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Medicine

3次元印刷ガイドテンプレートアシスト経皮椎形成術(PVP)

doi: 10.3791/60010 Published: October 17, 2019
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Summary

本明細書では、経皮性脊椎形成術のための3次元印刷ガイドテンプレートを提示する。T11椎体圧迫骨折を持つ患者を症例研究として選択した。

Abstract

経皮性椎体形成術(PVP)は、骨粗鬆症椎体圧迫骨折によって引き起こされる背中の痛みに対する有効な治療法と考えられている。PVPの正確さは主に従来のプロシージャの間に外科医の経験および複数の蛍視鏡に依存する。穿刺関連合併症は世界中で報告された。外科的処置をより正確にし、穿刺関連の合併症の割合を減らすには、我々のチームは、従来の手順を変更するためにPVPに3次元印刷ガイドテンプレートを適用しました。このプロトコルでは、ターゲット椎体DICOMイメージングデータをソフトウェアの3次元にモデル化する方法、この3Dモデルでの動作をシミュレートする方法、およびすべての外科データを使用して患者固有のアプリケーションテンプレートを再構築する方法を紹介します。このテンプレートを使用して、外科医は操作の正確さを改善するために適切な穿刺ポイントを正確に識別できる。全体のプロトコルが含まれています: 1) 骨粗鬆症椎体圧迫骨折の診断;2)標的椎骨のCTイメージングの取得;3)ソフトウェアでの操作のシミュレーション;4)3D印刷ガイドテンプレートの設計と製造。そして5)操作手順にテンプレートの適用。

Introduction

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骨粗鬆症骨折のすべての種類の中で最も一般的なタイプ骨折として、骨粗鬆症椎体圧迫骨折(OVCF)は、今日の臨床問題に非常に懸念されています。現在のガイドラインが推奨するように、経皮性椎形成術は、骨粗鬆症椎体圧迫骨折1を臨床的に治療する最も効果的な最小限に侵襲的な方法の1つである。

従来、外科医はC腕の蛍混視によって導かれた皮下脊椎形成術を行い、圧縮された椎体を回復させ、早期の痛みを和らげるために椎体圧迫骨折を治療する2。経験豊富な外科医でさえ、単に自分の経験に頼ることによって、適切な穿刺ポイントを確認するミスを犯します。この手術は、いくつかの穿刺関連の合併症を引き起こす可能性があります (例えば、周囲の組織へのセメント漏出, 神経根損傷, 脊髄内型腫など3,4,5);さらに、患者のほぼ50%は、周囲の組織へのセメント漏出または椎間板静脈の塞栓に起因する合併症の95%と従来のPVPからの局所合併症を有する6。精密手術の出現により、3D印刷ガイドテンプレートは、手続き精度を高め、困難を減らし、運用上のリスクを最小限に抑えることができるため、多くの脊椎手術7で使用されています。ここでは、3D印刷ガイドテンプレートをPVPに適用して、外科的処置をより正確にし、穿刺関連合併症の発生率を減少させる。従来の方法と比較して、3D印刷ガイドテンプレートによる手術は、1)外科的穿刺精度の向上、2)手術中の放射線被ば光量の最小化、3)手術手順時間の短縮、および4)を減少させた。穿刺関連合併症の確率。

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Protocol

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本研究は、北京友好病院首都医科大学の倫理委員会によって承認された。

1. X線透視検査による骨粗鬆症椎体圧迫骨折(OVCF)の診断、磁気共鳴画像(MRI)、骨シンチグラフィー、症状

  1. 背中の痛みを持つ高齢患者によってOVCFを有する患者を特定します, 脊椎プロセスの圧痛, 背中の副脊髄筋, など.
  2. 後部X線透視鏡検査を使用して、患者が椎体圧迫骨折を有するかどうかを確認する。
  3. MRIを使用して、患者が新たに発症した椎体圧迫骨折を有するかどうかを診断し、標的圧縮椎骨を決定する。MRIを受けることができない患者のために、骨シンチグラフィーを使用してください。
  4. 急性椎体圧迫骨折を有する患者に対してPVP治療を注文し、視覚アナログスケール(VAS)スコアとオーウェストリー障害指数(ODI)8を記録する。
    注:含めるためのいくつかの基準があります:1)低エネルギー外傷の歴史を持っているかどうかにかかわらず、脊椎骨折患者;2)代謝骨疾患や癌の歴史や証拠はありません。3)VASスコア≥ 7;4)X線、MRIまたは骨シンチグラフィーによる椎体骨折と診断する。

2. 標的椎骨の術前局在化

  1. 手術の前に、圧縮椎体レベルで患者の背中の皮膚の中間線に置かれた3つの放射線パキュールマーカーを持つ患者に対して、傾向のあるコンピュータ断層撮影を行う。最も痛みを伴う部分を押しながら、X線透視検査と患者の背中の身体検査によって対象領域を確認する。
  2. コンピュータ断層撮影スキャンを行う前に、固定マーカーよりちょうど劣る患者の背中にグラデーションを置きます。患者の体の位置を記録し、それを削除します。手術中に患者を同じ位置にとどめなさい。
  3. CT画像(1mmの走査層の厚さ、1mmの層間隔、および90スライス(従来のスキャン)または400スライス(薄いスライススキャン)をDICOM形式で保存します。患者の背中に綿のパッドを置き、手術までマーカーが残っていることを確認します。

3. コンピュータソフトウェアにおける下皮性椎体形成手順のシミュレーション

  1. CT画像をDICOM形式で医療用画像処理ソフトウェア(MIMICSなど)に書き出し、ターゲットスライスを選択して圧縮椎骨を再構築します。
  2. ターゲット椎骨のしきい値範囲を125 ~ 3071Hから調整し、マスクを作成するには、[しきい値セグメンテーション]を選択します。[マスクの複製]を押して、マスク A とマスク B の 2 つのマスクを作成します。
  3. マスク A のターゲット椎骨を消去するには、[マスク編集]をクリックします。次に、[ブール演算]をクリックして、マスク B を使用してマスク A をマイナスにして、マスクから 3Dを押してターゲット椎骨を再構築して、新しいマスク C を形成します。
  4. ソフトウェアの両側トランスペジキュラーアプローチを介してPVPをシミュレートします。まず、ソフトウェアのMedcad 円柱を穿刺針モデルとして定義します。円柱を穿刺針と同じ長さと半径(長さ 125 mm、半径 1.25 mm)として定義します。
  5. エントリ ポイント、エントリ角度(ヘッド傾斜角度と誘拐角度の向き)、およびターゲット椎骨の 3-D ビューを持つ実際の PVP の穿刺針の深さをシミュレートします。
  6. [移動と回転]機能を使用して、穿刺針を理想的な位置に調整します。これらの原理と一致する針の軌道を保つ:1)穿刺針は、好ましくは、その優れた半分で、ペディクルを通して外挿することができます。2)先端の理想的な位置は、横視野上の椎体の3分の1の前の点にある。

4. 3次元印刷ガイドテンプレート

  1. すべての 3D テンプレート データを保存し、MCS 形式で 3 次元印刷会社に送信します。
  2. MCS フォーマット データを STL 形式に変換し、ソフトウェアを使用してテンプレートを設計します。患者の背中の皮膚にしがみつく必要があるベースを再構築し、皮膚のエントリポイント、エントリ角度、2つの針の軌道の深さを含むすべてのパラメータに従って軌道運河を再構築し、操作のために2つの同じテンプレートを印刷します。.
    注:ガイドテンプレートは、殺菌し、低温蒸気消毒によってすることができるポリ乳酸から作られています。

5. 実際のPVP操作を支援する3次元印刷ガイドテンプレートを適用する

  1. グラデーションの記録に従ってCTスキャンのために患者が手術台の上に横たわりやすいようにする。3 つのラジオパキューマーカーの距離を測定し、テンプレートとターゲット位置に一致するように 3 つのマーカーのアウトラインを描画します。
  2. スキン テンプレートとスキン アウトラインを一致させます。テンプレート上の針の軌道を通して2つの綿棒を挿入し、押して、スキン上の挿入点をマークします。次に、テンプレートを削除し、ポイント A とポイント B として描画します。
  3. テンプレートを取り外し、皮膚を消毒します。領域をドレープし、挿入ポイント(ポイントAとB)に2本の刺し針の先端を置きます。次に、C腕透視検査の前視鏡を使用して、テンプレートによって決定された穿刺点が実現可能かどうかを確認する。
  4. 各穿刺点に1%リドカインと1%ロパビカインの5mL混合物を注入することにより、患者に局所麻酔を与える。殺菌フィルムによって患者の背中に別の殺菌されたテンプレートを修正します。
  5. テンプレートのガイド付きシリンダを通して挿入を介して、ターゲット椎骨に2本の針を少しタップします。軌道が挿入に適していることをCアームフルオロスコープで確認します。句読点がペディクル内にあることを確認し、針をタップして軌道の終わりまで進みます。
  6. 針全体がガイドシリンダーに完全に挿入されるとき、針の先端が理想的な位置に達したことをC腕のフルオロスコープで確認する。
  7. 脊椎体に骨セメントを注射し、針を通して。各軌道を介して2 mLの骨セメントを注入し、脊椎に合計4 mLの骨セメントを注入する。
  8. 最後に、蛍光鏡検査を使用して、前背部視と横のビューによって椎体体内の骨セメントの分布を確認します。挿入をステッチします。

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Representative Results

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病院ではCT画像の取得とデジタルモデリングを行い、3Dプリンティングは3D印刷会社で行いました。3DプリンティングのCT画像から3Dモデルを再構築するには30分が必要で、3D印刷会社はガイドテンプレート2枚を印刷して病院に送るのに約6時間かかりました。

患者の標的椎骨の手術前画像を図1および図2:X線(A1:後視表;A2: 横図)磁気共鳴画像(A3:TIWIビュー;A4: T2WI ビュー;A5:FSビュー)。図3は、CT画像の取得を示し、標的椎骨をマークし、患者の身体位置を記録する。コロナ平面(図4A)から、横面(図4B)と矢状面(図4C)から、CT椎骨像を3Dモデル(図4D)に再構成した。画像処理ソフトウェアにおけるPVP動作手順のシミュレーションを図5に示す。図 6はテンプレートのガイド付き円柱の長さを示し、図 7はガイド テンプレートを作成する手順を示しています。図8は、ベースの形成(図8A)、ガイドシリンダの形成(図8B)、製造工程(図8C)、および最終テンプレート(図8C)を示しています。図 8D)。図 9は、一般的な操作手順を示しています。

Figure 1
図1:OVCF患者のX線。患者の標的椎骨の手術前X線画像を示す。(A1: 後世の見解;A2:横図)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:OVCF患者のMRI。患者の標的椎骨の手術前MRI画像を示す。(A3: TIWI ビュー;A4: T2WI ビュー;A5:FSビュー)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:標的椎骨の術前局在化CT画像の取得、標的椎骨のマーキング、および患者の身体位置の記録を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:MIMICSにおける椎骨の再構成。(A)コロナ面、(B)横面、(C)矢状面および(D)3-DモデルからCT椎骨画像から再構成された椎骨モデルを提示する。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:MIMICSにおけるPVP動作手順のシミュレーションMIMICSでPVP操作手順のシミュレーションを示します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図 6: テンプレートのガイド付き円柱の日付。テンプレートのガイドシリンダの長さを表示します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: ガイド テンプレートを作成する手順。ベースと軌道運河の再構築を含む、テンプレートを製造する手順を示します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: ガイド テンプレートのモデル。(A)ベースの形成、(B)導きシリンダの形成、(C)製造プロセスおよび(D)実用テンプレートエンティティを示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: 一般的な操作手順。(A)グラデーションを使用して、CTの実行時に患者が同じ位置にあることを確認します。(B) 1 つのテンプレートをスキンと一致して、穿刺ポイントを決定します。(C) 最終的な穿刺ポイント;(D) 穿刺針を使用して穿刺ポイントを二重にチェックします。(E) 他の殺菌されたテンプレートを修正し、針を挿入します。(F)軌道の端に針をタップします。(G)骨セメントを針を介して両側に注入する。(H)椎体内の骨セメントの分布の最終蛍動視鏡。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

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Discussion

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経皮性椎体形成術(PVP)は、いくつかの明確な利点のために骨粗鬆症椎体圧迫骨折9を治療するための最良の方法の一つと考えられている:それは最小限に侵襲的である。出血が少なく、回復が速い。従来のPVPは、主にCアームの蛍光鏡によって導かれ、安全で理想的な穿刺点、穿刺角度、向きを決定するために繰り返し蛍光鏡検査を必要とし、術中放射線量と操作時間10を増加させます。.さらに、手術の成功率は主に外科医の経験に依存する。しかし、画像誘導ナビゲーションシステム11による操作であっても、誤差率は1.2%~15.7%、再稼働率は0~7.42%です。

3Dガイドテンプレートは、胸部および頸部のペディクルネジ挿入操作12、13、14を支援するためのいくつかの利点を有する。私たちのチームは、PVPと3D印刷ガイドテンプレートを組み合わせたものです。私たちの無作為化、非盲検、制御された臨床研究の結果は、テンプレートが操作の前と中に多くの利点を提供することを示しています:穿刺精度の増加;最小限の外科時間および放射線の露出;そして穿刺関連の合併症を減少させた。患者の操作を行う機会が少ない医療居住者のために、テンプレートは操作の学習曲線を短くし、穿刺ポイントを容易に見つけるのを助けることができる。

さらに、私たちの臨床タスク研究は、1つのセグメントOVCF患者に3Dガイドテンプレートを適用することに焦点を当てています。将来的には、重度の骨粗鬆症、重度の脊柱、脊柱側弯症または多重セグメント骨折椎骨を有する複雑なOVCF患者にガイドテンプレートを適用する予定です。これらの複雑なOVCF操作は複数の蛍視鏡スキャンを必要とし、経験豊富な外科医のために、長い操作時間を持っています。これらの場合に3Dガイドテンプレートを適用すると、より正確で安全な穿刺アプローチが提供され、操作時間が短縮され、放射線被曝量が減少します。

しかし、3次元印刷ガイドテンプレートは、経皮性椎体形成を支援するいくつかの制限があります。医療用画像ソフトウェアの使用を把握するには時間が必要です。テンプレートの設計中に、ソフトウェアに慣れていない外科医によって行われた単一のミスは、手術に失敗する可能性があります。したがって、この方法では、チーム内の少なくとも 1 人の外科医がソフトウェアの使用法と操作手順に精通している必要があります。テンプレートおよびテンプレート印刷の術前設計は忍耐強い費用および外科医の仕事量を高める。時には、テンプレートは、患者の背中の皮膚と穿刺精度にテンプレートの完全な添付ファイルに影響を与える殺菌後にわずかに変形します。そのため、私たちのチームは、殺菌後に変形しないテンプレート製造のための代替材料を求めています。

まとめて、3D印刷ガイドテンプレートは、切皮性脊椎形成を支援し、外科医が骨折した椎骨を包括的に視覚化し、患者のための個別の外科的計画を開発するのに役立ちます。これは、手順中に穿刺精度に貢献し、穿刺関連の合併症を減少させます。それは若い外科医のためのPVPの学習プロセスを短くしている間外科時間および放射線の露出を最小にする。

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Disclosures

著者は、本研究に記載されている薬物、材料、またはデバイスに関して利益相反を持っていません。

Acknowledgments

この研究は、中国の北京市科学技術委員会(No.Z181100001718078)によって資金提供された。

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

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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).
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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

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