dello studio: Questa tesi descrive lo sviluppo di un simulatore a basso costo stampato in 3D che può essere utilizzato sia nell’ambito delle cardiopatie congenite che di quelle acquisite Materiali e metodi: Il simulatore è stato sviluppato in modo tale da simulare posizione, visuale ed esposizione del cuore all’interno del torace in diversi approcci chirurgici. Tutte le componenti del simulatore sono state progettate tramite un software di modellazione 3D e stampati con stampante 3D a stereolitografia. I modellini da inserire all’interno dello stesso simulatore sono stati a loro volta sviluppati o tramite l’utilizzo dello stesso software o sfruttando tecniche di ricostruzione 3D a partenza da immagini TC o RMN. Risultati: Il simulatore si compone di una struttura che simula la cavità toracica con una apertura ellittica nella parte superiore atta a simulare una sternotomia mediana. Il simulatore può essere fissato ad un treppiede permettendo aggiustamenti per quanto concerne l’altezza, nonché movimenti di inclinazione e rotazione. In aggiunta, sono state realizzate quattro cover che permettono di modificare l’apertura sulla parte superiore del simulatore, al fine di simulare accessi di tipo mininvasivo. I modellini sono stati invece stampati con una resina elastica che, date le sue caratteristiche, può essere tagliata e suturata. Conclusioni: Il nuovo simulatore stampabile in 3D che è stato sviluppato potrebbe rappresentare uno strumento estremamente valido per le simulazioni cardiochirurgiche ad alta fedeltà e per il planning personalizzato di una procedura.