Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para usar três dimensionais modelos de impressos para planejamento pré-operatório e reorganização intra-operatória de complicado vasculares locais ao manusear uma anomalia congênita da aorta.
Abstract
Anomalias aórtica congênitas complexas incluem diversos tipos de malformações que podem ser clinicamente assintomática ou com sintomas respiratórios ou Esofágicos. Estas anomalias podem estar associadas a outras doenças congênitas do coração. É difícil identificar a localização do navio anatômica exata de dados de imagens bidimensionais, tais como a tomografia computadorizada. Como um método de fabricação aditiva, tridimensional (3D) impressão pode secreta os dados de imagem adquiridas em 3-d modelos físicos. Este protocolo descreve o procedimento para modelagem a DICOM volumétrica de imagens em 3-d dados e imprimi-la como um modelo 3D anatomicamente realista. Usando este modelo, cirurgiões podem identificar a localização do navio do complexas anomalias da aorta, que é útil para o planejamento pré-operatório e orientação intra-operatória.
Introduction
Anomalias da aorta congênitas são extremamente raras malformações congênitas do sistema de arco aórtico. Eles podem ser diagnosticados por análise de imagem ou avaliação de entidades como disfagia ou subclávia roubar1. Em cenários clínicos, é importante identificar a anomalia anatômica no confinado espaço cirúrgico que limitou a visualização durante a cirurgia,2,3. Atualmente, convencional planar bidimensional (2D) imagem, como tomografia computadorizada (CT) e ressonância magnética (MRI), geralmente são apresentados aos cirurgiões antes da cirurgia. No entanto, é difícil para os cirurgiões para a anomalia baseada a imagem 2-D da imagem. Consequentemente, eles poderiam dificuldades imprevisíveis ao tentar separar os vasos complexos da aorta durante a cirurgia. Danos imprevisíveis para o navio, a traqueia e o esôfago podem ocorrer e resultar em resultados desastrosos.
Na última década, modelagem de imagens 3-d tem sido usada em cirurgia cardíaca para ajudar cirurgiões a entender o complexo anomalia anatômica4,5,6,7. Tecnologia de impressão tridimensional (3D) pode ajudar a converter os dados de modelagem em um modelo físico. Comparado com a reconstrução digital, modelos físicos impressos em 3D poderiam apresentar uma melhor compreensão dos detalhes anatômicos e proporcionar uma visão intuitiva da malformação. Para cirurgia aórtica anomalia, o impresso modelo 3-d intuitiva é significativo porque má compreensão dos locais da aorta pode ser desastroso para os pacientes. Durante a cirurgia, qualquer erro pode levar a hemorragia imprevisível e lesão. Usando os modelos de impressos, os cirurgiões podem entender completamente as relações espaciais dos ramos da aorta. Durante a cirurgia, os cirurgiões também podem executar em tempo real revisão dos modelos 3-d para evitar a confusão entre os locais de complexos vasculares.
Aqui, apresentamos um protocolo para aplicar 3D modelos impressos para planejamento pré-operatório e intra-operatório orientação ao lidar com doenças congênitas da aorta. Divertículo de Kommerell, um tipo de anomalia aórtica congênita complexa, foi selecionado como um estudo de caso. As etapas incluem diagnóstico baseado na angiografia computadorizada (CTA) de imagem, particionamento de regiões de interesse, construção de modelos 3-d, planejamento cirúrgico pré-operatório e revendo intra-operatória de modelos impressos em 3D8. Esta estratégia de impressão 3-d pode reduzir substancialmente o risco de lesões no tecido imprevisíveis durante a cirurgia.
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Protocol
O presente estudo foi aprovado pelo Comitê de ética da Universidade de Fudan Zhongshan Hospital (B2016-142R) e todos os participantes deram seu consentimento.
1. diagnóstico da anomalia aórtica por sintomas e aquisição de dados de imagem
- Identifica pacientes que apresentam sintomas como dor no peito, disfagia ou uma diferença de pressão arterial dos membros superiores em clínica ambulatorial. Exclua os pacientes que podem ser intolerantes da operação.
- Realize angiografia CT nestes pacientes para o diagnóstico de Divertículo de Kommerell8.
2. segmentação de regiões de interesse
- Importe todas as imagens de angiografia de CT para o software em um formato DICOM. A resolução destas imagens foi 512 × 512 pixels, e a espessura da fatia foi de 1 mm.
- Clique duas vezes o caso de paciente de caso biblioteca e abri-lo.
- Selecione a série DICOM e clique em Modelo de reconhecimento para abrir a página de reconhecimento do modelo.
- Ter um engenheiro e uma equipe de cirurgiões cardíacos revisão o DICOM formatado dados brutos para identificar as principais características anatômicas e região de interesse (ROI).
- Use cinza limiarização baseada em valor para segmentar o ROI.
- Clique no botão de segmentação de limiar e ajustar o intervalo de limiar para a máscara vascular. O intervalo padrão é entre 226 para 3071.
- Clique no botão confirmar para segmentação de limiar e a máscara vascular irá mostrar na lista de objeto. Clique no botão de reconhecimento do direito da máscara e a máscara vascular em 3D será reconstruída e exibido no visualizador em 3D.
- Clique no botão de segmentação de limiar e ajustar o intervalo de limiar para a máscara de traqueia. Clique no botão de segmentação do Marquee para limitar a região de interesse para o mediastino e o pulmão. O intervalo padrão é entre-1024 a-520.
- Clique no botão Editar e apagar a conexão entre a traqueia e o pulmão.
- Clique no botão região cresce e selecionar uma semente clicando em qualquer ponto/pixel na máscara em qualquer um dos visualizadores 2-D. Verifique e confirme que a região cresce como resultado, e que a máscara traqueia mostrará na lista de objeto.
- Clique no botão à direita da máscara Recon , e traqueia em 3D vai ser reconstruída no visualizador em 3D.
- Salve o ROI como máscaras de reconstrução em 3D.
3. 3-d reconstrução do ROI
- Adote o algoritmo de interpolação cinza valor para calcular a superfície malha do modelo 3D. Tornar a superfície de um triângulo para coincidir com os voxels extrema da máscara.
- Clique no botão Exportar para exportar o modelo 3D como um arquivo STL.
- Coloque o modelo no centro da plataforma do edifício. Oriente o modelo alinhando a tangente da linha central do navio em sua extremidade a ser paralelo ao eixo Z da plataforma do edifício. Suportes foram gerados automaticamente para as saliências usando os parâmetros padrão.
- Clique na fatia | Salvar , salvar como um arquivo pronto para impressão em 3D.
4. impressão 3-d
- Execute a impressão de stereolithographic com uma impressora 3D. Use os seguintes parâmetros: uma fatia de distância de 1 mm, resolução de 512 × 512 pixels, um edifício de camada espessura de 0,1 mm e um diâmetro do ponto do laser de 80 μm.
- Usar luz ultravioleta em 405 nm para endurecer a resina fotossensível escaneando os contornos fatiado pelo software. A velocidade do laser de luz ultravioleta é 3 m/s.
Nota: Quando uma fatia do modelo 3-d digital foi construída, a plataforma de construção subiu 0,1 mm para a próxima fatia. O modelo físico foi construído camada por camada. A próxima camada formou-se em cima da camada anterior. O modelo físico em 3D foi construído camada por camada desta forma.
5. pré-operatório planejamento e avaliação intra-operatória usando modelos impressos em 3D
- Antes da cirurgia, tenho cirurgiões fazer detalhado e planos cirúrgicos precisos para cada paciente aprendendo o 3-d modelos de impressos.
- Durante a cirurgia, coloque os modelos de impressos em 3D na sala de operação e tem uma enfermeira segurá-los. Os detalhes anatômicos foram revistos por cirurgiões durante a localização vascular e a separação.
Nota: O tratamento cirúrgico inclui ressecção do divertículo e reconstrução dos ramos da aorta. O enxerto de tubo de poliéster tecidos impregnados foi aplicado para substituir a aorta ressecado1,2,3,9. Todos os pacientes foram enviados para a unidade de cuidados intensivos de cirurgia cardíaca após a cirurgia.
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Representative Results
Aquisição de imagens de angiografia CT, modelagem digital e impressão 3-d foram todas feitas em um hospital. Duas horas foram gastas para obter o modelo 3-d da imagem CT angiografia pronto para a impressão em 3D. Usando o procedimento e impressora 3-d aqui, um modelo físico em 3D do paciente específico pode ser enviado aos médicos rapidamente e a decisão cirúrgica pode ser feita em tempo. O trabalho de aquisição de dados de CT angiografia a impressão 3-d foi mostrado na Figura 1. O plano coronal (Figura 2A), o plano transversal (Figura 2B) e sagital (Figura 2), a imagem de angiografia CT foi reconstruída em um modelo 3D (Figura 2D). A relação anatômica entre a aorta e traqueal foi exibida ao longo do eixo y (Figura 3A-3D).
Figura 1. Fluxo de trabalho de angiografia CT para modelos 3-d , por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Processamento de dados de angiografia CT no plano coronal (A), transversal de avião (B) e sagital de avião (C). (D) os dados de angiografia CT reconstruídos foi obtidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Modelo 3-d de aorta e traqueia reconstruído foi exibido ao longo do eixo y no plano coronal (A), plano transversal (B) e sagital (C). (D) os dados de angiografia CT reconstruídos foi obtidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Anomalias aórtica congênitas compreendem um espectro raro de doenças cardiovasculares, que mostram frequentemente complexas anomalias da aorta. Imagiologia médica, tais como TC e RM, são necessários para elucidar o complexo arco aórtico anomalias, o anormal de ramificação padrão, sua relação com a traqueia e o esôfago e outros associados a patologias. Tanto a TC e RM angiografia pode fornecer informações de 2-D de localização de embarcações da aorta. Com reconstrução 3D digital de imagem 2-D, a relação anatômica dos vasos da aorta pode ser definida ainda mais. No entanto, não é suficiente para fornecer uma visão clara da estrutura anatômica realista para os cirurgiões. Divertículo de Kommerell, uma anomalia aórtica congênita rara, é difícil de ser entendido por alguns cirurgiões devido à variabilidade e complexidade desta doença1. Portanto, o tratamento cirúrgico desta doença precisa ser otimizado.
O fluxo de trabalho descrito aqui inclui diagnóstico baseado em dados de imagem, particionamento de regiões de interesse, construindo modelos 3-d Digitas, imprimindo os modelos 3-d, planejamento pré-operatório e revisão no intra-operatório. CT é uma modalidade de imagem comum para o diagnóstico de anomalias da aorta antes da cirurgia. Devido à sua submillimeter e excelente resolução espacial, CT é comumente usado para a impressão em 3D. Embora o senhor imagens também podem ser usadas para modelagem em 3D, em alguns casos, a resolução espacial do Sr é geralmente inferior de CT. Based na CT datasets, segmentação pode converter as informações anatômicas do ROI em um modelo 3D digital do paciente específico. A fonte de dados DICOM, a complexidade da anomalia e a experiência do operador com o software grandemente pode influenciar o tempo necessário para segmentação de imagens. Além disso, os cirurgiões também são necessários para orientar a escolha do ROI no processo de segmentação. Daí, uma equipa envolvendo cirurgiões, radiologistas e engenheiros reúnem-se para ter uma discussão antes da cirurgia para um desempenho eficiente. O rápido diagnóstico e hospitalar de impressão podem economizar tempo para os pacientes, especialmente para aqueles que sofreram de uma dissecação emergente ou10a ruptura. Portanto, um laboratório de impressão 3-d no hospital é necessário estabelecer, para o fluxo de trabalho eficiente.
Para bolsistas e residentes, até mesmo para assistir cirurgiões que têm poucas experiências para realizar a cirurgia no complexa anomalia aórtica, um impresso modelo 3-d poderia ser usado para ajudar a compreender a complexa anormalidade. Um impresso modelo 3-d é um valioso ensino e ferramenta de treinamento para fácil acesso ao reais espécimes anatômicos e ajudar a achatar a curva de aprendizado. Eles também podem servir como uma ferramenta eficaz para a comunicação com os pacientes e suas famílias durante a pré-operatórias de aconselhamento.
Embora o modelo 3D impresso físico é útil para os cirurgiões entender a anomalia intuitivamente, ele também pode permitir cirurgiões praticar a operação planeada no modelo. Portanto, novos materiais devem ser aplicados na impressão em 3D para imitar o tecido natural. Coletivamente, o impresso modelo 3-d fornece uma forma intuitiva de visualização e compreensão complexa anatomia da aorta do paciente. Pode ajudar a determinar um processo cirúrgico personalizado para Divertículo de Kommerell o e reduzir o risco potencial de lesão.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Os autores reconhecem a financiamento nacional Natural Science Foundation da China (n. º 81771971), Shanghai Pujiang programa (n º 14PJD008 e 17PJ1401500), "Chen Guang" projeto apoiado pela Comissão de educação Municipal de Shanghai e educação de Xangai Fundação para o desenvolvimento (n º 14 CG 06), Fundação de ciências naturais de Shanghai (n º s 17411962800 e 17ZR1432900) e ciência e tecnologia Comissão de município de Shanghai (17JC1400200). W.Z. reconhece financiamento do Nacional Natural Science Foundation da China (31501555 e 81772007 e 21734003), o programa chinês de 1000 jovens talentos, a Comissão de educação do município de Shanghai (Young Oriental Professorship Award) e da ciência e Comissão de tecnologia do município de Shanghai (17JC1400200 e 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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