Reconstrução Tridimensional – Desenvolvimento Guiado de um dispositivo percutâneo endoscópico de posicionamento do disco lombar em um modelo de coluna suína

Summary

O dispositivo percutâneo endoscópico de posicionamento do disco intervertebral desenvolvido neste estudo pode auxiliar no posicionamento dos discos intervertebrais. Este dispositivo reduz a exposição à radiação e apoia o treinamento técnico para jovens cirurgiões de coluna.

Abstract

A hérnia de disco lombar (LDH) é comumente causada por disrupção anular resultante de trauma ou má postura, levando à extrusão do material do núcleo pulposo e à compressão das raízes do nervo lombar. Essa condição frequentemente se apresenta com dor radicular e distúrbios sensoriais que irradiam da lombar para os membros inferiores. Embora a maioria dos casos possa ser tratada de forma conservadora, sintomas graves ou refratários podem exigir intervenção cirúrgica, incluindo discectomia convencional, discectomia microscópica minimamente invasiva e discectomia endoscópica. Discectomia lombar endoscópica percutânea (PELD) pode ser realizada sob anestesia local; No entanto, o procedimento depende fortemente da experiência do cirurgião e está associado a desafios técnicos, incluindo dificuldade de posicionamento, confirmação fluoroscópica repetida e aumento da exposição à radiação. O objetivo deste estudo foi desenvolver e avaliar um novo dispositivo percutâneo endoscópico de posicionamento do disco lombar, projetado para melhorar a precisão e a eficiência do posicionamento do disco durante a PELD. Este estudo desenvolveu um dispositivo único de posicionamento endoscópico do disco lombar percutâneo. O dispositivo foi realizado por meio da reconstrução e reparo de modelos 3D da coluna porcina e lombar, fabricação de uma base convexa, design de processos espinhosos espinhoses espinhosos e dispositivos de orientação de posicionamento discal, projeto assistido por computador de um módulo de navegação cirúrgica minimamente invasiva de disco lombar endoscópico e testes de precisão. Resultados experimentais mostraram que o dispositivo poderia localizar com precisão posições nos espinhos suínos e pode reduzir a dependência fluoroscópica em ambientes experimentais. O dispositivo de posicionamento proporcionou alta precisão, apoiando cirurgias minimamente invasivas ao reduzir o tamanho das incisões, evitar danos aos vasos sanguíneos críticos e tecidos nervosos ao redor, além de oferecer caminhos de guia múltiplos para instrumentos cirúrgicos, facilitando o processo cirúrgico. O dispositivo percutâneo endoscópico de posicionamento do disco lombar descrito neste estudo oferece uma abordagem estruturada e reprodutível para o posicionamento do disco intervertebral durante a PELD. Esse método tem potencial para melhorar a eficiência dos procedimentos, limitar a exposição à radiação e apoiar o treinamento cirúrgico, especialmente para cirurgiões de coluna em início de carreira.

Introduction

A hérnia de disco lombar (LDH) envolve a extrusão do núcleo pulposo através de um defeito anular para o canal espinhal ou forame neural, resultando na compressão da raiz do nervo lombar. Sintomas clínicos como dor aguda, cólicas nas pernas e dormência podem aparecer, e até fraqueza muscular, atrofia, incontinência urinária e fecal podem ocorrer como sequelas^{permanentes 1}. Embora a maioria dos pacientes responda ao tratamento conservador, a intervenção cirúrgica é necessária para aqueles com sintomas refratários ou comprometimento neurológico progressivo.

Diversas técnicas cirúrgicas foram desenvolvidas para o manejo da LDH grave, incluindo discectomia lombar^{posterior convencional 1}, discectomia microscópica^{minimamente invasiva 2,3}, discectomia endoscópica^{minimamente invasiva 4,5} e discectomia lombar endoscópica percutânea (PELD^)6,7. Cada técnica tem seus prós e contras em relação ao método de anestesia, intervenção em tecidos moles, técnica de posicionamento e navegação, e necessidade de fluoroscopia. O PELD pode ser realizado sob anestesia local e ganhou popularidade devido ao seu procedimento minimamente invasivo. Durante a PELD, a imagem em tempo real do C-arm é usada para localizar a inserção de um fio K e da cânula de trabalho através do forame intervertebral para acessar o fragmento de disco herniado, que é então removido usando instrumentos endoscópicos. Essa técnica também foi estendida ao tratamento da estenose foraminal lombar e casos selecionados de^{LDH 8,9}. As vantagens desse método incluem lesão mínima nos tecidos moles, menor sangramento, recuperação mais rápida e viabilidade da cirurgia sob anestesia^{local 10,11}.

Apesar dessas vantagens, o PELD apresenta desafios técnicos, especialmente durante a colocação inicial do fio K e da cânula de trabalho. Atualmente, esses instrumentos são comumente inseridos usando uma técnica à mão livre sob orientação fluoroscópica contínua. Essa abordagem expõe os cirurgiões a radiação substancial e requer uma curva de aprendizado íngreme para atingir com precisão o fragmento do disco^patológico 11,12,13,14. Em cirurgiões menos experientes, a colocação imprecisa da cânula pode resultar em descompressão incompleta e resultados clínicos subótimos. Estudos anteriores relataram taxas maiores de recidiva e reoperação após PELD em comparação com a discectomia posterior^tradicional 14,15,16. Além disso, o avanço inadequado do fio K ou da cânula funcional pode levar a complicações como lesão na raiz nervosa, danos vasculares ou penetração não intencional na cavidade abdominal^17,18.

Para enfrentar as limitações da técnica convencional de mão livre, desenvolvemos um dispositivo único projetado para auxiliar os cirurgiões de coluna a direcionar precisamente o local patológico, minimizando a exposição fluoroscópica. Este dispositivo tem como objetivo encurtar o tempo cirúrgico, reduzir riscos de exposição à radiação e diminuir as complicações da PELD. Este dispositivo facilita a etapa de posicionamento do fio K na discectomia lombar endoscópica percutânea (PELD), especialmente no planejamento preciso do caminho e na determinação do ponto de entrada. Sua aplicação é especialmente vantajosa em casos que exigem configurações anatômicas complexas e precisas ou redução da dependência de imagens repetidas do C-arm. Acreditamos que esse dispositivo pode facilitar o desempenho cirúrgico de cirurgiões de coluna em início de carreira, contribuir para melhores resultados clínicos e reduzir significativamente a curva de aprendizado, além de servir como uma ferramenta valiosa para a educação e treinamento cirúrgico.

Protocol

As amostras de espinhos suínos usadas neste artigo foram obtidas em mercados comerciais locais. Como essas amostras vieram de animais abatidos para fins alimentares e sem qualquer manuseio de animais vivos, elas não precisaram de revisão e aprovação do Comitê Institucional de Cuidado e Uso de Animais (IACUC).

Este estudo desenvolveu um dispositivo único de posicionamento endoscópico percutâneo do disco lombar, reconstruindo e refinando modelos tridimensionais (3D) dos modelos de simulação da coluna suína e da coluna lombar. Esse dispositivo inclui o dispositivo de guia, o módulo de navegação e o dispositivo de posicionamento. Todo o sistema foi validado por meio de testes de posicionamento e alinhamento. Os reagentes e os equipamentos utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. 3D reconstrução de modelos e preparação de dados

1. Tomografia computadorizada: Realize tomografia computorizada (TC) em amostras de coluna suína e modelos simulados da coluna lombar L1-sacro.
   ATENÇÃO: A varredura deve ser realizada em uma sala de controle com uma janela de observação de vidro chumbo.
2. Configure a máquina de tomografia computadorizada: 1 mm de espessura de corte, corrente de tubo de 300 mA, tempo de rotação de 0,5 s e tensão de tubo de 120 kV.
   NOTA: Garanta configurações consistentes de tomografia computorizada para cada varredura para manter a reconstrução de alta fidelidade.
3. Exportação de dados: Exporte os resultados da varredura como arquivos de imagem DICOM para processamento.
   NOTA: Após exportar o modelo 3D para o formato STL, verifique se o arquivo está completo antes de prosseguir para a etapa de design CAD.
4. Reconstrução 3D: Use o MATLAB para converter os conjuntos de dados DICOM em modelos digitais tridimensionais (3D) e exportar arquivos STL.
5. Alocação de modelos: Designe o modelo simulado da coluna lombar para o design estrutural do dispositivo e o modelo da coluna suína para verificação da precisão do posicionamento.

2. Projeto e fabricação da base convexa

1. Mapeamento de referência: Defina o posicionamento do dispositivo usando a espinha ilíaca anterosuperior (ASIS) e o processo espinhoso como pontos de referência anatômicos.
2. Projeto da placa base: Projete uma placa base convexa configurada especificamente para capturar a posição 3D do ASIS enquanto o paciente está em posição prona.
   NOTA: As tolerâncias de projeto da junta em cauda de andorinha são muito pequenas; Os suportes impressos devem ser completamente removidos para minimizar erros de montagem.
3. Segmentação de componentes: Divida o design da placa base em quatro componentes separados conectados por juntas em rabo de andorinha para facilitar a montagem.
4. Testes mecânicos: Fabrice a placa e realize testes mecânicos para confirmar que ela pode suportar o peso do corpo deitado e resistir a movimentos fisiológicos.

3. Projeto do dispositivo guia e do módulo de navegação

1. Captura de processos espinhosos: Projete uma estrutura dedicada para capturar com precisão a posição dos processos espinhosos quando orientados superiormente.
2. Integração de dados: Reconstrua um modelo espinhal 3D abrangente que incorpore os dados posicionais específicos tanto do ASIS quanto dos processos espinhosos.
3. CAD do módulo de navegação: Use o modelo 3D integrado para projetar o dispositivo de guia do disco intervertebral e o módulo de navegação percutânea usando AutoCAD.
4. Instalação do ponto de referência: Instale pontos de referência pré-definidos no módulo de navegação para garantir alinhamento intraoperatório consistente.

4. Manufatura Assistida por Computador (CAM) e impressão

1. Pré-processamento de dados: Realizar a limpeza de dados nos arquivos de imagem da coluna vertebral para remover informações redundantes e otimizar a eficiência computacional.
2. Design de estruturas de suporte: Projete estruturas de suporte personalizadas para acomodar a geometria curva da superfície do modelo da lombada durante o processo de impressão.
3. Fabricação FDM: Fabricar o modelo físico da coluna vertebral e o módulo de navegação usando Estireno de Butadiena de Acrilonitrila (ABS) via Modelagem por Deposição Fundida (Stratasys FDM). Parâmetros de impressão: bico 0,4 mm, altura da camada 0,1 mm, velocidade de impressão 50 mm/s, temperatura da cama 100 °C, temperatura de extrusão 250 °C.
   ATENÇÃO: Evite contato com partes aquecidas da impressora (bicos e plataforma de impressão); usar luvas resistentes ao calor ao manusear peças recém-impressas; Opere a impressora em um local bem ventilado.
4. Monitoramento do processo: Monitorar o processo de extrusão térmica para garantir uma deposição uniforme do material; ajustar os parâmetros iterativamente até que as dimensões estejam precisas.

5. Testes e verificação de precisão

1. Configuração experimental: Monte o módulo de navegação impresso em 3D no modelo da espinha suína.
2. Inserção do fio K: Insira um fio K de 2,0 mm de diâmetro pelo orifício de navegação na simulação.
   ATENÇÃO: Use luvas e óculos protetores para evitar furos; Certifique-se de que o modelo esteja fixado com segurança durante a inserção.
3. Confirmação fluoroscópica: Capture imagens fluoroscópicas do braço C de múltiplos ângulos para verificar a posição do fio K em relação ao disco intervertebral alvo.
   CUIDADO: Use aventais de chumbo, protetores de tireoide e óculos de proteção; minimize o tempo de fluoroscopia e mantenha uma distância segura da fonte do braço C.
4. Análise de resultados: Compare a posição física do fio K com o design digital 3D para confirmar a precisão do sistema.
   NOTA: O fluxo de trabalho completo, incluindo tomografia computorizada, processamento de imagens, design de dispositivos e fabricação, leva aproximadamente 3 a 4 dias úteis, dependendo da complexidade do modelo. A aquisição de CT normalmente leva de 30 a 45 minutos, seguida por 2 a 4 horas de processamento DICOM e reconstrução 3D. O design do módulo de navegação leva aproximadamente 4–6 horas, e a impressão e pós-processamento por Deposição Fundida (FDM) levam aproximadamente 12–18 horas.

Results

Usando o modelo 3D reconstruído do modelo ósseo simulado lombar (Figura 1), com as informações de posicionamento da coluna ilíaca antero-superior (ASIS) e do processo espinhoso, projetamos o "Dispositivo de Posicionamento do Disco Intervertebral Lombar Endoscópico Percutâneo" (Figura 2). Inicialmente, um modelo físico reduzido foi impresso usando a tecnologia de impressão 3D FDM (Figura 3) para veri...

Discussion

Este estudo apresenta um protocolo para o desenvolvimento e aplicação de um Dispositivo de Posicionamento Intervertebral Discal Lombar Endoscópico Percutâneo, projetado para facilitar o posicionamento confiável do espaço intervertebral do disco pretendido, conforme confirmado por imagens fluoroscópicas, reduzir o tempo cirúrgico e potencialmente melhorar os resultados dos pacientes no PELD. Integramos imagens médicas, reconstrução 3D e manufatura aditiva para estabelecer...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (software CAD)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Usado para o projeto de dispositivos e módulos de navegação
Impressora 3D de modelagem por deposição fundida (FDM)	Stratasys	N/A	Usado para fabricação do dispositivo e dos modelos
Modelo de simulação da coluna lombar (L3 e ndash; sacro)	Sawbones	1340-20	Usado para projeto de dispositivos e simulação procedural
MATLAB (software de reconstrução 3D)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Usado para reconstrução 3D a partir de imagens DICOM