针对病人的冠状动脉3 d打印技术基于血管内光学相干断层扫描和冠状动脉造影

文摘

尽管医疗新想法是快速进步的三维(3 d)印刷技术,还有罕见的研究工作报道3 d打印的冠状动脉被记录在文献中。在这部作品中,3 d打印技术的应用价值在心血管疾病的治疗探索通过3 d印刷血管实体模型之间的比较研究和计算机辅助设计(CAD)模型。本文提出了一个新的框架来实现高仿真3 d打印血管模型。针对病人的冠状动脉的三维重建是执行的详细的形态学信息抽象从血管腔的轮廓。在重建的过程中,有5个步骤,形态轮廓的细节视图合并血管腔的曲率和冠状动脉造影提供的长度信息。比较后的直径狭窄的部分和正截面的直径在CAD模型和3 d打印模型中,可以得出结论,之间有高度的相关性血管狭窄的直径以3 d打印模型和计算机辅助设计模型。3 d打印模式high-modeling能力和精度高,能准确代表原始的冠状动脉的外表。它可以用于prevascularization计划支持医生在决定手术。

1。介绍

随着社会的快速发展,中国的基本医疗服务一直得到良好的改善。然而,心血管疾病(CVD)的患病率和死亡率在居民仍在上升,而近年来迅速增长low-aged和低收入的公民。自2004年以来,心血管疾病的住院率比GDP的增长速度快得多,极大地增加了社会负担1- - - - - -3]。心血管疾病主要包括脑血管病、冠心病、心律失常、心力衰竭。心血管疾病已经成为最大的居民比例患有疾病;2每5人死亡是由于心血管疾病。心血管疾病死亡率自2009年以来,在农村地区已超过和继续保持高于城市水平。2015年,农村居民的心血管疾病的死亡率是298.42/100000,心脏病的死亡率是144.79/100000,脑血管疾病死亡率是153.63/100000,城市居民的心血管疾病死亡率是264.84/100000,包括心脏病死亡。率是13.661/100000,脑血管疾病的死亡率是128.23/100000。2015年,农村和城市居民心血管疾病死亡的比例占了45.01%和42.61%,分别。因此,当务之急是早期诊断心血管疾病(1]。

有两种方法被广泛用于心血管疾病的检测,即10月技术和冠状动脉造影。光学相干断层扫描(OCT)技术是一种利用近红外光成像技术显示相关的血管组织结构没有辐射,高分辨率,高侦测灵敏度(4,5]。10月可以执行高分辨率截面断层扫描图像的生物组织子宫内膜血管内超声和提供一个解决十倍,所以它也被称为光学切片。在第一代的基础上时域OCT系统(TD-OCT),科学家开发了频率域与更快的扫描速度通过改变光的频率来获得不同深度10月组织成像(FD-OCT频域OCT)系统(6]。x射线冠状动脉造影是一种动脉血管造影方法使用一个血管造影术的机器。程序如下:首先,通过一个特定的心脏导管经皮穿刺,一个特殊的导管插入通过右髂动脉或下肢股动脉,和降主动脉是升主动脉根逆行。然后,向左或向右冠状动脉插入,注射造影剂。最终,冠状动脉和形态是可见的。x射线冠状动脉造影可以清楚地分辨血管病变的位置和形态特征,定量确定和分类狭窄血管段,并确定侧向分支的循环状态(7]。然而,技术本身具有一定的局限性。首先,它只能显示血管腔的投影和管壁的横截面信息,这可能会导致医生诊断小姐;其次,它不能提供关于斑块的形态和特性的信息,和因此是不可能发展介入程序为特定斑块信息;最后,由于不均匀填充造影剂的血管,对医生很容易低估管腔狭窄的程度。

为了应对上述两种技术的局限性,我们介绍了3 d打印技术。三维(3 d)印刷技术,也称为添加剂制造技术,具有快速的优点,直率,以洋地黄治疗。(8)在1980年代出现以来,3 d打印技术发展迅速在这个世纪,已广泛应用于汽车、航空航天和医疗。它可以应用于提高复杂心血管疾病的诊断和治疗,允许医生视觉评估整个船的空间几何9]。快速成型技术(RPT)的出现大大计算机技术向前发展,3 d印刷是一种类型的RPT [10]。快速三维成型过程包括很多步骤。这种技术需要获得一系列数据,如计算机断层扫描(CT)图像,将数据转换为格式兼容的3 d打印机,然后打印模式11]。一些手术可以计划使用三维计算机辅助设计和制造(3 d CAD / CAM)软件。3 d虚拟规划执行PROPLAN软件和出口到3-matic软件设计,然后使用生物相容性材料打印(12]。夏新等人,Rengier Mehndiratta使用专用的后处理算法从图像数据中提取空间模型集和出口机器可读数据(12,13]。

目前,很少有研究冠状动脉的3 d打印。本文探讨了3 d打印技术基于光学相干断层扫描的血管,冠状动脉造影。血管造影图像和光学相干断层扫描图像的前后冠状动脉狭窄患者植入支架的收集。八个病人的血管模型模型建模与三维重建技术提出的合并血管腔的形态轮廓的细节视图和曲率和长度信息提供的冠状动脉造影。输出STL文件格式后,内置的冠状动脉STL格式文件导入到3 d打印机和STL格式文件转换成机器码Gcode可以认可的3 d打印机。最后,冠状动脉模型3 d打印机执行打印操作。论文的主要贡献是最初完成特定的血管模型的3 d打印高血管狭窄段的直径之间的相关性提取三维重建模型。

与传统方案相比,我们的新方法具有高质量的模拟,在临床用途适用性,术前计划的便利。

2。方法

我们建议的框架的总体流程图如图5步骤1,主要包含5个步骤。原始图像预处理,用于重建血管的三维实体模型。然后三维点云提取生物可降解支架,这是介绍的重建bioabsorbable支架的三维实体模型。最后,植入后血管的三维实体模型的bioabsorbable支架是减法减少通过特性。

2.1。个性化的冠状动脉的三维重建

的个性化三维重建冠状动脉是由合并的形态轮廓的细节视图容器腔长度和曲率和冠状动脉造影资料。我们首先进行了三维重建与冠状动脉造影,其中包含的信息船曲率和高分辨率血管内光学相干断层扫描。重建步骤包括血管图像采集和预处理、三维血管重建实体模型,提取生物可降解支架的三维点云,重建的三维实体模型的生物可降解支架,(14)和减少功能减法bioabsorbable支架植入后血管的三维实体模型(15]。下面是一个具体的描述各个步骤的重建。

2.1.1。步骤1:获取和预处理血管图像

血管结构的中央线是根据冠状动脉造影图像中提取。根据框架的数量10月血管内的照片图片,平分中心线获得一系列的点,设定一个平面垂直于中线每一点。

2.1.2。步骤2:重建三维血管实体模型

每一帧被放置在相应的飞机从IVOCT图像序列,为了确定腔的轮廓,轮廓后,图像被删除。重复以上步骤为每个图像相对应的骨骼轮廓之前整个血管腔,选择每个血管腔的轮廓,执行扫描操作沿中心线的冠状动脉造影,血管和光滑的表面3 d最终产生血管实体模型(16]。数据2(一个)- - - - - -2 (c)代表的过程建模血管的三维模型。

2.1.3。步骤3:提取生物可吸收支架的三维点云

船段植入支架的列,首先,根据支架自动提取算法图3支架,每列显示指向的位置IVOCT每帧。当所有的脚手架点自动标记,一个离散的三维支架点云。点云的位置是脚手架的位置列IVOCT图表中的每一帧。几何空间结构可近似地得到支持的支持点云。

2.1.4。步骤4:生物可吸收支架的三维实体模型重建

构建支架后点云,为了恢复的网状结构支架,我们还需要手动连接支架列构建空间结构的生物可吸收支架血管腔。根据之前的信息,我们知道,支架由环形结构,其中每个连接的支架(17,18]。据观察,我们发现每一个10月3到4帧的距离是网状支架环的厚度,和stent-ring的结构可以由依次连接的点云中的支架列相邻3到4帧IVOCT的曲线。由于支架是厚,我们首先计算支架的直径列根据10月的照片。然后,建立一个新的飞机在飞机上垂直于环托架的曲线,以表面的交点,飞机,并且绘制一个圆的直径和厚度的预先计算的括号列。对于每一个环状结构的支架,支架的圆是横扫沿着曲线环来创建一个环形支架体厚度。三维点云及其支架的三维模型图4(一)和4 (b)。

2.1.5节讨论。第五步:减少和植入后血管的三维实体模型的生物可吸收支架特性减法

植入支架的血管段,我们减去bioabsorbable支架的血管生成实体的实体,形成对建模的血管支架槽实体强调支架结构,和恢复真正的三维血管腔结构支架放置(19]。三维血管模型的生物可吸收支架植入波纹表面如图5(一个)和5 (b)。

2.2。探索三维打印特定的血管模型

3 d打印技术在医学上的应用改变了传统的3 d模型的限制只能虚拟显示在电脑上。医生可以更准确的术前计划和提高手术的成功率分析病变的解剖结构特点通过个性化的医疗模式的实体。目前,临床医生主要设计操作计划基于CT、MRI、血管造影术,或2 d血管腔等光学相干断层扫描图像,血管超声图像,和临床经验。然而,这些成像技术只能在屏幕上呈现二维视野和不能允许医生想象空间几何的血管评估(20.]。3 d打印技术可以应用到复杂的心血管疾病的诊断和治疗。冠状动脉的三维模型可以方便医生直观的触摸和测量病理性血管段,以确定手术的关键步骤,选择合适的血管分支的大小,和制定最佳的手术计划,可以减少不平衡支架依从性的可能性,从而大大提高介入手术的有效性(21,22]。

个人几何的冠状动脉病变的每个分支变化很大,治疗方案比较复杂,尤其是在支架的选择和植入介入手术的位置。在本文中,我们试图探索空间几何的冠状动脉通过使用3 d打印技术。通过个性化的冠状动脉的三维重建,我们已经成功地获得了三维血管模型结构。三维模型的结构将改变情况下,临床医生认为冠状动脉病变的基础上自己的过去的经验。定量实验结果还表明,3 d打印技术高质量可视化和三维模型的有效性个性化的冠状动脉冠状动脉介入手术和术前规划。

3所示。实验

在这项研究中,我们收集了血管造影图像和光学相干断层扫描图像的前后冠状动脉狭窄患者植入支架。8患者的血管模型的3 d建模提出了使用三维重建技术和STL文件格式输出。

通过分析常见的3 d打印技术的优点和缺点,本研究选择一个3 d打印机基于熔融沉积成型技术进行研究冠状动脉的几何形态结构。考虑到冠状动脉血管模型很小,为了能观察到不同的血管模型的结构差异更直观地通过印刷血管模型,我们首先进行了2 x形态规模扩大的3 d模型。在这项工作中,我们选择了熔融沉积3 d打印机EasyArts模型的领域,聚乳酸作为印刷材料(4]。设备的参数X,Y,Z的方向的精度0.02毫米和160年的最大打印大小160年160毫米。印刷时,每一层的厚度是0.05 - -0.3毫米,喷嘴的尺寸是0.3毫米,喷嘴温度加热范围是170 - 280摄氏度。

后冠状动脉STL格式文件导入3 d打印机,第一步是检查STL格式文件。建模的原始模型可能有一些小缺陷,为了使模型更加完整,我们需要检查STL模型的完整性,然后填充,光滑,旋转,缩放等等。STL格式文件转换成机器码Gcode可以被一个3 d打印机,它生成一个印刷底板,打印的支持,和其他操作基于模型结构。3 d打印机进行冠状动脉模型打印操作。在计算机的控制下,喷嘴沿移动xy飞机和熔丝semiflowing状态挤出喷嘴,涂在工作台,冷却形成截面。一层成型后,喷嘴向上一层高度和根据这往复操作堆叠形成三维实体在年底前打印。

4所示。结果

后处理步骤包括支持,表面抛光,和其他操作。

最后,一个平滑的3 d打印血管模型实体实现如图6。

印刷固体冠状动脉狭窄部分的直径和直径的正常段使用游标卡尺测量(图7),相比狭窄部分的直径和正截面的直径在冠状动脉的三维模型软件。

比较冠状动脉8例的CAD模型和3 d印刷物理模型如图8。

图8显示打印冠状动脉狭窄的强劲部分的直径和直径的正常部分是使用游标卡尺测量的和比较狭窄的部分的直径和正截面的直径在CAD模型。从数据和一系列的测量包括9- - - - - -11。可以看出,狭窄段的直径测量的3 d打印模型是高度相关的直径狭窄段从CAD模型中提取。表1显示,3 d打印模型和CAD模型的3 d测量狭窄和nonstenosis冠状动脉段。

血管的来源数据丰富,包括冠状动脉造影时,使用x射线采集、血管内超声图像获得使用超声波技术,血管内的光学相干断层扫描图像获得通过光学相关断层,磁共振血管造影和计算机断层扫描图像。血管数据不仅保留了信息表面的血管也包含丰富的信息在血管的内部结构,这有利于相关心血管疾病的影像学诊断在诊所23,24]。然而,上述成像技术只能提供一个二维的视野在屏幕上,不能允许医生直观地评估整个血管的空间几何(25]。

血管的3 d打印技术在心血管疾病的诊断和治疗具有非常重要的应用价值,我们认为这种技术具有以下两个主要优势。(1):高质量的模拟实验研究表明,3 d打印血管技术具有较高的模拟能力,可以准确模型的具体血管的病人。印刷实体模型是充分的一般临床应用需求和可以帮助医生更好地了解血管的细节。(2)术前规划:冠状动脉的三维模型促进血管移植术前规划的规划(26]。体现血管模型可以容纳的视觉触摸心脏病专家和测量血管的病变,以确定手术的关键步骤,选择适当的大小血管分支,发展最好的手术方案,减少支架依从性不均匀的可能性,大大提高介入手术的有效性(27]。与此同时,由于印刷材料的稳定性,实体模型还可以随时查看和由医生(28]。

5。结论

本文提出了一种新的框架打印三维血管模型具有高仿真值。实验结果得出结论,基于10月3 d打印血管模型和血管造影具有很高的相关性与血管三维重建模型。我们印刷的三维血管模型高仿真的特点,在临床应用的适用性,术前规划的方便,与传统方案相比具有明显的优势。它还提供了一个新方案治疗心血管疾病,具有极高的现实意义和良好的应用前景。在未来,进一步需要改进以下三个方面:(1)当前印刷血管模型是一个坚实的实体和不可能打印一腔容器,并进行模拟介入手术是不可能的。(2)当前印刷材料聚乳酸,这是非常难以阅读相比,维管组织。(3)使血管模型的时间还相对较长,并在后期需要手工去毛刺,自动性需要改进的地方。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这部分工作是支持由国家科技支持计划资助2015 baf10b01和中国自然科学基金资助81670403,81500381,81201069。

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