猪脊柱模型中经皮内镜腰椎间盘定位装置的三维重建——引导开发

Summary

本研究开发的经皮内镜椎间盘定位装置可协助椎间盘定位。该设备减少辐射暴露，支持年轻脊柱外科医生的技术培训。

Abstract

腰椎间盘突出（LDH）通常由外伤或不良姿势引起的环状椎间盘断裂引起，导致髓核物质突出和腰神经根受压。这种疾病常表现为从下背部放射到下肢的放射性疼痛和感觉障碍。虽然大多数病例可保守治疗，但严重或难治性症状可能需要手术干预，包括常规椎间盘切除术、微创显微椎间盘切除术和内镜椎间盘切除术。经皮内镜腰椎椎间盘切除术（PELD）可在局部麻醉下进行;然而，该手术高度依赖外科医生的经验，并伴随着技术挑战，包括定位困难、反复透视确认以及增加的辐射暴露。本研究的目标是开发和评估一种新型经皮内镜腰椎间盘定位装置，旨在提高PELD期间椎间盘定位的精度和效率。本研究开发了一种独特的经皮内镜腰椎间盘定位装置。该装置通过重建和修复猪脊和腰椎三维模型、制作凸面底板、设计脊柱突及椎间盘定位引导装置、计算机辅助设计经皮内镜腰椎间盘微创手术导航模块以及准确性测试实现。实验结果显示，该装置能够准确定位猪脊髓的位置，并可能在实验环境中减少透视依赖。该定位装置精度高，通过缩小切口大小、避免损伤周围关键血管和神经组织，并提供多方向手术器械引导路径，支持微创手术，促进手术过程。本研究描述的经皮内镜腰椎间盘定位装置，为PELD期间椎间盘定位提供了结构化且可重复的方法。该方法有望提高手术效率，减少辐射暴露，并支持外科培训，尤其适合早期职业脊柱外科医生。

Introduction

腰椎间盘突出（LDH）是指髓核通过环状缺损突出至脊髓管或神经孔，导致腰神经根受压。临床症状如剧痛、腿部抽筋和麻木，甚至肌肉无力、萎缩、尿失禁和粪便失禁可能作为永久性后遗症出现^。虽然大多数患者对保守治疗有反应，但对于难治性症状或进行性神经功能障碍的患者，仍需手术干预。

针对严重LDH的治疗已开发出多种外科技术，包括常规后腰椎间盘切除术¹、微创显微镜椎间盘切除术^2,3、微创内镜椎间盘切除术^4,5以及经皮内镜腰椎间盘切除术（PELD）^6,7.每种技术在麻醉方法、软组织介入、定位与导航技术以及透视要求方面各有优缺点。PELD可以在局部麻醉下进行，因其微创手术而广受欢迎。在PELD过程中，使用实时C臂成像定位K线和工作导管穿过椎间孔以进入椎间盘突出碎片，随后通过内镜器械将其取出。该技术也已扩展用于治疗腰椎孔狭窄及部分LDH

Protocol

本文所用的猪脊样本均来自当地商业市场。由于这些样本来自为食用目的而屠宰的动物，且未进行任何活体动物处理，因此无需机构动物护理与使用委员会（IACUC）的审查和批准。

本研究通过重建和完善猪脊标本的三维（3D）模型及腰椎模拟模型，开发了一种独特的经皮内镜腰椎间盘定位装置。该装置包括导航装置、导航模块和定位装置。整个系统通过定位和对齐测试进行了验证。试剂和所用设备列于 材料表中。

1. 3D 模型重建与数据准备

1. CT扫描：对猪脊标本和L1骶骨腰椎模拟模型进行计算机断层扫描（CT）。
   注意：扫描必须在带有铅玻璃观察窗的控制室内进行。
2. 设置CT机：切片厚度1毫米，管电流300毫安，旋转时间0.5秒，管电压120 kV。
   注意：确保每次扫描的CT扫描设置一致，以保持高保真重建。
3. 数据导出：将扫描结果导出为DICOM图像文件进行处理。
   注意：导出3D模型为STL格式后，请在进入CAD设计阶段前检查文件完整性。
4. 三维重建：使用MATLAB将DICOM数据集转换为三维（3D）数字模型并导出STL文件。
5. 模型分配：指定腰椎模拟模型用于设备结构设计，指定猪脊模型用于定位精度验证。

Results

利用重建的腰椎模拟骨模型三维模型（图1），结合前上髂棘（ASIS）和棘突的位置信息，我们设计了“经皮内镜腰椎椎间盘定位装置”（图2）。最初，使用FDM 3D打印技术（见图3）打印一个缩小的物理模型以验证结构可行性。观察到插入导航孔的K线在透视引导下达到预定的椎间盘空间。

接着，设计并3D打印了一款定制的“经皮内镜腰椎椎间盘定位装置”，用于猪脊髓。插入过程中操作员对目标盘位置视为盲;该装置用于将K线插入相应的导航孔（见图4）。 图5中，不同角度的C臂成像确认了K线在椎间盘位置的准确定位。

如果K线偏离椎间盘间隙（透视中可见的路径偏移或头同轴偏移），应调整进近端口或导航.......

Discussion

本研究提出了一种经皮内镜腰椎椎间盘定位装置的开发与应用方案，旨在通过透视影像确认，能够可靠定位预期椎间盘空间，缩短手术时间，并有望改善PELD患者预后。我们整合了医学影像、3D重建和增材制造，建立了基于可重复解剖参考标志的外部导航框架。通过解决传统徒手技术的不足，该方案为微创腰椎间盘介入中K线和导管的置放提供了系统化的方法。

该实验手术器械最关键的步骤是对三维（3D）打印定位模块进行精确对齐，并结合预设的解剖参考点，包括前上髂棘（ASIS）和棘突。精确定位对于缩短解剖定位所需时间和减少^12、13、15操作期间的透视辐射暴露至关重要。它还支持微创手术方法，允许更窄的通路通道，降低邻近血管和神经结构受伤的风险。此外，该设备还提供多种预定义的导引轨迹，从不同角度提供，从而便于仪器的放置和操作流程。该设备.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD（CAD软件）	Autodesk	https://www.autodesk.com/	用于设备和导航模块设计
熔融沉积建模（FDM）3D打印机	Stratasys	无	用于制造设备和模型
腰椎模拟模型（L3–骶骨）	锯骨	1340-20	用于设备设计和程序仿真
MATLAB（3D 重建软件）	数学作品	https://in.mathworks.com/	用于从 DICOM 图像进行三维重建