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Medicine

3차원 인쇄 가이드 템플릿 보조 경피적 척추 성형술 (PVP)

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

Summary

본 명세서에서, 우리는 경피성 척추성형술에 대한 3차원 프린팅 가이드 템플릿을 제시한다. T11 척추 압박 골절을 가진 환자는 사례 연구로 선택되었습니다.

Abstract

경피적 척추 성형술 (PVP)은 골다공증 척추 압박 골절로 인한 허리 통증에 대한 효과적인 치료법으로 간주됩니다. PVP의 정확도는 주로 전통적인 절차 도중 군의관의 경험 및 다중 형광경에 달려 있습니다. 펑크 관련 합병증은 전 세계적으로 보고되었다. 수술 절차를 보다 정밀하게 만들고 펑크 관련 합병증의 속도를 줄이기 위해 우리 팀은 PVP에 3차원 인쇄 가이드 템플릿을 적용하여 전통적인 절차를 수정했습니다. 이 프로토콜은 대상 척추 DICOM 이미징 데이터를 소프트웨어의 3차원으로 모델링하는 방법, 이 3차원 모델에서 작동을 시뮬레이션하는 방법 및 모든 수술 데이터를 사용하여 응용을 위해 환자 특정 템플릿을 재구성하는 방법을 소개합니다. 이 템플릿을 사용하여 외과 의사는 수술의 정확성을 향상시키기 위해 적절한 펑크 지점을 정확하게 식별 할 수 있습니다. 전체 프로토콜은 다음을 포함한다: 1) 골다공증 척추 압박 골절의 진단; 2) 표적 척추의 CT 이미징획득; 3) 소프트웨어에서의 작동 시뮬레이션; 4) 3D 프린팅 가이드 템플릿의 설계 및 제작; 및 5) 작업 절차에 템플릿을 적용합니다.

Introduction

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골다공증 골절의 모든 종류 중 가장 일반적인 유형 골절로, 골다공증 척추 압축 골절 (OVCF)은 요즘 임상 문제에 관한 매우 우려하고있다. 현재 지침에서 권장하는 바와 같이, 경피적 척추 성형술은 골다공증 척추 압박 골절을 임상적으로 치료하는 가장 효과적인 최소 침습 적 방법 중 하나입니다1.

전통적으로 외과 의사는 C 팔 형광경에 의해 유도 된 경피 적 척추 성형술을 수행하여 척추 압박 골절을 치료하여 압축 된 척추 신체를 복원하고 초기 단계 통증을완화시2. 숙련 된 외과 의사조차도 개인적인 경험에 의존하여 적절한 구멍점을 확인하는 실수를합니다. 이 수술은 일부 펑크 관련 합병증 (예를 들어, 주변 조직으로시멘트 누출, 신경 근 손상, 척추 내 혈종 등3,4,5); 또한, 환자의 거의 50 %는 주변 조직으로 시멘트 누출 또는 파라 척추 정맥의 색전술에서 오는 합병증의 95 %와 기존의 PVP에서 국소 합병증이6. 정밀 수술의 출현과 함께, 3D 인쇄 가이드 템플릿은 절차 적 정확성을 향상시킬 수 있기 때문에 많은 척추 수술 작업에 사용되어왔다7, 어려움을 감소시키고 운영 위험을 최소화. 여기서는 3D 프린팅 가이드 템플릿을 PVP에 적용하여 수술 절차를 보다 정확하게 하고 펑크 관련 합병증의 속도를 줄입니다. 전통적인 방법과 비교하여, 3D 프린팅 가이드 템플릿에 의해 보조되는 수술은 1) 수술 용 천자 정확도를 증가시키고, 2) 수술 중 방사선 노출을 최소화하고, 3) 수술 시간 단축, 4) 감소 펑크 관련 합병증의 확률.

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Protocol

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본 연구는 베이징 우정 병원 자본 의과 대학의 윤리위원회에 의해 승인되었다.

1. X선 형광투광, 자기공명영상(MRI), 골신낭술 및 증상에 의한 골다공증 척추압박골절(OVCF) 진단

  1. 요통, 가시성 과정의 부드러움, 등뒤의 척추 근육 등을 가진 노인 환자에 의해 OVCF가있는 환자를 식별합니다.
  2. 후경 엑스레이 형광투시경을 사용하여 환자가 척추 압박 골절이 있는지 확인하십시오.
  3. MRI를 사용하여 환자가 새로 발병한 척추 압박 골절이 있는지 여부를 진단하고 표적 압축 척추를 결정합니다. MRI를 받을 수 없는 환자의 경우 뼈 신티그래피를 사용하십시오.
  4. 급성 척추 압박 골절을 가진 환자에 대한 PVP 치료를 주문하고 시각 아날로그 척도 (VAS) 점수 및 Oawestry 장애 지수 (ODI)8을기록합니다.
    참고 : 포함을위한 몇 가지 기준이 있습니다 : 1) 척추 골절 환자는 저에너지 외상의 병력이 있는지 여부; 2) 대사성 뼈 질환 또는 암의 병력 또는 증거가 없음; 3) VAS 점수 ≥ 7; 4) X 선, MRI 또는 뼈 신티 그래피에 의한 척추 골절로 진단.

2. 대상 척추의 수술 전 지역화

  1. 수술 전에 압축 된 척추 수준에서 환자의 등 피부의 중간 선에 배치 된 3 개의 방사선 검사 마커를 가진 환자에게 경향이있는 컴퓨터 단층 촬영을 수행하십시오. 가장 고통스러운 부분을 누르는 동안 X 선 형광 투시 검사와 환자의 등에 대한 신체 검사를 통해 대상 부위를 확인하십시오.
  2. 경향이 컴퓨터 단층 촬영 스캔하기 전에, 고정 마커에 단지 열등 환자의 뒷면에 그라디엔터를 넣어. 환자의 신체 위치를 기록한 다음 제거합니다. 수술 중 환자가 같은 위치에 머무르게 하십시오.
  3. CT 이미지(1mm 스캐닝 레이어 두께, 1mm 레이어 간격 및 90개의 슬라이스(기존 스캐닝) 또는 400개의 슬라이스(얇은 슬라이스 스캐닝)를 DICOM 형식으로 저장합니다. 수술 때까지 마커가 남아 있는지 확인하기 위해 환자의 등에 면 패드를 놓습니다.

3. 컴퓨터 소프트웨어의 경피적 척추 성형술 절차 시뮬레이션

  1. DICOM 형식으로 CT 이미지를 의료 영상 처리 소프트웨어(예: MIMICS)로 내보내고 대상 조각을 선택하여 압축된 척추를 재구성합니다.
  2. 임계값 세분화를 선택하여 대상 척추의 임계값 범위를 125-3071H에서 조정하고 마스크를 만듭니다. 중복 마스크를 눌러 마스크 A와 마스크 B의 두 개의 마스크를 만듭니다.
  3. 마스크 편집을 클릭하여 마스크 A에서 대상 척추를 지웁습니다. 그런 다음 부울 연산을 클릭하여 마스크 B를 사용하여 마스크 A. 마스크에서 3D를 계산하여 대상 척추를 재구성하여 새 마스크 C를 형성합니다.
  4. 소프트웨어의 양측 간편 한 transpedicular 접근 방식을 통해 PVP를 시뮬레이션합니다. 먼저 소프트웨어의 Medcad 실린더를 펑크 바늘 모델로 정의합니다. 실린더를 펑크 바늘과 동일한 길이 및 반지름으로 정의합니다(길이 125mm, 반지름 1.25mm).
  5. 대상 척추의 3D 뷰를 사용하여 실제 PVP에 대한 진입점, 진입각(헤드 경사각 및 납치 각도 방향) 및 펑크 바늘 깊이를 시뮬레이션합니다.
  6. 이동 및 회전 기능을 사용하여 펑크 바늘을 이상적인 위치로 조정합니다. 이러한 원칙과 일치 바늘 궤적을 유지 : 1) 천자 바늘은 페디클을 통해 추정 할 수 있습니다, 바람직하게는 우수한 절반; 2) 팁의 이상적인 위치는 측면 보기에 척추 몸의 3 분의 1 의 전방 내 지점에 있습니다.

4. 3 차원 인쇄 가이드 템플릿

  1. 모든 3D 템플릿 데이터를 저장하고 MCS 형식으로 3차원 인쇄 회사에 보냅니다.
  2. MCS 형식 데이터를 STL 형식으로 변환하고 소프트웨어를 사용하여 템플릿을 디자인합니다. 환자의 등 피부에 달라 붙어야하는 베이스를 재구성하고 피부 진입점, 진입각 및 두 바늘궤적궤의 깊이를 포함한 모든 매개 변수에 따라 궤적 운하를 재구성하고 작업을 위해 두 개의 동일한 템플릿을 인쇄합니다. .
    참고 : 가이드 템플릿은 살균 및 저온 증기 소독에 의해 살균 될 수있는 폴리 락티산으로 만들어집니다.

5. 실제 PVP 작업을 지원하기 위해 3 차원 인쇄 가이드 템플릿적용

  1. 환자가 수술 테이블에 거짓말을 하기 위해 그라디엔터 기록에 따라 CT 스캐닝을 한다. 3개의 방사성 파사성 마커의 거리를 측정하고 세 마커의 윤곽선을 그려 서식파일을 대상 위치와 일치시다.
  2. 스킨 윤곽선과 함께 스킨 템플릿을 일치시다. 템플릿에 바늘궤를 통해 두 면봉을 삽입하고 눌러 피부에 삽입점을 표시합니다. 그런 다음 템플릿을 제거하고 점 A와 B로 점을 그립니다.
  3. 템플릿을 제거하고 피부를 소독합니다. 영역을 드레이프하고 삽입 점 (포인트 A와 B)에 두 개의 펑크 바늘의 끝을 넣습니다. 그런 다음 C-arm 형광 투시경의 전방 보기를 사용하여 템플릿에 의해 결정된 펑크 점이 가능한지 확인합니다.
  4. 각 펑크 지점에서 1 % 리도카인과 1 % 로파비카인의 5 mL 혼합물을 주입하여 환자에게 국소 마취를 제공합니다. 살균 필름으로 환자의 등에 또 다른 멸균 된 템플릿을 수정하십시오.
  5. 템플릿의 가이딩 실린더를 통해 삽입을 통해 대상 척추에 두 개의 바늘을 약간 누릅니다. C-arm 형광경으로 궤적이 삽입에 적합한지 확인합니다. 문장 부호가 페디클 내에 있는지 확인한 다음 바늘을 탭하여 궤적이 끝날 때까지 더 진행합니다.
  6. 전체 바늘이 가이딩 실린더에 완전히 삽입되면 C-arm 형광경으로 바늘 팁이 이상적인 위치에 도달했는지 확인하십시오.
  7. 바늘을 통해 척추 몸에 뼈 시멘트를 주입. 척추에 총 4 mL의 뼈 시멘트에 대한 각 궤적을 통해 뼈 시멘트의 2 mL를 주입합니다.
  8. 마지막으로, 형광 투시경을 사용하여 척추 체 내의 뼈 시멘트 분포를 전후 및 측면 보기에 의해 확인하십시오. 삽입을 스티치합니다.

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Representative Results

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CT 이미지 획득과 디지털 모델링은 병원에서 수행되었으며 3D 프린팅 회사에서는 3D 프린팅을 수행했습니다. 3D 프린팅을 위해 CT 이미지에서 3D 모델을 재구성하는 데 30분이 필요했고, 3D 프린팅 회사는 가이드 템플릿 2개 인쇄를 위해 약 6시간이 필요했습니다.

환자의 표적 척추의 사전 수술 이미지는 도 1 및 도 2: X선(A1: 후방전도) 및 도 2에나타내었으며; A2: 측면 보기); 자기 공명 이미지 (A3 : TIWI보기; A4: T2WI 뷰; A5: FS 보기). 도 3은 CT 이미지의 획득을 도시하고, 표적 척추를 표시하고, 환자의 신체 위치를 기록한다. 관상면(도4A),횡평면(도4B)및 시상평면(도4C)으로부터CT 척추 영상을 3D 모델로 재구성하였다(도4D). 이미지 프로세싱 소프트웨어에서 PVP 작동 절차의 시뮬레이션은 그림 5에나와 있습니다. 그림 6은 템플릿의 가이딩 실린더 의 길이를 나타내고 그림 7은 가이드 템플릿을 제작하는 절차를 보여 주며 그림 7은 설명서를 제작하는 절차를 보여줍니다. 도 8은 베이스의 형성을 도시한다(도8A),가이딩 실린더의 형성(도8B),제조 공정(도8C),및 최종 템플릿( 그림 8D). 그림 9는 일반적인 동작 단계를 보여줍니다.

Figure 1
그림 1: OVCF 환자의 엑스레이. 환자의 표적 척추의 수술 전 X선 이미지를 나타낸다. (A1: 후방 보기; A2: 측면 보기). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
도 2: OVCF 환자의 MRI. 환자의 표적 척추의 수술 전 MRI 영상을 나타낸다. (A3: TIWI 보기; A4: T2WI 뷰; A5: FS 보기). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 표적 척추의 수술 전 지역화. CT 이미지의 획득, 표적 척추의 표시 및 환자의 신체 위치 기록을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4 : 모방척추의 재건. (A)관상평면,(B)횡평면,(C)시상평면 및(D)3-D 모델로부터 CT 척추 이미지로부터 재구성된 척추 모델을 제시한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 모방에서 PVP 작동 절차 시뮬레이션. MIMICS에서 PVP 작동 절차의 시뮬레이션을 표시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 템플릿의 가이딩 실린더 날짜입니다. 템플릿의 가이딩 실린더 의 길이를 제시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: 가이드 템플릿을 제작하는 절차입니다. 베이스 및 궤적 운하 재구성을 포함하여 템플릿을 제작하는 단계를 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 8
그림 8: 안내 템플릿의 모델입니다. 표시(A)기재의 형성,(B)가이딩 실린더의 형성,(C)제조 공정 및(D)실제 템플릿 개체. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 9
그림 9: 일반적인 작업 단계입니다. (a)CT가 수행되었을 때 환자가 동일한 위치에 있는지 확인하기 위해 그라디엔터를 사용; (B)하나의 템플릿을 스킨과 일치하여 펑크 지점을 결정합니다. (C)최종 펑크 포인트; (D)펑크 바늘을 사용하여 펑크 포인트를 다시 확인하십시오. (e)다른 살균 된 템플릿을 수정하고 바늘을 삽입; (F)바늘을 궤적 끝까지 탭합니다. (G)바늘을 통해 양자간 뼈 시멘트를 주입; (H)척추체 내 의 뼈 시멘트 분포의 최종 형광경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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경피적 척추 성형술 (PVP)은 몇 가지 뚜렷한 장점으로 인해 골다공증 척추 압박 골절9를 치료하는 가장 좋은 방법 중 하나로 간주됩니다 : 최소 침습적입니다. 출혈이 적고 회복이 빠를 수 있습니다. 전통적인 PVP는 주로 안전하고 이상적인 펑크 점, 펑크 각도 및 방향을 결정하기 위해 반복형 투시경을 필요로하는 C 팔 형광경에 의해 유도되며, 이는 수술 중 방사선 투여량과 작동 시간을 증가시킵니다10 . 또한 수술성공률은 주로 외과 의사의 경험에 의존합니다. 다만, 영상안내네비11의 보조조작에 대해서도 여전히 1.2%~15.7%의 오차율과 0~7.42%의 재작동률이 존재한다.

3D 가이드 템플릿은 흉부 및 자궁 경부 페디클 나사 삽입 작업12,13,14에서보조하기위한 몇 가지 장점이 있습니다. 우리 팀은 PVP와 3D 인쇄 가이드 템플릿을 결합합니다. 우리의 무작위, 비 맹목적인, 통제 된 임상 연구의 결과는 템플릿이 수술 전과 수술 중에 많은 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다: 증가 된 펑크 정밀도; 최소화 수술 시간 및 방사선 노출; 펑크 관련 합병증이 줄어듭니다. 환자에 대한 수술을 수행 할 기회가 적은 의료 거주자의 경우 템플릿은 수술의 학습 곡선을 단축하고 펑크 포인트를 쉽게 찾을 수 있도록 도와줍니다.

또한, 우리의 임상 과제 연구는 한 세그먼트 OVCF 환자에 3-D 가이드 템플릿을 적용하는 데 중점을 둡니다. 미래에는 중증 골다공증, 심한 척추 만조 증 또는 다구간 골절 척추를 가진 복잡한 OVCF 환자에게 가이드 템플릿을 적용할 것입니다. 이러한 복잡한 OVCF 수술은 여러 번의 형광경 검사를 필요로 하며 숙련된 외과 의사에게도 긴 수술 시간이 필요합니다. 이러한 경우에 3D 가이드 템플릿을 적용하면 보다 정확하고 안전한 펑크 접근 방식을 제공하고 작동 시간을 단축하며 방사선 노출을 줄일 수 있습니다.

그러나, 3차원 프린팅 가이드 템플릿보조경피적 척추성형술의 몇 가지 한계가 있다. 의료 영상 소프트웨어의 사용을 파악하는 데 시간이 필요합니다. 템플릿 디자인 중에 소프트웨어에 익숙하지 않은 외과 의사가 저지른 단일 실수는 수술에 실패할 수 있습니다. 따라서 이 방법을 사용하려면 팀에서 적어도 한 명의 외과 의사가 소프트웨어 사용과 수술 절차에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 템플릿 및 템플릿 인쇄의 수술 전 디자인은 환자 비용과 외과 의사의 작업 부하를 증가시게합니다. 때로는 살균 후 템플릿이 약간 변형되어 환자의 등 피부와 펑크 정확도에 템플릿을 완벽하게 부착하는 데 영향을 미칩니다. 따라서 우리 팀은 살균 후 변형되지 않는 템플릿 제작을위한 대체 재료를 찾고 있습니다.

총체적으로, 3D 인쇄 가이드 템플릿 지원 경피적 척추 성형술은 외과 의사가 골절 된 척추를 포괄적으로 시각화하고 환자를위한 개별 수술 계획을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그것은 절차 도중 펑크 정확도에 기여하고 펑크 관련 합병증을 감소시입니다. 그것은 젊은 외과 의사에 대한 PVP 학습 과정을 단축하면서 수술 시간과 방사선 노출을 최소화합니다.

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Disclosures

저자는 이 연구에 기술된 약물, 재료 또는 장치에 관한 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgments

이 연구는 중국 베이징시 과학기술위원회(No.Z1811000001718078)의 지원을 받았습니다.

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

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