Summary
Qui, presentiamo un protocollo per utilizzare modelli stampati tridimensionali per la pianificazione preoperatoria e intraoperatoria riorganizzazione dei percorsi vascolari complicati quando si maneggia un'anomalia aortica congenita.
Abstract
Le anomalie aortiche congenite complesse includono diversi tipi di malformazioni che possono essere clinicamente asintomatici o presenti con i sintomi respiratori o esofagei. Queste anomalie possono essere associate con altre malattie di cuore congenite. È difficile identificare la posizione anatomica precisa nave da dati di imaging bidimensionale, come la tomografia computata. Come metodo di produzione additiva, stampa tridimensionale (3D) può convertire i dati di immagini acquisiti in modelli fisici 3D. Questo protocollo descrive la procedura per la modellazione il DICOM volumetrico di imaging in dati 3D e la stampa come un modello 3D anatomicamente realistico. Utilizzando questo modello, chirurghi possono identificare la posizione di nave di anomalie complesse aortiche, che è utile per la pianificazione pre-operatoria e di orientamento intra-operatoria.
Introduction
Anomalie congenite aortiche sono estremamente rare malformazioni congenite del sistema dell'arco aortico. Può essere diagnosticate mediante analisi di imaging o valutazione di entità come disfagia o subclavian rubi1. In scenari clinici, è importante individuare l'anomalia anatomica nello spazio chirurgico limitato che ha limitato la visualizzazione durante la chirurgia2,3. Attualmente, imaging planare convenzionale bidimensionale (2D), come la tomografia computata (CT) e formazione immagine a risonanza magnetica (MRI), solitamente vengono presentati ai chirurghi prima dell'intervento. Tuttavia, è difficile per i chirurghi all'immagine l'anomalia basato sull'imaging 2D. Di conseguenza, potrebbe incontrano difficoltà imprevedibili durante il tentativo di separare i complessi vasi aortici durante la chirurgia. Lesioni imprevedibili per la nave, la trachea e l'esofago potrebbero verificarsi e provocare esiti disastrosi.
Nell'ultimo decennio, modellazione 3D imaging è stato utilizzato in cardiochirurgia per aiutare i chirurghi all'anomalia anatomica complessa4,5,6,7. Tecnologia di stampa tridimensionale (3D) può aiutare a convertire i dati di modellazione in un modello fisico. Confrontato con la ricostruzione digitale, 3D stampati modelli fisici potrebbero presentare una migliore comprensione dei dettagli anatomici e fornire una visione intuitiva della malformazione. Per la chirurgia di anomalia aortica, stampato modello 3D intuizionale è significativo perché scarsa comprensione delle posizioni aortiche potrebbe essere disastroso per i pazienti. Durante l'intervento chirurgico, ogni errore potrebbe portare a sanguinamento imprevedibile e lesioni. Utilizzando i modelli stampati, chirurghi possono comprendere appieno le relazioni spaziali dei rami aortici. Durante l'intervento chirurgico, i chirurghi possono anche eseguire revisione in tempo reale dei modelli 3-d per evitare confusione dei percorsi vascolari complessi.
Qui, presentiamo un protocollo per applicare modelli 3D stampati per pianificazione pre-operatoria e di orientamento intra-operatoria mentre si occupano di malattie congenite aortiche. Diverticolo di Kommerell, un tipo di anomalia aortica congenita complessa, è stato selezionato come caso di studio. I passaggi includono diagnosi basata su angiografia di tomografia computata (CTA) imaging, partizionamento regioni di interesse, costruzione di modelli 3D, progettazione chirurgica preoperative ed esaminare intra-operatoria di modelli 3D stampato8. Questa strategia di stampa 3-d poteva ridurre sostanzialmente il rischio di lesione del tessuto imprevedibile durante l'intervento chirurgico.
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Protocol
Lo studio presente è stato approvato dal comitato etico dell'ospedale Zhongshan Fudan University (B2016-142R) e tutti i partecipanti hanno dato il loro consenso informato.
1. diagnosi dell'anomalia aortica sintomi e acquisizione di dati di Imaging
- Identificare i pazienti che hanno sintomi come dolore toracico, disfagia o una differenza di pressione sanguigna degli arti superiori nella clinica di paziente esterno. Escludere i pazienti che potrebbero essere intolleranti dell'operazione.
- Eseguire l'angiografia di CT in questi pazienti per la diagnosi di diverticolo di Kommerell8.
2. segmentazione delle regioni di interesse
- Importare tutte le immagini di angiografia di CT nel software in formato DICOM. La risoluzione di queste immagini era 512 × 512 pixel, e lo spessore della fetta era 1 mm.
- Fare doppio clic su caso paziente dalla libreria caso e aprirlo.
- Selezionare la serie di DICOM e fare clic su Modello Recon per aprire la pagina di ricognizione del modello.
- Sono un ingegnere e un team di chirurghi cardiaci recensione il DICOM formattata dati grezzi per identificare le principali caratteristiche anatomiche e regione di interesse (ROI).
- Utilizzare grigia basate sul valore soglia per segmentare il ROI.
- Fare clic sul pulsante di segmentazione di soglia e regolare l'intervallo di soglia per la maschera di vascolare. L'intervallo predefinito è tra 226 a 3071.
- Fare clic sul pulsante conferma per la segmentazione di soglia e la maschera vascolare mostrerà nell'elenco oggetto. Fare clic sul pulsante Recon da destra della maschera e la maschera vascolare 3D verranno ricostruiti e visualizzate nel Visualizzatore 3D.
- Fare clic sul pulsante di segmentazione di soglia e regolare l'intervallo di soglia per la maschera di trachea. Fare clic sul pulsante di segmentazione Marquee per limitare l'area di interesse per il polmone e del mediastino. L'intervallo predefinito è tra -1024 a-520.
- Fare clic sul pulsante maschera di modificare e cancellare la connessione tra la trachea e il polmone.
- Fare clic sul pulsante Grow regione e selezionare un seme facendo clic su qualsiasi punto/pixel alla maschera in uno dei visualizzatori 2D. Controllare e confermare che la regione cresce come risultato, e che la maschera di trachea mostrerà nell'elenco oggetto.
- Fare clic sul pulsante " Recon " sulla destra della maschera, e la trachea 3D sarà ricostruita nel Visualizzatore 3D.
- Salvare il ROI come maschere per ricostruzione 3D.
3. 3D ricostruzione del ROI
- Adotta l'algoritmo di interpolazione del valore di grigio per calcolare la superficie mesh del modello 3D. Rendere la superficie di un triangolo per abbinare i voxel più esterno della maschera.
- Fare clic sul pulsante Esporta per esportare il modello 3D come un file STL.
- Posizionare il modello sul centro della piattaforma di edificio. Orientare il modello allineando la tangente della linea di mezzeria nave alla sua estremità devono essere paralleli all'asse Z della piattaforma di edificio. Supporti sono stati generati automaticamente per gli strapiombi utilizzando i parametri predefiniti.
- Fare clic sulla fetta | Salva per salvare come un file pronto per la stampa 3D.
4. stampa 3-d
- Eseguire la stereolithographic stampa con una stampante 3D. Utilizzare i seguenti parametri: una fetta di distanza di 1 mm, una risoluzione di 512 × 512 pixel, un edificio di strato dello spessore di 0,1 mm e un diametro del punto laser di 80 μm.
- Utilizzare la luce ultravioletta a 405 nm per indurire la resina fotosensibile scansionando i contorni affettato dal software. La velocità di laser a luce ultravioletta è 3 m/s.
Nota: Quando è stata costruita una fetta del modello 3-d digitale, la piattaforma di edificio è andato fino a 0,1 mm per la sezione successiva. Il modello fisico è stato costruito a strati. Lo strato successivo è stato formato sopra lo strato precedente. Strato per strato, in questo modo, fu costruito il modello fisico 3D.
5. progettazione preoperative ed esame Intraoperative utilizzando modelli stampati in 3D
- Prima della chirurgia, avere chirurghi fare dettagliati e accurati piani chirurgici per ogni paziente imparando il 3-d stampato modelli.
- Durante l'intervento chirurgico, posizionare i 3D modelli stampati in sala operatoria e sono un'infermiera in possesso di loro. I dettagli anatomici sono stati esaminati dai chirurghi durante il percorso vascolare e la separazione.
Nota: Il trattamento chirurgico compreso resezione del diverticolo e ricostruzione dei rami aortici. L'innesto di poliestere tessuto impregnato del tubo è stato applicato per sostituire l'aorta resecato1,2,3,9. Tutti i pazienti sono stati inviati all'unità di cure intensive di cardiochirurgia dopo la chirurgia.
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Representative Results
Acquisizione di immagini di angiografia, modellazione digitale e stampa 3-d di CT erano tutti fatto in un ospedale. Due ore sono stati spesi per ottenere il modello 3D dall'immagine di angiografia di CT pronti per la stampa 3D. Utilizzando la procedura e la stampante 3D qui, un modello fisico 3D paziente-specifici possa essere inviato ai medici rapidamente e la decisione chirurgica può essere fatta in tempo. Il flusso di lavoro dall'acquisizione dei dati di angiografia di CT di stampa 3-d è stata indicata nella Figura 1. Da piano coronale (Figura 2A), il piano trasversale (Figura 2B) e sagittale (Figura 2), l'immagine di angiografia di CT è stato ricostruito in un modello 3D (Figura 2D). Il rapporto anatomico fra aorta e tracheale è stato visualizzato lungo l'asse y (Figura 3A-3D).
Figura 1. Flusso di lavoro da angiografia di CT ai modelli 3D Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Elaborazione dei dati di angiografia di CT nel piano coronale (A), trasversale aereo (B) e sagittale aereo (C). (D) i dati di angiografia di CT ricostruiti è stati ottenuti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Ricostruita modello 3D dell'aorta e della trachea è stato visualizzato lungo l'asse y nel piano coronale (A), piano trasversale (B) e sagittale (C). (D) i dati di angiografia di CT ricostruiti è stati ottenuti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Anomalie congenite aortiche comprendono un raro spettro di malattie cardiovascolari, che spesso mostrano anomalie complesse aortiche. Imaging per applicazioni mediche, quali il CT e MR, sono tenuti a delucidare anomalie complesse dell'arco aortico, l'anomala ramificazione pattern, il loro rapporto con la trachea e l'esofago e altre patologie collegate. L'angiografia di CT e il signor può fornire informazioni 2-D di posizioni vaso aortico. Con ricostruzione 3D digitale di formazione immagine 2-D, il rapporto anatomico dei vasi aortici può essere definito ulteriormente. Tuttavia, non è sufficiente a fornire una chiara visione della struttura anatomica realistico per i chirurghi. Diverticolo di Kommerell, un'anomalia aortica congenita rara, è difficile intendersi per alcuni chirurghi a causa della variabilità e della complessità di questa malattia1. Pertanto, l'amministrazione chirurgica di questa malattia deve essere ottimizzato.
Il flusso di lavoro descritto qui comprende diagnosi basata sui dati di imaging, partizionamento delle regioni di interesse, costruzione di modelli 3-d digitale, stampa di modelli 3D, progettazione preoperative ed esame intraoperatorio. CT è una comune modalità di imaging per la diagnosi di anomalie aortiche prima della chirurgia. Grazie alla sua submillimeter e ottima risoluzione spaziale, CT è comunemente usato per la stampa 3D. Anche se immagini MR possono essere utilizzati anche per la modellazione 3D in alcuni casi, la risoluzione spaziale del signor è generalmente inferiore a quello del CT. Based su DataSet di CT, segmentazione può convertire le informazioni anatomiche del ROI in un modello 3-d digitale specifico per ogni paziente. L'origine dei dati DICOM, la complessità dell'anomalia e l'esperienza di operatore con il software può influenzare notevolmente il tempo necessario per la segmentazione di immagini. Inoltre, i chirurghi sono necessari per guidare la scelta del ROI nella procedura di segmentazione. Quindi, un team di chirurghi, radiologi e ingegneri si incontrano per avere una discussione prima della chirurgia per prestazioni efficienti. La diagnosi rapida e la stampa in ospedale possono risparmiare tempo per i pazienti, soprattutto per coloro che hanno sofferto da una dissezione emergente o rottura10. Pertanto, un laboratorio di stampa 3-d in ospedale è necessario di essere stabilito per flusso di lavoro efficiente.
Per borsisti e residenti, anche per frequentare i chirurghi che hanno poche esperienze per eseguire un intervento chirurgico su anomalia aortica complessa, un modello 3D stampato potrebbe essere utilizzato per aiutare a capire l'anomalia complessa. Un modello stampato 3-d è un insegnamento prezioso e strumento di formazione per facile accesso effettivi preparati anatomici e aiutare appiattire la curva di apprendimento. Possono servire anche come un efficace strumento per la comunicazione con i pazienti e le loro famiglie durante il pre-operatorio di consulenza.
Anche se il modello 3D stampato fisico è utile per i medici a capire l'anomalia in modo intuitivo, potrebbe anche consentire ai chirurghi di praticare l'operazione pianificata sul modello. Di conseguenza, nuovi materiali devono essere applicati nella stampa 3D per simulare il tessuto naturale. Collettivamente, il modello 3D stampato fornisce un mezzo intuizionistica di visualizzazione e la comprensione complessa anatomia aortica del paziente. Essa può aiutare a determinare un processo chirurgico personalizzato per diverticolo di Kommerell e ridurre il rischio potenziale di lesioni.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Gli autori riconoscono finanziamenti dalla National Natural Science Foundation of China (No. 81771971), Shanghai Pujiang programma (n. 14PJD008 e 17PJ1401500), "Chen Guang" progetto sostenuto dalla Commissione istruzione comunale di Shanghai e Shanghai istruzione Fondazione per lo sviluppo (n. 14 CG 06), Fondazione di scienze naturali di Shanghai (nn. 17411962800 e 17ZR1432900) e la scienza e tecnologia della Commissione della municipalità di Shanghai (17JC1400200). W.Z. riconosce finanziamenti dalla National Foundation Natural Science of China (31501555 e 81772007 e 21734003), programma della Cina 1000 giovani talenti, Commissione per l'educazione della municipalità di Shanghai (Young orientale cattedra Award) e della scienza e Tecnologia della Commissione della municipalità di Shanghai (17JC1400200 e 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).
