Summary
Qui, presentiamo un modello di guida di stampa tridimensionale per la vertebraplastica percutanea. Un paziente con una frattura da compressione vertebrale T11 è stato selezionato come caso di studio.
Abstract
La vertebroplastica percutanea (PVP) è considerata un trattamento efficace per il mal di schiena causato dalla frattura della compressione vertebrale osteoporotica. L'accuratezza del PVP dipende principalmente dall'esperienza dei chirurghi e dai fluoroscopi multipli durante una procedura tradizionale. Sono state riportate complicazioni correlate alla puntura in tutto il mondo. Per rendere la procedura chirurgica più precisa e ridurre il tasso di complicanze legate alla foratura, il nostro team ha applicato un modello di guida di stampa tridimensionale al PVP per modificare la procedura tradizionale. Questo protocollo introduce come modellare i dati di imaging DICOM delle vertebre di destinazione in tre dimensioni nel software, come simulare il funzionamento in questo modello 3D e come utilizzare tutti i dati chirurgici per ricostruire un modello specifico del paziente per l'applicazione. Utilizzando questo modello, i chirurghi possono identificare con precisione i punti di foratura adatti per migliorare l'accuratezza dell'operazione. L'intero protocollo comprende: 1) diagnosi della frattura osteoporotica di compressione vertebrale; 2) acquisizione dell'imaging TC della vertebra bersaglio; 3) simulazione dell'operazione nel software; 4) progettazione e fabbricazione del modello di guida alla stampa 3D; e 5) l'applicazione del modello in una procedura operativa.
Introduction
Poiché la frattura di tipo più comune tra tutti i tipi di fratture osteoporotiche, la frattura della compressione vertebrale osteoporotica (OVCF) è un problema clinico molto preoccupante al giorno d'oggi. Come raccomandano le attuali linee guida, la vertebroplastica percutanea è uno dei metodi minimamente invasivi più efficaci per trattare clinicamente le fratture da compressione vertebrale osteoporotica1.
Tradizionalmente, i chirurghi eseguono vertebroplastica percutanea guidata da un fluoroscopio a braccio C per trattare una frattura da compressione vertebrale per ripristinare il corpo vertebrale compresso e alleviare il dolore allo stadio iniziale2. Anche i chirurghi esperti commettono errori nel confermare punti di foratura adatti semplicemente basandosi sulla loro esperienza personale. Questa operazione potrebbe causare alcune complicazioni legate alla puntura (ad esempio, perdite di cemento nei tessuti circostanti, lesioni della radice nervosa, ematoma intraspinale, ecc.3,4,5); inoltre, quasi il 50% dei pazienti ha complicazioni locali da PVP tradizionale con il 95% delle complicazioni provenienti da perdite di cemento nel tessuto circostante o embolizzazione delle vene paravertebrali6. Con l'emergere di un intervento chirurgico di precisione, un modello di guida stampa 3D è stato utilizzato in molte operazioni di chirurgia spinale7 perché può migliorare la precisione procedurale, riducendo le difficoltà e riducendo al minimo i rischi operativi. Qui, applichiamo un modello di guida di stampa 3D nel PVP per rendere la procedura chirurgica più precisa e per ridurre il tasso di complicanze legate alla foratura. Rispetto al metodo tradizionale, le operazioni assistite dal modello di guida alla stampa 3D hanno 1) una maggiore precisione della puntura chirurgica, 2) hanno ridotto al minimo l'esposizione alle radiazioni durante l'operazione, 3) hanno ridotto il tempo della procedura chirurgica e 4) hanno ridotto il probabilità di complicanze legate alla puntura.
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Protocol
Il presente studio è stato approvato dal comitato etico dell'Ospedale dell'Amicizia di Pechino Capital Medical University.
1. Diagnosi della frattura osteoporotica di compressione vertebrale (OVCF) mediante fluoroscopia a raggi X, immagine a risonanza magnetica (RM), scintigrafia ossea e sintomi
- Identificare i pazienti che hanno OVCF da pazienti più anziani con mal di schiena, tenerezza nel processo spinoso, muscoli paraspinali alla schiena, ecc.
- Utilizzare la fluoroscopia a raggi X posterioanteriore per verificare se il paziente ha una frattura da compressione vertebrale.
- Utilizzare una risonanza magnetica per diagnosticare se un paziente ha una frattura da compressione vertebrale di nuova esordio e determinare il bersaglio delle vertebre compresse. Per i pazienti che non possono sottoporsi alla risonanza magnetica, utilizzare la scintigrafia ossea.
- Ordinare il trattamento PVP per il paziente che ha una frattura acuta di compressione vertebrale e registrare il punteggio Visual Analogue Scale (VAS) e Oawestry Disability Index (ODI)8.
NOTA: Ci sono alcuni criteri per l'inclusione: 1) paziente fratturato vertebrale se ha storia di un trauma a bassa energia o no; 2) nessuna storia o prova di malattia metabolica ossea o cancro; 3) Punteggio VAS - 7; 4) diagnosi come frattura vertebrale da raggi X, risonanza magnetica o scintigrafia ossea.
2. Localizzazione preoperatoria della vertebra bersaglio
- Prima dell'operazione, condurre la tomografia computerizzata sul paziente con tre marcatori radiopaocchi posizionati nella linea mediana della pelle posteriore del paziente a livello vertebrale compresso. Mentre si preme la parte più dolorosa, confermare l'area di destinazione con la fluoroscopia a raggi X e un esame fisico sulla schiena del paziente.
- Prima della tomografia computerizzata incline, mettere un gradienter sulla schiena del paziente appena inferiore ai marcatori fissi. Registrare la posizione del corpo del paziente e quindi rimuoverlo. Chiedi al paziente di rimanere nella stessa posizione durante l'intervento chirurgico.
- Salvare le immagini CT (1 mm di spessore del livello di scansione, spaziatura del livello di 1 mm e 90 sezioni (scansione convenzionale) o 400 sezioni (scansione a fette sottili) in formato DICOM. Mettere un batuffolo di cotone sulla schiena del paziente per assicurarsi che i marcatori rimangano fino all'operazione.
3. Simulazione della procedura di vertebroplastica percutanea nel software informatico
- Esportare le immagini CT in formato DICOM nel software di elaborazione di imaging medicale (ad esempio, MIMICS) e selezionare le fette di destinazione per ricostruire la vertebra compressa.
- Selezionare Segmentazione soglia per regolare l'intervallo di soglia per la vertebra di destinazione da 125-3071H e creare una maschera. Premete Duplica maschera per creare due maschere: Maschera A e Maschera B.
- Fate clic su Modifica maschera (Mask Edit) per cancellare la vertebra di destinazione nella Maschera A. Quindi fate clic su Operazioni booleane per formare una nuova maschera C utilizzando la maschera B per meno Maschera A. Premete Calcola 3D dalla maschera per ricostruire la vertebra di destinazione.
- Simulare il PVP tramite un approccio transpedicolare bilaterale nel software. In primo luogo, definire il cilindro Medcad nel software come modello di ago di puntura. Definire i cilindri con la stessa lunghezza e la stessa distanza dell'ago di puntura (una lunghezza di 125 mm e un raggio di 1,25 mm).
- Simulare il punto di ingresso, l'angolo di ingresso (angolo di inclinazione della testa e orientamento dell'angolo di rapimento) e la profondità dell'ago di foratura per un PVP reale con le viste 3D della vertebra di destinazione.
- Regolare gli aghi di foratura nella sua posizione ideale utilizzando la funzione Sposta e ruota. Mantenere le traiettorie degli aghi coerenti con questi principi: 1) gli aghi di puntura possono estrapolare attraverso il pedicolo, preferibilmente nella sua metà superiore; 2) la posizione ideale delle punte è nel punto all'interno del corpo vertebrale anteriore sulla vista laterale.
4. Modello guida di stampa tridimensionale
- Salva tutti i dati del modello 3D e inviali in formato MCS a una società di stampa tridimensionale.
- Convertire i dati in formato MCS in un formato STL e progettare il modello utilizzando il software. Ricostruire la base, che deve aggrapparsi alla pelle posteriore del paziente, ricostruire il canale di traiettoria in base a tutti i parametri, compresi i punti di ingresso della pelle, gli angoli di ingresso e la profondità della traiettoria dei due aghi, stampare due stessi modelli per l'operazione .
NOTA: Il modello guida è fatto di acido polilattico, che può essere sterilizzato e da disinfezione del vapore a bassa temperatura.
5. Applicazione del modello di guida alla stampa tridimensionale per assistere l'operazione PVP reale
- Rendere il paziente soggetto alla tabella delle operazioni come per la scansione TC in conformità con la registrazione gradienter. Misurare la distanza dei tre marcatori radiopaque e disegnare il contorno dei tre marcatori in modo che corrisponda al modello con la posizione di destinazione.
- Abbina un modello di skin con il contorno della pelle. Inserire e premere due tamponi attraverso le traiettorie dell'ago sul modello per contrassegnare i punti di inserimento sulla pelle. Quindi rimuovere il modello e disegnare i punti come punto A e B.
- Rimuovere il modello e disinfettare la pelle. Drappo l'area e mettere le punte di due aghi di puntura ai punti di inserimento (punto A e B). Quindi, utilizzare la vista anteroposteriore della fluoroscopia a braccio C per confermare se i punti di foratura determinati dal modello sono fattibili.
- Dare al paziente l'anestesia locale iniettando una miscela di 5 mL di 1% lidocaina e 1% ropavicaine ad ogni punto di puntura. Fissare un altro modello sterilizzato sulla schiena del paziente da pellicola sterilizzata.
- Toccare leggermente i due aghi nella vertebra di destinazione tramite inserimenti attraverso i cilindri guida del modello. Verificare con il fluoroscopio a braccio C che le traiettorie siano adatte per l'inserimento. Assicurarsi che la punteggiatura sia all'interno dei montanti e quindi toccare gli aghi per avanzare ulteriormente fino alla fine della traiettoria.
- Quando tutti gli aghi sono completamente inseriti nei cilindri guida, verificare con il fluoroscopio c-braccio che le punte degli aghi abbiano raggiunto la loro posizione ideale.
- Iniettare il cemento osseo nel corpo vertebrale attraverso gli aghi. Iniettare 2 mL di cemento osseo attraverso ogni traiettoria per un totale di 4 mL di cemento osseo alla vertebra.
- Infine, utilizzare la fluoroscopia per controllare la distribuzione del cemento osseo all'interno del corpo vertebrale da viste anteroposteriori e laterali. Stitch gli inserimenti.
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Representative Results
L'acquisizione di immagini TC e modellazione digitale è stata eseguita in ospedale, mentre la stampa 3D è stata eseguita in una società di stampa 3D. Sono stati necessari trenta minuti per ricostruire il modello 3D dalle immagini CT per la stampa 3D, e l'azienda di stampa 3D aveva bisogno di circa 6 ore per stampare 2 modelli di guida e inviarli all'ospedale.
Le immagini di pre-operazione della vertebra bersaglio del paziente sono state mostrate nella Figura 1 e Figura 2: raggi X (A1: Vista Posterioanterior; A2: Vista laterale); immagine di risonanza magnetica (A3: vista TIWI; A4: vista T2WI; A5: vista FS). La figura 3 illustra l'acquisizione di immagini TC, contrassegna le vertebre di destinazione e registra la posizione del corpo del paziente. Dal piano coronale (Figura 4A), il piano trasversale (Figura 4B) e il piano sagittale (Figura 4C), l'immagine vertebrale CT è stata ricostruita in un modello 3D (Figura 4D). La simulazione della procedura operativa PVP nel software di elaborazione delle immagini è illustrata nella Figura 5. Figura 6 presenta la lunghezza dei cilindri guida del modello e Figura 7 mostra le procedure per fabbricare il modello di guida. Nella figura 8 viene illustrata la formazione della base (Figura 8A), la formazione del cilindro guida (Figura 8B), il processo di produzione (Figura 8C) e il modello finale ( Figura 8D). Nella figura 9 vengono illustrati i passaggi operativi tipici.
Figura 1: Radiografia del paziente OVCF. Mostra le immagini a raggi X di pre-operazione della vertebra bersaglio del paziente. (A1: Vista Posterioanterior; A2: Vista laterale). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Risonanza magnetica del paziente OVCF. Mostra le immagini della risonanza magnetica pre-operatoria della vertebra bersaglio del paziente. (A3: Vista TIWI; A4: vista T2WI; A5: vista FS). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Localizzazione preoperatoria della vertebra bersaglio. Illustra l'acquisizione di immagini TC, la marcatura delle vertebre bersaglio e la registrazione della posizione del corpo del paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Ricostruzione della vertebra in MIMICS. Presenta il modello vertebra ricostruito dall'immagine vertebrale CT da (A) il piano coronale, (B) il piano trasversale, (C) il piano sagittale e (D) il modello 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Simulazione della procedura operativa PVP nel MIMICS. Mostra la simulazione della procedura operativa PVP nel MIMICS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Data dei cilindri guida del modello. Presenta la lunghezza dei cilindri guida del modello. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Le procedure di fabbricazione del modello di guida. Illustra i passaggi per fabbricare il modello, inclusa la ricostruzione della base e del canale di traiettoria. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Il modello di modello guida. Mostra (A) la formazione della base, (B) la formazione del cilindro guida, (C) il processo di produzione e (D) l'entità modello reale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: Passaggi operativi tipici. (A) Utilizzare il gradienter per garantire che il paziente si trova nella stessa posizione al momento dell'esecuzione della TC; (B) Abbinare un modello con la pelle per determinare i punti di foratura; (C) Punti di foratura finali; (D) Utilizzare gli aghi di foratura per controllare due volte i punti di foratura; (E) Fissare l'altro modello sterilizzato e inserire gli aghi; (F) Toccare gli aghi fino alla fine delle traiettorie; (G) Iniettare il cemento osseo bilateralmente attraverso gli aghi; (H) Fluoroscopio finale della distribuzione del cemento osseo all'interno del corpo vertebrale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La vertebroplastica percutanea (PVP) è considerata uno dei migliori metodi per trattare la frattura della compressione vertebrale osteoporotica9 a causa di alcuni vantaggi distinti: è minimamente invasiva; c'è meno sanguinamento, e il recupero è rapido. Il PVP tradizionale è guidato principalmente da un fluoroscopio a braccio c che richiede una fluoroscopia ripetuta per determinare punti di puntura sicuri e ideali, angoli di foratura e orientamenti, che aumenta il dosaggio delle radiazioni intraoperatorie e il tempo di funzionamento10 . Inoltre, il tasso di successo dell'operazione si basa principalmente sull'esperienza dei chirurghi. Tuttavia, esistono ancora tassi di errore dell'1,2%-15,7% e 0-7,42% di rioperatività, anche per operazioni assistite da un sistema di navigazione guidato da immagini11.
Un modello di guida 3D ha alcuni vantaggi per assistere nelle operazioni di inserimento della vite del pedicolo toracico e cervicale12,13,14. Il nostro team combina un modello di guida di stampa 3D con PVP. I risultati del nostro studio clinico randomizzato, non cieco e controllato mostrano che il modello offre molti vantaggi prima e durante le operazioni: maggiore precisione della foratura; riduzione al minimo del tempo chirurgico e dell'esposizione alle radiazioni; e le complicazioni legate alla puntura in diminuzione. Per i residenti medici con meno possibilità di eseguire l'operazione sui pazienti, il modello potrebbe accorciare la curva di apprendimento dell'operazione e aiutarli a trovare più facilmente i punti di foratura.
Inoltre, la nostra ricerca sui compiti clinici si concentra sull'applicazione di un modello di guida 3D in un segmento di pazienti OVCF. In futuro, applicheremo il modello di guida in complicati pazienti OVCF con osteoporosi grave, cifosi grave, scoliosi o vertebra fratturata multisegmento. Queste complesse operazioni OVCF richiedono scansioni multiple del fluoroscopio e hanno lunghi tempi operativi, anche per chirurghi esperti. L'applicazione del modello di guida 3D per questi casi offre un approccio di puntura più preciso e sicuro, riduce i tempi di funzionamento e riduce l'esposizione alle radiazioni.
Tuttavia, ci sono alcune limitazioni del modello di guida di stampa tridimensionale assistito vertebroplastica percutanea. È necessario del tempo per cogliere l'uso del software di imaging medicale. Durante la progettazione del modello, qualsiasi singolo errore fatto da chirurghi che non hanno familiarità con il software può portare a un intervento chirurgico senza successo. Quindi, questo metodo richiede che almeno un chirurgo del team abbia familiarità con l'utilizzo del software e le procedure operative. La progettazione preoperatoria della stampa di modelli e modelli aumenta i costi del paziente e il carico di lavoro del chirurgo. A volte, il modello diventa leggermente deformato dopo la sterilizzazione, che influisce sul perfetto attaccamento del modello alla pelle posteriore del paziente e sulla precisione della foratura. Pertanto, il nostro team sta cercando materiali alternativi per la fabbricazione di modelli che non si deformino dopo la sterilizzazione.
Collettivamente, la vertebroplastica percutanea percutanea assistita di un modello di guida percutanea di stampa 3D potrebbe aiutare i chirurghi a visualizzare in modo completo la vertebra fratturata e a sviluppare un piano chirurgico individualizzato per il paziente. Contribuisce alla precisione della puntura durante la procedura e riduce le complicazioni legate alla puntura. Riduce al minimo il tempo chirurgico e l'esposizione alle radiazioni, accorciando il processo di apprendimento PVP per i giovani chirurghi.
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Disclosures
Gli autori non hanno alcun conflitto di interessi per quanto riguarda eventuali farmaci, materiali o dispositivi descritti in questo studio.
Acknowledgments
Lo studio è stato finanziato dalla Commissione Per la Scienza e la Tecnologia Municipale di Pechino (N. 181100001718078), Cina.
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
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