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Medicine

Modelo de guia de impressão tridimensional assistida Vertebroplastia Percutânea (PVP)

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

Summary

Nisto, nós apresentamos um molde tridimensional do guia da impressão para vertebraplasty percutaneous. Um paciente com uma fratura da compressão T11 vertebral foi selecionado como um estudo de caso.

Abstract

A Vertebroplastia Percutânea (PVP) é considerada um tratamento efetivo para a dor nas costas causada por fratura de compressão vertebral osteoporótica. A precisão do PVP depende principalmente da experiência dos cirurgiões e de múltiplos fluoroscópios durante um procedimento tradicional. Complicações relacionadas à punção foram relatadas em todo o mundo. Para tornar o procedimento cirúrgico mais preciso e diminuir a taxa de complicações relacionadas à punção, nossa equipe aplicou um modelo de guia de impressão tridimensional para PVP para modificar o procedimento tradicional. Este protocolo introduz como modelar os dados da imagem latente das vértebras do alvo DICOM em três dimensões no software, como simular a operação neste modelo 3-D, e como usar todos os dados cirúrgicos para reconstruir um molde específico paciente para a aplicação. Usando este modelo, os cirurgiões podem identificar pontos de punção adequados com precisão para melhorar a precisão da operação. Todo o protocolo inclui: 1) diagnóstico da fratura por compressão vertebral osteoporótica; 2) aquisição de tomografia computadorizada da vértebra alvo; 3) simulação da operação no software; 4) projeto e fabricação do molde do guia da impressão 3-D; e 5) aplicação do modelo em um procedimento de operação.

Introduction

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Como a fratura a mais comum do tipo entre todos os tipos de fraturas osteoporóticas, a fratura de compressão vertebral osteoporóticas (ovcf) é altamente a respeito do problema clínico hoje em dia. Como as diretrizes atuais recomendam, a Vertebroplastia Percutânea é um dos métodos minimamente invasivos mais efetivos para tratar clinicamente as fraturas de compressão vertebral osteoporóticas1.

Tradicionalmente, os cirurgiões realizam Vertebroplastia Percutânea guiada por um fluoroscópio C-ARM para tratar uma fratura de compressão vertebral para restaurar o corpo vertebral comprimido e aliviar a dor no estágio inicial2. Mesmo cirurgiões experientes cometem erros na confirmação de pontos de punção adequados, simplesmente confiando em sua experiência pessoal. Esta operação pode causar algumas complicações relacionadas à punção (por exemplo, vazamento de cimento em tecidos circundantes, lesão da raiz nervosa, hematoma intra-espinhal, etc.3,4,5); Além disso, quase 50% dos pacientes apresentam complicações locais do PVP tradicional com 95% das complicações provenientes do vazamento de cimento no tecido circundante ou embolização das veias paravertebrais6. Com o surgimento da cirurgia de precisão, um modelo de guia de impressão 3-D tem sido usado em muitas operações de cirurgia da coluna vertebral7 porque pode aumentar a precisão processual, diminuindo as dificuldades e minimizando os riscos operacionais. Aqui, aplicamos um modelo de guia de impressão 3-D no PVP para tornar o procedimento cirúrgico mais preciso e diminuir a taxa de complicações relacionadas à punção. Comparado com o método tradicional, as operações assistidas pelo modelo de guia de impressão 3D têm 1) maior precisão da punção cirúrgica, 2) minimizaram a exposição à radiação durante a operação, 3) encurtaram o tempo de procedimento cirúrgico e 4) diminuíram a probabilidade de complicações relacionadas à punção.

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Protocol

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O presente estudo foi aprovado pelo Comitê de ética do Beijing Friendship hospital capital Medical University.

1. diagnóstico da fratura por compressão vertebral osteoporótica (OVCF) por fluoroscopia radiográfica, ressonância magnética (RM), cintilografia óssea e sintomas

  1. Identificar os pacientes que têm ovcf por pacientes mais velhos com dor nas costas, sensibilidade no processo espinhoso, músculos do paraspinal na parte traseira, etc.
  2. Use a fluoroscopia de raio X posterioanterior para verificar se o paciente tem fratura de compressão vertebral.
  3. Use um MRI ao diagnóstico se um paciente tem uma fratura de compressão vertebral recentemente do início, e determine as vértebras comprimidas alvo. Para pacientes que não podem sofrer a RM, use a cintilografia óssea.
  4. Encomende o tratamento PVP para o paciente que tem uma fratura de compressão vertebral aguda e registra o escore da escala visual analógica (EVA) e o índice de incapacidade de Oawestry (ODI)8.
    Nota: existem alguns critérios para inclusão: 1) vértebra fratura do paciente se ter história de um trauma de baixa energia ou não; 2) nenhuma história ou evidência de doença óssea metabólica ou câncer; 3) escore de VAS ≥ 7; 4) diagnóstico como fratura vertebral por radiografia, RM ou cintilografia óssea.

2. localização pré-operatória da vértebra alvo

  1. Antes da operação, conduza o tomography de computador propenso no paciente com os três marcadores radiopaque coloc no Midline da pele traseira do paciente a nível vertebral comprimido. Ao pressionar a parte a mais dolorosa, confirme a área do alvo pela fluoroscopia do raio x e por um exame físico na parte traseira do paciente.
  2. Antes da varredura propensa do tomography de computador, põr um gradienter na parte traseira do paciente apenas inferior aos marcadores fixos. Grave a posição do corpo do paciente e depois retire-a. Tenha o paciente permanecer na mesma posição durante a cirurgia.
  3. Salve as imagens de TC (1 mm de espessura da camada de digitalização, espaçamento de camada de 1 mm e 90 fatias (digitalização convencional) ou 400 fatias (digitalização de fatia fina) em um formato DICOM. Coloque uma almofada de algodão na parte de trás do paciente para garantir que os marcadores permanecem até a operação.

3. simulando o procedimento de Vertebroplastia Percutânea no software de computador

  1. Exporte as imagens do CT no formato de DICOM no software de processamento da imagem latente médica (por exemplo, MIMICS) e selecione as fatias do alvo para reconstruir a vértebra comprimida.
  2. Selecione segmentação de limite para ajustar o intervalo de limiar para a vértebra de destino de 125-3071h e criar uma máscara. Pressione duplicar máscara para fazer duas máscaras: máscara a e máscara B.
  3. Clique em Editar máscara para apagar a vértebra alvo na máscara a. Em seguida, clique em operações booleanas para formar uma nova máscara C usando a máscara B para menos máscara a. Pressione calcular 3D da máscara para reconstruir a vértebra alvo.
  4. Simule PVP através de uma abordagem transpedicular bilateral no software. Primeiro, defina o cilindro Medcad no software como o modelo de agulha de punção. Definir os cilindros como o mesmo comprimento e raio como a agulha de punção (um comprimento de 125 mm e um raio de 1,25 mm).
  5. Simule o ponto de entrada, o ângulo de entrada (ângulo de inclinação da cabeça e orientação do ângulo de abdução) e a profundidade da agulha de punção para um PVP real com as vistas 3-D da vértebra alvo.
  6. Ajuste as agulhas de punção na posição ideal utilizando a função mover e girar . Mantenha trajetórias da agulha consistentes com estes princípios: 1) as agulhas da punctura podem extrapolar através do pedículo, preferivelmente em sua metade superior; 2) a posição ideal das pontas está no ponto dentro do terço anterior do corpo vertebral na vista lateral.

4. molde tridimensional do guia da impressão

  1. Salve todos os dados do modelo 3D e envie-o no formato MCS para uma empresa de impressão tridimensional.
  2. Converta dados de formato MCS em um formato STL e projete o modelo usando software. Reconstruir a base, que deve agarrar-se à pele traseira do paciente, reconstruir o canal da trajetória de acordo com todos os parâmetros, incluindo pontos de entrada da pele, ângulos de entrada e a profundidade da trajetória das duas agulhas, imprima dois mesmos moldes para fora para a operação .
    Nota: o modelo do guia é feito do ácido polilático, que pode ser sterilized e pela desinfecção do vapor da baixa temperatura.

5. aplicando o modelo de guia tridimensional de impressão para ajudar a operação PVP real

  1. Faça a mentira paciente inclinada na tabela da operação como para a exploração do CT de acordo com o registro do gradienter. Meça a distância dos três marcadores radiopacos e desenhe o contorno dos três marcadores para corresponder ao modelo com o local de destino.
  2. Combine um modelo de capa junto com o contorno da pele. Insira e pressione dois cotonetes através das trajetórias da agulha no modelo para marcar os pontos de inserção na pele. Em seguida, remova o modelo e desenhe os pontos como o ponto A e B.
  3. Remova o modelo e desinfete a pele. Drape a área e põr as pontas de duas agulhas da punctura nos pontos de inserção (ponto A e B). Em seguida, use a visão ântero-posterior da fluoroscopia do braço C para confirmar se os pontos de punção determinados pelo modelo são viáveis.
  4. Dê a anestesia local do paciente injetando uma mistura de 5 mL de lidocaína a 1% e 1% de ropavicaína em cada ponto de punção. Fixar outro modelo esterilizado na parte de trás do paciente por película esterilizada.
  5. Bata as duas agulhas na vértebra alvo ligeiramente através de inserções através dos cilindros orientadores do modelo. Verifique com o fluoroscópio do C-braço que as trajetórias são apropriadas para a inserção. Certifique-se de que a pontuação está dentro dos pedículos e, em seguida, toque nas agulhas para avançar ainda mais até o final da trajetória.
  6. Quando as agulhas inteiras são inseridas completamente nos cilindros de guiamento, verifique com o fluoroscópio do C-braço que as pontas da agulha alcangaram sua posição ideal.
  7. Injete o cimento ósseo no corpo vertebral através das agulhas. Injete 2 mL de cimento ósseo através de cada trajetória para um total de 4 mL de cimento ósseo para a vértebra.
  8. Por fim, use a fluoroscopia para verificar a distribuição do cimento ósseo dentro do corpo vertebral por meio de vistas ântero-posteriores e laterais. Costurar as inserções.

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Representative Results

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A aquisição de imagens tomográficas e a modelagem digital foram realizadas no hospital, enquanto a impressão 3-D foi realizada em uma empresa de impressão 3D. Trinta minutos foram necessários para reconstruir o modelo 3-D das imagens de TC para a impressão 3D, e a empresa de impressão 3-D precisava de cerca de 6 horas para imprimir 2 modelos de guia e enviar para o hospital.

As imagens de pré-operação da vértebra-alvo do paciente foram mostradas na Figura 1 e Figura 2: radiografia (a1: visão posterioanterior; A2: vista lateral); imagem de ressonância magnética (a3: vista TIWI; A4: T2WI vista; A5: vista FS). A Figura 3 ilustra a aquisição de imagens tomográficas, marca as vértebras alvo e registra a posição do corpo do paciente. A partir do plano coronal(figura4a), do plano transversal (Figura4B) e do plano sagital (Figura 4C), a imagem da vértebra do TC foi reconstruída em modelo 3-d (Figura 4d). A simulação do procedimento de operação PVP no software de processamento de imagem é mostrada na Figura 5. A Figura 6 apresenta o comprimento dos cilindros orientadores do modelo e a Figura 7 mostra os procedimentos para fabricar o modelo de guia. A Figura 8 mostra a formação da base (Figura 8a),a formação do cilindro Orientador (Figura8B), o processo produtivo (Figura 8C) e o modelo final ( Figura 8D). A Figura 9 mostra as etapas de operação típicas.

Figure 1
Figura 1: radiografia do paciente OVCF. Mostra as imagens do raio X da pre-operação da vértebra do alvo do paciente. (A1: visão Posterioanterior; A2: vista lateral). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: RM do paciente com OVCF. Mostra a pré-operação de imagens de RM da vértebra alvo do paciente. (A3: vista TIWI; A4: T2WI vista; A5: vista FS). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: localização pré-operatória da vértebra alvo. Ilustra a aquisição de imagens tomográficas, a marcação das vértebras alvo e a gravação da posição corporal do paciente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: reconstrução da vértebra em MIMICS. Apresenta o modelo da vértebra reconstruída a partir da imagem da vértebra do TCde (a) o plano coronal, (B) o plano transversal, (C) o plano sagital e (D) o modelo 3-D. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: simulação do procedimento de operação PvP no MIMICS. Mostra a simulação do procedimento de operação PVP no MIMICS. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: data dos cilindros orientadores do modelo. Apresenta o comprimento dos cilindros orientadores do modelo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: os procedimentos de fabricar o modelo de guia. Ilustra as etapas para fabricar o modelo, incluindo a reconstrução da base e o canal de trajetória. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: o modelo do modelo orientador. Mostra (a) aformação da base, (B) a formação do cilindro orientador, (C) o processo de produção e (D) a entidade modelo real. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: etapas de operação típicas. (A) Use o gradienter para garantir que o paciente esteja na mesma posição quando a TC foi realizada; (B) combine um modelo com a pele para determinar os pontos de punção; C) pontos de punção final; D) utilizar as agulhas de punção para verificar os pontos de punção; (E) fixar o outro modelo esterilizado e inserir as agulhas; F) bata as agulhas até ao fim das trajetórias; G) injetar cimento ósseo bilateralmente através das agulhas; (H) fluoroscópio final da distribuição de cimento ósseo dentro do corpo vertebral. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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A Vertebroplastia Percutânea (PVP) é considerada um dos melhores métodos para tratar a fratura de compressão vertebral osteoporótica9 devido a algumas vantagens distintas: é minimamente invasiva; Há menos sangramento, e a recuperação é rápida. O PVP tradicional é guiado principalmente por um fluoroscópio C-ARM que requer fluoroscopia repetida para determinar pontos de punção seguros e ideais, ângulos de punção e orientações, o que aumenta a dosagem de radiação intraoperatória e o tempo de operação10 . Além disso, a taxa de sucesso da operação depende principalmente da experiência dos cirurgiões. No entanto, ainda existem taxas de erro de 1,2%-15,7% e taxas de reoperação de 0-7.42%, mesmo para operações assistidas por um sistema de navegação guiado por imagem11.

Um molde do guia 3D tem algumas vantagens para ajudar em operações torácicas e cervicais da inserção do parafuso do pedículo12,13,14. Nossa equipe combina um modelo de guia de impressão 3-D com PVP. Os resultados de nosso estudo clínico randomizado, não cego e controlado mostram que o modelo fornece muitas vantagens antes e durante as operações: aumento da precisão da punção; tempo cirúrgico minimizado e exposição à radiação; e diminuiu as complicações relacionadas com a punção. Para residentes médicos com menos oportunidade de realizar a operação em pacientes, o modelo poderia encurtar a curva de aprendizado da operação e ajudá-los a encontrar os pontos de punção mais fácil.

Além disso, nossa pesquisa clínica da tarefa centra-se sobre a aplicação de um molde do guia 3-D em pacientes de um segmento OVCF. No futuro, nós aplicaremos o molde do guia em pacientes complicados de ovcf com osteoporose severa, o kyphosis severo, o escoliose ou a vértebra fraturada do multi-segmento. Estas operações complicadas de ovcf exigem varreduras múltiplas do fluoroscópio e têm tempos operacionais longos, mesmo para cirurgiões experientes. Aplicando o modelo do guia 3-D para estes casos oferece uma aproximação mais precisa e mais segura da punctura, reduz o tempo da operação, e reduz a exposição de radiação.

No entanto, existem algumas limitações do modelo de guia de impressão tridimensional assistida Vertebroplastia Percutânea. O tempo é exigido para agarrar o uso do software médico da imagem latente. Durante o projeto do molde, todo o erro único feito por cirurgiões que não estão familiarizados com o software pode conduzir a uma cirurgia mal sucedida. Portanto, esse método requer que pelo menos um cirurgião na equipe esteja familiarizado com o uso do software, bem como com os procedimentos de operação. O projeto pré-operativo do molde e a impressão do molde aumentam custos pacientes e a carga de trabalho do cirurgião. Às vezes, o molde torna-se ligeiramente deformado após a esterilização, que impacta o acessório perfeito do molde à pele traseira do paciente e à exatidão da punctura. Portanto, nossa equipe está buscando materiais alternativos para a fabricação de modelos que não se deformam após a esterilização.

Coletivamente, modelo de guia de impressão 3D assistida Vertebroplastia Percutânea poderia ajudar os cirurgiões a Visualizar de forma abrangente a vértebra fraturada e desenvolver uma planta cirúrgica individualizada para o paciente. Contribui para a precisão da punção durante o procedimento e diminui as complicações relacionadas à punção. Minimiza o tempo cirúrgico e a exposição da radiação ao encurtar o processo de aprendizagem PVP para cirurgiões novos.

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Disclosures

Os autores não têm conflito de interesse em relação a medicamentos, materiais ou dispositivos descritos neste estudo.

Acknowledgments

O estudo foi financiado pela Comissão Municipal de ciência & tecnologia de Pequim (no. Z181100001718078), China.

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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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).

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