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Medicine

Impresión tridimensional de una anomalía aórtica compleja

Published: November 1, 2018 doi: 10.3791/58175

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para utilizar tres dimensiones modelos impresos para la planificación preoperatoria y reorganización intraoperatoria de localizaciones vasculares complicados al manipular una anomalía congénita de la aorta.

Abstract

Anomalías aórticas congénitas complejas incluyen diversos tipos de malformaciones que pueden ser clínicamente asintomática o con síntomas respiratorios o esofágicos. Estas anomalías pueden asociarse con otras enfermedades cardíacas congénitas. Es difícil identificar la ubicación del buque anatómica precisa de datos de imágenes bidimensionales, tales como la tomografía computada. Como un método de fabricación aditiva, impresión (3D) tridimensional puede secreto los datos de imágenes adquiridos en modelos físicos 3D. Este protocolo describe el procedimiento para modelar el DICOM volumétrica en datos 3-d la proyección de imagen e impresión como un modelo 3D anatómicamente realista. Con este modelo, cirujanos pueden identificar la ubicación del buque de anomalías aórticas complejas, que es útil para la planificación preoperatoria y orientación intraoperatoria.

Introduction

Anomalías aórticas congénitas son las malformaciones congénitas extremadamente raras del sistema del arco aórtico. Puede ser diagnosticadas mediante análisis de imagen o evaluación de entidades como disfagia o subclavia robar1. En escenarios clínicos, es importante identificar la anomalía anatómica en el espacio quirúrgico reducido que ha limitado la visualización durante la cirugía2,3. En la actualidad, plana bidimensional (2-D) proyección de imagen convencional, como la tomografía computada (CT) y resonancia magnética (RM), se presentan a los cirujanos antes de la cirugía. Sin embargo, es difícil para los cirujanos a la anomalía basada en la proyección de imagen 2-D de la imagen. En consecuencia, podría dificultades impredecibles al intentar separar los vasos aórticos complejos durante la cirugía. Daños impredecibles a los vasos, la tráquea y el esófago podrían ocurrir y resultados desastrosos.

En la última década, modelado de imágenes 3D se ha utilizado en cirugía cardíaca para ayudar a cirujanos a comprender la anomalía anatómica compleja4,5,6,7. Tridimensional (3D) tecnología de impresión puede ayudar a convertir los datos del modelo en un modelo físico. En comparación con la reconstrucción digital, 3-d modelos físicos impresos podrían presentar una mejor comprensión de los detalles anatómicos y una visión intuitiva de la malformación. Para la cirugía aórtica anomalía, el impreso modelo 3D intuitivo es significativo porque pobre entendimiento de lugares aórticas podría ser desastroso para los pacientes. Durante la cirugía, cualquier error podría conducir a lesiones y sangrado impredecible. Mediante los modelos impresos, los cirujanos pueden comprender las relaciones espaciales de las ramas aórticas. Durante la cirugía, los cirujanos también pueden realizar la revisión en tiempo real de los modelos 3-d para evitar la confusión de las localizaciones vasculares complejas.

Aquí, presentamos un protocolo para aplicar modelos 3D impresos para la planificación preoperatoria y orientación intraoperatoria y ocúpate de enfermedades aórticas congénitas. Divertículo de Kommerell, un tipo de anomalía aórtica congénita compleja, fue seleccionado como caso de estudio. Los pasos incluyen la diagnosis basada en la angiografía de la tomografía computada (CTA) proyección de imagen, partición de regiones de interés, construcción de modelos 3D, planeamiento quirúrgico preoperativo y revisión intraoperatoria de modelos 3D impresos8. Esta estrategia de impresión 3-d podría reducir sustancialmente el riesgo imprevisible de lesión del tejido durante la cirugía.

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Protocol

El presente estudio fue aprobado por el Comité de ética del Hospital Zhongshan Universidad de Fudan (B2016-142R) y todos los participantes dieron su consentimiento informado.

1. diagnóstico de la anomalía aórtica por síntomas y adquisición de datos de imágenes

  1. Identificar a los pacientes que tienen síntomas tales como dolor torácico, disfagia o una diferencia de presión arterial de los miembros superiores en la clínica del paciente. Excluir a los pacientes que pueden ser intolerantes de la operación.
  2. Realizar angio-TC en estos pacientes para el diagnóstico de divertículo de Kommerell8.

2. segmentación de regiones de interés

  1. Importar todas las imágenes de angiografía de CT en el software en formato DICOM. La resolución de estas imágenes fue 512 × 512 píxeles, y el grosor de corte fue de 1 mm.
    1. Haga doble clic en el caso de paciente de caso biblioteca y ábralo.
    2. Seleccione la serie DICOM y haga clic en Modelo Recon para abrir la página de reconocimiento de modelo.
  2. Con un ingeniero y un equipo de cirujanos cardíacos revisión el DICOM con formato de datos para identificar las principales características anatómicas y región de interés (ROI).
  3. Utilice gris basado en el valor umbral para segmento lo ROI.
    1. Haga clic en el botón de la segmentación de umbral y ajustar el rango de umbral para la máscara de vascular. El rango es entre 226 a 3071.
    2. Haga clic en el botón confirmar para segmentación de umbral y la máscara vascular se mostrará en la lista de objetos. Haga clic en el botón de reconocimiento del derecho de la máscara y la máscara vascular 3D será reconstruido y se muestra en el visor 3D.
    3. Haga clic en el botón de la segmentación de umbral y ajustar el rango de umbral para la máscara de la tráquea. Clic en recuadro segmentación para limitar la región de interés para el mediastino y el pulmón. El rango es entre-1024 a-520.
    4. Haga clic en el botón Editar máscara y borrar la conexión entre la tráquea y el pulmón.
    5. Haga clic en el botón región de crecer y seleccionar una semilla haciendo clic en cualquier punto/píxel en la máscara en alguno de los espectadores 2-D. Verificar y confirmar que la región crece como resultado, y que la máscara de la tráquea se mostrará en la lista de objetos.
    6. Haga clic en el botón de reconocimiento a la derecha de la máscara, y la tráquea 3D será reconstruida en el visor 3D.
  4. Guarde el ROI como máscaras para la reconstrucción 3D.

3. 3D reconstrucción del ROI

  1. Adoptar el algoritmo de interpolación del valor de gris para calcular la superficie malla del modelo 3D. Que la superficie de un triángulo para que coincida con el extremo vóxeles de la máscara.
  2. Haga clic en el botón exportar para exportar el modelo 3-d como un archivo STL.
  3. Coloque el modelo en el centro de la plataforma de la construcción. Oriente el modelo alineando la tangente de la línea central del buque en su extremidad a ser paralelo al eje Z de la plataforma de la construcción. Soportes se generan automáticamente para los voladizos usando los parámetros por defecto.
  4. Haga clic en el segmento | Guardar guardar como un archivo listo para la impresión 3D.

4. 3D impresión

  1. Realizar stereolithographic impresión con una impresora 3D. Utilice los siguientes parámetros: a distancia de corte de 1 mm, una resolución de 512 × 512 pixels, un edificio de la capa de 0,1 mm de espesor y un diámetro de punto láser de 80 μm.
  2. Utilizar la luz ultravioleta a 405 nm para endurecer la resina fotosensible mediante la exploración de los contornos en rodajas por el software. La velocidad de la luz ultravioleta del láser es 3 m/s.
    Nota: Cuando se construyó una rebanada del modelo 3-d digital, la plataforma de la construcción subió 0,1 mm para el segmento siguiente. El modelo físico fue construido capa por capa. La siguiente capa se formó encima de la capa anterior. El modelo físico 3D fue construido capa por capa en este camino.

5. preoperatorio de planificación y revisión intraoperatoria mediante modelos 3D impresos

  1. Antes de la cirugía, tienen cirujanos hacer detallada y precisos planes quirúrgicos para cada paciente por el 3-d de aprendizaje impresión modelos.
  2. Durante la cirugía, colocar los modelos 3D impresos en la sala de operación y una enfermera mantenerlos. Los detalles anatómicos fueron repasados por los cirujanos durante la situación vascular y la separación.
    Nota: El tratamiento quirúrgico incluye la resección del divertículo y la reconstrucción de ramas aórticas. El injerto del tubo de poliéster tejido impregnado se aplicó para reemplazar la aorta resecada1,2,3,9. Todos los pacientes fueron enviados a la unidad de cuidados intensivos de cirugía cardíaca después de la cirugía.

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Representative Results

Adquisición de imágenes de angiografía de CT, modelado digital e impresión 3D se realizaron en un hospital. Dos horas estuvieron pasados para el modelo 3D de la imagen de la angiografía de CT de la impresión 3D. Utilizando aquí el procedimiento y la impresora 3D, un modelo físico 3D específico para cada paciente puede enviarse rápidamente a los médicos y la decisión quirúrgica se puede hacer en el tiempo. El flujo de trabajo de adquisición de los datos de angiografía de CT a la impresión en 3-d se muestra en la figura 1. Desde el plano coronal (figura 2A), el plano transversal (figura 2B) y el plano sagital (figura 2), la imagen de la angiografía de CT fue reconstruida en un modelo 3-d (Figura 2D). La relación anatómica entre la aorta y traqueal fue mostrada a lo largo del eje y (Figura 3A-3D).

Figure 1
Figura 1. Flujo de trabajo de la angiografía de CT a modelos 3D haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Tratamiento de los datos de angiografía de TC en plano coronal (A), transversal plano (B) y sagital plano (C). (D) los datos de angiografía de CT reconstruidos se obtuvieron. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Modelo reconstruido de aorta y tráquea de 3-d fue exhibido a lo largo del eje y en el plano coronal (A) plano transversal (B) y sagital (C). (D) los datos de angiografía de CT reconstruidos se obtuvieron. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Anomalías aórticas congénitas abarcan un espectro poco común de las enfermedades cardiovasculares, que suelen mostrar anomalías aórticas complejas. Proyección de imagen médica, tales como el CT y Sr., son necesarios para aclarar anomalías complejas del arco aórtico, la ramificación patrón, su relación con la tráquea y el esófago anormal y otras patologías asociaron. La angiografía de CT y Sr. puede proporcionar información de 2-D de ubicaciones de vaso aórtico. Reconstrucción digital 3D de imágenes 2-D, la relación anatómica de los vasos aórticos puede definirse más. Sin embargo, no es suficiente proporcionar una visión clara de la estructura anatómica realista para los cirujanos. Divertículo de Kommerell, una anomalía congénita rara de la aórtica, es difícil de entender para algunos cirujanos debido a la variabilidad y complejidad de esta enfermedad1. Por lo tanto, tratamiento quirúrgico de esta enfermedad debe ser optimizado.

El flujo de trabajo descrito aquí incluye diagnóstico basado en datos de imagen, partición de las regiones de interés, construir modelos 3D digitales, impresión de modelos 3D, la planificación preoperatoria y revisión intraoperatoria. CT es una modalidad común de proyección de imagen para el diagnóstico de anomalías aórticas antes de la cirugía. Debido a su submilimétricas y excelente resolución espacial, CT se utiliza comúnmente para impresión 3D. Aunque Sr. imágenes pueden utilizarse también para el modelado 3-d en algunos casos, la resolución espacial de Señor es generalmente más baja que el de CT Based en conjuntos de datos de CT, segmentación puede convertir la información anatómica del ROI en un modelo 3D digital específico para cada paciente. La fuente de los datos DICOM, la complejidad de la anomalía y la experiencia del operador con el software puede influir mucho el tiempo requerido para la segmentación de la imagen. Además, los cirujanos también son necesarios para guiar la elección de la ROI en el procedimiento de segmentación. Por lo tanto, un equipo de cirujanos, radiólogos e ingenieros se reúnen para tener una discusión antes de la cirugía para un rendimiento eficiente. El diagnóstico rápido y la impresión en el hospital pueden ahorrar tiempo para los pacientes, especialmente para aquellos que sufrieron de una disección emergente o ruptura10. Por lo tanto, un laboratorio de impresión 3-d en el hospital es necesario establecer para flujo de trabajo eficiente.

Para becarios y residentes, incluso para asistir a los cirujanos que tienen pocas experiencias para realizar la cirugía en anomalía aórtica compleja, podría utilizarse un impreso modelo 3-d para ayudar a entender la anormalidad compleja. Un impreso modelo 3-d es una valiosa enseñanza y herramienta de entrenamiento para fácil acceso a especímenes anatómicos reales y ayudar a aplanar la curva de aprendizaje. También puede servir como una herramienta eficaz para la comunicación con los pacientes y sus familias durante el operativo previa consejería.

Aunque el modelo 3D impreso físico es útil para cirujanos entender intuitivamente la anomalía, podrían también permiten a los cirujanos para la práctica de la operación en el modelo. Por lo tanto, nuevos materiales se deben aplicar en la impresión 3D para imitar el tejido natural. Colectivamente, el impreso modelo 3D proporciona un medio intuitivo de visualización y comprensión de la anatomía del paciente complejo aórtica. Puede ayudar a determinar un proceso quirúrgico personalizado para divertículo de Kommerell y reducir el riesgo potencial de lesión.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores reconocen financiación nacional Ciencias naturales Fundación de China (Nº 81771971), programa de Pujiang Shanghai (Nº 14PJD008 y 17PJ1401500), "Chen Guang" proyecto apoyado por Comisión de Educación Municipal de Shanghai y Shanghai educación Fundación para el desarrollo (no. 14 CG 06), Fundación de Ciencias naturales de Shanghai (núms. 17411962800 y 17ZR1432900) y de ciencia y tecnología Comisión del municipio de Shanghai (17JC1400200). W.Z. reconoce la financiación de la Ciencia Natural la Fundación de China nacional (31501555 y 81772007 y 21734003), programa de talentos de China 1000 jóvenes, Comisión de educación del municipio de Shanghai (Premio Cátedra de este joven) y ciencia y Comisión de tecnología del municipio de Shanghai (17JC1400200 y 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

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References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Idrees, J., et al. Hybrid repair of Kommerell diverticulum. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 147 (3), 973-976 (2014).
  4. Kankala, R. K., et al. Fabrication of arbitrary 3-D components in cardiac surgery: from macro-, micro- to nanoscale. Biofabrication. 9 (3), 032002 (2017).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).

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Medicina número 141 impresión tridimensional cirugía cardiaca enfermedades aórticas congénitas anomalía aórtica la planificación preoperatoria orientación intraoperatoria
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Sun, X., Zhu, K., Zhang, W., Zhang,More

Sun, X., Zhu, K., Zhang, W., Zhang, H., Hu, F., Wang, C. Three-Dimensional Printing of a Complex Aortic Anomaly. J. Vis. Exp. (141), e58175, doi:10.3791/58175 (2018).

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