Summary
Heri præsenterer vi en tredimensionel udskrivnings guide skabelon til perkutan vertebraplasty. En patient med en fraktur af T11 vertebrale kompression blev udvalgt som et casestudie.
Abstract
Perkutan er (PvP) betragtes som en effektiv behandling for rygsmerter forårsaget af osteoporotisk vertebrale kompressions fraktur. Nøjagtigheden af PVP afhænger hovedsageligt af kirurger ' erfaring og flere fluoroscopes under en traditionel procedure. Punktering relaterede komplikationer blev rapporteret over hele verden. For at gøre den kirurgiske procedure mere præcis og mindske hastigheden af punkterings relaterede komplikationer, vores team anvendt en tredimensionel udskrivning guide skabelon til PVP at ændre den traditionelle procedure. Denne protokol introducerer hvordan man modeller Target ryghvirvler DICOM imaging data i tre dimensioner i softwaren, hvordan man simulerer operation i denne 3D-model, og hvordan man bruger alle de kirurgiske data til at rekonstruere en patientspecifik skabelon til anvendelse. Ved hjælp af denne skabelon kan kirurger identificere passende punkterings punkter præcist for at forbedre nøjagtigheden af operationen. Hele protokollen indeholder: 1) diagnosticering af osteoporotisk vertebrale kompressions fraktur; 2) erhvervelse af CT-billeddannelse af målet hvirvlen; 3) simulering af operationen i softwaren; 4) design og fabrikation af 3-D udskrivning guide skabelon; og 5) anvendelse af skabelonen i en Operations procedure.
Introduction
Som den mest almindeligt forekommende fraktur blandt alle former for osteoporotiske frakturer er osteoporotisk vertebrale kompressions fraktur (OVCF) et meget om klinisk problem i dag. Som de nuværende retningslinjer anbefaler, er perkutan er en af de mest effektive minimalt invasive metoder til klinisk behandling af osteoporotiske vertebrale kompressionsfrakturer1.
Normalt udfører kirurger perkutan er styret af en C-arm fluoroskop til behandling af et vertebrale kompressions fraktur for at genoprette den komprimerede vertebrale krop og lindre tidlige trin smerter2. Selv erfarne kirurger begår fejl i at bekræfte passende punktering punkter ved blot at stole på deres personlige erfaringer. Denne operation kan forårsage nogle punktering-relaterede komplikationer (f. eks cement lækage i omgivende væv, nerve roden skade, intra-spinal hæmatom, etc.3,4,5); Desuden har næsten 50% af patienterne lokale komplikationer fra traditionel PVP med 95% af komplikationer, som kommer fra cement lækage til omgivende væv eller embolisering af paravertebrale vener6. Med fremkomsten af præcision kirurgi, en 3-D udskrivning guide skabelon har været anvendt i mange spinal kirurgi operationer7 fordi det kan forbedre den proceduremæssige nøjagtighed, mindske vanskelighederne og minimere de operationelle risici. Her anvender vi en 3D-udskrivnings guide skabelon i PVP for at gøre Operations proceduren mere præcis og for at nedsætte hastigheden af punkterings relaterede komplikationer. Sammenlignet med den traditionelle metode, operationer bistået af 3D-udskrivning guide skabelon har 1) øget kirurgisk punktering nøjagtighed, 2) minimeret stråling eksponering under operationen, 3) forkortet den kirurgiske procedure tid, og 4) faldt sandsynlighed for punkterings relaterede komplikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne undersøgelse blev godkendt af den etiske komité i Beijing Friendship Hospital Capital Medical University.
1. diagnosticering af osteoporotisk vertebrale kompressions fraktur (OVCF) ved røntgen fluoroskopi, magnetisk resonans billede (MRI), knoglescintigrafi og symptomer
- Identificere patienter, der har OVCF af ældre patienter med rygsmerter, ømhed i den spinale proces, paraspinale muskler på ryggen, etc.
- Brug posterioanterior røntgen fluorskopi til at kontrollere, om patienten har vertebrale kompressions fraktur.
- Brug en MRI til at diagnosticere, om en patient har en nyligt debut vertebrale kompression fraktur, og bestemme målet komprimeret hvirvler. For patienter, der ikke kan gennemgå MRI, brug knogle scintigrafi.
- Bestil PVP behandling for patienten, der har en akut vertebrale kompression fraktur og registrere den visuelle analoge skala (VAS) score og Oawestry Disability Index (ODI)8.
Bemærk: der er et par kriterier for inklusion: 1) hvirvel brækket patient, om at have historie af en lavenergi traume eller ej; 2) ingen historie eller tegn på metabolisk knoglesygdom eller kræft; 3) VAS score ≥ 7; 4) diagnose som vertebrale fraktur ved røntgen, MRI eller knogle scintigrafi.
2. præoperativ lokalisering af Target hvirvel
- Før operationen, gennemføre tilbøjelige computertomografi på patienten med tre røntgenfaste markører placeret i midterlinjen af patientens ryg hud på det komprimerede vertebrale niveau. Mens du trykker på den mest smertefulde del, Bekræft målområdet ved røntgen fluorskopi og en fysisk undersøgelse på patientens ryg.
- Før den udsatte Computertomografi scanning, sætte en gradienter på patientens ryg bare ringere end de faste markører. Optag patientens kropsstilling, og fjern den. Patienten forbliver i samme position under operationen.
- Gem CT-billederne (1 mm scannings lagtykkelse, 1 mm lagafstand og enten 90 udsnit (konventionel scanning) eller 400 udsnit (tynd udsnitsscanning) i et DICOM-format. Sæt en bomulds pude på patientens ryg for at sikre, at mærkerne forbliver indtil operationen.
3. simulering af den perkutane er procedure i edb-softwaren
- Eksporter CT-billederne i DICOM-format til medicinsk billedbehandlings software (f. eks. efterligner), og vælg målskiver for at rekonstruere den komprimerede hvirvel.
- Vælg tærskel segmentering for at justere tærskel intervallet for målvertebra fra 125-3071H og oprette en maske. Tryk på dublet maske for at oprette to masker: maske A og maske B.
- Klik på maskér redigering for at slette målvertebra i maske A. Klik derefter på booleske handlinger for at danne en ny maske C ved hjælp af maske B til minus maske a. Tryk på Beregn 3D fra maske for at rekonstruere målet hvirvler.
- Simulere PVP via en bilateral transpedikulært tilgang i softwaren. Først skal du definere Medcad cylinder i softwaren som punktering nål model. Angiv cylindrene som samme længde og radius som punkterings nålen (en længde på 125 mm og en radius på 1,25 mm).
- Simulere Indgangspunktet, indgangsvinklen (hoved hældningsvinkel og bortførelse vinkel retning), og punkterings nålen dybde for en reel PVP med 3-D udsigt over målet hvirvler.
- Juster punkterings nålene til den ideelle position ved hjælp af funktionen Flyt og Roter . Hold nåle forløbskurver i overensstemmelse med disse principper: 1) punkterings kanyler kan ekstrapolere gennem pedile, fortrinsvis i sin overlegne halvdel; 2) den ideelle placering af spidserne er på det punkt i den forreste tredjedel af rygsøjlen på lateral visning.
4. tre-dimensionel udskrivning guide skabelon
- Gem alle 3D-skabelon data, og Send dem i MCS-format til et tredimensionalt udskrivnings firma.
- Konverter MCS-format data til et STL-format, og designskabelonen ved hjælp af software. Rekonstruere basen, som skal klamre sig til patientens ryg hud, rekonstruere bane kanalen i henhold til alle de parametre, herunder huden indgangspunkter, indgangsvinkler og dybden af de to nåle ' bane, udskrive to samme skabeloner ud til operationen .
Bemærk: guide skabelonen er fremstillet af polylaktisk syre, som kan steriliseres og ved lav temperatur damp desinfektion.
5. anvendelse af den tredimensionale udskrivnings guide skabelon til at hjælpe den virkelige PVP operation
- Gør patienten ligge tilbøjelig på operationsbordet som for CT-scanning i overensstemmelse med gradienter record. Mål afstanden mellem de tre røntgenfaste markører, og tegn omridset af de tre markører, så de passer til skabelonen med målplaceringen.
- Match en hudskabelon sammen med hudens kontur. Indsæt og tryk på to svaber gennem nåle forløbskurver på skabelonen for at markere indsætnings punkterne på huden. Fjern derefter skabelonen, og tegn punkterne som punkt A og B.
- Fjern skabelonen og Desinficer huden. Drape området og sæt spidsen af to punkterings nåle ved indsætnings punkterne (punkt A og B). Derefter, bruge anteroposterior visning af C-arm gennemlysning at bekræfte, om punktering punkter bestemt af skabelonen er gennemførlige.
- Giv patienten Lokal anæstesi ved at injicere en 5 mL blanding af 1% lidocain og 1% ropavicaine ved hvert punkterings punkt. Fix en anden steriliseret skabelon på patientens ryg ved steriliseret film.
- Tryk de to nåle ind i målet hvirvlen lidt via indsættelser gennem de vejledende cylindre af skabelonen. Kontroller med C-arm fluoroscope, at forløbskurver er egnede til indsættelse. Sørg for, at tegnsætningstegn er inden for sækkene, og tryk derefter på nålene for at komme videre til enden af banen.
- Når hele Nålene er helt indsat i de ledende cylindre, skal du kontrollere med C-arm-fluoroskop, at nålens spidser har nået deres ideelle placering.
- Indsprøjt knoglecement i rygsøjlen gennem nålene. Der indsprøjtes 2 mL knoglecement via hver bane for i alt 4 mL knoglecement til hvirvlen.
- Endelig, bruge gennemlysning at kontrollere fordelingen af knoglecement i rygsøjlen af anteroposterior og laterale synspunkter. Sy indsættelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Erhvervelse af CT-billeder og digital modellering blev udført på hospitalet, mens 3-D udskrivning blev udført i en 3-D trykkerivirksomhed. Tredive minutter var nødvendige for at rekonstruere den 3-D model fra CT-billeder til 3-D-udskrivning, og 3-D trykning selskab behov for omkring 6 timer til at udskrive 2 guide skabeloner ud og sende til hospitalet.
De præ-operation billeder af målet hvirvlen af patienten blev vist i figur 1 og figur 2: X-ray (a1: posterioanterior visning; A2: lateral visning); magnetisk resonans billede (A3: TIWI visning; A4: T2WI View; A5: FS-visning). Figur 3 illustrerer ERHVERVELSEN af CT-billeder, markerer målet ryghvirvler, og registrerer patientens kropsholdning. Fra det koronale plan (figur 4A), det tværgående plan (figur 4B) og sagittalplanet (figur 4C) blev CT-hvirvel-billedet rekonstrueret til en 3D-model (figur 4d). Simuleringen af PVP-betjenings proceduren i billedbehandlings softwaren er vist i figur 5. Figur 6 præsenterer længden af vejledende cylindre af skabelonen, og figur 7 viser procedurerne for at fabrikere guide skabelonen. Figur 8 viser dannelsen af basen (figur 8A), dannelsen af styre cylinderen (figur 8B), produktionsprocessen (figur 8C) og den endelige skabelon ( Figur 8D). Figur 9 viser typiske betjeningstrin.
Figur 1: røntgen af OVCF-patienten. Viser den præ-operation røntgenbilleder af målet hvirvlen af patienten. (A1: Posterioanterior udsigt; A2: lateral visning). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: MRI af OVCF-patienten. Viser de præ-operation Mr billeder af målet hvirvlen af patienten. (A3: visning af TIWI; A4: T2WI View; A5: FS-visning). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: præoperativ lokalisering af Target vertebra. Illustrerer erhvervelse af CT-billeder, mærkning af målet hvirvler, og registrering af patientens kropsholdning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: rekonstruktion af hvirvel i efterligner. Præsenterer den rekonstruerede hvirvel model fra CT hvirvel billede fra (A) det koronale plan, (B) det tværgående plan, (C) den sagittale plan og (D) 3-D model. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: simulering af PVP operation procedure i efterligner. Viser simuleringen af PVP operation procedure i efterligner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: dato for de vejledende cylindre i skabelonen. Præsenterer længden af de vejledende cylindre i skabelonen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: procedurerne for fabrikere guide skabelonen. Illustrerer trinene til at fabrikere skabelonen, herunder rekonstruere basen og bane kanalen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: model af vejledende skabelon. Viser (A) dannelsen af basen, (B) dannelsen af den ledende cylinder, (C) fremstillingsprocessen og (D) den virkelige skabelon enhed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: typiske betjeningstrin. (A) bruge gradienter til at sikre, at patienten er i samme position, når CT blev udført; (B) matche en skabelon med huden for at bestemme punkterings punkterne; C) afsluttende punkterings punkter D) Brug punkterings nålene til at dobbelttjekke punkterings punkterne. (E) Fastgør den anden steriliserede skabelon og Indsæt nålene; (F) Tap på nålene til enden af forløbskurver; G) at injicere knoglecement bilateralt via nålene H) endeligt fluoroskop af fordelingen af knoglecement i rygsøjlen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Perkutan er (PvP) betragtes som en af de bedste metoder til behandling af osteoporotisk vertebrale kompressions fraktur9 på grund af nogle forskellige fordele: det er minimalt invasiv; der er mindre blødning, og genopretning er hurtig. Traditionel PvP styres primært af et C-arm-fluoroskop, der kræver gentagen fluoroskopi for at bestemme sikre og ideelle punkterings punkter, punkterings vinkler og retninger, hvilket øger den intraoperativ strålingsdosis og operationstiden10 . Desuden afhænger succesraten af operationen primært af erfaringerne fra kirurger. Der er dog stadig 1,2%-15,7% fejlprocenter og 0-7.42% gentagen operation satser, selv for operationer bistået af en billed styret navigationssystem11.
En 3D guide skabelon har nogle fordele for at hjælpe i thorax og cervikal pedile skrue indsættelse operationer12,13,14. Vores team kombinerer en 3D-udskrivnings guide skabelon med PVP. Resultaterne af vores randomiserede, ikke-blindet, kontrollerede kliniske undersøgelse viser, at skabelonen giver mange fordele før og under operationerne: øget punkterings præcision; minimeret kirurgisk tid og strålingseksponering; og reducerede punkterings relaterede komplikationer. For medicinske beboere med mindre mulighed for at udføre operationen på patienter, skabelonen kunne forkorte indlæringskurven for operationen og hjælpe dem med at finde punktering punkter lettere.
Desuden fokuserer vores kliniske opgave forskning på at anvende en 3-D guide skabelon i et segment OVCF patienter. I fremtiden vil vi anvende guide skabelonen i komplicerede OVCF patienter med svær osteoporose, svær Kyphosis, skoliose eller multi-segment brækket hvirvlen. Disse komplicerede OVCF-operationer kræver flere fluoroskop scanninger og har lange driftstider, selv for erfarne kirurger. Anvendelse af 3-D-guide skabelonen til disse tilfælde giver en mere præcis og sikrere punkterings tilgang, reducerer driftstiden og reducerer strålingseksponeringen.
Men, der er nogle begrænsninger af den tredimensionelle udskrivning guide skabelon assisteret perkutan vertebroplasty. Tid er nødvendig for at forstå brugen af medicinsk billedbehandling software. Under skabelonen design, enhver enkelt fejl foretaget af kirurger ukendte med softwaren kan føre til en mislykket kirurgi. Derfor, denne metode kræver, at mindst én kirurg i teamet er fortrolig med software brug samt drift procedurer. Præoperativ design af skabelonen og skabelon udskrivning øger patient omkostningerne og kirurgens arbejdsbyrde. Nogle gange bliver skabelonen lidt deformeret efter steriliseringen, hvilket påvirker den perfekte fastgørelse af skabelonen til patientens ryghud og punkterings nøjagtighed. Derfor er vores team søger alternative materialer til skabelon fabrikation, der ikke ville deforme efter sterilisering.
Kollektivt, 3D udskrivning guide skabelon assisteret perkutan er kunne hjælpe kirurger omfattende visualisere den brækkede hvirvlen og udvikle en individualiseret kirurgisk plan for patienten. Det bidrager til punktering nøjagtighed under proceduren og nedsætter punktering-relaterede komplikationer. Det minimerer operationstiden og strålingseksponeringen og forkorter PVP-læringsprocessen for unge kirurger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikt med hensyn til stoffer, materialer eller anordninger, der er beskrevet i dette studie.
Acknowledgments
Undersøgelsen blev finansieret af 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).
