Summary
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.
Abstract
Komplexe angeborene Aortenstenose Anomalien gehören verschiedene Arten von Fehlbildungen, die klinisch asymptomatisch oder Gegenwart mit Atem- oder Speiseröhrenkrebs Symptome sein können. Diese Anomalien können mit anderen angeborenen Herzerkrankungen in Verbindung gebracht werden. Es ist schwer, die genaue anatomische Gefäß Position von zweidimensionalen Bilddaten wie Computertomographie zu identifizieren. Als additive Fertigungsmethode dreidimensionale (3D) drucken können die gewonnenen Bilddaten in physischen 3D-Modellen. Dieses Protokoll beschreibt das Verfahren zur Modellierung der volumetrischen DICOM imaging in 3-d-Daten und drucken es als eine anatomisch realistischen 3D-Modell. Mit diesem Modell können Chirurgen identifizieren Schiff des komplexen Aorten Anomalien ist hilfreich für die präoperative Planung und intra-operative Führung.
Introduction
Angeborene Aortenstenose Anomalien sind extrem seltene angeborene Fehlbildungen des Systems der Aortenbogen. Sie können diagnostiziert werden, entweder durch bildgebende Analyse oder durch Auswertung von Entitäten wie Dysphagie oder subclavia stehlen1. In klinischen Szenarien ist es wichtig, die anatomische Anomalie in der chirurgischen beengten zu identifizieren, die Visualisierung während der Operation2,3begrenzt ist. Derzeit werden konventionelle planaren zweidimensionalen (2D) Bildgebung, wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT), in der Regel Chirurgen vor der Operation vorgestellt. Es ist jedoch schwierig für Chirurgen, die Anomalie, basierend auf der 2-D-Bildgebung Bild. Infolgedessen könnte sie unvorhersehbare Schwierigkeiten bei dem Versuch, die komplexen aortalen Gefäße während der Operation zu trennen. Unvorhersehbare Schädigung des Schiffes, die Luftröhre und die Speiseröhre könnte auftreten und katastrophale Folgen führen.
In den letzten zehn Jahren wurde bildgebenden 3-d-Modellierung in der Herzchirurgie zur Chirurgen die komplexe anatomische Anomalie4,5,6,7verstehen helfen. Dreidimensionale (3D) Drucktechnik kann helfen, die Modellierungsdaten in ein physikalisches Modell umzuwandeln. Im Vergleich mit der digitalen Rekonstruktion, könnte gedruckte physischen 3D-Modellen vorstellen, ein besseres Verständnis für die anatomischen Details und bieten eine intuitive Sicht der Fehlbildung. Für Aorten-Anomalie Chirurgie ist die gedruckte intuitive 3D-Modell wichtig, weil schlechtes Verständnis der Aorta Standorte katastrophal für die Patienten sein könnte. Während der Operation kann jeder Fehler zu unvorhersehbaren Blutungen und Verletzungen führen. Mithilfe der gedruckten Modelle, können Chirurgen die räumlichen Beziehungen der aortalen Äste verstehen. Während der Operation können die Chirurgen auch Echtzeit-Überprüfung der 3-d-Modelle um Verwechslungen der komplexen vaskulären Standorte durchführen.
Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll um gedruckte 3D-Modelle für die präoperative Planung und intra-operative Führung beim Umgang mit angeborene Aortenerkrankungen anzuwenden. Kommerell Divertikel, eine Art von komplexen angeborenen Aortenstenose Anomalie, wurde als eine Fallstudie ausgewählt. Die Schritte umfassen Diagnose anhand der CT-Angiographie (CTA) imaging, Partitionierung Regionen von Interesse, 3D-Modelle, präoperative chirurgische Planung und intraoperative Überprüfung der gedruckte 3D-Modelle8zu bauen. Diese 3-d-Druck Strategie könnte die Verletzungsgefahr der unvorhersehbaren Gewebe während der Operation erheblich.
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Protocol
Die vorliegende Studie wurde von der Ethikkommission der Zhongshan Krankenhaus Fudan-Universität (B2016-142R) genehmigt und alle Teilnehmer gaben ihre Einwilligung.
1. Diagnose der Aorta Anomalie durch Symptome und Übernahme von Bilddaten
- Patienten mit Symptomen wie Schmerzen in der Brust, Dysphagie oder einen Blutdruck-Unterschied der oberen Gliedmaßen in ambulanten Klinik zu identifizieren. Schließen Sie Patienten aus, die möglicherweise intolerant gegenüber den Betrieb.
- Durchführen Sie CT-Angiographie bei diesen Patienten zur diagnose von Kommerells Divertikel8.
2. Aufteilung der Regionen von Interesse
- Importieren Sie die CT-Angiographie-Bilder in die Software im DICOM-Format. Die Auflösung dieser Bilder war 512 × 512 Pixel und die Scheibendicke 1 mm.
- Patientenfall aus Fall Bibliothek Doppelklick und öffnen Sie es.
- Wählen Sie die DICOM-Serie, und klicken Sie auf Modell Recon Recon Modellseite öffnen.
- Haben einen Ingenieur und ein Team von Herzchirurgen Überprüfung der DICOM formatiert raw-Daten um anatomische Hauptmerkmale und Region of Interest (ROI) zu identifizieren.
- Verwenden Sie graue wertorientierten Schnittstellenüberwachung, um den ROI zu segmentieren.
- Klicken Sie auf die Schwelle Segmentierung und passen Sie den Grenzbereich für die vaskuläre Maske. Der Standardbereich ist zwischen 226, 3071.
- Klicken Sie auf bestätigen , für die Schwelle Segmentierung und die vaskuläre Maske wird in der Objektliste angezeigt. Klicken Sie auf Schaltfläche " Recon " von der rechten Seite der Maske und die 3-d-vaskuläre Maske wird rekonstruiert und in 3-d-Viewer angezeigt.
- Klicken Sie auf die Schwelle Segmentierung und passen Sie den Grenzbereich für die Luftröhre Maske. Klicken Sie Festzelt Segmentierung die Region von Interesse für das Mediastinum und der Lunge zu begrenzen. Der Standardbereich ist zwischen-1024 zu-520.
- Klicken Sie auf die Taste " Maske Bearbeiten ", und löschen Sie die Verbindung zwischen der Luftröhre und der Lunge.
- Klicken Sie auf die Region wachsen und wählen Sie einen Samen, indem jedem Punkt/Pixel an der Maske in einer 2-D-Viewer. Überprüfen Sie und bestätigen Sie, dass die Region als Ergebnis wächst und die Luftröhre Maske in der Objektliste angezeigt werden.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche " Recon " auf der rechten Seite der Maske und die 3-d-Luftröhre wird im 3-d-Viewer rekonstruiert werden.
- Speichern Sie den ROI als Masken für 3-d-Rekonstruktion.
(3) 3-d-Rekonstruktion des ROI
- Verabschieden Sie den Grauwert-Interpolation-Algorithmus, um das Flächennetz des 3D-Modells berechnen. Machen Sie die Oberfläche eines Dreiecks die äußerste Voxel der Maske übereinstimmen.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche exportieren , um die 3-d-Modell als STL-Datei zu exportieren.
- Stellen Sie das Modell in der Mitte des Gebäudes-Plattform. Richten Sie das Modell durch eine Angleichung der Tangens der Mittellinie an ihrem Ende parallel zur Z-Achse von der Bauplattform sein Schiff. Unterstützt wurden, die Überhänge mit den Standardparametern automatisch generiert.
- Klicken Sie auf die Scheibe | Speichern , speichern Sie als eine Datei bereit für den 3D-Druck.
(4) 3-d-Druck
- Führen Sie KÖRAFORM Drucken mit einem 3-d-Drucker. Verwenden Sie die folgenden Parameter: ein Stück Abstand von 1 mm, einer Auflösung von 512 × 512 Pixel, ein Gebäude Schicht Dicke von 0,1 mm und eine Laser-spot-Durchmesser von 80 μm.
- Verwenden Sie UV-Licht bei 405 nm auf das lichtempfindliche Harz Härten durch Scannen der Konturen geschnitten von der Software. Die UV-Licht-Laser-Geschwindigkeit ist 3 m/s.
Hinweis: Wenn eine Scheibe des digitalen 3-d-Modells gebaut wurde, ging die Bauplattform bis 0,1 mm für den nächsten Schnitt. Das physikalische Modell war Schicht für Schicht aufgebaut. Die nächste Schicht wurde am Anfang der vorherigen Schicht gebildet. Das 3-d-Modell wurde Schicht für Schicht auf diese Weise gebaut.
5. präoperative Planung und Intraoperative Überprüfung mit gedruckten 3D-Modelle
- Vor der Operation haben Chirurgen detaillierte und genaue operative Pläne für jeden Patienten durch das Erlernen der 3-d Modelle gedruckt.
- Während der Operation die gedruckte 3D-Modelle im OP-Saal und eine Krankenschwester, die sie zu halten. Die anatomischen Details wurden von den Chirurgen während der vaskulären Lage und Trennung überprüft.
Hinweis: Die chirurgische Behandlung inklusive der Divertikel Resektion und Rekonstruktion der Aortenklappe Zweigen. Die imprägnierten gewebte Polyester Rohr-Prothese wurde angewandt, um die resezierten Aorta1,2,3,9ersetzen. Alle Patienten wurden nach der Operation nach herzchirurgischen Intensivstation geschickt.
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Representative Results
Erwerb der CT-Angiographie-Bilder, digitale Modellierung und 3D-Druck erfolgten alle in einem Krankenhaus. Zwei Stunden wurden ausgegeben, um das 3-d-Modell aus der CT-Angiographie-Bild für den 3D-Druck bereit. Mit den Verfahren und den 3-d-Drucker hier, ein Patienten-spezifischen physischen 3D-Modell kann Ärzte schnell gesendet werden und die chirurgische Entscheidung rechtzeitig erzielt werden. Der Workflow vom Erwerb der CT-Angiographie-Daten zum 3-d-Druck wurde in Abbildung 1dargestellt. Aus der koronalen Ebene (Abbildung 2A), der Querebene (Abb. 2 b) und der Sagittalebene (Abbildung 2) wurde der CT-Angiographie-Bild in ein 3D-Modell (Abb. 2D) umgebaut. Die anatomische Beziehung zwischen Aorta und trachealen wurde entlang der Y-Achse angezeigt (Abbildung 3A-3D).
Abbildung 1. Workflow von der CT-Angiographie auf 3D-Modelle Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2. Verarbeitung von CT-Angiographie-Daten im koronalen Flugzeug Flugzeug (A), transversalen Ebene (B) und sagittale (C). (D) die rekonstruierten CT-Angiographie-Daten wurden ermittelt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3. Rekonstruierte Aorta und Luftröhre 3D-Modell wurde entlang der Y-Achse im koronalen Ebene (A), Querebene (B) und Sagittalebene (C) angezeigt. (D) die rekonstruierten CT-Angiographie-Daten wurden ermittelt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Angeborene Aortenstenose Anomalien umfassen ein seltenes Spektrum an Herz-Kreislauf-Krankheiten, die oft komplexen Aorten Anomalien zeigen. Medizinische Bildgebung, wie CT und MRT, sind erforderlich, um komplexe Aortenbogen Anomalien zu erhellen, die abnorme Verzweigung Muster, ihre Beziehung mit der Luftröhre und der Speiseröhre und anderen verbundenen Pathologien. CT- und MR-Angiographie kann 2D Aorten Schiff Standorte informieren. Mit 3-d-digitale Rekonstruktion der 2-D-Bildgebung kann die anatomische Beziehung der aortalen Gefäße weiter definiert werden. Es ist jedoch nicht ausreicht, um einen klaren Überblick über realistische anatomische Struktur für den Chirurgen. Kommerell Divertikel, eine seltene angeborene Aortenstenose Anomalie ist schwierig, für einige Chirurgen aufgrund der Variabilität und Komplexität dieser Krankheit1verstanden werden. Chirurgische Behandlung dieser Krankheit muss deshalb optimiert werden.
Die hier beschriebene Workflow umfasst Diagnose basierend auf Bilddaten, Partitionierung der Regionen von Interesse, digitale 3D-Modelle erstellen, drucken die 3D-Modelle, präoperative Planung und intraoperative Überprüfung. CT ist eine gemeinsame bildgebende Modalität für die Diagnose der Aorta Anomalien vor der Operation. Aufgrund seiner Submillimeter und hervorragende räumliche Auflösung ist CT für den 3D-Druck verbreitet. Obwohl MRT-Bilder können auch für 3-d-Modellierung in einigen Fällen verwendet werden, die räumliche Auflösung der Herr ist in der Regel niedriger als die der CT-Based auf CT-Datasets, Segmentierung der anatomischen Informationen des ROI in ein Patienten-spezifischen digitalen 3D-Modell umwandeln kann. Die Quelle von DICOM-Daten, die Komplexität der Anomalie und die Erfahrungen mit der Software kann der Zeitaufwand für Bild Segmentierung stark beeinflussen. Darüber hinaus sind Chirurgen auch notwendig, um die Wahl des ROI in der Segmentierung Prozedur führen. Daher ein Team von Chirurgen, Radiologen und Ingenieure zusammen, um eine Diskussion vor der Operation für effiziente Leistung zu haben. Die rasche Diagnose und im Krankenhaus drucken können sparen Sie Zeit für die Patienten, vor allem für diejenigen, die eine emergente Dissektion litt oder Bruch10. Daher ist eine 3-d-Druck Labor im Krankenhaus notwendig für effizienten Workflow geschaffen werden.
Für Stipendiaten und Bewohner, auch für die Teilnahme an Chirurgen, die nur wenige Erfahrungen zu operieren auf komplexe Aorten Anomalie haben könnte gedruckte 3D-Modelle verwendet werden, um die komplexen Anomalie zu verstehen. Eine gedruckte Modell ist 3-d eine wertvolle Lehr- und Trainingsgerät für einfache Zugang zu tatsächlichen anatomische Präparate und helfen, die Lernkurve zu glätten. Sie können auch als ein wirksames Instrument für die Kommunikation mit Patienten und ihren Familien während der präoperativen Beratung dienen.
Obwohl das physikalische gedruckte 3-d-Modell hilfreich für Chirurgen, die Anomalie intuitiv zu verstehen ist, könnte es auch Chirurgen, die geplante Operation am Modell üben ermöglichen. Neuartige Materialien sollte daher in den 3D-Druck, imitieren die natürliche Gewebe angewendet werden. Das gedruckte 3-d-Modell ermöglicht Kollektiv, eine intuitiv anzeigen und das Verständnis der Anatomie des Patienten komplexe Aorten. Es kann helfen, bestimmen Sie eine personalisierte chirurgische Verfahren für die Kommerell Divertikel und reduzieren die mögliche Verletzungsgefahr.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen Finanzierung von National Natural Science Foundation of China (Nr. 81771971), Shanghai Pujiang Programm (Nr. 14PJD008 und 17PJ1401500), "Chen Guang" Projekt unterstützt durch Shanghai Bildung und Shanghai Municipal Education Commission Stiftung für Entwicklung (Nr. 14 CG 06), Natural Science Foundation von Shanghai (Nr. 17411962800 und 17ZR1432900), und Wissenschaft und Technik-Kommission der Shanghai Municipality (17JC1400200). W.Z. räumt ein Mittel aus der National Natural Science Foundation of China (31501555 und 81772007 und 21734003), die China 1000 junge Talente-Programm, Education Commission von Shanghai Municipality (Young östlichen Professur Award) und Wissenschaft und Technik-Kommission der Shanghai Municipality (17JC1400200 und 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
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