Artykuł metodologiczny

Trójwymiarowy wydruk złożonej anomalii aorty

DOI:

10.3791/58175

⸱

1 listopada 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cardiac Surgery, Zhongshan Hospital, Fudan University, 2Shanghai Institute of Cardiovascular Disease, 3State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Fudan University, 4Institutes of Biomedical Sciences, Fudan University, 5Meditool Shanghai Enterprise Co., Ltd.

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tutaj prezentujemy protokół korzystania z trójwymiarowych drukowanych modeli do planowania przedoperacyjnego i śródoperacyjnej reorganizacji skomplikowanych lokalizacji naczyniowych podczas obsługi wrodzonej anomalii aorty.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Złożone wrodzone anomalie aorty obejmują różne rodzaje wad rozwojowych, które mogą być klinicznie bezobjawowe lub występować z objawami ze strony układu oddechowego lub przełyku. Anomalie te mogą być związane z innymi wrodzonymi wadami serca. Trudno jest określić dokładną lokalizację naczynia anatomicznego na podstawie dwuwymiarowych danych obrazowych, takich jak tomografia komputerowa. Jako metoda wytwarzania przyrostowego, drukowanie trójwymiarowe (3D) może ukrywać uzyskane dane obrazowania w fizycznych modelach 3D. Protokół ten opisuje procedurę modelowania wolumetrycznego obrazowania DICOM na dane 3D i drukowania go jako anatomicznie realistycznego modelu 3D. Korzystając z tego modelu, chirurdzy mogą zidentyfikować lokalizację naczyń złożonych anomalii aorty, co jest pomocne w planowaniu przedoperacyjnym i wskazówkach śródoperacyjnych.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wrodzone anomalie aorty są niezwykle rzadkimi wrodzonymi wadami rozwojowymi układu łuku aorty. Można je zdiagnozować albo przez analizę obrazową, albo przez ocenę jednostek takich jak dysfagia lub podobojczykowa steal1. W scenariuszach klinicznych ważne jest zidentyfikowanie anomalii anatomicznej w ograniczonej przestrzeni chirurgicznej, która ma ograniczoną wizualizację podczas operacji2,3. Obecnie konwencjonalne planarne obrazowanie dwuwymiarowe (2D), takie jak tomografia komputerowa (CT) i rezonans magnetyczny (MRI), są zwykle przedstawiane chirurgom przed operacją. Jednak chirurgom trudno jest zobrazować anomalię na podstawie obrazowania 2D. W związku z tym mogą napotkać nieprzewidywalne trudności podczas próby oddzielenia złożonych naczyń aorty podczas operacji. Może dojść do nieprzewidywalnego uszkodzenia naczynia, tchawicy i przełyku, co może mieć katastrofalne skutki.

W ostatniej dekadzie modelowanie obrazowania 3D było wykorzystywane w kardiochirurgii, aby pomóc chirurgom zrozumieć złożone anomalie anatomiczne4,5,6,7. Technologia druku trójwymiarowego (3D) może pomóc w konwersji danych modelowania na model fizyczny. W porównaniu z rekonstrukcją cyfrową, modele fizyczne wydrukowane w 3D mogą zapewnić lepsze zrozumienie szczegółów anatomicznych i zapewnić intuicyjny obraz wad rozwojowych. W przypadku chirurgii anomalii aorty wydrukowany intuicyjny model 3D jest istotny, ponieważ słabe zrozumienie lokalizacji aorty może być katastrofalne dla pacjentów. Podczas operacji każdy błąd może prowadzić do nieprzewidywalnego krwawienia i obrażeń. Korzystając z wydrukowanych modeli, chirurdzy mogą w pełni zrozumieć relacje przestrzenne gałęzi aorty. Podczas operacji chirurdzy mogą również przeprowadzać przegląd modeli 3D w czasie rzeczywistym, aby uniknąć pomyłek związanych ze złożonymi lokalizacjami naczyniowymi.

Tutaj prezentujemy protokół do zastosowania wydrukowanych w 3D modeli do planowania przedoperacyjnego i wskazówek śródoperacyjnych podczas radzenia sobie z wrodzonymi chorobami aorty. Jako studium przypadku wybrano uchyłek Kommerella, rodzaj złożonej wrodzonej anomalii aorty. Kroki obejmują diagnozę na podstawie obrazowania angiografii tomografii komputerowej (CTA), podział obszarów zainteresowania, budowanie modeli 3D, przedoperacyjne planowanie chirurgiczne i śródoperacyjny przegląd modeli drukowanych w 3D8. Ta strategia druku 3D może znacznie zmniejszyć ryzyko nieprzewidywalnego uszkodzenia tkanki podczas operacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejsze badanie zostało zatwierdzone przez komisję etyczną Szpitala Zhongshan Fudan University (B2016-142R) i wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę.

1. Diagnoza anomalii aorty na podstawie objawów i pozyskiwanie danych obrazowych

  1. Zidentyfikuj pacjentów, którzy mają objawy, takie jak ból w klatce piersiowej, dysfagia lub różnica ciśnienia krwi kończyn górnych w przychodni. Należy wykluczyć pacjentów, którzy mogą nie tolerować operacji.
  2. Wykonaj angiografię CT u tych pacjentów, aby zdiagnozować uchyłek Kommerella8.

2. Segmentacja regionów zainteresowania

  1. Zaimportuj wszystkie obrazy angiografii TK do oprogramowania w formacie DICOM. Rozdzielczość tych obrazów wynosiła 512 × 512 pikseli, a grubość warstwy wynosiła 1 mm.
    1. Kliknij dwukrotnie przypadek pacjenta w bibliotece przypadków i otwórz go.
    2. Wybierz serię DICOM i kliknij Model Recon, aby otworzyć stronę zwiadu modelu.
  2. Poproś inżyniera i zespół kardiochirurgów o przejrzenie surowych danych w formacie DICOM w celu zidentyfikowania kluczowych cech anatomicznych i obszaru zainteresowania (ROI).
  3. Użyj progów opartych na szarych wartościach, aby podzielić zwrot z inwestycji.
    1. Kliknij przycisk Segmentacja progu i dostosuj zakres progowy dla maski naczyniowej. Domyślny zakres wynosi od 226 do 3071.
    2. Kliknij przycisk Potwierdź, aby dokonać segmentacji progowej, a maska naczyniowa pojawi się na liście obiektów. Kliknij przycisk Recon po prawej stronie maski, a maska naczyniowa 3D zostanie zrekonstruowana i wyświetlona w przeglądarce 3D.
    3. Kliknij przycisk Segmentacja progowa i dostosuj zakres progowy maski tchawicy. Kliknij przycisk Segmentacja ramki zaznaczenia, aby ograniczyć obszar zainteresowania do śródpiersia i płuc. Domyślny zakres wynosi od -1024 do -520.
    4. Kliknij przycisk Edycja maski i usuń połączenie między tchawicą a płucem.
    5. Kliknij przycisk Powiększ region i wybierz źródło, klikając dowolny punkt/piksel na masce w dowolnej przeglądarce 2D. Sprawdź i potwierdź, że w rezultacie obszar się powiększa i że maska tchawicy pojawi się na liście obiektów.
    6. Kliknij przycisk Zwiadowca po prawej stronie maski, a tchawica 3D zostanie zrekonstruowana w przeglądarce 3D.
  4. Zapisz ROI jako maski do rekonstrukcji 3D.

3. Rekonstrukcja 3D zwrotu z inwestycji

  1. Zastosuj algorytm interpolacji wartości szarości, aby obliczyć siatkę powierzchniową modelu 3-W. Uformuj powierzchnię w trójkąt, aby pasowała do najbardziej wysuniętych wokseli maski.
  2. Kliknij przycisk Eksportuj, aby wyeksportować model 3D jako plik STL.
  3. Umieść model na środku platformy budynku. Zorientuj model, wyrównując styczną osi statku na jego końcu tak, aby była równoległa do osi Z platformy budynku. Podpory zostały automatycznie wygenerowane do wysięgów przy użyciu parametrów domyślnych.
  4. Kliknij punkt menu Plasterek | Zapisz, aby zapisać jako plik gotowy do druku 3D.

4. Druk 3D

  1. Wykonaj druk stereolitograficzny za pomocą drukarki 3D. Należy użyć następujących parametrów: odległość warstwy 1 mm, rozdzielczość 512 × 512 pikseli, grubość warstwy budowlanej 0,1 mm i średnica plamki lasera 80 μm.
  2. Użyj światła ultrafioletowego o długości fali 405 nm, aby utwardzić żywicę światłoczułą, skanując kontury pokrojone przez oprogramowanie. Prędkość lasera światła ultrafioletowego wynosi 3 m / s.
    UWAGA: Po zbudowaniu jednego wycinka cyfrowego modelu 3D, platforma budynku wznosiła się o 0,1 mm w górę dla następnego wycinka. Model fizyczny był budowany warstwa po warstwie. Kolejna warstwa została utworzona na poprzedniej warstwie. W ten sposób model fizyczny 3D został zbudowany warstwa po warstwie.

5. Planowanie przedoperacyjne i przegląd śródoperacyjny z wykorzystaniem modeli drukowanych w 3D

  1. Przed operacją poproś chirurgów, aby sporządzili szczegółowe i dokładne plany chirurgiczne dla każdego pacjenta, ucząc się modeli drukowanych w 3D.
  2. Podczas operacji umieść wydrukowane w 3D modele na sali operacyjnej i poproś pielęgniarkę, aby je przytrzymała. Szczegóły anatomiczne zostały sprawdzone przez chirurgów podczas lokalizacji i separacji naczyniowej.
    UWAGA: Leczenie operacyjne obejmowało resekcję uchyłka i rekonstrukcję gałęzi aorty. Impregnowany przeszczep tkanej rurki poliestrowej został zastosowany w celu zastąpienia wyciętej aorty1,2,3,9. Wszyscy pacjenci po operacji zostali skierowani na oddział intensywnej terapii kardiochirurgicznej.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Akwizycja obrazów angiografii CT, modelowanie cyfrowe i druk 3D zostały wykonane w szpitalu. Dwie godziny poświęcono na przygotowanie modelu 3D z obrazu angiografii CT do druku 3D. Korzystając z procedury i drukarki 3D, można szybko wysłać do lekarzy model fizyczny 3D specyficzny dla pacjenta, a decyzja chirurgiczna może zostać podjęta na czas. Przebieg od pozyskania danych angiografii CT do druku 3D został pokazany na Rysunek 1. Z płaszczyzny koronalnej (

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wrodzone anomalie aorty stanowią rzadkie spektrum chorób sercowo-naczyniowych, które często objawiają się złożonymi anomaliami aorty. Obrazowanie medyczne, takie jak tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny, jest wymagane do wyjaśnienia złożonych anomalii łuku aorty, nieprawidłowego wzoru rozgałęzień, ich związku z tchawicą i przełykiem oraz innych powiązanych patologii. Zarówno angiografia CT, jak i MR mogą dostarczyć informacji 2D o lokalizacji naczyń aortalnych. Dzięki cyfrowej rekonstrukcji 3D obrazowania 2D moż...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy dziękują za finansowanie z Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (nr 81771971), Shanghai Pujiang Program (nr 14PJD008 i 17PJ1401500), projektu "Chen Guang" wspieranego przez Shanghai Municipal Education Commission i Shanghai Education Development Foundation (nr 14CG06), Natural Science Foundation of Shanghai (nr 17411962800 i 17ZR1432900) oraz Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (17JC1400200). W.Z. potwierdza finansowanie z Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (31501555 i 81772007 oraz 21734003), Chińskiego Programu 1000 Młodych Talentów, Komisji Edukacji Gminy Szanghaj (Nagroda Profesury Młodego Wschodu) oraz Komisji Nauki i Technologii Gminy Szanghaj (17JC1400200 i 16391903900).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Drukarka 3DMeditool Enterprise Co., LtdDo druku 3D
Chaos Version 2.0Meditool Enterprise Co., LtdDo segmentacji i rekonstrukcji 3D

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Rosu, C., Dorval, J. F., Abraham, C. Z., Cartier, R., Demers, P. Single-stage hybrid repair of right aortic arch with Kommerell's Diverticulum. The Annals of Thoracic Surgery. 103 (4), e381-e384 (2017).
  3. Idrees, J., et al. Hybrid repair of Kommerell diverticulum. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (3), 973-976 (2014).
  4. Kankala, R. K., et al. Fabrication of arbitrary 3-D components in cardiac surgery: from macro-, micro- to nanoscale. Biofabrication. 9 (3), 032002(2017).
  5. Vukicevic, M., Mosadegh, B., Min, J. K., Little, S. H. Cardiac 3-D printing and its future directions. JACC Cardiovascular Imaging. 10 (2), 171-184 (2017).
  6. Yoo, S. J., Spray, T., Austin, E. H., Yun, T. J., van Arsdell, G. S. Hands-on surgical training of congenital heart surgery using 3-dimensional print models. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153 (6), 1530-1540 (2017).
  7. Hermsen, J. L., et al. Scan, print, practice, perform: Development and use of a patient-specific 3-dimensionalprinted model in adult cardiac surgery. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 153 (1), 132-140 (2017).
  8. Sun, X., Zhang, H., Zhu, K., Wang, C. Patient-specific three-dimensional printing for Kommerell's diverticulum. International Journal of Cardiology. 255, 184-187 (2018).
  9. Ota, T., Okada, K., Takanashi, S., Yamamoto, S., Okita, Y. Surgical treatment for Kommerell's diverticulum. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 131 (3), 574-578 (2006).
  10. Agematsu, K., Ueda, T., Hoshino, S., Nishiya, Y. Rupture of Kommerell diverticulum after total arch replacement. Interactive Cardiovascular and Thoracic Surgery. 11 (6), 800-802 (2010).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Obrazowanie DICOMrekonstrukcja modelu 3Dsegmentacja maski naczyniowejdruk stereolitograficznyplanowanie przedoperacyjnenawigacja r doperacyjnatomografia komputerowaobszar zainteresowania

Powiązane artykuły