Advancing in heart surgical planning by using 3D printing technology

Abstract

Fyrir skurðaðgerð getur verið erfitt að sjá fyrir sér flókna lífræðilega uppbygginu útfrá tvívíddar myndum. Árangursríkara er að nota nákvæm þrívíddarprentuð módel, sem sýna eiginleika svæðisins sem aðgerð skal gera á. Markmið þessarar rannsóknar er að þróa plan hjartaskurðaðgerða með hjálp þrívíddar líkana. Það er gert með því að finna bestu læknisfræðilegu myndatæknina og bestu aðferðina til að búa til hjarta módelin. Samanburður var gerður á gæðunum á sex mismunandi læknisfræðilegum myndum og hjarta þrívíddar módelum, sem voru búin til útfrá þeim myndum. Tveir verkferlar voru hannaðir til að skapa hjarta módelin. Þessi módel er hægt að nota fyrir margvíslega hjartakvilla. Fyrsti verkferilinn snýst um að búa til líkan af hjarta sem sýnir blóðmagnið inni í hjartanu. Seinni verkferillinn býr til líkan sem sýnir holrýmið inni í hjartanu í smáatriðum. Mestu gæðin voru í hjarta módelum sem voru búin til úr myndum úr sneiðmyndatæki þar sem sjónsviðið var ≤ 220 mm, pixla stærðin ≤ 0.42 mm og þykktin á sneiðunum ≤ 0.75 mm. Með þessum myndum tekur styttri tíma að búa til þrívíddar líkanið og í því sjást meiri líffræðileg smáatriði. Báðir verkferlarnir voru notaðir til að búa til þrívíddar módel í tilfellum sjö sjúklinga. Af þeim eru fjögur tilfelli birt í þessari skýrslu. Allar aðgerðir sem hjarta þrívíddar módelin voru útbúin fyrir heppnuðust vel. Kostirnir við að nota þessi módel voru, minni tími á skurðstofu, betri yfirsýn yfir lífræðilega uppbygginu, aukið sjálfsöryggi læknisinns og betri samskipti við sjúkling. Gæðin eru stöðugt að aukast í læknisfræðilegum myndum og þrívíddarprentunnar tækni. Aukin upplausn í myndum og rauverulegri þrívíddarprentunnar tækni mun valda því að þrívíddar módel verða notuð meira fyrir margvíslegar hjarta aðgerðir. Að öllum líkindum verður lögð meiri áhersla á hagnýt þrívíddarprentuð módel í framtíðinni. Þessi líkön eru líkari hjartanu bæði í útliti, við snertingu og við notkun.

Visualising complex anatomy before performing surgeries is often difficult. Having 3D printed models that accurately display the region of interest can enable better visualisation. This study aims to improve heart surgical planning by finding the best imaging technique and segmentation workflow to create 3D printed heart models. A comparison was made between the quality of six medical scans of hearts and the 3D models created from those images. Two new workflows were created for segmentation that can be applied for diverse heart conditions. The first called heart segmentation, which involves visualising the volume of blood inside the heart. The second called heart cavity segmentation is used to visualise the internal cavity of the heart in detail.The best quality 3D printed heart models were made from images taken on a dual-source CT scanner capable of imaging multiple heart phases. The best practice is to have medical images with a pixel size ≤ 0.42 mm, field of view ≤ 220 mm and the slice thickness ≤ 0.75 mm. This provides a less time-consuming segmentation and a detailed 3D printed model. The segmentation workflows were tested on seven patient cases, four of which were displayed in this thesis. All surgical procedures that the 3D printed heart models were created for were performed successfully. The benefits of using these models include decreased surgical time, better anatomical visualisation, increased confidence of the operating surgeon and better patient communication. The quality in both medical imaging and 3D printing is constantly evolving. Better image resolution and a more realistic 3D printing technology will result in a wider spectrum of applications of 3D models in heart surgery. Future applications include detailed functional models, where the models have a more realistic look, feel and function.