Summary
Nous présentons ici un protocole pour utiliser trois modèles imprimés dimensionnelles pour la planification préopératoire et réorganisation peropératoire des emplacements vasculaires compliqués lorsque vous manipulez une anomalie aortique congénitale.
Abstract
Des anomalies congénitales aortiques complexes comprennent divers types de malformations qui peuvent être cliniquement asymptomatique ou présente des symptômes respiratoires ou oesophagiennes. Ces anomalies peuvent être associés avec d’autres maladies cardiaques congénitales. Il est difficile d’identifier l’emplacement de bateau anatomique exacte à partir des données d’imagerie bidimensionnelles, tels que la tomographie par ordinateur. Comme une méthode de fabrication additive, en trois dimensions (3d) impression peut convertir les données d’imagerie acquises dans 3D modèles physiques. Ce protocole décrit la procédure pour la modélisation la DICOM volumétrique d’imagerie en 3D données et imprimer un modèle 3D anatomiquement réaliste. En utilisant ce modèle, chirurgiens peuvent identifier l’emplacement de bateau des anomalies aortiques complexes, qui est utile pour la planification préopératoire et orientation peropératoire.
Introduction
Congenital anomalies aortiques sont extrêmement rares malformations congénitales du système arc aortique. Ils peuvent être diagnostiqués par évaluation des entités comme la dysphagie ou par analyse d’imagerie ou sous-clavière voler1. Dans des scénarios cliniques, il est important d’identifier l’anomalie anatomique dans l’espace clos chirurgicale qui a limité la visualisation au cours de la chirurgie2,3. Actuellement, les classique plane à deux dimensions (2d) imagerie, comme la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM), sont habituellement présentés aux chirurgiens avant la chirurgie. Toutefois, il est difficile pour les chirurgiens à l’image de l’anomalie basée sur l’imagerie 2D. Par conséquent, qu’ils pourraient rencontrer des difficultés imprévisibles en essayant de séparer les vaisseaux aortiques complexes pendant la chirurgie. Dommage imprévisible pour le navire, la trachée et l’oesophage pourrait se produire et aboutir à des résultats désastreux.
Au cours de la dernière décennie, la modélisation d’imagerie 3D a été utilisée en chirurgie cardiaque pour aider les chirurgiens à comprendre l’anomalie anatomique complexe4,5,6,7. En trois dimensions (3d) technologie d’impression peut aider à convertir les données de modélisation en un modèle physique. Par rapport à la reconstruction numérique, 3D maquettes imprimées pourraient présenter une meilleure compréhension des détails anatomiques et offrent une vue intuitifs de la malformation. Pour la chirurgie aortique anomalie, le modèle 3D intuitionnel imprimé est important car mauvaise compréhension des lieux aortique pourrait être désastreuse pour les patients. Au cours de la chirurgie, toute erreur pourrait entraîner saignements imprévisibles et des blessures. En utilisant les modèles imprimés, chirurgiens peuvent pleinement comprendre les relations spatiales des branches aortiques. Pendant la chirurgie, les chirurgiens peuvent également effectuer un examen en temps réel des modèles 3D pour éviter la confusion des emplacements vasculaires complexes.
Nous présentons ici un protocole pour appliquer des modèles imprimés 3D pour la planification préopératoire et orientation peropératoire tout en traitant les maladies aortiques et malformations congénitales. Diverticule de Kommerell, un type de complexe anomalie aortique congénitale, a été choisi comme étude de cas. Les étapes comprennent diagnostic basé sur l’angiographie de la tomographie par ordinateur (CTA) d’imagerie, partitionnement de régions d’intérêt, construire des modèles 3D, planification chirurgicale pré-opératoire et l’examen peropératoire de modèles imprimés 3D8. Cette stratégie d’impression 3D pourrait réduire considérablement le risque de lésion des tissus imprévisible pendant la chirurgie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
La présente étude a été approuvée par le Comité d’éthique de l’hôpital de l’Université de Fudan Zhongshan (B2016-142R) et tous les participants ont donné leur consentement éclairé.
1. diagnostic de l’anomalie aortique par des symptômes et d’Acquisition de données d’imagerie
- Identifier les patients qui présentent des symptômes comme des douleurs thoraciques, dysphagie ou une différence de pression artérielle des membres supérieurs en clinique externe. Exclure les patients qui peuvent ne pas tolérer de l’opération.
- Effectuer angiographie chez ces patients pour diagnostiquer diverticule8 de Kommerell.
2. segmentation de régions d’intérêt
- Importer toutes les images de l’angiographie de CT dans le logiciel dans un format DICOM. La résolution de ces images est de 512 × 512 pixels, et l’épaisseur de la tranche 1 mm.
- Double-cliquez sur le cas de patients elle puise affaire et ouvrez-le.
- Sélectionnez la série DICOM, puis cliquez sur Modèle Recon pour ouvrir la page de modèle recon.
- Avoir un ingénieur et une équipe de chirurgiens cardiaques revue la DICOM au format des données brutes afin d’identifier les principales caractéristiques anatomiques et la région d’intérêt (ROI).
- Gris basée sur les valeurs seuil permet de segmenter le retour sur investissement.
- Cliquez sur le bouton de Segmentation de seuil et ajuster l’intervalle de seuil pour le masque vasculaire. Le défaut se situe entre 226 à 3071.
- Cliquez sur le bouton confirmer pour la segmentation du seuil et le masque vasculaire apparaîtra dans la liste d’objets. Cliquez sur le bouton Recon du droit du masque et le masque 3D vasculaire sera reconstruit et montré dans la visionneuse 3D.
- Cliquez sur le bouton de Segmentation de seuil et ajuster l’intervalle de seuil pour le masque de la trachée. Cliquez sur le bouton de Segmentation de texte défilant pour limiter la zone d’intérêt pour le médiastin et le poumon. Le défaut se situe entre -1024 à-520.
- Cliquez sur le bouton masque de modifier et d’effacer la connexion entre la trachée et les poumons.
- Cliquez sur le bouton de Grow région et sélectionner une graine en cliquant sur n’importe quel point/pixel au niveau du masque dans l’un des spectateurs 2D. Vérifier et confirmer que la région se développe comme résultat, et que le masque de la trachée apparaîtra dans la liste d’objets.
- Cliquez sur le bouton Recon à droite du masque et la trachée 3D sera reconstruite dans la visionneuse 3D.
- Sauver le ROI comme masques pour la reconstruction 3D.
3. 3-d Reconstruction du ROI
- Adopter l’algorithme d’interpolation de valeur de gris pour calculer la surface maille du modèle 3D. Rendre la surface un triangle pour faire correspondre les voxels outmost du masque.
- Cliquez sur le bouton Exporter pour exporter le modèle 3D dans un fichier STL.
- Placez le modèle sur le centre de la plateforme du bâtiment. Orienter le modèle en alignant la tangente de la ligne médiane du navire à son extrémité pour être parallèle à l’axe Z de la plateforme du bâtiment. Prend en charge ont été générés automatiquement pour les surplombs en utilisant les paramètres par défaut.
- Cliquez sur la tranche | Enregistrer pour enregistrer un fichier prêt à l’impression 3D.
4. 3-d impression
- Exécuter le stéreolithographie impression avec une imprimante 3D. Utilisez les paramètres suivants : une distance de tranche de 1 mm, une résolution de 512 × 512 pixels, un bâtiment couche épaisseur de 0,1 mm et un diamètre du spot laser de 80 μm.
- Utilisez la lumière ultraviolette à 405 nm à durcir la résine photosensible en scannant les contours tranchés par le logiciel. La vitesse de la lumière ultraviolette de laser est de 3 m/s.
NOTE : Quand une tranche de la maquette numérique 3D a été construite, la plateforme du bâtiment ont augmenté 0,1 mm pour la tranche suivante. Le modèle physique a été construit couche par couche. La couche suivante est formée sur le dessus de la couche précédente. Le modèle physique 3D a été construit couche par couche de cette façon.
5. préopératoire de planification et de l’examen peropératoire utilisant des modèles imprimés 3D
- Avant la chirurgie, ont les chirurgiens font détaillées et des plans chirurgicaux exacts pour chaque patient en apprenant la 3-d imprimé modèles.
- Au cours de la chirurgie, placer les modèles imprimés 3D dans la salle d’opération et avoir une infirmière les tenir. Les détails anatomiques ont été examinées par les chirurgiens pendant l’emplacement vasculaire et de la séparation.
Remarque : Le traitement chirurgical inclus résection du diverticule et la reconstruction des branches aortiques. La greffe de tube polyester tissé imprégnées a été appliquée pour remplacer l’aorte réséqués1,2,3,9. Tous les patients ont été envoyés à l’unité de soins intensifs de chirurgie cardiaque après la chirurgie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Acquisition d’images Angiographie CT, modélisation numérique et l’impression 3D ont toutes été menées dans un hôpital. Deux heures ont été consacrées pour obtenir le modèle 3D de l’image de l’angiographie de CT prêt pour l’impression 3D. À l’aide de la procédure et l’imprimante 3D ici, un modèle physique 3D spécifique au patient peut être envoyé aux médecins rapidement et la décision chirurgicale est possible dans le temps. Le flux de travail de l’acquisition de données de l’angiographie de CT par impression 3D a été montré à la Figure 1. Le plan coronal (Figure 2 a), le plan transversal (Figure 2 b) et le plan sagittal (Figure 2), l’image de l’angiographie de CT a été reconstruit dans un modèle 3D (Figure 2D). La relation anatomique entre l’aorte et trachéaux était affichée le long de l’axe y (Figure 3 a-3D).
Figure 1. Workflow de l’angiographie à modèles 3-d s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2. Traitement des données de l’angiographie de CT dans plan coronal (A), transversale plane (B) et sagittal rabot (C). (D) les données de l’angiographie CT reconstruites a été obtenues. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3. Reconstituées modèle 3-d d’aorte et de la trachée a été affichée le long de l’axe y dans le plan coronal (A), plan transversal (B) et plan sagittal (C). (D) les données de l’angiographie CT reconstruites a été obtenues. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Congenital anomalies aortiques représentent un spectre rare de maladies cardiovasculaires, qui présentent souvent des anomalies aortiques complexes. Imagerie médicale, telles que CT et IRM, sont nécessaires pour élucider les anomalies de l’arc aortique complexe, la ramification modèle, leur relation avec la trachée et l’oesophage anormal et d’autres associés à des pathologies. Angiographie de CT et de Monsieur peut fournir des informations 2D des emplacements de bateau aortique. Avec 3-d reconstruction numérique d’imagerie 2D, la relation anatomique des vaisseaux aortiques peut être définie plus loin. Cependant, il n’est pas suffisant pour fournir une vision claire de la structure anatomique réaliste pour les chirurgiens. Diverticule de Kommerell, une anomalie aortique congénitale rare, est difficile à comprendre pour certains chirurgiens en raison de la variabilité et de la complexité de cette maladie1. Par conséquent, un traitement chirurgical de cette maladie doit être optimisée.
Le workflow décrit ici comprend le diagnostic basé sur les données d’imagerie, partitionnement des régions d’intérêt, construire des modèles numériques 3D, imprimer les modèles 3D, planification préopératoire et examen peropératoire. CT est une modalité d’imagerie courante pour le diagnostic des anomalies aortiques avant la chirurgie. Grâce à sa Planck et l’excellente résolution spatiale, CT est couramment utilisé pour l’impression 3D. Bien que des images de résonance peuvent également être utilisés pour la modélisation 3D dans certains cas, la résolution spatiale du Monsieur est généralement inférieure à celle de la Cour provinciale Based sur datasets CT, segmentation permet de convertir l’information anatomique du ROI dans un modèle 3D numérique spécifique au patient. La source des données DICOM, la complexité de l’anomalie et l’expérience de l’opérateur avec le logiciel peut grandement influencer le temps requis pour la segmentation d’image. En outre, les chirurgiens sont également nécessaires pour guider le choix du ROI dans la procédure de segmentation. Par conséquent, une équipe composée de chirurgiens, radiologues et ingénieurs se rencontrent pour avoir une discussion avant la chirurgie pour de bonnes performances. Le diagnostic rapide et l’impression à l’hôpital peuvent gagner du temps pour les patients, surtout pour ceux qui ont souffert d’une dissection émergente ou entraîner une rupture10. Un laboratoire d’impression 3D en milieu hospitalier est donc nécessaire d’établir pour les flux de travail efficace.
Pour les boursiers et les résidents, même pour la participation à des chirurgiens qui ont peu d’expériences d’effectuer une chirurgie sur anomalie aortique complexe, un imprimé modèle 3D pourrait être utilisé pour aider à comprendre l’anomalie complexe. Un imprimé modèle 3-d est un enseignement précieux et un outil de formation pour facile accès aux spécimens anatomiques réelles et aider à aplatir la courbe d’apprentissage. Ils peuvent servir aussi comme un outil efficace pour la communication avec les patients et leurs familles pendant la préopératoire counseling.
Bien que le modèle 3D imprimé physique est utile pour les chirurgiens à comprendre l’anomalie intuitivement, elle permettrait aussi de chirurgiens à pratiquer l’opération prévue sur le modèle. Par conséquent, les nouveaux matériaux doivent être appliquées dans l’impression 3D pour simuler les tissus naturels. Collectivement, l’imprimé modèle 3D fournit un moyen intuitionnel de voir et de comprendre l’anatomie du patient complexe aortique. Il peut aider à déterminer un processus chirurgical personnalisé pour diverticule de le Kommerell et réduire le risque potentiel de blessure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs reconnaissent le financement National Natural Science Foundation de la Chine (no 81771971), Shanghai Pujiang programme (n° 14PJD008 et 17PJ1401500), « Chen Guang » projet soutenu par la Commission municipale de l’éducation de Shanghai et de l’éducation de Shanghai Fondation pour le développement (no 14 CG 06), la Fondation des sciences naturelles de Shanghai (nos 17411962800 et 17ZR1432900) et de la Science et Technology Commission de la municipalité de Shanghai (17JC1400200). W.Z. reconnaît le financement de la Fondation nationale sciences naturelles de Chine (31501555 et 81772007 et 21734003), 1000 jeunes Talents Program la Chine, Commission de l’éducation de la municipalité de Shanghai (Young orientale Professorship Award) et Science et Commission de la technologie de la municipalité de Shanghai (17JC1400200 et 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).
