9グリッド領域分割法:腰椎の経皮的椎体形成術のための新しい理想的な骨穿刺領域

サマリー

ここでは、経皮的椎体形成術のための「9グリッド領域分割法」について紹介します。L1椎体圧迫骨折の患者がケーススタディとして選ばれました。

要約

経皮的椎体形成術(PVP)は、骨粗鬆症性椎骨圧迫骨折に起因する腰痛を緩和するための効果的な介入として広く認識されています。理想的な骨穿刺ポイントは、従来、腰椎の椎弓根の「左10点、右2点」の突起に位置していました。最適な骨穿刺ポイントを決定することは、重要で複雑な課題です。経皮的椎体形成術(PVP)の精度は、主に手術医の習熟度と、従来の手順での複数の透視鏡の利用に影響されます。穿刺関連の合併症の発生率は、世界中で文書化されています。手術技術の精度を高め、穿刺関連の合併症の発生を減らすために、私たちのチームは腰椎のPVPに「9グリッド領域分割法」を適用して、従来の手順を変更しました。穿刺回数、放射線被ばく量、および外科的処置の期間が減少する可能性があります。

このプロトコルでは、「9グリッド領域分割法」の定義を導入し、医用画像処理ソフトウェア内での標的椎骨DICOMイメージングデータのモデリング、3Dモデル内での操作のシミュレーション、リバースエンジニアリング生産ソフトウェアを使用した3Dモデルの改良、3Dモデリング設計ソフトウェア内での椎骨エンジニアリングモデルの再構築、および手術データを利用して椎弓根投影の安全な侵入領域を決定するプロセスについて説明します。この方法論を採用することにより、外科医は適切な穿刺ポイントを正確かつ容易に効果的に特定できるため、穿刺に関連する複雑さが軽減され、外科的処置の全体的な精度が向上します。

概要

骨粗鬆症性脊椎圧迫骨折(OVCF)は、骨粗鬆症性骨折の中で最も多い骨折タイプであり、現代の医療において重大な臨床的懸念を引き起こしています¹。現在のガイドラインによると、経皮的椎体形成術は、OVCF² の最も効果的な低侵襲治療法の 1 つとして認識されています。経皮的椎体形成術 (PVP) を実施するための主要な方法には、椎弓根穿刺アプローチが含まれ、これには 3 つの主要なパラメーターが含まれます: 骨穿刺の入口点の特定、穿刺角度、および穿刺深さ。これらのパラメータの中で、骨穿刺のエントリーポイントの選択が最も重要であると考えられています。

現在、CアームX線装置は、穿刺針の手術経路の調整を容易にするために、従来のPVP手術の国内および国際的な実践で広く使用されています。重要な側面は、従来、腰椎の椎弓根の「左10点、右2点」の投影に位置していた「理想的な骨穿刺点」を特定することにあります(図1A)³。彼らの経験にもかかわらず、ベテランの外科医でさえ、個人的な経験のみに基づいて適切な穿刺ポイントを決定する際に間違いを犯す可能性があります。これは、周囲の組織へのセメントの漏れ、神経根の損傷、脊髄内血腫など、穿刺関連の合併症を引き起こす可能性があります^4,5,6。さらに、患者のほぼ半数が従来のPVPによる局所合併症を経験しており、これらの合併症の95%は、周囲の組織へのセメントの漏出または傍脊椎静脈の塞栓術に起因しています⁷。私たちの予備研究では、腰椎の実際のPVP骨穿刺ポイントは、必ずしも理想的な椎弓根投影「左10ポイントと右2^{ポイント」に位置し}ているわけではないことがわかりました8。実際の穿刺ポイントの中には、手術の安全性や精度に影響を与えない「理想的な骨の穿刺ポイント」付近で満足のいく穿刺結果を達成できるものもあります。

以上の仮定に基づき、腰椎におけるPVPの「理想的な骨穿刺領域」の概念を初めて提案し、椎弓根の突起を「9グリッド領域」に分割します。理想的な骨穿刺領域の概念は、穿刺の入口点が茎を通じて穿刺の理想的な終点に成功裏かつ確実に到達できる特定の解剖学的領域に関係しています。「9グリッド領域分割法」とは、X線前後像において、茎突起の最長径と最短径を3等分し、面積を9つの領域に分割する手法を指します(図1B)。これらの領域には、1 から 9 まで順番に番号が付けられ、最も外側から内側へ、そして上から下に進行します。腰椎のX線投影を解剖学的マーカーとして用いることで、一点にとどまらず「9グリッド領域分割法」によりPVPの「理想的な骨穿刺領域」を確立します。コンピュータシミュレーションを使用して、パンクチャプロセス中の安全なパンクチャパスを探索します。

したがって、PVP手術における補助穿刺技術の利便性、効率、および安全性を向上させるための潜在的な方法として、「9グリッドエリアディビジョン法」の実装を提案します。この研究は、その有効性と安全性を確認するために広範な研究による検証を必要とする理論的アプローチを示していることに注意することが重要です。

プロトコル

本研究は、北京友好病院首都医科大学の倫理委員会によって承認されました。この方法は、術前の腹臥位コンピューター断層撮影 (CT) 画像データのみを利用して、レトロスペクティブ ケース スタディを通じて導入されます。経皮的椎体形成術(PVP)における「9グリッド領域分割法」は、従来の方法と比較してよりシンプルで効果的なアプローチを提供し、手術および放射線被ばく時間を短縮します。この手法は、穿刺ポイントの特定を容易にし、PVP手順の学習曲線を短縮する可能性があるため、若い居住者に利益をもたらす可能性があり、さらなる調査が必要です。ここに記載されている人物は68歳の女性です。

1. X線透視法、MRI(磁気共鳴画像法)、骨シンチグラフィー法、症状による骨粗鬆症性脊椎圧迫骨折(OVCF)の診断

1. 腰痛、棘突起の圧痛、背中の傍脊髄筋などの症状を持つ高齢患者の中から、OVCFを患っている患者を特定します。後方前方X線透視法を利用して、L1レベルでの椎骨圧迫骨折の存在を評価します(図2A)。MRIイメージングを使用して、新たに発生した腰椎圧迫骨折の診断を確認し、影響を受けた特定の椎骨を特定します(L1(図2B))。

2. 腹臥位での患者の術前CT画像取得

1. 患者を腹臥位にして、患者に腹臥位のCTを行います。X線透視法と、最も痛い部分を押しながら患者の背中の身体検査で目的の領域を確認します。
2. 患者を手術台に腹臥位に寝かせ、腹臥位のCTスキャンの前に患者の背中にグラディエンダーを置き、患者の体の位置を記録してから、グラディエンターを取り外します(図3)。
3. CT画像(スキャン層の厚さ1mm、レイヤー間隔1mm、90スライス(従来)または400スライス(薄スライススキャン))をDICOM形式で保存します。

3. 医用画像処理ソフトウェアで3Dモデルを作成し、動作をシミュレーションします

1. DICOM形式のCT画像を医用画像処理ソフトにエクスポートするには、「 New Project」をクリックします。圧縮された椎骨を再構築するための目的のスライスを選択します。
2. 閾値セグメンテーションツールを使用して、ターゲット椎骨の閾値範囲、特に125-3071 Hの範囲内を調整し、マスクを作成します。「マスクの複製」機能を使用して、「マスク A」と「マスク B」の 2 つの別々のマスクを生成します。
3. マスク編集機能を使用して、マスクAからターゲットの椎骨を消去します。次に、ブール演算ツールを使用してマスク B からマスク A を減算し、新しいマスク Mask C を形成します。最後に、Calculate 3-D関数をアクティブにして、Mask Cを使用してターゲットの椎骨を再構築します。この 3-D モデルに L1 という名前を付けます (図 4A)。
4. オブジェクトインターフェースで新規を右クリックし、描画を選択し、続いて円柱を選択します。シリンダーの寸法が穿刺針と同じで、長さが12.5 mm、半径が1.25 mmであることを確認してください。
5. 移動と回転機能を使用してシリンダーの位置を調整し、理想的な位置を実現します(図4B)。シミュレーション全体を通して、確立された原則と一致する針の軌道を維持するように注意してください:穿刺針は、できればその上半分で茎を横断できなければならず、先端の最適な位置は側面図で椎体の前方3分の1以内にあります。
6. オブジェクトインターフェイスでL1を右クリックし、[STLのエクスポート]を選択してから、ファイルをSTL形式でエクスポートします。

4. 3Dリバースエンジニアリングプロダクションソフトウェアで3Dモデルを磨く

1. エクスポートした椎体ソリッド ファイルを 3D リバース エンジニアリング プロダクション ソフトウェアにインポート するには、[インポート]をクリックします。したがって、 Mesh Doctor 機能を使用して、モデルから歪みとスパイクを排除します。
2. Grid Doctor機能は、通常の解剖学的構造を歪みまたはスパイクとして誤って識別する可能性があるため、大まかなモデルを徹底的に調べて内部の空隙を特定し、手順4.1に従ってそれらを適切に埋めるように注意してください(図5A)。
3. Precise Surface機能を使用して、ソリッドモデルを三角形のメッシュサーフェスに変換し、Organic Geometry Materialを選択します(図5B)。自動サーフェス構築プロセスの完了を待ってから、ファイルをSTP形式でエクスポートします。

5. 脊椎工学モデルを再構築し、3Dモデリング設計ソフトウェアで椎弓根投影の安全な進入領域を確認します

1. 精密表面ドキュメントのSTP形式を3Dモデリング設計ソフトウェアにインポートし、[ 開く]をクリックして椎骨エンジニアリングモデルを再構築します。 断面図 機能を使用して、水平、矢状、および冠状で茎の形態を調べ、花柄の形態と構造の初期観察を提供します(図6A)。
2. 断面図パネルで、最適な視覚化のために断面の角度を調整します。Transparency Section Bodiesを使用して、椎弓根の最も狭い点(図6B)を観察し、左側のパネルのセクション1の角度パラメータを記録します。
3. 椎骨モデルの角度を調整するには、挿入-フィーチャー-移動/コピー機能をクリックし、左パネルの下部にある移動/回転ボタンを選択します。[断面図]パネルに再度アクセスし、断面図1の視野角パラメータを0に調整します。
4. Section 1パネルで変位パラメータを微調整して、満足のいく椎弓根断面ビューを作成します。椎弓根セクションを観察するための改善された視点のために向きを変えます。確認された変位パラメータをパネルに記録します(図7)。
5. 前述の Move/Copy 機能を利用して、椎体モデルの位置を操作します。左側のパネルで変位パラメータを指定します。 コーナー長方形 ツールを使用して、椎体全体を囲みます。
6. まず、[ フィーチャー]-[参照ジオメトリ]-[平面 ]オプションに移動し、断面図を [最初の参照]として指定します。 オフセット距離 パラメータを適宜変更して、新しく作成した平面を椎体の前方3分の1に移動します。
7. 前述の平面上に スケッチ を生成し、椎体の中点に穿刺の終了点を示す ポイント を描画します。
8. 押し出しカット機能を使用して、モデルのカットを実行します。生成された長方形スケッチを選択した輪郭として指定します。
9. 方向と深さの両方を調整して、椎体モデルを2つの半分、つまり 椎体 半分と 椎間 板半分に分割します(図8A)。エンジニアリングファイルをSLDPRT形式で、特にプロセスの一部として保存します。
10. 椎体パーツを含むファイルを開き、断面平面に基づいてスケッチを作成します。エンティティの変換機能を使用して、左のペディクルの投影を曲線スケッチに変換します。
11. 右の椎弓根の投影に対して上記の手順を繰り返し、別の曲線スケッチを取得します。 フィルドサーフェス 機能を使用して、カーブスケッチをサーフェスに変換し、左右のペディクル投影カーブスケッチを境界として使用します(図8B)。
12. 椎骨が隠された後の結果の表面を表示します。FeaturesパネルでLofted Boss/Base機能を選択します。
13. 左の茎の表面の優れた配置は、穿刺の終点を プロファイルとして指定することで、茎の穿刺の経路を描写する円錐形の構造が得られます。説明のために左側を参考にし、右側に同じプロセスを複製します。
14. Scale関数を使用して、両側の円錐形構造を拡大し、重心をスケーリングの中心点として、スケール係数を2にします。「ボディの移動/コピー」機能を使用して、円錐構造を個別に再配置します。
15. 合致設定パネルインターフェース内で、構造の頂点とパンクチャ終点を選択し、マッチングモードを一致に設定します。その後、Delete / Keep Body機能を使用して椎体を排除します(図9A)。
16. バイコニカル構造は、両側の椎弓根穿刺経路をまとめたもので、SLDPRT 形式で保存されます。 Insert Part 機能を使って、椎弓根穿刺セットで椎弓板部と椎体部を組み立て直します。 OK ボタンを押すだけで、パーツの挿入位置が原点に自動的に位置合わせされます(図9B)。
17. Combine Body 関数を使用して、さまざまなコンポーネントに対してブール演算を実行します。すべての椎弓板成分を保持しながら、椎弓板の半分から穿刺セットを差し引くプロセスを通じて、その後の分析では、理想的な骨穿刺領域には左側の領域1、4、および7が含まれていることが示されています(図9C)。

結果

CTイメージングとデジタルモデリングは病院で行われました。CT画像から3Dモデルを構築するのに30分、3Dリバースエンジニアリング生産ソフトウェアで3Dモデルを磨くのに~10分、3Dモデリング設計ソフトウェアで椎骨工学モデルを再構築し、椎弓根投影の安全な進入領域を確認するのに15分かかりました。 理想的な骨穿刺領域 には、この場合、左側の領域1、4、および7が含まれます。 理想的な骨穿刺領域 の概念は、穿刺の入口が椎弓根を介して目的のエンドポイントに効果的かつ安全にアクセスできる明確な解剖学的領域を指します。言い換えれば、穿刺針の方向と深さを調整することにより、骨穿刺エントリポイントが「左の10ポイント」に制限されるのではなく、これらの指定された領域内にある限り、理想的な穿刺エンドポイントを達成できます。この技術により、穿刺手術中の外科医のエラー許容度を大幅に向上させることができます。適切な骨穿刺部位を特定するために必要な透視検査の量は最小限であり、調整の頻度、放射線被ばく、および手術期間の短縮につながります。

理想的な骨穿刺ポイントは、図1Aに示すように、従来、腰椎の椎弓根の投影「左10点、右2点」に位置していました。 図1Bは、9グリッドエリア分割法で採用されている分割の詳細と方法論の詳細な概要を示しています。標的椎骨の術前画像を図2に示します。腹臥位CTスキャンの前に、患者の背中にグラディエンダーを配置し、患者の体位を記録しました(図3)。CT椎骨画像は、冠状面、横面、矢状面から3Dモデルに再構成されました(図4)。図4は、画像処理ソフトウェアでのPVP操作手順のシミュレーションも示しています。 図 5 は、メッシュを修復し、ソリッドモデルを三角形のメッシュサーフェスに変換する手順を示しています。図6は、セクションビュー機能を利用して椎弓根の最も狭い点を観察し、文書化する方法を示しています。図 7 は、モデルの変位パラメータを調整し、最終的なパンクチャ ターゲット位置を決定する手順を示しています。図 8 は、モデルを 2 つの異なるコンポーネント (椎体半と椎間板半 (A)) に分割し、続いて Convert Entities 関数 (B) を使用して椎弓根投影を生成する方法を示しています。図9は、椎体内の穿刺経路の配列を示しています。椎弓板と椎体の構成要素は、椎弓根穿刺セットを使用して再組み立てされ、その後、穿刺セットは、すべての椎弓板成分を維持しながら椎弓部分から取り除かれました。Combine Body機能を利用して複数のコンポーネントに対してブール演算を行い、領域1、4、7からなる理想的な骨穿刺領域を特定しました。

図1:A.従来の「理想的な骨穿刺ポイント」。 「理想的な骨穿刺点」は、従来、腰椎の椎弓根の「左10点、右2点」の突起に位置していました。 イ. 「9グリッド面積分割法」のご紹介 「9グリッドエリア分割法」で採用されている分割の詳細と方法論の詳細な概要。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:標的椎骨の術前画像(A)骨粗鬆症性脊椎圧迫骨折患者のX線写真。患者の標的椎骨の術前X線画像。(A1:後方正面図;A2:側面図)。(B)骨粗鬆症性椎骨圧迫骨折患者のMRI。患者の標的椎骨の術前MRI画像。(B1:T1WIビュー;B2:T2WIビュー)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:腹臥位でのCTスキャン。 腹臥位CTスキャンを受けている間、患者の体の水平角と矢状角を測定するために、患者の背中にあるグラディエンダーを使用してください 。この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

(A)(A1)冠状面、(A2)横断面、(A3)矢状面、(A4)3次元モデルのCT椎骨画像から、医用画像処理ソフトでの椎骨の再構成。(B) 医用画像処理ソフトウェアにおけるPVP操作手順のシミュレーションこの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:3Dリバースエンジニアリング生産ソフトウェアでの3Dモデルの研磨。 3-D モデルを微調整する手順。(A)メッシュを修復し、(B)ソリッドモデルを三角形のメッシュサーフェスに変換します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:セクションビュー機能を使用して、茎を観察し、文書化します。 Section View機能を利用して、(A)椎弓根投影と(B)ドキュメント角度パラメータを観察します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:モデルの変位のパラメータの変更。 モデルの変位パラメータを調整し、最終的なパンクチャターゲット位置を決定します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:ペディクルの投影の表現の作成。 (A) モデルを 2 つの異なるコンポーネントに分割し、続いて (B) Convert Entities 関数を使用した椎弓根投影の生成。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:穿刺経路と理想的な穿刺領域の特定。 (A)茎を横断する穿刺経路のセット。椎弓根を通る椎体内の穿刺経路の配列。(B)多様なコンポーネントを含むモデルの再構築。椎弓根穿刺セットを使用して、椎弓板と椎体のセグメントを再構築します。(C)「理想的な骨穿刺領域」の取得。ある領域が理想的な骨穿刺領域と見なされるのは、完全に青色のときのみです。理想的な骨穿刺領域には、ブール演算の適用による領域 1、4、および 7 が含まれます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

経皮的椎体形成術 (PVP) は、痛みを伴う骨粗鬆症性脊椎圧迫骨折 (OVCF^{) の管理}において良好な臨床効果を示しています9。外科医による精密な経皮的椎弓根穿刺技術の利用は、穿刺針の最適な挿入点、方向、および深さを決定する上で重要な役割を果たし、それによって合併症の発生を大幅に減少させる¹⁰。現在、CアームX線装置は、穿刺針¹¹の手術経路の調整を容易にするために、従来のPVP手術の国内および国際的な実践で広く採用されている。重要な側面は、従来の腰椎の椎弓根の投影「左10点、右2点」に位置する 理想的な骨穿刺点を特定することにあります。「9グリッド領域分割法」は、最適な骨穿刺領域を特定する能力を持っています。

「4グリッド」や「16グリッド」などの代替方法よりも優先的な分割方法として9グリッドを選択した理論的根拠は、明確な説明が必要です。この決定は、脚の投影を 9 グリッド エリアに分割することが、参照値を考慮しながら臨床診療と最も密接に一致することを実証した予備実験に由来します。「4グリッドエリア分割方式」は、操作が簡単なのが特徴です。しかし、その限られた参照値は、不正確な地域区分から生じ、骨穿刺エントリポイントの安全性を識別することを困難にしています。一方、「16グリッド領域分割法」は、穿刺点の安全性を正確に判断することができますが、手術中の複雑さが観察や判断を妨げ、臨床現場とは違和感があります。その結果、「9グリッドエリア分割法」が選択されました 臨床的実現可能性と満足のいく基準値の提供を兼ね備えています。

これまでの研究対象¹² の臨床画像データをさらに解析したところ、「左 10 点、右 2 点」の理想的な椎弓根投影によって投影される正確な腰椎 PVP 骨穿刺点が一貫して観察されていないことがわかりました。ただし、特定の代替穿刺ポイントは、前述の理想的な骨穿刺ポイントの近くで満足のいく穿刺結果をもたらす可能性があることが観察されました。このような理想からの逸脱は、手術の安全性や精度を損なうものではありません。仮定に基づいて、PVP椎弓根の理想的な骨穿刺領域の新しい概念を導入します。これには、X線前後画像上の9グリッド領域に椎弓根の投影を分割することが含まれます。腰椎のX線投影を解剖学的基準とすることで、椎弓根を9グリッド領域に分割することでPVPの理想的な骨穿刺領域を確立し、それによって特異点の限界を超えます。

理論的革新は、腰椎の「9グリッド領域分割法」支援PVP手術を使用することにより、PVP穿刺手術経路を強化する可能性を秘めています。この進歩により、術中投射の投与量が減少し、穿刺針の骨入口を調整するために必要な外科的処置の期間が最小限に抑えられ、最終的には手術の効率と有効性が向上する可能性があります。「9グリッド領域分割法」の理想的な骨穿刺領域は、椎体の異なるセグメント間で異なる可能性があることは注目に値します。説明のために、L1椎体は、この文脈での模範としてのみ利用されます。今後の研究では、PVP 穿刺の適応症と方法論の妥当性と客観性を高めるために、追加のケーススタディ、より広範なサンプル セグメント、およびロボット学習の調査を組み込みます。

ただし、腰椎の「9グリッド面積分割法」支援PVPにはいくつかの制限があります。医用画像ソフトウェアの使い方を学ぶための学習曲線があります。ソフトウェアに不慣れな外科医がテンプレートの設計中にミスを犯すと、結果が不成功につながる可能性があります。さらに、この知見の信頼性と実用性を検証するためには、より大規模な研究が不可欠です。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
コンピュータ断層撮影	会社 GE		マシン
Geomagic Wrap (3Dリバースエンジニアリング生産ソフトウェア)	Oqtonソフトウェア
ソフトウェア 磁気共鳴画像マシン	会社 GE		マシン
Solidworks(3Dモデリング設計ソフトウェア)	Dassault Systèmes - SolidWorks株式会社
ソフトウェア Spirit Level Plus	IOS App Store		gradientor
X線装置	会社 フィリップス		マシン