Reconstruction tridimensionnelle – Développement guidé d’un dispositif de positionnement du disque lombaire endoscopique percutané dans un modèle de colonne vertébrale porcine

Summary

Le dispositif de positionnement des disques intervertébraux endoscopique percutanés développé dans cette étude peut aider à positionner les disques intervertébraux. Cet appareil réduit l’exposition aux radiations et soutient la formation technique des jeunes chirurgiens de la colonne vertébrale.

Abstract

La hernie discale lombaire (LDH) est généralement causée par une perturbation annulaire résultant d’un traumatisme ou d’une mauvaise posture, entraînant une extrusion du matériau pulpeux et une compression des racines nerveuses lombaires. Cette affection se manifeste souvent par des douleurs radiculaires et des troubles sensoriels irradiant du bas du dos vers les membres inférieurs. Bien que la plupart des cas puissent être gérés de manière conservatrice, des symptômes graves ou réfractaires peuvent nécessiter une intervention chirurgicale, incluant la discectomie conventionnelle, la discectomie microscopique mini-invasive et la discectomie endoscopique. La discectomie lombaire endoscopique percutanée (PELD) peut être réalisée sous anesthésie locale ; Cependant, la procédure repose fortement sur l’expérience du chirurgien et est associée à des défis techniques, notamment la difficulté de positionnement, la confirmation fluoroscopique répétée et une exposition accrue aux radiations. L’objectif de cette étude était de développer et d’évaluer un nouveau dispositif percutané endoscopique de positionnement des disques lombaires conçu pour améliorer la précision et l’efficacité du positionnement des disques pendant le PELD. Cette étude a développé un dispositif unique de positionnement endoscopique du disque lombaire percutané. L’appareil a été réalisé par la reconstruction et la réparation de modèles 3D de la colonne porcine et lombaire, la fabrication d’une plaque de base convexe, la conception de dispositifs de guidage du processus spineux spineux et du positionnement des disques, la conception assistée par ordinateur d’un module de navigation chirurgicale mini-invasive du disque lombaire endoscopique percutané, ainsi que des tests de précision. Les résultats expérimentaux ont montré que l’appareil pouvait localiser avec précision les positions des épines porcines et réduire la dépendance à la fluoroscopie en contexte expérimental. Le dispositif de positionnement offrait une grande précision, soutenant la chirurgie mini-invasive en réduisant la taille des incisions, en évitant les dommages aux vaisseaux sanguins critiques et aux tissus nerveux environnants, et en offrant des instruments chirurgicaux multidirectionnels guidant des chemins et facilitant le processus chirurgical. Le dispositif percutané de positionnement endoscopique du disque lombaire décrit dans cette étude offre une approche structurée et reproductible du positionnement du disque intervertébral pendant la PELD. Cette méthode a le potentiel d’améliorer l’efficacité des procédures, de limiter l’exposition aux radiations et de soutenir la formation chirurgicale, en particulier pour les chirurgiens de la colonne vertébrale en début de carrière.

Introduction

La hernie discale lombaire (LDH) consiste en l’extrusion du noyau pulpeux à travers un défaut annulaire dans le canal rachidien ou le foramen neural, entraînant une compression des racines nerveuses lombaires. Des symptômes cliniques tels que douleurs aiguës, crampes aux jambes et engourdissements sont présents, et même une faiblesse musculaire, une atrophie, une incontinence urinaire et fécale peuvent survenir comme séquelles^{permanentes 1}. Bien que la plupart des patients répondent à un traitement conservateur, une intervention chirurgicale est nécessaire pour ceux présentant des symptômes réfractaires ou une altération neurologique progressive.

Plusieurs techniques chirurgicales ont été développées pour la prise en charge de la LDH sévère, notamment la discectomie lombaire^{postérieure conventionnelle 1}, la discectomie microscopique^{mini-invasive 2,3}, la discectomie endoscopique^{mini-invasive 4,5} et la discectomie lombaire endoscopique percutanée (PELD)^6,7. Chaque technique présente ses avantages et ses inconvénients concernant la méthode d’anesthésie, l’intervention des tissus mous, la technique de positionnement et de navigation, ainsi que les besoins en fluoroscopie. Le PELD peut être réalisé sous anesthésie locale et a gagné en popularité grâce à sa procédure peu invasive. Lors du PELD, l’imagerie en temps réel par C-arm est utilisée pour localiser l’insertion d’un fil K et la canule de travail à travers le foramen intervertébral afin d’accéder au fragment discale hernié, qui est ensuite retiré à l’aide d’instruments endoscopiques. Cette technique a également été étendue au traitement de la sténose foraminale lombaire et à certains cas de^{LDH 8,9}. Les avantages de cette méthode incluent un minimum de lésions des tissus mous, moins de saignements, une récupération plus rapide et la faisabilité d’une chirurgie sous anesthésie^{locale 10,11}.

Malgré ces avantages, le PELD présente des défis techniques, notamment lors de la pose initiale du fil K et de la canule de fonctionnement. Actuellement, ces instruments sont couramment insérés à main levée sous guidage fluoroscopique continu. Cette approche expose les chirurgiens à une radiation importante et nécessite une courbe d’apprentissage abrupte pour cibler précisément le fragment discale^{pathologique 11, 12, 13, 14}. Chez les chirurgiens moins expérimentés, un placement imprécis de la canule peut entraîner une décompression incomplète et des résultats cliniques sous-optimaux. Des études antérieures ont rapporté des taux de récidive et de réintervention plus élevés après la DPE comparé à la discectomie postérieure^{traditionnelle} 14,15,16. De plus, un avancement inadéquat du fil K ou de la canule en fonctionnement peut entraîner des complications telles que des lésions de la racine nerveuse, des lésions vasculaires ou une pénétration involontaire dans la cavité^{abdominale 17,18}.

Pour remédier aux limites de la technique conventionnelle à main libre, nous avons développé un dispositif unique conçu pour aider les chirurgiens de la colonne vertébrale à cibler précisément le site pathologique tout en minimisant l’exposition fluoroscopique. Cet appareil est destiné à raccourcir le temps d’opération, à diminuer les risques d’exposition liés aux radiations et à diminuer les complications du PELD. Cet appareil facilite le stade de positionnement du fil K lors de la discectomie lombaire endoscopique percutanée (PELD), notamment pour la planification précise du chemin et la détermination du point d’entrée. Son application est particulièrement avantageuse dans les cas nécessitant des configurations anatomiques complexes précises ou une dépendance réduite à l’imagerie répétée du C-arm. Nous pensons que cet appareil peut faciliter la performance chirurgicale des chirurgiens en début de carrière, contribuer à de meilleurs résultats cliniques et réduire significativement la courbe d’apprentissage, tout en servant d’outil précieux pour la formation et la formation chirurgicales.

Protocol

Les échantillons d’épine porcine utilisés dans cet article ont été obtenus sur des marchés commerciaux locaux. Parce que ces échantillons provenaient d’animaux abattus à des fins alimentaires et sans manipulation d’animaux vivants, ils n’avaient pas besoin d’examen ni d’approbation par le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (IACUC).

Cette étude a développé un dispositif unique de positionnement endoscopique du disque lombaire percutané en reconstruisant et en affinant des modèles tridimensionnels (3D) des spécimens de la colonne porcine et des modèles de simulation de la colonne lombaire. Ce dispositif comprend le dispositif de guidage, le module de navigation et le dispositif de positionnement. L’ensemble du système a été validé par des tests de positionnement et d’alignement. Les réactifs et l’équipement utilisés sont listés dans le tableau des matériaux.

1. 3D reconstruction des modèles et préparation des données

1. Tomodensitométrie : réaliser la tomodensitométrie (CT) sur des échantillons de colonne porcine et des modèles simulés de colonne lombaire L1-sacrum.
   ATTENTION : Le balayage doit être effectué dans une salle de contrôle équipée d’une fenêtre d’observation en verre plomb.
2. Installez la machine CT : 1 mm d’épaisseur de tranche, courant de tube de 300 mA, temps de rotation de 0,5 s et tension de 120 kV dans le tube.
   REMARQUE : Assurez-vous de réglages cohérents pour chaque scan afin de maintenir une reconstruction haute fidélité.
3. Exportation de données : Exportez les résultats de la numérisation sous forme de fichiers image DICOM pour traitement.
   REMARQUE : Après avoir exporté le modèle 3D au format STL, vérifiez que le fichier est complet avant de passer à l’étape de conception CAO.
4. Reconstruction 3D : Utilisez MATLAB pour convertir les ensembles de données DICOM en modèles numériques tridimensionnels (3D) et exporter des fichiers STL.
5. Allocation du modèle : Désigner le modèle simulé de la colonne lombaire pour la conception structurelle de l’appareil et le modèle de la colonne vertébrale porcine pour la vérification de la précision du positionnement.

2. Conception et fabrication de la plaque de base convexe

1. Cartographie de référence : Définir la position du dispositif en utilisant l’épine iliaque antério-supérieure (ASIS) et le processus épineux comme points de référence anatomiques.
2. Conception de la plaque de base : Concevez une plaque de base convexe spécifiquement configurée pour capturer la position 3D de l’ASIS pendant que le patient est en position couchée.
   REMARQUE : Les tolérances de conception des joints en queue d’aronde sont très faibles ; Les supports imprimés doivent être complètement retirés pour minimiser les erreurs d’assemblage.
3. Segmentation des composants : Divisez la conception de la plaque de base en quatre composants distincts reliés par des joints en queue d’aronde pour faciliter l’assemblage.
4. Essais mécaniques : Fabriquez la plaque et effectuez des tests mécaniques pour confirmer qu’elle peut supporter le poids du corps allongé et résister aux mouvements physiologiques.

3. Conception du dispositif de guidage et du module de navigation

1. Capture du procédé épineux : Concevez une structure dédiée pour capturer avec précision la position des procédés épineux lorsqu’ils sont orientés supérieurement.
2. Intégration des données : Reconstruisez un modèle spinal 3D complet qui intègre les données positionnelles spécifiques de l’ASIS et des processus épineux.
3. Module de navigation CAO : Utiliser le modèle 3D intégré pour concevoir le dispositif de guidage du disque intervertébral et le module de navigation percutanée à l’aide d’AutoCAD.
4. Installation du point de référence : Installer des points de référence prédéfinis sur le module de navigation afin d’assurer un alignement intraopératoire cohérent.

4. Fabrication assistée par ordinateur (FAO) et impression

1. Prétraitement des données : Effectuer le nettoyage des données des fichiers d’imagerie vertébrale afin de supprimer les informations redondantes et d’optimiser l’efficacité de calcul.
2. Conception de structures de support : Concevez des structures de support personnalisées pour s’adapter à la géométrie courbe de surface du modèle de la tranche lors du processus d’impression.
3. Fabrication FDM : Fabriquer le modèle physique de la colonne vertébrale et le module de navigation à l’aide d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) via modélisation par dépôt fusionné (Stratasys FDM). Paramètres d’impression : buse 0,4 mm, hauteur de couche 0,1 mm, vitesse d’impression 50 mm/s, température du lit 100 °C, température d’extrusion 250 °C.
   ATTENTION : Évitez le contact avec les parties chauffées de l’imprimante (buses et plateforme d’impression) ; porter des gants résistants à la chaleur lors de la manipulation de pièces nouvellement imprimées ; Faites fonctionner l’imprimante dans un endroit bien ventilé.
4. Surveillance du procédé : Surveiller le procédé d’extrusion thermique afin d’assurer un dépôt uniforme du matériau ; ajustez les paramètres de façon itérative jusqu’à ce que les dimensions soient exactes.

5. Tests de précision et vérification

1. Installation expérimentale : Montez le module de navigation imprimé en 3D sur le modèle de la colonne vertébrale porcine.
2. Insertion du fil K : Insérer un fil K de 2,0 mm de diamètre à travers le trou de navigation dans la simulation.
   ATTENTION : Portez des gants et lunettes de protection pour éviter les crevaisons ; Assurez-vous que le modèle est solidement fixé lors de l’insertion.
3. Confirmation fluoroscopique : Capturez des images fluoroscopiques du bras en C sous plusieurs angles pour vérifier la position du fil K par rapport au disque intervertébral cible.
   ATTENTION : Portez des tabliers en plomb, des protections thyroïdiennes et des lunettes de protection ; minimisez le temps de fluoroscopie et maintenez une distance de sécurité avec la source du bras C.
4. Analyse des résultats : Comparez la position physique du fil K avec la conception numérique 3D afin de confirmer l’exactitude du système.
   REMARQUE : Le flux de travail complet, incluant le scanner CT, le traitement d’image, la conception et la fabrication des dispositifs, prend environ 3 à 4 jours ouvrés, selon la complexité du modèle. L’acquisition de la CT prend généralement 30 à 45 minutes, suivie de 2 à 4 heures de traitement DICOM et de reconstruction 3D. La conception du module de navigation prend environ 4 à 6 heures, tandis que l’impression et le post-traitement par modélisation par dépôt fusionné (FDM) prennent environ 12 à 18 heures.

Results

En utilisant le modèle 3D reconstruit du modèle osseux simulé lombaire (Figure 1), avec les informations de positionnement de la colonne iliaque antéro-supérieure (ASIS) et du processus épineux, nous avons conçu le « Dispositif de positionnement du disque intervertébral lombaire endoscopique percutané » (Figure 2). Initialement, un modèle physique réduit a été imprimé à l’aide de la technologie d’impression 3D FDM (

Discussion

Cette étude présente un protocole pour le développement et l’application d’un dispositif de positionnement des disques intervertébraux lombaires endoscopique percutanés, conçu pour faciliter un positionnement fiable de l’espace intervertébral discal prévu, confirmé par imagerie fluoroscopique, réduire le temps opératoire et potentiellement améliorer les résultats des patients lors de la PELD. Nous avons intégré l’imagerie médicale, la reconstruction 3D et la fabrication ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (logiciel CAO)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Utilisation pour la conception de dispositifs et de modules de navigation
Imprimante 3D modélisation par dépôt fusionné (FDM)	Stratasys	N/A	Utilisation pour la fabrication de l’appareil et des modèles
Modèle de simulation de la colonne lombaire (L3 & ndash ; sacrum)	Sawbones	1340-20	Utilisé pour la conception de dispositifs et la simulation procédurale
MATLAB (logiciel de reconstruction 3D)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Utilisé pour la reconstruction 3D à partir d’images DICOM