Трёхмерная реконструкция — управляемая разработка чрескожного эндоскопического устройства позиционирования поясничного диска в модели позвоночника свиньи

Summary

Чрескожное эндоскопическое устройство для позиционирования межпозвоночных дисков, разработанное в этом исследовании, может помочь в позиционировании межпозвоночных дисков. Это устройство снижает радиационное воздействие и поддерживает техническое обучение молодых хирургов по позвоночнику.

Abstract

Грыжа поясничного диска (ЛДГ) обычно вызывается нарушением кольца, вызванным травмой или плохой осанкой, что приводит к выталкиванию ядра пульпозного ядра и сдавлению корешков поясничных нервов. Это состояние часто сопровождается радикулярной болью и сенсорными нарушениями, отдающими от нижней части спины к нижним конечностям. Хотя большинство случаев можно лечить консервативно, тяжелые или рефрактерные симптомы могут потребовать хирургического вмешательства, включая традиционную дискэктомию, минимально инвазивную микроскопическую дискэктомию и эндоскопическую дискэктомию. Чрескожная эндоскопическая поясничная дискэктомия (PELD) может проводиться под местной анестезией; Однако процедура во многом зависит от опыта хирурга и связана с техническими трудностями, такими как сложность позиционирования, повторное подтверждение флюороскопии и повышенное воздействие радиации. Целью этого исследования было разработать и оценить новое чрескожное эндоскопическое устройство для позиционирования поясничных дисков, предназначенное для повышения точности и эффективности позиционирования дисков во время PELD. В ходе исследования было разработано уникальное чрескожное эндоскопическое устройство для позиционирования поясничных дисков. Устройство было реализовано путём реконструкции и ремонта 3D-моделей свиного позвоночника и поясничного отдела, изготовления выпуклой основной пластины, проектирования устройств для навигации позвоночного позвоночного отростка и позиционирования дисков, компьютерного проектирования чрескожного эндоскопического минимально инвазивного хирургического навигационного модуля поясничного диска и тестирования точности. Экспериментальные результаты показали, что устройство может точно определять положение на позвоночниках свиньи и снижать зависимость от флуороскопии в экспериментальных условиях. Устройство позиционирования обеспечивало высокую точность, поддерживая минимально инвазивные операции, уменьшая размер разреза, предотвращая повреждения окружающих критически важных кровеносных сосудов и нервных тканей, а также предлагая многонаправленные хирургические пути для навигации хирургических инструментов, облегчая хирургический процесс. Чрескожное эндоскопическое устройство позиционирования поясничных дисков, описанное в этом исследовании, обеспечивает структурированный, воспроизводимый подход к позиционированию межпозвоночных дисков во время PELD. Этот метод может повысить эффективность процедуры, ограничить радиационное воздействие и поддержать хирургическую подготовку, особенно для хирургов на ранних этапах позвоночника.

Introduction

Грыжа поясничного диска (ЛДГ) предполагает выталкивание пульпозного ядра через кольцевой дефект в спинномозговой канал или нервное отверстие, что приводит к сжатию поясничного нервного корня. Проявляются клинические симптомы, такие как резкая боль, судороги в ногах и онемение, а также мышечная слабость, атрофия, недержание мочи и кала могут возникать как постоянные последствия¹. Хотя большинство пациентов реагируют на консервативное лечение, хирургическое вмешательство требуется для тех, у кого есть рефрактерные симптомы или прогрессирующее неврологическое нарушение.

Разработано несколько хирургических методов для лечения тяжёлого ЛДГ, включая традиционную заднюю поясничную^{дискэктомию 1}, минимально инвазивную микроскопическую дискэктомию ^2,3, минимально инвазивную эндоскопическую дискэктомию ^4,5 и чрескожную эндоскопическую поясничную дискэктомию (PELD)^6,7. Каждая техника имеет свои плюсы и минусы в отношении метода анестезии, вмешательства в мягкие ткани, техники позиционирования и навигации, а также требования к флюороскопии. PELD можно проводить под местной анестезией и приобрела популярность благодаря минимально инвазивной процедуре. Во время PELD используется визуализация C-arm в реальном времени для локализации установки K-проволоки и рабочей канюли через межпозвоночное отверстие с целью доступа к фрагменту грыжи диска, который затем удаляется с помощью эндоскопических инструментов. Эта методика также была распространена на лечение стеноза поясничного форамина и отдельные случаи^{LDH 8,9}. Преимущества этого метода включают минимальное повреждение мягких тканей, меньшее кровотечение, более быстрое восстановление и возможность проведения операции под местной^{анестезией 10,11}.

Несмотря на эти преимущества, PELD представляет собой технические сложности, особенно при первоначальной установке K-проволоки и рабочей канюлы. В настоящее время эти приборы обычно вводятся с помощью свободной руки под непрерывным флюороскопическим управлением. Такой подход подвергает хирургов значительному облучению и требует крутой кривой обучения для точного попадания патологического фрагмента^диска 11,12,13,14. У менее опытных хирургов неправильное размещение канюль может привести к неполной декомпрессии и неоптимальным клиническим результатам. Предыдущие исследования отмечали более высокие показатели рецидивов и повторных операций после PELD по сравнению с традиционной задней^{дискэктомией} 14,15,16. Кроме того, неправильное продвижение K-проволоки или рабочей канюли может привести к осложнениям, таким как повреждение корня нерва, повреждение сосудов или непреднамеренное проникновение в брюшную^{полость 17,18}.

Чтобы преодолеть ограничения традиционной техники свободной руки, мы разработали уникальное устройство, предназначенное для того, чтобы помочь хирургам позвоночника точно нацеливаться на патологическое место при минимизации флуороскопического воздействия. Это устройство предназначено для сокращения времени операции, снижения риска радиационного воздействия и снижения осложнений при PELD. Это устройство облегчает этап позиционирования K-проволоки при чрескожной эндоскопической поясничной дискэктомии (PELD), особенно в точном планировании пути и определении точки входа. Его применение особенно выгодно в случаях, требующих точных сложных анатомических конфигураций или снижения зависимости от повторяющихся C-образных изображений. Мы считаем, что это устройство может облегчить хирургическое выполнение хирургов на ранних этапах позвоночника, способствовать улучшению клинических результатов и значительно сократить кривую обучения, а также служить ценным инструментом для хирургического образования и подготовки.

Protocol

Образцы свиного позвоночника, использованные в этой статье, были закуплены на местных коммерческих рынках. Поскольку эти образцы были взяты от животных, забитых для пищевых целей и без какого-либо обращения с живыми животными, они не требовали рассмотрения и одобрения Институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC).

В этом исследовании было разработано уникальное перкутанное эндоскопическое устройство для позиционирования поясничных дисков, реконструируя и уточняя трёхмерные (3D) модели образцов свиного позвоночника и моделей моделирования поясничного отдела позвоночника. Это устройство включает направляющее устройство, навигационный модуль и устройство позиционирования. Вся система была проверена с помощью тестов позиционирования и выравнивания. Реагенты и используемое оборудование перечислены в Таблице материалов.

1. 3D восстановление модели и подготовка данных

1. КТ-сканирование: Проведение компьютерной томографии (КТ) образцов позвоночника свинины и моделей моделирования поясничного отдела позвоночника L1-крестца.
   ВНИМАНИЕ: Сканирование должно проводиться в диспетчерской с наблюдательным окном из свинцового стекла.
2. Настройте КТ-аппарат: толщина среза 1 мм, ток трубки 300 мА, время вращения 0,5 с и напряжение лампы 120 кВ.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обеспечивайте согласованные настройки КТ-сканирования для каждого сканирования для поддержания высокой точности восстановления.
3. Экспорт данных: Экспортировать результаты сканирования в виде файлов изображений DICOM для обработки.
   ПРИМЕЧАНИЕ: После экспорта 3D-модели в формат STL проверьте файл на полноту перед переходом к этапу проектирования CAD.
4. 3D-реконструкция: используйте MATLAB для преобразования наборов данных DICOM в трёхмерные (3D) цифровые модели и экспорта файлов STL.
5. Распределение моделей: Назначить модель имитации поясничного позвоночника для конструкционного проектирования устройства и модель свинского позвоночника для проверки точности позиционирования.

2. Проектирование и изготовление выпуклой основной пластины

1. Ссылочное отображение: определите положение устройства с использованием переднего верхнего подвздошного отдела (ASIS) и осточного отростка как анатомических опорных точек.
2. Конструкция базовой пластины: Спроектировать выпуклую базовую пластину, специально настроенную для захвата 3D-положения ASIS, когда пациент лежит на лёже.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Допуски конструкции суставов «ласточкин хвост» очень малы; напечатанные опоры должны быть полностью удалены, чтобы минимизировать ошибки сборки.
3. Сегментация компонентов: разделите конструкцию базовой плиты на четыре отдельных компонента, соединённых ластичным хвостом, чтобы облегчить сборку.
4. Механические испытания: изготовьте пластину и проведите механические испытания, чтобы убедиться, что она может выдерживать вес лежащего тела и сопротивляться физиологическим движениям.

3. Проектирование направляющего устройства и навигационного модуля

1. Захват шиповых процессов: Спроектировать специализированную структуру, которая точно фиксирует положение шипных отростков при ориентации выше.
2. Интеграция данных: Восстановить комплексную 3D-модель позвоночника, включающую специфические позиционные данные как ASIS, так и колючих отростков.
3. Навигационный модуль CAD: Используйте интегрированную 3D-модель для проектирования устройства управления межпозвоночным диском и перкутанного навигационного модуля с использованием AutoCAD.
4. Установка точки отсчёта: Установите заранее заданные точки отсчёта на навигационный модуль для обеспечения согласованного внутриоперационного выравнивания.

4. Автоматизированное производство (CAM) и печать

1. Предварительная обработка данных: выполните очистку файлов позвоночной визуализации для удаления избыточной информации и оптимизации вычислительной эффективности.
2. Проектирование опорных конструкций: Проектирование индивидуальных опорных конструкций с учётом изогнутой геометрии поверхности модели корешка в процессе печати.
3. Изготовление FDM: Изготовление физической модели позвоночника и навигационного модуля с использованием акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS ) с помощью моделирования сплавленного осложнения (Stratasys FDM). Параметры печати: сопло 0,4 мм, высота слоя 0,1 мм, скорость печати 50 мм/с, температура стола 100 °C, температура экструзии 250 °C.
   ВНИМАНИЕ: Избегайте контакта с нагретыми частями принтера (соплами и печатной платформой); носить термостойкие перчатки при работе с новыми деталями; Работайте с принтером в хорошо проветриваемом помещении.
4. Мониторинг процесса: Мониторинг процесса термической экструзии для обеспечения равномерного осаждения материала; Регулировать параметры итеративно, пока размеры не станут точными.

5. Тестирование точности и проверка

1. Экспериментальная установка: закрепить 3D-печатный навигационный модуль на модель свиньего позвоночника.
2. Вставка K-провода: Вставьте K-проволоку диаметром 2,0 мм через навигационное отверстие в симуляции.
   ВНИМАНИЕ: Надевайте защитные перчатки и очки, чтобы избежать проколов; убедитесь, что модель надёжно закреплена во время вставки.
3. Флюороскопическое подтверждение: Захват флуороскопических изображений C-руки с разных углов для подтверждения положения K-провода относительно целевого межпозвоночного диска.
   ВНИМАНИЕ: Носите свинцовые фартуки, щитовидные щитки и очки; минимизировать время флюороскопии и сохранять безопасное расстояние от источника C-образного плеча.
4. Анализ результатов: сравните физическое расположение K-провода с 3D-цифровым дизайном для подтверждения точности системы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Весь рабочий процесс, включая КТ-сканирование, обработку изображений, проектирование и производство устройств, занимает примерно 3–4 рабочих дня, в зависимости от сложности модели. Обработка КТ обычно занимает 30–45 минут, затем 2–4 часа обработки DICOM и 3D-реконструкции. Проектирование навигационных модулей занимает примерно 4–6 часов, а печать и постобработка методом моделирования сплавленного наложения (FDM) — примерно 12–18 часов.

Results

Используя реконструированную 3D-модель модели моделирования поясничной кости (рисунок 1), с информацией о положении переднего верхнего подвздошного отдела (ASIS) и позвоночного отростка, мы разработали «Чрескожное эндоскопическое устройство для позиционирования межпозвоночных дисков» (рисунок 2). Изначально уменьшенная физическая модель печаталась с использованием технологии FDM 3D-печати (рисунок 3...

Discussion

В данном исследовании представлен протокол разработки и применения чрескожного эндоскопического устройства для позиционирования межпозвоночных дисков, предназначенного для обеспечения надёжного позиционирования предполагаемого межпозвоночного пространства, подтвержденного флюороскопической визуализацией, сокращения времени операции и потенциального улучшения результатов при PELD. Мы интегрировали медицинскую визуализацию, 3D-реконструкцию и аддитивное производство, чтобы...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (CAD-программное обеспечение)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Используется для проектирования устройств и навигационных модулей
3D-принтер с моделированием сплавленного осаджения (FDM)	Stratasys	Н/Д	Используется для изготовления устройства и моделей
Модель моделирования поясничного отдела позвоночника (L3– Крестец)	Sawbones	1340-20	Используется для проектирования устройств и процедурного моделирования
MATLAB (программное обеспечение для 3D-реконструкции)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	Используется для 3D-реконструкции по изображениям DICOM