3D打印技术:一种认识先天性心脏病的新方法

目的:运用3D打印技术建立具有精准解剖结构的先天性心脏病三维模型。探讨3D打印的心脏模型对于临床诊断和手术计划制定的意义。材料与方法:一例4个月的儿童经超声心动图诊断患有复杂先天性心脏病,行64排前门控增强CT扫描后获得图像资料;通过MIMICS 17.0软件将CT DICOM数据导入并对感兴趣区域(ROI)做图像后重建处理;使用区域生长的方法根据CT值的不同来分割图像之后生成标准镶嵌语言(Standard Tessellation Language,STL)文件数据;将数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模过程。结果:3D模型不但能清晰地显示上述解剖畸形,且能更好地展示室间隔缺损位置、室间隔缺损与房室瓣及两大血管的关系、两大血管的空间结构关系及主动脉缩窄的立体展现。结论:3D打印技术应用于先天性心脏病,不但能清晰显示解剖畸形,还能更好地显示心内畸形和心外大血管的空间关系,将更有效地辅助诊断并应用于术前手术方案的制定,为先天性心脏病患者带来精准化的治疗。     

三维打印技术在狭颅症矫治手术中的应用

目的:运用三维(3D)打印技术建立具有精准解剖结构的狭颅症头颅3D模型和模拟术后头颅3D模型,探讨3D打印的3D头颅模型对临床诊断和手术计划制定的意义。方法:1例8个月患有严重狭颅症的儿童,行CT扫描后获得影像资料;使用mimics 18.0软件导入CT DICOM数据并对感兴趣区域做图像重建后处理,得到三维头颅重建模型;再运用3-Matic10.0软件对狭颅症头颅模型进行手术模拟操作,得到模拟术后的3D头颅重建模型;将患者3D头颅重建模型和模拟术后的3D头颅重建模型保存成STL格式;最后把数据导入OBJET 260 3D打印机后即完成建模过程。结果:依据3D打印模型模拟手术操作并设计手术方案,手术顺利实施,患儿在术后恢复了完美的头型。结论:3D打印技术能有效地进行辅助诊断并应用于狭颅症矫治术前手术方案的制定,为狭颅症患者带来个性化、精准化的治疗。     

3D打印技术在股骨髁上骨折医患沟通中的效果研究

目的　探讨Mimics18.0软件数字化设计结合3D打印骨折模型进行手术规划,术前模拟手术,辅助治疗复杂型股骨髁上骨折内固定及在医患沟通环节的效果研究。 方法　筛选10例复杂型股骨髁上骨折患者,将患者的骨折部分及全套内固定物的薄层CT数据导入Mimics 18.0软件,进行骨折三维建模、骨折块虚拟复位、建立股骨髁上骨折内固定物标准件库、选取最佳匹配的钢板及螺钉。3D打印出患者1:1的股骨髁上骨折实体模型, 术前应用3D打印模型与患者及其家属沟通并进行3D打印模型的效度验证。让患者及其家属直接接触骨折3D模型并观看在模型上按照数字化设计进行模拟手术-将股骨髁上重建板的位置、钉道长度和方向同数字化设计比较,确定术中使用的钢板及螺钉。最后,按照术前模拟演练进行实际手术骨折复位、钢板内固定。 结果　术前应用3D模型获得了良好的沟通效果,患者及其家属理解度和满意度高。应用3D打印技术模拟手术共植入1块锁定钢板和8枚螺钉,钢板植入的位置、螺钉植入的方向均与数字化术前设计高度一致,钉道长度与数字化术前设计比较无显著性差异(P>0.05)。实际手术与模拟手术的手术效果一致。 结论　数字化设计结合3D打印技术在医患沟通方面效果显著,且实现了复杂型股骨髁上骨折的个体化、精准化治疗,明显减少了患者的术中出血量,缩短了患者的康复周期。     

铱源驻留步长对宫颈癌三维近距离治疗计划的影响

目的:研究宫颈癌近距离治疗计划设计中,铱源驻留步长选择对计划评估及剂量稳定性的影响。方法:选取在安徽省肿瘤医院接受治疗的15例宫颈癌患者,均接受Fletcher型施源器植入的铱源高剂量率CT引导下近距离治疗。按照驻留步长大小分别为每位患者制定4组计划（Plan_1 mm、Plan_3 mm、Plan_5 mm和Plan_7 mm）,对比治疗时长,靶区D100、D90和V100和危及器官D2 cc、SF系数等参数。模拟计算施源器发生脚向3 mm移位时剂量分布,分析施源器移位对不同驻留步长近距离治疗计划剂量学的参数影响。结果:不同驻留步长治疗计划的高危靶区（HRCTV）剂量学参数差异不明显（P>0.05）,而Plan_1 mm、Plan_3 mm的中危靶区（IRCTV）的D100、D90、V100和治疗时长均大于Plan_5 mm,且差异有统计学意义（P<0.05）;Plan_5 mm计划中危及器官SF参数的平均值和中位值最小;Plan_5 mm在施源器移位后HRCTV和IRCTV的D90平均降幅最小,分别为2.88%和0.91%。结论:宫颈癌近距离治疗计划的制定应选择合适的铱源驻留步长,使得治疗计划不仅满足剂量评估要求,还具有一定的剂量传递稳定性。     

基于3D打印的胸部个体化剂量验证体模设计

目的:为更精确地对治疗计划进行验证,利用3D打印设计出反映患者真实情况的个体化体模。方法:依据病人定位时的CT图像重建并进行3D打印得到患者的三维立体结构空壳,然后以CT值为依据选择各组织的辐射等效材料完成填充,即得到体现病人特征的个体化剂量验证体模。结果:将合成的等效材料行CT扫描,骨组织、肺组织、软组织、肿瘤CT值分别为1 100、-747.6、-22、-471 HU,误差均小于22%。结论:最终设计的胸部体模能够较准确地体现个体之间的差异,等效材料辐射等效性较好,可用于实际剂量验证。     

一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法

背景：脊柱术前三维影像有助于诊断和治疗,术中患者体位变化将引起脊柱形态改变,致使术前影像不能反映术中实际情况,无法确保手术的顺利实施。 目的：利用脊髓手术中影像校正术前脊柱模型形态。 方法：实验提出了一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法,借助数字影像重建技术完成术前X射线图像与CT体数据的2D/3D配准,进一步完成术中、术前X射线图像中独立椎段的特征匹配,利用上述配准结果实现术前脊柱CT模型的术中快速校正。 结果与结论：采用附有标记的颈椎标本进行实验,校正后可基本消除术前脊柱模型与术中形态的偏差,其误差可控制在1 mm以内,能够满足医学临床要求。     

基于CT数据的3D打印技术在儿童发育性髋关节脱位手术中的应用

目的探讨基于髋关节CT影像数据的3D打印技术在儿童发育性髋关节脱位(DDH)手术中的应用价值。方法选取行手术治疗的DDH患儿62例,根据制定的手术方案分为3D打印组(30例)和常规手术组(32例)。3D打印组术前根据患儿髋关节CT扫描数据进行3D模型打印,并制定手术方案、模拟手术操作,根据3D模型行Pemberton髋臼截骨联合股骨截骨术;常规手术组根据术前三维CT图像制定的手术方案进行Pemberton髋臼截骨联合股骨截骨术。记录并比较2组患者手术时间、髋臼指数矫正、沈通氏线是否连续、术中出血量等。结果 2组手术时间、术中出血量比较,差异均有统计学意义(P 0.05)。2组髋关节髋臼指数矫正、术后沈通氏线连续比较,差异无统计学意义(P 0.05)。结论基于髋关节CT影像数据的3D打印技术辅助行DDH手术能显著缩短手术时间,减少术中出血量,提高手术成功率,改善预后,为患儿提供了更精准、个体化的诊疗方案。     

3D打印技术在髋臼双柱骨折手术治疗中的辅助作用

目的探讨3D打印技术在髋臼双柱骨折手术治疗中的辅助作用。方法回顾性分析2012年1月至2018年11月本院创伤骨科治疗并获得随访的19例髋臼双柱骨折患者,在术前采用3D打印技术制作骨盆髋臼模型并在该模型上完成预手术、钢板塑形、术前规划,最终实施切开复位内固定手术。所有患者术前均采集骨盆髋臼CT数据,进行三维重建,将数据输入3D打印计算机软件,采用3D打印技术打印骨盆模型,进行术前规划及模拟手术。统计患者的手术时间、术中出血量、术后骨折复位情况及髋关节功能评分。末次随访根据改良的Merle d’Aubigne和Postel评分标准评定临床结果。结果本组19例髋臼双柱骨折患者均获得良好的骨折复位。手术时间为1.5~3.6 h,平均2 h;术中出血量为220~1 300 mL,平均523 m L;骨折愈合时间为9~16周,平均13.2周。末次随访根据改良的Merle d’Aubigne和Postel评分标准:优10例,良7例,可1例,差1例,优良率89.5%。结论利用3D打印技术,在术前能为髋臼双柱骨折患者制定精准的手术方案,缩短手术时间,缩短创伤骨科医师的学习曲线,临床效果良好。     

数字化结合3D打印技术辅助复杂骨盆骨折的手术设计

目的　探讨Mimics14. 11软件数字化结合3D打印模型模拟手术辅助复杂骨盆骨折内固定的手术设计。 方法　筛选1例复杂骨盆骨折患者,将患者的骨盆及全套内固定物的薄层CT数据导入Mimics 14.11软件,进行骨折三维建模、骨折块虚拟复位、建立骨盆内固定物标准件库、选取最佳匹配的钢板及螺钉。3D打印出患者1:1的骨盆实体模型, 在模型上按照数字化设计进行模拟手术,将骨盆重建板的位置、钉道长度和方向同数字化设计比较,确定术中使用的钢板及螺钉。最后,按照术前演练进行实际手术骨折复位、钢板内固定。 结果　模拟手术共植入2块重建钢板和15枚螺钉,钢板植入的位置、螺钉植入的方向均与数字化术前设计高度一致,钉道长度与数字化术前设计比较无显著性差异(P>0.05)。实际手术与模拟手术的手术效果一致。 结论　数字化设计结合3D打印技术实现了复杂型骨盆骨折的个体化、精准化治疗,明显减少了患者的出血量,缩短了患者的康复周期。     

不同厚度CT图像重建的DRR对射波刀治疗头部肿瘤精度的影响

采用1、2、3、4、5 mm共5种不同厚度的头部CT图像,将1 mm CT设计的计划作为基础,把基础计划中勾画的结构及靶区复制到其它4种不同的CT上生成相同剂量线分布的治疗计划。然后利用不同厚度CT图像生成的数字重建图像(DRR)进行六维(6D)引导定位治疗照射胶片,分析照射后胶片,得到1、2、3、4、5 mm层厚CT生成的DRR来定位6D追踪治疗头部病灶时产生的总误差是随着CT层厚的增加而增加。在1~4 mm层厚CT生成的DRR定位6D追踪治疗头部病灶产生的总误差随CT层厚的增加而变化较小,5 mm层厚CT生成的DRR定位6D追踪治疗头部病灶产生的误差较大,远大于系统要求误差。     

Image-guided high dose rate endorectal brachytherapy

Fractionated high dose rate endorectal brachytherapy (HDR-EBT) using CT-based treatment planning is an alternative method for preoperative down-sizing and down-staging of advanced rectal adeno-carcinomas. The authors present an image guidance procedure that was developed to ensure daily dose reproducibility for the four brachytherapy treatment fractions. Since the applicator might not be placed before each treatment fraction inside the rectal lumen in the same manner as it was placed during the 3D CT volume acquisition used for treatment planning, there is a shift along the catheter axis that may have to be performed. The required shift is determined by comparison of a daily radiograph with the treatment planning digitally-reconstructed radiograph (DRR). A procedure is developed for DRR reconstruction from the 3D data set used for the treatment planning, and two possible daily longitudinal shifts are illustrated: above and below the planning dose distribution. The authors also describe the procedure for rotational alignment illustrated on a clinical case. Reproduction of the treatment planned dose distribution on a daily basis is crucial for the success of fractionated 3D based brachytherapy treatments. Due to the cylindrical symmetry of the applicator used for preoperative HDR-EBT, two types of adjustments are necessary: applicator rotation and dwell position shift along the applicator's longitudinal axis. The impact of the longitudinal applicator shift prior to treatment delivery for 62 patients treated in our institution is also assessed.     

Accurate localization of intracavitary brachytherapy applicators from 3D CT imaging studies

PURPOSE: To present an accurate method to identify the positions and orientations of intracavitary (ICT) brachytherapy applicators imaged in 3D CT scans, in support of Monte Carlo photon-transport simulations, enabling accurate dose modeling in the presence of applicator shielding and interapplicator attenuation. MATERIALS AND METHODS: The method consists of finding the transformation that maximizes the coincidence between the known 3D shapes of each applicator component (colpostats and tandem) with the volume defined by contours of the corresponding surface on each CT slice. We use this technique to localize Fletcher-Suit CT-compatible applicators for three cervix cancer patients using post-implant CT examinations (3 mm slice thickness and separation). Dose distributions in 1-to-1 registration with the underlying CT anatomy are derived from 3D Monte Carlo photon-transport simulations incorporating each applicator's internal geometry (source encapsulation, high-density shields, and applicator body) oriented in relation to the dose matrix according to the measured localization transformations. The precision and accuracy of our localization method are assessed using CT scans, in which the positions and orientations of dense rods and spheres (in a precision-machined phantom) were measured at various orientations relative to the gantry. RESULTS: Using this method, we register 3D Monte Carlo dose calculations directly onto post insertion patient CT studies. Using CT studies of a precisely machined phantom, the absolute accuracy of the method was found to be +/-0.2 mm in plane, and +/-0.3 mm in the axial direction while its precision was +/-0.2 mm in plane, and +/-0.2 mm axially. CONCLUSION: We have developed a novel, and accurate technique to localize intracavitary brachytherapy applicators in 3D CT imaging studies, which supports 3D dose planning involving detailed 3D Monte Carlo dose calculations, modeling source positions, shielding and interapplicator shielding, accurately.     

二维电离室矩阵在近距离治疗的质量保证中的应用

目的:测量后装治疗机在执行治疗计划过程中放射源在各驻留点的实际驻留时间,并与计划的驻留时间比较;观察放射源到达驻留位置的重复性。方法:利用IBA MATRIXX测量科霖众制造的后装治疗机。把一个透明的食管后装适源器固定在MATRIXX表面,用后装计划系统设计一个后装计划,治疗长度为15 cm,驻留点间距为0.5 cm,共计31个驻留点,总治疗时间为105 s,各驻留点时间权重相等。执行该后装治疗计划10次,记录下MATRIXX的测量数据。在测量过程中,MATRIXX选择MOVIE模式,每次测量采样时间为0.1 s。结果:放射源在各驻留点的驻留时间均为3.4秒,总治疗时间为105.4 s,与计划时间相差0.4%;31个驻留点因放射源到位置偏差引起各相应的主测量电离室计数值的相对标准偏差均小于10%。结论:用二维矩阵电离室验证后装治疗过程中放射源的驻留时间和到达驻留位的重复性是可行的。选择较小的测量采样时间,可提高测量驻留时间的精度。     

驻留时间离差限制参数对三维后装计划的影响分析

目的:研究驻留时间离差限制（DTDC）参数对三维后装计划的影响。 方法:选取在中国医科大学附属第一医院治疗的30例妇科肿瘤患者计划,施源器为Fletcher单独宫腔管、全部三管和阴道施源器,每例患者治疗前扫描CT,并由医生勾画靶区和危及器官,以0.1步进修改DTDC参数,由DTDC=0到DTDC=1共制定11个计划,归一至DTDC=0时计划下相应的数值。比较CTV的V150、V200,膀胱、直肠的D2cc,驻留时间总和,计划调制指数,分析DTDC参数的修改对三维后装计划的影响。 结果:随着DTDC的增加,阴道施源器,Fletcher施源器单独宫腔管和全部三管使用时,CTV的V150和V200分别升高至105%和109%、102%和104%以及115%和120%,直肠和膀胱的D2cc分别至101%和102%、99%和99%以及115%和101%;总驻留时间分别达到DTDC=0时的96%、97%和104%。 结论:宫颈癌三维后装计划的制定针对不同的施源器应该选用合适的DTDC参数,给予患者更加合理治疗计划。     

颈椎弓根置钉植入的新型3D打印导板有效性研究

目的　通过评价新型3D打印的导板在手术中植入颈椎椎弓根螺钉的有效性,旨在为颈椎内固定器械操作提供准确和安全的方法。 方法　6例无病损成人颈椎标本,CT扫描后重建颈椎的三维数字化模型,根据颈椎椎板的具体的解剖形态特征,设计与颈椎椎板的特异性反向模板,3D 打印出颈椎的导航模块,保证进钉通道的方向和深度。采用个体化的3D导板技术, 6例标本植入84枚钉,X线片和CT图像评价术前设计的椎弓根钉进入的长度和宽度与术后实际符合程度。 结果　通过数字化技术打印的个体化3D导板与颈椎椎板吻合程度高度一致,可以控制植入螺钉方向和长度。采用此导板植入的84枚螺钉中,79枚螺钉位于椎体内,5例穿破椎弓根外出骨皮质,无椎板周围重要解剖结构损伤,椎弓根钉进入的长度符合率达到100%,椎弓根钉进入的宽度符合率达到94.05%。 结论 新型3D打印导板使颈椎椎弓根植入的长度和宽度均达到良好的可控性,并且提高了颈椎椎弓根植入的安全性和准确率。     

三维重建及3D打印技术在骨盆三维特征测量准确性研究

目的　研究分析尸体骨盆与其三维重建数字化模型及3D打印实体模型的三维特征测量结果差异。 方法　选择1具中年男性骨盆标本,根据骨盆的生理学结构特点在骨盆标本表面选取并固定共计14个特征点,并使用三坐标仪测量并记录特征点的三维坐标;使用CT设备对固定了特征点的骨盆标本进行1.0 mm的断层扫描;使用三维医学图像软件（Delta Medical Studio,DMS）对获取的扫描图像进行三维重建,并记录特征点的三维坐标;使用3D打印设备（熔融沉积成型,FDM）及光固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）打印三维重建模型,三坐标仪测量记录特征点的三维坐标;通过记录的三维坐标分别计算尸体标本、数字模型、3D打印实体模型的特征点之间的距离及夹角;从最大误差、平均误差、t值验证等角度分析三组数据的误差情况。 结果　三维重建数字化骨盆模型的特征测量距离的平均误差约为0.5 mm,角度平均误差约为0.35 o;3D打印模型相对于骨盆标本的距离测量的平均误差约为0.8~1.1 mm,角度平均误差约为0.4°~0.5°。 结论 三维重建模型和3D打印实体模型对于骨盆术前的参考及测量精度方面具备可靠性,可根据实际需求选择3D打印模型作为骨盆术前规划的参考。     

三维重建及3D打印技术在骨盆三维特征测量准确性研究

目的　研究分析尸体骨盆与其三维重建数字化模型及3D打印实体模型的三维特征测量结果差异。 方法　选择1具中年男性骨盆标本,根据骨盆的生理学结构特点在骨盆标本表面选取并固定共计14个特征点,并使用三坐标仪测量并记录特征点的三维坐标;使用CT设备对固定了特征点的骨盆标本进行1.0 mm的断层扫描;使用三维医学图像软件（Delta Medical Studio,DMS）对获取的扫描图像进行三维重建,并记录特征点的三维坐标;使用3D打印设备（熔融沉积成型,FDM）及光固化成型（Stereo Lithography Appearance,SLA）打印三维重建模型,三坐标仪测量记录特征点的三维坐标;通过记录的三维坐标分别计算尸体标本、数字模型、3D打印实体模型的特征点之间的距离及夹角;从最大误差、平均误差、t值验证等角度分析三组数据的误差情况。 结果　三维重建数字化骨盆模型的特征测量距离的平均误差约为0.5 mm,角度平均误差约为0.35 o;3D打印模型相对于骨盆标本的距离测量的平均误差约为0.8~1.1 mm,角度平均误差约为0.4°~0.5°。 结论 三维重建模型和3D打印实体模型对于骨盆术前的参考及测量精度方面具备可靠性,可根据实际需求选择3D打印模型作为骨盆术前规划的参考。     

Personalized development of human organs using 3D printing technology

3D printing is a technique of fabricating physical models from a 3D volumetric digital image. The image is sliced and printed using a specific material into thin layers, and successive layering of the material produces a 3D model. It has already been used for printing surgical models for preoperative planning and in constructing personalized prostheses for patients. The ultimate goal is to achieve the development of functional human organs and tissues, to overcome limitations of organ transplantation created by the lack of organ donors and life-long immunosuppression.We hypothesized a precision medicine approach to human organ fabrication using 3D printed technology, in which the digital volumetric data would be collected by imaging of a patient, i.e. CT or MRI images followed by mathematical modeling to create a digital 3D image. Then a suitable biocompatible material, with an optimal resolution for cells seeding and maintenance of cell viability during the printing process, would be printed with a compatible printer type and finally implanted into the patient.Life-saving operations with 3D printed implants were already performed in patients. However, several issues need to be addressed before translational application of 3D printing into clinical medicine. These are vascularization, innervation, and financial cost of 3D printing and safety of biomaterials used for the construct.     

组配式角度定位仪与3D打印导航模板在椎弓根螺钉置钉中应用效果的对比研究

目的 对比分析角度定位仪与3D打印导航模板在椎弓根螺钉置钉中的临床应用效果。方法 前瞻性随机对照研究。纳入2017年1月—2020年7月溧阳市人民医院脊柱外科收治的脊柱骨折或脊柱退行性变患者40例,其中男18例、女22例,平均年龄59.55岁。术前均行CT薄层扫描,将获取的Dicom数据导入Mimics 19.0软件,分割手术节段,设置进钉通道后进行模型3D打印。病变节段包括颈椎、胸椎、腰椎,按照不同节段进行区组随机化分组,分为定位仪组和导航模板组,各20例,均行后路钉棒内固定术。定位仪组:将夹具固定模型在俯卧位状态,定位仪先进行脊柱水平校零,测量进钉通道的水平面螺钉置入角度(TSA)角及矢状面螺钉置入角度(SSA)+A角(椎体倾斜角)。术中通过定位仪进行手术床的水平校零,采用预演的进钉角度,置入椎弓根螺钉。导航模板组:采用个体化设计的椎弓根定位导航模板,3D打印后进行模拟操作,随后用于术中椎弓根定位。对比观察两组患者临床基线资料,以及模拟手术时间、临床手术中显露与置钉时间;术后复查CT,根据Andrew椎弓根螺钉CT位置分级标准评价椎弓根钉位置。结果 两组患者年龄、性别、疾病类型、病变节段部位等基线资料比较,差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。40例患者均顺利完成手术,共置入椎弓根螺钉185枚。定位仪组患者模拟手术时间为(13.55±5.92) min,导航模板组为(13.60±5.06) min,差异无统计学意义(t=0.029, P＞0.05);定位仪组术中显露与置钉时间为(53.25±15.59) min,短于导航模板组的(66.90±19.80)min,差异有统计学意义(t=2.423, P＜0.05)。40例185枚椎弓根螺钉位置均为Ⅰ~Ⅱ级,定位仪组Ⅰ级86枚、Ⅱ级5枚,导航模板组Ⅰ级91枚、Ⅱ级3枚,两组比较差异无统计学意义(χ²=0.593, P＞0.05)。无一例出现脊髓、神经根、血管损伤。结论 角度定位仪在椎弓根置钉方面与椎弓根定位导航模板均有良好的准确性,配合含进钉通道的3D打印模型,有效实现了个性化准确置钉的目的,保障了手术安全;定位仪组在显露与置钉时间方面优于导航模板组。