Reconstrucción tridimensional – Desarrollo guiado de un dispositivo percutáneo endoscópico de posicionamiento de disco lumbar en un modelo de columna porquina

Summary

El dispositivo percutáneo endoscópico de posicionamiento del disco intervertebral desarrollado en este estudio puede ayudar en la colocación de discos intervertebrales. Este dispositivo reduce la exposición a la radiación y apoya la formación técnica para jóvenes cirujanos de columna.

Abstract

La hernia discal lumbar (LDH) suele ser causada por una alteración anular resultante de un traumatismo o una mala postura, lo que provoca la extrusión del material del núcleo pulposo y la compresión de las raíces nerviosas lumbares. Esta condición suele manifestarse con dolor radicular y alteraciones sensoriales que irradian desde la parte baja de la espalda hasta las extremidades inferiores. Aunque la mayoría de los casos pueden gestionarse de forma conservadora, los síntomas graves o refractarios pueden requerir intervención quirúrgica, incluyendo discectomía convencional, discectomía microscópica mínimamente invasiva y discectomía endoscópica. La discectomía lumbar endoscópica percutánea (PELD) puede realizarse bajo anestesia local; Sin embargo, el procedimiento depende en gran medida de la experiencia del cirujano y está asociado a desafíos técnicos, como la dificultad de posicionamiento, confirmaciones fluoroscópicas repetidas y mayor exposición a la radiación. El objetivo de este estudio fue desarrollar y evaluar un novedoso dispositivo percutáneo endocutáneo de posicionamiento de disco lumbar diseñado para mejorar la precisión y eficiencia de la colocación del disco durante la PELD. Este estudio desarrolló un dispositivo único de posicionamiento endoscópico del disco lumbar percutáneo. El dispositivo se realizó mediante la reconstrucción y reparación de modelos 3D de la columna porquina y lumbar, la fabricación de una placa base convexa, el diseño de dispositivos de guía del proceso espinoso espinoso espinal y la posición del disco, el diseño asistido por ordenador de un módulo de navegación quirúrgica mínimamente invasiva de disco lumbar endoscópico y pruebas de precisión. Los resultados experimentales demostraron que el dispositivo podía localizar con precisión las posiciones de las espinas porcinas y reducir la dependencia fluoroscópica en entornos experimentales. El dispositivo de posicionamiento proporcionaba alta precisión, apoyando la cirugía mínimamente invasiva al reducir el tamaño de las incisiones, evitar daños en los vasos sanguíneos críticos y tejidos nerviosos circundantes, y ofrecer vías de guiado de instrumentos quirúrgicos multidireccionales, facilitando el proceso quirúrgico. El dispositivo percutáneo endoscópico de posicionamiento del disco lumbar descrito en este estudio proporciona un enfoque estructurado y reproducible para la colocación del disco intervertebral durante la PELD. Este método tiene el potencial de mejorar la eficiencia del procedimiento, limitar la exposición a la radiación y apoyar la formación quirúrgica, especialmente para cirujanos de columna en etapas tempranas.

Introduction

La hernia discal lumbar (LDH) implica la extrusión del núcleo pulposo a través de un defecto anular hacia el conducto espinal o foramen neural, lo que provoca compresión de la raíz nerviosa lumbar. Se presentan síntomas clínicos como dolor agudo, calambres en las piernas y entumecimiento, e incluso debilidad muscular, atrofia, incontinencia urinaria y fecal pueden presentarse como secuelas^{permanentes 1}. Aunque la mayoría de los pacientes responden al tratamiento conservador, se requiere intervención quirúrgica para quienes presentan síntomas refractarios o deterioro neurológico progresivo.

Se han desarrollado varias técnicas quirúrgicas para el manejo de la LDH grave, incluyendo la discectomía lumbar^{posterior convencional 1}, la discectomía microscópica^{mínimamente invasiva 2,3}, la discectomía endoscópica^{mínimamente invasiva 4,5} y la discectomía lumbar endoscópica percutánea (PELD)^6,7. Cada técnica tiene sus pros y sus contras en cuanto al método de anestesia, la intervención de tejidos blandos, la técnica de posicionamiento y navegación, y la necesidad de fluoroscopia. El PELD puede realizarse bajo anestesia local y ha ganado popularidad debido a su procedimiento mínimamente invasivo. Durante la PELD, se utiliza la imagen en tiempo real de C-arm para localizar la inserción de un alambre K y una cánula de trabajo a través del foramen intervertebral para acceder al fragmento herniado del disco, que luego se extrae mediante instrumentos endoscópicos. Esta técnica también se ha extendido al tratamiento de la estenosis foraminal lumbar y a casos seleccionados de^{LDH 8,9}. Las ventajas de este método incluyen un daño mínimo en los tejidos blandos, menos hemorragias, recuperación más rápida y la viabilidad de la cirugía bajo anestesia^{local 10,11}.

A pesar de estas ventajas, el PELD presenta desafíos técnicos, especialmente durante la colocación inicial del cable K y la cánula de trabajo. Actualmente, estos instrumentos se insertan comúnmente mediante una técnica a mano alzada bajo guía fluoroscópica continua. Este enfoque expone a los cirujanos a una radiación considerable y requiere una curva de aprendizaje pronunciada para atacar con precisión el fragmento patológico del disco 11,12,13,14. En cirujanos menos experimentados, una colocación inexacta de la cánula puede resultar en una descompresión incompleta y resultados clínicos subóptimos. Estudios previos han reportado tasas de recurrencia y reoperación más altas tras la PELD en comparación con la discectomía posterior^tradicional 14,15,16. Además, un avance inadecuado del alambre K o de la cánula funcional puede provocar complicaciones como lesión de la raíz nerviosa, daño vascular o penetración no intencionada en la cavidad abdominal^17,18.

Para abordar las limitaciones de la técnica convencional de la mano alzada, desarrollamos un dispositivo único diseñado para ayudar a los cirujanos de columna a dirigirse con precisión al sitio patológico minimizando la exposición fluoroscópica. Este dispositivo está diseñado para acortar el tiempo operativo, reducir los riesgos de exposición relacionados con la radiación y disminuir las complicaciones en la PELD. Este dispositivo facilita la etapa de posicionamiento del hilo K en la discectomía lumbar endoscópica percutánea (PELD), especialmente en la planificación precisa del camino y la determinación del punto de entrada. Su aplicación es especialmente ventajosa en casos que requieren configuraciones anatómicas complejas y precisas o una menor dependencia de la imagen repetida del C-arm. Creemos que este dispositivo puede facilitar el rendimiento quirúrgico de cirujanos de columna en etapas tempranas, contribuir a mejores resultados clínicos y reducir significativamente la curva de aprendizaje, además de servir como una herramienta valiosa para la educación y formación quirúrgica.

Protocol

Las muestras de espina porcina utilizadas en este artículo se obtuvieron en mercados comerciales locales. Dado que estas muestras procedían de animales sacrificados con fines alimentarios y sin manipulación de animales vivos, no necesitaban revisión ni aprobación por parte del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC).

Este estudio desarrolló un dispositivo único de posicionamiento endoscópico percutáneo de discos lumbares mediante la reconstrucción y refinamiento de modelos tridimensionales (3D) de las muestras de columna porcina y modelos de simulación lumbar. Este dispositivo incluye el dispositivo de guía, el módulo de navegación y el dispositivo de posicionamiento. Todo el sistema fue validado mediante pruebas de posicionamiento y alineación. Los reactivos y el equipo utilizado se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. 3D reconstrucción de modelos y preparación de datos

1. TAC: Realizar tomografía computarizada (TC) en muestras de columna porcina y modelos simulados de columna lumbar L1-sacro.
   PRECAUCIÓN: El escaneo debe realizarse en una sala de control con una ventana de observación de cristal plomo.
2. Configurar la máquina TC: 1 mm de grosor de corte, corriente de tubo de 300 mA, tiempo de rotación de 0,5 s y voltaje de tubo de 120 kV.
   NOTA: Asegúrese de establecer ajustes consistentes en la tomografía computarizada para cada escaneo para mantener una reconstrucción de alta fidelidad.
3. Exportación de datos: Exporta los resultados del escaneo como archivos de imagen DICOM para su procesamiento.
   NOTA: Tras exportar el modelo 3D a formato STL, comprueba que el archivo esté completo antes de pasar a la fase de diseño CAD.
4. Reconstrucción 3D: Utiliza MATLAB para convertir los conjuntos de datos DICOM en modelos digitales tridimensionales (3D) y exportar archivos STL.
5. Asignación de modelos: Designa el modelo simulado de columna lumbar para el diseño estructural del dispositivo y el modelo de columna porcina para la verificación de la precisión del posicionamiento.

2. Diseño y fabricación de la placa base convexa

1. Mapeo de referencias: Defina la posición del dispositivo utilizando la columna ilíaca anterosuperior (ASIS) y el proceso espinoso como puntos de referencia anatómicos.
2. Diseño de la placa base: Diseña una placa base convexa configurada específicamente para capturar la posición 3D del ASIS mientras el paciente está en posición prona.
   NOTA: Las tolerancias de diseño de la unión en cola de milano son muy pequeñas; los soportes impresos deben retirarse completamente para minimizar los errores de montaje.
3. Segmentación de componentes: Dividir el diseño de la placa base en cuatro componentes separados conectados por juntas en cola de milano para facilitar el montaje.
4. Pruebas mecánicas: Fabrica la placa y realiza pruebas mecánicas para confirmar que puede soportar el peso del cuerpo propenso y resistir el movimiento fisiológico.

3. Diseño del dispositivo guía y del módulo de navegación

1. Captura de procesos espinosos: Diseña una estructura dedicada para capturar con precisión la posición de los procesos espinosos cuando están orientados superiormente.
2. Integración de datos: Reconstruir un modelo espinal 3D completo que incorpore los datos posicionales específicos tanto del ASIS como de los procesos espinosos.
3. Módulo de navegación CAD: Utilizar el modelo 3D integrado para diseñar el dispositivo de guía de disco intervertebral y el módulo de navegación percutánea usando AutoCAD.
4. Instalación de puntos de referencia: Instalar puntos de referencia predefinidos en el módulo de navegación para asegurar una alineación intraoperatoria consistente.

4. Fabricación asistida por ordenador (CAM) e impresión

1. Preprocesamiento de datos: Realizar limpieza de datos en los archivos de imagen espinal para eliminar información redundante y optimizar la eficiencia computacional.
2. Diseño de estructuras de soporte: Diseña estructuras de soporte personalizadas para acomodar la geometría curva de la superficie del modelo de lomo durante el proceso de impresión.
3. Fabricación FDM: Fabricar el modelo físico de la columna vertebral y el módulo de navegación utilizando estireno de acrilonitrilo butadieno (ABS) mediante modelado por deposición fusionada (Stratasys FDM). Parámetros de impresión: boquilla 0,4 mm, altura de capa 0,1 mm, velocidad de impresión 50 mm/s, temperatura de cama 100 °C, temperatura de extrusión 250 °C.
   PRECAUCIÓN: Evita el contacto con las partes calentadas de la impresora (boquillas y plataforma de impresión); usar guantes resistentes al calor al manipular piezas recién impresas; Maneja la impresora en un lugar bien ventilado.
4. Monitorización del proceso: Monitorizar el proceso de extrusión térmica para asegurar una deposición uniforme del material; ajustar los parámetros iterativamente hasta que las dimensiones sean precisas.

5. Pruebas y verificación de precisión

1. Configuración experimental: Montar el módulo de navegación impreso en 3D sobre el modelo de espina porcina.
2. Inserción de K-wire: Insertar un K-wire de 2,0 mm de diámetro a través del orificio de navegación en la simulación.
   PRECAUCIÓN: Lleva guantes y gafas protectoras para evitar pinchazos; Asegurarse de que el modelo esté bien fijado durante la inserción.
3. Confirmación fluoroscópica: Capturar imágenes fluoroscópicas del brazo C desde múltiples ángulos para verificar la posición del hilo K respecto al disco intervertebral objetivo.
   PRECAUCIÓN: Llevar delantales de plomo, protectores tiroideos y gafas de protección; minimizar el tiempo de fluoroscopia y mantener una distancia segura de la fuente del brazo C.
4. Análisis de resultados: Comparar la colocación física del cable K con el diseño digital 3D para confirmar la precisión del sistema.
   NOTA: El flujo de trabajo completo, que incluye escaneo CT, procesamiento de imágenes, diseño de dispositivos y fabricación, lleva aproximadamente 3–4 días laborables, dependiendo de la complejidad del modelo. La adquisición de TC suele durar entre 30 y 45 minutos, seguida de 2 a 4 horas de procesamiento DICOM y reconstrucción 3D. El diseño del módulo de navegación lleva aproximadamente entre 4 y 6 horas, y la impresión y postprocesado con Modelado por Deposición Fundida (FDM) duran aproximadamente 12 a 18 horas.

Results

Utilizando el modelo 3D reconstruido del modelo óseo simulado lumbar (Figura 1), con la información de posicionamiento de la columna ilíaca anterosuperior (ASIS) y el proceso espinoso, diseñamos el "Dispositivo de Posicionamiento del Disco Intervertebral Lumbar Endoscópico Percutáneo" (Figura 2). Inicialmente, se imprimió un modelo físico reducido utilizando tecnología de impresión 3D FDM (Figura 3)...

Discussion

Este estudio presenta un protocolo para el desarrollo y aplicación de un Dispositivo de Posicionamiento Intervertebral Lumbar Percutáneo Endoscópico diseñado para facilitar la colocación fiable del espacio intervertebral del disco deseado, confirmado por imágenes fluoroscópicas, reducir el tiempo operatorio y potencialmente mejorar los resultados para pacientes en PELD. Integramos imagen médica, reconstrucción 3D y fabricación aditiva para establecer un marco externo de ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (software CAD)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Utilizado para el diseño de dispositivos y módulos de navegación
Impresora 3D de modelado por deposición fusionada (FDM)	Stratasys	N/A	Utilizado para la fabricación del dispositivo y modelos
Modelo de simulación de la columna lumbar (L3 y ndash; sacro)	Sawbones	1340-20	Utilizado para el diseño de dispositivos y simulación procedural
MATLAB (software de reconstrucción 3D)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Utilizado para reconstrucción 3D a partir de imágenes DICOM