Summary
Heri, presenterer vi en tredimensjonal utskrift guide mal for perkutan vertebraplasty. En pasient med et t11 vertebrale kompresjons brudd ble valgt som kasusstudie.
Abstract
Perkutan vertebroplasty (PVP) regnes som en effektiv behandling for ryggsmerter forårsaket av osteoporotiske vertebrale kompresjon brudd. Nøyaktigheten av PVP avhenger i hovedsak av kirurger erfaring og flere fluoroscopes under en tradisjonell prosedyre. Punktering relaterte komplikasjoner ble rapportert over hele verden. For å gjøre den kirurgiske prosedyren mer presis og redusere frekvensen av punktering-relaterte komplikasjoner, vårt team brukt en tredimensjonal utskrift guide mal til PVP å endre den tradisjonelle prosedyren. Denne protokollen introduserer hvordan modell mål virvler DICOM Imaging data inn i tre dimensjoner i programvaren, hvordan å simulere drift i denne 3-D-modellen, og hvordan du bruker alle de kirurgiske data for å rekonstruere en pasient bestemt mal for søknad. Ved hjelp av denne malen, kan kirurger identifisere egnede punktering poeng nøyaktig for å forbedre nøyaktigheten av operasjonen. Hele protokollen inkluderer: 1) diagnostisering av osteoporotiske vertebrale kompresjon brudd; 2) oppkjøp av CT Imaging av målet vertebra; 3) simulering av operasjonen i programvaren; 4) design og fabrikasjon av 3-D utskrift guide mal; og 5) anvendelse av malen i en operasjon prosedyre.
Introduction
Som den vanligste typen brudd blant alle typer osteoporotiske frakturer, osteoporotiske vertebrale kompresjon brudd (OVCF) er en svært om klinisk problem i dag. Som gjeldende retningslinjer anbefaler, perkutan vertebroplasty er en av de mest effektive minimalt invasiv metoder til klinisk behandle osteoporotiske vertebrale kompresjon frakturer1.
Tradisjonelt, kirurger utføre perkutan vertebroplasty guidet av en C-arm fluoroskopskjermen å behandle en vertebrale kompresjon brudd for å gjenopprette den komprimerte vertebrale kroppen og avlaste tidlig stadium smerte2. Selv erfarne kirurger gjør feil i å bekrefte egnede punktering poeng ved ganske enkelt å stole på deres personlige erfaringer. Denne operasjonen kan forårsake noen punktering-relaterte komplikasjoner (f. eks, sement lekkasje i omkringliggende vev, nerve rot skade, intra-spinal hematom, etc.3,4,5); Dessuten, nesten 50% av pasientene har lokale komplikasjoner fra tradisjonelle PVP med 95% av komplikasjoner som kommer fra sement lekkasje i omkringliggende vev eller embolisering av paravertebral årer6. Med fremveksten av presisjon kirurgi, en 3-D Printing guide mal har vært brukt i mange spinal kirurgi operasjoner7 fordi det kan forsterke den prosessuelle nøyaktighet, redusere vanskelighetene og minimere operative risikoer. Her bruker vi en 3-D utskrift guide mal i PVP å gjøre kirurgiske prosedyren mer presis og for å redusere frekvensen av punktering-relaterte komplikasjoner. Sammenlignet med den tradisjonelle metoden, operasjoner assistert av 3D Printing guide malen har 1) økt kirurgisk punktering nøyaktighet, 2) minimert stråling under operasjonen, 3) forkortet kirurgisk prosedyre tid, og 4) redusert sannsynligheten for punktering-relaterte komplikasjoner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den nåværende studien ble godkjent av etikk komiteen Beijing Friendship Hospital Capital Medical University.
1. diagnostisering av osteoporotiske vertebrale kompresjon brudd (OVCF) ved røntgen gjennomlysning, magnetisk resonans bilde (MRI), bein scintigrafi, og symptomer
- Identifiser pasienter som har OVCF av eldre pasienter med ryggsmerter, ømhet i spinous prosessen, paraspinal musklene på ryggen, etc.
- Bruk posterioanterior X-ray-gjennomlysning for å kontrollere om pasienten har vertebrale kompresjons brudd.
- Bruk en Mr til å diagnostisere om en pasient har en nylig utbruddet vertebrale kompresjon brudd, og bestemme målet komprimert ryggrad. For pasienter som ikke kan gjennomgå MRI, bruk bein scintigrafi.
- Bestill PVP behandling for pasienten som har en akutt vertebrale kompresjon brudd og registrere Visual analog Scale (VAS) score og Oawestry Disability index (ODI)8.
Merk: det er noen kriterier for inkludering: 1) vertebra brukket pasienten om å ha historien om en lav-energi traumer eller ikke; 2) ingen historie eller bevis på metabolske bein sykdom eller kreft; 3) VAS poengsum ≥ 7; 4) diagnose som vertebrale brudd av røntgen, MRI eller bein scintigrafi.
2. preoperativ lokalisering av målet vertebra
- Før operasjonen, utføre utsatt datamaskin tomografi på pasienten med tre røntgentett markører plassert i midtlinjen av pasientens rygg hud på komprimert vertebrale nivå. Mens du trykker den mest smertefulle delen, bekrefter målet området ved røntgen gjennomlysning og en fysisk undersøkelse på pasientens rygg.
- Før utsatt datamaskin tomografi skanne, sette en gradienter på pasientens tilbake bare dårligere enn den faste markører. Noter pasientens kroppsstilling og fjern den. La pasienten være i samme stilling under operasjonen.
- Lagre CT-bilder (1 mm skanning lag tykkelse, 1 mm lag avstand, og enten 90 skiver (konvensjonell skanning) eller 400 skiver (tynn skive skanning) i et DICOM-format. Sett en bomullsdott på pasientens rygg for å sikre at markørene forblir til operasjonen.
3. simulere perkutan vertebroplasty prosedyren i dataprogrammet
- Eksport det CT profilen inne DICOM formatter i medisinsk tenkelig bearbeiding programvare (e.g., ETTERLIGNER) og velge målet skive å rekonstruere det komprimert vertebra.
- Velg terskel segmentering for å justere terskel området for mål vertebra fra 125-3071H og opprette en maske. Trykk på Dupliser maske for å lage to masker: Mask A og Mask B.
- Klikk på maske redigering for å slette mål vertebra i Mask A. Klikk deretter boolske operasjoner for å danne en ny maske C ved hjelp av maske B til minus maske a. Trykk Beregn 3D fra maske for å rekonstruere mål vertebra.
- Simulere PVP via en bilateral transpedicular tilnærming i programvaren. Først definerer Medcad sylinder i programvaren som punktering nål modell. Definer sylindere som samme lengde og RADIUS som punktering nål (en lengde på 125 mm og en radius på 1,25 mm).
- Simulere inngangspunktet, oppføringen vinkel (hodet helling vinkel og bortføring vinkel orientering), og punktering nål dybde for en ekte PVP med 3-D visninger av målet vertebra.
- Juster punktering nåler til sin ideelle posisjon ved hjelp av Flytt og roter funksjon. Hold nål baner i samsvar med disse prinsippene: 1) punktering nåler kan ekstrapolere gjennom pedicle, fortrinnsvis i sin overlegne halvdel; 2) den ideelle plasseringen av tipsene er på det punktet innenfor den fremre en tredjedel av vertebrale kroppen på lateral visning.
4. tredimensjonal utskrift guide mal
- Lagre alle 3D-mal data og sende den i MCS format til et tredimensjonalt trykkeri selskap.
- Konverter MCS-format data til en STL-format og designe malen ved hjelp av programvare. Rekonstruere basen, som må klamre seg til pasientens rygg hud, rekonstruere banen kanalen i henhold til alle parametrene, inkludert hud inngangspunkter, inngangs vinkler og dybden av de to nålene ' banen, skrive ut to samme malene ut for operasjonen .
Merk: guiden malen er laget av polymelkesyren syre, som kan steriliseres og ved lav temperatur damp desinfeksjon.
5. Bruk av tredimensjonal utskrift guide mal for å bistå den virkelige PVP drift
- Gjør pasienten ligge utsatt på operasjonsbordet som for CT skanning i samsvar med gradienter posten. Mål avstanden til de tre røntgentett markørene og tegn omrisset av de tre markørene for å matche malen med målplasseringen.
- Matche en hud mal sammen med huden omrisset. Sett inn og trykk to pinner gjennom nåle baner på malen for å markere innsettings punktene på huden. Deretter fjerner du malen og tegner punktene som punkt A og B.
- Fjern malen og desinfisere huden. Sett i området og Legg tuppen av to pinner ved innsettings punktene (punkt A og B). Deretter bruker du den anteroposterior visningen av C-arm-gjennomlysning for å bekrefte om stikk punktene som bestemmes av malen, er gjennomførbare.
- Gi pasienten lokal anestesi ved å injisere en 5 mL blanding av 1% lidokain og 1% ropavicaine ved hver punktering punkt. Fix annen sterilisert mal på pasientens tilbake ved sterilisert film.
- Trykk på de to pinnene i mål vertebra litt via innsettinger gjennom de styrende sylindere av malen. Kontroller med C-arm-fluoroskopskjermen at baner er egnet for innsetting. Kontroller at tegnsettingen er innenfor pedicles, og trykk deretter på nålene for å gå videre til slutten av banen.
- Når hele nålene er satt helt inn i de styrende sylindere, kontroller med C-arm fluoroskopskjermen at nålen tipsene har nådd sitt ideelle sted.
- Injiser beinsement inn i vertebrale kroppen gjennom nålene. Injiser 2 mL beinsement via hver bane for totalt 4 mL bensement til vertebra.
- Til slutt, bruk gjennomlysning å kontrollere fordelingen av beinsement i vertebrale kroppen ved anteroposterior og lateral utsikt. Stitch innsettinger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Anskaffelse av CT-bilder og digital modellering ble utført på sykehuset, mens 3D-utskrift ble utført i et selskap med 3D-utskrift. Tretti minutter var nødvendig for å rekonstruere 3-D-modellen fra CT-bilder for 3-D utskrift, og 3-D utskrift selskapet trengte ca 6 timer for å skrive ut 2 guide maler ut og sende til sykehuset.
De pre-Operation bilder av målet vertebra av pasienten ble vist i figur 1 og figur 2: røntgen (a1: Posterioanterior visning; A2: lateral visning); magnetisk resonans bilde (a3: TIWI visning; A4: T2WI visning; A5: FS-visning). Figur 3 illustrerer OPPKJØPET av CT-bilder, markerer mål søylen og registrerer pasientens kroppsposisjon. Fra koronale flyet (Figur 4A), den tverrgående Planet (Figur 4B) og sagittal flyet (Figur 4C), CT vertebra bildet ble rekonstruert til en 3-D-modellen (Figur 4D). Simuleringen av PVP operasjonen prosedyren i bildebehandling programvaren er vist i figur 5. Figur 6 presenterer lengden på guiding sylindere av malen, og figur 7 viser prosedyrene for å dikte guiden malen. Figur 8 viser dannelsen av basen (Figur 8A), dannelsen av den styrende sylinder (Figur 8B), produksjonsprosessen (Figur 8C), og den endelige malen ( Figur 8D). Figur 9 viser typiske operasjons trinn.
Figur 1: røntgen av OVCF-pasienten. Viser X-ray-bilder av pasientens mål vertebra. (A1: Posterioanterior visning; A2: sidevisning). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Mr på OVCF-pasienten. Viser de pre-Operation MRI-bildene til pasientens mål vertebra. (A3: TIWI visning; A4: T2WI visning; A5: FS-visning). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: preoperativ lokalisering av mål vertebra. Illustrerer oppkjøp av CT-bilder, merking av mål søylen og opptak av pasientens kroppsstilling. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: rekonstruksjon av vertebra i etterligner. Presenterer rekonstruert vertebra modellen fra CT vertebra bildet fra (A) koronale flyet, (B) den tverrgående planet, (C) den sagittal flyet og (D) 3-D modell. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: simulering av PvP operasjonen prosedyre i etterligner. Viser simulering av PVP operasjonen prosedyre i ETTERLIGNER. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: dato for guiding sylindere av malen. Viser lengden på veiledende sylindere i malen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: prosedyrene for å dikte guiden malen. Illustrerer fremgangsmåten for å dikte opp malen, inkludert rekonstruere basen og banen kanalen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: modellen av veiledende mal. Viser (A) dannelsen av basen, (B) dannelsen av den styrende sylinder, (C) den produserende prosessen og (D) den virkelige malen enhet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: vanlige operasjons trinn. (A) bruk gradienter for å sikre at pasienten er i samme posisjon når CT ble utført; (B) matche en mal med hud for å bestemme punktering poeng; (C) siste punktering poeng; (D) bruke punktering nåler for å dobbeltsjekke punktering poeng; (E) fikse andre sterilisert mal og sette nåler; (F) Trykk på nålene til slutten av baner; (G) Injiser beinsement bilateralt via nålene; (H) siste fluoroskopskjermen av fordelingen av bensement i vertebrale kroppen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Perkutan vertebroplasty (PVP) regnes som en av de beste metodene for å behandle osteoporotiske vertebrale kompresjon brudd9 på grunn av noen distinkte fordeler: det er minimalt invasiv; Det er mindre blødning, og utvinning er rask. Tradisjonell PVP er primært guidet av en C-arm fluoroskopskjermen som krever gjentatte gjennomlysning å bestemme trygg og ideell punktering poeng, punktering vinkler og orientering, noe som øker intraoperativ stråling dosering og drift tid10 . Videre avhenger suksessen rate av operasjonen i hovedsak på opplevelsen av kirurger. Imidlertid, der er fremdeles 1.2%-15,7% feil ratene og 0-7.42% reoperasjon ratene, aften for operasjon hjalp av en image-guidet styringen system11.
En 3D guide mal har noen fordeler for å bistå i bryst og cervical pedicle skrue innsetting operasjoner12,13,14. Vårt team kombinerer en 3-D utskrift guide mal med PVP. Resultatene av vår randomiserte, nonblinded, kontrollerte kliniske studie viser at malen gir mange fordeler før og under operasjonene: økt punktering presisjon; minimert kirurgisk tid og strålingseksponering; og redusert punktering-relaterte komplikasjoner. For medisinsk beboere med mindre mulighet til å utføre operasjonen på pasientene, kan malen forkorte læringskurve av operasjonen og hjelpe dem å finne punktering poeng lettere.
Videre fokuserer vår kliniske oppgave forskning på å anvende en 3-D guide mal i ett segment OVCF pasienter. I fremtiden vil vi bruke guide malen i kompliserte OVCF pasienter med alvorlig osteoporose, alvorlig kyfose, skoliose eller multi-segmentet brukket vertebra. Disse kompliserte OVCF-operasjonene krever flere fluoroskopskjermen skanninger og har lang driftstid, selv for erfarne kirurger. Bruk av 3D-guide-malen for disse tilfellene gir en mer presis og sikrere punktering, reduserer operasjonstiden og reduserer strålingseksponeringen.
Det er imidlertid noen begrensninger av den tredimensjonale utskrift guide mal assistert perkutan vertebroplasty. Tid er nødvendig for å forstå bruken av den medisinske bildebehandlingsprogram varen. Under mal design, en enkelt feil gjort av kirurger kjent med programvaren kan føre til en mislykket operasjon. Derfor krever denne metoden at minst én kirurg i teamet er kjent med programvare bruken, samt operasjons prosedyrene. Preoperativ utforming av malen og mal utskriften øker pasient kostnadene og arbeidsbelastningen til kirurgen. Noen ganger blir malen litt deformert etter sterilisering, noe som påvirker den perfekte feste av malen til pasientens rygg hud og punktering nøyaktighet. Derfor er vårt team søker alternative materialer for mal fabrikasjon som ikke ville deformeres etter sterilisering.
Kollektivt, 3D Printing guide mal assistert perkutan vertebroplasty kunne hjelpe kirurger grundig visualisere brukket vertebra og utvikle en individualisert kirurgisk plan for pasienten. Det bidrar til punktering nøyaktighet under prosedyren og reduserer punktering-relaterte komplikasjoner. Det minimerer kirurgisk tid og stråling mens forkorte PVP læringsprosessen for unge kirurger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikt om narkotika, materialer eller enheter som er beskrevet i denne studien.
Acknowledgments
Studien ble finansiert av Beijing Municipal Science & Technology Commission (no. Z181100001718078), Kina.
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).
