Trójwymiarowa rekonstrukcja – prowadzony rozwój perkutanowego endoskopowego urządzenia do pozycjonowania dysku lędźwiowego w modelu kręgosłupa wieprzowego

Summary

Doskopowe urządzenie do pozycjonowania międzykręgowych dysków międzykręgowych opracowane w tym badaniu może wspomagać pozycjonowanie krążków międzykręgowych. Urządzenie to zmniejsza ekspozycję na promieniowanie i wspiera szkolenie techniczne młodych chirurgów kręgosłupa.

Abstract

Przepuklina dysku lędźwiowego (LDH) jest najczęściej spowodowana uszkodzeniem pierścieniowym spowodowanym urazem lub złą postawą, prowadzącym do wypłynięcia materiału jądra pulsowego oraz ucisku korzeni nerwów lędźwiowych. Stan ten często objawia się bólem korzeniowym oraz zaburzeniami czuciowymi promieniującymi od dolnej części pleców do kończyn dolnych. Chociaż większość przypadków można leczyć zachowawczo, ciężkie lub oporne objawy mogą wymagać interwencji chirurgicznej, w tym konwencjonalnej dyskektomii, małoinwazyjnej mikroskopowej dyskektomii oraz endoskopowej dyskektomii. Doskopową endoskopową dyskektomię lędźwiową (PELD) można wykonać w znieczuleniu miejscowym; Jednak zabieg ten w dużej mierze opiera się na doświadczeniu chirurga i wiąże się z wyzwaniami technicznymi, takimi jak trudności z pozycjonowaniem, powtarzające się potwierdzenia fluoroskopowe oraz zwiększone narażenie na promieniowanie. Celem tego badania było opracowanie i ocena nowatorskiego, przezskórnego endskopowego urządzenia do pozycjonowania dysku lędźwiowego, zaprojektowanego w celu poprawy precyzji i efektywności pozycjonowania dysku podczas PELD. W tym badaniu opracowano unikalne przeskórne endoskopowe urządzenie do pozycjonowania dysku lędźwiowego. Urządzenie zostało zrealizowane poprzez rekonstrukcję i naprawę modeli 3D kręgosłupa wieprzowego i lędźwiowego, wykonanie wypukłej płytki podstawowej, zaprojektowanie urządzeń prowadzących wyrostek kręgosłupa kręgosłupa i układ dysków, komputerowo wspomagane projektowanie śródskórnego endendoskopowego kręgosłupa lędźwiowego o minimalnie inwazyjnej chirurgicznej nawigacji oraz testy dokładności. Wyniki eksperymentów wykazały, że urządzenie potrafi precyzyjnie lokalizować pozycje na kolcach wieprzowych i może zmniejszyć zależność od fluoroskopu w warunkach eksperymentalnych. Urządzenie pozycjonujące zapewniało wysoką precyzję, wspierając małoinwazyjne zabiegi poprzez zmniejszenie rozmiaru nacięcia, zapobieganie uszkodzeniom kluczowych naczyń krwionośnych i tkanek nerwowych oraz oferowanie wielokierunkowych ścieżek prowadzenia przez narzędzia chirurgiczne, ułatwiając przebieg zabiegu. Śródskórne endoskopowe urządzenie do pozycjonowania krążków lędźwiowych opisane w tym badaniu zapewnia strukturalne, powtarzalne podejście do pozycjonowania dysku międzykręgowego podczas PELD. Ta metoda ma potencjał poprawy efektywności procedur, ograniczenia narażenia na promieniowanie oraz wsparcia szkolenia chirurgicznego, szczególnie dla wczesnych chirurgów kręgosłupa.

Introduction

Przepuklina dysku lędźwiowego (LDH) polega na wyciągnięciu jądra pulsuzowego przez defekt pierścieniowy do kanału kręgowego lub otworu nerwowego, co skutkuje uciskiem korzenia nerwu lędźwiowego. Występują objawy kliniczne, takie jak ostry ból, skurcze nóg i drętwienie, a nawet osłabienie mięśni, zanik, nietrzymanie moczu i stolca mogą wystąpić jako trwałe konsekwencje¹. Chociaż większość pacjentów reaguje na leczenie zachowawcze, u osób z objawami opornymi lub postępującymi zaburzeniami neurologicznymi konieczne jest interwencja chirurgiczna.

Opracowano kilka technik chirurgicznych w leczeniu ciężkiego LDH, w tym konwencjonalną dyskektomię tylną lędźwiową¹, małoinwazyjną mikroskopową discektomię ^2,3, minimalnie inwazyjną enduskoponową discektomię ^4,5 oraz śródskórną endoskopową dyskektomię lędźwiową (PELD)^6,7. Każda technika ma swoje zalety i wady dotyczące metody znieczulenia, interwencji tkanek miękkich, techniki pozycjonowania i nawigacji oraz wymagań fluoroskopii. PELD można przeprowadzać w znieczuleniu miejscowym i zyskało popularność dzięki minimalnie inwazyjnemu zabiegowi. Podczas PELD stosuje się obrazowanie ramienia C w czasie rzeczywistym, aby zlokalizować włożenie przewodu K i działającą kaniulę przez otwory międzykręgowe, aby uzyskać dostęp do przepuklinowanego fragmentu dysku, który następnie usuwa się za pomocą narzędzi endoskopowych. Technika ta została również rozszerzona na leczenie zwężenia otworu lędźwiowego oraz wybrane przypadki LDH ^8,9. Zalety tej metody to minimalne uszkodzenie tkanek miękkich, mniej krwawienia, szybsza rekonwalescencja oraz możliwość operacji w znieczuleniu miejscowym^10,11.

Pomimo tych zalet, PELD stawia przed sobą wyzwania techniczne, szczególnie podczas początkowego montażu przewodu K-wire i działającej kaniuli. Obecnie instrumenty te są powszechnie wprowadzane techniką wolnoręczną pod ciągłą kontrolą fluoroskopową. Takie podejście naraża chirurgów na znaczne promieniowanie i wymaga stromej krzywej uczenia się, aby precyzyjnie ukierunkować fragment patologicznego dysku 11,12,13,14. U mniej doświadczonych chirurgów niedokładne umieszczenie kanyli może prowadzić do niepełnej dekompresji i nieoptymalnych wyników klinicznych. Wcześniejsze badania wykazały wyższe wskaźniki nawrotów i reoperacji po PELD w porównaniu z tradycyjną dyskektomią tylną^{14, 15, 16}. Ponadto nieprawidłowe przesunięcie przewodu K-wire lub działającej kaniuli może prowadzić do powikłań, takich jak uszkodzenie korzenia nerwowego, uszkodzenie naczyń lub niezamierzone przebicie do jamy brzusznej^17,18.

Aby zniwelować ograniczenia konwencjonalnej techniki wolnej ręki, opracowaliśmy unikalne urządzenie zaprojektowane do precyzyjnego celowania w miejsce patologiczne przy jednoczesnym minimalizowaniu ekspozycji fluoroskopowej. Urządzenie to ma na celu skrócenie czasu działania, zmniejszenie ryzyka narażenia na promieniowanie oraz zmniejszenie powikłań w PELD. Urządzenie to ułatwia etap pozycjonowania przewodu K-w perkutanej endoskopowej discektomii lędźwiowej (PELD), szczególnie w precyzyjnym planowaniu ścieżki i wyznaczaniu punktów wejścia. Jego zastosowanie jest szczególnie korzystne w przypadkach wymagających precyzyjnych, złożonych konfiguracji anatomicznych lub mniejszej zależności od powtarzanego obrazowania ramienia C. Wierzymy, że to urządzenie może ułatwić wykonywanie operacji przez wczesnych chirurgów kręgosłupa, przyczynić się do poprawy wyników klinicznych i znacząco skrócić krzywą uczenia się, a także stanowić cenne narzędzie w edukacji i szkoleniu chirurgicznym.

Protocol

Próbki kolców wieprzowych użyte w tym artykule zostały pozyskane na lokalnych rynkach komercyjnych. Ponieważ próbki te pochodziły od zwierząt ubojowanych w celach żywnościowych i bez kontaktu z żywymi zwierzętami, nie wymagały przeglądu i zatwierdzenia przez Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Instytucjonalnych (IACUC).

W tym badaniu opracowano unikalne przezskórne endoskopowe urządzenie do pozycjonowania dysku lędźwiowego poprzez rekonstrukcję i udoskonalanie trójwymiarowych (3D) modeli próbek kręgosłupa wieprzowego oraz modeli symulacji kręgosłupa lędźwiowego. Urządzenie to obejmuje urządzenie nawigacyjne, moduł nawigacyjny oraz urządzenie pozycjonujące. Cały system został zweryfikowany poprzez testy pozycjonowania i wyprawy. Odczynniki i używany sprzęt są wymienione w Tabeli Materiałów.

1. 3D rekonstrukcja modeli i przygotowanie danych

1. Badanie tomografii komputerowej: Wykonanie tomografii komputerowej (CT) na próbkach kręgosłupa wieprzowego oraz modelach symulowanych z lędźwia L1.
   UWAGA: Skanowanie musi być przeprowadzone w pomieszczeniu kontrolnym z oknem obserwacyjnym z ołowianego szkła.
2. Ustaw maszynę CT: grubość przekroju 1 mm, prąd rurki 300 mA, czas obrotu 0,5 s i napięcie rurki 120 kV.
   UWAGA: Upewnij się, że ustawienia tomografii komputerowej dla każdego badania są spójne, aby zachować wysoką jakość rekonstrukcji.
3. Eksport danych: Eksport wyników skanowania jako pliki obrazów DICOM do przetwarzania.
   UWAGA: Po wyeksportowaniu modelu 3D do formatu STL sprawdź plik pod kątem kompletności przed przejściem do etapu projektowania CAD.
4. Rekonstrukcja 3D: Użyj MATLAB-a do konwersji zbiorów danych DICOM na trójwymiarowe (3D) modele cyfrowe i eksport plików STL.
5. Przydział modelu: Wyznacz symulowany model kręgosłupa lędźwiowego do projektowania konstrukcji urządzeń oraz model kręgosłupa wieprzowego do weryfikacji dokładności pozycjonowania.

2. Projektowanie i wykonanie wypukłej płyty podstawowej

1. Mapowanie referencyjne: Zdefiniuj pozycję urządzenia za pomocą przedniego górnego kręgosłupa biodrowego (ASIS) oraz wyrostka kolczastego jako anatomicznych punktów odniesienia.
2. Projektowanie płytki podstawowej: Projektuj wypukłą płytkę bazową specjalnie skonfigurowaną tak, aby uchwycić pozycję 3D ASIS podczas leżenia pacjenta w pozycji brzucha.
   UWAGA: Tolerancje projektowe połączenia jaskółczego ogona są bardzo małe; Wydrukowane podpory muszą być całkowicie usunięte, aby zminimalizować błędy montażowe.
3. Segmentacja komponentów: Podziel konstrukcję płyty bazowej na cztery oddzielne elementy połączone połączeniami jaskółczymi, aby ułatwić montaż.
4. Testy mechaniczne: Wykonaj płytę i wykonaj testy mechaniczne, aby potwierdzić, że może ona utrzymać ciężar ciała leżący na pozycji ciała i opierać się ruchom fizjologicznym.

3. Projekt urządzenia naprowadzającego i modułu nawigacyjnego

1. Przechwytywanie wyrostków kolczastych: Projektuj dedykowaną strukturę, która dokładnie uchwyci położenie wyrostków kolczastych przy orientacji wyżej.
2. Integracja danych: Odtworzenie kompleksowego trójwymiarowego modelu kręgosłupa, który uwzględnia specyficzne dane pozycyjne zarówno ASIS, jak i wyrostków kolczastych.
3. Moduł nawigacyjny CAD (CAD): Wykorzystaj zintegrowany model 3D do zaprojektowania urządzenia sterującego międzykręgowym dysku oraz modułu nawigacji przezskórnej z użyciem AutoCAD.
4. Instalacja punktów odniesienia: Zainstaluj zdefiniowane punkty odniesienia na module nawigacyjnym, aby zapewnić spójne wyrównanie wewnątrzoperacyjne.

4. Produkcja wspomagana komputerowo (CAM) i druk

1. Wstępne przetwarzanie danych: Wykonaj czyszczenie plików obrazowania kręgosłupa, aby usunąć zbędne informacje i zoptymalizować efektywność obliczeniową.
2. Projektowanie konstrukcji nośnych: Projektowanie dostosowanych struktur nośnych, aby uwzględnić zakrzywioną geometrię powierzchni modelu grzbietu podczas procesu drukowania.
3. Produkcja FDM: Wykonanie fizycznego modelu grzbietu i modułu nawigacyjnego z wykorzystaniem akrylonitrylu butadienowego styrenu (ABS) za pomocą modelowania depozycji fuzowanej (Stratasys FDM). Parametry drukujące: dysza 0,4 mm, wysokość warstwy 0,1 mm, prędkość druku 50 mm/s, temperatura stołu 100 °C, temperatura wytłaczania 250 °C.
   UWAGA: Unikaj kontaktu z nagrzanymi częściami drukarki (dyszami i platformą drukarską); noszenie rękawic odpornych na wysoką temperaturę podczas obsługi nowo wydrukowanych części; Obsługuj drukarkę w dobrze wentylowanym pomieszczeniu.
4. Monitorowanie procesu: Monitorowanie procesu termicznego wytłaczania, aby zapewnić równomierne osadzanie materiału; dostosowując parametry iteracyjnie, aż wymiary będą dokładne.

5. Testowanie i weryfikacja dokładności

1. Eksperymentalne przygotowanie: Zamontuj moduł nawigacyjny wydrukowany w 3D na modelu wieprzowego kręgosłupa.
2. Wstawienie przewodu K: Włóż przewód K-o średnicy 2,0 mm przez otwór nawigacyjny w symulacji.
   UWAGA: Zakładaj rękawice ochronne i gogle, aby uniknąć przebicia; upewnij się, że model jest dobrze zamocowany podczas wstawiania.
3. Potwierdzenie fluoroskopowe: Wykonaj zdjęcia fluoroskopowe ramienia C z różnych kątów, aby zweryfikować położenie przewodu K-wire względem docelowego dysku międzykręgowego.
   UWAGA: Noś ołowiane fartuchy, tarczycę i gogle; zminimalizuj czas fluoroskopii i utrzymuj bezpieczną odległość od źródła ramienia C.
4. Analiza wyników: Porównaj fizyczne rozmieszczenie przewodu K-z cyfrowym projektem 3D, aby potwierdzić dokładność systemu.
   UWAGA: Cały przepływ pracy, w tym skanowanie komputerowe, przetwarzanie obrazów, projektowanie urządzeń i produkcja, zajmuje około 3–4 dni robocze, w zależności od złożoności modelu. Akwizycja CT zazwyczaj trwa 30–45 minut, po czym następuje 2–4 godziny przetwarzania DICOM i rekonstrukcji 3D. Projekt modułu nawigacyjnego zajmuje około 4–6 godzin, a drukowanie i obróbka w Fused Deposition Modeling (FDM) około 12–18 h.

Results

Korzystając z rekonstruowanego modelu 3D modelu symulowanego kości lędźwiowej (Rysunek 1), z informacją o pozycjonowaniu przedniego górnego kręgosłupa biodrowego (ASIS) oraz wyrostka kolczastego, zaprojektowaliśmy "Percutaneous Endoscopic Lumbal Intervertebral Table Positioning Device" (Rysunek 2). Początkowo drukowano pomniejszony model fizyczny przy użyciu technologii druku 3D FDM (rysunek 3), aby zweryfikować wykonalność konstruk...

Discussion

Niniejsze badanie przedstawia protokół opracowania i zastosowania perkutaneous endoskopowego urządzenia do pozycjonowania międzykręgowego dysku lędźwiowego, zaprojektowanego tak, aby ułatwić niezawodne pozycjonowanie zamierzonej przestrzeni międzykręgowej międzykręgowej, co potwierdziło obrazowanie fluoroskopowe, skrócić czas operacji i potencjalnie poprawić wyniki leczenia w PELD. Zintegrowaliśmy obrazowanie medyczne, rekonstrukcję 3D oraz produkcję addytywną, aby stworzyć zewnętrzne ramy nawigacyjne op...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (oprogramowanie CAD)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Wykorzystywane do projektowania urządzeń i modułów nawigacyjnych
Modelowanie osadzania fuzowanego (FDM) drukarka 3D	Stratasys	Nie ma	Wykorzystywane do produkcji urządzenia i modeli
Model symulacji kręgosłupa lędźwiowego (L3– krzyżowe)	Sawbones	1340-20	Wykorzystywane do projektowania urządzeń i symulacji proceduralnej
MATLAB (oprogramowanie do rekonstrukcji 3D)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Wykorzystywane do rekonstrukcji 3D na podstawie obrazów DICOM