Tredimensionella utskrift av en komplex aorta anomali

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att använda tre dimensionell tryckta modeller för preoperativ planering och intraoperativ omorganisation av komplicerade vaskulär platser vid hantering av en medfödd anomali i aorta.

Abstract

Komplexa medfödda aorta avvikelser inkluderar olika typer av missbildningar som kan vara kliniskt asymtomatiska eller närvarande med luftvägarna eller matstrupen symtom. Dessa avvikelser kan vara associerad med andra medfödda hjärtsjukdomar. Det är svårt att identifiera korrekt anatomisk fartyget platsen från tvådimensionell avbildning data, till exempel datortomografi. Som additiv tillverkning en metod kan tredimensionell (3-D) utskrift covert förvärvade imaging data in 3-D fysiska modeller. Det här protokollet beskriver förfarandet för modellering den volymetriska DICOM imaging i 3D-data och skriva ut den som en anatomiskt realistiska 3D-modell. Använda denna modell, kan kirurger identifiera fartyg var komplexa aorta anomalier, vilket är bra för preoperativ planering och intraoperativ vägledning.

Introduction

Medfödd aorta avvikelser är extremt sällsynta medfödda missbildningar av aortabågen systemet. De kan diagnostiseras genom imaging analys eller utvärdering av enheter som dysfagi eller subclavia stjäla¹. I kliniska situationer är det viktigt att identifiera den anatomiska anomalin i det trånga kirurgiska utrymmet som har begränsad visualisering under kirurgi^2,3. För närvarande presenteras vanligtvis konventionell planar tvådimensionell (2D) imaging, såsom datortomografi (CT) och magnetresonanstomografi (MRT), kirurger innan operationen. Det är dock svårt för kirurger till bild anomali baserat på 2-D bildtagning. Följaktligen kunde de möter oförutsägbara svårigheter samtidigt försöker separera komplexa aorta fartygen under operation. Oförutsägbara skada fartyg, luftstrupen och matstrupen kunde uppstå och leda till katastrofala resultat.

Under det senaste decenniet, har 3-D imaging modellering använts i hjärtkirurgi för att hjälpa kirurger förstå komplexa anatomiska anomali^4,5,6,7. Tredimensionell (3-D) tryckteknik kan hjälpa till att omvandla modellering data till en fysisk modell. Jämfört med den digital rekonstruktionen, kunde 3D-utskrivna fysiska modeller presentera en bättre förståelse av de anatomiska detaljerna och ger en intuitiva vy av missbildning. För aorta anomali kirurgi är tryckta intuitiva 3D-modellen betydande eftersom bristande förståelse av aorta platser kan bli katastrofala till patienter. Under operationen, kan något misstag leda till oförutsägbara blödning och skada. Med de tryckta modellerna, förstår kirurger fullt de rumsliga relationerna av aorta grenar. Under operationen, kan kirurger också utföra realtid granskning av de 3D-modellerna för att undvika förvirring av komplexa vaskulär platser.

Här presenterar vi ett protokoll för att tillämpa 3D-utskrivna modeller för preoperativ planering och intraoperativ vägledning medan behandlar medfödda bukaorta. Kommerells divertikel, en typ av komplexa medfödda aorta anomali, valdes som en fallstudie. Stegen omfattar diagnos baserad på datortomografi angiografi (CTA) imaging, partitionering regioner av intresse, bygga 3D-modeller, preoperativ kirurgisk planering och intraoperativ granska av 3D-utskrivna modeller⁸. Denna 3D-utskrift strategi kan avsevärt minska risken för oförutsägbara vävnadsskada under operationen.

Protocol

Föreliggande studie godkändes av den etiska kommittén av Zhongshan sjukhus Fudan University (B2016-142R) och alla deltagarna gav sitt samtycke.

1. diagnos av aorta anomali av symtom och förvärvet av Imaging Data

1. Identifiera patienter som har symtom som bröstsmärta, dysfagi eller blodtrycket skillnad i de övre extremiteterna i poliklinisk klinik. Utesluta patienter som kan vara intoleranta mot operationen.
2. Utföra CT angiografi hos dessa patienter att diagnostisera Kommerells divertikel⁸.

2. segmentering av regioner av intresse

1. Importera alla CT angiografi bilder till programvaran i en DICOM-format. Upplösningen av dessa bilder var 512 × 512 pixlar och slice tjocklek 1 mm.
   1. Dubbelklicka på patient fallet från mål bibliotek och öppna den.
   2. Välj DICOM-serien och klicka Modell Recon öppna modell recon sidan.
2. Har en ingenjör och ett team av hjärtkirurger granskning av DICOM-formaterade rådata för att identifiera viktiga anatomiska funktioner och regionen av intresse (ROI).
3. Använd grå värdebaserad tröskelvärde för att segmentera ROI.
   1. Klicka på knappen tröskel segmentering och justera tröskel mätområdet för vaskulär mask. Standardintervallet är mellan 226 till 3071.
   2. Klicka på knappen Bekräfta för tröskel segmentering och vaskulär masken visas i objektlistan. Klicka på knappen Recon från masken och 3D-vaskulär masken rätt kommer vara rekonstruerat och visas i 3D-visningen.
   3. Klicka på knappen tröskel segmentering och justera tröskel mätområdet för luftstrupen mask. Klicka på Marquee segmentering för att begränsa regionen av intresse för mediastinum och lungan. Standardintervallet är mellan-1024 till -520.
   4. Klicka på knappen Redigera Mask och radera anslutningen mellan luftstrupen och lungorna.
   5. Klicka på knappen Region växa och välj ett frö genom att klicka på någon punkt/pixel på masken i någon av 2-D tittarna. Kontrollera och bekräfta att regionen växer som resultat, och att luftstrupen masken kommer att visa i objektlistan.
   6. Klicka på knappen Recon till höger på masken, och 3D-luftstrupen kommer att rekonstrueras i 3D-visningen.
4. Spara ROI som masker för 3D-rekonstruktion.

3. 3D-rekonstruktion av ROI

1. Anta gråvärdet interpolation algoritm för att beräkna ytan mesh av 3D-modellen. Gör ytan en triangel att matcha den yttersta voxlar av masken.
2. Klicka på knappen Exportera för att exportera 3D-modellen som en STL-fil.
3. Placera modellen på mitten av byggnaden plattformen. Orientera modellen genom att justera tangens för fartyget mittlinjen vid dess ände vara parallell till Z-axeln av byggnaden plattformen. Stöder genererades automatiskt till överhäng med standardparametrar.
4. Klicka på segment | Spara för att spara som en fil som är redo för 3D-utskrift.

4. 3D-utskrift

1. Utföra stereolithographic utskrift med en 3D-skrivare. Använd följande parametrar: ett segment avstånd av 1 mm, en upplösning på 512 x 512 pixlar, en byggnad lager tjocklek 0,1 mm, och en laser plats diameter 80 μm.
2. Använda ultraviolett ljus vid 405 nm att härda den ljuskänsliga hartsen genom att skanna konturer skivad av programvaran. Ultraviolett ljus laser hastighet är 3 m/s.
   Obs: När en bit av den digitala 3D-modellen byggdes byggnaden plattformen gick upp 0,1 mm för nästa skiva. Den fysiska modellen byggdes lager för lager. Nästa lager bildades ovanpå föregående lager. Den 3D-fysiska modellen byggdes lager av lager på detta sätt.

5. preoperativ planering och intraoperativ granskning med hjälp av 3D-utskrivna modeller

1. Innan operationen, har kirurger gör detaljerade och korrekta kirurgiska planer för varje patient genom att lära 3-D tryckta modeller.
2. Under operationen, placera de 3D-utskrivna modellerna i operationssalen och har en sjuksköterska hålla dem. De anatomiska detaljerna har granskats av kirurger under vaskulär läge och separation.
   Obs: Kirurgisk behandling med resektion av divertikel och rekonstruktion av aorta grenar. Impregnerade vävd polyester tube graften tillämpades för att ersätta den opererande aorta^1,2,3,9. Alla patienter skickades till hjärtkirurgi intensivvårdsavdelning efter operation.

Representative Results

Förvärv av CT angiografi bilder, digital modellering och 3D-utskrift var gjort på ett sjukhus. Två timmar spenderades för att få 3D-modellen från CT angiografi bilden redo för 3D-utskrift. Med hjälp av förfarandet och 3D-skrivare här, en patientspecifik 3D-fysisk modell kan skickas till läkare snabbt och det kirurgiska beslutet kan göras i tid. Arbetsflödet från förvärvet av CT angiografi data till 3D-utskrift visades i figur 1. Från koronalt planet (figur 2A), tvärplanet (figur 2B) och sagittalplanet (figur 2 c) rekonstruerades CT angiografi bilden till en 3D-modell (figur 2D). Anatomiska relationen mellan stora kroppspulsådern och luftrör var visas längs y-axeln (figur 3A-3D).

Figur 1. Arbetsflöde från CT angiografi till 3-D modeller vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figur 2. Behandling av CT angiografi uppgifter i coronal plane plan (A), tvärgående plan b och sagittalt (C). (D) rekonstruerade CT angiografi data erhölls. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3. Rekonstruerade 3-D aorta och luftstrupen modell visades längs y-axeln i koronalt plan a, tvärgående plan b och sagittalplanet (C). (D) rekonstruerade CT angiografi data erhölls. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Medfödd aorta anomalier utgör ett sällsynt spektrum av hjärt-kärlsjukdomar, som visar ofta komplexa aorta anomalier. Medicinsk bildbehandling, såsom CT och MR, krävs att belysa komplexa aortabågen anomalier, den onormala förgrening mönster, deras förhållande till luftstrupen och matstrupen, och andra associerade sjukdomar. Både CT och MR angiografi kan ge 2-D information av aorta fartyget platser. Med 3D-digital rekonstruktion av 2D-imaging definieras anatomiska relationen av aorta fartyg ytterligare. Det är dock inte tillräcklig för att ge en tydlig bild av realistiska anatomiska struktur för kirurger. Kommerells divertikel, en sällsynt medfött pulsåderbråck anomali, är svårt att förstå för vissa kirurger beror på variationen och komplexiteten i denna sjukdom¹. Kirurgisk behandling av denna sjukdom måste därför optimeras.

Arbetsflödet beskrivs här innehåller diagnos baserad på imaging data partitionering regionerna av intresse, att bygga digitala 3D-modeller, skriva ut 3D-modeller, preoperativ planering och intraoperativ granska. CT är en gemensam bildgivande modalitet för diagnos av aorta anomalier före operation. På grund av dess submillimeter och utmärkta rumslig upplösning, är CT vanligen används för 3D-utskrift. Även herr bilder kan också användas för 3D-modellering i vissa fall, den rumsliga upplösningen i herr är generellt lägre än för CT. Based på CT datamängder, segmentering kan konvertera den anatomiska informationen av ROI till en patientspecifik digital 3D-modell. Källan av DICOM data, komplexitet anomali, och operatörens upplevelse med programvaran kan kraftigt påverka den tid som krävs för bild segmentering. Dessutom är kirurger också nödvändigt att styra valet av ROI i förfarandet för segmentering. Därför ett team där kirurger, radiologer och ingenjörer träffas för att ha en diskussion före operation för effektiv prestanda. Snabb diagnos och i sjukhus utskrift kan spara tid för patienter, särskilt för dem som drabbats av en framväxande dissektion eller brista¹⁰. En 3D-utskrift lab i sjukhus därför nödvändigt fastställas för effektivt arbetsflöde.

För karlar och invånare, även för att delta i kirurger som har några erfarenheter att operera på komplexa aorta anomali, skulle en tryckt 3D-modell kunna användas för att förstå den komplexa abnormitet. En tryckt modell 3-D är ett värdefullt undervisnings- och träningsredskap för lätt tillgång till faktiska anatomiska preparat och hjälpa platta inlärningskurvan. De kan också fungera som ett effektivt verktyg för kommunikation med patienter och deras familjer under den preoperativa rådgivning.

Även om den fysiska tryckta 3D-modellen är bra för kirurger att förstå anomali intuitivt, kan det också låta kirurger att öva den planerade åtgärden på modellen. Nya material bör därför tillämpas i utskriva 3d-för att efterlikna den naturliga vävnaden. Kollektivt, innebär tryckt 3D-modellen en intuitiva visning och förstå patientens komplexa aorta anatomi. Det kan hjälpa fastställa en personlig kirurgiska processen för den Kommerells divertikel och minska den potentiella risken för skada.

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