复杂主动脉畸形的三维打印

摘要

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。

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不可预测的大出血和组织损伤。通过使用打印模型，外科医生可以充分掌握主动脉分支的空间关系。在手术过程中，医生还可实时参考3-D模型，以避免因复杂血管位置而产生混淆。

本文介绍了一种利用3D打印模型进行先天性主动脉疾病术前规划和术中指导的实验方案。以Kommerell憩室（一种复杂的先天性主动脉异常）为例进行案例研究。具体步骤包括基于计算机断层扫描血管成像（CTA）的诊断、感兴趣区域的分割、构建3D模型、术前手术规划以及术中参考3D打印模型⁸。该3D打印策略可显著降低手术过程中不可预见的组织损伤风险。

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

1. 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。
2. 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

1. 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。
   1. 在病例库中双击患者病例并打开。
   2. 选择 DICOM 序列，然后点击 Model Recon 以打开模型重建页面。
2. 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）。
3. 使用基于灰度值的阈值分割法对感兴趣区域进行分割。
   1. 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。
   2. 点击 Confirm 按钮完成阈值分割，血管掩膜将显示在对象列表中。点击掩膜右侧的 Recon 按钮，三维血管掩膜将在三维查看器中重建并显示。
   3. 点击 Threshold Segmentation 按钮，并调整气管掩膜的阈值范围。点击 Marquee Segmentation 按钮，将感兴趣区域限定在纵隔和肺部。默认范围为 -1024 至 -520。
   4. 点击 Mask Edit 按钮，擦除气管与肺之间的连接部分。
   5. 点击 Region Grow 按钮，并在任意一个二维查看器中的掩膜上点击任意点/像素以选择种子点。检查并确认区域随之生长，且气管掩膜将出现在对象列表中。
   6. 点击掩膜右侧的 Recon 按钮，三维气管将在三维查看器中重建。
4. 将感兴趣区域保存为用于三维重建的掩膜。

3. 感兴趣区域的三维重建

1. 采用灰度值插值算法计算三维模型的表面网格，将表面划分为三角形，以匹配掩膜最外层的体素。
2. 点击 导出 按钮，将三维模型导出为 STL 文件。
3. 将模型放置在构建平台的中心位置，通过调整模型方向，使血管中心线在端点处的切线与构建平台的 Z 轴平行。使用默认参数自动为悬垂部分生成支撑结构。
4. 点击 切片 | 保存，保存为可用于 3-D 打印的文件。

4. 3D打印

1. 使用3D打印机进行立体光刻打印。采用以下参数：切片距离1 mm，分辨率为512 × 512像素，成形层厚度0.1 mm，激光光斑直径80 μm。
2. 使用波长为405 nm的紫外光通过扫描软件切片后的轮廓，使光敏树脂固化。紫外激光扫描速度为3 m/s。
   注意：当数字3D模型的一层构建完成后，构建平台上升0.1 mm以进行下一层。实体模型逐层构建，下一层在上一层的基础上形成。通过这种方式逐层构建出三维实体模型。

5. 使用3D打印模型进行术前规划和术中评估

1. 手术前，外科医生应通过学习三维打印模型，为每位患者制定详细且准确的手术计划。
2. 手术过程中，将三维打印模型放置于手术室内，并由护士手持，供外科医生在进行血管定位与分离时参考解剖细节。
   注：手术治疗包括憩室切除及主动脉分支重建。采用浸渍的编织聚酯管移植物替代切除的主动脉^1,2,3,9。所有患者术后均转入心脏外科重症监护室。

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）。

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...

材料

本文使用的材料清单

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