Summary
Este estudio tiene como objetivo crear un modelo impreso en 3D de una vértebra lumbar específica del paciente, que contiene los modelos de vértebras y nervios espinales fusionados a partir de la tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) y los datos de MRI-Dixon.
Abstract
La rizotomía dorsal selectiva (SDR) es una operación difícil, arriesgada y sofisticada, en la que una laminectomía no solo debe exponer un campo de visión quirúrgico adecuado, sino también proteger los nervios espinales del paciente de lesiones. Los modelos digitales juegan un papel importante en la pre e intra-operación de SDR, ya que no solo pueden familiarizar a los médicos con la estructura anatómica del sitio quirúrgico, sino que también proporcionan coordenadas precisas de navegación quirúrgica para el manipulador. Este estudio tiene como objetivo crear un modelo digital 3D de una vértebra lumbar específica del paciente que se puede utilizar para la planificación, la navegación quirúrgica y el entrenamiento de la operación SDR. El modelo de impresión 3D también se fabrica para un trabajo más efectivo durante estos procesos.
Los modelos digitales ortopédicos tradicionales se basan casi por completo en datos de tomografía computarizada (TC), que son menos sensibles a los tejidos blandos. La fusión de la estructura ósea de la TC y la estructura neural de la resonancia magnética (RM) es el elemento clave para la reconstrucción del modelo en este estudio. El modelo digital 3D específico del paciente se reconstruye para la apariencia real del área quirúrgica y muestra la medición precisa de las distancias interestructurales y la segmentación regional, lo que puede ayudar eficazmente en la planificación preoperatoria y el entrenamiento de SDR. El material transparente de la estructura ósea del modelo impreso en 3D permite a los cirujanos distinguir claramente la relación relativa entre el nervio espinal y la placa vertebral del segmento operado, mejorando su comprensión anatómica y el sentido espacial de la estructura. Las ventajas del modelo digital 3D individualizado y su relación precisa entre el nervio espinal y las estructuras óseas hacen de este método una buena opción para la planificación preoperatoria de la cirugía SDR.
Introduction
La parálisis cerebral espástica afecta a más de la mitad de todos los niños con parálisis cerebral1, lo que lleva a contracturas tendinosas, desarrollo esquelético anormal y disminución de la movilidad, lo que afecta en gran medida la calidad de vida de los niños afectados2. Como principal método quirúrgico para el tratamiento de la parálisis cerebral espástica, la rizotomía dorsal selectiva (SDR) ha sido completamente validada y recomendada por muchos países 3,4. Sin embargo, la naturaleza intrincada y de alto riesgo de la cirugía SDR, incluido el corte preciso de la lámina, el posicionamiento y la disociación de las raíces nerviosas y la ruptura de las fibras nerviosas, presenta un desafío significativo para los médicos jóvenes que recién comienzan a involucrarse con SDR en la práctica clínica; además, la curva de aprendizaje de SDR es muy empinada.
En la cirugía ortopédica tradicional, los cirujanos deben integrar mentalmente todas las imágenes bidimensionales preoperatorias (2D) y crear un plan quirúrgico 3D5. Este enfoque es particularmente difícil para la planificación preoperatoria que involucra estructuras anatómicas complejas y manipulaciones quirúrgicas, como SDR. Con los avances en imágenes médicas y tecnología informática, las imágenes axiales 2D, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM) se pueden procesar para crear modelos virtuales 3D con anatomía específica del paciente6. Con una visualización mejorada, los cirujanos pueden analizar esta información procesada para realizar diagnósticos más detallados, planificación e intervenciones quirúrgicas adaptadas a la condición del paciente. En los últimos años, la aplicación de la tecnología de fusión de imágenes multimodales en ortopedia ha atraído gradualmentela atención 7. Esta tecnología podría fusionar imágenes de TC y RM, mejorando en gran medida la precisión del modelo analógico digital 3D. Sin embargo, la aplicación de esta técnica en modelos preoperatorios de SDR aún no se ha investigado.
El posicionamiento preciso de la lámina y el nervio espinal y el corte preciso durante la cirugía SDR son cruciales para obtener resultados exitosos. Por lo general, estas tareas se basan en la experiencia de expertos y son confirmadas repetidamente por un brazo en C durante la operación, lo que resulta en un proceso quirúrgico complejo y lento. El modelo digital 3D sirve como base para la futura navegación quirúrgica SDR y también se puede utilizar para la planificación preoperatoria de procedimientos de laminectomía. Este modelo fusiona la estructura ósea de la TC y la estructura del nervio espinal de la RM, y asigna diferentes colores a las secciones de la vértebra lumbar marcadas para el corte de acuerdo con el plan quirúrgico. Estos modelos de impresión 3D holográficos para SDR no solo facilitan la planificación y simulación preoperatorias, sino que también envían coordenadas de navegación 3D precisas al brazo robótico intraoperatorio para un corte preciso.
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Protocol
Todos los datos provienen del paciente clínico, cuya operación de SDR se llevó a cabo en el Hospital BJ Dongzhimen. El protocolo sigue las directrices y fue aprobado por el comité de ética de investigación del Hospital Dongzhimen.
NOTA: El mapa completo del protocolo de reconstrucción del modelo se muestra en la Figura 1. Los datos de tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) y los datos de Dixon son materias primas para el modelado; luego, la creación del modelo 3D consiste en el registro y la fusión de imágenes. El modelo digital 3D final se imprime con tecnología PolyJet, que es un proceso de impresión 3D de alta precisión que produce piezas suaves y precisas utilizando una amplia gama de materiales. Para describir exactamente la relación espacial entre la vértebra y el nervio espinal, se utilizan datos de HRCT y series de imágenes de Dixon. El escaneo de Dixon puede identificar imágenes de separación de agua y grasa, en las que la serie de imágenes de fase de agua de Dixon se puede usar para extraer la estructura de los nervios espinales, y la serie de imágenes de fase de Dixon-in se puede usar para verificar el registro de la estructura ósea.
Figura 1: El mapa completo del protocolo. La metodología de investigación de este estudio implica la fusión de secuencias de Dixon de TC y resonancia magnética. Específicamente, la estructura de las vértebras de TC se registra con la estructura de vértebras idéntica contenida en la secuencia de Dixon-in, seguida de la fusión con la secuencia de Dixon-w para el nervio espinal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
1. Recopilación y preparación de datos
- TC de alta resolución para vértebras
NOTA: La diferencia de parámetros no es sensible al método de investigación.- Establezca los recursos de datos de la estación de la máquina de TC.
NOTA: Aquí se utiliza la máquina CT SIEMENS-CTAWP73396. - Abra el software Syngo CT 2012B para recibir datos del protocolo de escaneo SpineRoutine_1. Seleccione el tamaño de píxel y el grosor de corte (ST) del conjunto de datos para adaptarlo al tamaño de las vértebras que se pretende representar en el modelo digital 3D.
- Utilice un ST de 1 mm con un tamaño de matriz de 512 píxeles x 512 píxeles, en el que el espaciado de píxeles sea de 0,3320 mm. El tamaño real del volumen 3D alcanzado es de 512 x 512 x 204 vóxeles.
- Establezca los recursos de datos de la estación de la máquina de TC.
- Secuencia de Dixon para el nervio espinal
NOTA: En este estudio se utiliza una máquina de resonancia magnética de 1,5 T.- Establezca la resolución de imagen de Dixon como 290 píxeles x 320 píxeles, el espaciado de píxeles como 0,9375 mm y el grosor de corte como 3 mm para obtener datos precisos.
- Establezca el tiempo de repetición en 5.160 ms y el tiempo de eco en 94 ms.
- Asegúrese de que cada capa escaneada conste de imágenes de cuatro fases, que son Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F y Dixon-w.
- Preparar archivos de almacenamiento de datos para la reconstrucción del modelo.
NOTA: Una estructura de almacenamiento de datos bien definida es más conveniente para el trabajo de seguimiento.- Haga una carpeta de proyecto que contenga todos los datos pertenecientes al paciente.
- Prepare diferentes rutas de archivo para los datos de HRCT y MRI-Dixon creando diferentes carpetas para los datos de imágenes digitales y comunicaciones en medicina (DICOM).
- Cree una carpeta separada debajo del proyecto para todos los resultados del análisis.
2. El modelo digital 3D de vértebras
NOTA: Todas las funciones de subproceso provienen de herramientas de software, cuya propiedad pertenece a Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.
- Llame al subproceso Dicom2Mat en el lugar de trabajo de MATLAB para obtener el volumen 3D de los archivos DICOM almacenados en la carpeta de datos HRCT.
- Después de someterse al subproceso Dicom2Mat , vea cada segmento dentro del volumen 3D a través de la interfaz gráfica de usuario (GUI), como se muestra en la Figura 2.
- Luego, visualice la distribución de intensidad de los datos de la TCM de las vértebras por la función hist (Figura 3).
- Llame al subproceso NoiseClean para eliminar el ruido de señal formado por el dispositivo en las rutas del archivo de datos HRCT.
- Utilice el subproceso de la función Vértebras bajo la misma ruta para obtener el modelo de vértebras , que también es un volumen 3D pero solo con la estructura ósea (Figura 4). Los parámetros del filtro de paso alto, la intensidad oscila entre 190 y 1.656.
3. El modelo digital 3D del nervio espinal
NOTA: Dixon-in contiene estructura ósea, mientras que Dixon-w describe estructura neural.
- Utilice el subproceso Dicom2Mat en ambas rutas de las secuencias Dixon-in y Dixon-w y obtenga su volumen 3D.
- Además, visualice cada sector individual que constituye un volumen 3D utilizando la GUI presentada en la Figura 5. Acceda a esta visualización una vez que se haya completado el subproceso Dicom2Mat .
- Utilice la función Spinal_Nerve para reconstruir el modelo del nervio espinal con parámetros de filtro de paso alto, la intensidad oscila entre 180 y 643. Debido a que las señales del nervio en la secuencia de Dixon-w son muy altas, extraiga el volumen 3D del nervio espinal filtrando los puntos con baja intensidad.
- Cuando finalice el subproceso Spinal_Nerve , compruebe el modelo generado en la GUI que se muestra en la figura 6.
4. Registro y fusión
NOTA: La idea clave es que la arquitectura ósea está presente tanto en la secuencia de imágenes HRCT como en la secuencia de imágenes Dixon-in.
- Copie los tres volúmenes 3D obtenidos hasta ahora en la ruta del archivo del proyecto realizado en el paso 3.1. Los modelos de HRCT y Dixon-in incluyen la misma estructura de vértebras, y los modelos de Dixon-in y Dixon-w tienen las mismas coordenadas.
- A continuación, coloque los nombres de archivo de los tres modelos en el subproceso vertebra_fusion como entrada para generar el modelo de fusión. Esto se puede visualizar en la Figura 7.
- La fusión suele estar bien hecha. Si es necesario realizar un ajuste fino desde la perspectiva del médico, agregue parámetros de coordenadas en todas las direcciones a la misma función para corregir el modelo de fusión. Si se observan errores leves en la fusión desde una perspectiva clínica, utilice la función vertebra_fusion para ajustar las coordenadas de fusión. Este proceso implica ajustes de parámetros a las seis dimensiones de la dirección de coordenadas (coordenadas XYZ y su rotación).
- Cree una carpeta independiente en el directorio del proyecto para generar el resultado del modelo de fusión.
5. Archivos de modelo digital para impresión 3D
NOTA: Para la fabricación del modelo digital mencionado se utiliza un aparato de impresión 3D completamente desarrollado, con la implementación de triangulaciones de Delaunay. Aquí se utilizó la impresora 3D Stratasys J55 Prime.
- Exporte los modelos de fusión que se utilizarán para la impresión 3D en las secuencias de formato DICOM en la ruta de archivo del directorio de fusión. Utilice el algoritmo Mat2Dicom para ejecutar la operación de exportación introduciendo el modelo de fusión.
- Abra la secuencia de archivos DICOM exportada anteriormente con Materialise Mimics V20. Para realizar la operación de exportación, vaya al menú Exportar en la pestaña Archivo y seleccione el formato VRML. La ruta del archivo para la exportación se puede personalizar libremente de acuerdo con los requisitos del usuario.
- Como la impresión 3D colorida transparente es un servicio profesional, comprima y empaque los archivos VRML y envíelos al proveedor de servicios. El resultado de la impresión 3D se muestra en la Figura 8.
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Representative Results
Con base en los datos de fusión de imágenes de TC / RM lumbar en niños con parálisis cerebral, creamos un modelo representativo de la columna lumbar combinada con nervios espinales. Se utilizó el filtrado de paso alto para extraer la señal alta en el rango de valores de TC de 190-1.656 de la TCRH, con el fin de lograr la reconstrucción de la estructura ósea de la columna lumbar en el área de operación. Las estructuras nerviosas espinales se reconstruyeron mediante el filtrado de paso alto de las secuencias de Dixon-w en la resonancia magnética. El modelo digital y las coordenadas de datos de la nube de puntos de la estructura vertebral lumbar y la fusión del nervio espinal se obtuvieron a través de un registro rígido, y el archivo se guardó en formato de estereolitografía (STL) para la medición de datos y el procesamiento posterior de impresión. Los archivos del modelo digital STL se convierten al formato VRML para transferirlos a la impresora 3D Stratasys J55 Prime. Para demostrar activamente la anatomía del sitio quirúrgico durante la cirugía SDR, imprimimos los huesos en resina transparente e imprimimos las otras partes en diferentes colores. El modelo impreso en 3D puede revelar la relación espacial de los sitios quirúrgicos clave en SDR para cirujanos y pacientes durante la planificación y capacitación preoperatoria.
El modelo 3D personalizado de columna lumbar obtenido ofrece la posibilidad de planificación preoperatoria y entrenamiento de SDR. Se utilizan tintes de diferentes colores para teñir y distinguir las estructuras, como los huesos y los nervios. Como se muestra en la Figura 8, la estructura nerviosa espinal está teñida de amarillo, y la lámina de los segmentos L4 y L5 en el área de operación correspondiente se distingue por tinción roja y azul, respectivamente. La estructura ósea se imprime utilizando un material de resina transparente, que tiene una buena perspectiva, lo que permite a los médicos observar la estructura nerviosa debajo de la lámina a través de la estructura ósea. El modelo personalizado y personalizado realmente restaura la relación correspondiente entre la estructura ósea lumbar en el área de operación y la anatomía del nervio espinal, lo que permite a los médicos definir mejor la dirección y el rango de corte apropiados antes de la operación.
Figura 2: La GUI de los sectores en el volumen de los datos de HRCT. A través de la GUI que se muestra en la figura, los cirujanos pueden ver la estructura de la columna vertebral contenida en todos los datos de la TC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: La distribución de la intensidad de los datos de la TCRE de las vértebras. Esta información cuantitativa es útil para determinar el rango de filtrado de la estructura de las vértebras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: La GUI del volumen 3D de las vértebras. La figura muestra las tres vistas de las vértebras y el volumen 3D al mismo tiempo. A través de esta GUI, los cirujanos pueden observar las vértebras de los pacientes desde cualquier perspectiva deseada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: La GUI de los sectores en el volumen de Dixon-in y Dixon-w. Las imágenes de Dixon se pueden examinar rápidamente y se pueden verificar las imágenes de las vértebras y los nervios espinales de los pacientes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: La GUI del volumen 3D del nervio espinal. La reconstrucción 3D de la secuencia de Dixon-w del paciente para observar la estructura 3D del nervio espinal del paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: La GUI del modelo de fusión (volumen digital 3D). El volumen 3D contiene tanto la estructura vertebral de los datos de TC como la estructura 3D del nervio espinal de la resonancia magnética. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: El modelo de impresión 3D para la planificación y capacitación de SDR. El colorido modelo de impresión 3D transparente muestra la estructura anatómica del área donde se debe realizar la cirugía SDR en el paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Este estudio proporciona un flujo de trabajo para establecer un modelo de impresión 3D preoperatorio de la columna lumbar en pacientes con parálisis cerebral, con el objetivo de facilitar la planificación preoperatoria para la cirugía SDR y mejorar el entrenamiento anatómico basado en el modelo específico del paciente. El estudio tiene como objetivo establecer un modelo impreso en 3D altamente confiable que demuestre con precisión las estructuras vertebrales y nerviosas lumbares del paciente. Al medir la posición de la lámina y el nervio espinal en el modelo antes de la cirugía, se puede lograr una planificación precisa del corte de la lámina, lo que lleva a la optimización de los procedimientos quirúrgicos y la adquisición de dominio en la tecnología quirúrgica SDR.
El paso clave primario investigado en este estudio fue la fusión de secuencias de TC y Dixon. La fusión se basó en la presencia de las mismas estructuras óseas tanto en los datos de TC como en las secuencias de Dixon-in, así como en el hecho de que los datos de Dixon-in y Dixon-w estaban en el mismo sistema de coordenadas. Esto permitió la fusión final de los nervios espinales y las estructuras óseas vertebrales. El segundo paso clave fue el uso de la tecnología de impresión transparente en color para fabricar el modelo digital 3D. Esta tecnología de impresión fue capaz de resaltar las estructuras anatómicas del paciente, la ubicación precisa de la laminectomía y la posición relativa de los agujeros intervertebrales y las raíces nerviosas.
En las últimas décadas, muchos equipos quirúrgicos han desarrollado técnicas innovadoras para SDR8,9, con un enfoque principal en minimizar el daño espinal durante el procedimiento. Esto surge de la eficacia bien establecida de la cirugía de segmento largo en el alivio del espasmo, junto con las preocupaciones sobre el impacto de la laminectomía extensa en la estabilidad espinal10. La cirugía SDR exitosa requiere una laminectomía crítica, que requiere incisiones suficientes de la lámina para permitir una mayor manipulación neuroquirúrgica y la preservación de suficiente lámina para evitar la desestabilización espinal. El corte laminar preciso sin daños ni efectos negativos durante la operación requiere una comprensión integral de la posición, el tamaño y la sección del corte. Actualmente, la evaluación preoperatoria de SDR se basa principalmente en imágenes de TC / MRI y experiencia clínica, que pueden no cumplir completamente con los requisitos de operaciones de corte precisas. En los últimos años, la aplicación de la fusión de imágenes multimodales en la cirugía de columna ha demostrado un gran valor potencial, mientras que la investigación relevante sigue siendo rara. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo fusionar la TC preoperatoria de la columna lumbar y la RM para reconstruir un modelo digital 3D que representa con precisión tanto la estructura ósea como los nervios espinales. El modelo digital 3D reconstruido se imprimió en 3D y se pudo utilizar para una comunicación efectiva entre el médico y el paciente y la planificación preoperatoria. El posicionamiento preciso del modelo de la salida de la raíz nerviosa lumbar permitió una mejor comprensión de la relación espacial entre las vértebras y la raíz nerviosa, facilitando una operación eficiente tanto para cirujanos como para robots quirúrgicos.
Además, los niños con parálisis cerebral exhiben un desarrollo espinal y esquelético distinto, caracterizado por una microestructura ósea trabecular hipoplásica, corteza delgada y baja resistencia ósea11. Estas características anatómicas únicas y manipulaciones complejas hacen que la cirugía SDR sea difícil de dominar. Por lo tanto, empleamos tecnología de impresión 3D para fabricar modelos anatómicamente precisos de vértebras lumbares de pacientes reales, ofreciendo una referencia objetiva para el aprendizaje quirúrgico. Esta técnica es ideal para cirujanos menos experimentados y puede reducir potencialmente el tiempo de aprendizaje12. Además, los modelos adaptados individualmente ofrecen el beneficio adicional de restaurar completamente la estructura única del paciente, proporcionando información valiosa para aquellos con variaciones anatómicas complejas13,14.
La adquisición inicial de imágenes de alta calidad es esencial para el éxito de la impresión3D 15. En este estudio, se obtuvo un modelo de impresión 3D realista y preciso a través del registro de datos de HRCT y MRI. La impresión transparente de la estructura ósea y el teñido del rango de planificación de las láminas mejoraron aún más la representación intuitiva del modelo de la anatomía quirúrgica. Tradicionalmente, los cirujanos adquieren habilidades quirúrgicas principalmente en el quirófano, lo que aumenta los riesgos de la cirugía cuando los cirujanos más jóvenes intentan adquirir tales habilidades en la práctica12. Con modelos objetivos de impresión física en 3D, los cirujanos senior pueden comunicar más fácilmente su experiencia quirúrgica a los médicos más jóvenes. Además, los modelos de impresión 3D pueden proporcionar de manera única a las personas una capacitación quirúrgica simulada basada en una reconstrucción estructural real del paciente, lo que podría acelerar el proceso de aprendizaje del médico para SDR al tiempo que mejora la seguridad de los procedimientos médicos. En general, este enfoque es muy prometedor para mejorar la capacitación quirúrgica y mejorar los resultados de los pacientes.
En la actualidad, la aplicación de la impresión 3D en ortopedia permanece en la etapa de exploración, y la tecnología de biomateriales existente no llega a representar con precisión los materiales de diferentes tejidos humanos y simular la biomecánica de las articulaciones5. Durante una laminectomía, los modelos elásticos de diversos tejidos son complejos y están sujetos a interrupción por el movimiento del disco y el movimiento respiratorio16,17. Por lo tanto, este estudio no puede replicar completamente la condición real del paciente intraoperatorio durante la operación de corte, lo que requiere más investigación sobre el modelo de impresión 3D en biomecánica y ciencia de materiales. Además, el procedimiento de fusión empleado en este estudio puede mejorarse aún más si se puede idear un método de registro de coordenadas durante los procedimientos de imágenes médicas tanto para el equipo de TC como para el de RM, lo que podría mejorar la precisión.
Si se puede diseñar un método de registro de coordenadas durante los procedimientos de imágenes médicas para equipos de TC y RM, el procedimiento de fusión de este estudio puede mejorar aún más la precisión. La mejora gradual esperada en esta parte de la investigación está en curso. Actualmente, el modelo no puede mostrar completamente información sobre los haces de fibras nerviosas espinales. En el próximo trabajo científico, las imágenes de tensor de difusión se utilizarán aún más para rastrear haces de fibras nerviosas espinales y fusionarse para obtener un modelo digital 3D más detallado para SDR.
En conclusión, el modelo de impresión 3D para SDR en este estudio no solo proporciona datos detallados y precisos para la planificación preoperatoria, sino que también proporciona un medio central para el entrenamiento de SDR. El modelo fusiona con éxito la estructura ósea de la TC con la estructura de los tejidos blandos de la RM. El éxito de este paradigma de fusión de grupos de imágenes aprovecha las ventajas respectivas de dos importantes fuentes de imágenes médicas para formar un complemento. Este paradigma de investigación también jugará un papel igualmente importante en otros campos del diagnóstico de imágenes médicas, el tratamiento y la evaluación del pronóstico.
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Disclosures
Los modelos digitales en este estudio son reconstruidos por el coautor Fangliang Xing.
Acknowledgments
Esta publicación fue apoyada por la Fundación Municipal de Ciencias Naturales de Beijing (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 |
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