Driedimensionale reconstructie-geleide ontwikkeling van een percutaan endoscopisch lumbale schijfpositioneringsapparaat in een porcine wervelkolommodel

Summary

Het percutane endoscopische intervertebrale schijfpositioneringsapparaat dat in deze studie is ontwikkeld, kan helpen bij de positionering van tussenwervelschijven. Dit apparaat vermindert de blootstelling aan straling en ondersteunt technische training voor jonge wervelkolomchirurgen.

Abstract

Lumbale schijfhernia (LDH) wordt vaak veroorzaakt door annulaire verstoring als gevolg van trauma of slechte houding, wat leidt tot extrusie van nucleus pulposusmateriaal en compressie van lumbale zenuwwortels. Deze aandoening presenteert zich vaak met radiculaire pijn en sensorische verstoringen die uitstralen van de onderrug naar de onderste ledematen. Hoewel de meeste gevallen conservatief behandeld kunnen worden, kunnen ernstige of refractaire symptomen chirurgische ingrepen vereisen, waaronder conventionele discectomie, minimaal invasieve microscopische discectomie en endoscopische discectomie. Percutane endoscopische lumbale discectomie (PELD) kan onder lokale verdoving worden uitgevoerd; De procedure is echter sterk afhankelijk van de ervaring van de chirurg en gaat gepaard met technische uitdagingen, waaronder positioneringsmoeilijkheden, herhaalde fluoroscopische bevestiging en verhoogde stralingsblootstelling. Het doel van deze studie was het ontwikkelen en evalueren van een nieuw percutaan endoscopisch lendenwervelschijfpositieapparaat, ontworpen om de precisie en efficiëntie van de plaatsing van de schijf tijdens PELD te verbeteren. Deze studie ontwikkelde een uniek percutaan endoscopisch lendenwervelschijf-positioneringsapparaat. Het apparaat werd gerealiseerd door de reconstructie en reparatie van 3D-modellen van de varkenswervelkolom en lumbale wervelkolom, de fabricage van een convexe basisplaat, het ontwerp van spinale spinale processen en schijfpositioneringsgidsen, computerondersteund ontwerp van een percutane endoscopische lumbale schijf minimaal invasieve chirurgische navigatiemodule, en nauwkeurigheidstests. Experimentele resultaten toonden aan dat het apparaat nauwkeurig posities op varkensstekels kon lokaliseren en mogelijk de fluoroscopische afhankelijkheid in experimentele omgevingen verminderde. Het positioneringsapparaat bood hoge precisie, ondersteunde minimaal invasieve chirurgie door de incisiegrootte te verkleinen, schade aan omliggende kritieke bloedvaten en zenuwweefsels te voorkomen, en multidirectionele chirurgische instrumenten te bieden die paden leiden, waardoor het chirurgische proces werd vergemakkelijkt. Het percutane endoscopische lumbale schijfpositioneringsapparaat dat in deze studie wordt beschreven, biedt een gestructureerde, reproduceerbare benadering voor de positionering van tussenwervelschijven tijdens PELD. Deze methode heeft het potentieel om de procedurele efficiëntie te verbeteren, de blootstelling aan straling te beperken en chirurgische training te ondersteunen, vooral voor beginnende wervelkolomchirurgen.

Introduction

Lumbale schijfhernia (LDH) houdt in dat de nucleus pulposus via een annulair defect naar het wervelkanaal of neurale foramen wordt gedreven, wat resulteert in compressie van de lumbale zenuwwortel. Klinische symptomen zoals scherpe pijn, krampen in de benen en gevoelloosheid worden gepresenteerd, en zelfs spierzwakte, atrofie, urine- en ontlastingsincontinentie kunnen optreden als blijvende gevolgen¹. Hoewel de meeste patiënten reageren op conservatieve behandeling, is chirurgische ingreep nodig voor degenen met refractaire symptomen of progressieve neurologische beperkingen.

Verschillende chirurgische technieken zijn ontwikkeld voor de behandeling van ernstige LDH, waaronder conventionele posterior lumbale discectomie¹, minimaal invasieve microscopische discectomie ^2,3, minimaal invasieve endoscopische discectomie ^4,5, en percutane endoscopische lumbale discectomie (PELD)^6,7. Elke techniek heeft zijn voor- en nadelen wat betreft de anesthesiemethode, de zachte weefselinterventie, positionerings- en navigatietechniek en de fluoroscopievereiste. PELD kan onder lokale verdoving worden uitgevoerd en is populair geworden vanwege de minimaal invasieve procedure. Tijdens het PELD wordt realtime C-armbeeldvorming gebruikt om het plaatsen van een K-draad en werkcanule door het tussenwervelforamen te lokaliseren om toegang te krijgen tot het herniafragment, dat vervolgens met endoscopische instrumenten wordt verwijderd. Deze techniek is ook uitgebreid naar de behandeling van lumbale foraminale stenose en geselecteerde gevallen van LDH ^8,9. De voordelen van deze methode zijn minimale schade aan het zachte weefsel, minder bloedingen, sneller herstel en de haalbaarheid van een operatie onder lokale verdoving^10,11.

Ondanks deze voordelen brengt PELD technische uitdagingen met zich mee, vooral tijdens de eerste plaatsing van de K-draad en de werkkanule. Momenteel worden deze instrumenten vaak ingebracht met een vrijhandige techniek onder continue fluoroscopische leiding. Deze aanpak stelt chirurgen bloot aan aanzienlijke straling en vereist een steile leercurve om het pathologische schijffragment 11,12,13,14 nauwkeurig te targeten. Bij minder ervaren chirurgen kan een onnauwkeurige plaatsing van de canule leiden tot onvolledige decompressie en suboptimale klinische uitkomsten. Eerdere studies rapporteerden hogere recidief- en heroperatiepercentages na PELD vergeleken met traditionele posterieure discectomie 14,15,16. Bovendien kan onjuiste verplaatsing van de K-draad of werkende canule leiden tot complicaties zoals zenuwwortelletsel, vaatschade of onbedoelde penetratie in de buikholte^17,18.

Om de beperkingen van de conventionele vrijhandtechniek aan te pakken, hebben we een uniek apparaat ontwikkeld dat wervelkolomchirurgen helpt om de pathologische locatie nauwkeurig te targeten en tegelijkertijd fluoroscopische blootstelling te minimaliseren. Dit apparaat is bedoeld om de operatietijd te verkorten, het risico op stralingsgerelateerde blootstelling te verminderen en de complicaties bij PELD te verminderen. Dit apparaat faciliteert de K-draad positioneringsfase van percutane endoscopische lumbale discectomie (PELD), met name bij nauwkeurige padplanning en het bepalen van het toegangspunt. De toepassing ervan is vooral voordelig in gevallen die precieze, complexe anatomische configuraties vereisen of minder afhankelijk zijn van herhaalde C-armbeeldvorming. Wij geloven dat dit apparaat de chirurgische prestaties van beginnende wervelkolomchirurgen kan bevorderen, kan bijdragen aan verbeterde klinische resultaten en de leercurve aanzienlijk kan verkorten, terwijl het ook een waardevol hulpmiddel is voor chirurgische opleiding en training.

Protocol

De monsters van varkenswervels die in dit artikel zijn gebruikt, zijn verkregen op lokale commerciële markten. Omdat deze monsters afkomstig waren van dieren die voor voedseldoeleinden waren geslacht en zonder enige behandeling van levende dieren, vereisten ze geen beoordeling en goedkeuring door het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC).

Deze studie ontwikkelde een uniek percutaan endoscopisch lendenwervelschijf-positioneringsapparaat door driedimensionale (3D) modellen van de varkenswervelkolommonsters en lumbale wervelkolomsimulatiemodellen te reconstrueren en te verfijnen. Dit apparaat omvat het geleidingsapparaat, de navigatiemodule en het positioneringsapparaat. Het hele systeem werd gevalideerd via positionerings- en uitlijningstests. De reagentia en de gebruikte apparatuur worden vermeld in de Materiaaltabel.

1. 3D modelreconstructie en datavoorbereiding

1. CT-scan: Voer computertomografie (CT) scans uit op exemplaren van varkenswervelkolom en L1-sacrum lumbale wervelkolommodellen gesimuleerd.
   VOORZICHTIG: Scannen moet plaatsvinden in een controlekamer met een loodglas observatieraam.
2. Stel de CT-machine in: 1 mm slice dikte, 300 mA buisstroom, 0,5 s rotatietijd en 120 kV buisspanning.
   OPMERKING: Zorg voor consistente CT-machinescaninstellingen voor elke scan om een reconstructie met hoge kwaliteit te behouden.
3. Data-export: Exporteer de scanresultaten als DICOM-afbeeldingsbestanden voor verwerking.
   OPMERKING: Na het exporteren van het 3D-model naar STL-formaat, controleer het bestand op volledigheid voordat je doorgaat naar de CAD-ontwerpfase.
4. 3D-reconstructie: Gebruik MATLAB om de DICOM-datasets om te zetten in driedimensionale (3D) digitale modellen en STL-bestanden te exporteren.
5. Modelallocatie: Wijs het gesimuleerde model van de lumbale wervelkolom aan voor het structureel ontwerp van apparaten en het model voor het verifiëren van positioneringsnauwkeurigheid.

2. Ontwerp en fabricage van de convexe basisplaat

1. Referentiekaart: Definieer de positie van het apparaat met behulp van de anterieure superior iliacale wervelkolom (ASIS) en het spineuze proces als anatomische referentiepunten.
2. Ontwerp van de basisplaat: Ontwerp een convexe basisplaat die specifiek is geconfigureerd om de 3D-positie van de ASIS vast te leggen terwijl de patiënt in buikligging ligt.
   OPMERKING: De ontwerptoleranties van de zwaluwstaartverbinding zijn zeer klein; De geprinte steunen moeten volledig worden verwijderd om assemblagefouten te minimaliseren.
3. Componentsegmentatie: Verdeel het ontwerp van de basisplaat in vier afzonderlijke componenten die met zwaluwstaartverbindingen verbonden zijn om de assemblage te vergemakkelijken.
4. Mechanisch testen: Fabriceer de plaat en voer mechanische tests uit om te bevestigen dat deze het liggende lichaamsgewicht kan ondersteunen en fysiologische bewegingen kan weerstaan.

3. Ontwerp van het geleidingsapparaat en navigatiemodule

1. Vastlegging van stekelprocessen: Ontwerp een speciale structuur om de positie van de stekelprocessen nauwkeurig vast te leggen wanneer ze zich in een hogere richting richten.
2. Data-integratie: Reconstrueer een uitgebreid 3D-wervelkolommodel dat de specifieke positiegegevens van zowel de ASIS als de spineuze processen verwerkt.
3. Navigatiemodule CAD: Gebruik het geïntegreerde 3D-model om het intervertebrale schijfgeleidingsapparaat en de percutane navigatiemodule te ontwerpen met behulp van AutoCAD.
4. Installatie van referentiepunt: Installeer vooraf gedefinieerde referentiepunten op de navigatiemodule om consistente intraoperatieve uitlijning te garanderen.

4. Computerondersteunde productie (CAM) en printen

1. Data-preprocessing: Voer gegevensopschoning uit op de spinale beeldvormingsbestanden om overbodige informatie te verwijderen en de rekenefficiëntie te optimaliseren.
2. Ontwerp van ondersteuningsstructuren: Ontwerp op maat gemaakte steunstructuren om de gebogen oppervlakgeometrie van het rugmodel tijdens het printproces te accommoderen.
3. FDM-fabricage: Fabriceer het fysieke spinemodel en navigatiemodule met Acrylonitrile Butadiene Styreen (ABS) via Fused Deposition Modeling (Stratasys FDM). Printparameters: nozzle 0,4 mm, laaghoogte 0,1 mm, printsnelheid 50 mm/s, bedtemperatuur 100 °C, extrusietemperatuur 250 °C.
   VOORZICHTIG: Vermijd contact met verwarmde delen van de printer (nozzles en printplatform); Draag hittebestendige handschoenen bij het hanteren van nieuw bedrukte onderdelen; Bedien de printer in een goed geventileerde ruimte.
4. Procesmonitoring: Monitor het thermische extrusieproces om uniforme materiaaldepositie te waarborgen; Pas de parameters iteratief aan totdat de afmetingen kloppen.

5. Nauwkeurigheidstesten en verificatie

1. Experimentele opstelling: Monter de 3D-geprinte navigatiemodule op het varkensruggengraatmodel.
2. K-draad inbrengen: Steek een K-draad met een diameter van 2,0 mm door het navigatiegat in de simulatie.
   VOORZICHTIG: Draag beschermende handschoenen en een veiligheidsbril om lekke banden te voorkomen; Zorg ervoor dat het model tijdens het plaatsen stevig vastzit.
3. Fluoroscopische bevestiging: Maak C-arm fluoroscopische beelden vanuit meerdere hoeken om de positie van de K-draad ten opzichte van de doel-intervertebrale schijf te verifiëren.
   VOORZICHTIG: Draag loden schorten, schildklierbeschermers en een bril; minimaliseer de fluoroscopietijd en houd een veilige afstand tot de C-armbron.
4. Resultaatanalyse: Vergelijk de fysieke K-draadplaatsing met het 3D-digitale ontwerp om de nauwkeurigheid van het systeem te bevestigen.
   OPMERKING: De volledige workflow, inclusief CT-scanning, beeldverwerking, apparaatontwerp en productie, duurt ongeveer 3–4 werkdagen, afhankelijk van de complexiteit van het model. CT-acquisitie duurt doorgaans 30–45 minuten, gevolgd door 2–4 uur DICOM-verwerking en 3D-reconstructie. Het ontwerp van navigatiemodules duurt ongeveer 4–6 uur, en Fused Deposition Modeling (FDM) printen en nabewerking kosten ongeveer 12–18 uur.

Results

Met behulp van het gereconstrueerde 3D-model van het lumbale gesimuleerde botmodel (Figuur 1), met de positioneringsinformatie van de voorste superior iliacale wervelkolom (ASIS) en het spineuze uitsteeksel, ontwierpen we het "Percutaneous Endoscopic Lumbar Intervertebral Disc Positioning Device" (Figuur 2). Aanvankelijk werd een verkleind fysiek model geprint met FDM 3D-printtechnologie (Figuur 3) ...

Discussion

Deze studie presenteert een protocol voor de ontwikkeling en toepassing van een Percutane Endoscopische Lumbale Intervertebrale Schijfpositie, ontworpen om de beoogde tussenwervelschijfruimte betrouwbaar te positioneren, zoals bevestigd door fluoroscopische beeldvorming, de operatietijd te verkorten en mogelijk de patiëntuitkomsten bij PELD te verbeteren. We integreerden medische beeldvorming, 3D-reconstructie en additive manufacturing om een extern navigatiekader op te ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (CAD software)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Gebruikt voor apparaat- en navigatiemoduleontwerp
Fused deposition modeling (FDM) 3D printer	Stratasys	N/A	Gebruikt voor fabricage van het apparaat en modellen
Lumbale wervelkolom simulatiemodel (L3–sacrum)	Sawbones	1340-20	Gebruikt voor apparaatdesign en procedurele simulatie
MATLAB (3D reconstructie software)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Gebruikt voor 3D reconstructie van DICOM beelden