Summary
Häri presenterar vi en tredimensionell utskrift guide mall för perkutan vertebraplasty. En patient med en T11 vertebrala kompressions fraktur valdes som en fallstudie.
Abstract
Perkutan vertebroplasty (PVP) anses vara en effektiv behandling för ryggvärk som orsakas av osteoporos vertebrala kotkompression fraktur. Noggrannheten i PVP beror främst på kirurgens erfarenhet och flera fluoroscopes under en traditionell procedur. Punktering relaterade komplikationer rapporterades över hela världen. För att göra det kirurgiska förfarandet mer exakt och minska graden av punkteringsrelaterade komplikationer, vårt team tillämpat en tredimensionell utskrift guide mall till PVP att ändra den traditionella proceduren. Detta protokoll introducerar hur man modellerar mål Kotor DICOM Imaging data i tre dimensioner i programvaran, hur man simulerar operation i denna 3-D modell, och hur man använder alla kirurgiska data för att rekonstruera en patient specifik mall för ansökan. Med hjälp av denna mall kan kirurger identifiera lämpliga punkteringspunkter noggrant för att förbättra noggrannheten i operationen. Hela protokollet innehåller: 1) diagnos av den osteoporos-vertebrala kompressions fraktur; 2) förvärv av CT-avbildning av mål kotan; 3) simulering av driften i programvaran; 4) konstruktion och tillverkning av 3-D utskrift guide mall; och 5) tillämpning av mallen i ett förfarande för åtgärden.
Introduction
Som den vanligaste typen av fraktur bland alla typer av osteoporos, är den osteoporotiska vertebrala kompressions fraktur (OVCF) en mycket rörande kliniskt problem nuförtiden. Som nuvarande riktlinjer rekommenderar, perkutan vertebroplasty är en av de mest effektiva minimalinvasiva metoder för att kliniskt behandla osteoporos vertebrala kotkompressions frakturer1.
Traditionellt, kirurger utför perkutan vertebroplasty styrs av en C-arm fluoroscope att behandla en vertebrala kompression fraktur att återställa den komprimerade ryggraden kroppen och lindra tidigt stadium smärta2. Även erfarna kirurger gör misstag i att bekräfta lämpliga punktera poäng genom att helt enkelt förlita sig på sin personliga erfarenhet. Denna operation kan orsaka vissa punktrelaterade komplikationer (t. ex. cementläckage i omgivande vävnader, nerv rots skada, intraspinal hematom, etc.3,4,5); Dessutom, nästan 50% av patienterna har lokala komplikationer från traditionella PVP med 95% av komplikationer som kommer från cementläckage i omgivande vävnad eller embolisering av paravertebral vener6. Med uppkomsten av precisions kirurgi, en 3-D utskrift guide mall har använts i många spinal kirurgi operationer7 eftersom det kan förbättra den processuella noggrannheten, minska svårigheterna och minimera de operativa riskerna. Här tillämpar vi en 3-D utskrift guide mall i PVP att göra det kirurgiska förfarandet mer exakt och att minska graden av punkteringsrelaterade komplikationer. Jämfört med den traditionella metoden har operationer med stöd av mallen 3D Printing guide 1) ökad kirurgisk punkteringsnoggrannhet, 2) minimerat strålningsexponeringen under operationen, 3) förkortade operationstiden och 4) minskade sannolikheten för punktrelaterade komplikationer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den nuvarande studien godkändes av etikkommittén för Beijing Friendship Hospital Capital Medical University.
1. diagnos av den osteoporos-vertebrala kompressions fraktur (OVCF) genom röntgengenomlysning, magnetisk resonanstomografi (MRI), skelettscintigrafi och symtom
- Identifiera patienter som har ovcf av äldre patienter med ryggvärk, ömhet i krabbornas mätras processen, paraspinal muskler i ryggen, etc.
- Använd posterioanterior röntgen fluoroskopi för att kontrollera om patienten har vertebrala kompressions fraktur.
- Använd en MRI för att diagnostisera om en patient har en nyligen debuterad vertebrala kompression fraktur, och bestämma målet komprimerade Kotor. För patienter som inte kan genomgå MRT, Använd skelettscintigrafi.
- Beställ PVP behandling för den patient som har en akut vertebrala kompressions fraktur och registrera den visuella analoga skalan (VAS) poäng och Oawestry Disability index (ODI)8.
Obs: det finns några kriterier för inkludering: 1) kotan bröt patienten om att ha historia av en lågenergitrauma eller inte; 2) ingen historia eller tecken på metabolisk skelettsjukdom eller cancer; 3) VAS poäng ≥ 7; 4) diagnos som vertebrala fraktur med röntgen, MRI eller skelettscintigrafi.
2. preoperativ lokalisering av mål kotan
- Före operationen, genomföra benägna datortomografi på patienten med tre röntgentäta markörer placerade i mittlinjen av patientens rygg hud på den komprimerade vertebrala. Medan du trycker på den mest smärtsamma delen, bekräfta målområdet med röntgen fluoroskopi och en fysisk undersökning på patientens rygg.
- Innan den liggande datortomografi Scan, sätta en gradienter på patientens rygg bara sämre än de fasta markörer. Anteckna patientens kroppsposition och ta sedan bort den. Ha patienten kvar i samma position under operationen.
- Spara CT-bilder (1 mm skanning skikttjocklek, 1 mm lager avstånd, och antingen 90 skivor (konventionell skanning) eller 400 skivor (tunn slice skanning) i ett DICOM-format. Sätt en bomullspad på patientens rygg för att säkerställa att markörerna förblir tills operationen.
3. simulera perkutan vertebroplasty förfarande i datorprogram
- Exportera CT-bilder i DICOM-format till medicinsk bildbehandling programvara (t. ex., HÄRMAR) och välj mål skivor att rekonstruera den komprimerade kotan.
- Välj Tröskelsegmentering för att justera tröskel intervallet för mål kotan från 125-3071h och skapa en mask. Tryck på duplicera mask om du vill göra två masker: mask A och mask B.
- Klicka på Maskredigera för att radera mål kotan i mask A. Klicka sedan på booleska åtgärder för att bilda en ny mask C med hjälp av mask B till minus mask a. Tryck Beräkna 3D från mask för att rekonstruera mål kotan.
- Simulera PVP via ett bilateralt transpedicular tillvägagångssätt i programvaran. Först definierar Medcad cylindern i programvaran som punkteringsnål modell. Definiera cylindrarna som samma längd och radie som punkteringsnålen (en längd på 125 mm och en radie på 1,25 mm).
- Simulera ingångspunkten, ingångs vinkeln (huvud lutning vinkel och Abduktion vinkel orientering), och punktering nål djup för en riktig PVP med 3-D utsikt över målet kotan.
- Justera punkteringsnålar till sitt idealläge med hjälp av flytta och rotera funktion. Håll nålen banor förenligt med dessa principer: 1) punkteringsnålar kan extrahjälp genom pedicle, företrädesvis i sin överlägsna halva; 2) den idealiska platsen för tipsen är vid punkten inom den främre en tredjedel av ryggraden kroppen på laterala vyn.
4. tredimensionell utskrift guide mall
- Spara alla 3D-malldata och skicka den i MCS-format till en tredimensionell utskrift företag.
- Konvertera MCS-formatdata till ett STL-format och designa mallen med hjälp av programvara. Rekonstruera basen, som måste hålla fast vid patientens rygg hud, rekonstruera bana kanalen enligt alla parametrar, inklusive hud ingångspunkter, ingångs vinklar och djupet av de två nålarna ' bana, skriva ut två samma mallar ut för operationen .
Obs: guiden mallen är gjord av polymjölksyra, som kan steriliseras och av låg temperatur ånga desinfektion.
5. tillämpning av tredimensionell utskrift guide mall för att bistå den verkliga PVP operation
- Gör patienten ligga benägen på operationsbordet som för datortomografi i enlighet med gradienter posten. Mät avståndet mellan de tre röntgentäta markörerna och rita konturerna för de tre markörerna så att de matchar mallen med målplatsen.
- Matcha en hudmall tillsammans med skal dispositionen. Infoga och tryck två Svabb genom nålen banor på mallen för att markera insättningspunkter på huden. Ta sedan bort mallen och dra punkterna som punkt A och B.
- Ta bort mallen och desinficera huden. Drapera området och sätta spetsarna på två punkteringsnålar vid insättnings punkterna (punkt A och B). Använd sedan anteroposterior syn på C-arm fluoroskopi för att bekräfta om punkteringspunkter bestäms av mallen är genomförbara.
- Ge patienten lokalbedövning genom att injicera en 5 mL blandning av 1% lidokain och 1% ropavicaine vid varje punkteringspunkt. Fixa en annan steriliserad mall på patientens rygg genom steriliserad film.
- Knacka på de två nålarna i mål kotan något via införanden genom de styrande cylindrarna i mallen. Kontrollera med C-arm fluoroscope att banor är lämpliga för insättning. Se till att skiljetecken är inom pediklarna och knacka sedan på nålar för att avancera vidare till slutet av banan.
- När hela nålar är helt in i vägledande cylindrar, kontrollera med C-arm fluoroscope att nålen tips har nått sin idealiska plats.
- Injicera bencement i vertebrala kroppen genom nålar. Injicera 2 mL bencement via varje bana för sammanlagt 4 mL bencement till kotan.
- Slutligen, Använd fluoroskopi för att kontrollera fördelningen av bencement i ryggraden genom anteroposterior och laterala vyer. Sy infogningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förvärvet av CT-bilder och digital modellering utfördes på sjukhuset, medan 3-D utskrift utfördes i ett 3-D tryckeri. Trettio minuter behövdes för att rekonstruera 3-D-modellen från CT-bilder för 3-D-utskrift, och 3-D utskrift företaget behövde ca 6 timmar att skriva ut 2 guide mallar ut och skicka till sjukhuset.
Pre-operation bilder av målet kotan av patienten visades i figur 1 och figur 2: röntgen (a1: posterioanterior Visa; A2: lateral visning); magnetisk resonans avbildar (A3: TIWI beskådar; A4: T2WI Visa; A5: FS-vy). Figur 3 illustrerar förvärvet av CT-bilder, markerar mål Kotor, och registrerar patientens kroppsställning. Från det koronala planet (figur4a), det tvärgående planet (figur 4B) och det sagittal planet (figur 4C), rekonstruerades CT-kotan till en 3-d-modell (figur 4d). Simuleringen av PVP-operationen i bildbehandlings programmet visas i figur 5. Figur 6 visar längden på styr cylindrarna i mallen, och i figur 7 visas procedurerna för att tillverka guide mal len. Figur 8 visar bildandet av basen (figur 8A), bildandet av styrcylindern (figur 8B), produktionsprocessen (figur 8C) och den slutliga mallen ( Figur 8D). I figur 9 visas typiska operationssteg.
Figur 1: röntgen av OVCF-patienten. Visar före operationen röntgenbilder av mål kotan av patienten. (A1: Posterioanterior Visa; A2: lateral visning). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: MRT av OVCF-patienten. Visar före operationen MRI-bilder av mål kotan på patienten. (A3: TIWI-vy; A4: T2WI Visa; A5: FS-vy). Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: preoperativ lokalisering av mål kotan. Illustrerar förvärvet av CT-bilder, märkning av mål Kotor, och registrering av patientens kroppsställning. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: rekonstruktion av kotan i MIMICS. Presenterar den rekonstruerade kotan modellen från CT kotan bilden från (a) det koronala planet, (B) det tvärgående planet, (C) det sagittal planet och (D) 3-D-modellen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: simulering av PvP-operationen i MIMICS. Visar simuleringen av PVP operation förfarande i MIMICS. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: datum för mallens vägledande cylindrar. Visar längden på styr cylindrarna i mallen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: förfaranden för att tillverka guide mal len. Illustrerar stegen för att fabricera mallen, inklusive rekonstruera basen och bana kanalen. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: modell för vägledande mall. Visar (a) bildandet av basen, (B) bildandet av LED cylindern, (C) den producerande processen och (D) den verkliga mallen enhet. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: typiska operationssteg. (A) Använd gradienter för att säkerställa att patienten är i samma position när CT utfördes; (B) matcha en mall med huden för att bestämma punkteringspunkter; C) slutliga punkteringspunkter. (D) Använd punkteringsnålar för att dubbelkolla punkteringspunkterna; (E) fäst den andra steriliserade mallen och sätt i nålarna; (F) knacka på nålarna till slutet av trajectorier; G) injicera bencement bilateralt via nålarna. Hslutlig Fluorering av distributionen av bencement i kotpelaren. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Perkutan vertebroplasty (PVP) anses vara en av de bästa metoderna för att behandla osteoporatisk kotkompression fraktur9 på grund av några distinkta fördelar: det är minimalt invasiv; Det finns mindre blödning, och återhämtning är snabb. Traditionella PVP styrs främst av en C-arm fluoroscope som kräver upprepad fluoroskopi att bestämma säker och perfekt punktering punkter, punktering vinklar och riktlinjer, vilket ökar intraoperativ strålning dosering och drifttid10 . Dessutom förlitar sig framgången av operationen främst på erfarenheterna av kirurgerna. Det finns dock fortfarande 1,2%-15,7% felfrekvenser och 0-7.42% Omopererade priser, även för åtgärder som assisterad av ett bildstyrt navigationssystem11.
En 3D-guide mall har vissa fördelar för att bistå i bröstkorg och livmoderhalscancer BLOMSTJÄLK skruv insättnings operationer12,13,14. Vårt team kombinerar en 3-D utskrift guide mall med PVP. Resultaten av vår randomiserade, icke-blindade, kontrollerade kliniska studie visar att mallen ger många fördelar före och under verksamheten: ökad punkteringsprecision; minimerad kirurgisk tid och strålningsexponering; och minskad punkteringsrelaterade komplikationer. För medicinska invånare med mindre möjlighet att utföra operationen på patienter, kan mallen förkorta inlärningskurvan för operationen och hjälpa dem att hitta punkteringspunkter lättare.
Dessutom fokuserar vår kliniska uppgift forskning på att tillämpa en 3-D guide mall i ett segment OVCF patienter. I framtiden kommer vi att tillämpa guiden mallen i komplicerade OVCF patienter med svår osteoporos, svår kyfos, skolios eller flera segment brutna kotan. Dessa komplicerade OVCF operationer kräver flera fluoroscope skanningar och har långa drifttider, även för erfarna kirurger. Att använda 3-D-guidemallen för dessa fall ger en mer exakt och säkrare punkteringsmetod, minskar drifttiden och minskar strålningsexponeringen.
Emellertid, det finns vissa begränsningar i den tredimensionella utskrift guide mall assisterad perkutan vertebroplasty. Tid krävs för att förstå användningen av medicinsk bildbehandling programvara. Under utformningen av mallen kan varje enskilt misstag som görs av kirurger som inte är bekant med programvaran leda till en misslyckad operation. Därför kräver denna metod att minst en kirurg i teamet är bekant med programvaran användning samt driftförfaranden. Den preoperativa utformningen av mallen och mallutskriften ökar patient kostnaderna och kirurgens arbetsbörda. Ibland blir mallen något deformerad efter steriliseringen, vilket påverkar den perfekta infästning av mallen till patientens rygg hud och punktering noggrannhet. Därför är vårt team söker alternativa material för mall Fabrication som inte skulle deformera efter sterilisering.
Kollektivt, 3D Printing guide mall assisterad perkutan vertebroplasty kan hjälpa kirurger utförligt visualisera den brutna kotan och utveckla en individualiserad kirurgisk plan för patienten. Det bidrar till punktering noggrannhet under förfarandet och minskar punkteringsrelaterade komplikationer. Det minimerar kirurgisk tid och strålningsexponering samtidigt förkorta PVP inlärningsprocessen för unga kirurger.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingen intressekonflikt när det gäller läkemedel, material eller produkter som beskrivs i denna studie.
Acknowledgments
Studien finansierades av Beijing Municipal Science & Technology Commission (nr Z181100001718078), Kina.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Laredo, J. D., Hamze, B. Complications of percutaneous vertebroplasty and their prevention. Skeletal Radiology. 33 (9), 493-505 (2004).
- Saracen, A., Kotwica, Z. Complications of percutaneous vertebroplasty: An analysis of 1100 procedures performed in 616 patients. Medicine. 95 (24), e3850 (2016).
- 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).
- 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).
- Ruiz, S. F., et al. Comparative review of vertebroplasty and kyphoplasty. World Journal of Radiology. 6 (6), 329-343 (2014).
- Cannavale, A., et al. Percutaneous vertebroplasty with the rotational fluoroscopy imaging technique. Skeletal Radiology. 43 (11), 1529-1536 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
