Tre-dimensionelle udskrivning af en kompleks aorta anomali

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for at bruge tre dimensionelle trykte modeller til præoperativ planlægning og intra-operative reorganisering af komplicerede vaskulære steder, når du håndterer en medfødt aorta anomali.

Abstract

Komplekse medfødte aorta anomalier omfatter forskellige typer af misdannelser, der kan være klinisk asymptomatiske eller nuværende med respiratorisk eller esophageal symptomer. Disse uregelmæssigheder kan være forbundet med andre medfødte hjertesygdomme. Det er svært at identificere den præcise anatomiske fartøj placering fra to-dimensionelle billeddiagnostiske data, såsom computertomografi. Som et tilsætningsstof fremstillingsmetoden, tre-dimensionelle (3-D) udskrivning kan covert erhvervede billeddiagnostiske data til 3D-fysiske modeller. Denne protokol beskriver proceduren for modellering den volumetriske DICOM imaging i 3D-data og udskrive det som en anatomisk realistiske 3D-model. Brug af denne model, kan kirurger identificere fartøjet placeringen af komplekse aorta anomalier, som er nyttig til præoperativ planlægning og intra-operative vejledning.

Introduction

Medfødt aorta anomalier er ekstremt sjældne medfødte misdannelser af aortabuen system. De kan diagnosticeres ved imaging analyse eller evaluering af enheder som dysfagi eller subclavia stjæle¹. I kliniske situationer er det vigtigt at identificere den anatomiske anomali i det snævre kirurgiske rum, der har begrænset visualisering under kirurgi^2,3. I øjeblikket, konventionel planar todimensionale (2D) imaging, såsom computertomografi (CT) og magnetisk resonans imaging (MR), er normalt præsenteret for kirurger før operationen. Men det er vanskeligt for kirurger til at afbilde den anomali, baseret på 2D-billeddannelse. Derfor kunne de støder uforudsigelige vanskeligheder under forsøg på at adskille de komplekse aorta fartøjer under kirurgi. Uforudsigelige skade på fartøjet, luftrøret og spiserøret kan forekomme og resultere i katastrofale resultater.

I det sidste årti, er 3D-billedbehandling modellering blevet brugt i hjertekirurgi til at hjælpe kirurger forstå komplekse anatomiske anomali^4,5,6,7. Tre-dimensionel (3-D) printteknologi kan hjælpe med at konvertere modellering data i en fysisk model. Sammenlignet med den digitale genopbygning, kunne 3D-trykte fysiske modeller præsentere en bedre forståelse af de anatomiske detaljer og give en intuitional opfattelse af misdannelser. For aorta anomali kirurgi er den trykte intuitional 3D-model betydelig fordi dårlig forståelse af aorta steder kunne være katastrofalt at patienter. Under operationen, kan enhver fejl føre til uforudsigelige blødning og skade. Ved brug af trykte modeller, kan kirurger fuldt ud forstå de rumlige forhold af aorta grene. Under operationen, kan kirurgerne også udføre real-time anmeldelse af 3D-modeller til at undgå forveksling af de komplekse vaskulære steder.

Vi præsenterer her, en protokol for at anvende 3D-trykte modeller til præoperativ planlægning og intra-operative vejledning mens der beskæftiger sig med medfødt aorta sygdomme. Kommerells divertikel, en type af komplekse medfødte aorta anomali, blev valgt som case. Skridt omfatter diagnose baseret på computertomografi angiografi (CTA) imaging, partitionering regioner af interesse, bygning 3D-modeller, præoperativ kirurgisk planlægning og intra-operative gennemgang af 3D-trykte modeller⁸. Denne 3D-print strategi kunne betydeligt reducere risikoen for uforudsigelige vævsskade under operationen.

Protocol

Den foreliggende undersøgelse blev godkendt af den etiske komité i Zhongshan Hospital Fudan University (B2016-142R) og alle deltagere gav deres informerede samtykke.

1. diagnose af aorta anomali af symptomer og erhvervelse af Imaging Data

1. Identificere patienter, der har symptomer som smerter i brystet, dysfagi eller en blodtryk forskel på de øvre lemmer i ambulant klinik. Udelukke patienter, der kan være intolerante af operationen.
2. Udføre CT angiografi hos disse patienter til at diagnosticere Kommerells divertikel⁸.

2. segmentering af regioner af interesse

1. Importere alle CT angiografi billeder til software i DICOM-format. Opløsningen af disse billeder var 512 × 512 pixel, og skive tykkelse 1 mm.
   1. Dobbeltklik på den patient sag fra case bibliotek og åbne den.
   2. Vælg DICOM-serie og klik Model Recon for at åbne siden model recon.
2. Har en ingeniør og et team af cardiac kirurger anmeldelse af DICOM-formateret rå data for at identificere anatomiske nøglefunktioner og region af interesse (ROI).
3. Bruge grå værdibaseret tærskel for at segmentere ROI.
   1. Klik på knappen tærskel segmentering og justere området tærskel for den vaskulære maske. Standardområdet er mellem 226 til 3071.
   2. Klik på knappen Bekræft for tærskel segmentering og vaskulære masken vil vise på objektlisten. Klik på knappen Recon fra højre side af masken og 3D-vaskulære masken bliver rekonstrueret og vist i 3D-fremviseren.
   3. Klik på knappen tærskel segmentering og justere området tærskel til luftrør maske. Klik på knappen Marquee segmentering at begrænse region af interesse for mediastinum og lungerne. Standardområdet er mellem-1024 til-520.
   4. Klik på knappen Afmask redigere og slette forbindelsen mellem luftrøret og lungerne.
   5. Klik på knappen Region vokse og vælge en frø ved at klikke på ethvert punkt/pixel på masken i et 2D-seere. Kontrollere og bekræfte, at området vokser som resultat, og at luftrøret maske vil vise på objektlisten.
   6. Klik på knappen Recon på højre side af masken, og 3D-luftrøret vil blive rekonstrueret i 3D-fremviseren.
4. Gemme ROI som masker til 3D-genopbygning.

3. 3D-genopbygning af ROI

1. Vedtage grå værdi interpolation algoritme til at beregne overflade masken af 3D-modellen. Gøre overfladen en trekant til at matche den yderste voxels af masken.
2. Klik på knappen Eksporter for at eksportere 3D-modellen som en STL fil.
3. Placer modellen i midten af bygningen platform. Orientere modellen ved at tilpasse tangens til fartøj midterlinjen på sin ekstremitet at være parallel med Z akse af bygningen platform. Understøtter blev automatisk genereret til udhæng ved hjælp af standardparametre.
4. Klik på udsnittet | Gem til at gemme som en fil klar til 3D-udskrivning.

4. 3D-udskrivning

1. Udføre stereolithographic udskrivning med en 3D-printer. Brug følgende parametre: en skive afstand på 1 mm, en opløsning på 512 × 512 pixel, en bygning lag tykkelse på 0,1 mm, og en laser stedet diameter 80 μm.
2. Bruge ultraviolet lys ved 405 nm til at hærde den lysfølsomme harpiks af scanning konturerne skiver af softwaren. Ultraviolet lys laser hastighed er 3 m/s.
   Bemærk: Når en skive af den digitale 3D-model var bygget, bygning platform gik op 0,1 mm for den næste skive. Den fysiske model var bygget lag af lag. Det næste lag blev dannet ovenpå det foregående lag. Den 3D-fysisk model blev bygget lag af lag på denne måde.

5. præoperativ planlægning og intraoperativ anmeldelse ved hjælp af 3D-trykte modeller

1. Før operationen, har kirurger foretage detaljerede og nøjagtige kirurgisk planer for hver patient ved at lære 3-D udskrives modeller.
2. Under operationen, placere de 3-D trykte modeller i operation værelse og have en sygeplejerske, holde dem. De anatomiske detaljer blev gennemgået af kirurger under vaskulære placering og adskillelse.
   Bemærk: Den kirurgiske behandling indgår resektion af divertikel og genopbygning af aorta grene. Imprægnerede vævet polyester tube graft blev anvendt til at erstatte resektion aorta^1,2,3,9. Alle patienter blev sendt til hjertekirurgi intensivafdelingen efter operationen.

Representative Results

Erhvervelse af CT angiografi billeder, digitale modellering og 3D-udskrivning blev alle gjort på et hospital. To timer blev brugt for at få 3D-model fra CT angiografi billede klar til 3D-print. Ved hjælp af proceduren og 3D-printer her, en patient-specifikke 3D-fysisk model kan sendes til læger hurtigt og den kirurgiske beslutning kan træffes i tid. Arbejdsgang fra erhvervelse af CT angiografi data til 3D-udskrivning blev vist i figur 1. Fra den koronale fly (figur 2A), tværplan (figur 2B) og sagittale flyet (figur 2 c), blev CT angiografi billede ombygget til en 3D-model (figur 2D). Det anatomiske forhold mellem aorta og luftrør var vises langs y-aksen (figur 3A-3D).

Figur 1. Arbejdsgang fra CT angiografi til 3D-modeller venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. Behandling af CT angiografi data i koronale fly fly (A), tværgående fly (B) og sagittal (C). (D) den rekonstruerede CT angiografi data blev indhentet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3. Rekonstrueret 3D-aorta og luftrøret model var vises langs y-aksen i koronale fly (A), tværgående plan b og sagittale flyet (C). (D) den rekonstruerede CT angiografi data blev indhentet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Medfødt aorta anomalier omfatter en sjælden spektrum af hjerte-kar-sygdomme, som ofte vise komplekse aorta anomalier. Medicinsk billedbehandling, CT og MR, er forpligtet til at belyse komplekse aortabuen anomalier, den unormale forgrening mønster, deres forhold til luftrøret og spiserøret, og andre associerede patologier. Både CT og MR angiografi kan give 2-D oplysninger af aorta fartøj steder. Med 3D-digital genopbygning af 2-D imaging, kan de anatomiske forhold af aorta fartøjer defineres yderligere. Det er imidlertid ikke tilstrækkeligt til at give et klart overblik over realistiske anatomiske struktur for kirurger. Kommerells divertikel, en sjældne medfødte aorta anomali, er vanskeligt at forstå for nogle kirurger på grund af variation og kompleksitet af denne sygdom¹. Kirurgisk behandling af denne sygdom skal derfor optimeres.

Arbejdsgangen beskrives her omfatter diagnose baseret på imaging data, partitionering regioner af interesse, konstruere digital 3-D modeller, udskrivning 3D-modeller, præoperativ planlægning og intraoperativ gennemgang. CT er en fælles imaging modalitet for diagnosticeringen af aorta anomalier før operationen. På grund af dens submillimeter og fremragende rumlige opløsning, er CT almindeligt anvendt til 3D-udskrivning. Selv om hr. billeder kan også bruges til 3D-modellering i nogle tilfælde, den rumlige opløsning af hr. er generelt lavere end CT. Based på CT datasæt, segmentering kan konvertere de anatomiske oplysninger af ROI til en patient-specifik digital 3D-model. Kilde af DICOM-data, kompleksiteten af anomali, og operatøren erfaring med software kan stor indflydelse på den nødvendige tid til billedsegmentering. Derudover er kirurger også nødvendigt at guide valg af ROI i proceduren segmentering. Derfor et hold med deltagelse af kirurger, radiologer og ingeniører mødes for at have en diskussion før operation for effektiv ydeevne. Hurtig diagnose og på hospitalet udskrivning kan spare tid for patienter, især for dem, der led af en emergent dissektion eller ruptur¹⁰. En 3D-print lab på hospitalet er derfor nødvendigt at blive etableret for effektiv arbejdsproces.

For stipendiater og beboere, selv for deltager kirurger, der har nogle erfaringer at udføre kirurgi på komplekse aorta anomali, kunne en trykt 3D-modellen bruges til at hjælpe med at forstå den komplekse abnormitet. Trykte model 3-D er en værdifuld undervisning og uddannelse værktøj for nem adgang til faktiske anatomiske prøver og hjælpe flade indlæringskurven. De kan også fungere som et effektivt værktøj til kommunikation med patienter og deres familier under præoperativ rådgivning.

Selvom den fysiske trykte 3D-model er nyttigt for kirurger til at forstå anomali intuitivt, kan det også give mulighed for kirurger til at praktisere den planlagte operation på modellen. Nye materialer bør derfor anvendes i den 3D-udskrivning til at efterligne den naturlige væv. Kollektivt, giver de trykte 3D-modellen et intuitional middel til visning og forstå patientens komplekse aorta anatomi. Det kan hjælpe med at bestemme en personlig kirurgiske proces for Kommerells divertikel og reducere den potentielle risiko for skade.

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