Login processing...

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

Medicine

Guide d'impression tridimensionnel Template Assisted Percutaneous Vertebroplasty (PVP)

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

Summary

Ici, nous présentons un modèle tridimensionnel de guide d'impression pour la vertébraplastie percutanée. Un patient présentant une rupture vertébrale de compression de T11 a été choisi comme étude de cas.

Abstract

La vertébroplastie percutanée (PVP) est considérée comme un traitement efficace pour les maux de dos causés par la fracture de compression vertébrale ostéoporotique. La précision du PVP dépend principalement de l'expérience des chirurgiens et des fluoroscopes multiples au cours d'une procédure traditionnelle. Des complications liées à la perforation ont été rapportées partout dans le monde. Pour rendre la procédure chirurgicale plus précise et diminuer le taux de complications liées à la perforation, notre équipe a appliqué un modèle de guide d'impression tridimensionnel au PVP pour modifier la procédure traditionnelle. Ce protocole introduit comment modéliser les données d'imagerie ciblées des vertèbres DICOM en trois dimensions dans le logiciel, comment simuler le fonctionnement de ce modèle 3D, et comment utiliser toutes les données chirurgicales pour reconstruire un modèle spécifique au patient pour l'application. À l'aide de ce modèle, les chirurgiens peuvent identifier avec précision les points de perforation appropriés afin d'améliorer la précision de l'opération. L'ensemble du protocole comprend : 1) diagnostic de la fracture de compression vertébrale ostéoporotic ; 2) acquisition de l'imagerie Par cT de la vertèbre cible; 3) simulation de l'opération dans le logiciel; 4) conception et fabrication du modèle de guide d'impression 3D ; et 5) l'application du modèle dans une procédure d'opération.

Introduction

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

Comme la fracture de type la plus commune parmi toutes sortes de fractures ostéoporotiques, la fracture de compression vertébrale ostéoporotic (OVCF) est un problème clinique très préoccupant de nos jours. Comme le recommandent les lignes directrices actuelles, la vertébroplastie percutanée est l'une des méthodes les plus efficaces et peu invasives pour traiter cliniquement les fractures de compression vertébrale ostéoporotique1.

Traditionnellement, les chirurgiens exécutent la vertébroplastie percutanée guidée par un fluoroscope de C-bras pour traiter une rupture vertébrale de compression pour reconstituer le corps vertébral comprimé et soulager la douleur dedébut-étape 2. Même les chirurgiens expérimentés font des erreurs en confirmant les points de perforation appropriés en s'appuyant simplement sur leur expérience personnelle. Cette opération pourrait causer des complications liées à la perforation (p. ex., fuite de ciment dans les tissus environnants, lésions des racines nerveuses, hématome intra-spinal, etc.3,4,5); en outre, près de 50% des patients ont des complications locales du PVP traditionnel avec 95% des complications provenant de fuite de ciment dans les tissus environnants ou l'embolisation des veines paravertébrales6. Avec l'émergence de la chirurgie de précision, un modèle de guide d'impression 3D a été utilisé dans de nombreuses opérations de chirurgie de la colonne vertébrale7, car il peut améliorer l'exactitude procédurale, en diminuant les difficultés et en minimisant les risques opérationnels. Ici, nous appliquons un modèle de guide d'impression 3D dans le PVP pour rendre la procédure chirurgicale plus précise et pour diminuer le taux de complications liées à la perforation. Comparé à la méthode traditionnelle, les opérations assistées par le modèle de guide d'impression 3D ont 1) augmenté la précision de ponction chirurgicale, 2) réduit l'exposition de rayonnement pendant l'opération, 3) a raccourci le temps de procédure chirurgicale, et 4) a diminué le probabilité de complications liées à la perforation.

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

La présente étude a été approuvée par le comité d'éthique de Beijing Friendship Hospital Capital Medical University.

1. Diagnostic de la fracture de compression vertébrale ostéoporotique (OVCF) par fluoroscopie de rayon X, image de résonance magnétique (MRI), scintigraphie d'os, et symptômes

  1. Identifier les patients qui ont OVCF par les patients plus âgés avec des maux de dos, la tendresse dans le processus spinous, muscles paraspin au dos, etc.
  2. Utilisez la fluoroscopie postrioanterior aux rayons X pour vérifier si le patient souffre d'une fracture de compression vertébrale.
  3. Utilisez une IRM pour diagnostiquer si un patient a une fracture de compression vertébrale nouvellement commencée, et déterminer les vertèbres comprimées cible. Pour les patients qui ne peuvent pas subir l'IRM, utilisez une scintigraphie osseuse.
  4. Commandez un traitement PVP pour le patient qui a une fracture de compression vertébrale aigue et enregistrez le score de l'échelle analogique visuelle (VAS) et l'indice d'incapacité d'Oawestry (ODI)8.
    REMARQUE : Il y a quelques critères pour l'inclusion : 1) patient fracturé de vertèbre si ayant l'histoire d'un trauma de basse énergie ou pas ; 2) aucune histoire ou évidence de maladie métabolique d'os ou de cancer ; 3) Score VAS 7; 4) diagnostic comme rupture vertébrale par rayon X, MRI ou scintigraphie d'os.

2. Localisation préopératoire des vertèbres cibles

  1. Avant l'opération, conduisez la tomographie encline d'ordinateur sur le patient avec trois marqueurs radiopaque placés dans la ligne médiane de la peau arrière du patient au niveau vertébral comprimé. Tout en appuyant sur la partie la plus douloureuse, confirmer la zone cible par fluoroscopie aux rayons X et un examen physique sur le dos du patient.
  2. Avant le balayage enclin de tomographie d'ordinateur, mettez un gradienter sur le dos du patient juste inférieur aux marqueurs fixes. Enregistrez la position du corps du patient, puis retirez-la. Demandez au patient de rester dans la même position pendant la chirurgie.
  3. Enregistrer les images CT (épaisseur de la couche de balayage de 1 mm, espacement de 1 mm et 90 tranches (balayage conventionnel) ou 400 tranches (balayage de tranches minces) dans un format DICOM. Placez un tampon de coton sur le dos du patient pour s'assurer que les marqueurs restent jusqu'à l'opération.

3. Simulation de la procédure percutanée de vertébroplastie dans le logiciel informatique

  1. Exportez les images CT en format DICOM dans un logiciel de traitement d'imagerie médicale (p. ex. MIMICS) et sélectionnez les tranches cibles pour reconstruire la vertèbre comprimée.
  2. Sélectionnez La segmentation des seuils pour ajuster la plage de seuil pour la vertèbre cible de 125-3071H et créer un masque. Appuyez sur Masque Duplicate pour faire deux masques: Masque A et Masque B.
  3. Cliquez sur Masquer Modifier pour effacer la vertèbre cible dans le masque A. Cliquez ensuite sur Boolean Operations pour former un nouveau masque C en utilisant le masque B à moins le masque A. Appuyez sur Calculer 3D à partir du masque pour reconstruire la vertèbre cible.
  4. Simuler PVP via une approche transpédiculaire bilatérale dans le logiciel. Tout d'abord, définir le cylindre Medcad dans le logiciel comme le modèle d'aiguille de perforation. Définissez les cylindres comme la même longueur et le même rayon que l'aiguille de perforation (une longueur de 125 mm et un rayon de 1,25 mm).
  5. Simulez le point d'entrée, l'angle d'entrée (angle d'inclinaison de la tête et orientation de l'angle d'enlèvement) et la profondeur de l'aiguille de perforation pour un vrai PVP avec les vues 3D de la vertèbre cible.
  6. Ajustez les aiguilles de perforation à sa position idéale en utilisant la fonction Déplacer et tourner. Maintenir des trajectoires d'aiguilles compatibles avec ces principes : 1) les aiguilles de perforation peuvent extrapoler à travers le pédicle, de préférence dans sa moitié supérieure ; 2) l'emplacement idéal des bouts est au point dans le tiers antérieur du corps vertébral sur la vue latérale.

4. Modèle de guide d'impression tridimensionnel

  1. Enregistrez toutes les données du modèle 3D et envoyez-les dans le format MCS à une entreprise d'impression tridimensionnelle.
  2. Convertissez les données de format MCS dans un format STL et concevez le modèle à l'aide d'un logiciel. Reconstruire la base, qui doit s'accrocher à la peau du patient, reconstruire le canal de trajectoire selon tous les paramètres, y compris les points d'entrée de la peau, les angles d'entrée et la profondeur de la trajectoire des deux aiguilles, imprimer deux modèles identiques pour l'opération .
    REMARQUE : Le modèle de guide est fait à partir de l'acide polylactique, qui peut être stérilisé et par la désinfection de vapeur à basse température.

5. Application du modèle de guide d'impression tridimensionnel pour aider le fonctionnement réel de PVP

  1. Faire le patient couché enclin sur la table d'opération comme pour la tomodensitométrie en conformité avec l'enregistrement gradienter. Mesurez la distance des trois marqueurs radiopaque et dessinez le contour des trois marqueurs pour faire correspondre le modèle avec l'emplacement cible.
  2. Associez un modèle de peau avec le contour de la peau. Insérez et appuyez sur deux écouvillons à travers les trajectoires de l'aiguille sur le modèle pour marquer les points d'insertion sur la peau. Ensuite, retirez le modèle et dessinez les points en tant que point A et B.
  3. Retirez le modèle et désinfectez la peau. Drapez la zone et placez les pointes de deux aiguilles de perforation aux points d'insertion (point A et B). Ensuite, utilisez la vue antéropostérieure de la fluoroscopie du bras C pour confirmer si les points de perforation déterminés par le modèle sont réalisables.
  4. Donnez au patient une anesthésie locale en injectant un mélange de 5 ml de 1 % de lidocaïne et de 1 % de ropavicaine à chaque point de ponction. Fixer un autre modèle stérilisé sur le dos du patient par film stérilisé.
  5. Appuyez légèrement sur les deux aiguilles dans la vertèbre cible via des insertions à travers les cylindres du modèle. Vérifier avec le fluoroscope du bras C que les trajectoires sont propices à l'insertion. Assurez-vous que la ponctuation est dans les pédicles, puis appuyez sur les aiguilles pour avancer plus loin jusqu'à la fin de la trajectoire.
  6. Lorsque les aiguilles entières sont complètement insérées dans les cylindres de guidage, vérifiez avec le fluoroscope du bras C que les pointes d'aiguille ont atteint leur emplacement idéal.
  7. Injecter du ciment osseux dans le corps vertébral à travers les aiguilles. Injecter 2 ml de ciment osseux via chaque trajectoire pour un total de 4 ml de ciment osseux à la vertèbre.
  8. Enfin, utilisez la fluoroscopie pour vérifier la distribution du ciment osseux dans le corps vertébral par des vues antéropostérieures et latérales. Coudre les insertions.

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

L'acquisition d'images CT et la modélisation numérique ont été effectuées à l'hôpital, tandis que l'impression 3D a été effectuée dans une entreprise d'impression 3D. Trente minutes ont été nécessaires pour reconstruire le modèle 3D à partir des images CT pour l'impression 3D, et l'entreprise d'impression 3D a eu besoin d'environ 6 heures pour imprimer 2 modèles de guide et envoyer à l'hôpital.

Les images de pré-opération de la vertèbre cible du patient ont été montrées dans la figure 1 et la figure 2: rayon X (A1 : vue posterioanterior ; A2: Vue latérale); image de résonance magnétique (A3 : vue TIWI ; A4: Vue T2WI; A5: Vue FS). La figure 3 illustre l'acquisition d'images CT, marque les vertèbres cibles et enregistre la position du corps du patient. Du plan coronal (Figure 4A), le plan transversal (Figure 4B) et le plan sagittal (Figure 4C), l'image de la vertèbre CT a été reconstruite en un modèle 3D (Figure 4D). La simulation de la procédure d'opération PVP dans le logiciel de traitement d'image est montrée dans la figure 5. La figure 6 présente la longueur des cylindres de guidage du modèle, et la figure 7 montre les procédures pour fabriquer le modèle de guide. La figure 8 montre la formation de la base (figure 8A),la formation du cylindre de guidage (Figure 8B), le processus de production (Figure 8C), et le modèle final ( Figure 8D). La figure 9 montre les étapes de fonctionnement typiques.

Figure 1
Figure 1 : Radiographie du patient OVCF. Affiche les images radiographiques de pré-opération de la vertèbre cible du patient. (A1: Vue Posterioanterior; A2: Vue latérale). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : IRM du patient OVCF. Affiche les images d'IRM de pré-opération de la vertèbre cible du patient. (A3: vue TIWI; A4: Vue T2WI; A5: Vue FS). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Localisation préopératoire des vertèbres cibles. Illustre l'acquisition d'images CT, le marquage des vertèbres cibles et l'enregistrement de la position du corps du patient. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Reconstruction de la vertèbre dans MIMICS. Présente le modèle de vertèbre reconstruit de l'image de vertèbre CT de (A) le plan coronal, (B) le plan transversal, (C) le plan sagittal et (D) le modèle 3-D. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Simulation de la procédure d'opération PVP dans le MIMICS. Affiche la simulation de la procédure d'opération PVP dans le MIMICS. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Date des cylindres de guidage du modèle. Présente la longueur des cylindres de guidage du modèle. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Les procédures de fabrication du modèle de guide. Illustre les étapes pour fabriquer le modèle, y compris la reconstruction de la base et du canal de trajectoire. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Modèle de modèle de guidage. Spectacles (A) la formation de la base, (B) la formation du cylindre de guidage, (C) le processus de production et (D) l'entité modèle réel. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure 9 : Étapes d'opération typiques. (A) Utilisez le gradienter pour vous assurer que le patient est dans la même position lorsque le CT a été effectué; (B) Faire correspondre un modèle avec la peau pour déterminer les points de perforation; (C) Points de perforation finales; (D) Utilisez les aiguilles de perforation pour vérifier les points de perforation; (E) Fixer l'autre modèle stérilisé et insérer les aiguilles; (F) Appuyez sur les aiguilles jusqu'à la fin des trajectoires; (G) Injecter du ciment osseux bilatéralement par l'intermédiaire des aiguilles; (H) Fluoroscope final de la distribution du ciment osseux dans le corps vertébral. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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

La vertébroplastie percutanée (PVP) est considérée comme l'une des meilleures méthodes pour traiter la fracture de compression vertébrale ostéoporotique9 due à certains avantages distincts : elle est peu invasive ; il y a moins de saignements, et la récupération est rapide. Le PVP traditionnel est principalement guidé par un fluoroscope de C-bras qui exige la fluoroscopie répétée pour déterminer les points sûrs et idéaux de perforation, les angles de perforation et les orientations, qui augmentent la dose de rayonnement peropératoire et le temps d'opération10 . En outre, le taux de réussite de l'opération repose principalement sur l'expérience des chirurgiens. Cependant, il y a toujours des taux d'erreur de 1,2 % à 15,7 % et des taux de réopération de 0 à 7,42 %, même pour les opérations assistées par un système de navigation guidé par l'image11.

Un modèle de guide 3D a quelques avantages pour aider dans les opérations d'insertion de vis de pédicle thoracique etcervical12,13,14. Notre équipe combine un modèle de guide d'impression 3D avec PVP. Les résultats de notre étude clinique randomisée, non aveugle et contrôlée montrent que le modèle offre de nombreux avantages avant et pendant les opérations : précision accrue de perforation ; réduire au minimum le temps chirurgical et l'exposition aux rayonnements; et une diminution des complications liées à la ponction. Pour les résidents médicaux ayant moins d'occasions d'effectuer l'opération sur les patients, le modèle pourrait raccourcir la courbe d'apprentissage de l'opération et les aider à trouver les points de perforation plus facile.

De plus, notre recherche clinique se concentre sur l'application d'un modèle de guide 3D dans un segment de patients OVCF. À l'avenir, nous appliquerons le modèle de guide dans les patients compliqués d'OVCF présentant l'ostéoporose grave, la cyphose grave, la scoliose ou la vertèbre fracturée multisegment. Ces opérations compliquées d'OVCF exigent des balayages multiples de fluoroscope et ont de longs temps opérationnels, même pour des chirurgiens expérimentés. L'application du modèle de guide 3D pour ces cas offre une approche de perforation plus précise et plus sûre, réduit le temps de fonctionnement et réduit l'exposition aux rayonnements.

Cependant, il y a quelques limitations du modèle tridimensionnel de guide d'impression a aidé la vertebroplastie percutanée. Il faut du temps pour saisir l'utilisation du logiciel d'imagerie médicale. Au cours de la conception du modèle, toute erreur unique faite par des chirurgiens peu familiers avec le logiciel peut conduire à une chirurgie infructueuse. Par conséquent, cette méthode exige qu'au moins un chirurgien de l'équipe soit familier avec l'utilisation du logiciel ainsi que les procédures d'opération. La conception préopératoire du modèle et de l'impression de modèle augmentent les coûts des patients et la charge de travail du chirurgien. Parfois, le modèle devient légèrement déformé après la stérilisation, ce qui influe sur l'attachement parfait du modèle à la peau du dos du patient et la précision de la ponction. Par conséquent, notre équipe est à la recherche de matériaux alternatifs pour la fabrication de modèles qui ne se déformeraient pas après la stérilisation.

Collectivement, le modèle 3D de guide d'impression a aidé la vertebroplastie percutanée pourrait aider des chirurgiens visualiser complètement la vertèbre fracturée et développer un plan chirurgical individualisé pour le patient. Il contribue à la précision de la ponction au cours de la procédure et diminue les complications liées à la perforation. Il minimise le temps chirurgical et l'exposition aux radiations tout en raccourcissant le processus d'apprentissage PVP pour les jeunes chirurgiens.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs n'ont aucun conflit d'intérêts concernant les médicaments, les matériaux ou les dispositifs décrits dans cette étude.

Acknowledgments

L'étude a été financée par la Beijing Municipal Science and Technology Commission (No.Z18110001718078), Chine.

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).
Guide d'impression tridimensionnel Template Assisted Percutaneous Vertebroplasty (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