Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Medicine

三维打印指南模板辅助皮椎间盘(PVP)

doi: 10.3791/60010 Published: October 17, 2019
* These authors contributed equally

Summary

在这里,我们提出了一个三维打印指南模板的皮椎骨。T11椎骨压缩性骨折患者被选择作为案例研究。

Abstract

皮下椎骨成形术(PVP)被认为是骨质椎骨压缩性骨折引起的背痛的有效治疗。PVP的准确性主要取决于外科医生在传统手术中的经验和多荧光镜。世界各地都报告了穿刺相关的并发症。为了使手术更加精确,降低穿刺相关并发症的发生率,我们的团队对PVP应用了三维打印指南模板来修改传统程序。该协议介绍了如何在软件中将目标椎骨DICOM成像数据建模为三维,如何模拟此三维模型中的操作,以及如何利用所有手术数据重建患者特定的应用模板。使用此模板,外科医生可以准确地识别合适的穿刺点,以提高手术的准确性。整个方案包括:1)骨质椎骨压缩性骨折的诊断;2) 目标椎骨CT成像的采集;3)模拟软件中的操作;4)设计制作三维打印导板模板;5) 将模板应用到操作过程中。

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

骨质疏松性骨折(OVCF)作为各种骨质疏松性骨折中最常见的类型性骨折,是当今临床上备受关注的临床问题。根据目前的指南建议,皮皮椎骨成形术是临床治疗骨质椎骨压缩性骨折1最有效的微创方法之一。

传统上,外科医生在C-arm荧光镜的指导下进行皮下椎骨整形手术,以治疗椎骨压缩性骨折,以恢复压缩的椎体,缓解早期疼痛2。即使是有经验的外科医生,只要依靠个人经验,就能在确认合适的穿孔点时出错。此操作可能导致一些与穿刺相关的并发症(例如,水泥渗入周围组织、神经根损伤、脊髓内造脑肿等3、4、5);此外,近50%的患者有局部并发症从传统的PVP与95%的并发症来自水泥泄漏到周围组织或栓塞静脉6。随着精密手术的出现,三维打印指南模板已用于许多脊柱手术7,因为它可以提高程序的准确性,减少难度,并尽量减少操作风险。在这里,我们将三维打印指南模板应用于PVP,使外科手术更加精确,并降低穿刺相关并发症的发生率。与传统方法相比,3D打印指南模板辅助手术有1)手术穿刺精度提高,2)手术过程中辐射暴露最小化,3)缩短手术时间,4)减少手术时间。穿刺相关并发症的概率。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

本研究得到了北京友谊医院首都医科大学伦理委员会的批准。

1. 通过X射线荧光镜检查、磁共振成像(MRI)、骨丝镜和症状诊断骨质椎骨压缩性骨折(OVCF)

  1. 识别老年患者有OVCF的患者,有背痛、脊柱过程中的压痛、背部的中脊髓肌肉等。
  2. 使用后体X射线荧光镜检查患者是否有椎骨压缩性骨折。
  3. 使用 MRI 诊断患者是否有新发病的椎骨压缩性骨折,并确定目标压缩椎骨。对于不能接受MRI的患者,使用骨剪。
  4. 为急性椎骨压缩性骨折患者订购PVP治疗,并记录视觉模拟量表(VAS)评分和Oawestry残疾指数(ODI)8。
    注:包容有几个标准:1)椎骨骨折患者是否具有低能量创伤史;2) 没有代谢性骨病或癌症的历史或证据;3) VAS 分数 = 7;4)通过X射线、MRI或骨颅术诊断为椎骨骨折。

2. 目标椎的术前定位

  1. 手术前,对患者进行易进行计算机断层扫描,在压缩椎骨水平,在患者背部皮肤的中线放置三个放射性标记。在按压最痛苦的部分时,通过X射线荧光检查和患者背部的体格检查确认目标区域。
  2. 在容易进行计算机断层扫描之前,在患者的背部放置一个渐变器,略低于固定标记。记录患者的身体位置,然后将其移除。在手术期间让患者保持在相同的位置。
  3. 以 DICOM 格式保存 CT 图像(1 mm 扫描层厚度、1 mm 层间距和 90 片(常规扫描)或 400 片(薄片扫描)。在患者的背部放置棉垫,以确保标记物一直保留到手术。

3. 在计算机软件中模拟皮下椎骨切整手术

  1. 将 DICOM 格式的 CT 图像导出到医疗成像处理软件(例如,MIMICS),并选择目标切片以重建压缩椎骨。
  2. 选择阈值分割以调整目标椎骨的阈值范围,从125-3071H,并创建蒙版。按"复制蒙版"可制作两个蒙版:蒙版 A 和蒙版 B。
  3. 单击"蒙版编辑"可擦除蒙版 A 中的目标椎骨。然后单击布尔操作,通过使用蒙版 B 减去蒙版 A 来形成新的蒙版 C。
  4. 通过软件中的双边透眼方法模拟PVP。首先,在软件中定义Medcad 气缸为穿刺针模型。将气缸定义为与穿刺针相同的长度和半径(长度为 125 mm,半径为 1.25 mm)。
  5. 使用目标椎骨的三维视图模拟实际 PVP 的入口点、入口角度(头部倾角和诱拐角度方向)和穿刺针深度。
  6. 使用"移动和旋转"功能将穿刺针调整到其理想位置。保持针状轨迹符合这些原则:1)穿刺针可以通过穿刺器外推,最好在它优异的一半;2) 尖端的理想位置在侧视图的椎体前三分之一的点上。

4. 三维打印指南模板

  1. 保存所有 3D 模板数据,并将其以 MCS 格式发送给三维打印公司。
  2. 将 MCS 格式数据转换为 STL 格式并使用软件设计模板。重建基地,必须紧贴患者的背部皮肤,根据所有参数重建轨迹管道,包括皮肤入口点、入口角度和两针轨迹的深度,打印两个相同的模板进行手术.
    注:导引模板由聚乳酸制成,可消毒和低温蒸汽消毒。

5. 应用三维打印指南模板,协助实际PVP操作

  1. 根据梯度记录,使患者容易躺在手术台上,如CT扫描。测量三个放射性标记的距离,并绘制三个标记的轮廓,使模板与目标位置匹配。
  2. 将皮肤模板与皮肤轮廓匹配。在模板上插入和按两个拭子穿过针的轨迹,以标记皮肤上的插入点。然后删除模板并将点绘制为点 A 和 B。
  3. 取出模板并消毒皮肤。将区域覆盖,并将两根穿刺针的尖头放在插入点(A 点和 B 点)。然后,使用C臂荧光镜的前后观察,确认模板确定的穿刺点是否可行。
  4. 在每个穿刺点注射5mL的1%利多卡因和1%罗帕维卡因的混合物,给患者局部麻醉。通过消毒膜修复患者背部的另一个消毒模板。
  5. 通过模板的引导柱插入,将两根针轻轻插入目标椎骨。使用 C 臂荧光镜验证轨迹是否适合插入。确保标点符号位于脚尖内,然后点击针以进一步前进,直到轨迹结束。
  6. 当整个针头完全插入导芯时,使用 C 臂荧光镜验证针尖是否已到达其理想位置。
  7. 通过针头将骨水泥注入椎体。通过每个轨迹将 2 mL 的骨水泥注入椎骨,总共 4 mL 的骨水泥。
  8. 最后,使用荧光镜检查骨水泥在椎体内的分布情况,通过前视和横向视图。缝合插入。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

医院对CT图像进行采集和数字建模,在3D打印公司进行三维打印。从 CT 图像重建三维打印的 3D 模型需要 30 分钟,三维打印公司需要大约 6 小时才能打印出 2 个指南模板并发送到医院。

患者目标椎骨的手术前图像如图1图2:X射线(A1:后视;A2:横向视图);磁共振图像(A3:TIWI 视图;A4:T2WI 视图;A5:FS 视图)。图3说明了CT图像的采集,标记了目标椎骨,并记录了患者的身体位置。从日冕平面(图4A)、横平面(图4B)和下垂平面(图4C)中,CT椎骨图像被重建为三维模型(图4D)。图5对图像处理软件中的PVP操作过程进行仿真。图 6显示了模板的引导圆柱体的长度,图 7显示了制作指南模板的过程。图8显示了基体的形成(图8A),导向缸的形成(图8B),生产工艺(图8C),以及最终模板(图 8D.图 9显示了典型的操作步骤。

Figure 1
图1:OVCF患者的X光片。显示患者目标椎骨的手术前 X 射线图像。(A1:后视;A2:横向视图)。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图2:OVCF患者的MRI。显示患者目标椎骨的手术前 MRI 图像。(A3:TIWI 视图;A4:T2WI 视图;A5:FS 视图)。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:目标椎骨的术前定位。说明CT图像的采集,目标椎骨的标记,以及患者身体位置的记录。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:在模拟中椎骨的重建。从 (A) 日冕平面, (B) 横平面, (C) 到 sagita 平面和 (D) 三维模型, 呈现重建的椎骨模型.请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图5:模拟模拟中的PVP操作过程。显示了模拟中PVP操作过程的模拟。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图 6:模板导向柱的日期。显示模板的导向柱的长度。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
图7:制作指南模板的过程。说明构建模板的步骤,包括重建基底和轨迹通道。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 8
图8:指导模板模型。显示 (A) 基地的形成, (B) 引导缸的形成, (C) 生产过程和 (D) 真正的模板实体.请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 9
图 9:典型操作步骤。A) 使用梯度器确保患者在进行CT时处于同一位置;(B) 将一个模板与皮肤匹配,以确定穿刺点;(C) 最终穿刺点;(D) 使用穿刺针仔细检查穿刺点;(E) 修复其他消毒模板并插入针头;(F) 将针头敲到轨迹的末端;(G) 通过针头双边注射骨水泥;(H) 骨水泥在椎体内分布的最终荧光镜。请点击此处查看此图的较大版本。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

皮皮椎骨成形术(PVP)被认为是治疗骨质椎骨压缩性骨折最好方法之一,因为它有一些明显的优点:它是微创的;出血较少,恢复迅速。传统的PVP主要由C-arm荧光镜引导,需要反复的荧光镜来确定安全和理想的穿刺点、穿刺角度和方向,这增加了术中辐射剂量和操作时间10.此外,手术的成功率主要取决于外科医生的经验。然而,仍然有1.2%-15.7%的错误率和0-7.42%的重新操作率,即使图像导航系统11辅助的操作。

3D指南模板有一些优势,协助胸腔和颈椎螺旋插入操作12,13,14。我们的团队将三维打印指南模板与 PVP 相结合。我们随机、非盲、对照临床研究结果表明,该模板在手术前和手术过程中具有许多优点:增加穿刺精度;尽量减少手术时间和辐射暴露;减少穿刺相关并发症。对于对患者进行手术机会较少的医学居民,该模板可以缩短手术的学习曲线,帮助他们更容易地找到穿刺点。

此外,我们的临床任务研究侧重于将三维指南模板应用于一个片段OVCF患者。今后,我们将将指南模板应用于患有严重骨质疏松症、严重性肺病、脊柱侧弯或多段骨折椎骨的复杂OVCF患者。这些复杂的OVCF手术需要多次荧光镜扫描,并且具有很长的手术时间,即使是有经验的外科医生。为这些情况应用三维导引模板可提供更精确、更安全的穿刺方法,减少操作时间,并减少辐射暴露。

然而,三维打印指南模板辅助皮椎骨切分板有一些局限性。需要时间来掌握医疗成像软件的使用。在模板设计过程中,不熟悉软件的外科医生犯的任何错误都可能导致手术不成功。因此,此方法要求团队中至少有一名外科医生熟悉软件使用以及操作过程。模板和模板打印的术前设计增加了患者费用和外科医生的工作量。有时,模板在灭菌后会稍微变形,这会影响模板对患者背部皮肤的完美附着和穿刺的准确性。因此,我们的团队正在寻找模板制造的替代材料,这些材料在灭菌后不会变形。

总体而言,3D打印指南模板辅助皮下椎骨整形术可以帮助外科医生全面可视化骨折的椎骨,并为患者制定个性化的手术计划。它有助于在手术过程中穿刺的准确性,并减少穿刺相关的并发症。它最大限度地减少了手术时间和辐射暴露,同时缩短了年轻外科医生的PVP学习过程。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

作者对本研究中描述的任何药物、材料或装置没有利益冲突。

Acknowledgments

该研究由北京市科学技术委员会资助(中国,中国,中国,Z.Z181100001718078)。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Laredo, J. D., Hamze, B. Complications of percutaneous vertebroplasty and their prevention. Skeletal Radiology. 33, (9), 493-505 (2004).
  6. Saracen, A., Kotwica, Z. Complications of percutaneous vertebroplasty: An analysis of 1100 procedures performed in 616 patients. Medicine. 95, (24), e3850 (2016).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Ruiz, S. F., et al. Comparative review of vertebroplasty and kyphoplasty. World Journal of Radiology. 6, (6), 329-343 (2014).
  10. Cannavale, A., et al. Percutaneous vertebroplasty with the rotational fluoroscopy imaging technique. Skeletal Radiology. 43, (11), 1529-1536 (2014).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
三维打印指南模板辅助皮椎间盘(PVP)
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hu, P., Lin, J., Xu, J., Meng, H., Su, N., Yang, Y., Fei, Q. Three-Dimensional Printing Guide Template Assisted Percutaneous Vertebroplasty (PVP). J. Vis. Exp. (152), e60010, doi:10.3791/60010 (2019).More

Hu, P., Lin, J., Xu, J., Meng, H., Su, N., Yang, Y., Fei, Q. Three-Dimensional Printing Guide Template Assisted Percutaneous Vertebroplasty (PVP). J. Vis. Exp. (152), e60010, doi:10.3791/60010 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter