돼지 척추 모델에서 경피적 내시경 요추 디스크 위치 장치의 3차원 재구성 및 유도 개발

Summary

본 연구에서 개발된 경피적 내시경 추간판 위치 장치는 추간판 위치 조정에 도움을 줄 수 있습니다. 이 장치는 방사선 노출을 줄이고 젊은 척추 외과의사들의 기술 교육을 지원합니다.

Abstract

요추 디스크 탈출증(LDH)은 외상이나 잘못된 자세로 인한 고리 파열로 인해 흔히 발생하며, 이로 인해 핵 치수 물질이 돌출되고 요추 신경근이 압박됩니다. 이 질환은 종종 허리에서 하체로 방사되는 신경근 통증과 감각 장애를 동반합니다. 대부분의 경우는 보존적으로 관리할 수 있지만, 심하거나 불항성 증상은 기존 디스크 절제술, 최소 침습 미세 디스크 절제술, 내시경 디스크 절제술 등 외과적 개입이 필요할 수 있습니다. 경피적 내시경 요추 디스크 절제술(PELD)은 국소 마취 하에 시행될 수 있으며; 하지만 이 수술은 외과의사의 경험에 크게 의존하며, 위치 잡기 어려움, 반복적인 투시 확인, 방사선 노출 증가 등 기술적 도전 과제가 있습니다. 본 연구의 목적은 PELD 중 디스크 위치 정확도와 효율성을 향상시키기 위해 설계된 새로운 경피적 내시경 요추 디스크 위치 장치를 개발하고 평가하는 것이었습니다. 이 연구는 독특한 경피적 내시경 요추 디스크 위치 측정 장치를 개발하였습니다. 이 장치는 돼지 척추와 요추의 3D 모델 재구성 및 수리, 볼록한 베이스 플레이트 제작, 척추 척추 돌기 및 디스크 위치 조절 가이드 장치 설계, 경피적 내시경 요추 디스크 최소 침습 수술 내비게이션 모듈의 컴퓨터 지원 설계, 그리고 정확도 시험을 통해 실현되었습니다. 실험 결과, 이 장치는 돼지 척추의 위치를 정확히 찾을 수 있으며, 실험 환경에서 형광투시 의존도를 줄일 수 있음을 보여주었습니다. 이 위치 장치는 절개 크기를 줄이고 주변 중요한 혈관 및 신경 조직 손상을 방지하며, 다방향 수술 기구의 안내 경로를 제공하여 수술 과정을 용이하게 하여 최소 침습 수술을 지원하는 고정밀 기능을 제공했습니다. 본 연구에서 설명한 경피적 내시경 요추 디스크 위치 장치는 PELD 중 추간판 위치 조정에 대해 구조적이고 재현 가능한 접근법을 제공합니다. 이 방법은 시술 효율성을 높이고, 방사선 노출을 제한하며, 특히 초기 경력 척추 외과의사들의 외과 훈련을 지원할 잠재력을 가지고 있습니다.

Introduction

요추 디스크 탈출증(LDH)은 고리 결손을 통해 척추관 또는 신경공으로 추진핵이 돌출되어 요추신경근 압박을 일으키는 현상을 포함합니다. 날카로운 통증, 다리 경련, 저림과 같은 임상 증상이 나타나며, 근육 약화, 위축, 요실금 및 대변 실금도 영구적인 후유증으로 발생할 수^{있습니다.} 대부분의 환자가 보존적 치료에 반응하지만, 불항성 증상이나 진행성 신경학적 장애가 있는 경우에는 수술적 개입이 필요합니다.

중증 LDH 관리를 위해 기존 후방 요추 디스크 절제술¹, 최소 침습 미세 디스크 절제술 ^2,3, 최소 침습 내시경 디스크 절제술 ^4,5, 경피적 내시경 요추 디스크 절제술(PELD)^6,7 등 여러 수술 기법이 개발되었습니다. 각 기법은 마취법, 연조직 중재, 위치 지정 및 내비게이션 기법, 투시 검사 요구사항 등 장단점이 있습니다. PELD는 국소 마취 하에서 시행할 수 있으며, 최소 침습 시술 덕분에 인기를 얻고 있습니다. PELD 중에는 실시간 C-암 영상을 사용하여 K-와이어와 작동 캐뉼라를 추간공을 통해 삽입하여 탈출된 디스크 조각에 접근하고, 내시경 기구를 이용해 제거합니다. 이 기법은 요추공공협착증 치료와 일부 LDH ^8,9 사례에도 확장되었습니다. 이 방법의 장점으로는 연부 조직 손상이 최소화되고, 출혈이 적으며, 회복이 더 빠르며, 국소 마취 하에 수술이 가능하다는 점이 있습니다^10,11.

이러한 장점에도 불구하고, PELD는 특히 K-와이어와 작동 캐뉼라의 초기 삽입 과정에서 기술적 도전을 제기합니다. 현재 이러한 기기들은 연속 형광투시 유도 하에 자유손 기법으로 삽입하는 경우가 많습니다. 이 접근법은 외과의사에게 상당한 방사선 노출을 주며, 병리적 디스크 조각^{11, 12, 13, 14}를 정확히 표적으로 삼기 위해 가파른 학습 곡선이 필요합니다. 경험이 적은 외과의사의 경우, 부정확한 캐뉼라 배치는 완전한 감압 부전과 비효율적인 임상 결과를 초래할 수 있습니다. 이전 연구들은 PELD 후 전통적인 후방 디스크 절제술에 비해 재발 및 재수술률이 더 높다고 보고했으며,^{14, 15, 16}명입니다. 더불어, K-와이어나 작동 캐뉼라의 부적절한 전진은 신경근 손상, 혈관 손상, 또는 복강으로의 의도치 않은 침투와 같은 합병증을 초래할 수 있습니다^17,18.

기존 자유손 기법의 한계를 해결하기 위해, 우리는 척추 외과의가 병리 부위를 정확히 겨냥하고 투시 노출을 최소화할 수 있도록 돕는 독특한 장치를 개발했습니다. 이 장치는 수술 시간을 단축하고, 방사선 관련 노출 위험을 줄이며, PELD 시술의 합병증을 줄이기 위해 설계되었습니다. 이 장치는 경피적 내시경 요추 디스크 절제술(PELD)의 K-와이어 위치 측정 단계를 용이하게 하며, 특히 정밀한 경로 계획과 진입 지점 결정에 도움을 줍니다. 특히 정밀하고 복잡한 해부학적 구성이 필요하거나 반복적인 C-암 영상 의존도를 줄이는 경우에 유리합니다. 이 장치는 초기 경력 척추 외과의사들의 수술 수행을 촉진하고, 임상 결과 개선에 기여하며, 학습 곡선을 크게 줄여줄 뿐만 아니라, 외과 교육과 훈련에도 유용한 도구가 될 수 있다고 믿습니다.

Protocol

이 글에서 사용한 돼지 척추 샘플은 지역 상업 시장에서 조달한 것입니다. 이 샘플들은 식품 목적으로 도살된 동물에서 나왔으며 살아있는 동물 취급이 전혀 없었기 때문에 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 검토와 승인이 필요하지 않았습니다.

이 연구는 돼지 척추 표본과 요추 시뮬레이션 모델의 3차원(3D) 모델을 재구성하고 정교화하여 독특한 경피적 내시경 요추 디스크 위치 측정 장치를 개발하였습니다. 이 장치에는 유도 장치, 내비게이션 모듈, 위치 측정 장치가 포함됩니다. 전체 시스템은 위치 측정 및 정렬 테스트를 통해 검증되었습니다. 시약과 사용된 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 3D 모델 재구성 및 데이터 준비

1. CT 스캔: 돼지 척추 표본과 L1 천골 요추 시뮬레이션 모델에 대해 컴퓨터 단층촬영(CT) 스캔을 수행합니다.
   주의: 스캔은 납유리 관측창이 있는 제어실에서 수행해야 합니다.
2. CT 기계를 설치하세요: 1mm 슬라이스 두께, 300 mA 튜브 전류, 0.5초 회전 시간, 120 kV 튜브 전압.
   참고: 고충실도를 유지하기 위해 각 스캔마다 CT 기계 설정을 일관되게 유지하세요.
3. 데이터 내보내기: 스캔 결과를 DICOM 이미지 파일로 내보내서 처리합니다.
   참고: 3D 모델을 STL 형식으로 내보낸 후에는 CAD 설계 단계로 넘어가기 전에 파일의 완전성을 반드시 확인하세요.
4. 3D 재구성: MATLAB을 사용해 DICOM 데이터셋을 3차원(3D) 디지털 모델로 변환하고 STL 파일을 내보냅니다.
5. 모델 할당: 장치 구조 설계를 위한 요추 시뮬레이션 모델과 위치 정확도 검증을 위한 돼지 척추 모델을 지정합니다.

2. 볼록 베이스 플레이트의 설계 및 제작

1. 참고 매핑: 전부 상장골 척추(ASIS)와 척추 돌기를 해부학적 기준점으로 사용하여 장치 위치를 정의합니다.
2. 베이스 플레이트 설계: 환자가 엎드린 자세일 때 ASIS의 3D 위치를 포착하도록 특별히 구성된 볼록한 베이스 플레이트를 설계하세요.
   참고: 도브테일 조인트 설계 공차는 매우 작습니다; 조립 오류를 최소화하려면 인쇄된 지지대를 완전히 제거해야 합니다.
3. 부품 세분화: 베이스 플레이트 설계를 네 개의 별도 부품으로 나누어 도브테일 조인트로 연결하여 조립을 용이하게 합니다.
4. 기계적 테스트: 플레이트를 제작하고 기계적 테스트를 수행하여 엎드린 몸무게를 지탱하고 생리적 움직임을 견딜 수 있는지 확인합니다.

3. 유도 장치 및 항법 모듈 설계

1. 가시 돌기 포착: 가시 돌기가 위쪽으로 위치할 때 정확히 위치를 포착할 수 있도록 전용 구조물을 설계합니다.
2. 데이터 통합: ASIS와 척추 돌기의 특정 위치 데이터를 통합한 포괄적인 3D 척추 모델을 재구성합니다.
3. 내비게이션 모듈 CAD: 통합 3D 모델을 사용하여 AutoCAD를 사용하여 추간판 가이드 장치와 경피적 내비게이션 모듈을 설계합니다.
4. 기준점 설치: 수술 중 일정한 정렬을 위해 미리 정의된 기준점을 내비게이션 모듈에 설치하세요.

4. 컴퓨터 지원 제조(CAM) 및 인쇄

1. 데이터 전처리: 척추 영상 파일에 대한 데이터 정리를 수행하여 중복 정보를 제거하고 계산 효율성을 최적화합니다.
2. 지지 구조 설계: 인쇄 과정에서 척추 모델의 곡면을 수용할 수 있도록 맞춤형 지지 구조를 설계하세요.
3. FDM 제작: 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)을 이용해 Stratasys FDM을 융합 증착 모델링을 통해 물리적 스파인 모델 및 내비게이션 모듈을 제작합니다. 인쇄 조건: 노즐 0.4mm, 층높이 0.1mm, 인쇄 속도 50mm/s, 베드 온도 100 °C, 압출 온도 250 °C.
   주의: 프린터의 가열된 부품(노즐 및 인쇄 플랫폼)과의 접촉을 피하세요; 새로 인쇄된 부품을 다룰 때는 내열 장갑을 착용하세요; 프린터를 잘 통풍되는 곳에서 작동시키세요.
4. 공정 모니터링: 열압출 공정을 모니터링하여 재료의 균일한 침착을 보장합니다; 치수가 정확해질 때까지 매개변수를 반복적으로 조정합니다.

5. 정확성 테스트 및 검증

1. 실험 장치: 3D 프린팅된 내비게이션 모듈을 돼지 척추 모델에 장착합니다.
2. K-와이어 삽입: 시뮬레이션의 내비게이션 구멍을 통해 직경 2.0mm K-와이어를 삽입합니다.
   주의: 천공을 방지하기 위해 보호 장갑과 고글을 착용하세요; 삽입 시 모델이 단단히 고정되었는지 확인하세요.
3. 형광투시 확인: 여러 각도에서 C-암 형광투시 이미지를 촬영하여 K-와이어가 목표 추간판에 대한 위치를 확인한다.
   주의: 납 앞치마, 갑상선 보호막, 고글 착용; 투시 시간을 최소화하고 C-암 광원으로부터 안전한 거리를 유지합니다.
4. 결과 분석: 물리적 K-와이어 배치를 3D 디지털 설계와 비교하여 시스템의 정확성을 확인합니다.
   참고: CT 스캔, 영상 처리, 장치 설계 및 제조를 포함한 전체 워크플로우는 모델의 복잡성에 따라 약 3–4 근무일이 소요됩니다. CT 획득은 일반적으로 30–45분이 소요되며, 이후 2–4시간 동안 DICOM 처리와 3D 재구성이 진행됩니다. 항법 모듈 설계에는 약 4–6시간이 소요되며, 융착 모델링(FDM) 인쇄 및 후처리에는 약 12–18시간이 소요됩니다.

Results

요추 시뮬레이션 뼈 모델의 재구성 3D 모델(그림 1)과 전방상장골척추(ASIS) 및 척추 돌기의 위치 정보를 사용하여 "경피적 내시경 요추 간판 위치 장치"(그림 2)를 설계했습니다. 초기에는 FDM 3D 프린팅 기술(그림 3)을 사용해 축소된 물리적 모델을 출력하여 구조적 타당성을 검증했습니다. 항법 구멍을 통해 삽입된 K-와이어가 형광투시 유도 하에 의도한 추간판 공간에 도달하는 것이 관찰되었습니다.

다음으로, 돼지 척추에 사용하기 위해 맞춤형 '경피적 내시경 요추 간판 위치 장치'를 설계하고 3D 프린팅했습니다. 삽입 과정에서 조작자는 목표 디스크 위치를 볼 수 없게 되었고; 이 장치는 적절한 내비게이션 구멍을 통해 K-와이어를 삽입하는 데 사용되었습니다...

Discussion

본 연구는 경피적 내시경 요추간판 위치 장치의 개발 및 적용 프로토콜을 제시하는데, 이는 형광투시 영상으로 확인된 추간판 공간의 신뢰성 있는 위치 조정을 용이하게 하고, 수술 시간을 단축하며, PELD 환자 치료 결과를 개선할 수 있도록 설계되었습니다. 우리는 의료 영상, 3D 재구성, 적층 제조를 통합하여 재현 가능한 해부학적 참조 랜드마크를 기반으로 한 외부 내비게이션 프레임워크를 구축했습니다. 기존 자유손 기법의 한계를 해결함으로써, 이 프로토콜은 최소 침습 요추 디스크 중재 시 K-와이어와 캐뉼라를 체계적으로 삽입하는 방법을 제공합니다.

이 실험 수술 기구에서 가장 중요한 단계는 3차원(3D) 프린팅 위치 모듈을 사전 정의된 해부학적 기준점(ASIS)과 가시 돌기(spinous process) 등 정확히 정렬하는 것입니다. 정확한 배치는 해부학적 위치 조정 시간을 단축하고

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (CAD 소프트웨어)	오토데스크	https://www.autodesk.com/	장치 및 내비게이션 모듈 설계에 사용
융합 증착 모델링(FDM) 3D 프린터	스트라타시스	해당 없음	장치 및 모델 제작에 사용됨
요추 시뮬레이션 모델 (L3– 천골)	톱뼈	1340-20	장치 설계 및 절차적 시뮬레이션에 사용
MATLAB (3D 재구성 소프트웨어)	수학 작품	https://in.mathworks.com/	DICOM 이미지에서 3D 재구성에 사용됨