Summary
Hierin presenteren we een driedimensionale print Guide-sjabloon voor percutane vertebraplasty. Een patiënt met een T11 Vertebrale compressie fractuur werd geselecteerd als een casestudy.
Abstract
Percutane VERTEBROPLASTY (PVP) wordt beschouwd als een effectieve behandeling voor de rugpijn veroorzaakt door osteoporotische Vertebrale compressie fractuur. De nauwkeurigheid van PVP hangt vooral af van de ervaring van de chirurgen en meerdere fluoroscopen tijdens een traditionele procedure. Punctie gerelateerde complicaties werden over de hele wereld gerapporteerd. Om de chirurgische ingreep preciezer te maken en de snelheid van punctie gerelateerde complicaties te verlagen, paste ons team een driedimensionale print Guide-sjabloon aan op PVP om de traditionele procedure te wijzigen. Dit protocol introduceert het model van target wervels DICOM Imaging-gegevens in drie dimensies in de software, hoe u de werking in dit 3D-model simuleert en hoe u alle chirurgische gegevens gebruikt om een patiënt specifieke sjabloon voor toepassing te reconstrueren. Met behulp van deze sjabloon kunnen chirurgen geschikte punctie punten nauwkeurig identificeren om de nauwkeurigheid van de bewerking te verbeteren. Het hele protocol omvat: 1) diagnose van de osteoporotische Vertebrale compressie fractuur; 2) verwerving van CT-beeldvorming van de doel wervel; 3) simulatie van de operatie in de software; 4) ontwerp en fabricage van de 3D-print gids sjabloon; en 5) toepassing van het model in een operatie procedure.
Introduction
Als de meest voorkomende type fractuur onder alle soorten osteoporotische fracturen, osteoporotische Vertebrale compressie fractuur (OVCF) is tegenwoordig een zeer betrekking tot klinisch probleem. Aangezien de huidige richtlijnen aanbevelen, percutane VERTEBROPLASTY is een van de meest effectieve minimaal invasieve methoden om klinisch behandelen osteoporotische Vertebrale compressie fracturen1.
Traditioneel, chirurgen voeren percutane VERTEBROPLASTY geleid door een C-arm fluoroscope voor de behandeling van een Vertebrale compressie fractuur om het gecomprimeerde wervellichaam te herstellen en verlichten van vroege fase pijn2. Zelfs ervaren chirurgen maken fouten in het bevestigen van geschikte puncturingspunten door simpelweg te vertrouwen op hun persoonlijke ervaring. Deze operatie kan enkele punctie gerelateerde complicaties veroorzaken (bijv. cement lekkage in omringende weefsels, zenuwwortel letsel, intra-spinale hematoom, etc.3,4,5); Bovendien, bijna 50% van de patiënten hebben lokale complicaties van traditionele PVP met 95% van de complicaties die afkomstig zijn van cement lekkage in het omringende weefsel of embolisatie van paravertebrale aderen6. Met de opkomst van precisie chirurgie, een 3D-afdruk gids sjabloon is gebruikt in vele spinale chirurgie operaties7 omdat het de procedurele nauwkeurigheid kan verbeteren, het verminderen van de moeilijkheden en het minimaliseren van de operationele Risico's. Hier passen we een 3D-afdruk hulplijn sjabloon toe in de PVP om de chirurgische ingreep preciezer te maken en de snelheid van punctie gerelateerde complicaties te verminderen. Vergeleken met de traditionele methode hebben operaties die worden bijgestaan door de sjabloon voor 3D-afdruk gidsen 1) verhoogde chirurgische punctie nauwkeurigheid, 2) de stralingsblootstelling tijdens de operatie geminimaliseerd, 3) verkort de tijd van de chirurgische ingreep, en 4) verminderde de kans op punctie gerelateerde complicaties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
De huidige studie werd goedgekeurd door de ethische commissie van Beijing Friendship Hospital Capital Medical University.
1. diagnose van de osteoporotische Vertebrale compressie fractuur (OVCF) door X-Ray fluoroscopie, magnetische resonantie beeld (MRI), botscintigrafie en symptomen
- Identificeer patiënten die ovcf hebben bij oudere patiënten met rugpijn, tederheid in het stekelige proces, paraspinale spieren aan de achterkant, enz.
- Gebruik posterioanterior Röntgen fluoroscopie om te controleren of de patiënt Vertebrale compressie fractuur heeft.
- Gebruik een MRI om te diagnosticeren of een patiënt een nieuw beginnende wervel compressie fractuur heeft en bepaal de beoogde gecomprimeerde wervels. Gebruik botscintigrafie voor patiënten die de MRI niet kunnen ondergaan.
- Volg een PVP-behandeling voor de patiënt die een acute Vertebrale compressie fractuur heeft en noteer de visuele analoge schaal (VAS) Score en Oawestry Disability index (ODI)8.
Opmerking: er zijn een paar criteria voor opname: 1) wervel gebroken patiënt of het hebben van geschiedenis van een energie-arme trauma of niet; 2) geen geschiedenis of bewijs van metabole botziekte of kanker; 3) VAS-score ≥ 7; 4) diagnose als wervelfractuur door röntgenstraling, MRI of botscintigrafie.
2. preoperatieve lokalisatie van doel wervel
- Voor de operatie, gedrag gevoelige computertomografie op de patiënt met drie radiopaque markers geplaatst in de middenlijn van de patiënt rug huid op het gecomprimeerde wervel niveau. Terwijl het indrukken van de meest pijnlijke deel, bevestig het doelgebied door x-ray fluoroscopie en een lichamelijk onderzoek op de rug van de patiënt.
- Voordat de gevoelige computertomografie scan, zet een gradienter op de rug van de patiënt net inferieur aan de vaste markers. Noteer de lichaamspositie van de patiënt en verwijder deze. Laat de patiënt tijdens de operatie in dezelfde positie blijven.
- Sla de CT-afbeeldingen op (1 mm laagdikte, 1 mm laag afstand en ofwel 90 segmenten (conventioneel scannen) of 400 segmenten (Thin slice scanning) in een DICOM-indeling. Plaats een wattenschijfje op de rug van de patiënt om er zeker van te zijn dat de markers blijven staan tot de operatie.
3. simuleren van de percutane VERTEBROPLASTY procedure in de computer software
- Exporteer de CT-afbeeldingen in DICOM-indeling naar software voor medische beeldverwerking (bijv. MIMICS) en selecteer de doelsegmenten om de gecomprimeerde wervel te reconstrueren.
- Selecteer drempel segmentatie om het drempel bereik voor het doel wervel van 125-3071h aan te passen en een masker te maken. Druk op duplicaat masker om twee maskers te maken: masker A en masker B.
- Klik op Masker bewerken om de doel wervel in masker A te wissen. Klik vervolgens op Booleaanse bewerkingen om een nieuw masker C te vormen met masker B naar Minmasker a. Druk op 3D berekenen van masker om de doel wervel te reconstrueren.
- Simuleer PVP via een bilaterale transpedicular benadering in de software. Definieer eerst de Medcad-cilinder in de software als het punctie naald model. Definieer de cilinders als dezelfde lengte en straal als de prik naald (een lengte van 125 mm en een straal van 1,25 mm).
- Simuleer het ingangspunt, de intredehoek (hoofd kantelhoek en de oriëntatie van de ontleding hoek) en de punctie naald diepte voor een echte PVP met de 3D-weergaven van de doel wervel.
- Pas de prik naalden op de ideale positie aan met de functie verplaatsen en roteren . Houd de naald trajecten consistent met deze principes: 1) de prik naalden kunnen extrapoleren door het stekel, bij voorkeur in de superieure helft; 2) de ideale locatie van de uiteinden is op het punt binnen de voorste eenderde van het wervellichaam op het zijaanzicht.
4. driedimensionale print gids sjabloon
- Sla alle 3D-sjabloongegevens op en verzend deze in het MCS-formaat naar een driedimensionaal afdruk bedrijf.
- Converteer MCS-gegevens in een STL-indeling en ontwerp de sjabloon met behulp van software. Reconstrueren van de basis, die moet vasthouden aan de rughuid van de patiënt, reconstrueren het traject kanaal volgens alle parameters, met inbegrip van de huid ingangspunten, intrede hoeken en de diepte van het traject van de twee naalden, druk twee dezelfde sjablonen uit voor de operatie .
Opmerking: de gids sjabloon is gemaakt van poly melkzuur, die kan worden gesteriliseerd en door lage temperatuur stoom desinfectie.
5. toepassen van het driedimensionale print Guide-sjabloon om de echte PVP-werking te ondersteunen
- Zorg ervoor dat de patiënt gevoelig ligt op de operatietafel als voor de CT-Scanning in overeenstemming met de gradienter record. Meet de afstand van de drie radiopaque markers en teken de omtrek van de drie markeringen zodat deze overeenkomen met de sjabloon met de doellocatie.
- Match een skin template samen met de skin outline. Plaats en druk twee doekjes door de trajecten van de naald op de sjabloon om de invoeg punten op de huid te markeren. Verwijder vervolgens de sjabloon en teken de punten als punt A en B.
- Verwijder de sjabloon en Desinfecteer de huid. Drapeer het gebied en leg de uiteinden van twee prik naalden op de invoeg punten (punt A en B). Gebruik vervolgens de anteroposterieure weergave van de C-arm fluoroscopie om te bevestigen of de door de sjabloon bepaalde punctie punten haalbaar zijn.
- Geef de patiënt lokale anesthesie door een mengsel van 5 mL van 1% lidocaïne en 1% ropavicaïne bij elk punctie punt te injecteren. Bevestig een andere gesteriliseerde sjabloon op de rug van de patiënt door gesteriliseerde film.
- Tik de twee naalden in de doel wervel lichtjes via inserties door de geleidings cilinders van de sjabloon. Controleer met de C-armfluoroscope of de trajecten geschikt zijn voor het inbrengen. Zorg ervoor dat de interpunctie binnen de pediles ligt en tik vervolgens op de naalden om verder te gaan tot het einde van het traject.
- Wanneer de hele naalden volledig in de geleidings cilinders zijn gestoken, controleer dan met de C-arm fluoroscope dat de naald uiteinden hun ideale locatie hebben bereikt.
- Injecteer botcement in het wervellichaam door de naalden. Injecteer 2 mL botcement via elk traject voor een totaal van 4 mL botcement naar de wervel.
- Gebruik ten slotte fluoroscopie om de verdeling van het botcement binnen het wervellichaam te controleren door anteroposterieure en laterale views. Steek de inserties.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De overname van CT-beelden en digitale modellering werd uitgevoerd in het ziekenhuis, terwijl 3D-printen werd uitgevoerd in een 3D-drukkerij. Dertig minuten waren nodig om het 3D-model te reconstrueren uit de CT-afbeeldingen voor het 3D-printen, en het 3D-afdruk bedrijf had ongeveer 6 uur nodig om 2-gids sjablonen af te drukken en naar het ziekenhuis te sturen.
De voor bewerking beelden van de doel wervel van de patiënt werden getoond in Figuur 1 en Figuur 2: X-Ray (a1: posterioanterieure weergave; A2: laterale weergave); magnetische resonantie beeld (a3: TIWI View; A4: T2WI weergave; A5: FS-weergave). Figuur 3 illustreert de overname van CT-beelden, markeert de doel wervels en registreert de lichaamspositie van de patiënt. Uit het coronale vlak (Figuur 4A), het dwarsvlak (Figuur 4B) en het sagittale vlak (Figuur 4C) werd het CT-wervel beeld gereconstrueerd tot een 3D-model (Figuur 4d). De simulatie van de PVP-operatie procedure in de beeldverwerkingssoftware wordt weergegeven in afbeelding 5. Figuur 6 geeft de lengte van de geleidings cilinders van de sjabloon weer en Figuur 7 toont de procedures voor het fabriceren van de geleidings sjabloon. Figuur 8 toont de vorming van de basis (Figuur 8A), de vorming van de geleidings cilinder (Figuur 8B), het productieproces (Figuur 8C) en de uiteindelijke template ( Figuur 8D). In afbeelding 9 worden de normale bewerkingsstappen weergegeven.
Figuur 1: Röntgenstraal van de OVCF-patiënt. Toont de pre-Operation röntgenfoto's van de doel wervel van de patiënt. (A1: weergave Posterioanterior; A2: laterale weergave). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: MRI van de OVCF-patiënt. Toont de pre-Operation MRI-beelden van de doel wervel van de patiënt. (A3: weergave van TIWI; A4: T2WI weergave; A5: FS-weergave). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: preoperatieve lokalisatie van doel vertebra. Illustreert de overname van CT-beelden, het markeren van de doel wervels en het opnemen van de lichaamspositie van de patiënt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: reconstructie van wervel in mimiek. Presenteert het gereconstrueerde wervel-model uit het CT-wervel beeld vana) hetcoronale vlak, (B) het dwarsvlak, (C) het sagittale vlak en (D) het 3D-model. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: simulatie van PvP-operatie procedure in de MIMIEKEN. Toont de simulatie van PVP operatie procedure in de MIMICS. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: datum van de geleidings cilinders van de sjabloon. Geeft de lengte van de geleidings cilinders van de sjabloon aan. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 7: de procedures voor het fabriceren van de gids sjabloon. Illustreert de stappen om de sjabloon te fabriceren, inclusief het reconstrueren van de basis en het traject kanaal. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: het model van de leidende sjabloon. Toont (a) de vorming van de basis, (B) de vorming van de geleidings cilinder, (C) het productieproces en (D) de reële sjabloon entiteit. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: typische operatie stappen. A) gebruik de gradienter om ervoor te zorgen dat de patiënt zich in dezelfde positie bevindt als de CT is uitgevoerd; (B) overeenkomen met één sjabloon met skin om de punctie punten te bepalen; C) eindpunten van de punctie; D) gebruik de prik naalden om de punctie punten te controleren; E) Bevestig de andere gesteriliseerde sjabloon en plaats de naalden; (F) Tik op de naalden tot het einde van de trajecten; G) Injecteer het botcement bilateraal via de naalden; H) de uiteindelijke fluoroscope van de verdeling van botcement in het wervellichaam. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Percutane VERTEBROPLASTY (PVP) wordt beschouwd als een van de beste methoden voor de behandeling van osteoporotische Vertebrale compressie fractuur9 als gevolg van een aantal duidelijke voordelen: het is minimaal invasief; Er is minder bloeden, en herstel is snel. Traditionele PVP wordt voornamelijk geleid door een C-arm fluoroscope die herhaalde fluoroscopie vereist om veilige en ideale punctie punten, punctie hoeken en oriëntaties te bepalen, wat de intraoperatieve stralings dosering en de werkingstijd verhoogt10 . Bovendien berust het succespercentage van de operatie voornamelijk op de ervaring van de chirurgen. Er zijn echter nog steeds 1,2%-15,7% foutpercentages en 0-7.42% herbewerkings percentages, zelfs voor bewerkingen die worden ondersteund door een door afbeeldingen geleide navigatiesysteem11.
Een 3D-gids sjabloon heeft enkele voordelen voor het assisteren bij het inbrengen van thoracale en cervicale pedikel12,13,14. Ons team combineert een 3D-print Guide-sjabloon met PVP. De resultaten van onze gerandomiseerde, niet-geblindeerde, gecontroleerde klinische studie tonen aan dat de sjabloon veel voordelen biedt voor en tijdens de operaties: verhoogde punctie precisie; minimale chirurgische tijd en blootstelling aan straling; en verminderde punctie gerelateerde complicaties. Voor medische bewoners met minder kans om de operatie op patiënten uit te voeren, kan de sjabloon de leercurve van de operatie verkorten en hen helpen om de punctie punten gemakkelijker te vinden.
Bovendien richt ons klinisch taak onderzoek zich op het toepassen van een 3D-geleidings sjabloon in één segment OVCF-patiënten. In de toekomst zullen we het geleidings sjabloon toepassen op gecompliceerde OVCF-patiënten met ernstige osteoporose, ernstige kyphose, scoliose of gebroken wervel met meerdere segmenten. Deze gecompliceerde OVCF-operaties vereisen meerdere fluor Scope-scans en hebben lange operationele tijden, zelfs voor ervaren chirurgen. Het toepassen van het 3D-geleidings sjabloon voor deze gevallen biedt een nauwkeuriger en veiliger punctie, vermindert de bedrijfstijd en vermindert de blootstelling aan straling.
Echter, er zijn enkele beperkingen van de driedimensionale print gids sjabloon bijgestaan percutane VERTEBROPLASTY. Er is tijd nodig om het gebruik van de medische beeldvormings software te begrijpen. Tijdens het ontwerp van de sjabloon kan een enkele fout gemaakt door chirurgen die niet bekend zijn met de software leiden tot een mislukte operatie. Vandaar dat deze methode vereist dat ten minste één chirurg in het team bekend is met het software gebruik en de operatieprocedures. Preoperatieve ontwerp van de sjabloon en sjabloon afdrukken verhogen de kosten van de patiënt en de werklast van de chirurg. Soms wordt de sjabloon na de sterilisatie enigszins vervormd, wat de perfecte bevestiging van het sjabloon aan de rughuid van de patiënt en de punctie nauwkeurigheid beïnvloedt. Daarom zoekt ons team naar alternatieve materialen voor sjabloon fabricage die na sterilisatie niet vervormen.
Collectief, 3D-print gids sjabloon bijgestaan percutane VERTEBROPLASTY kan chirurgen uitgebreid visualiseren van de gebroken wervel en het ontwikkelen van een geïndividualiseerde chirurgische plan voor de patiënt. Het draagt bij aan de nauwkeurigheid van de punctie tijdens de procedure en vermindert punctie gerelateerde complicaties. Het minimaliseert de chirurgische tijd en blootstelling aan straling terwijl het PVP-leerproces voor jonge chirurgen wordt verkort.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflict met betrekking tot drugs, materialen of apparaten die in deze studie worden beschreven.
Acknowledgments
De studie werd gefinancierd door de Beijing Municipal Science & Technology Commission (No. Z181100001718078), China.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| X-ray machine | Company Philips | machine | |
| Magnetic resonance image machine | Company GE | machine | |
| computer tomography | Company GE | machine | |
| HORI 3D printing machine | Company of Beijing Huitianwei Technology co. ltd. | machine | |
| Geomagic Design X | 3D Systems Company | software | |
| Materialise Interactive Medical Image Control System | Materialise Company | software | |
| VertePort needle | Stryker Company | operation appliance | |
| Spineplex | Stryker Company | operation appliance | |
| Percutaneous Cement Delivery System | Stryker Company | operation appliance | |
| Spirit Level Plus | IOS App store | gradientor |
References
- Orthopaedic Society of the Chinese Medical Association. Guidelines for the diagnosis and treatment of osteoporotic fractures. Chinese Journal of Orthopaedics. 37 (1), 1-10 (2017).
- Yi, H. J., Jeong, J. H., Im, S. B., Lee, J. K. Percutaneous vertebroplasty versus conservative treatment for one level thoracolumbar osteoporotic compression fracture: Results of an over 2-year follow-up. Pain Physician. 19 (5), (2016).
- Balkarli, H., Demirtas, H., Kilic, M., Ozturk, I. Treatment of osteoporotic vertebral compression fractures with percutaneous vertebroplasty under local anesthesia: clinical and radiological results. International Journal of Clinical & Experimental Medicine. 8 (9), 16287-16293 (2015).
- Woojin, C., Varkey, J. A., Jing, C., Hwan, B. J. A Review of Current Clinical Applications of Three Dimensional Printing in Spine Surgery. Asian Spine Journal. 12 (1), 171-177 (2018).
- Laredo, J. D., Hamze, B. Complications of percutaneous vertebroplasty and their prevention. Skeletal Radiology. 33 (9), 493-505 (2004).
- Saracen, A., Kotwica, Z. Complications of percutaneous vertebroplasty: An analysis of 1100 procedures performed in 616 patients. Medicine. 95 (24), e3850 (2016).
- Park, H. J., Wang, C., Choi, K. H., Kim, H. N. Use of a life-size three-dimensional-printed spine model for pedicle screw instrumentation training. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 13 (1), 86 (2018).
- Gu, Y. F., et al. Percutaneous vertebroplasty and interventional tumor removal for malignant vertebral compression fractures and/or spinal metastatic tumor with epidural involvement: a prospective pilot study. Journal of Pain Research. 10, 211-218 (2017).
- Ruiz, S. F., et al. Comparative review of vertebroplasty and kyphoplasty. World Journal of Radiology. 6 (6), 329-343 (2014).
- Cannavale, A., et al. Percutaneous vertebroplasty with the rotational fluoroscopy imaging technique. Skeletal Radiology. 43 (11), 1529-1536 (2014).
- Ringer, A. J., Bhamidipaty, S. V. Percutaneous access to the vertebral bodies: a video and fluoroscopic overview of access techniques for trans-, extra-, and infrapedicular approaches. World Neurosurgery. 80 (3-4), 428-435 (2013).
- Kaneyama, S., et al. A novel screw guiding method with a screw guide template system for posterior C-2 fixation. Neurosurgery Spine. 21 (2), 231-238 (2014).
- Sugawara, T., et al. Multistep pedicle screw insertion procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the thoracic spine. Neurosurgery Spine. 19 (2), 185-190 (2013).
- Li, J., Lin, J. S., Yang, Y., Xu, J. C., Fei, Q. 3-Dimensional printing guide template assisted percutaneous vertebroplasty: Technical note. Journal of Clinical Neuroscience. 52, 159-164 (2018).
