Summary
ここでは、先天性大動脈異常を処理する際に、術前計画と複雑な血管の場所の術中の再編成に 3次元印刷モデルを使用するプロトコルを提案する.
Abstract
複雑な先天性大動脈奇形には、臨床的に無症候性や呼吸や食道の症状で存在できる奇形の様々 な種類が含まれます。これらの異常は他の先天性心疾患と関連付けられるかもしれない。コンピューター断層撮影など、二次元の画像データから正確な解剖学的血管の場所を特定するは難しいです。添加剤の製造方法として三次元 (3 D) 印刷は、三次元の物理モデルに隠密取得した画像データをことができます。このプロトコルは、体積の DICOM の 3次元データに画像と解剖学的に現実的な 3 D モデルとして印刷モデリング手順を説明します。このモデルを使用して、外科場所を確認できます容器、複雑な大動脈の異常の術前計画と術中の指導のために有用であります。
Introduction
大動脈奇形、大動脈弓系の非常にまれな先天性奇形です。画像解析によって、または嚥下障害のようなエンティティの評価による彼ら診断することができます。 または鎖骨下1を盗みます。臨床では、手術2,3中の可視化が限られている狭い手術空間の解剖学的異常を識別するために重要です。現在、従来の平面二次元 (2 D) 画像、コンピューター断層撮影 (CT) や磁気共鳴画像 (MRI) などは通常、手術前に外科医に提示されます。ただし、2 D イメージングに基づく異常のイメージを外科医のために困難です。したがって、手術中に複雑な大動脈血管を分離しようとしながら予測不可能な難しさに出会うことができます。血管、気管、食道に予測不可能な傷害が発生し、悲惨な結果が発生します。
過去 10 年間で 3次元イメージングのモデリングは、複雑な解剖学的異常4,5,6,7を理解する外科医を助ける心臓手術で使用されています。三次元 (3 D) 印刷技術は、物理モデルのモデリング データに変換を助けることができます。デジタルの再建と比べると 3次元プリント物理モデル解剖学的詳細のより良い理解を提示でき奇形の直感的ビューを提供します。大動脈異常手術、大動脈の場所の理解不足が患者に悲惨なことができるので、プリントされた直感的 3次元モデルは重要です。外科の間に任意間違いは予測不可能な出血やけがにつながる可能性があります。プリントのモデルを使用すると、外科医は大動脈の枝の空間的な関係を完全に理解できます。手術中に外科医はまた複雑な血管の場所の混乱を避けるために 3-D モデルのリアルタイム レビューを実行できます。
ここでは、術前計画と先天性の大動脈弁疾患に対処しながら術中の指導のための 3次元プリント モデルを適用するプロトコルを提案する.Kommerell 憩室、複雑な先天性の大動脈異常の種類は、ケーススタディとして選ばれました。手順には、計算された断層レントゲン写真撮影の血管造影 (CTA) イメージング、関心の領域の分割、建物の 3 D モデル、術前手術計画、術中 3 D プリント モデル8の見直しに基づく診断が含まれます。この 3 D 印刷の戦略は大幅に手術中に予測不可能な組織傷害の危険を減らすことができます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
本研究は、中山病院復旦大学 (B2016-142R) の倫理委員会によって承認された、すべての参加者は、インフォームド コンセントを与えた。
1. 症状と画像データの取得による大動脈の異常の診断
- 外来で胸部の痛み、嚥下障害、上肢の血圧差などの症状を持っている患者を識別します。操作の寛容かもしれない患者を除外します。
- Kommerell 憩室8を診断するこれらの患者の CT 血管造影を実行します。
2. 関心領域のセグメンテーション
- DICOM 形式でソフトウェアにすべての CT 血管造影の画像をインポートします。これらの画像の解像度は 512 × 512 ピクセルとスライス厚 1 mm であった。
- 事例ライブラリから症例をダブルクリックして開きます。
- DICOM シリーズ、モデル偵察モデル偵察ページを開くをクリックします。
- エンジニアと心臓外科医のレビュー、DICOM のチーム主な解剖学的機能と利益 (率 ROI) の領域を識別するために生データを書式設定します。
- グレー値に基づくしきい値を使用して、ROI をセグメントします。
- しきい値分割ボタンをクリックし、血管のマスクのしきい値の範囲を調整します。既定の範囲は、226 に 3071 の間です。
- しきい値セグメンテーションの確認ボタンをクリックし、血管のマスクは、オブジェクト リストに表示されます。マスクと 3次元血管マスクの右から偵察ボタンをクリックは再建され、3 D ビューアーで表示されます。
- しきい値分割ボタンをクリックし、気管マスクのしきい値の範囲を調整します。縦隔や肺に関心の領域を制限するマーキー 分割ボタンをクリックします。既定の範囲は、-520 を-1024 の間です。
- マスクの編集ボタンをクリックし、気管と肺の間の接続を消去します。
- 地域成長ボタンをクリックし、任意のポイント/ピクセルで 2 D 視聴者のいずれかでマスクをクリックして種子を選択します。確認し、結果として地域が大きくなるし、気管のマスクがオブジェクトの一覧に表示されますを確認します。
- マスクの右に偵察ボタンをクリックし、3-D 気管、3次元ビューアーで再構築されます。
- 三次元再構成のためのマスクとして投資収益率を保存します。
3. 投資収益率の再構成
- 3 D モデルのサーフェス メッシュを計算する灰色値の補間アルゴリズムを採用します。表面にマスクの一番外側の画素を合わせて三角形を作る。
- STL ファイルとして 3-D モデルをエクスポートするのには [エクスポート] ボタンをクリックします。
- プラットフォームを構築の中心にモデルを配置します。プラットフォームを構築の Z 軸に平行にその先端の船の中心線の接線を合わせ、モデルを向き。サポートは、既定のパラメーターを使用してオーバー ハングする自動的に生成されました。
- スライスをクリックして |保存に 3-D 印刷の準備ができてファイルとして保存します。
4. 3次元印刷
- Stereolithographic 3次元プリンターで印刷を実行します。次のパラメーターを使用する: 1 mm、建物、512 × 512 ピクセルの解像度のスライス距離層厚さ 0.1 mm と 80 μ m のレーザー スポット径。
- 405 で紫外線を使用して、ソフトウェアによってスライスの輪郭をスキャンすることによって感光性樹脂を強化する nm。紫外光レーザー スピードは、3 m/s です。
注: デジタル 3-D モデルの 1 つのスライスに建てられた、プラットフォームを構築は次のスライスのために 0.1 ミリメートルを行った。物理モデルは、層によって建てられました。次の層は、前の層の上に形成されました。三次元の物理的なモデルは、この方法に層を建てられました。
5. 術前計画と 3 D プリント モデルを用いた術中のレビュー
- 、手術前に外科医の詳細な確認をして 3 D を学ぶことによって各患者の正確な手術計画印刷モデル。
- 、手術中に手術室に 3 D プリント モデルを配置し、看護師はそれらを保持しています。解剖学的詳細は、血管の場所と分離の間に外科医によって検討しました。
注: 憩室切除・再建大動脈の枝に、外科的治療が含まれています。含浸不織布ポリエステル チューブ移植は摘出大動脈1,2,3,9を置き換えるに適用されました。すべての患者は、手術後心臓外科集中治療室に送られました。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
CT 血管造影画像、デジタル モデリング、3次元印刷の買収は、すべての病院で行われました。2 時間は、3-D モデル CT 血管造影画像から 3次元印刷の準備に費やされました。ここで、手順と 3 D プリンターを使用して、医師に患者特有の 3 D 物理モデルをすぐに送信できるし、時間手術の判断が可能します。CT 血管造影検査データの取得から 3次元印刷までのワークフローは、図 1に示されました。(図 2 a) のコロナの平面、横断面 (図 2 b) と矢状面 (図 2)、血管造影 ct は 3次元モデル (図 2 D) に再建されました。大動脈と気管の解剖学的関係は、y 軸に沿って表示されていた (図 3 a-3 D)。
図 1.3-D モデルに CT 血管造影からワークフローこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2 。コロナの平面の CT 血管造影のデータの処理 (A)、(B) と矢状面の横面 (C)。(D) 再建の CT 血管造影のデータが得られました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.再建された 3-D 大動脈と気管のモデルはだったコロナの平面 (A) 横断面 (B)、(C) 矢状面の y 軸に沿って表示されます。(D) 再建の CT 血管造影のデータが得られました。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
大動脈奇形は、しばしば複雑な大動脈異常を示す心血管疾患のまれなスペクトルを構成します。MR、CT などの医用画像が必要な複雑な大動脈弓異常を明らかにする、異常分岐パターン、気管と食道との関係およびその他関連する病態。CT、MR 血管造影では、大動脈の血管の場所の 2 D 情報を提供できます。2 D 画像の 3次元デジタル復元、大動脈の血管の解剖学的関係をさらに定義できます。しかし、外科医のための現実的な解剖学的構造のクリアな視界を提供するのに十分です。Kommerell 憩室、まれな先天性大動脈異常変動とこの病気の1の複雑さのためのいくつかの外科医のために理解することは困難です。したがって、この病気の外科的管理を最適化する必要があります。
ここで説明したワークフローでは、診断画像データ、関心の領域の分割、デジタル 3次元モデルを構築する、3 D モデル、術前計画、術中の確認印刷に基づいて含まれています。CT は手術前に大動脈の異常の診断に一般的なイメージ投射様相です。サブミリ波、優れた空間分解能による CT、3次元印刷に使用されます。MR 画像をいくつかのケースで 3次元モデリングの使用もできますが、氏の空間分解能は CT データセット CT. ベースよりも一般的に低い、セグメンテーションは、患者特有のデジタル 3-D モデルに ROI の解剖学的情報を変換できます。DICOM データのソース、異常、およびソフトウェアとオペレーターの経験の複雑さが大きく画像の領域分割のために必要な時間を影響します。また、外科医も分割の手順で投資収益率の選択ガイドに必要です。したがって、外科医、放射線科医や技師を含むチームを満たす効率的なパフォーマンスのための手術の前に議論を持っています。迅速な診断と病院で印刷することができます患者、特に創発的郭清に苦しんだ人のための時間を節約や10を破裂します。したがって、病院での 3次元印刷ラボは効率的なワークフローの確立に必要です。
仲間との複雑な大動脈弁の異常、手術を実行するいくつかの経験を持っている外科医に通うのも、住民のプリントされた 3次元モデルは、複雑な異常を理解するためにされる可能性があります。3-D は貴重な教育およびトレーニング ツールの簡単印刷モデルは、実際の解剖学的標本へのアクセスし、学習曲線を平坦化を助けます。彼らは術前のカウンセリングの時に患者とその家族とのコミュニケーションのための効果的なツールとしても使えます。
物理のプリントされた 3-D モデルは外科医、異常を直感的に理解するために有用が、外科医モデルの計画の操作を練習することもできます。したがって、材料は自然の組織を模倣する 3 D 印刷で適用されるべき。総称して、プリントされた 3-D モデルは、表示し、患者の複雑な大動脈の解剖を理解することの直感的手段を提供します。それは、Kommerell 憩室のパーソナライズされた手術のプロセスを決定し、傷害の潜在的なリスクを減らすことができます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者が認める「広陳」プロジェクトは、上海市教育委員会、上海教育でサポートされて国家自然科学基金、中国の (第 81771971)、上海浦江プログラム (号 14PJD008 と 17PJ1401500) からの資金開発基金 (第 14 CG 06)、上海 (番 17411962800、17ZR1432900) および科学自然科学基金、上海自治体 (17JC1400200) の技術委員会。W. Z. 認める中国の 1000 若い才能プログラム、上海自治体 (若い東教授賞) および科学の教育委員会、国家自然科学基金、中国の (31501555、81772007、および 21734003) からの資金と上海市の技術委員会 (17JC1400200、16391903900)。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer | Meditool Enterprise Co., Ltd | For 3D printing | |
| Chaos Version 2.0 | Meditool Enterprise Co., Ltd | For 3D segmentation and reconstruction |
References
- 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. Single-stage hybrid repair of right aortic arch with Kommerell's Diverticulum. The Annals of Thoracic Surgery. 103 (4), e381-e384 (2017).
- Idrees, J., et al. Hybrid repair of Kommerell diverticulum. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (3), 973-976 (2014).
- Kankala, R. K., et al. Fabrication of arbitrary 3-D components in cardiac surgery: from macro-, micro- to nanoscale. Biofabrication. 9 (3), 032002 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
