豚脊椎モデルにおける経皮的内視鏡的腰椎椎間板位置装置の三次元再構築・ガイド付き開発

Summary

本研究で開発された経皮的内視鏡下椎間板位置装置は、椎間板の位置特定を助けることができます。この装置は放射線被曝を減少させ、若手脊椎外科医の技術訓練を支援します。

Abstract

腰椎椎間板ヘルニア(LDH)は、外傷や悪い姿勢による環状障害が原因で、髄質核の突起や腰椎神経根の圧迫が原因となることが多いです。この状態はしばしば、腰から下肢にかけて放射状の神経根痛や感覚障害を伴います。ほとんどの症例は保存的に管理可能ですが、重度または難治性の症状には、従来の椎間板切除術、低侵襲顕微鏡的椎間板切除術、内視鏡的椎間板切除術などの外科的介入が必要となることがあります。経皮的内視鏡下腰椎椎間板切除術(PELD)は局所麻酔下で実施可能です。しかし、この手術は外科医の経験に大きく依存し、体位の難しさ、繰り返しの透視確認、放射線被曝の増加などの技術的な課題が伴います。本研究の目的は、PELD中の椎間板位置の精度と効率を向上させるために設計された新しい経皮内視鏡下椎間板位置装置の開発と評価でした。本研究では、独自の経皮内視鏡下椎間板位置測定装置を開発しました。この装置は、豚背骨および腰椎の3Dモデルの再構築と修復、凸型ベースプレートの製作、脊椎棘突起および椎間板位置指示装置の設計、経皮的内視鏡下椎間板低侵襲手術ナビゲーションモジュールのコンピュータ支援設計、そして精度試験を通じて実現されました。実験結果により、この装置は豚の背骨上の位置を正確に特定でき、実験環境下での透視依存性を軽減する可能性があることが示されました。この位置装置は高精度で、切開サイズを小さくし、周囲の重要な血管や神経組織の損傷を避け、多方向の手術器具の誘導経路を提供し、手術過程を円滑に進めました。本研究で述べた経皮的内視鏡下椎間板位置測定装置は、PELD中の椎間板位置測定において構造的かつ再現性の高いアプローチを提供します。この方法は、特にキャリア初期の脊椎外科医にとって、処置効率の向上、放射線被曝の制限、外科訓練の支援に期待されています。

Introduction

腰椎椎間板ヘルニア(LDH)は、骨管核が環状の欠損を通って脊髄管または神経孔に押し出され、腰根神経圧迫を引き起こす現象です。鋭い痛み、脚のけいれん、しびれなどの臨床症状が現れ、筋力低下、萎縮、尿失禁や便失禁が永久的な後遺症として現れること^{もあります。}ほとんどの患者は保存的治療に反応しますが、難治性症状や進行性の神経障害がある場合は外科的介入が必要です。

重度のLDHの管理のために、従来の後方腰椎間板切除術¹、低侵襲顕微鏡下盤切除術^2,3、低侵襲内視鏡下盤切除術^4,5、経皮内視鏡下椎間板切除術(PELD)^6,7などが開発されています.それぞれの技術には、麻酔法、軟部組織介入、位置決めとナビゲーション技術、透視検査の要件など、長所と短所があります。PELDは局所麻酔下で実施可能であり、その低侵襲手法により人気が高まっています。PELDでは、リアルタイムCアーム画像診断を用....

Protocol

この記事で使用された豚の背骨サンプルは、地元の商業市場から調達したものです。これらのサンプルは食用目的で屠殺された動物から採取され、生きた動物の扱いが行われていないため、施設動物ケア・利用委員会(IACUC)による審査や承認を必要としませんでした。

本研究では、豚の脊椎標本および腰椎シミュレーションモデルの三次元(3D)モデルを再構築・改良することで、独自の経皮内視鏡下椎間板位置測定装置を開発しました。この装置には誘導装置、ナビゲーションモジュール、位置測定装置が含まれます。システム全体は位置測定とアライメントテストで検証されました。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。

1. 3D モデルの再構築とデータ作成

1. CTスキャン:豚の脊椎標本およびL1仙骨腰椎シミュレーションモデルに対してコンピュータ断層撮影(CT)スキャンを行います。
   注意:スキャンは鉛ガラスの観察窓のある制御室で行う必要があります。
2. CT装置をセットアップします:スライス厚さ1mm、管電流300mA、回転時間0.5秒、管電圧120kV。
   注意:高精度再建を維持するために、各スキャンでCT機器の設定を一貫させることを必ず確認してください。

Results

腰椎シミュレーション骨モデルの再構築3Dモデル(図1)と、前上腸骨棘(ASIS)および棘突起の位置情報を用いて、「経皮的内視鏡下椎間板位置装置」(図2)を設計しました。当初は、FDMの3Dプリント技術(図3)を用いて縮小した物理モデルを印刷し、構造的実現可能性を検証しました。ナビゲーションホールを通したKワイヤーは、透視誘導下で意図された椎間板空間に到達することが観察されました。

次に、豚の背骨に使用するためにカスタマイズされた「経皮的内視鏡下椎間板位置装置」を設計・3Dプリントしました。挿入過程で操作者はターゲットディスクの位置を見えませんでした。この装置は適切なナビゲーションホールにK線を挿入するために使用されました(図4)。 図5<.......

Discussion

本研究は、透視画像で確認された、意図された椎間板空間の信頼性の高い位置位を可能にし、手術時間を短縮し、PELD患者の結果を改善するために設計された経皮内視鏡下椎間板位置装置の開発および応用プロトコルを提示します。医療画像、3D再構築、アディティブ製造を統合し、再現可能な解剖学的参照地点に基づく外部ナビゲーションフレームワークを構築しました。従来のフリーハンド技術の欠点に対処することで、このプロトコルは低侵襲腰椎間板手術におけるKワイヤーとカニューレの配置に体系的なアプローチを提供します。

この実験的な手術器具で最も重要なステップは、前上腸骨棘(ASIS)や棘突起を含む、あらかじめ定義された解剖学的基準点を持つ三次元(3D)プリントの定位モジュールを正確に整列させることです。正確な配置は、解剖学的配置にかかる時間を短縮し、操作^12、13、

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD(CADソフトウェア)	オートデスク	https://www.autodesk.com/	デバイスおよびナビゲーションモジュール設計に使用されます
フュージョンデポジットモデリング(FDM)3Dプリンター	ストラタシス	該当なし	装置およびモデルの製造に使用
腰椎シミュレーションモデル(L3–仙骨)	ソーボーンズ	1340-20	デバイス設計および手続きシミュレーションに使用
MATLAB(3D再構成ソフトウェア)	マスワークス	https://in.mathworks.com/	DICOM画像からの3D再構成に使用