Summary
Hier presenteren we een protocol voor het gebruik van drie dimensionale gedrukte modellen voor pre-operatieve planning en intraoperatieve reorganisatie van ingewikkelde vasculaire locaties bij de behandeling van een aangeboren aorta anomalie.
Abstract
Complexe aangeboren aorta anomalieën vallen diverse soorten misvormingen mogelijk klinisch asymptomatische of met ademhalings- of oesofageale symptomen aanwezig. Deze anomalieën kunnen gepaard gaan met andere congenitale hartziekten. Het is moeilijk om te bepalen van de locatie van de nauwkeurige anatomische vaartuig van tweedimensionale imaging gegevens, zoals computertomografie. Als een additief fabricagemethode, drie-dimensionale (3-D) afdrukken kunt covert de verworven imaging gegevens in 3D-fysische modellen. Dit protocol beschrijft de procedure voor de modellering van de volumetrische DICOM imaging in 3D-gegevens en af te drukken als een anatomisch realistische 3D-model. Met behulp van dit model, herkent chirurgen de locatie van het vaartuig van complexe aorta anomalieën, die u kan helpen voor de pre-operatieve planning en intra-operatieve begeleiding.
Introduction
Aangeboren aorta anomalieën zijn uiterst zeldzame aangeboren misvormingen van het systeem van de aortaboog. Zij kunnen worden gediagnosticeerd door imaging analyse of evaluatie van entiteiten zoals dysfagie of subclavian stelen1. In klinische scenario's is het belangrijk om te identificeren van de anatomische anomalie in de afgesloten chirurgische ruimte dat visualisatie tijdens de operatie2,3 beperkte heeft. Momenteel, conventionele vlakke tweedimensionale (2D) beeldvorming, zoals computertomografie (CT) en magnetic resonance imaging (MRI), meestal aan chirurgen vóór de operatie worden gepresenteerd. Het is echter moeilijk voor chirurgen om het imago van de anomalie op basis van de 2D-beeldvorming. Bijgevolg ze geconfronteerd kunnen worden met onvoorspelbare problemen terwijl het proberen om te scheiden van de complexe aorta schepen tijdens de operatie. Onvoorspelbare schade aan het schip, de luchtpijp en de slokdarm kan optreden en resulteren in rampzalige resultaten.
In het laatste decennium, is 3D-imaging modelleren in Cardiale Heelkunde gebruikt om te helpen begrijpen de complexe anatomische anomalie4,5,6,7chirurgen. Driedimensionale (3-D) printing technologie kan helpen de modellering gegevens omzetten in een fysieke maquette. Vergeleken met de digitale wederopbouw, kunnen 3D-gedrukte fysische modellen presenteren een beter begrip van de anatomische details en geven een intuitional blik op de misvormingen. Voor aorta anomalie chirurgie is de gedrukte intuitional 3D-model significant omdat slechte begrip van aorta locaties kan rampzalig aan patiënten. Tijdens de operatie, kan elke fout leiden tot onvoorspelbaar bloeden en schade. Met behulp van de afgedrukte modellen, begrijp chirurgen de ruimtelijke verhoudingen van aorta takken. Tijdens de chirurgie kunt de chirurgen ook real-time overzicht van de 3D-modellen om te voorkomen dat verwarring van de complexe vasculaire locaties.
Hier presenteren we een protocol toe te passen van 3D-gedrukte modellen voor pre-operatieve planning en intra-operatieve begeleiding terwijl omgaan met aangeboren aorta ziekten. Kommerell van diverticulum, een soort complexe aangeboren aorta anomalie, werd geselecteerd als een case study. De stappen zijn diagnose op basis van computertomografie angiografie (CTA) imaging, partitioneren van de regio's van belang, bouwt u 3D-modellen, preoperatieve chirurgische planning en intraoperatieve herziening van 3D-modellen van gedrukte8. Deze 3D-afdrukken strategie kan aanzienlijk het risico onvoorspelbaar weefsel schade tijdens de operatie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De huidige studie werd goedgekeurd door de ethische commissie van Zhongshan ziekenhuis Fudan Universiteit (B2016-142R) en alle deelnemers hun geïnformeerde toestemming gaf.
1. de diagnose van de aorta anomalie door symptomen en verwerving van Imaging gegevens
- Identificeren van patiënten die symptomen zoals pijn op de borst, dysfagie, of een verschil van de bloeddruk van de bovenste ledematen-MSA in ambulante kliniek. Patiënten die intolerant van de bewerking kunnen worden uitgesloten.
- CT-angiografie in deze patiënten te diagnosticeren van Kommerell diverticulum8uitvoeren.
2. segmentatie van regio's van belang
- Alle CT angiografie beelden in de software in een DICOM-indeling importeren. De resolutie van deze beelden was 512 × 512 pixels en de segment-dikte 1 mm.
- Tweemaal klikken het geduldige geval uit case bibliotheek en open het.
- Selecteer de DICOM-serie en klik op Model Recon model recon pagina wilt openen.
- Hebben van een ingenieur en een team van cardiale chirurgen herziening de DICOM-indeling onbewerkte gegevens ter identificatie van de belangrijkste anatomische eigenschappen en de regio van belang (ROI).
- Gebruik grijze waarde gebaseerde drempelmethode segmenten van de ROI.
- Klik op de knop drempel segmentatie en het bereik van de drempel voor het vasculaire masker aanpassen. Het standaardbereik is tussen 226-3071.
- Klik op de knop bevestigen voor drempel segmentatie en het vasculaire masker zal tonen in de lijst met objecten. Klik op de knop van de Recon vanaf de rechterkant van het masker en de 3D-vasculaire masker zal worden gereconstrueerd en weergegeven in de 3D-viewer.
- Klik op de knop drempel segmentatie en het bereik van de drempel voor de luchtpijp masker aanpassen. Klik op de knop Marquee segmentering beperken de regio van belang zijn voor het mediastinum en de longen. Het standaardbereik is tussen-1024 te-520.
- Klik op de knop masker bewerken en wissen van de verbinding tussen de luchtpijp en de longen.
- Klik op de regio Grow -knop en selecteer een zaad door te klikken op elke punt/pixel op het masker in een van de 2-D-kijkers. Controleer en bevestig dat de regio groeit als gevolg, en dat de luchtpijp masker zal tonen in de lijst met objecten.
- Klik op de Recon -knop aan de rechterkant van het masker en de 3D-luchtpijp zal worden gereconstrueerd in de 3D-viewer.
- Sla de ROI als maskers voor 3D-reconstructie.
3. 3D-reconstructie van de ROI
- Vast de grijswaarde interpolatie algoritme voor het berekenen van de oppervlakte maaswijdte van het 3D-model. Maak het oppervlak een driehoek aan de uiterste voxels van het masker.
- Klik op de knop exporteren om het 3D-model als een STL-bestand exporteren.
- Plaats het model in het midden van het gebouw-platform. Oriënteren het model door het uitlijnen van de tangens van de middellijn van het vaartuig aan de uiteinde moet evenwijdig aan de Z-as van het gebouw-platform. Ondersteunt automatisch zijn gegenereerd aan de basis van de standaardparameters overhangen.
- Klik op het segment | Opslaan op te slaan als een bestand klaar voor 3D-printen.
4. 3D-Printing
- Stereolithographic printen met een 3D-printer uitvoeren. Gebruik de volgende parameters: de afstand van een segment van 1 mm, een resolutie van 512 x 512 pixels, een gebouw laag dikte van 0,1 mm en een diameter laser spot van 80 μm.
- Gebruik van ultraviolet licht op 405 nm te verharden de lichtgevoelige hars door het scannen van de contouren gesneden door de software. De snelheid van ultraviolet licht laser is 3 m/s.
Opmerking: Wanneer een segment van de digitale 3D-model werd gebouwd, het gebouw platform ging 0.1 mm voor het volgende segment. Het fysieke model werd gebouwd laag voor laag. De volgende laag werd bovenop de vorige laag gevormd. De 3D-fysieke model werd gebouwd laag voor laag op deze manier.
5. preoperatieve Planning en intraoperatieve evaluatie met behulp van 3D-modellen van gedrukte
- Vóór de operatie, hebben chirurgen maken gedetailleerde en nauwkeurige chirurgische plannen voor elke patiënt door te leren van de 3-D modellen afgedrukt.
- Tijdens de operatie, plaatst u de 3D-gedrukte modellen in het operatiekwartier en hebben een verpleegkundige houd ze. De anatomische details werden beoordeeld door chirurgen tijdens de vasculaire locatie en scheiding.
Opmerking: De chirurgische behandeling inclusief resectie van diverticulum en de wederopbouw van de aorta takken. De geïmpregneerde geweven polyester buis prothese werd toegepast ter vervanging van de aorta gereseceerd1,2,3,9. Alle patiënten werden na de operatie naar Cardiale Heelkunde intensive care afdeling gestuurd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Verwerving van CT angiografie afbeeldingen, digitale modelleren en 3D-printen waren alles gebeurt in een ziekenhuis. Twee uren waren het 3D-model uit de afbeelding van CT angiografie om klaar te krijgen voor het 3D-printen. Met behulp van de procedure en de 3D-printer hier, een patiënt-specifieke 3D-fysieke model kan worden gestuurd naar artsen snel en de chirurgische besluit kan worden genomen in de tijd. De workflow van verwerving van CT angiografie gegevens tot 3D-printen is afgebeeld in Figuur 1. Uit de coronale vlak (figuur 2A) en het dwarsvlak (figuur 2B) het sagittale vlak (figuur 2C), werd de CT angiografie afbeelding gereconstrueerd in een 3D-model (figuur 2D). De anatomische relatie tussen de aorta en trachea werd weergegeven langs de y-as (figuur 3A-3D).
Figuur 1. Workflow van CT angiografie tot 3D-modellen Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2. Verwerking van CT angiografie gegevens in coronale vlak vlak (A), transversaal vlak (B) en Sagittaal (C). (D) de gereconstrueerde CT angiografie gegevens werd verkregen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3. Gereconstrueerde 3D-model van de aorta en luchtpijp werd weergegeven langs de y-as in de coronale vlak, sub a, dwarsvlak dat (B) en sagittale vlak (C). (D) de gereconstrueerde CT angiografie gegevens werd verkregen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Aangeboren aorta anomalieën omvatten een zeldzame spectrum van cardiovasculaire aandoeningen, waaruit vaak complexe aorta anomalieën. Medische beeldvorming, zoals CT en MR, zijn vereist voor het ophelderen van complexe aortaboog anomalieën, de abnormale vertakking patroon, hun relatie met de luchtpijp en de slokdarm, en andere geassocieerde pathologieën. Zowel de heer als de CT angiografie kan 2D-informeren van aorta vaartuig locaties. Met de 3D-digitale wederopbouw voor 2D-imaging, kan de anatomische relatie van de aorta vaartuigen verder worden gedefinieerd. Het is echter niet voldoende voor een duidelijke weergave van realistisch anatomische structuur voor chirurgen. Kommerell van diverticulum, een zeldzame congenitale anomalie aortaklep, is moeilijk te worden begrepen voor sommige chirurgen als gevolg van de variabiliteit en de complexiteit van deze ziekte1. Daarom, chirurgische beheer van deze ziekte moet worden geoptimaliseerd.
De hier beschreven workflow bevat diagnose op basis van imaging gegevens partitioneren van de regio's van belang, bouw van de digitale 3D-modellen, afdrukken van de 3D-modellen, preoperatieve planning en intraoperatieve herzien. CT is een gemeenschappelijk imaging modaliteit voor diagnose van aorta anomalieën voor de operatie. Vanwege de submillimeter en uitstekende ruimtelijke resolutie, wordt CT vaak gebruikt voor 3D-printen. Hoewel MIJNHEER beelden kunnen ook worden gebruikt voor 3D-modellering in sommige gevallen, de ruimtelijke resolutie van de heer is over het algemeen lager dan die van CT. Based op CT datasets, segmentatie de anatomische informatie van de ROI kunt converteren naar een patiënt-specifieke digitale 3D-model. De gegevensbron van de DICOM-, de complexiteit van de afwijking, en de exploitant ervaring met de software kan grote invloed hebben op de tijd die nodig is voor beeldsegmentatie. Bovendien zijn chirurgen ook nodig bij de keuze van de ROI van de segmentatie-procedure. Vandaar, een team van ingenieurs, chirurgen en radiologen ontmoeten om een discussie voor de operatie voor efficiënte prestaties. De snelle diagnose en in het ziekenhuis afdrukken kunnen tijd besparen voor patiënten, vooral voor degenen die lijden aan een opkomende dissectie of scheuren van10. Daarom is een 3D-afdrukken lab in het ziekenhuis moet worden voorzien in efficiënte workflow.
Voor fellows en bewoners, zelfs voor het bijwonen van chirurgen hebben weinig ervaringen op te voeren operatie complexe aorta anomalie, kan een afgedrukte 3D-model worden gebruikt om te helpen begrijpen van de complexe abnormaliteit. Een gedrukte model 3-D is een waardevol onderwijs en trainingstoestel voor gemakkelijk toegang tot werkelijke anatomische specimens en helpen het afvlakken van de leercurve. Ze kunnen ook dienen als een effectief instrument voor communicatie met patiënten en hun families tijdens de preoperatieve counseling.
Hoewel de fysieke gedrukte 3D-model handig voor chirurgen om te begrijpen van de anomalie intuïtief is, waardoor het ook chirurgen om de geplande operatie op het model van de praktijk. Daarom moeten nieuwe materialen worden toegepast in het 3D-printen om na te bootsen de natuurlijke weefsel. Collectief, biedt de afgedrukte 3D-model een intuitional middel bekijken en begrijpen van de patiënt complexe aorta anatomie. Het kan helpen een gepersonaliseerde chirurgische proces voor de Kommerell van diverticulum bepalen en het potentiële risico van verwonding te verminderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs erkennen financiering uit nationale Natural Science Foundation van China (nr. 81771971), Shanghai Pujiang programma (nr. 14PJD008 en 17PJ1401500), "Chen Guang" Project ondersteund door het gemeentelijk onderwijs Commissie Shanghai en Shanghai onderwijs Development Foundation (nr. 14 CG 06), Natural Science Foundation van Shanghai (nrs. 17411962800 en 17ZR1432900), en wetenschap en technologie Commissie van Shanghai gemeente (17JC1400200). W.Z. erkent financiering uit de nationale Natural Science Foundation van China (31501555 en 81772007, en 21734003), de China's 1000 jonge talenten programma, onderwijs Commissie van Shanghai gemeente (Young Oost-docentschap Award), en wetenschap en Commissie van de technologie van Shanghai gemeente (17JC1400200 en 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).
