Summary
Her presenterer vi en protokoll for å bruke tre-dimensjonale trykte modeller for preoperativ planlegging og intra operative omorganisering av kompliserte vaskulær steder ved håndtering av en medfødt aorta avvik.
Abstract
Komplekse medfødt aorta avvik omfatter ulike typer misdannelser som er klinisk asymptomatisk eller med luftveiene eller esophageal symptomer. Disse anomalier kan knyttes til andre medfødte hjertesykdommer. Det er vanskelig å identifisere hvor nøyaktig anatomiske fartøy fra todimensjonal bildebehandling data, for eksempel beregnede tomografi. Som en additiv produksjon metoden, tredimensjonale (3D) utskrift kan covert ervervet imaging dataene inn 3D fysiske modeller. Denne protokollen beskriver fremgangsmåten for modellering av volumetriske DICOM imaging 3D data og skrive det som en anatomisk realistisk 3D modell. Bruker denne modellen, kan kirurger identifisere hvor fartøyet komplekse aorta anomali, noe som er nyttig for preoperativ planlegging og intra operative veiledning.
Introduction
Medfødt aorta anomalier er svært sjeldne medfødte misdannelser av aortabuen. De kan diagnostiseres ved imaging analyse eller evaluering av enheter som dysfagi eller subclavia stjele1. I kliniske scenarier er det viktig å identifisere de anatomiske avviket i trange kirurgisk plassen som har begrenset visualisering under kirurgi2,3. Foreløpig presenteres vanligvis konvensjonelle planar todimensjonal (2D) bildebehandling, som beregnet tomografi (CT) og magnetisk resonans imaging (MRI), for kirurger før operasjonen. Det er imidlertid vanskelig for kirurger å image anomali basert på 2D-avbilding. Følgelig kunne de møte uforutsette problemer under forsøk på å skille komplekse aorta fartøyene under operasjonen. Uforutsigbare skade på fartøyet og luftrøret, spiserøret kan oppstå og føre til katastrofale resultater.
I det siste tiåret, har 3-D tenkelig modellering vært brukt i kirurgi å kirurger forstå komplekse anatomiske avvik4,5,6,7. Tredimensjonale (3D) trykking teknologien kan hjelpe konvertere modellering dataene til en fysisk modell. Sammenlignet med digitalt gjenoppbygging, kan 3D trykt fysiske modeller presentere en bedre forståelse av de anatomiske detaljene og gi en intuitional visning av misdannelse. For aorta anomali kirurgi er trykte intuitional 3D modellen betydelig fordi dårlig forståelse av aorta steder kan være katastrofalt for pasienter. Under operasjonen, kan eventuelle feil føre til uforutsigbar blødning og skade. Bruker den utskrevne modeller, kan kirurger fullt ut forstå de romlige forholdene av aorta. Under operasjonen, kan kirurgene også utføre sanntid gjennomgang av det 3-D modeller for å unngå forvirring av komplekse vaskulær plasseringer.
Her presenterer vi en protokoll for å bruke 3D trykt modeller for preoperativ planlegging og intra operative veiledning samtidig håndtere medfødt aorta sykdommer. Kommerells divertikkel, en slags komplekse medfødt aorta anomali, ble valgt som en casestudie. Trinnene inkluderer diagnose basert på beregnet tomografi angiography (CTA) imaging, partisjonering regioner av interesse, bygge 3-D modeller, preoperativ kirurgisk planlegging og intra operative gjennomgang av 3-D trykte modeller8. Denne 3D utskrift strategien kan vesentlig redusere risikoen for uforutsigbar vev skade under operasjonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Studien ble godkjent av den etiske komiteen ved Zhongshan sykehus Fudan University (B2016-142R) og alle deltakerne ga sitt samtykke.
1. diagnose av aorta avvik av symptomer og oppkjøpet av bildebehandling Data
- Identifisere pasienter som har symptomer som brystsmerter, dysfagi eller en blodtrykk forskjell på øvre lemmer i polikliniske klinikk. Ekskludere pasienter som kan være intolerante av operasjonen.
- Utføre CT angiography i disse pasientene å diagnostisere Kommerells divertikkel8.
2. segmentering av regioner av interesse
- Importere alle CT angiography bilder til programvaren i DICOM-format. Disse bildene er 512 × 512 piksler, og skive tykkelsen var 1 mm.
- Dobbeltklikk pasienten saken fra saken bibliotek og åpne den.
- Velg DICOM serien og klikk Modell Recon for å åpne modellsiden recon.
- Har ingeniør og et team av enkelte kirurger gjennomgang av DICOM formatert rådata for å identifisere anatomiske nøkkelfunksjoner og områder av interesse (ROI).
- Bruke grå verdibasert terskelverdi til å segmentere Avkastningen.
- Klikk terskelverdi Segmentering og justere terskelen for vaskulær masken. Standard er mellom 226 til 3071.
- Klikk Bekreft for terskelen segmentering og vaskulær masken vises i objekt-listen. Klikk knappen Recon fra høyre for masken og 3D vaskulær masken er rekonstruert og vises i 3D-visningen.
- Klikk terskelverdi Segmentering og justere terskelen til luftrøret mask. Klikk Marquee Segmentering for å begrense området av interesse i brysthulen og lungene. Standard er mellom-1024 til-520.
- Klikk knappen maske redigere og slette koblingen mellom luftrøret og lungene.
- Klikk regionen vokse og velge et frø ved å klikke et punkt/piksel om masken i ett av 2D-seere. Sjekk og bekrefte at regionen vokser som resultat, og at luftrøret masken vises i objekt-listen.
- Klikk Recon på høyre i masken, og 3D luftrøret vil bli rekonstruert i 3D-visningen.
- Lagre Avkastningen som masker for 3D rekonstruksjon.
3. 3D rekonstruksjon av Avkastningen
- Vedta gråtoneverdi interpoleringsalgoritmen for å beregne overflaten mesh av 3D-modellen. Gjør overflaten en trekant å matche den ytterste voxels i masken.
- Klikk Eksporter -knappen for å eksportere 3D modell som en STL-filen.
- Plass modellen på midten av bygningen plattformen. Dreie modellen ved å justere tangens av fartøyet midtlinjen på sin extremity være parallell til Z-aksen av bygningen plattformen. Støtter ble generert automatisk til overheng bruker standardparametere.
- I sektor | Lagre lagre som fil klar for 3D-utskrift.
4. 3D utskrift
- Utføre stereolithographic utskrift med en 3D-skriver. Bruk følgende parametere: bit avstand på 1 mm, en oppløsning på 512 × 512 piksler, en bygning lag tykkelse på 0,1 mm, og laser spot diameter 80 μm.
- Bruke ultrafiolett lys ved 405 nm å stivne fotosensitive harpiks ved å skanne konturene skiver av programvaren. Ultrafiolett lys laser hastigheten er 3 m/s.
Merk: Når en del av den digitale 3D-modellen ble bygget, bygningen plattformen gikk opp 0,1 mm for neste skive. Den fysiske modellen ble bygget lag på lag. Det neste laget ble dannet oppå tidligere laget. 3D fysiske modellen ble bygget lagvis på denne måten.
5. preoperativ planlegging og intraoperativ gjennomgang ved hjelp av 3-D trykte modeller
- Før kirurgi, har kirurger lage detaljert og nøyaktig kirurgisk planer for hver pasient ved å lære 3D trykt modeller.
- Under operasjonen, plasser 3D trykt modellene i drift rom og har en sykepleier holde dem. Anatomiske detaljer ble gjennomgått av kirurger under vaskulær plasseringen og separasjon.
Merk: Kirurgisk behandling inkludert fjerning av divertikkel og gjenoppbygging av aorta. Impregnert vevet polyester tube graftet ble brukt for å erstatte resected aorta1,2,3,9. Alle pasienter ble sendt til kirurgi intensivavdelingen etter operasjonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Oppkjøpet av CT angiography bilder, digital modellering og 3D utskrift ble alle gjort i et sykehus. To timer ble brukt for å få 3D modell av CT angiography bildet klar for 3D utskriften. Bruke prosedyren og 3D skriver her, en pasient-spesifikke 3D fysisk modell kan sendes til leger raskt og kirurgisk beslutningen kan gjøres i tide. Arbeidsflyten fra oppkjøpet av CT angiography data til 3D utskrift ble vist i figur 1. Fra koronale flyet (figur 2A), tverrstilt flyet (figur 2B) og sagittal flyet (figur 2C), er CT angiography bildet rekonstruert i 3D modell (figur 2D). Anatomisk forholdet mellom aorta og tracheal var vises langs y-aksen (figur 3A-3D).
Figur 1. Arbeidsflyten fra CT angiography 3-D modeller Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Behandling av CT angiography data i koronale flyet fly (A), tverrstilt fly (B) og sagittal (C). (D) rekonstruert CT angiography data ble oppnådd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Rekonstruerte 3D aorta og luftrøret modell var vises langs y-aksen i koronale flyet (A), tverrstilt flyet (B) og sagittal flyet (C). (D) rekonstruert CT angiography data ble oppnådd. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Medfødt aorta anomalier utgjør en sjelden spekteret av hjerte-karsykdommer, som ofte viser komplekse aorta anomalier. Medisinsk bildebehandling, som CT og MR, er pålagt å belyse komplekse aortabuen anomalier, unormal forgrening mønster, deres forhold til luftrøret og spiserøret, og andre tilknyttede patologi. Både CT og MR angiography kan gi 2D-informasjon aorta fartøyet steder. Med 3D digitale gjenoppbygging av 2D-imaging, kan anatomisk forholdet av aorta fartøyene defineres ytterligere. Men er det ikke nok til å gi et klart syn på realistisk anatomiske struktur for kirurger. Kommerells divertikkel, en sjelden medfødt aorta anomali, er vanskelig å forstå for noen kirurger variasjon og kompleksiteten i denne sykdommen1. Derfor må kirurgisk behandling av denne sykdommen optimaliseres.
Arbeidsflyten beskrevet her inkluderer diagnose basert på bildebehandling data, partisjonering regionene rundt, konstruere digital 3-D modeller, utskrift 3-D modeller, preoperativ planlegging og intraoperativ gjennom. CT er en vanlig tenkelig modalitet for diagnostisering av aorta anomalier før operasjonen. På grunn av sin submillimeter og utmerket romlig oppløsning, er CT vanlig 3D utskrift. Selv om MR bilder kan også brukes for 3D modellering i noen tilfeller, romlig oppløsning av MR er generelt lavere enn CT. Based på CT datasett, segmentering kan konvertere anatomiske informasjon om Avkastningen i pasient-spesifikk digital 3D modell. Kilden til dataene som DICOM, kompleksiteten i anomalien, og operatoren opplevelsen med programvaren kan stor innflytelse tiden som kreves for bildesegmentering. Videre er kirurger også nødvendig å veilede valg av Avkastningen i segmentering prosedyren. Derfor et team med kirurger, Røntgenleger og ingeniører møtes for å ha en diskusjon før operasjonen for effektiv ytelse. Rask diagnose og in-sykehuset utskrift kan spare tid for pasienter, særlig for dem som led av en emergent disseksjon eller ruptur10. En in-sykehuset 3D utskrift lab er derfor nødvendig å bli etablert for effektiv arbeidsflyt.
For fellows og beboere, selv for delta kirurger som har noen erfaringer å utføre kirurgi på komplekse aorta anomali, kan en trykt 3D modell brukes til å forstå den komplekse abnormiteten. En utskrevet modell 3D er en verdifull undervisning og opplæringsverktøy for enkel tilgang til faktiske anatomiske eksemplarer og hjelpe flat læringskurven. De kan også tjene som et effektivt verktøy for kommunikasjon med pasienter og deres familier under preoperative rådgiving.
Selv om fysisk trykt 3D modell er nyttig for kirurger å forstå anomalien intuitivt, kan det også tillate kirurger å praktisere den planlagt operasjonen på modellen. Romanen materiale bør derfor brukes i 3D utskriften å etterligne det naturlige vev. Kollektivt, gir trykte 3D modellen en intuitional betyr og forstå pasientens komplekse aorta anatomi. Det kan hjelpe avgjøre en personlig kirurgisk prosess for Kommerells divertikkel og redusere den potensielle risikoen for skade.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Forfatterne bekrefter finansiering fra National Natural Science Foundation i Kina (nr. 81771971), Shanghai Pujiang Program (nr. 14PJD008 og 17PJ1401500), "Chen Guang" prosjekt støttet av Shanghai kommunale utdanning provisjon og Shanghai utdanning Development Foundation (nr. 14 CG 06), Natural Science Foundation av Shanghai (nr. 17411962800 og 17ZR1432900), og vitenskap og teknologi provisjon av Shanghai (17JC1400200). W.Z. erkjenner finansiering fra National Natural Science Foundation av Kina (31501555 og 81772007 og 21734003), Kinas 1000 unge talenter Program, utdanning provisjon av Shanghai kommune (unge østlige professorat Award) og vitenskap og Teknologi provisjon av Shanghai (17JC1400200 og 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).
