Summary
在这里, 我们提出了一个方案, 使用三维打印模型的术前规划和术中重组复杂的血管位置, 在处理先天性主动脉畸形。
Abstract
复杂的先天性主动脉异常包括不同类型的畸形, 可能是临床上无症状或出现呼吸道或食管症状。这些异常可能与其他先天性心脏病有关。从二维成像数据 (如计算机断层扫描) 中很难确定准确的解剖容器位置。三维 (三维) 打印作为一种附加的制造方法, 可以将采集到的成像数据隐藏到三维物理模型中。该协议描述了将体积 dicom 成像建模为三维数据并将其打印为解剖逼真三维模型的过程。利用该模型, 外科医生可以识别复杂主动脉异常的血管位置, 这有助于术前规划和术中指导。
Introduction
先天性主动脉异常是极罕见的先天性主动脉弓系统畸形。它们可以通过影像学分析或评估诸如吞咽困难或锁骨下盗窃1等实体来诊断.在临床场景中, 重要的是要识别在手术 2, 3 的有限的可视化有限的狭窄的手术空间的解剖异常。目前, 传统的平面二维成像 (2-d) 成像 (如计算机断层扫描 (ct) 和磁共振成像 (mri)) 通常在手术前呈现给外科医生。然而, 外科医生很难根据二维成像对异常进行成像。因此, 他们在手术中试图分离复杂的主动脉血管时, 可能会遇到不可预测的困难。血管、气管和食道可能会受到不可预测的伤害, 并导致灾难性的后果。
在过去的十年中, 三维成像建模被用于心脏手术, 以帮助外科医生了解复杂的解剖异常 4,5,6,7。三维 (三维) 打印技术有助于将建模数据转换为物理模型。与数字重建相比, 三维印刷物理模型可以更好地理解解剖细节, 并提供对畸形的直观看法。对于主动脉异常手术, 打印的直观三维模型意义重大, 因为对主动脉位置的理解不深入可能对患者造成灾难性影响。在手术过程中, 任何错误都可能导致不可预测的出血和受伤。使用打印的模型, 外科医生可以充分了解主动脉分支的空间关系。在手术过程中, 外科医生还可以对三维模型进行实时检查, 以避免复杂血管位置的混淆。
在这里, 我们提出了一个协议, 以应用三维打印模型的术前规划和术中指导, 同时处理先天性主动脉疾病。以科默雷尔的小室为例, 选择了一种复杂的先天性主动脉异常。这些步骤包括基于计算机断层扫描血管造影 (cta) 成像的诊断、感兴趣的分区、建立三维模型、术前手术规划和三维打印模型的术中审查8。这种三维打印策略可以大大降低手术期间不可预知的组织损伤的风险。
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Protocol
本研究获得中山医院复旦大学伦理委员会 (b2016-142r) 的批准, 所有参与者都给予了知情同意。
1. 症状诊断主动脉异常和采集成像数据
- 识别有胸痛、吞咽困难或门诊上肢血压差异等症状的患者。排除可能不耐受手术的患者。
- 对这些患者进行 ct 血管造影, 诊断科默雷尔的室 8。
2. 利益区域的分割
- 以 dicom 格式将所有 ct 血管造影图像导入到软件中。这些图像的分辨率为512x512 像素, 切片厚度为1毫米。
- 双击案例库中的患者病例并将其打开。
- 选择 "dicom" 系列, 然后单击 "模型恢复" 以打开模型侦察页。
- 让工程师和心脏外科医生团队审查 dicom 格式的原始数据, 以确定关键的解剖特征和感兴趣的区域 (roi)。
- 使用基于灰度值的阈值对 roi 进行分段。
- 单击"阈值分割" 按钮并调整血管掩码的阈值范围。默认范围在226到3071之间。
- 单击 "确认" 按钮进行阈值分割, 血管掩码将显示在对象列表中。单击面罩右侧的"侦察" 按钮, 将重建三维血管面罩并在三维查看器中显示。
- 单击"阈值分割" 按钮并调整气管面罩的阈值范围。单击 "选取框分割" 按钮, 将感兴趣的区域限制为纵隔和肺。默认范围介于-1024 到-520 之间。
- 单击 "蒙版编辑"按钮, 并擦除气管和肺之间的连接。
- 单击 "区域增长"按钮, 然后通过单击任何一个二维查看器中掩码处的任意点像素来选择种子。检查并确认该区域是否因此而增长, 并且气管掩码将显示在对象列表中。
- 单击面罩右侧的"侦察" 按钮, 三维气管将在三维查看器中重建。
- 将 roi 保存为三维重建的掩码。
3. 投资回报率的三维重建
- 采用灰度值插值算法计算三维模型的曲面网格。使曲面成为三角形, 以匹配掩码的最大部分体素。
- 单击 "导出" 按钮将三维模型导出为 stl 文件。
- 将模型放置在建筑平台的中心。通过将容器中心线的切线对准其末端, 使其与建筑平台的 z 轴平行, 从而对模型进行定向。使用默认参数自动生成对悬垂的支持。
- 点击切片保存为可用于三维打印的文件。
4. 三维打印
- 使用三维打印机进行立体平版印刷。使用以下参数: 片距1毫米, 分辨率512x512 像素, 建筑层厚度0.1 毫米, 激光光斑直径80μm。
- 使用405纳米的紫外线, 通过扫描软件切片的轮廓来硬化光敏树脂。紫外光激光的速度为 3/。
注: 当数字三维模型的一个切片被构建时, 构建平台在下一个切片上上升了0.1 毫米。物理模型是逐层建立的。下一层是在上一层的顶部形成的。以这种方式逐层建立了三维物理模型。
5. 使用三维印刷模型的术前规划和术中审查
- 在手术前, 让外科医生通过学习三维打印模型, 为每个患者制定详细而准确的手术计划。
- 在手术过程中, 将三维打印模型放置在手术室, 并让护士按住。在血管定位和分离过程中, 外科医生对解剖细节进行了回顾。
注: 手术治疗包括切除室和重建主动脉分支。采用浸渍编织聚酯管接枝代替切除的主动脉1,2,3,9。所有患者术后均被送往心脏外科重症监护室。
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Representative Results
在某医院采集 ct 血管造影图像、数字建模和三维打印。花了两个小时从 ct 血管造影图像中获得三维模型, 为三维打印做好准备。使用这里的程序和三维打印机, 可以快速向医生发送特定于患者的三维物理模型, 并及时做出手术决定。从采集 ct 血管造影数据到三维打印的工作流程如图 1所示。从日冕平面 (图 2a)、横向平面 (图 2A) 和矢状平面 (图 2A), ct 血管造影图像被重建为三维模型 (图 2A)。主动脉和气管之间的解剖关系沿 y 轴显示 (图 3a-3d)。
图 1.从 ct 血管造影到三维模型的工作流程请点击这里查看此图的更大版本.
图 2.在冠状平面 (a)、横向平面 (b) 和矢状面 (c) 中处理 ct 血管造影数据。(d) 获得重建的 ct 血管造影数据。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3.重建后的三维主动脉和气管模型沿 y 轴显示在日冕平面 (a)、横向平面 (b) 和矢状平面 (c)。(d) 获得重建的 ct 血管造影数据。请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
先天性主动脉异常包括罕见的心血管疾病谱, 通常表现为复杂的主动脉异常。医学影像学, 如 ct 和 mr, 需要阐明复杂的主动脉弓异常, 异常分枝模式, 他们与气管和食道的关系, 以及其他相关的疾病。ct 和 mr 血管造影均可提供主动脉血管位置的二维信息。通过二维成像的三维数字重建, 可以进一步界定主动脉血管的解剖关系。然而, 仅仅为外科医生提供一个现实的解剖结构的清晰视图是不够的。科默雷尔的室, 一个罕见的先天性主动脉异常, 是很难理解的一些外科医生由于这种疾病1的可变性和复杂性.因此, 这种疾病的手术治疗需要优化。
这里描述的工作流程包括基于成像数据的诊断、划分感兴趣的区域、构建数字三维模型、打印三维模型、术前规划和术中审查。ct 是诊断术前主动脉异常的一种常见影像学方法。ct 由于其亚毫米和出色的空间分辨率, 通常用于三维打印。虽然 mr 图像在某些情况下也可用于三维建模, 但 mr 的空间分辨率普遍低于 ct, 基于 ct 数据集的分割可以将 roi 的解剖信息转换为患者特定的数字三维模型。dicom 数据的来源、异常的复杂性以及操作人员对软件的经验可能会极大地影响图像分割所需的时间。此外, 外科医生也是必要的, 以指导在分割过程中的 roi 的选择。因此, 一个由外科医生、放射科医生和工程师组成的团队在手术前开会进行讨论, 以获得高效的性能。快速诊断和住院打印可以为患者节省时间, 特别是那些紧急解剖或破裂1 0的患者。因此, 为了实现高效的工作流程, 需要建立住院三维打印实验室。
对于研究员和居民, 即使是参加主治医生谁没有什么经验, 在复杂的主动脉异常进行手术, 可以使用打印的三维模型, 以帮助了解复杂的异常。打印的模型三维是一个有价值的教学和培训工具, 方便地访问实际解剖标本, 并帮助扁平的学习曲线。它们还可以作为在术前咨询期间与患者及其家人沟通的有效工具。
虽然物理打印的三维模型有助于外科医生直观地了解异常, 但它也可以让外科医生在模型上练习计划中的手术。因此, 在三维印刷中应使用新的材料来模拟自然组织。总的来说, 打印的三维模型提供了一种直观的方法来观察和理解患者复杂的主动脉解剖。它可以帮助确定一个个性化的手术过程的科默雷尔的室, 并减少潜在的伤害风险。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感谢国家自然科学基金 (第81771971)、上海浦江项目 (第14届 pjd008号和17pj1401500 号)、上海市教育委员会和上海市教育资助的 "陈光" 项目上海市自然科学基金会 (17411962800、17zr142900 号)、上海市科学技术委员会发展基金会 (14cg06)、上海市科学技术委员会 (17jc1400200)。w. z. 感谢中国国家自然科学基金 (31501555 和 81772007, 和 21734003)、中国1000个青年人才项目、上海市教育委员会 (青年东方教授奖) 和科学与上海市技术委员会 (17jc1400200 和 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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