Summary
Здесь мы представляем протокол три размерные печатных модели для предоперационного планирования и интраоперационная реорганизации сложных сосудистой мест при обработке Врожденная аномалия аорты.
Abstract
Сложных врожденных аномалий аорты включают в себя различные виды аномалий, которые могут быть клинически бессимптомно или с симптомы дыхательной или пищевода. Эти аномалии могут быть связаны с другими врожденными заболеваниями сердца. Это трудно определить точную анатомическую судно местоположение двухмерной визуализации данных, такие как компьютерная томография. Как метод аддитивного производства трехмерной (3-D) печати может тайных приобретенных визуализации данных в физической модели 3-D. Этот протокол описывает процедуру для моделирования объемной DICOM изображений в 3-D данных и печати это как анатомически реалистичные модели 3-D. С помощью этой модели, хирурги могут определить местоположение судна сложных аорты аномалий, что полезно для предоперационного планирования и интраоперационная руководство.
Introduction
Врожденные аномалии аорты являются чрезвычайно редких врожденных пороков развития системы аорты. Они могут быть диагностированы визуализации анализа или оценки сущностей как дисфагии или подключичной украсть1. В клинических ситуациях важно определить анатомические аномалии в ограниченном пространстве хирургические, которая имеет ограниченные визуализации во время хирургии2,3. В настоящее время обычные двумерные (2-D) плоскостное, такие как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), обычно представляются хирургов до операции. Однако это трудно для хирургов изображения аномалия, основанный на изображения 2-D. Следовательно они могут столкнуться непредсказуемым трудности при попытке отделить комплекс аорты судов во время операции. Непредсказуемых повреждений судна, трахеи и пищевода может произойти и привести к катастрофическим результатам.
В течение последнего десятилетия 3-D визуализации моделирования были использованы в кардиохирургии чтобы помочь хирургам понять сложные анатомические аномалии4,5,6,7. Трехмерной (3-D) технология печати может помочь преобразовать данные моделирования в физической модели. По сравнению с цифровой реконструкции, 3-D печатных физических моделей может представить лучшего понимания анатомические детали и обеспечивают интуитивно вид порока. Для хирургии аорты аномалия печатных интуитивный трехмерный модель важна потому, что плохое понимание аорты местах могут быть катастрофическими для пациентов. Во время операции любая ошибка может привести к непредсказуемым кровотечения и травмы. Используя печатные модели, хирурги могут полностью понять пространственные отношения аорты ветвей. Во время операции хирурги могут также выполнять в реальном времени обзор 3-D моделей, чтобы избежать путаницы комплекс сосудистой мест.
Здесь мы представляем протокол применять 3-D печатные модели для предоперационного планирования и интраоперационная руководства при работе с врожденными аорты. Kommerell в дивертикул, тип сложных врожденных аномалии аорты, был выбран в качестве тематического исследования. Шаги включают диагноз, основанный на компьютерная томография ангиография (КТА) изображений, секционирование регионы интереса, трехмерные модели, предоперационное планирование хирургических и интраоперационная обзора модели 3-D печатных8. Этот 3-D печати стратегии может существенно снизить риск непредсказуемым ткани травмы во время операции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Настоящее исследование был одобрен Комитетом по этике университета Фудань больницы Чжуншань (B2016-142R), и все участники дали их осознанного согласия.
1. Диагностика аорты аномалия симптомы и приобретение визуализации данных
- Выявление пациентов, которые имеют такие симптомы, как боль в груди, дисфагия или разность кровяного давления верхних конечностей в амбулаторной клинике. Исключают пациентов, которые могут быть нетерпим к операции.
- В этих больных для диагностики Kommerell в дивертикул8выполните КТ ангиография.
2. Сегментация областей интереса
- Импортируйте все изображения КТ ангиография в программное обеспечение в формате DICOM. Разрешение этих изображений была 512 × 512 пикселей, и толщина среза составила 1 мм.
- Дважды щелкните случай пациента от случае библиотеки и открыть его.
- Выберите серии DICOM и нажмите Модель Recon чтобы открыть модель Рекон страницу.
- У инженера и группа кардиохирургов обзора DICOM в формате необработанных данных для выявления ключевых анатомические особенности и область интересов (ROI).
- Используйте серый на основе значений порога для сегмента ROI.
- Нажмите на кнопку порог сегментации и отрегулируйте диапазон порога для сосудистой маски. По умолчанию диапазон составляет от 226 до 3071.
- Нажмите кнопку подтвердить для порога сегментации и сосудистой маска будет показывать в списке объектов. Нажмите кнопку Recon справа маски и 3-D сосудистой маска будет реконструирован и показан в средстве трехмерного просмотра.
- Нажмите на кнопку порог сегментации и отрегулируйте диапазон порога для маски трахеи. Нажмите кнопку сегментации бегущей строки для ограничения региона интерес для легких и средостения. По умолчанию диапазон — от-1024 до-520.
- Нажмите кнопку изменить маску и удалить связь между трахеи и легких.
- Нажмите на кнопку региона растут и выберите семян, щелкнув любую точку/пиксель на маску в любой из 2-D зрителей. Проверьте и подтвердите что региона растет, как результат, и что трахеи маска будет показывать в списке объектов.
- Нажмите кнопку Recon на право маски, и 3-D трахеи будет реконструирован в средстве трехмерного просмотра.
- Сохраните рентабельность инвестиций как маски для трехмерной реконструкции.
3. 3-D реконструкция ROI
- Принимает значение серого алгоритма интерполяции для вычисления поверхности сетки модели 3-D. Сделайте поверхность треугольника для соответствия outmost вокселей маски.
- Нажмите кнопку Экспорт для экспорта модели 3-D как файл STL.
- Место модель в центре здания платформы. Ориентируйте модель, совместив тангенс осевой линии судна на ее конечности быть параллельна оси Z строительства платформы. Поддерживает были автоматически создается для свесы, используя параметры по умолчанию.
- Щелкните срез | Сохранить , сохранить как файл, готовый для трехмерной печати.
4. 3-D печати
- Выполните stereolithographic печать с 3-D принтер. Используйте следующие параметры: ломтик расстоянии 1 мм, разрешение 512 × 512 пикселей, здание слоя толщиной 0,1 мм, а диаметр лазерного пятна 80 мкм.
- Использование ультрафиолетового света в 405 нм для упрочнения светочувствительной смолой путем сканирования контуры нарезанный программного обеспечения. Ультрафиолетового света лазерный скорость-3 м/сек.
Примечание: Когда один ломтик цифровой 3-D модель была построена, платформа здания пошел до 0,1 мм для следующего фрагмента. Физическая модель была построена слой за слоем. Следующий слой был сформирован поверх предыдущего слоя. 3-D физическая модель была построена слой за слоем, таким образом.
5. предоперационное планирование и интраоперационной обзора, с использованием модели 3-D печатных
- До операции у хирургов сделать подробные и точные хирургическое планы для каждого пациента, изучая 3-D печати моделей.
- Во время операции место печатных моделей 3-D в комнате, операции и у медсестры держат их. Анатомические детали были рассмотрены хирургов во время сосудистый местоположения и разделения.
Примечание: Хирургическое лечение входит резекция дивертикула и Реконструкция аортального ветвей. Пропитанные ткани полиэстер трубки трансплантата был применен для замены резецированный аорты1,2,3,9. Все пациенты были отправлены в кардиохирургии интенсивной терапии после операции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Приобретение КТ ангиография изображений, цифрового моделирования и 3-D печати были сделаны в больнице. Два часа были потрачены получить 3-D модель от изображения КТ ангиография готовы для трехмерной печати. Здесь с помощью процедуры и 3-D принтер, пациент конкретных 3-D физической модели могут быть отправлены врачей быстро и хирургическое решение может быть принято в времени. Рабочий процесс от сбора данных КТ ангиография 3-D печати был показан на рисунке 1. Корональные плоскости (рисунок 2A), поперечной плоскости (рис. 2B) и сагиттальной плоскости (рис. 2 c) КТ ангиография изображение было перестроено в 3-D модель (Рисунок 2D). Анатомические отношения между аорты и трахеи было показано по оси y (Рисунок 3А-3D).
Рис. 1. Рабочий процесс от КТ ангиография 3-D модели пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Обработка данных КТ ангиография в корональных плоскости (A), поперечной плоскости (B) и сагиттальной плоскости (C). (D реконструированный КТ ангиография данные были получены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рис. 3. Реконструированный 3-D модель аорты и трахеи был отображаются вдоль оси y в корональных плоскости (A), поперечной плоскости (B) и сагиттальной плоскости (C). (D реконструированный КТ ангиография данные были получены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Врожденные аномалии аорты составляют редкие спектр сердечно-сосудистых заболеваний, которые часто показывают комплекс аорты аномалий. Медицинских изображений, таких как КТ и MR, требуются для выяснения сложных аорты аномалии, ненормальное ветвления шаблон, их отношения с трахеи и пищевода и других связанных патологий. КТ и г-н ангиографии может предоставить информацию 2-D аорты судна мест. С 3-D цифровой реконструкции изображения 2-D анатомические взаимоотношения аорты судов может быть определено далее. Однако это не достаточно, чтобы обеспечить четкое представление о реалистичные анатомические структуры для хирургов. Kommerell в дивертикул, редких врожденных аорты аномалия, трудно понимать некоторые хирургов из-за изменчивости и сложности этой болезни1. Таким образом хирургическое лечение этой болезни должен быть оптимизирован.
Рабочий процесс описан здесь включает диагноз, основанный на визуализации данных, разделение областей интереса, построение цифровой 3-D моделей, печать модели 3-D, предоперационное планирование и интраоперационной обзора. КТ является общей визуализации механизм для диагностики аномалий аорты до операции. Благодаря своей субмиллиметровом и очень хорошо пространственным разрешением КТ обычно используется для трехмерной печати. Хотя изображения МРТ также может использоваться для 3-D моделирования в некоторых случаях, пространственное разрешение MR обычно ниже, чем у CT. основано на наборах данных КТ, сегментации может конвертировать анатомические информацию о рентабельности в цифровой 3-D модели конкретного пациента. Источник данных DICOM, сложность аномалия и опыта оператора с помощью программного обеспечения значительно может повлиять на время, необходимое для сегментации изображений. Кроме того хирурги также необходимо руководствоваться при выборе ROI в процедуре сегментации. Следовательно команда с участием хирургов, врачей-радиологов и инженеры встречаются, чтобы иметь обсуждение до операции для эффективного исполнения. Быстрая диагностика и печать в больницу можно сэкономить время для больных, особенно для тех, кто пострадал от возникающих рассечение или разрыв10. Таким образом в больнице 3-D печати лаборатории необходимо быть создан для эффективного рабочего процесса.
Для стипендиатов и жителей, даже для посещающих хирургов, которые имеют мало опыта для выполнения операции на сложных аорты аномалия печатных 3-D модель может использоваться для понимания сложных аномалий. Печатных модель, которую 3-D является ценным обучения и учебным пособием для легко доступ к фактическим анатомических образцов и помочь сгладить кривую обучения. Они могут также служить эффективным инструментом для общения с пациентами и их семей в ходе предварительного оперативного консультирования.
Хотя физическая печатных 3-D модель является полезным для хирургов интуитивно понять аномалия, это также может позволить хирургов практиковать планируемой операции на модели. Таким образом новые материалы должны применяться в 3-D печати для имитации натуральных тканей. Коллективно печатных 3-D модель обеспечивает интуитивный средства просмотра и понимания сложных аорты анатомии пациента. Это может помочь определить персонализированные хирургических процесс для Kommerell дивертикул и уменьшить потенциальный риск получения травмы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы признают, что финансирование из национальных естественных наук фонд Китая (№ 81771971), Шанхай Pujiang программы (№ 14PJD008 и 17PJ1401500), «Чэнь Гуан» проект поддержан Шанхай муниципальная Комиссия образования и образования Шанхай Фонд развития (№ 14 CG 06), естественных наук фонда Шанхая (№ 17411962800 и 17ZR1432900) и науки и техники Комиссия муниципалитета Шанхая (17JC1400200). W.Z. признает, финансирование из национального фонда Китая естественных наук (31501555 и 81772007 и 21734003), в Китае 1000 программа поддержки молодых талантов, образования Комиссии муниципалитета Шанхая (молодой Восточной профессора премии), и науки и Комиссия по технологии муниципалитета Шанхая (17JC1400200 и 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).
