3D-печатная модель конкретного поясничного позвонка пациента

Краткое содержание

Это исследование направлено на создание 3D-печатной модели поясничного позвонка для конкретного пациента, которая содержит модели позвонков и спинномозговых нервов, объединенные из данных компьютерной томографии высокого разрешения (HRCT) и МРТ-Диксона.

Аннотация

Селективная дорсальная ризотомия (SDR) - это сложная, рискованная и сложная операция, при которой ламинэктомия должна не только обнажить адекватное хирургическое поле зрения, но и защитить спинномозговые нервы пациента от травм. Цифровые модели играют важную роль в предоперационном и внутриоперационном SDR, поскольку они могут не только лучше знакомить врачей с анатомической структурой операционного участка, но и предоставлять точные координаты хирургической навигации для манипулятора. Это исследование направлено на создание цифровой 3D-модели поясничного позвонка для конкретного пациента, которую можно использовать для планирования, хирургической навигации и обучения операции SDR. Модель для 3D-печати также изготавливается для более эффективной работы во время этих процессов.

Традиционные ортопедические цифровые модели почти полностью основаны на данных компьютерной томографии (КТ), которая менее чувствительна к мягким тканям. Слияние костной структуры с помощью КТ и нейронной структуры с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) является ключевым элементом для реконструкции модели в этом исследовании. Конкретная цифровая 3D-модель пациента реконструируется для реального внешнего вида хирургической области и показывает точное измерение межструктурных расстояний и регионарную сегментацию, что может эффективно помочь в предоперационном планировании и обучении SDR. Прозрачный материал костной структуры модели, напечатанной на 3D-принтере, позволяет хирургам четко различать относительную взаимосвязь между спинномозговым нервом и позвоночной пластинкой оперируемого сегмента, улучшая их анатомическое понимание и пространственное чувство структуры. Преимущества индивидуализированной цифровой 3D-модели и ее точная взаимосвязь между спинномозговыми, нервными и костными структурами делают этот метод хорошим выбором для предоперационного планирования операции SDR.

Введение

Спастическим церебральным параличом страдает более половины всех детей с церебральным параличом¹, что приводит к контрактурам сухожилий, аномальному развитию скелета и снижению подвижности, что значительно влияет на качество жизни пострадавших детей². В качестве основного хирургического метода лечения спастического церебрального паралича селективная дорсальная ризотомия (SDR) была полностью одобрена и рекомендована многими странами ^3,4. Тем не менее, сложный и рискованный характер хирургии SDR, включая точное разрезание пластинки, позиционирование и диссоциацию нервных корешков, а также разрыв нервных волокон, представляет собой серьезную проблему для молодых врачей, которые только начинают заниматься SDR в клинической практике; кроме того, кривая обучения SDR очень крутая.

В традиционной ортопедической хирургии хирурги должны мысленно интегрировать все предоперационные двумерные (2D) изображения и создать 3D-хирургический план⁵. Этот подход особенно сложен для предоперационного планирования, включающего сложные анатомические структуры и хирургические манипуляции, такие как SDR. Благодаря достижениям в области медицинской визуализации и компьютерных технологий 2D-осевые изображения, такие как компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ), могут быть обработаны для создания виртуальных 3D-моделей с анатомией конкретного пациента⁶. Благодаря улучшенной визуализации хирурги могут анализировать эту обработанную информацию, чтобы ставить более подробные диагнозы, планировать и хирургические вмешательства с учетом состояния пациента. В последние годы применение технологии мультимодального слияния изображений в ортопедии постепенно привлекает внимание⁷. Эта технология может объединять изображения КТ и МРТ, значительно повышая точность цифровой аналоговой 3D-модели. Однако применение этой методики в предоперационных моделях СКЗ еще не исследовано.

Точное позиционирование пластинки и спинномозгового нерва, а также точное разрезание во время операции SDR имеют решающее значение для успешных результатов. Как правило, эти задачи основаны на опыте экспертов и неоднократно подтверждаются С-дугой во время операции, что приводит к сложному и трудоемкому хирургическому процессу. Цифровая 3D-модель служит основой для будущей хирургической навигации SDR, а также может быть использована для предоперационного планирования процедур ламинэктомии. Эта модель объединяет костную структуру из КТ и структуру спинномозгового нерва из МРТ и присваивает разные цвета участкам поясничных позвонков, отмеченным для разрезания в соответствии с хирургическим планом. Такие голографические модели для 3D-печати для SDR не только облегчают предоперационное планирование и моделирование, но и выводят точные координаты 3D-навигации на интраоперационный роботизированный манипулятор для точной резки.

Протокол

Все данные получены от клинического пациента, чья операция SDR была проведена в больнице BJ Dongzhimen. Протокол соответствует руководящим принципам и был одобрен комитетом по этике исследований больницы Дунчжимэнь.

ПРИМЕЧАНИЕ: Вся карта протокола реконструкции модели показана на рисунке 1. Данные компьютерной томографии высокого разрешения (HRCT) и данные Диксона являются сырьем для моделирования; затем создание 3D-модели состоит из регистрации изображения и слияния. Окончательная цифровая 3D-модель печатается по технологии PolyJet, которая представляет собой высокоточный процесс 3D-печати, позволяющий получать гладкие и точные детали с использованием широкого спектра материалов. Для точного описания пространственных отношений между позвонком и спинномозговым нервом используются данные HRCT и серия изображений Диксона. Сканирование Диксона может идентифицировать изображения разделения воды и жира, в которых серия изображений фазы воды Диксона может быть использована для извлечения структуры спинномозговых нервов, а серия изображений Диксона в фазе может быть использована для проверки регистрации структуры кости.

Рисунок 1: Вся карта протокола. Методология исследования заключается в слиянии последовательностей КТ и магнитно-резонансной последовательности Диксона. В частности, структура КТ-позвонков регистрируется с идентичной структурой позвонков, содержащейся в последовательности Диксона-в, с последующим слиянием с последовательностью Диксона-w для спинномозгового нерва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

1. Сбор и подготовка данных

1. КТ высокого разрешения для позвонков
   ПРИМЕЧАНИЕ: Разница параметров не чувствительна к методу исследования.
   1. Установите ресурсы данных со станции КТ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь используется компьютерная томография SIEMENS-CTAWP73396.
   2. Откройте программное обеспечение Syngo CT 2012B , чтобы получить данные из протокола сканирования SpineRoutine_1. Выберите размер пикселя и толщину среза (ST) набора данных, чтобы адаптироваться к размеру позвонков, предназначенных для представления в цифровой 3D-модели.
   3. Используйте ST 1 мм с размером матрицы 512 пикселей x 512 пикселей, в котором интервал между пикселями составляет 0,3320 мм. Фактический размер достигнутого 3D-объема составляет 512 x 512 x 204 вокселей.
2. Последовательность Диксона для спинномозгового нерва
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании используется аппарат МРТ 1,5 Тл.
   1. Для получения точных данных установите разрешение изображения Диксона 290 x 320 пикселей, расстояние между пикселями 0,9375 мм и толщину среза 3 мм.
   2. Установите время повторения 5,160 мс и время эха 94 мс.
   3. Убедитесь, что каждый отсканированный слой состоит из четырехфазных изображений: Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F и Dixon-w.
3. Подготовьте файлы хранения данных для реконструкции модели.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Четко определенная структура хранения данных более удобна для последующей работы.
   1. Создайте папку проекта, содержащую все данные, принадлежащие пациенту.
   2. Подготовьте различные пути к файлам для данных HRCT и MRI-Dixon, создав разные папки для данных цифровой визуализации и коммуникаций в медицине (DICOM).
   3. Сделайте отдельную папку под проектом для всех результатов анализа.

2. 3D цифровая модель позвонков

ПРИМЕЧАНИЕ: Все функции подпроцессов взяты из программных средств, собственность которых принадлежит Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.

1. Вызовите подпроцесс Dicom2Mat на рабочем месте MATLAB, чтобы получить 3D-том из файлов DICOM, хранящихся в папке данных HRCT.
2. После выполнения подпроцесса Dicom2Mat просмотрите каждый фрагмент в 3D-томе с помощью графического интерфейса пользователя (GUI), как показано на рисунке 2.
3. Затем визуализируйте распределение интенсивности данных HRCT позвонков с помощью функции hist (рис. 3).
4. Вызовите подпроцесс NoiseClean , чтобы удалить шум сигнала, образованный устройством по путям к файлу данных HRCT.
5. Используйте подпроцесс функции «Позвонки » по тому же пути, чтобы получить модель позвонков, которая также представляет собой 3D-объем, но только со структурой кости (рис. 4). Параметры фильтра верхних частот, интенсивность от 190 до 1,656.

3. 3D-цифровая модель спинномозгового нерва

ПРИМЕЧАНИЕ: Диксон-ин содержит костную структуру, в то время как Диксон-w описывает нейронную структуру.

1. Используйте подпроцесс Dicom2Mat в обоих путях последовательностей Dixon-in и Dixon-w и получите их 3D-объем.
2. Кроме того, визуализируйте каждый отдельный срез, представляющий собой 3D-объем, используя графический интерфейс, представленный на рисунке 5. Получите доступ к этой визуализации после завершения подпроцесса Dicom2Mat .
3. Используйте функцию Spinal_Nerve для реконструкции модели спинномозгового нерва с параметрами фильтра верхних частот интенсивностью от 180 до 643. Поскольку сигналы нерва в последовательности Диксона-w очень высоки, извлеките 3D-объем спинномозгового нерва, отфильтровав точки с низкой интенсивностью.
4. Когда подпроцесс Spinal_Nerve будет завершен, проверьте модель, сгенерированную в графическом интерфейсе, показанном на рисунке 6.

4. Регистрация и слияние

ПРИМЕЧАНИЕ: Ключевым моментом является то, что костная архитектура присутствует как в HRCT, так и в последовательности визуализации Dixon-in.

1. Скопируйте три полученных на данный момент 3D-тома в путь к файлу проекта, созданного на шаге 3.1. Модели от HRCT и Dixon-in включают в себя одно и то же строение позвонков, а модели от Dixon-in и Dixon-w имеют одинаковые координаты.
2. Затем поместите имена файлов трех моделей в подпроцесс vertebra_fusion в качестве входных данных для создания модели слияния. Это можно визуализировать на рисунке 7.
3. Слияние обычно хорошо сделано. Если тонкая настройка необходима с точки зрения врача, добавьте параметры координат во всех направлениях к одной и той же функции, чтобы скорректировать модель слияния. Если в слиянии наблюдаются небольшие ошибки с клинической точки зрения, используйте функцию vertebra_fusion для точной настройки координат слияния. Этот процесс включает в себя настройку параметров шести измерений координатного направления (координаты XYZ и их вращение).
4. Сделайте отдельную папку в каталоге проекта для вывода результата модели слияния.

5. Файлы цифровых моделей для 3D-печати

ПРИМЕЧАНИЕ: Полностью разработанный аппарат для 3D-печати используется для изготовления вышеупомянутой цифровой модели с реализацией триангуляций Делоне. Здесь использовался 3D-принтер Stratasys J55 Prime.

1. Экспортируйте модели слияния, которые будут использоваться для 3D-печати, в последовательностях формата DICOM по пути к файлу каталога слияния. Используйте алгоритм Mat2Dicom для выполнения операции экспорта, введя модель слияния.
2. Откройте последовательность файлов DICOM, экспортированную ранее, с помощью Materialise Mimics V20. Чтобы выполнить операцию экспорта, перейдите в меню «Экспорт » на вкладке «Файл» и выберите формат VRML. Путь к файлу для экспорта может быть свободно настроен в соответствии с требованиями пользователя.
3. Поскольку прозрачная красочная 3D-печать является профессиональной услугой, сжимайте и упаковывайте файлы VRML и отправляйте их поставщику услуг. Результат 3D-печати показан на рисунке 8.

Результаты

На основе данных спондилодеза поясничных КТ/МРТ у детей с церебальным параличом мы создали репрезентативную модель поясничного отдела позвоночника в сочетании со спинномозговыми нервами. Фильтрация верхних частот использовалась для извлечения высокого сигнала в диапазоне значений КТ 190-1,656 из HRCT, чтобы добиться реконструкции костной структуры поясничного отдела позвоночника в операционной зоне. Структуры спинномозговых нервов были реконструированы путем фильтрации верхних частот последовательностей Диксона-w в МРТ. ...

Обсуждение

Это исследование обеспечивает рабочий процесс для создания предоперационной модели 3D-печати поясничного отдела позвоночника у пациентов с церебральным параличом с целью облегчения предоперационного планирования операции SDR и улучшения анатомической подготовки на основе конкретной модели пациента. Исследование направлено на создание высоконадежной 3D-печатной модели, которая точно демонстрирует поясничные позвоночные и нервные структуры пациента. Измеряя положение пластинки и спинномозгового нерва в модели перед операци...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
J55 Prime 3D-принтер	Stratasys	J55 Prime	Manufacturing модель
MATLAB	MathWorks	2022B	Вычисления и визуализация
Мимика	Материализация	Мимика Исследование V20	Преобразование формата модели
Инструменты для слияния объемов	Интеллектуальная энтропия	VolumeFusion V1.0	Пекин Интеллектуальная энтропия Наука и Technology Co Ltd. Моделирование для слияния КТ/МРТ