Ricostruzione tridimensionale – Sviluppo guidato di un dispositivo endoscopico percutaneo di posizionamento del disco lombare in un modello della colonna vertebrale suina

Summary

Il dispositivo percutaneo endoscopico di posizionamento del disco intervertebrale sviluppato in questo studio può aiutare nel posizionamento dei dischi intervertebrali. Questo dispositivo riduce l'esposizione alle radiazioni e supporta la formazione tecnica per i giovani chirurghi spinali.

Abstract

L'ernia del disco lombare (LDH) è comunemente causata da una rottura annulare dovuta a traumi o cattiva postura, che porta all'estrusione del materiale del nucleo polporoso e alla compressione delle radici del nervo lombare. Questa condizione si manifesta spesso con dolore radulare e disturbi sensoriali che si irradiano dalla parte bassa della schiena agli arti inferiori. Sebbene la maggior parte dei casi possa essere gestita in modo conservativo, sintomi gravi o refrattari possono richiedere interventi chirurgici, tra cui discectomia convenzionale, discectomia microscopica minimamente invasiva e discectomia endoscopica. La discectomia lombare endoscopica percutanea (PELD) può essere eseguita sotto anestesia locale; tuttavia, la procedura si basa fortemente sull'esperienza del chirurgo ed è associata a sfide tecniche, tra cui difficoltà di posizionamento, conferme fluoroscopiche ripetute e maggiore esposizione alle radiazioni. L'obiettivo di questo studio era sviluppare e valutare un nuovo dispositivo percutaneo endoscopico di posizionamento del disco lombare, progettato per migliorare la precisione e l'efficienza del posizionamento del disco durante il PELD. Questo studio ha sviluppato un dispositivo unico di posizionamento endoscopico del disco lombare percutaneo. Il dispositivo è stato realizzato attraverso la ricostruzione e la riparazione di modelli 3D della colonna vertebrale suina e lombare, la fabbricazione di una piastra base convessa, la progettazione di dispositivi di guida per il processo spinoso spinoso spinale e del posizionamento del disco, la progettazione assistita da computer di un modulo di navigazione chirurgica minimamente invasiva per il disco lombare endoscopico e test di precisione. I risultati sperimentali hanno mostrato che il dispositivo poteva localizzare con precisione le posizioni sulle spine suine e ridurre la dipendenza fluoroscopica in contesti sperimentali. Il dispositivo di posizionamento offriva alta precisione, supportando la chirurgia minimamente invasiva riducendo la dimensione delle incisioni, evitando danni ai vasi sanguigni critici e ai tessuti nervosi circostanti e offrendo percorsi di guida degli strumenti chirurgici multidirezionali, facilitando il processo chirurgico. Il dispositivo percutaneo endoscopico di posizionamento del disco lombare descritto in questo studio fornisce un approccio strutturato e riproducibile al posizionamento del disco intervertebrale durante il PELD. Questo metodo ha il potenziale di migliorare l'efficienza procedurale, limitare l'esposizione alle radiazioni e supportare la formazione chirurgica, in particolare per i chirurghi spinali all'inizio della carriera.

Introduction

L'ernia del disco lombare (LDH) comporta l'estrusione del nucleo polpore attraverso un difetto anulare nel canale spinale o nel forame neurale, causando compressione della radice nervosa lombare. Si presentano sintomi clinici come dolore acuto, crampi alle gambe e intorpidimento, e persino debolezza muscolare, atrofia, incontinenza urinaria e fecale possono verificarsi come sequele^{permanenti 1}. Sebbene la maggior parte dei pazienti risponda al trattamento conservativo, è necessario intervento chirurgico per chi presenta sintomi refrattari o compromissione neurologica progressiva.

Sono state sviluppate diverse tecniche chirurgiche per la gestione della LDH grave, tra cui la discectomia lombare^{posteriore convenzionale 1}, la discectomia microscopica^{minimamente invasiva 2,3}, la discectomia endoscopica^{minimamente invasiva 4,5} e la discectomia lombare endoscopica percutanea (PELD^)6,7. Ogni tecnica presenta pro e contro riguardo al metodo anestesico, all'intervento dei tessuti molli, alla tecnica di posizionamento e navigazione, e alla necessità di fluoroscopia. Il PELD può essere eseguito in anestesia locale ed è diventato popolare grazie alla sua procedura minimamente invasiva. Durante il PELD, l'imaging in tempo reale con C-arm viene utilizzato per localizzare l'inserimento di un filo K e della cannula lavorativa attraverso il forame intervertebrale per accedere al frammento di disco erniato, che viene poi rimosso tramite strumenti endoscopici. Questa tecnica è stata estesa anche al trattamento della stenosi foraminale lombare e a casi selezionati di^{LDH 8,9}. I vantaggi di questo metodo includono danni minimi ai tessuti molli, meno sanguinamento, recupero più rapido e fattibilità dell'intervento chirurgico sotto anestesia^{locale 10,11}.

Nonostante questi vantaggi, il PELD presenta sfide tecniche, in particolare durante il posizionamento iniziale del filo K e della cannula di lavoro. Attualmente, questi strumenti vengono comunemente inseriti utilizzando una tecnica a mano libera sotto guida fluoroscopica continua. Questo approccio espone i chirurghi a radiazioni significative e richiede una curva di apprendimento ripida per colpire con precisione il frammento patologico del disco 11,12,13,14. Nei chirurghi meno esperti, una posizione imprecisa della cannula può portare a una decompressione incompleta e a risultati clinici subottimali. Studi precedenti hanno riportato tassi di recidiva e reinterventi più elevati dopo la PELD rispetto alla discectomia posteriore^tradizionale 14,15,16. Inoltre, un avanzamento improprio del filo K o della cannula funzionante può portare a complicazioni come lesioni della radice nervosa, danni vascolari o penetrazione involontaria nella cavità^{addominale 17,18}.

Per affrontare i limiti della tecnica convenzionale a mano libera, abbiamo sviluppato un dispositivo unico progettato per aiutare i chirurghi spinali a colpire con precisione il sito patologico, minimizzando l'esposizione fluoroscopica. Questo dispositivo è pensato per ridurre i tempi operatori, ridurre i rischi di esposizione correlati alle radiazioni e diminuire le complicazioni nella PELD. Questo dispositivo facilita la fase di posizionamento del filo K della discectomia lombare endoscopica percutanea (PELD), in particolare nella pianificazione precisa del percorso e nella determinazione del punto di ingresso. La sua applicazione è particolarmente vantaggiosa nei casi che richiedono configurazioni anatomiche complesse precise o una riduzione della dipendenza da immagini ripetute con C-arm. Crediamo che questo dispositivo possa facilitare la performance chirurgica per i chirurghi spinali all'inizio della carriera, contribuire a migliori risultati clinici e ridurre significativamente la curva di apprendimento, rappresentando anche uno strumento prezioso per l'educazione e la formazione chirurgica.

Protocol

I campioni di spina suina utilizzati in questo articolo sono stati ottenuti dai mercati commerciali locali. Poiché questi campioni provenivano da animali macellati per scopi alimentari e senza alcuna manipolazione di animali vivi, non necessitavano di revisione e approvazione da parte del Comitato per la Cura e l'Uso degli Animali Istituzionali (IACUC).

Questo studio ha sviluppato un dispositivo unico di posizionamento endoscopico percutaneo del disco lombare, ricostruendo e perfezionando modelli tridimensionali (3D) dei campioni della colonna vertebrale suina e dei modelli di simulazione della colonna lombare. Questo dispositivo include il dispositivo di guida, il modulo di navigazione e il dispositivo di posizionamento. L'intero sistema è stato validato tramite test di posizionamento e allineamento. I reagenti e le attrezzature utilizzate sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. 3D ricostruzione del modello e preparazione dei dati

1. TAC: eseguire la tomografia computerizzata (TC) su campioni della colonna vertebrale suina e su modelli simulati della colonna lombare L1-sacro.
   ATTENZIONE: La scansione deve essere effettuata in una sala di controllo con finestra di osservazione in vetro piombo.
2. Configura la macchina CT: spessore di taglio di 1 mm, corrente di tubo di 300 mA, tempo di rotazione di 0,5 s e tensione di tubo di 120 kV.
   NOTA: Assicurarsi che le impostazioni della TAC per ogni scansione per ogni scansione mantenga una ricostruzione ad alta fedeltà.
3. Esportazione dati: esporta i risultati della scansione come file immagine DICOM per l'elaborazione.
   NOTA: Dopo aver esportato il modello 3D in formato STL, verifica la completezza del file prima di procedere alla fase di progettazione CAD.
4. Ricostruzione 3D: Usa MATLAB per convertire i dataset DICOM in modelli digitali tridimensionali (3D) ed esportare file STL.
5. Allocazione del modello: Designare il modello simulato della colonna lombare per la progettazione strutturale del dispositivo e il modello della colonna vertebrale suina per la verifica dell'accuratezza del posizionamento.

2. Progettazione e fabbricazione della piastra base convessa

1. Mappatura di riferimento: Definire la posizione del dispositivo utilizzando la spina iliaca anterosuperiore (ASIS) e il processo spinoso come punti di riferimento anatomici.
2. Progettazione della piastra base: Progettare una piastra base convessa specificamente configurata per catturare la posizione 3D dell'ASIS mentre il paziente è in posizione prona.
   NOTA: Le tolleranze di progettazione dei giunti a coda di rondine sono molto piccole; I supporti stampati devono essere completamente rimossi per minimizzare gli errori di assemblaggio.
3. Segmentazione dei componenti: Dividere il progetto della piastra base in quattro componenti separati collegati da giunti a coda di rondine per facilitare l'assemblaggio.
4. Test meccanici: Fabbrica la piastra ed esegui test meccanici per confermare che possa sostenere il peso del corpo prono e resistere ai movimenti fisiologici.

3. Progettazione del dispositivo guida e del modulo di navigazione

1. Cattura del processo spinoso: progettare una struttura dedicata per catturare accuratamente la posizione dei processi spinosi quando orientati superiormente.
2. Integrazione dei dati: Ricostruire un modello spinale 3D completo che incorpori i dati posizionali specifici sia dell'ASIS che dei processi spinosi.
3. Modulo di navigazione CAD: Utilizzare il modello 3D integrato per progettare il dispositivo di guida del disco intervertebrale e il modulo di navigazione percutanea usando AutoCAD.
4. Installazione del punto di riferimento: installare punti di riferimento predefiniti sul modulo di navigazione per garantire un allineamento intraoperatorio coerente.

4. Produzione assistita da computer (CAM) e stampa

1. Preprocessing dei dati: Eseguire la pulizia dei dati sui file di imaging spinale per rimuovere informazioni ridondanti e ottimizzare l'efficienza computazionale.
2. Progettazione delle strutture di supporto: Progettare strutture di supporto personalizzate per adattarsi alla geometria della superficie curva del modello di spina durante il processo di stampa.
3. Fabbricazione FDM: Fabbricare il modello fisico della colonna vertebrale e il modulo di navigazione utilizzando Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) tramite modellazione da deposizione fusa (Stratasys FDM). Parametri di stampa: ugello 0,4 mm, altezza dello strato 0,1 mm, velocità di stampa 50 mm/s, temperatura del piano 100 °C, temperatura di estrusione 250 °C.
   ATTENZIONE: Evitare il contatto con le parti riscaldate della stampante (ugelli e piattaforma di stampa); indossare guanti resistenti al calore quando si maneggiano parti appena stampate; Fai funzionare la stampante in un'area ben ventilata.
4. Monitoraggio del processo: monitorare il processo di estrusione termica per garantire una deposizione uniforme del materiale; Regolare i parametri iterativamente finché le dimensioni non sono accurate.

5. Test di accuratezza e verifica

1. Configurazione sperimentale: Montare il modulo di navigazione stampato in 3D sul modello della spina spinale suina.
2. Inserimento del filo K: Inserire un filo K di diametro 2,0 mm attraverso il foro di navigazione nella simulazione.
   ATTENZIONE: Indossare guanti protettivi e occhiali protettivi per evitare forature; Assicurati che il modello sia fissato in modo sicuro durante l'inserimento.
3. Conferma fluoroscopica: Acquisire immagini fluoroscopiche del braccio C da più angolazioni per verificare la posizione del filo K rispetto al disco intervertebrale bersaglio.
   ATTENZIONE: Indossare grembiuli in piombo, scudi tiroidei e occhiali protettivi; riduci al minimo i tempi di fluoroscopia e mantenere una distanza di sicurezza dalla sorgente C-arm.
4. Analisi dei risultati: Confrontare la posizione fisica del filo K con il design digitale 3D per confermare l'accuratezza del sistema.
   NOTA: L'intero flusso di lavoro, che include scansione TC, elaborazione delle immagini, progettazione e produzione dei dispositivi (CT) e produzione, richiede circa 3–4 giorni lavorativi, a seconda della complessità del modello. L'acquisizione della CT richiede tipicamente 30–45 minuti, seguita da 2–4 ore di elaborazione DICOM e ricostruzione 3D. La progettazione del modulo di navigazione richiede circa 4–6 ore, mentre la stampa e la post-lavorazione con modellazione a deposizione fusa (FDM) richiedono circa 12–18 ore.

Results

Utilizzando il modello 3D ricostruito del modello osseo simulato lombare (Figura 1), con le informazioni di posizionamento della colonna iliaca antero-superiore (ASIS) e del processo spinoso, abbiamo progettato il "Dispositivo di Posizionamento del Disco Intervertebrale Lombare Endoscopico Percutaneo" (Figura 2). Inizialmente, un modello fisico ridotto è stato stampato utilizzando la tecnologia di stampa 3D FDM (

Discussion

Questo studio presenta un protocollo per lo sviluppo e l'applicazione di un dispositivo di posizionamento del disco intervertebrale lombare endoscopico percutaneo, progettato per facilitare un posizionamento affidabile dello spazio intervertebrale del disco previsto, come confermato dall'imaging fluoroscopico, ridurre i tempi operatori e potenzialmente migliorare gli esiti per i pazienti nella PELD. Abbiamo integrato imaging medico, ricostruzione 3D e produzione additiva...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (software CAD)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Utilizzato per la progettazione di dispositivi e moduli di navigazione
Stampante 3D per modellazione a deposizione fusa (FDM)	Stratasys	N/A	Utilizzato per la fabbricazione del dispositivo e dei modelli
Modello di simulazione della colonna lombare (L3 e ndash; sacro)	Sawbones	1340-20	Utilizzato per la progettazione di dispositivi e la simulazione procedurale
MATLAB (software di ricostruzione 3D)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Utilizzato per la ricostruzione 3D a partire da immagini DICOM