Summary
تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء نموذج مطبوع 3D لفقرة قطنية خاصة بالمريض ، والتي تحتوي على كل من نماذج الفقرات والأعصاب الشوكية المنصهرة من بيانات التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة (HRCT) و MRI-Dixon.
Abstract
بضع الجذور الظهري الانتقائي (SDR) هو عملية صعبة ومحفوفة بالمخاطر ومتطورة ، حيث لا ينبغي أن يكشف استئصال الصفيحة الفقرية عن مجال رؤية جراحي مناسب فحسب ، بل يجب أيضا حماية الأعصاب الشوكية للمريض من الإصابة. تلعب النماذج الرقمية دورا مهما في التشغيل المسبق والداخلي ل SDR ، لأنها لا يمكن أن تجعل الأطباء أكثر دراية بالبنية التشريحية لموقع الجراحة فحسب ، بل توفر أيضا إحداثيات ملاحة جراحية دقيقة للمعالج. تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء نموذج رقمي 3D للفقرة القطنية الخاصة بالمريض والتي يمكن استخدامها للتخطيط والملاحة الجراحية والتدريب على عملية SDR. يتم تصنيع نموذج الطباعة 3D أيضا لعمل أكثر فعالية خلال هذه العمليات.
تعتمد النماذج الرقمية التقليدية لتقويم العظام بشكل كامل تقريبا على بيانات التصوير المقطعي المحوسب (CT) ، وهي أقل حساسية للأنسجة الرخوة. يعد اندماج بنية العظام من التصوير المقطعي المحوسب والبنية العصبية من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو العنصر الأساسي لإعادة بناء النموذج في هذه الدراسة. يتم إعادة بناء النموذج الرقمي 3D الخاص بالمريض من أجل المظهر الحقيقي للمنطقة الجراحية ويظهر القياس الدقيق للمسافات بين الهياكل والتجزئة الإقليمية ، والتي يمكن أن تساعد بشكل فعال في التخطيط والتدريب قبل الجراحة على حقوق السحب الخاصة. تسمح مادة بنية العظام الشفافة للنموذج المطبوع 3D للجراحين بالتمييز بوضوح بين العلاقة النسبية بين العصب الشوكي والصفيحة الفقرية للجزء الذي يتم تشغيله ، مما يعزز فهمهم التشريحي وإحساسهم المكاني بالهيكل. مزايا النموذج الرقمي 3D الفردي وعلاقته الدقيقة بين العصب الشوكي والهياكل العظمية تجعل هذه الطريقة خيارا جيدا للتخطيط قبل الجراحة لجراحة SDR.
Introduction
يؤثر الشلل الدماغي التشنجي على أكثر من نصف جميع الأطفال المصابين بالشلل الدماغي1 ، مما يؤدي إلى تقلصات الأوتار ، ونمو الهيكل العظمي غير الطبيعي ، وانخفاض الحركة ، مما يؤثر بشكل كبير على نوعية حياة الأطفال المصابين2. باعتبارها الطريقة الجراحية الرئيسية لعلاج الشلل الدماغي التشنجي ، تم التحقق من صحة بضع الجذور الظهري الانتقائي (SDR) بالكامل وأوصت به العديد من البلدان 3,4. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المعقدة وعالية الخطورة لجراحة SDR ، بما في ذلك القطع الدقيق للصفيحة ، وتحديد موضع وتفكك جذور الأعصاب ، وقطع الألياف العصبية ، تمثل تحديا كبيرا للأطباء الشباب الذين بدأوا للتو في التعامل مع SDR في الممارسة السريرية ؛ علاوة على ذلك ، فإن منحنى التعلم لحقوق السحب الخاصة شديد الانحدار.
في جراحة العظام التقليدية ، يجب على الجراحين دمج جميع الصور ثنائية الأبعاد (2D) قبل الجراحة وإنشاء خطة جراحية ثلاثية الأبعاد5. هذا النهج صعب بشكل خاص للتخطيط قبل الجراحة الذي يتضمن الهياكل التشريحية المعقدة والتلاعب الجراحي ، مثل SDR. مع التقدم في التصوير الطبي وتكنولوجيا الكمبيوتر ، يمكن معالجة الصور المحورية 2D ، مثل التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لإنشاء نماذج افتراضية ثلاثية الأبعاد مع تشريح خاص بالمريض6. من خلال التصور المحسن ، يمكن للجراحين تحليل هذه المعلومات المعالجة لإجراء تشخيصات وتخطيط وتدخلات جراحية أكثر تفصيلا مصممة خصيصا لحالة المريض. في السنوات الأخيرة ، جذب تطبيق تقنية دمج الصور متعددة الوسائط في جراحة العظام الانتباه تدريجيا7. يمكن لهذه التقنية دمج صور التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يحسن بشكل كبير من دقة النموذج التناظري الرقمي 3D. ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه التقنية في نماذج ما قبل الجراحة من حقوق السحب الخاصة لم يتم بحثه بعد.
يعد تحديد المواقع الدقيقة للصفيحة والعصب الشوكي والقطع الدقيق أثناء جراحة SDR أمرا بالغ الأهمية لتحقيق نتائج ناجحة. عادة ، تعتمد هذه المهام على خبرة الخبراء ويتم تأكيدها بشكل متكرر بواسطة C-arm أثناء العملية ، مما يؤدي إلى عملية جراحية معقدة وتستغرق وقتا طويلا. يعمل النموذج الرقمي 3D كأساس للملاحة الجراحية SDR المستقبلية ويمكن استخدامه أيضا للتخطيط قبل الجراحة لإجراءات استئصال الصفيحة الفقرية. يدمج هذا النموذج بنية العظام من التصوير المقطعي المحوسب وبنية العصب الشوكي من التصوير بالرنين المغناطيسي ، ويخصص ألوانا مختلفة لأقسام الفقرات القطنية المحددة للقطع وفقا للخطة الجراحية. لا تسهل نماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه لحقوق السحب الخاصة التخطيط والمحاكاة قبل الجراحة فحسب ، بل تقوم أيضا بإخراج إحداثيات ملاحة ثلاثية الأبعاد دقيقة إلى الذراع الروبوتية أثناء العملية من أجل القطع الدقيق.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تأتي جميع البيانات من المريض السريري ، الذي أجريت عملية SDR في مستشفى BJ Dongzhimen. يتبع البروتوكول المبادئ التوجيهية وتمت الموافقة عليه من قبل لجنة أخلاقيات البحث في مستشفى Dongzhimen.
ملاحظة: تظهر الخريطة الكاملة لبروتوكول إعادة بناء النموذج في الشكل 1. بيانات التصوير المقطعي المحوسب عالية الدقة (HRCT) وبيانات ديكسون هي مواد خام للنمذجة. بعد ذلك ، يتكون إنشاء نموذج 3D من تسجيل الصور والانصهار. تتم طباعة النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد النهائي بواسطة تقنية PolyJet وهي عملية طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة تنتج أجزاء سلسة ودقيقة باستخدام مجموعة واسعة من المواد. من أجل وصف العلاقة المكانية بين الفقرة والعصب الشوكي بالضبط ، يتم استخدام بيانات HRCT وسلسلة صور ديكسون. يمكن لمسح ديكسون تحديد صور فصل الماء والدهون ، حيث يمكن استخدام سلسلة صور طور الماء ديكسون لاستخراج بنية الأعصاب الشوكية ، ويمكن استخدام سلسلة صور طور ديكسون للتحقق من تسجيل بنية العظام.
الشكل 1: الخريطة الكاملة للبروتوكول. تتضمن منهجية البحث في هذه الدراسة اندماج التصوير المقطعي المحوسب وتسلسل ديكسون بالرنين المغناطيسي. على وجه التحديد ، يتم تسجيل بنية فقرات التصوير المقطعي المحوسب ببنية الفقرات المتطابقة الموجودة في تسلسل Dixon-in ، متبوعا بالانصهار مع تسلسل Dixon-w للعصب الشوكي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
1. جمع البيانات وإعدادها
- التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة للفقرات
ملاحظة: فرق المعلمة غير حساس لطريقة البحث.- قم بتعيين موارد البيانات من محطة جهاز التصوير المقطعي المحوسب.
ملاحظة: هنا ، يتم استخدام جهاز SIEMENS-CTAWP73396 CT. - افتح برنامج Syngo CT 2012B لتلقي البيانات من بروتوكول الفحص SpineRoutine_1. حدد حجم البكسل وسمك الشريحة (ST) لمجموعة البيانات للتكيف مع حجم الفقرات المراد تمثيلها في النموذج الرقمي 3D.
- استخدم ST بحجم 1 مم بحجم مصفوفة 512 بكسل × 512 بكسل ، حيث يكون تباعد البكسل 0.3320 مم. الحجم الفعلي لحجم 3D الذي تم تحقيقه هو 512 × 512 × 204 فوكسل.
- قم بتعيين موارد البيانات من محطة جهاز التصوير المقطعي المحوسب.
- تسلسل ديكسون للعصب الشوكي
ملاحظة: يتم استخدام جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 T في هذه الدراسة.- اضبط دقة وضوح صورة Dixon على أنها 290 بكسل × 320 بكسل، وتباعد البكسل على 0.9375 مم، وسمك الشريحة على 3 مم للحصول على بيانات دقيقة.
- اضبط وقت التكرار على 5,160 مللي ثانية ووقت الصدى على 94 مللي ثانية.
- تأكد من أن كل طبقة ممسوحة ضوئيا تتكون من صور رباعية الأطوار، وهي Dixon-in وDixon-opp وDixon-F وDixon-w.
- إعداد ملفات تخزين البيانات لإعادة بناء النموذج.
ملاحظة: يعد هيكل تخزين البيانات المحدد جيدا أكثر ملاءمة لأعمال المتابعة.- قم بإنشاء مجلد مشروع ليحتوي على جميع البيانات الخاصة بالمريض.
- قم بإعداد مسارات ملفات مختلفة لبيانات HRCT و MRI-Dixon عن طريق إنشاء مجلدات مختلفة لبيانات التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM).
- قم بإنشاء مجلد منفصل ضمن المشروع لجميع نتائج التحليل.
2. نموذج الفقرات الرقمية 3D
ملاحظة: تأتي جميع وظائف العمليات الفرعية من أدوات برمجية تنتمي ملكيتها إلى شركة Beijing Intelligent Entropy Science &Technology Co Ltd.
- استدعاء العملية الفرعية Dicom2Mat في مكان عمل MATLAB للحصول على وحدة تخزين 3D من ملفات DICOM المخزنة في مجلد بيانات HRCT.
- بعد الخضوع للعملية الفرعية Dicom2Mat ، اعرض كل شريحة داخل وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد من خلال واجهة المستخدم الرسومية (GUI) ، كما هو موضح في الشكل 2.
- بعد ذلك ، تصور توزيع شدة بيانات HRCT للفقرات بواسطة وظيفة hist (الشكل 3).
- قم باستدعاء العملية الفرعية NoiseClean لحذف ضوضاء الإشارة التي يشكلها الجهاز ضمن مسارات ملف بيانات HRCT.
- استخدم العملية الفرعية لوظيفة الفقرات تحت نفس المسار للحصول على نموذج الفقرات ، وهو أيضا حجم 3D ولكن فقط مع بنية العظام (الشكل 4). معلمات مرشح الترددات العالية ، تتراوح شدتها من 190 إلى 1656.
3. نموذج العصب الشوكي الرقمي ثلاثي الأبعاد
ملاحظة: يحتوي Dixon-in على بنية عظمية ، بينما يصف Dixon-w البنية العصبية.
- استخدم العملية الفرعية Dicom2Mat في كلا مساري تسلسل Dixon-in و Dixon-w واحصل على حجم 3D الخاص بهم.
- علاوة على ذلك ، تصور كل شريحة فردية تشكل وحدة تخزين 3D باستخدام واجهة المستخدم الرسومية المعروضة في الشكل 5. قم بالوصول إلى هذا التصور بمجرد اكتمال العملية الفرعية Dicom2Mat .
- استخدم وظيفة Spinal_Nerve لإعادة بناء نموذج العصب الشوكي باستخدام معلمات مرشح الترددات العالية ، والتي تتراوح شدتها من 180 إلى 643. لأن إشارات العصب في تسلسل Dixon-w عالية جدا ، استخرج حجم العصب الشوكي 3D عن طريق تصفية النقاط ذات الكثافة المنخفضة.
- عند الانتهاء من العملية الفرعية Spinal_Nerve ، تحقق من النموذج الذي تم إنشاؤه في واجهة المستخدم الرسومية الموضحة في الشكل 6.
4. التسجيل والانصهار
ملاحظة: البصيرة الرئيسية هي أن بنية العظام موجودة في كل من HRCT و Dixon-in تسلسل التصوير.
- انسخ وحدات التخزين ثلاثية الأبعاد الثلاثة التي تم الحصول عليها حتى الآن إلى مسار ملف المشروع الذي تم إجراؤه في الخطوة 3.1. تتضمن النماذج من HRCT و Dixon-in نفس بنية الفقرات ، والنماذج من Dixon-in و Dixon-w لها نفس الإحداثيات.
- بعد ذلك ، ضع أسماء ملفات النماذج الثلاثة في العملية الفرعية vertebra_fusion كمدخل لإنشاء نموذج الاندماج. يمكن تصور ذلك في الشكل 7.
- عادة ما يتم الانصهار بشكل جيد. إذا كان الضبط الدقيق ضروريا من وجهة نظر الطبيب ، فأضف معلمات الإحداثيات في جميع الاتجاهات إلى نفس الوظيفة لتصحيح نموذج الاندماج. إذا لوحظت أخطاء طفيفة في الاندماج من منظور سريري ، فاستخدم وظيفة vertebra_fusion لضبط إحداثيات الاندماج. تتضمن هذه العملية تعديلات المعلمات على الأبعاد الستة لاتجاه الإحداثيات (إحداثيات XYZ ودورانها).
- قم بإنشاء مجلد منفصل في دليل المشروع لإخراج نتيجة نموذج الاندماج.
5. ملفات نموذج رقمي للطباعة 3D
ملاحظة: يتم استخدام جهاز طباعة 3D مطور بالكامل لتصنيع النموذج الرقمي المذكور أعلاه ، مع تنفيذ تثليث Delaunay. هنا ، تم استخدام طابعة Stratasys J55 Prime 3D.
- تصدير نماذج الانصهار لاستخدامها في الطباعة 3D في تسلسلات تنسيق DICOM تحت مسار ملف دليل الانصهار. استخدم خوارزمية Mat2Dicom لتنفيذ عملية التصدير عن طريق إدخال نموذج الاندماج.
- افتح تسلسل ملف DICOM الذي تم تصديره مسبقا باستخدام Materialise Mimics V20. لتنفيذ عملية التصدير ، انتقل إلى قائمة التصدير ضمن علامة التبويب ملف وحدد تنسيق VRML. يمكن تخصيص مسار الملف للتصدير بحرية وفقا لمتطلبات المستخدم.
- نظرا لأن الطباعة الملونة الشفافة 3D هي خدمة احترافية ، قم بضغط ملفات VRML وتعبئتها وإرسالها إلى مزود الخدمة. تظهر نتيجة الطباعة ثلاثية الأبعاد في الشكل 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
استنادا إلى بيانات دمج صور التصوير المقطعي المحوسب القطني / التصوير بالرنين المغناطيسي لدى الأطفال المصابين بالشلل الدماغي ، أنشأنا نموذجا تمثيليا للعمود الفقري القطني جنبا إلى جنب مع الأعصاب الشوكية. تم استخدام ترشيح الترددات العالية لاستخراج الإشارة العالية في نطاق قيمة التصوير المقطعي المحوسب من 190-1656 من HRCT ، وذلك لتحقيق إعادة بناء البنية العظمية للعمود الفقري القطني في منطقة العملية. تم إعادة بناء هياكل الأعصاب الشوكية من خلال ترشيح التمرير العالي لتسلسل Dixon-w في التصوير بالرنين المغناطيسي. تم الحصول على النموذج الرقمي وإحداثيات بيانات السحب النقطية لهيكل العمود الفقري القطني واندماج العصب الشوكي من خلال التسجيل الصلب ، وتم حفظ الملف بتنسيق الطباعة الحجرية المجسمة (STL) لقياس البيانات ومواصلة معالجة الطباعة. يتم تحويل ملفات النموذج الرقمي STL إلى تنسيق VRML لنقلها إلى طابعة Stratasys J55 Prime 3D. لإظهار تشريح موقع الجراحة بنشاط أثناء جراحة SDR ، قمنا بطباعة العظام في راتنج شفاف وطبعنا الأجزاء الأخرى بألوان مختلفة. يمكن للنموذج المطبوع 3D بعد ذلك الكشف عن العلاقة المكانية للمواقع الجراحية الرئيسية في SDR للجراحين والمرضى أثناء التخطيط والتدريب قبل الجراحة.
يوفر نموذج العمود الفقري القطني 3D الشخصي الذي تم الحصول عليه إمكانية التخطيط قبل الجراحة والتدريب على SDR. تستخدم أصباغ ملونة مختلفة لتلطيخ وتمييز الهياكل ، مثل العظام والأعصاب. كما هو موضح في الشكل 8 ، فإن بنية العصب الشوكي مصبوغة باللون الأصفر ، وتتميز الصفيحة المكونة من شرائح L4 و L5 في منطقة العملية المقابلة بتلطيخ أحمر وأزرق ، على التوالي. تتم طباعة بنية العظام باستخدام مادة راتنجية شفافة ، والتي لها منظور جيد ، مما يسمح للأطباء بمراقبة بنية العصب تحت الصفيحة من خلال بنية العظام. يستعيد النموذج الشخصي والمخصص حقا العلاقة المقابلة بين بنية العظام القطنية في منطقة العملية وتشريح العصب الشوكي ، مما يسمح للأطباء بتحديد اتجاه القطع المناسب والمدى بشكل أفضل قبل العملية.
الشكل 2: واجهة المستخدم الرسومية للشرائح في المجلد من بيانات HRCT. من خلال واجهة المستخدم الرسومية الموضحة في الشكل ، يمكن للجراحين عرض بنية العمود الفقري الموجودة في جميع بيانات التصوير المقطعي المحوسب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: توزيع شدة بيانات HRCT للفقرات. هذه المعلومات الكمية مفيدة في تحديد نطاق ترشيح بنية الفقرات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: واجهة المستخدم الرسومية لحجم 3D للفقرات. يوضح الشكل وجهات النظر الثلاثة للفقرات وحجم 3D في نفس الوقت. من خلال واجهة المستخدم الرسومية هذه ، يمكن للجراحين مراقبة فقرات المرضى من أي منظور مرغوب. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: واجهة المستخدم الرسومية للشرائح في المجلد من Dixon-in و Dixon-w. يمكن تصفح تصوير ديكسون بسرعة ، ويمكن فحص صور فقرات المرضى وأعصابهم الشوكية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: واجهة المستخدم الرسومية لحجم 3D للعصب الشوكي. إعادة بناء 3D لتسلسل Dixon-w للمريض لمراقبة بنية 3D للعصب الشوكي للمريض. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: واجهة المستخدم الرسومية لنموذج الانصهار (الحجم الرقمي 3D). يحتوي المجلد ثلاثي الأبعاد على كل من البنية الفقرية من بيانات التصوير المقطعي المحوسب والبنية ثلاثية الأبعاد للعصب الشوكي من الرنين المغناطيسي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: نموذج الطباعة ثلاثية الأبعاد لتخطيط حقوق السحب الخاصة والتدريب عليها. يظهر نموذج الطباعة 3D الملونة الشفافة البنية التشريحية للمنطقة التي تحتاج إلى إجراء جراحة SDR على المريض. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
توفر هذه الدراسة سير عمل لإنشاء نموذج طباعة 3D قبل الجراحة للعمود الفقري القطني في المرضى الذين يعانون من الشلل الدماغي ، بهدف تسهيل التخطيط قبل الجراحة لجراحة SDR وتعزيز التدريب التشريحي بناء على نموذج المريض المحدد. تهدف الدراسة إلى إنشاء نموذج مطبوع 3D موثوق به للغاية يوضح بدقة الهياكل الفقرية والعصبية للمريض. من خلال قياس موضع الصفيحة والعصب الشوكي في النموذج قبل الجراحة ، يمكن تحقيق تخطيط دقيق لقطع الصفيحة ، مما يؤدي إلى تحسين الإجراءات الجراحية واكتساب إتقان في التكنولوجيا الجراحية SDR.
كانت الخطوة الرئيسية الأساسية التي تم التحقيق فيها في هذه الدراسة هي اندماج تسلسل التصوير المقطعي المحوسب وديكسون. اعتمد الاندماج على وجود نفس الهياكل العظمية في كل من بيانات التصوير المقطعي المحوسب وتسلسل ديكسون ، بالإضافة إلى حقيقة أن بيانات ديكسون إن وديكسون دبليو كانت في نفس نظام الإحداثيات. هذا سمح للاندماج النهائي للأعصاب الشوكية وهياكل العظام الفقرية. كانت الخطوة الرئيسية الثانية هي استخدام تقنية الطباعة الشفافة الملونة لتصنيع النموذج الرقمي 3D. كانت تقنية الطباعة هذه قادرة على تسليط الضوء على الهياكل التشريحية للمريض ، والموقع الدقيق لاستئصال الصفيحة الفقرية ، والموضع النسبي للثقبة الفقرية وجذور الأعصاب.
في العقود الأخيرة ، طورت العديد من الفرق الجراحية تقنيات مبتكرة ل SDR 8,9 ، مع التركيز بشكل أساسي على تقليل تلف العمود الفقري أثناء العملية. ينشأ هذا من الفعالية الراسخة للجراحة طويلة المقطع في تخفيف التشنج ، إلى جانب المخاوف المتعلقة بتأثير استئصال الصفيحة الفقرية الشامل على استقرار العمود الفقري10. تتطلب جراحة SDR الناجحة استئصال الصفيحة الفقرية الحرجة ، الأمر الذي يتطلب شقوقا كافية من الصفيحة لتمكين المزيد من التلاعب الجراحي العصبي والحفاظ على ما يكفي من الصفيحة لتجنب زعزعة استقرار العمود الفقري. يتطلب القطع الصفحي الدقيق دون تلف أو آثار سلبية أثناء العملية فهما شاملا لموضع القطع وحجمه وقسمه. في الوقت الحالي ، يعتمد تقييم SDR قبل الجراحة بشكل أساسي على التصوير المقطعي المحوسب / التصوير بالرنين المغناطيسي والخبرة السريرية ، والتي قد لا تلبي تماما متطلبات عمليات القطع الدقيقة. في السنوات الأخيرة ، أظهر تطبيق دمج الصور متعدد الوسائط في جراحة العمود الفقري قيمة محتملة كبيرة ، في حين أن الأبحاث ذات الصلة لا تزال نادرة. وبالتالي ، تهدف هذه الدراسة إلى دمج التصوير المقطعي المحوسب للعمود الفقري القطني والتصوير بالرنين المغناطيسي قبل الجراحة لإعادة بناء نموذج رقمي 3D يمثل بدقة كل من بنية العظام والأعصاب الشوكية. كان النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد المعاد بناؤه مطبوعا ثلاثي الأبعاد ويمكن استخدامه للتواصل الفعال بين الطبيب والمريض والتخطيط قبل الجراحة. مكن تحديد الموقع الدقيق للنموذج لمخرج جذر العصب القطني من فهم أفضل للعلاقة المكانية بين الفقرات وجذر العصب ، مما يسهل إجراء عملية فعالة لكل من الجراحين والروبوتات الجراحية.
علاوة على ذلك ، يظهر الأطفال المصابون بالشلل الدماغي نموا متميزا في العمود الفقري والهيكل العظمي ، ويتميز ببنية مجهرية عظمية تربيقية ناقصة التنسج ، وقشرة رقيقة ، وقوة عظام منخفضة11. هذه الميزات التشريحية الفريدة والتلاعب المعقد تجعل جراحة SDR صعبة الإتقان. لذلك ، استخدمنا تقنية الطباعة 3D لتصنيع نماذج الفقرات القطنية الدقيقة تشريحيا لمرضى حقيقيين ، مما يوفر مرجعا موضوعيا للتعلم الجراحي. هذه التقنية مثالية للجراحين الأقل خبرة وقد تقلل من وقت التعلم12. بالإضافة إلى ذلك ، توفر النماذج المصممة بشكل فردي فائدة إضافية تتمثل في استعادة البنية الفريدة للمريض بالكامل ، مما يوفر رؤية قيمة لأولئك الذين يعانون من اختلافات تشريحية معقدة13,14.
يعد الحصول على الصور الأولية عالية الجودة أمرا ضروريا لنجاح الطباعة ثلاثية الأبعاد15. في هذه الدراسة ، تم الحصول على نموذج طباعة 3D واقعي ودقيق من خلال تسجيل بيانات HRCT و MRI. عززت الطباعة الشفافة لهيكل العظام وصباغة نطاق تخطيط الصفيحة التمثيل البديهي للنموذج للتشريح الجراحي. تقليديا ، يكتسب الجراحون المهارات الجراحية في المقام الأول في غرفة العمليات ، مما يزيد من مخاطر الجراحة عندما يحاول الجراحون الأصغر سنا اكتساب هذه المهارات في الممارسة12. مع نماذج الطباعة 3D المادية الموضوعية ، يمكن لكبار الجراحين توصيل خبرتهم الجراحية بسهولة أكبر إلى الأطباء الأصغر سنا. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لنماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد أن توفر للأفراد تدريبا جراحيا محاكيا يعتمد على إعادة بناء هيكلية حقيقية للمريض ، مما قد يؤدي إلى تسريع عملية تعلم الطبيب لحقوق السحب الخاصة مع تحسين سلامة الإجراءات الطبية. بشكل عام ، يحمل هذا النهج وعدا كبيرا في تعزيز التدريب الجراحي وتحسين نتائج المرضى.
في الوقت الحاضر ، لا يزال تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في جراحة العظام في مرحلة الاستكشاف ، ولا تزال تكنولوجيا المواد الحيوية الحالية أقل من تمثيل مواد الأنسجة البشرية المختلفة بدقة ومحاكاة الميكانيكا الحيوية للمفاصل5. أثناء استئصال الصفيحة الفقرية ، تكون النماذج المرنة للأنسجة المختلفة معقدة وعرضة للاضطراب بسبب حركة القرص والحركة التنفسية16,17. لذلك ، لا يمكن لهذه الدراسة تكرار الحالة الحقيقية للمريض أثناء العملية أثناء عملية القطع ، الأمر الذي يتطلب مزيدا من البحث حول نموذج الطباعة 3D في الميكانيكا الحيوية وعلوم المواد. علاوة على ذلك ، يمكن تحسين إجراء الاندماج المستخدم في هذه الدراسة بشكل أكبر إذا كان من الممكن ابتكار طريقة تسجيل إحداثيات أثناء إجراءات التصوير الطبي لكل من معدات التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي ، مما قد يعزز الدقة.
إذا كان من الممكن تصميم طريقة تسجيل إحداثيات أثناء إجراءات التصوير الطبي لكل من معدات التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي ، فقد يؤدي إجراء الانصهار لهذه الدراسة إلى تحسين الدقة. التحسن التدريجي المتوقع في هذا الجزء من البحث مستمر. حاليا ، لا يمكن للنموذج عرض المعلومات بشكل كامل عن حزم ألياف الأعصاب الشوكية. في العمل العلمي القادم ، سيتم استخدام تصوير موتر الانتشار بشكل أكبر لتتبع حزم ألياف الأعصاب الشوكية ودمجها للحصول على نموذج رقمي 3D أكثر تفصيلا ل SDR.
في الختام ، لا يوفر نموذج الطباعة 3D ل SDR في هذه الدراسة بيانات مفصلة ودقيقة للتخطيط قبل الجراحة فحسب ، بل يوفر أيضا وسيلة أساسية للتدريب على حقوق السحب الخاصة. يدمج النموذج بنجاح بنية العظام من التصوير المقطعي المحوسب مع بنية الأنسجة الرخوة من التصوير بالرنين المغناطيسي. يستفيد نجاح نموذج اندماج مجموعة الصور هذا من المزايا الخاصة بمصدرين مهمين للصور الطبية لتشكيل مكمل. سيلعب نموذج البحث هذا أيضا دورا مهما بنفس القدر في مجالات أخرى من تشخيص التصوير الطبي والعلاج وتقييم التشخيص.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
تم إعادة بناء النماذج الرقمية في هذه الدراسة من قبل المؤلف المشارك Fangliang Xing.
Acknowledgments
تم دعم هذا المنشور من قبل مؤسسة العلوم الطبيعية لبلدية بكين (L192059).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| J55 Prime 3D-Printer | Stratasys | J55 Prime | Manufacturing the model |
| MATLAB | MathWorks | 2022B | Computing and visualization |
| Mimics | Materialise | Mimics Research V20 | Model format transformation |
| Tools for volum fusion | Intelligent Entropy | VolumeFusion V1.0 | Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion |
References
- Rosenbaum, P., et al. A report: the definition and classification of cerebral palsy April 2006. Developmental Medicine and Child Neurology. Supplement. 109, 8-14 (2007).
- Krigger, K. W.
- Davidson, B., Fehlings, D., Milo-Manson, G., Ibrahim, G. M. Improving access to selective dorsal rhizotomy for children with cerebral palsy. Canadian Medical Association Journal. 191 (44), E1205-E1206 (2019).
- Buizer, A. I. Selective dorsal rhizotomy in children with cerebral palsy. The Lancet. Child & Adolescent Health. 3 (7), 438-439 (2019).
- Wong, K. C.
- Wong, K. C., Kumta, S. M., Geel, N. V., Demol, J. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Computer Aided Surgery. 20 (1), 14-23 (2015).
- Zhu, R., Li, X., Zhang, X., Ma, M. MRI and CT medical image fusion based on synchronized-anisotropic diffusion model. IEEE Access. 8, 91336-91350 (2020).
- Park, T. S., Gaffney, P. E., Kaufman, B. A., Molleston, M. C. Selective lumbosacral dorsal rhizotomy immediately caudal to the conus medullaris for cerebral palsy spasticity. Neurosurgery. 33 (5), 929-934 (1993).
- Sindou, M., Georgoulis, G. Keyhole interlaminar dorsal rhizotomy for spastic diplegia in cerebral palsy. Acta Neurochirurgica. 157 (7), 1187-1196 (2015).
- Peacock, W. J., Staudt, L. A. Selective posterior rhizotomy: evolution of theory and practice. Pediatric Neurosurgery. 17 (3), 128-134 (1991).
- Vitrikas, K., Dalton, H., Breish, D.
- Niikura, T., et al. Tactile surgical navigation system for complex acetabular fracture surgery. Orthopedics. 37 (4), 237-242 (2014).
- Lepisto, J., Armand, M., Armiger, R. S. Periacetabular osteotomy in adult hip dysplasia-developing a computer aided real-time biome-chanical guiding system (BGS). Finnish Journal of Orthopaedics and Traumatology. 31 (2), 186-190 (2008).
- Armiger, R. S., Armand, M., Tallroth, K., Lepisto, J., Mears, S. C. Three-dimensional mechanical evaluation of joint contact pressure in 12 periacetabular osteotomy patients with 10-year follow-up. Acta Orthopaedica. 80 (2), 155-161 (2009).
- Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 5 (4), 335-341 (2010).
- Jiang, Z., et al. Model-based compensation of moving tissue for state recognition in robotic-assisted pedicle drilling. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 2 (3), 463-473 (2020).
- Setton, L. A., Chen, J. Mechanobiology of the intervertebral disc and relevance to disc degeneration. The Journal of Bone and Joint Surgery. American. 88, 52-57 (2006).
