Drei-dimensionale Druck einer komplexen Aorten Anomalie
1. November 2018
Hier präsentieren wir ein Protokoll, um dreidimensionale gedruckten Modelle für präoperative Planung und intraoperative Reorganisation des komplizierten Kreislauf Standorten verwenden, beim Umgang mit einer angeborenen Aortenstenose Anomalie.
Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im komplexen Aorta-Anomaliefeld zum Kamera-DICOM zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass 3D-gedrucktes Modell das Risiko von unvorhersehbaren Gewebeverletzungen während der komplexen Aortenchirurgie reduzieren kann. Für die Segmentierung einer Region von Interesse importieren Sie alle Computertomographie- und Geographiebilder in die Software in einem DICOM-Format und doppelklicken Sie, um den Patientenfall in der Fallbibliothek zu öffnen.
Wählen Sie die DICOM-Serie aus, und klicken Sie auf Modellrecon, um die Modellrekonstruktionsseite zu öffnen. Lassen Sie einen Ingenieur und ein Team von Herzchirurgen die DICOM formatierten Rohdaten überprüfen, um wichtige anatomische Merkmale und Interessensgebiete zu identifizieren. Um den Bereich zu segmentieren, klicken Sie auf Schwellenwertsegmentierung, und passen Sie den Schwellenwertbereich für die Gefäßmaske an.
Klicken Sie auf Bestätigen, um die Gefäßmaske in der Objektliste zu generieren, und klicken Sie auf Recon, um die 3D-Gefäßmaske im 3D-Viewer zu rekonstruieren. Klicken Sie erneut auf die Schwellensegmentierung, und passen Sie den Schwellenwertbereich für die Luftröhrenmaske an. Klicken Sie auf die Segmentsegmentierung, um den Bereich, der für das Mediumstinum und die Lunge von Interesse ist, zu begrenzen, und klicken Sie auf Maskenbearbeitung, um die Verbindung zwischen Luftröhre und Lunge zu löschen.
Klicken Sie auf Region wachsen und klicken Sie auf einen beliebigen Punkt der Maske in einem der 2D-Viewer, um einen Seed auszuwählen. Bestätigen Sie, dass die Region als Ergebnis wächst und dass die Luftröhrenmaske in der Objektliste angezeigt wird. Klicken Sie dann auf Recon, um die 3D-Luftröhre im 3D-Viewer zu rekonstruieren und den Interessenbereich als Maske zu speichern.
Klicken Sie bei der 3D-Rekonstruktion des Interessenbereichs auf Exportieren, um das 3D-Modell als Standard-Dreieckssprachendatei zu exportieren und das Modell in der Mitte der Gebäudeplattform zu positionieren. Richten Sie die Tangente der Gefäßmittellinie an ihrer Extremität aus, sodass sie parallel zur Z-Achse der Plattform verläuft. Unterstützungen werden automatisch zu den Überhängen generiert.
Klicken Sie auf Slice, und speichern Sie die entsprechenden 3D-Druckparameter auf einem stereolithographischen Drucker. Scannen Sie nach dem Drucken die von der Software geschnittenen Konturen mit 405 Nanometer ultraviolettem Licht, um das lichtempfindliche Harz mit einer Scanrate von drei Metern pro Sekunde zu härten. Dann, vor der Operation, lassen die Chirurgen das 3D-gedruckte Modell verwenden, um detaillierte und genaue chirurgische Pläne für den Patienten zu erstellen, aus dem das 3D-Modell generiert wurde.
Anhand von Bildern von der koronalen Ebene, der Querebene und der sagittalen Ebene kann das Computertomographie- und Geographiebild wie gezeigt in ein 3D-Modell rekonstruiert werden. In diesen Bildern kann die anatomische Beziehung zwischen der Aorta und der Luftröhre entlang der Y-Achse beobachtet werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technologie den Weg für Forscher auf dem Gebiet des 3D-Drucks, um vaskuläre Anomalien in der Aortenchirurgie zu erforschen.
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Übersicht
Dieser Artikel stellt ein Protokoll zur Nutzung dreidimensional gedruckter Modelle bei der präoperativen Planung und intraoperativen Organisation komplexer vaskulärer Situationen, insbesondere bei angeborenen Aortenanomalien, vor.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Kardiochirurgie
- 3D-Drucktechnologie
- gefäßerkrankungen
Hintergrund
- Kongenitale Aortenanomalien stellen erhebliche chirurgische Herausforderungen dar.
- Das Verständnis der Anatomie ist entscheidend für einen erfolgreichen chirurgischen Eingriff.
- Der 3D-Druck kann die Visualisierung komplexer Strukturen verbessern.
- Aktuelle Methoden können zu unvorhersehbaren Gewebeschädigungen während der Operation führen.
Zweck der Studie
- Verbesserung der präoperativen Planung komplexer aortaler Eingriffe.
- Reduzierung der mit chirurgischen Interventionen verbundenen Risiken.
- Verbesserung des Verständnisses der vaskulären Anatomie mithilfe von 3D-Modellen.
Verwendete Methoden
- Importieren von DICOM-formatierten Bildern in spezielle Software.
- Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Herzchirurgen zur Datenüberprüfung.
- Segmentierung von interessierenden Bereichen mittels Schwellenwertanpassungen.
- Modellrekonstruktion zur verbesserten chirurgischen Planung.
Hauptergebnisse
- 3D-gedruckte Modelle bieten eine greifbare Darstellung komplexer vaskulärer Strukturen.
- Bessere Identifizierung wichtiger anatomischer Merkmale während des chirurgischen Eingriffs.
- Verringertes Risiko von Gewebeverletzungen durch eine verbesserte präoperative Planung.
- Verbesserte Kommunikation zwischen chirurgischen Teams bezüglich der patientenspezifischen Anatomie.
Schlussfolgerungen
- Der 3D-Druck ist ein wertvolles Hilfsmittel bei der Behandlung kongenitaler Aortenanomalien.
- Diese Methode kann die chirurgischen Ergebnisse erheblich verbessern.
- Zukünftige Anwendungen könnten sich auf andere komplexe vaskuläre Eingriffe erstrecken.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Komplexe angeborene Aortenanomalien stellen aufgrund der Einschränkungen der 2D-Bildgebung bei der genauen anatomischen Lokalisation erhebliche Herausforderungen bei der präoperativen Planung dar. Der dreidimensionale (3-D)-Druck wandelt volumetrische DICOM-Bilddaten in anatomisch realistische physische Modelle um und ermöglicht Chirurgen so, die Lage der Gefäße zu identifizieren und das Risiko unvorhersehbarer Gewebeschäden während komplexer Aorteneingriffe zu verringern. Dieser Ansatz stärkt das Vertrauen in die chirurgische Entscheidungsfindung und verbessert die translationale Kontinuität von der Entdeckung bis zur klinischen Anwendung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen, indem greifbare Modelle zur anatomischen Klärung in der Forschung zu vaskulären Anomalien bereitgestellt werden.
- Operationaler Wert: Unterstützt die biologische Risikominimierung durch verbesserte Identifizierung wesentlicher anatomischer Merkmale und verringert damit Unklarheiten bei der Zielvalidierung.
- Predictiver Wert: Verbessert die Portfolio-Priorisierung, indem Teams die chirurgische Durchführbarkeit und Risiken vor einem Eingriff bewerten können.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erstellt validierte biologische Analoga für nachgeschaltete Arbeitsabläufe, indem Bildgebungsdaten in standardisierte 3-D-Modelle umgewandelt werden.
- Operationaler Wert: Trägt durch konsistente Modellerstellung aus DICOM-Daten zur Standardisierung und Reproduzierbarkeit von Assays bei.
- Skalierbarkeit: Unterstreicht das Potenzial der Plattform, in Studien zu vaskulären Anomalien wiederverwendet zu werden, und ermöglicht die zuverlässige Bewertung von Wirkstoffen oder Geräten in präklinischen Anwendungen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Erläutert die Krankheitsrelevanz, indem räumliche Beziehungen zwischen Aorta und Trachea entlang der Y-Achse modelliert werden, was dem mechanistischen Verständnis dient.
- Operativer Wert: Beschreibt den kontinuierlichen Prozess von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung, indem iterative Entwicklung und Testung chirurgischer Zugänge ermöglicht werden.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen, indem präoperative Modelle bereitgestellt werden, die über Go/No-Go-Kriterien in der Entwicklung vaskulärer Interventionen informieren.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in den Entdeckungsprozess von der frühen Entdeckung bis zur präklinischen Forschung und unterstützt die Hypothesenprüfung, die Aufklärung von Signalwegen sowie die biologische Risikominderung in der Forschung zu vaskulären Anomalien.
- Entdeckungsbiologie: Erläutert, wie die Methode die Hypothesenprüfung und die Aufklärung von Wegen unterstützt, indem sie die Visualisierung komplexer anatomischer Beziehungen zwischen Aorta und Luftrache ermöglicht.
- Screening: Beschreibt die Bereitschaft des Assays durch die reproduzierbare Erzeugung dreidimensionaler Modelle aus segmentierten DICOM-Daten, was eine zuverlässige Bewertung erleichtert.
- Analytik: Betont quantitative Ergebnisse wie die Erzeugung von Gefäß- und Tracheamasken, wodurch Teams anatomische Zustände über verschiedene Modelle hinweg vergleichen können.
- Translationale Forschung: Verbindet die Methode mit der präklinischen Kontinuität, indem sie eine iterative Verbesserung chirurgischer Planungen auf Grundlage patientenspezifischer Anatomie ermöglicht.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Stellt die Methode als wiederverwendbare Fähigkeit für Studien zu vaskulären Anomalien dar, die über verschiedene Modelle und Institutionen hinweg anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit, Zielvalidierung und Verringerung mechanistischer Mehrdeutigkeiten bei der Modellierung vaskulärer Anomalien.
- Operationaler Wert: Standardisierung, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit der Erzeugung dreidimensionaler Modelle aus klinischen Bilddaten.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen, Kapitaleffizienz und reduziertes biologisches Risiko in fortgeschrittenen Phasen der chirurgischen Innovation.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierungs- und Voranbringungsentscheidungen basierend auf anatomisch präzisen präoperativen Modellen.
Durchführungsaspekte
- Notwendige wissenschaftliche Fachkenntnisse in medizinischer Bildgebung, Segmentierungssoftware und 3-D-Druck-Workflows.
- Zu den Anforderungen an Geräte und analytische Infrastruktur gehören DICOM-kompatible Software, Stereolithographie-Drucker und nachgelagerte UV-Aushärtungssysteme.
- Standardisierungsanforderungen über Teamgrenzen hinweg zwischen Ingenieurwesen, Radiologie und chirurgischen Teams für eine konsistente Datenüberprüfung und Modellvalidierung.
- Überlegungen zur Anpassung über verschiedene Modellsysteme hinweg, einschließlich Anpassungen für unterschiedliche vaskuläre und tracheale Geometrien bei angeborenen Anomalien.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören die Abhängigkeit von hochwertigen Eingabebildern sowie der zeitliche Aufwand für Segmentierung, Rekonstruktion und Druck.
