Summary
इस अध्ययन का उद्देश्य रोगी-विशिष्ट काठ कशेरुक का 3 डी-मुद्रित मॉडल बनाना है, जिसमें उच्च-रिज़ॉल्यूशन कंप्यूटेड टोमोग्राफी (एचआरसीटी) और एमआरआई-डिक्सन डेटा से जुड़े कशेरुक और रीढ़ की हड्डी दोनों तंत्रिका मॉडल शामिल हैं।
Abstract
चयनात्मक पृष्ठीय राइजोटॉमी (एसडीआर) एक कठिन, जोखिम भरा और परिष्कृत ऑपरेशन है, जिसमें लैमिनेक्टॉमी को न केवल पर्याप्त शल्य चिकित्सा क्षेत्र को उजागर करना चाहिए, बल्कि रोगी की रीढ़ की हड्डी की नसों को चोट से भी बचाना चाहिए। डिजिटल मॉडल एसडीआर के पूर्व और इंट्रा-ऑपरेशन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, क्योंकि वे न केवल डॉक्टरों को सर्जिकल साइट की शारीरिक संरचना से अधिक परिचित कर सकते हैं, बल्कि मैनिपुलेटर के लिए सटीक सर्जिकल नेविगेशन निर्देशांक भी प्रदान कर सकते हैं। इस अध्ययन का उद्देश्य रोगी-विशिष्ट काठ कशेरुक का 3 डी डिजिटल मॉडल बनाना है जिसका उपयोग एसडीआर ऑपरेशन की योजना, सर्जिकल नेविगेशन और प्रशिक्षण के लिए किया जा सकता है। इन प्रक्रियाओं के दौरान अधिक प्रभावी काम के लिए 3 डी प्रिंटिंग मॉडल भी निर्मित है।
पारंपरिक आर्थोपेडिक डिजिटल मॉडल लगभग पूरी तरह से कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) डेटा पर भरोसा करते हैं, जो नरम ऊतकों के प्रति कम संवेदनशील है। सीटी से हड्डी की संरचना का संलयन और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) से तंत्रिका संरचना इस अध्ययन में मॉडल पुनर्निर्माण के लिए महत्वपूर्ण तत्व है। रोगी के विशिष्ट 3 डी डिजिटल मॉडल को सर्जिकल क्षेत्र की वास्तविक उपस्थिति के लिए पुनर्निर्मित किया गया है और अंतर-संरचनात्मक दूरी और क्षेत्रीय विभाजन के सटीक माप को दर्शाता है, जो प्रभावी रूप से एसडीआर की प्रीऑपरेटिव योजना और प्रशिक्षण में मदद कर सकता है। 3 डी-मुद्रित मॉडल की पारदर्शी हड्डी संरचना सामग्री सर्जनों को रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका और संचालित खंड की कशेरुक प्लेट के बीच सापेक्ष संबंध को स्पष्ट रूप से अलग करने की अनुमति देती है, जिससे उनकी शारीरिक समझ और संरचना की स्थानिक भावना बढ़ जाती है। व्यक्तिगत 3 डी डिजिटल मॉडल के फायदे और रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका और हड्डी संरचनाओं के बीच इसका सटीक संबंध इस विधि को एसडीआर सर्जरी की प्रीऑपरेटिव योजना के लिए एक अच्छा विकल्प बनाता है।
Introduction
स्पास्टिक सेरेब्रल पाल्सी सेरेब्रल पाल्सी1 वाले सभी बच्चों में से आधे से अधिक को प्रभावित करती है, जिससे कण्डरा संकुचन, असामान्य कंकाल विकास और गतिशीलता में कमी आती है, जिससेप्रभावित बच्चों के जीवन की गुणवत्ता पर बहुत प्रभाव पड़ता है। स्पास्टिक सेरेब्रल पाल्सी के उपचार के लिए मुख्य शल्य चिकित्सा विधि के रूप में, चयनात्मक पृष्ठीय राइजोटॉमी (एसडीआर) कोकई देशों द्वारा पूरी तरह से मान्य और अनुशंसित किया गया है। हालांकि, एसडीआर सर्जरी की जटिल और उच्च जोखिम वाली प्रकृति, जिसमें लैमिना की सटीक काटने, तंत्रिका जड़ों की स्थिति और पृथक्करण, और तंत्रिका तंतुओं को अलग करना शामिल है, युवा डॉक्टरों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती प्रस्तुत करता है जो नैदानिक अभ्यास में एसडीआर के साथ जुड़ना शुरू कर रहे हैं; इसके अलावा, एसडीआर की सीखने की अवस्था बहुत तेज है।
पारंपरिक आर्थोपेडिक सर्जरी में, सर्जनों को मानसिक रूप से सभी प्रीऑपरेटिव दो-आयामी (2 डी) छवियों को एकीकृत करना चाहिए और 3 डी सर्जिकल प्लान5 बनाना चाहिए। यह दृष्टिकोण प्रीऑपरेटिव प्लानिंग के लिए विशेष रूप से कठिन है जिसमें जटिल शारीरिक संरचनाएं और सर्जिकल जोड़तोड़ शामिल हैं, जैसे कि एसडीआर। चिकित्सा इमेजिंग और कंप्यूटर प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ, 2 डी अक्षीय छवियों, जैसे कि कंप्यूटेड टोमोग्राफी (सीटी) और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) को रोगी-विशिष्ट शरीर रचना 6 के साथ 3 डी वर्चुअल मॉडल बनाने के लिए संसाधित किया जा सकताहै। बेहतर विज़ुअलाइज़ेशन के साथ, सर्जन रोगी की स्थिति के अनुरूप अधिक विस्तृत निदान, योजना और सर्जिकल हस्तक्षेप करने के लिए इस संसाधित जानकारी का विश्लेषण कर सकते हैं। हाल के वर्षों में, आर्थोपेडिक्स में मल्टीमॉडल छवि संलयन तकनीक के आवेदन ने धीरे-धीरे ध्यान आकर्षितकिया है। यह तकनीक सीटी और एमआरआई छवियों को फ्यूज कर सकती है, जिससे डिजिटल 3 डी एनालॉग मॉडल की सटीकता में काफी सुधार हो सकता है। हालांकि, एसडीआर के प्रीऑपरेटिव मॉडल में इस तकनीक के आवेदन पर अभी तक शोध नहीं किया गया है।
सफल परिणामों के लिए लैमिना और रीढ़ की हड्डी की सटीक स्थिति और एसडीआर सर्जरी के दौरान सटीक काटने महत्वपूर्ण हैं। आमतौर पर, ये कार्य विशेषज्ञों के अनुभव पर भरोसा करते हैं और ऑपरेशन के दौरान सी-आर्म द्वारा बार-बार पुष्टि की जाती है, जिसके परिणामस्वरूप एक जटिल और समय लेने वाली शल्य चिकित्सा प्रक्रिया होती है। 3 डी डिजिटल मॉडल भविष्य के एसडीआर सर्जिकल नेविगेशन के लिए नींव के रूप में कार्य करता है और इसका उपयोग लैमिनेक्टॉमी प्रक्रियाओं की प्रीऑपरेटिव प्लानिंग के लिए भी किया जा सकता है। यह मॉडल सीटी से हड्डी की संरचना और एमआरआई से रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका संरचना को फ्यूज करता है, और सर्जिकल योजना के अनुसार काटने के लिए चिह्नित काठ कशेरुक वर्गों को अलग-अलग रंग प्रदान करता है। एसडीआर के लिए इस तरह के होलोग्राफिक 3 डी प्रिंटिंग मॉडल न केवल प्रीऑपरेटिव प्लानिंग और सिमुलेशन की सुविधा प्रदान करते हैं, बल्कि सटीक काटने के लिए इंट्राऑपरेटिव रोबोटिक आर्म को सटीक 3 डी नेविगेशन निर्देशांक भी आउटपुट करते हैं।
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Protocol
सभी डेटा नैदानिक रोगी से आते हैं, जिसका एसडीआर ऑपरेशन बीजे डोंगझिमेन अस्पताल में किया गया था। प्रोटोकॉल दिशानिर्देशों का पालन करता है और डोंगझिमेन अस्पताल अनुसंधान नैतिकता समिति द्वारा अनुमोदित किया गया था।
नोट: मॉडल पुनर्निर्माण प्रोटोकॉल का पूरा नक्शा चित्रा 1 में दिखाया गया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन कंप्यूटेड टोमोग्राफी (एचआरसीटी) डेटा और डिक्सन डेटा मॉडलिंग के लिए कच्चे माल हैं; फिर, 3 डी मॉडल निर्माण में छवि पंजीकरण और संलयन शामिल हैं। अंतिम 3 डी डिजिटल मॉडल पॉलीजेट तकनीक द्वारा मुद्रित किया गया है जो एक उच्च परिशुद्धता 3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया है जो सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करके चिकनी और सटीक भागों का उत्पादन करती है। कशेरुक और रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका के बीच स्थानिक संबंधों का वर्णन करने के लिए, एचआरसीटी डेटा और डिक्सन छवि श्रृंखला का उपयोग किया जाता है। डिक्सन स्कैनिंग पानी और वसा पृथक्करण छवियों की पहचान कर सकती है, जिसमें डिक्सन जल चरण छवि श्रृंखला का उपयोग रीढ़ की हड्डी की नसों की संरचना को निकालने के लिए किया जा सकता है, और डिक्सन-इन चरण छवि श्रृंखला का उपयोग हड्डी संरचना के पंजीकरण की जांच के लिए किया जा सकता है।
चित्रा 1: प्रोटोकॉल का पूरा नक्शा। इस अध्ययन की शोध पद्धति में सीटी और चुंबकीय अनुनाद डिक्सन अनुक्रमों का संलयन शामिल है। विशेष रूप से, सीटी कशेरुक संरचना डिक्सन-इन अनुक्रम में निहित समान कशेरुक संरचना के साथ पंजीकृत है, इसके बाद रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका के लिए डिक्सन-डब्ल्यू अनुक्रम के साथ संलयन होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
1. डेटा संग्रह और तैयारी
- कशेरुकाओं के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन सीटी
नोट: पैरामीटर अंतर अनुसंधान विधि के प्रति संवेदनशील नहीं है।- सीटी मशीन स्टेशन से डेटा संसाधन सेट करें।
नोट: यहां, सीमेन्स-सीटीएडब्ल्यूपी 73396 सीटी मशीन का उपयोग किया जाता है। - स्कैनिंग प्रोटोकॉल SpineRoutine_1 से डेटा प्राप्त करने के लिए Syngo CT 2012B सॉफ़्टवेयर खोलें। 3 डी डिजिटल मॉडल में दर्शाए जाने वाले कशेरुकाओं के आकार के अनुकूल होने के लिए डेटासेट के पिक्सेल आकार और स्लाइस मोटाई (एसटी) का चयन करें।
- 512 पिक्सेल x 512 पिक्सेल के मैट्रिक्स आकार के साथ 1 मिमी के एसटी का उपयोग करें, जिसमें पिक्सेल स्पेसिंग 0.3320 मिमी है। प्राप्त 3 डी वॉल्यूम का वास्तविक आकार 512 x 512 x 204 वोक्सल्स है।
- सीटी मशीन स्टेशन से डेटा संसाधन सेट करें।
- रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका के लिए डिक्सन अनुक्रम
नोट: इस अध्ययन में एक 1.5 टी एमआरआई मशीन का उपयोग किया जाता है।- सटीक डेटा प्राप्त करने के लिए डिक्सन छवि रिज़ॉल्यूशन को 290 पिक्सेल x 320 पिक्सेल, पिक्सेल स्पेसिंग को 0.9375 मिमी और स्लाइस मोटाई को 3 मिमी के रूप में सेट करें।
- पुनरावृत्ति समय को 5,160 एमएस और इको टाइम को 94 एमएस के रूप में सेट करें।
- सुनिश्चित करें कि प्रत्येक स्कैन की गई परत में चार-चरण छवियां होती हैं, जो डिक्सन-इन, डिक्सन-ओपीपी, डिक्सन-एफ और डिक्सन-डब्ल्यू हैं।
- मॉडल पुनर्निर्माण के लिए डेटा-संग्रहीत फ़ाइलें तैयार करें।
नोट: अनुवर्ती कार्य के लिए एक अच्छी तरह से परिभाषित डेटा-भंडारण संरचना अधिक सुविधाजनक है।- रोगी से संबंधित सभी डेटा को शामिल करने के लिए एक प्रोजेक्ट फ़ोल्डर बनाएं।
- चिकित्सा में डिजिटल इमेजिंग और संचार (DICOM) डेटा के लिए अलग-अलग फ़ोल्डर बनाकर एचआरसीटी और एमआरआई-डिक्सन डेटा के लिए अलग-अलग फ़ाइल पथ तैयार करें।
- सभी विश्लेषण परिणामों के लिए प्रोजेक्ट के तहत एक अलग फ़ोल्डर बनाएँ।
2. 3 डी डिजिटल कशेरुक मॉडल
नोट: सभी उप-प्रक्रिया कार्य सॉफ्टवेयर टूल से आते हैं, जिनकी संपत्ति बीजिंग इंटेलिजेंट एन्ट्रॉपी साइंस एंड टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड से संबंधित है।
- एचआरसीटी डेटा फ़ोल्डर में संग्रहीत DICOM फ़ाइलों से 3D वॉल्यूम प्राप्त करने के लिए MATLAB कार्यस्थल में Dicom2Mat उपप्रक्रिया पर कॉल करें।
- Dicom2Mat उपप्रक्रिया से गुजरने के बाद, ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (GUI) के माध्यम से 3D वॉल्यूम के भीतर प्रत्येक स्लाइस देखें, जैसा कि चित्र 2 में दर्शाया गया है।
- फिर, हिस्ट फ़ंक्शन (चित्रा 3) द्वारा कशेरुक एचआरसीटी डेटा के तीव्रता वितरण की कल्पना करें।
- एचआरसीटी डेटा फ़ाइल पथ के तहत डिवाइस द्वारा गठित सिग्नल शोर को हटाने के लिए नॉइज़क्लीन उपप्रक्रिया को कॉल करें।
- कशेरुक मॉडल प्राप्त करने के लिए उसी पथ के तहत कशेरुक फ़ंक्शन उपप्रक्रिया का उपयोग करें, जो एक 3 डी वॉल्यूम भी है लेकिन केवल हड्डी संरचना के साथ (चित्रा 4)। उच्च-पास फ़िल्टर पैरामीटर, तीव्रता 190 से 1,656 तक है।
3. 3 डी डिजिटल स्पाइनल नर्व मॉडल
नोट: डिक्सन-इन में हड्डी संरचना होती है, जबकि डिक्सन-डब्ल्यू तंत्रिका संरचना का वर्णन करता है।
- डिक्सन-इन और डिक्सन-डब्ल्यू अनुक्रमों के दोनों पथों में डायकॉम 2मैट उपप्रक्रिया का उपयोग करें और उनका 3 डी वॉल्यूम प्राप्त करें।
- इसके अलावा, चित्र 5 में प्रस्तुत जीयूआई का उपयोग करके 3 डी वॉल्यूम का गठन करने वाले प्रत्येक व्यक्तिगत स्लाइस की कल्पना करें। Dicom2Mat उपप्रक्रिया पूरी होने के बाद इस विज़ुअलाइज़ेशन तक पहुँचें।
- उच्च-पास फ़िल्टर मापदंडों के साथ रीढ़ की हड्डी के तंत्रिका मॉडल के पुनर्निर्माण के लिए Spinal_Nerve फ़ंक्शन का उपयोग करें, जिसकी तीव्रता 180 से 643 तक है। क्योंकि डिक्सन-डब्ल्यू अनुक्रम में तंत्रिका के संकेत बहुत अधिक हैं, कम तीव्रता वाले बिंदुओं को फ़िल्टर करके रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका 3 डी मात्रा निकालें।
- जब Spinal_Nerve उपप्रक्रिया समाप्त हो जाती है, तो चित्रा 6 में दिखाए गए जीयूआई में उत्पन्न मॉडल की जांच करें।
4. पंजीकरण और संलयन
नोट: मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि हड्डी वास्तुकला एचआरसीटी और डिक्सन-इन इमेजिंग अनुक्रम दोनों में मौजूद है।
- चरण 3.1 में किए गए प्रोजेक्ट के फ़ाइल पथ पर अब तक प्राप्त तीन 3 डी वॉल्यूम की प्रतिलिपि बनाएँ। एचआरसीटी और डिक्सन-इन के मॉडल में एक ही कशेरुक संरचना शामिल है, और डिक्सन-इन और डिक्सन-डब्ल्यू के मॉडल में समान निर्देशांक हैं।
- फिर, संलयन मॉडल उत्पन्न करने के लिए इनपुट के रूप में तीन मॉडलों के फ़ाइल नामों को vertebra_fusion उपप्रक्रिया में डालें। यह चित्र 7 में देखा जा सकता है।
- संलयन आमतौर पर अच्छी तरह से किया जाता है। यदि डॉक्टर के दृष्टिकोण से ठीक-ट्यूनिंग आवश्यक है, तो संलयन मॉडल को सही करने के लिए एक ही फ़ंक्शन में सभी दिशाओं में समन्वय पैरामीटर जोड़ें। यदि नैदानिक परिप्रेक्ष्य से संलयन में मामूली त्रुटियां देखी जाती हैं, तो संलयन निर्देशांक को ठीक करने के लिए vertebra_fusion फ़ंक्शन का उपयोग करें। इस प्रक्रिया में समन्वय दिशा के छह आयामों (एक्सवाईजेड निर्देशांक और उनके रोटेशन) के लिए पैरामीटर समायोजन शामिल है।
- संलयन मॉडल के परिणाम को आउटपुट करने के लिए प्रोजेक्ट निर्देशिका में एक अलग फ़ोल्डर बनाएँ।
5. 3 डी प्रिंटिंग के लिए डिजिटल मॉडल फाइलें
नोट: एक पूरी तरह से विकसित 3 डी प्रिंटिंग उपकरण का उपयोग उपरोक्त डिजिटल मॉडल के निर्माण के लिए किया जाता है, जिसमें डेलॉने त्रिकोण के कार्यान्वयन के साथ किया जाता है। यहां, स्ट्रैटासिस जे 55 प्राइम 3 डी प्रिंटर का उपयोग किया गया था।
- संलयन निर्देशिका के फ़ाइल पथ के तहत DICOM प्रारूप अनुक्रमों में 3 D प्रिंटिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले संलयन मॉडल निर्यात करें। संलयन मॉडल को इनपुट करके निर्यात ऑपरेशन को निष्पादित करने के लिए Mat2Dicom एल्गोरिथ्म का उपयोग करें।
- मटेरियलाइज मिमिक वी 20 का उपयोग करके पहले निर्यात किए गए DICOM फ़ाइल अनुक्रम को खोलें। निर्यात कार्रवाई करने के लिए, फ़ाइल टैब के तहत निर्यात मेनू पर नेविगेट करें और VRML स्वरूप का चयन करें। निर्यात के लिए फ़ाइल पथ को उपयोगकर्ता की आवश्यकताओं के अनुसार स्वतंत्र रूप से अनुकूलित किया जा सकता है।
- चूंकि पारदर्शी रंगीन 3 डी प्रिंटिंग एक पेशेवर सेवा है, वीआरएमएल फ़ाइलों को संपीड़ित और पैक करें और उन्हें सेवा प्रदाता को भेजें। 3 डी प्रिंटिंग परिणाम चित्रा 8 में दिखाया गया है।
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Representative Results
सेरेब्रल पाल्सी वाले बच्चों में काठ सीटी / एमआरआई छवि संलयन डेटा के आधार पर, हमने रीढ़ की हड्डी की नसों के साथ संयुक्त काठ की रीढ़ का एक प्रतिनिधि मॉडल बनाया। एचआरसीटी से 190-1,656 की सीटी मान सीमा में उच्च संकेत निकालने के लिए उच्च-पास फ़िल्टरिंग का उपयोग किया गया था, ताकि ऑपरेशन क्षेत्र में काठ की रीढ़ की हड्डी की संरचना के पुनर्निर्माण को प्राप्त किया जा सके। एमआरआई में डिक्सन-डब्ल्यू अनुक्रमों के उच्च-पास फ़िल्टरिंग द्वारा रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका संरचनाओं का पुनर्निर्माण किया गया था। काठ कशेरुक संरचना और रीढ़ की हड्डी के संलयन के डिजिटल मॉडल और बिंदु क्लाउड डेटा निर्देशांक कठोर पंजीकरण के माध्यम से प्राप्त किए गए थे, और फ़ाइल को डेटा माप और आगे मुद्रण प्रसंस्करण के लिए स्टीरियोलिथोग्राफी (एसटीएल) प्रारूप में सहेजा गया था। एसटीएल डिजिटल मॉडल फ़ाइलों को स्ट्रैटासिस जे 55 प्राइम 3 डी प्रिंटर में स्थानांतरित करने के लिए वीआरएमएल प्रारूप में परिवर्तित किया जाता है। एसडीआर सर्जरी के दौरान सर्जिकल साइट की शारीरिक रचना को सक्रिय रूप से प्रदर्शित करने के लिए, हमने हड्डियों को पारदर्शी राल में मुद्रित किया और अन्य भागों को विभिन्न रंगों में मुद्रित किया। 3 डी-मुद्रित मॉडल तब प्रीऑपरेटिव प्लानिंग और प्रशिक्षण के दौरान सर्जनों और रोगियों के लिए एसडीआर में प्रमुख सर्जिकल साइटों के स्थानिक संबंध को प्रकट कर सकता है।
प्राप्त व्यक्तिगत 3 डी लम्बर स्पाइन मॉडल प्रीऑपरेटिव प्लानिंग और एसडीआर के प्रशिक्षण की संभावना प्रदान करता है। हड्डियों और नसों जैसे संरचनाओं को दागने और अलग करने के लिए विभिन्न रंग रंगों का उपयोग किया जाता है। जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका संरचना पीले रंग में रंगी जाती है, और संबंधित ऑपरेशन क्षेत्र में एल 4 और एल 5 खंडों की लैमिना क्रमशः लाल और नीले धब्बे से अलग होती है। हड्डी की संरचना को एक पारदर्शी राल सामग्री का उपयोग करके मुद्रित किया जाता है, जिसमें एक अच्छा परिप्रेक्ष्य होता है, जिससे डॉक्टरों को हड्डी की संरचना के माध्यम से लैमिना के नीचे तंत्रिका संरचना का निरीक्षण करने की अनुमति मिलती है। व्यक्तिगत, अनुकूलित मॉडल वास्तव में ऑपरेशन क्षेत्र में काठ की हड्डी की संरचना और रीढ़ की हड्डी की शारीरिक रचना के बीच संबंधित संबंध को पुनर्स्थापित करता है, जिससे डॉक्टरों को ऑपरेशन से पहले उचित काटने की दिशा और सीमा को बेहतर ढंग से परिभाषित करने की अनुमति मिलती है।
चित्रा 2: एचआरसीटी डेटा से वॉल्यूम में स्लाइस का जीयूआई। आंकड़े में दिखाए गए जीयूआई के माध्यम से, सर्जन सभी सीटी डेटा में निहित रीढ़ की संरचना को देख सकते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: कशेरुक एचआरसीटी डेटा का तीव्रता वितरण। यह मात्रात्मक जानकारी कशेरुक संरचना की फ़िल्टरिंग सीमा निर्धारित करने में सहायक है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 4: कशेरुक के 3 डी वॉल्यूम का जीयूआई। यह आंकड़ा एक ही समय में कशेरुका के तीन दृश्यों और 3 डी वॉल्यूम को दर्शाता है। इस जीयूआई के माध्यम से, सर्जन किसी भी वांछित परिप्रेक्ष्य से रोगियों की कशेरुकाओं का निरीक्षण कर सकते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 5: डिक्सन-इन और डिक्सन-डब्ल्यू से मात्रा में स्लाइस का जीयूआई। डिक्सन इमेजिंग को जल्दी से ब्राउज़ किया जा सकता है, और रोगियों की कशेरुक और रीढ़ की हड्डी की नसों की छवियों की जांच की जा सकती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 6: रीढ़ की हड्डी की तंत्रिका के 3 डी वॉल्यूम का जीयूआई। रोगी की रीढ़ की हड्डी की 3 डी संरचना को देखने के लिए रोगी के डिक्सन-डब्ल्यू अनुक्रम का 3 डी पुनर्निर्माण। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 7: संलयन मॉडल का जीयूआई (3 डी डिजिटल वॉल्यूम)। 3 डी वॉल्यूम में सीटी डेटा से कशेरुक संरचना और चुंबकीय अनुनाद से रीढ़ की हड्डी की 3 डी संरचना दोनों शामिल हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 8: एसडीआर योजना और प्रशिक्षण के लिए 3 डी प्रिंटिंग मॉडल। पारदर्शी रंगीन 3 डी प्रिंटिंग मॉडल उस क्षेत्र की शारीरिक संरचना को दर्शाता है जहां रोगी पर एसडीआर सर्जरी करने की आवश्यकता होती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
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Discussion
यह अध्ययन सेरेब्रल पाल्सी वाले रोगियों में काठ की रीढ़ के प्रीऑपरेटिव 3 डी प्रिंटिंग मॉडल को स्थापित करने के लिए एक वर्कफ़्लो प्रदान करता है, जिसका उद्देश्य एसडीआर सर्जरी के लिए प्रीऑपरेटिव प्लानिंग को सुविधाजनक बनाना और रोगी के विशिष्ट मॉडल के आधार पर शारीरिक प्रशिक्षण को बढ़ाना है। अध्ययन का उद्देश्य एक अत्यधिक विश्वसनीय 3 डी-मुद्रित मॉडल स्थापित करना है जो रोगी की रीढ़ की हड्डी और तंत्रिका संरचनाओं को सटीक रूप से प्रदर्शित करता है। सर्जरी से पहले मॉडल में लैमिना और रीढ़ की हड्डी की स्थिति को मापकर, लैमिना काटने की सटीक योजना प्राप्त की जा सकती है, जिससे शल्य चिकित्सा प्रक्रियाओं का अनुकूलन और एसडीआर सर्जिकल तकनीक में महारत हासिल की जा सकती है।
इस अध्ययन में जांच किया गया प्राथमिक महत्वपूर्ण कदम सीटी और डिक्सन अनुक्रमों का संलयन था। संलयन सीटी डेटा और डिक्सन-इन अनुक्रमों दोनों में एक ही हड्डी संरचनाओं की उपस्थिति पर निर्भर था, साथ ही यह तथ्य भी कि डिक्सन-इन और डिक्सन-डब्ल्यू डेटा एक ही समन्वय प्रणाली में थे। इसने रीढ़ की हड्डी की नसों और कशेरुक हड्डी संरचनाओं के अंतिम संलयन की अनुमति दी। दूसरा महत्वपूर्ण कदम 3 डी डिजिटल मॉडल के निर्माण के लिए रंग-पारदर्शी मुद्रण तकनीक का उपयोग था। यह प्रिंटिंग तकनीक रोगी की शारीरिक संरचनाओं, लैमिनेक्टॉमी के सटीक स्थान और इंटरवर्टेब्रल फोरामिना और तंत्रिका जड़ों की सापेक्ष स्थिति को उजागर करने में सक्षम थी।
हाल के दशकों में, कई सर्जिकल टीमों ने एसडीआर 8,9 के लिए अभिनवतकनीकों को विकसित किया है, जिसमें प्रक्रिया के दौरान रीढ़ की हड्डी की क्षति को कम करने पर प्राथमिक ध्यान दिया गया है। यह ऐंठन राहत में लंबे खंड की सर्जरी की अच्छी तरह से स्थापित प्रभावकारिता से उत्पन्न होता है, साथ ही रीढ़की हड्डी की स्थिरता पर व्यापक लैमिनेक्टॉमी के प्रभाव के बारे में चिंताओं के साथ। सफल एसडीआर सर्जरी के लिए एक महत्वपूर्ण लैमिनेक्टॉमी की आवश्यकता होती है, जिसके लिए आगे न्यूरोसर्जिकल हेरफेर को सक्षम करने और रीढ़ की हड्डी की अस्थिरता से बचने के लिए पर्याप्त लैमिना के संरक्षण के लिए लैमिना के पर्याप्त चीरे दोनों की आवश्यकता होती है। ऑपरेशन के दौरान क्षति या नकारात्मक प्रभावों के बिना सटीक लैमिनार काटने के लिए काटने की स्थिति, आकार और खंड की व्यापक समझ की आवश्यकता होती है। वर्तमान में, प्रीऑपरेटिव एसडीआर मूल्यांकन मुख्य रूप से सीटी / एमआरआई इमेजिंग और नैदानिक अनुभव पर निर्भर करता है, जो सटीक काटने के संचालन की आवश्यकताओं को पूरी तरह से पूरा नहीं कर सकता है। हाल के वर्षों में, रीढ़ की सर्जरी में मल्टीमॉडल छवि संलयन के आवेदन ने महान संभावित मूल्य दिखाया है, जबकि प्रासंगिक शोध अभी भी दुर्लभ है। इस प्रकार, इस अध्ययन का उद्देश्य हड्डी की संरचना और रीढ़ की हड्डी की नसों दोनों का सटीक प्रतिनिधित्व करने वाले 3 डी डिजिटल मॉडल का पुनर्निर्माण करने के लिए प्रीऑपरेटिव लम्बर स्पाइन सीटी और एमआरआई को फ्यूज करना था। पुनर्निर्मित 3 डी डिजिटल मॉडल को आगे 3 डी-मुद्रित किया गया था और इसका उपयोग प्रभावी डॉक्टर-रोगी संचार और प्रीऑपरेटिव प्लानिंग के लिए किया जा सकता था। मॉडल की काठ तंत्रिका जड़ आउटलेट की सटीक स्थिति ने कशेरुक और तंत्रिका जड़ के बीच स्थानिक संबंधों की बेहतर समझ को सक्षम किया, जिससे सर्जन और सर्जिकल रोबोट दोनों के लिए एक कुशल ऑपरेशन की सुविधा मिली।
इसके अलावा, सेरेब्रल पाल्सी वाले बच्चे अलग-अलग रीढ़ की हड्डी और कंकाल के विकास का प्रदर्शन करते हैं, जो हाइपोप्लास्टिक ट्रैब्युलर हड्डी माइक्रोस्ट्रक्चर, पतले कॉर्टेक्स और कम हड्डी की ताकतकी विशेषता है। ये अद्वितीय शारीरिक विशेषताएं और जटिल जोड़तोड़ एसडीआर सर्जरी को मास्टर करने के लिए चुनौतीपूर्ण बनाते हैं। इसलिए, हमने वास्तविक रोगियों के शारीरिक रूप से सटीक काठ कशेरुक मॉडल बनाने के लिए 3 डी प्रिंटिंग तकनीक को नियोजित किया, जो सर्जिकल सीखने के लिए एक उद्देश्य संदर्भ प्रदान करता है। यह तकनीक कम अनुभवी सर्जनों के लिए आदर्श है और संभावित रूप से सीखने के समय को कम कर सकतीहै। इसके अलावा, व्यक्तिगत रूप से अनुरूप मॉडल रोगी की अनूठी संरचना को पूरी तरह से बहाल करने का अतिरिक्त लाभ प्रदान करते हैं, जो जटिल शारीरिक विविधताओं वाले लोगों के लिए मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।
सफल 3 डी प्रिंटिंग15 के लिए उच्च गुणवत्ता वाली प्रारंभिक छवि अधिग्रहण आवश्यक है। इस अध्ययन में, एचआरसीटी और एमआरआई डेटा के पंजीकरण के माध्यम से एक यथार्थवादी और सटीक 3 डी प्रिंटिंग मॉडल प्राप्त किया गया था। हड्डी की संरचना की पारदर्शी छपाई और लैमिनेट की नियोजन सीमा की रंगाई ने सर्जिकल शरीर रचना विज्ञान के मॉडल के सहज ज्ञान युक्त प्रतिनिधित्व को और बढ़ाया। परंपरागत रूप से, सर्जन मुख्य रूप से ऑपरेटिंग रूम में सर्जिकल कौशल प्राप्त करते हैं, जो सर्जरी के जोखिम को बढ़ाता है जब युवा सर्जन पहली बार अभ्यास12 में ऐसे कौशल हासिल करने का प्रयास करते हैं। उद्देश्य भौतिक 3 डी प्रिंटिंग मॉडल के साथ, वरिष्ठ सर्जन युवा चिकित्सकों को अपने शल्य चिकित्सा अनुभव को अधिक आसानी से संवाद कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, 3 डी प्रिंटिंग मॉडल विशिष्ट रूप से व्यक्तियों को वास्तविक रोगी संरचनात्मक पुनर्निर्माण के आधार पर नकली शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण प्रदान कर सकते हैं, संभावित रूप से चिकित्सा प्रक्रियाओं की सुरक्षा में सुधार करते हुए एसडीआर के लिए चिकित्सक सीखने की प्रक्रिया को तेज कर सकते हैं। कुल मिलाकर, यह दृष्टिकोण सर्जिकल प्रशिक्षण को बढ़ाने और रोगी के परिणामों में सुधार करने में बहुत वादा करता है।
वर्तमान में, आर्थोपेडिक्स में 3 डी प्रिंटिंग का अनुप्रयोग अन्वेषण चरण में बना हुआ है, और मौजूदा बायोमटेरियल तकनीक विभिन्न मानव ऊतकों की सामग्रियों का सटीक रूप से प्रतिनिधित्व करने औरजोड़ों के बायोमैकेनिक्स का अनुकरण करने में कम है। लैमिनेक्टॉमी के दौरान, विभिन्न ऊतकों के लोचदार मॉडल जटिल होते हैं और डिस्क गति और श्वसन गति16,17 द्वारा व्यवधान के अधीन होते हैं। इसलिए, यह अध्ययन काटने के ऑपरेशन के दौरान इंट्राऑपरेटिव रोगी की वास्तविक स्थिति को पूरी तरह से दोहरा नहीं सकता है, जिसके लिए बायोमैकेनिक्स और सामग्री विज्ञान में 3 डी प्रिंटिंग मॉडल पर और शोध की आवश्यकता है। इसके अलावा, इस अध्ययन में नियोजित संलयन प्रक्रिया में और सुधार किया जा सकता है यदि सीटी और एमआरआई उपकरण दोनों के लिए चिकित्सा इमेजिंग प्रक्रियाओं के दौरान एक समन्वय पंजीकरण विधि तैयार की जा सकती है, जो संभावित रूप से सटीकता को बढ़ाती है।
यदि सीटी और एमआरआई उपकरण दोनों के लिए चिकित्सा इमेजिंग प्रक्रियाओं के दौरान एक समन्वय पंजीकरण विधि तैयार की जा सकती है, तो इस अध्ययन की संलयन प्रक्रिया सटीकता में और सुधार कर सकती है। अनुसंधान के इस हिस्से में अपेक्षित क्रमिक सुधार जारी है। वर्तमान में, मॉडल स्पाइनल तंत्रिका फाइबर बंडलों पर जानकारी पूरी तरह से प्रदर्शित नहीं कर सकता है। आगामी वैज्ञानिक कार्य में, प्रसार टेन्सर इमेजिंग का उपयोग रीढ़ की हड्डी के तंत्रिका फाइबर बंडलों को ट्रैक करने के लिए किया जाएगा और एसडीआर के लिए अधिक विस्तृत 3 डी डिजिटल मॉडल प्राप्त करने के लिए जोड़ा जाएगा।
अंत में, इस अध्ययन में एसडीआर के लिए 3 डी प्रिंटिंग मॉडल न केवल प्रीऑपरेटिव प्लानिंग के लिए विस्तृत और सटीक डेटा प्रदान करता है, बल्कि एसडीआर प्रशिक्षण के लिए एक मुख्य माध्यम भी प्रदान करता है। मॉडल एमआरआई से नरम ऊतक संरचना के साथ सीटी से हड्डी की संरचना को सफलतापूर्वक फ्यूज करता है। इस छवि समूह संलयन प्रतिमान की सफलता एक पूरक बनाने के लिए दो महत्वपूर्ण चिकित्सा छवि स्रोतों के संबंधित लाभों का लाभ उठाती है। यह शोध प्रतिमान चिकित्सा इमेजिंग निदान, उपचार और रोग का निदान मूल्यांकन के अन्य क्षेत्रों में भी समान रूप से महत्वपूर्ण भूमिका निभाएगा।
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Disclosures
इस अध्ययन में डिजिटल मॉडल सह-लेखक फांगलियांग शिंग द्वारा पुनर्निर्मित हैं।
Acknowledgments
इस प्रकाशन को बीजिंग म्यूनिसिपल नेचुरल साइंस फाउंडेशन (एल 192059) द्वारा समर्थित किया गया था।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| J55 Prime 3D-Printer | Stratasys | J55 Prime | Manufacturing the model |
| MATLAB | MathWorks | 2022B | Computing and visualization |
| Mimics | Materialise | Mimics Research V20 | Model format transformation |
| Tools for volum fusion | Intelligent Entropy | VolumeFusion V1.0 | Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion |
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