Dreidimensionale rekonstruktionsgesteuerte Entwicklung eines perkutanen endoskopischen Lendenwirbelbahnen-Positionierungsgeräts in einem Schweinewirbelsäulenmodell

Summary

Das in dieser Studie entwickelte perkutane endoskopische Bandscheibenpositionierungsgerät kann bei der Positionierung von Bandscheiben helfen. Dieses Gerät reduziert die Strahlenbelastung und unterstützt die technische Ausbildung junger Wirbelsäulenchirurgen.

Abstract

Der Lendenwirbelscheibenvorfall (LDH) wird häufig durch eine Annularstörung verursacht, die durch ein Trauma oder schlechte Haltung verursacht wird, was zum Extrusion des Nucleus pulposus-Materials und zur Kompression der lumbalen Nervenwurzeln führt. Diese Erkrankung äußert sich häufig mit radikulären Schmerzen und sensorischen Störungen, die vom unteren Rücken zu den unteren Gliedmaßen ausstrahlen. Obwohl die meisten Fälle konservativ behandelt werden können, können schwere oder refraktäre Symptome chirurgische Eingriffe erfordern, darunter konventionelle Diskektomie, minimalinvasive mikroskopische Diskektomie und endoskopische Diskektomie. Die perkutane endoskopische lumbale Discektomie (PELD) kann unter lokaler Betäubung durchgeführt werden; Der Eingriff ist jedoch stark auf die Erfahrung des Chirurgen angewiesen und ist mit technischen Herausforderungen verbunden, darunter Schwierigkeiten bei der Positionierung, wiederholte fluoroskopische Bestätigung und erhöhte Strahlenbelastung. Ziel dieser Studie war es, ein neuartiges perkutanes endoskopisches Lendenwirbelscheibenpositionierungsgerät zu entwickeln und zu evaluieren, das die Präzision und Effizienz der Bandscheibenpositionierung während des PELD verbessern soll. Diese Studie entwickelte ein einzigartiges perkutanes endoskopisches Lendenblatt-Positionierungsgerät. Das Gerät wurde durch die Rekonstruktion und Reparatur von 3D-Modellen der Schweinewirbelsäule und der Lendenwirbelsäule, die Herstellung einer konvexen Grundplatte, das Design von wirbelsäulenwirbelsäulen- und Bandscheibenpositionierungsvorrichtungen, computergestütztes Design eines perkutanen endoskopischen Lendenwirbelbahnmoduls mit minimalinvasiver chirurgischer Navigation sowie Genauigkeitstests realisiert. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass das Gerät Positionen auf Schweinestacheln genau lokalisieren und die fluoroskopische Abhängigkeit in experimentellen Umgebungen verringern kann. Das Positionierungsgerät bot eine hohe Präzision, unterstützte minimalinvasive Operationen, indem es die Schnittgröße verringerte, Schäden an umliegenden kritischen Blutgefäßen und Nervengeweben vermied und multidirektionale chirurgische Führungswege ermöglichte, was den chirurgischen Prozess erleichterte. Das in dieser Studie beschriebene perkutane endoskopische Lendenwirbelscheibenpositionierungsgerät bietet einen strukturierten, reproduzierbaren Ansatz zur Positionierung der Bandscheiben während des PELD. Diese Methode hat das Potenzial, die Verfahrenseffizienz zu verbessern, die Strahlenbelastung zu begrenzen und die chirurgische Ausbildung zu unterstützen, insbesondere für Wirbelsäulenchirurgen im Anfangsberuf.

Introduction

Der Lendenwirbelscheibenvorfall (LDH) beinhaltet die Extrusion des Nucleus pulposus durch einen annularen Defekt in den Wirbelkanal oder neuronale Foramen, was zu einer Kompression der lumbalen Nervenwurzel führt. Klinische Symptome wie stechender Schmerz, Beinkrämpfe und Taubheitsgefühle treten auf, und sogar Muskelschwäche, Atrophie, Harn- und Stuhlinkontinenz können als dauerhafte Folgen^auftreten. Obwohl die meisten Patienten auf eine konservative Behandlung ansprechen, ist bei Patienten mit refraktären Symptomen oder fortschreitender neurologischer Beeinträchtigung ein chirurgischer Eingriff erforderlich.

Mehrere chirurgische Techniken wurden zur Behandlung schwerer LDH entwickelt, darunter die konventionelle posteriore lumbale Discektomie¹, die minimalinvasive mikroskopische mikroskopische Discektomie ^2,3, die minimalinvasive endoskopische Discektomie ^4,5 und die perkutane endoskopische lumbale Discektomie (PELD)^6,7. Jede Technik hat ihre Vor- und Nachteile hinsichtlich der Anästhesiemethode, der Weichteilintervention, der Positionierungs- und Navigationstechnik sowie dem Bedarf an Fluoroskopie. PELD kann unter lokaler Betäubung durchgeführt werden und hat aufgrund seines minimalinvasiven Verfahrens an Beliebtheit gewonnen. Während des PELD wird eine Echtzeit-C-Arm-Bildgebung eingesetzt, um das Einführen eines K-Drahts und der Arbeitskanüle durch das intervertebrale Foramen zu lokalisieren, um auf das Bandscheibenvorfall zuzugreifen, das dann mit endoskopischen Instrumenten entfernt wird. Diese Technik wurde auch auf die Behandlung der lumbalen foraminalen Stenose und ausgewählter Fälle von LDH ^8,9 ausgeweitet. Die Vorteile dieser Methode sind minimale Weichteilschäden, weniger Blutungen, schnellere Genesung und die Machbarkeit einer Operation unter Lokalanästhesie^10,11.

Trotz dieser Vorteile stellt PELD technische Herausforderungen dar, insbesondere bei der anfänglichen Platzierung des K-Drahts und der Arbeitskanüle. Derzeit werden diese Instrumente üblicherweise mit freier Hand unter kontinuierlicher fluoroskopischer Führung eingesetzt. Dieser Ansatz setzt Chirurgen erheblicher Strahlung aus und erfordert eine steile Lernkurve, um das pathologische Bandscheibenfragment 11,12,13,14 genau zu bestimmen. Bei weniger erfahrenen Chirurgen kann eine ungenaue Kanüleplatzierung zu unvollständiger Dekompression und suboptimalen klinischen Ergebnissen führen. Frühere Studien berichteten von höheren Rückfall- und Reoperationsraten nach PELD im Vergleich zur traditionellen posterioren Diskektomie ^14,15,16. Darüber hinaus kann eine unsachgemäße Verschiebung des K-Drahts oder der Arbeitskanüle zu Komplikationen wie Nervenwurzelverletzungen, Gefäßschäden oder unbeabsichtigtem Eindringen in die Bauchhöhle^führen.

Um die Einschränkungen der herkömmlichen Freihandtechnik zu beheben, entwickelten wir ein einzigartiges Gerät, das Wirbelsäulenchirurgen dabei unterstützt, die pathologische Stelle präzise anzuvisieren und gleichzeitig die fluoroskopische Exposition zu minimieren. Dieses Gerät soll die Operationszeit verkürzen, strahlenbedingte Expositionsrisiken verringern und die Komplikationen bei PELD verringern. Dieses Gerät erleichtert die K-Draht-Positionierungsphase der perkutanen endoskopischen Lumbaldiscektomie (PELD), insbesondere bei der präzisen Wegplanung und der Bestimmung des Eintrittspunkts. Seine Anwendung ist besonders vorteilhaft in Fällen, die präzise, komplexe anatomische Konfigurationen oder eine geringere Abhängigkeit von wiederholter C-Arm-Bildgebung erfordern. Wir sind überzeugt, dass dieses Gerät die chirurgische Leistung von Wirbelsäulenchirurgen am Anfang erleichtern, zu verbesserten klinischen Ergebnissen beitragen und die Lernkurve deutlich verkürzen kann, während es zudem ein wertvolles Werkzeug für chirurgische Aus- und Weiterbildung ist.

Protocol

Die in diesem Artikel verwendeten Schweinewirbelsäulenproben wurden auf lokalen Handelsmärkten bezogen. Da diese Proben von Tieren stammten, die für Lebensmittelzwecke geschlachtet wurden und ohne jegliche Behandlung lebender Tiere, mussten sie nicht vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) überprüft und genehmigt werden.

Diese Studie entwickelte ein einzigartiges perkutanes endoskopisches Lendenwirbelscheibenpositionierungsgerät, indem dreidimensionale (3D) Modelle der Proben der Schweinewirbelsäule und der Lendenwirbelsäulensimulationen rekonstruiert und verfeinert wurden. Dieses Gerät umfasst das Leitgerät, das Navigationsmodul und das Positionsgerät. Das gesamte System wurde durch Positionierungs- und Ausrichtungstests validiert. Die Reagenzien und die verwendeten Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. 3D Modellrekonstruktion und Datenvorbereitung

1. CT-Scanning: Durchführung von Computertomographie (CT) an Proben der Schweinewirbelsäule und simulierten L1-Kreuzbein-Lumbalwirbelsäulenmodellen.
   VORSICHT: Das Scannen muss in einem Kontrollraum mit einem Bleiglas-Beobachtungsfenster durchgeführt werden.
2. Richte die CT-Maschine ein: 1 mm Schnittdicke, 300 mA Röhrenstrom, 0,5 s Rotationszeit und 120 kV Röhrenspannung.
   HINWEIS: Stellen Sie für jeden Scan konsistente CT-Maschinenscan-Einstellungen sicher, um eine hochpräzise Rekonstruktion zu gewährleisten.
3. Datenexport: Exportieren Sie die Scanergebnisse als DICOM-Bilddateien zur Verarbeitung.
   HINWEIS: Nach dem Export des 3D-Modells in das STL-Format überprüfen Sie die Datei auf Vollständigkeit, bevor Sie mit der CAD-Designphase übergehen.
4. 3D-Rekonstruktion: Verwenden Sie MATLAB, um die DICOM-Datensätze in dreidimensionale (3D) digitale Modelle umzuwandeln und STL-Dateien zu exportieren.
5. Modellzuweisung: Bestimmen Sie das simulierte Modell der Lendenwirbelsäule für die Bausteinkonstruktion des Geräts und das Schweinewirbelsäulenmodell zur Überprüfung der Positionsgenauigkeit.

2. Entwurf und Herstellung der konvexen Grundplatte

1. Referenzkartierung: Definieren Sie die Positionierung des Geräts anhand der vorderen oberen iliakalen Wirbelsäule (ASIS) und des Wirbelvorgangs als anatomische Bezugspunkte.
2. Basisplattendesign: Entwerfen Sie eine konvexe Grundplatte, die speziell so konfiguriert ist, dass sie die 3D-Position des ASIS erfasst, während der Patient in der Bauchlage liegt.
   HINWEIS: Die Toleranzen der Schwalbenschwanzverbindung sind sehr gering; Die gedruckten Stützen müssen vollständig entfernt werden, um Montagefehler zu minimieren.
3. Bauteilsegmentierung: Unterteilen Sie das Grundplattendesign in vier separate Bauteile, die durch Schwalbenschwanzverbindungen verbunden sind, um die Montage zu erleichtern.
4. Mechanische Prüfung: Fertigen Sie die Platte an und führen Sie mechanische Tests durch, um zu bestätigen, dass sie das liegende Körpergewicht tragen und physiologische Bewegungen widerstehen kann.

3. Konstruktion des Leitgeräts und des Navigationsmoduls

1. Stachelprozesserfassung: Entwerfen Sie eine dedizierte Struktur, um die Position der stacheligen Prozesse bei überlegen ausgerichteter Ausrichtung genau zu erfassen.
2. Datenintegration: Rekonstruieren Sie ein umfassendes 3D-Spinalmodell, das die spezifischen Positionsdaten sowohl des ASIS als auch der spinösen Prozesse einbezieht.
3. Navigationsmodul CAD: Verwenden Sie das integrierte 3D-Modell zur Konstruktion des Kreuzscheibenlenkgeräts und das perkutane Navigationsmodul mit AutoCAD.
4. Installation von Referenzpunkten: Installieren Sie vordefinierte Referenzpunkte auf dem Navigationsmodul, um eine konsistente intraoperative Ausrichtung sicherzustellen.

4. Computergestützte Fertigung (CAM) und Druckerei

1. Datenvorverarbeitung: Führen Sie eine Datenreinigung der Spinalbilddateien durch, um redundante Informationen zu entfernen und die Recheneffizienz zu optimieren.
2. Konstruktion von Stützstrukturen: Entwerfen Sie individuelle Stützstrukturen, die während des Druckvorgangs die gebogene Oberflächengeometrie des Buchrückenmodells berücksichtigen.
3. FDM-Fertigung: Fertigung des physikalischen Wirbelsäulenmodells und Navigationsmoduls mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) mittels Fused Deposition Modeling (Stratasys FDM). Druckparameter: Düse 0,4 mm, Schichthöhe 0,1 mm, Druckgeschwindigkeit 50 mm/s, Betttemperatur 100 °C, Presstemperatur 250 °C.
   VORSICHT: Vermeiden Sie Kontakt mit beheizten Teilen des Druckers (Düsen und Druckplattform); Tragen Sie hitzebeständige Handschuhe beim Umgang mit neu gedruckten Teilen; Betreiben Sie den Drucker in einem gut belüfteten Bereich.
4. Prozessüberwachung: Überwachung des thermischen Extrusionsprozesses, um eine gleichmäßige Materialabscheidung sicherzustellen; Passen Sie die Parameter iterativ an, bis die Maße genau sind.

5. Genauigkeitsprüfung und Verifizierung

1. Experimentelle Einrichtung: Das 3D-gedruckte Navigationsmodul am Schweinerückenmodell montieren.
2. K-Draht-Einführung: Führen Sie einen K-Draht mit 2,0 mm Durchmesser durch das Navigationsloch in der Simulation.
   VORSICHT: Tragen Sie Schutzhandschuhe und Schutzbrillen, um Einstiche zu vermeiden; Stellen Sie sicher, dass das Modell beim Einsetzen sicher befestigt ist.
3. Fluoroskopische Bestätigung: Nehmen Sie fluoroskopische C-Arm-Bilder aus mehreren Winkeln auf, um die Position des K-Drahtes relativ zur Zielscheibe zu überprüfen.
   VORSICHT: Tragen Sie Bleischürzen, Schilddrüsenschutzschilde und Schutzbrillen; Minimieren Sie die Fluoroskopiezeit und halten Sie einen sicheren Abstand zur C-Arm-Quelle.
4. Ergebnisanalyse: Vergleichen Sie die physische Platzierung des K-Drahts mit dem 3D-Digitaldesign, um die Genauigkeit des Systems zu bestätigen.
   HINWEIS: Der gesamte Arbeitsablauf, einschließlich CT-Scans, Bildverarbeitung, Gerätedesign und Fertigung, dauert je nach Komplexität des Modells etwa 3–4 Arbeitstage. Die CT-Erfassung dauert typischerweise 30–45 Minuten, gefolgt von 2–4 Stunden DICOM-Verarbeitung und 3D-Rekonstruktion. Das Design von Navigationsmodulen dauert etwa 4–6 Stunden, und der Fused Deposition Modeling (FDM) Druck- und Nachbearbeitungsprozess dauert etwa 12–18 Stunden.

Results

Mit dem rekonstruierten 3D-Modell des lumbalen simulierten Knochenmodells (Abbildung 1), mit den Positionierungsinformationen der vorderen oberen iliakalen Wirbelsäule (ASIS) und des Spinusfortsatzes, entwarfen wir das "Percutaneous Endoscopic Lumbar Intervertebral Disc Positioning Device" (Abbildung 2). Anfangs wurde ein verkleinertes physisches Modell mit FDM-3D-Drucktechnologie (Abbildung 3) gedr...

Discussion

Diese Studie präsentiert ein Protokoll zur Entwicklung und Anwendung eines perkutanen endoskopischen Lumbalen Intervertebralen Bandscheibenpositionierungsgeräts, das darauf ausgelegt ist, eine zuverlässige Positionierung des beabsichtigten intervertebralen Bandscheibenraums zu ermöglichen, wie durch fluoroskopische Bildgebung bestätigt, die Operationszeit zu verkürzen und möglicherweise die Patientenergebnisse bei PELD zu verbessern. Wir integrierten medizinische Bildgeb...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (CAD-Software)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Verwendung für die Entwicklung von Geräte- und Navigationsmodulen
Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-Drucker	Stratasys	N/A	Verwendet für die Herstellung des Geräts und der Modelle
Lumbalwirbelsäulensimulationsmodell (L3– Sakrum)	Sawbones	1340-20	Verwendung für Bausteindesign und prozedurale Simulation
MATLAB (3D-Rekonstruktionssoftware)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Verwendet für 3D-Rekonstruktion aus DICOM-Bildern