本文介绍了一种利用三维打印模型在处理先天性主动脉异常时进行术前规划和术中复杂血管位置重组的方案。
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本文内容
摘要
摘要
复杂的先天性主动脉畸形包括多种类型的结构异常，临床上可表现为无症状，或出现呼吸道或食管相关症状，且可能合并其他先天性心脏病。通过二维影像数据（如计算机断层扫描）难以准确判断血管的解剖位置。作为一种增材制造技术，三维（3-D）打印可将获取的影像数据转化为三维实体模型。本方案描述了将容积型DICOM影像建模为三维数据并打印成解剖结构逼真的三维模型的操作流程。利用该模型，外科医生可明确复杂主动脉畸形的血管位置，有助于术前规划及术中指导。
引言
先天性主动脉畸形是主动脉弓系统极为罕见的先天性畸形。可通过影像学分析或吞咽困难、锁骨下动脉盗血综合征等临床表现进行诊断1。在临床实践中，手术视野受限且术中可视化程度有限的情况下，准确识别解剖结构异常至关重要2,3。目前，外科医生通常在术前通过传统的平面二维（2-D）影像（如计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI））了解病情。然而，外科医生难以仅凭二维影像准确构建畸形结构的立体图像，因此在术中分离复杂主动脉血管时可能遇到难以预料的困难。这可能导致对血管、气管和食管的意外损伤，进而引发严重后果。
近十年来，三维（3-D）成像建模已应用于心脏外科手术，以帮助外科医生理解复杂解剖异常4,5,6,7。三维（3-D）打印技术可将建模数据转化为实体模型。与数字重建相比，3-D打印的实体模型能够更清晰地展现解剖细节，为畸形提供直观的视觉呈现。在主动脉异常手术中，打印出的直观3-D模型尤为重要，因为对主动脉位置理解不足可能给患者带来灾难性后果。手术过程中，任何错误都可能导致....
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方案
本研究经复旦大学附属中山医院伦理委员会批准（批准号：B2016-142R），所有参与者均签署了知情同意书。
1. 通过症状诊断主动脉异常并获取影像学数据
- 在门诊中识别具有胸痛、吞咽困难或上肢血压差异等症状的患者。排除可能无法耐受手术的患者。
- 对这些患者进行CT血管造影以诊断Kommerell憩室8。
2. 感兴趣区域的分割
- 以 DICOM 格式将所有 CT 血管造影图像导入软件中。这些图像的分辨率为 512 × 512 像素，层厚为 1 mm。
- 在病例库中双击患者病例并打开。
- 选择 DICOM 序列，然后点击 Model Recon 以打开模型重建页面。
- 由一名工程师和一组心脏外科医生共同审阅以 DICOM 格式存储的原始数据，识别关键解剖结构和感兴趣区域（ROI）。
- 使用基于灰度值的阈值分割法对感兴趣区域进行分割。
- 点击 Threshold Segmentation 按钮，并调整血管掩膜的阈值范围。默认范围为 226 至 3071。
- ....
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结果
CT血管造影图像的获取、数字建模及3D打印均在医院内完成。从CT血管造影图像到准备好进行3D打印的模型，共耗时2小时。采用本方案及3D打印机，可快速将患者特异性3D实体模型送至临床医生手中，从而及时制定手术决策。从CT血管造影数据获取到3D打印的完整工作流程如图1所示。通过冠状面（图2A）、横断面（图2B）和矢状面（图2C），将CT血管造影图像重建为3D模型（图2D）。沿Y轴方向展示了主动脉与气管之间的解剖关系（图3A-3D）。
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讨论
先天性主动脉畸形是一组罕见的心血管疾病，常表现为复杂的主动脉异常。需要借助CT和MR等医学影像技术来明确复杂的主动脉弓畸形、异常的分支模式、其与气管和食管的关系以及其他相关病理改变。CT和MR血管成像均可提供主动脉血管位置的二维信息。通过对二维影像进行三维数字重建，可进一步界定主动脉血管之间的解剖关系。然而，这些影像技术仍不足以向外科医生清晰展示真实的解剖结构。Kommerell憩室是一种罕见的先天性主动脉畸形，由于该疾病的变异性与复杂性，部分外科医生难以准确理解其解剖特点1。因此，该疾病的外科治疗策略亟需优化。
本文所述工作流程包括基于影像数据的诊断、感兴趣区域的分割、构建数字化三维模型、三维模型打印、术前规划及术中复查。CT 是术前诊断主动脉异常的常用影像学方法。由于其亚毫米级的优异空间分辨率，CT 常用于三维打印。尽管在某些情况下 MR 图像也可用于三维建模，但其空间分辨率通常低于 CT。基于 CT 数据集，图像分割可将感兴趣区域的解剖信息转化为患者特异性的数字化三维模型。DICOM 数据来源、异常的复杂程度以及操作者对软件的熟.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢国家自然科学基金委员会（编号 81771971）、上海市浦江人才计划（编号 14PJD008 和 17PJ1401500）、"晨光计划"（由上海市教育委员会和上海教育发展基金会资助，编号 14CG06）、上海市自然科学基金（编号 17411962800 和 17ZR1432900）以及上海市科学技术委员会（编号 17JC1400200）提供的经费支持。W.Z. 感谢国家自然科学基金委员会（编号 31501555、81772007 和 21734003）、中国“千人计划”青年项目、上海市教育委员会（东方学者青年项目）以及上海市科学技术委员会（编号 17JC1400200 和 16391903900）提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D 打印机 | Meditool Enterprise Co., Ltd | 用于 3D 打印 | |
| Chaos Version 2.0 | Meditool Enterprise Co., Ltd | 用于 3D 分割与重建 |
参考文献
- Tanaka, A., Milner, R., Ota, T. Kommerell's diverticulum in the current era: a comprehensive review. General Thoracic and Cardiovascular Surgery. 63 (5), 245-259 (2015).
- Rosu, C., Dorval, J. F., Abraham, C. Z., Cartier, R., Demers, P.
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重印与许可
