Summary
Ziel dieser Studie ist es, ein 3D-gedrucktes Modell eines patientenspezifischen Lendenwirbels zu erstellen, das sowohl die Wirbel- als auch die Spinalnervenmodelle enthält, die aus hochauflösenden Computertomographie- (HRCT) und MRT-Dixon-Daten fusioniert wurden.
Abstract
Die selektive dorsale Rhizotomie (SDR) ist eine schwierige, riskante und anspruchsvolle Operation, bei der eine Laminektomie nicht nur ein ausreichendes chirurgisches Sichtfeld freilegen, sondern auch die Spinalnerven des Patienten vor Verletzungen schützen soll. Digitale Modelle spielen eine wichtige Rolle bei der Prä- und Intraoperation der SDR, denn sie können nicht nur Ärzte mit dem anatomischen Aufbau des Operationsfeldes vertraut machen, sondern auch präzise chirurgische Navigationskoordinaten für den Manipulator liefern. Ziel dieser Studie ist es, ein digitales 3D-Modell eines patientenspezifischen Lendenwirbels zu erstellen, das für die Planung, die chirurgische Navigation und das Training der SDR-Operation verwendet werden kann. Das 3D-Druckmodell wird auch für ein effektiveres Arbeiten während dieser Prozesse hergestellt.
Herkömmliche orthopädische digitale Modelle stützen sich fast ausschließlich auf Computertomographie-Daten (CT), die weniger empfindlich auf Weichteile reagieren. Die Fusion der Knochenstruktur aus der CT und der neuronalen Struktur aus der Magnetresonanztomographie (MRT) ist das Schlüsselelement für die Modellrekonstruktion in dieser Studie. Das patientenspezifische digitale 3D-Modell wird für das reale Erscheinungsbild des Operationsbereichs rekonstruiert und zeigt die genaue Messung der interstrukturellen Abstände und der regionalen Segmentierung, was bei der präoperativen Planung und dem Training der SDR effektiv helfen kann. Das transparente Knochenstrukturmaterial des 3D-gedruckten Modells ermöglicht es den Chirurgen, die relative Beziehung zwischen dem Spinalnerv und der Wirbelplatte des operierten Segments klar zu unterscheiden und so ihr anatomisches Verständnis und ihr räumliches Verständnis der Struktur zu verbessern. Die Vorteile des individualisierten digitalen 3D-Modells und seine genaue Beziehung zwischen Spinalnerven- und Knochenstrukturen machen diese Methode zu einer guten Wahl für die präoperative Planung von SDR-Operationen.
Introduction
Mehr als die Hälfte aller Kinder mit Zerebralparese 1 sind von einer spastischen Zerebralparesebetroffen, die zu Sehnenkontrakturen, einer abnormen Skelettentwicklung und einer verminderten Mobilität führt, was die Lebensqualität der betroffenen Kinderstark beeinträchtigt 2. Als wichtigste chirurgische Methode zur Behandlung der spastischen Zerebralparese ist die selektive dorsale Rhizotomie (SDR) in vielen Ländern vollständig validiert und empfohlen worden 3,4. Die komplizierte und risikoreiche Natur der SDR-Chirurgie, einschließlich des präzisen Schneidens der Lamina, der Positionierung und Dissoziation von Nervenwurzeln und des Durchtrennens von Nervenfasern, stellt jedoch eine große Herausforderung für junge Ärzte dar, die gerade erst beginnen, sich mit SDR in der klinischen Praxis zu beschäftigen. Außerdem ist die Lernkurve von SDR sehr steil.
In der traditionellen orthopädischen Chirurgie müssen Chirurgen alle präoperativen zweidimensionalen (2D) Bilder mental integrieren und einen 3D-Operationsplan erstellen5. Dieser Ansatz ist besonders schwierig für die präoperative Planung mit komplexen anatomischen Strukturen und chirurgischen Manipulationen, wie z. B. SDR. Mit Fortschritten in der medizinischen Bildgebung und Computertechnologie können axiale 2D-Bilder wie Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) verarbeitet werden, um virtuelle 3D-Modelle mit patientenspezifischer Anatomie zu erstellen6. Mit einer verbesserten Visualisierung können Chirurgen diese verarbeiteten Informationen analysieren, um detailliertere Diagnosen, Planungen und chirurgische Eingriffe zu erstellen, die auf den Zustand des Patienten zugeschnitten sind. In den letzten Jahren hat die Anwendung der multimodalen Bildfusionstechnologie in der Orthopädie allmählich Aufmerksamkeit erregt7. Diese Technologie könnte CT- und MRT-Bilder fusionieren und so die Genauigkeit des analogen digitalen 3D-Modells erheblich verbessern. Die Anwendung dieser Technik in präoperativen Modellen der SDR ist jedoch noch nicht erforscht.
Die genaue Positionierung der Lamina und des Spinalnervs sowie das präzise Schneiden während der SDR-Operation sind entscheidend für erfolgreiche Ergebnisse. In der Regel beruhen diese Aufgaben auf der Erfahrung von Experten und werden während der Operation immer wieder von einem C-Bogen bestätigt, was zu einem komplexen und zeitaufwändigen chirurgischen Prozess führt. Das digitale 3D-Modell dient als Grundlage für die zukünftige chirurgische SDR-Navigation und kann auch für die präoperative Planung von Laminektomie-Eingriffen verwendet werden. Dieses Modell verschmilzt die Knochenstruktur aus der CT mit der Spinalnervenstruktur aus dem MRT und ordnet den nach dem Operationsplan zum Schneiden markierten Lendenwirbelabschnitten unterschiedliche Farben zu. Solche holografischen 3D-Druckmodelle für SDR erleichtern nicht nur die präoperative Planung und Simulation, sondern geben auch genaue 3D-Navigationskoordinaten für präzises Schneiden an den intraoperativen Roboterarm aus.
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Protocol
Alle Daten stammen von der klinischen Patientin, deren SDR-Operation im BJ Dongzhimen Hospital durchgeführt wurde. Das Protokoll folgt den Richtlinien des Forschungsethikkomitees des Dongzhimen-Krankenhauses und wurde von diesem genehmigt.
ANMERKUNG: Die gesamte Karte des Modellrekonstruktionsprotokolls ist in Abbildung 1 dargestellt. Die hochauflösenden Computertomographie-Daten (HRCT) und die Dixon-Daten sind Rohmaterial für die Modellierung. Die Erstellung des 3D-Modells besteht dann aus der Bildregistrierung und -fusion. Das endgültige digitale 3D-Modell wird mit der PolyJet-Technologie gedruckt, einem hochpräzisen 3D-Druckverfahren, das glatte und genaue Teile aus einer Vielzahl von Materialien herstellt. Um die räumliche Beziehung zwischen Wirbel und Spinalnerv exakt beschreiben zu können, werden HRCT-Daten und Dixon-Bildserien verwendet. Das Dixon-Scanning kann Wasser- und Fetttrennungsbilder identifizieren, in denen die Dixon-Wasserphasen-Bildserie verwendet werden kann, um die Struktur der Spinalnerven zu extrahieren, und die Dixon-in-Phase-Bildserie verwendet werden kann, um die Registrierung der Knochenstruktur zu überprüfen.
Abbildung 1: Die gesamte Karte des Protokolls. Die Forschungsmethodik dieser Studie beinhaltet die Fusion von CT- und Magnetresonanz-Dixon-Sequenzen. Konkret wird die CT-Wirbelstruktur mit der identischen Wirbelstruktur registriert, die in der Dixon-in-Sequenz enthalten ist, gefolgt von einer Fusion mit der Dixon-w-Sequenz für den Spinalnerv. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
1. Datenerhebung und -aufbereitung
- Hochauflösendes CT für Wirbel
HINWEIS: Der Parameterunterschied hängt nicht von der Forschungsmethode ab.- Legen Sie die Datenressourcen von der CT-Gerätestation fest.
HINWEIS: Hier kommt das CT-Gerät SIEMENS-CTAWP73396 zum Einsatz. - Öffnen Sie die Syngo CT 2012B-Software , um Daten vom Scanprotokoll SpineRoutine_1 zu empfangen. Wählen Sie die Pixelgröße und die Schichtdicke (ST) des Datensatzes aus, um sie an die Größe der Wirbel anzupassen, die im digitalen 3D-Modell dargestellt werden sollen.
- Verwenden Sie einen ST von 1 mm mit einer Matrixgröße von 512 Pixel x 512 Pixel, wobei der Pixelabstand 0,3320 mm beträgt. Die tatsächliche Größe des erreichten 3D-Volumens beträgt 512 x 512 x 204 Voxel.
- Legen Sie die Datenressourcen von der CT-Gerätestation fest.
- Dixon-Sequenz für den Spinalnerv
HINWEIS: In dieser Studie wird ein 1,5-T-MRT-Gerät verwendet.- Stellen Sie die Dixon-Bildauflösung auf 290 Pixel x 320 Pixel, den Pixelabstand auf 0,9375 mm und die Schichtdicke auf 3 mm ein, um genaue Daten zu erhalten.
- Stellen Sie die Wiederholungszeit auf 5.160 ms und die Echozeit auf 94 ms ein.
- Stellen Sie sicher, dass jede gescannte Schicht aus Vier-Phasen-Bildern besteht, nämlich Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F und Dixon-w.
- Bereiten Sie Datenspeicherdateien für die Modellrekonstruktion vor.
HINWEIS: Eine klar definierte Datenspeicherstruktur ist für die Nachverfolgung bequemer.- Erstellen Sie einen Projektordner, der alle Daten des Patienten enthält.
- Bereiten Sie verschiedene Dateipfade für HRCT- und MRT-Dixon-Daten vor, indem Sie verschiedene Ordner für die DICOM-Daten (Digital Imaging and Communications in Medicine) erstellen.
- Erstellen Sie unter dem Projekt einen separaten Ordner für alle Analyseergebnisse.
2. Das digitale 3D-Wirbelmodell
HINWEIS: Alle Teilprozessfunktionen stammen von Software-Tools, deren Eigentum Beijing Intelligent Entropy Science &; Technology Co Ltd. ist.
- Rufen Sie den Dicom2Mat-Unterprozess im MATLAB-Arbeitsplatz auf, um das 3D-Volumen aus den DICOM-Dateien abzurufen, die im HRCT-Datenordner gespeichert sind.
- Nachdem Sie den Dicom2Mat-Unterprozess durchlaufen haben, zeigen Sie jeden Slice innerhalb des 3D-Volumens über die grafische Benutzeroberfläche (GUI) an, wie in Abbildung 2 dargestellt.
- Visualisieren Sie dann die Intensitätsverteilung der HRCT-Daten der Wirbel anhand der hist-Funktion (Abbildung 3).
- Rufen Sie den NoiseClean-Unterprozess auf, um das vom Gerät erzeugte Signalrauschen unter den HRCT-Datendateipfaden zu löschen.
- Verwenden Sie den Unterprozess "Wirbelfunktion" unter demselben Pfad, um das Wirbelmodell zu erhalten, bei dem es sich ebenfalls um ein 3D-Volumen handelt, jedoch nur mit der Knochenstruktur (Abbildung 4). Die Parameter des Hochpassfilters mit einer Intensität von 190 bis 1.656.
3. Das digitale 3D-Spinalnervenmodell
HINWEIS: Dixon-in enthält die Knochenstruktur, während Dixon-w die neuronale Struktur beschreibt.
- Verwenden Sie den Dicom2Mat-Unterprozess in beiden Pfaden der Dixon-in- und Dixon-w-Sequenzen, um deren 3D-Volumen zu erhalten.
- Visualisieren Sie außerdem jede einzelne Schicht, die ein 3D-Volumen darstellt, mithilfe der in Abbildung 5 dargestellten grafischen Oberfläche. Greifen Sie auf diese Visualisierung zu, sobald der Dicom2Mat-Teilprozess abgeschlossen ist.
- Verwenden Sie die Funktion Spinal_Nerve , um das Spinalnervenmodell mit Hochpassfilterparametern zu rekonstruieren, deren Intensität von 180 bis 643 reicht. Da die Signale des Nervs in der Dixon-w-Sequenz sehr hoch sind, extrahieren Sie das 3D-Volumen des Spinalnervs, indem Sie Punkte mit geringer Intensität herausfiltern.
- Wenn der Spinal_Nerve Teilprozess abgeschlossen ist, überprüfen Sie das Modell, das in der in Abbildung 6 gezeigten grafischen Benutzeroberfläche generiert wurde.
4. Registrierung und Verschmelzung
HINWEIS: Die wichtigste Erkenntnis ist, dass die Knochenarchitektur sowohl in der HRCT- als auch in der Dixon-in-Bildgebungssequenz vorhanden ist.
- Kopieren Sie die drei bisher erhaltenen 3D-Volumen in den Dateipfad des Projekts, das Sie in Schritt 3.1 erstellt haben. Die Modelle von HRCT und Dixon-in haben die gleiche Wirbelstruktur, und die Modelle von Dixon-in und Dixon-w haben die gleichen Koordinaten.
- Geben Sie dann die Dateinamen der drei Modelle als Eingabe in den vertebra_fusion-Unterprozess ein, um das Fusionsmodell zu generieren. Dies kann in Abbildung 7 visualisiert werden.
- Die Fusion ist in der Regel gut gelungen. Wenn aus Sicht des Arztes eine Feinabstimmung erforderlich ist, fügen Sie derselben Funktion Koordinatenparameter in alle Richtungen hinzu, um das Fusionsmodell zu korrigieren. Wenn aus klinischer Sicht leichte Fehler bei der Fusion beobachtet werden, verwenden Sie die vertebra_fusion-Funktion , um die Fusionskoordinaten fein abzustimmen. Dieser Prozess beinhaltet Parameteranpassungen an den sechs Dimensionen der Koordinatenrichtung (XYZ-Koordinaten und deren Drehung).
- Erstellen Sie im Projektverzeichnis einen separaten Ordner für die Ausgabe des Ergebnisses des Fusionsmodells.
5. Digitale Modelldateien für den 3D-Druck
HINWEIS: Für die Herstellung des oben genannten digitalen Modells wird eine ausgereifte 3D-Druckvorrichtung mit der Implementierung von Delaunay-Triangulationen verwendet. Hier kam der Stratasys J55 Prime 3D-Drucker zum Einsatz.
- Exportieren Sie die für den 3D-Druck zu verwendenden Fusionsmodelle in den DICOM-Formatsequenzen unter den Dateipfad des Fusionsverzeichnisses. Verwenden Sie den Mat2Dicom-Algorithmus, um den Exportvorgang auszuführen, indem Sie das Fusionsmodell eingeben.
- Öffnen Sie die DICOM-Dateisequenz, die zuvor mit Materialise Mimics V20 exportiert wurde. Um den Exportvorgang durchzuführen, navigieren Sie zum Menü Exportieren auf der Registerkarte Datei und wählen Sie das VRML-Format aus. Der Dateipfad für den Export kann frei an die Anforderungen des Benutzers angepasst werden.
- Da es sich beim transparenten bunten 3D-Druck um eine professionelle Dienstleistung handelt, komprimieren und verpacken Sie die VRML-Dateien und senden Sie sie an den Dienstleister. Das Ergebnis des 3D-Drucks ist in Abbildung 8 dargestellt.
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Representative Results
Basierend auf lumbalen CT/MRT-Bildfusionsdaten bei Kindern mit Zerebralparese erstellten wir ein repräsentatives Modell der Lendenwirbelsäule in Kombination mit Spinalnerven. Mittels Hochpassfilterung wurde das Hochsignal im CT-Wertebereich von 190-1.656 aus der HRCT extrahiert, um die Rekonstruktion der Knochenstruktur der Lendenwirbelsäule im Operationsgebiet zu erreichen. Spinalnervenstrukturen wurden durch Hochpassfilterung von Dixon-w-Sequenzen in der MRT rekonstruiert. Die Koordinaten des digitalen Modells und der Punktwolke der lumbalen Wirbelstruktur und der Spinalnervenfusion wurden durch starre Registrierung ermittelt und die Datei im Stereolithographie-Format (STL) für die Datenmessung und die weitere Druckverarbeitung gespeichert. Die digitalen STL-Modelldateien werden in das VRML-Format konvertiert, um sie auf den Stratasys J55 Prime 3D-Drucker zu übertragen. Um die Anatomie des Operationsfeldes während der SDR-Operation aktiv zu demonstrieren, haben wir die Knochen in transparentem Harz gedruckt und die anderen Teile in verschiedenen Farben gedruckt. Das 3D-gedruckte Modell kann dann die räumliche Beziehung der wichtigsten Operationsstellen in der SDR für Chirurgen und Patienten während der präoperativen Planung und des Trainings aufzeigen.
Das erhaltene personalisierte 3D-Lendenwirbelsäulenmodell bietet die Möglichkeit zur präoperativen Planung und zum Training der SDR. Verschiedene Farbtöne werden verwendet, um die Strukturen wie Knochen und Nerven zu färben und zu unterscheiden. Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist die Spinalnervenstruktur gelb gefärbt und die Lamina der L4- und L5-Segmente im entsprechenden Operationsbereich sind durch eine rote bzw. blaue Färbung gekennzeichnet. Die Knochenstruktur wird mit einem transparenten Harzmaterial gedruckt, das eine gute Perspektive hat, so dass Ärzte die Nervenstruktur unter der Lamina durch die Knochenstruktur beobachten können. Das personalisierte, maßgeschneiderte Modell stellt die entsprechende Beziehung zwischen der lumbalen Knochenstruktur im Operationsbereich und der Anatomie des Spinalnervs wieder her und ermöglicht es den Ärzten, die geeignete Schnittrichtung und -reichweite vor der Operation besser zu definieren.
Abbildung 2: Die grafische Benutzeroberfläche von Slices im Volume aus HRCT-Daten. Über die in der Abbildung gezeigte grafische Benutzeroberfläche können Chirurgen die Wirbelsäulenstruktur anzeigen, die in allen CT-Daten enthalten ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Die Intensitätsverteilung der HRCT-Daten der Wirbel. Diese quantitativen Informationen sind hilfreich bei der Bestimmung des Filterbereichs der Wirbelstruktur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Die GUI des 3D-Volumens der Wirbel. Die Abbildung zeigt die drei Ansichten der Wirbel und des 3D-Volumens gleichzeitig. Über diese GUI können Chirurgen die Wirbel von Patienten aus jeder gewünschten Perspektive beobachten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Die grafische Benutzeroberfläche von Slices im Volume von Dixon-in und Dixon-w. Die Dixon-Bildgebung kann schnell durchsucht werden, und die Bilder der Wirbel und Spinalnerven der Patienten können überprüft werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 6: Die GUI des 3D-Volumens des Spinalnervs. Die 3D-Rekonstruktion der Dixon-w-Sequenz des Patienten zur Beobachtung der 3D-Struktur des Spinalnervs des Patienten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Die GUI des Fusionsmodells (digitales 3D-Volumen). Das 3D-Volumen enthält sowohl die Wirbelstruktur aus den CT-Daten als auch die 3D-Struktur des Spinalnervs aus der Magnetresonanz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 8: Das 3D-Druckmodell für die SDR-Planung und -Schulung. Das transparente, farbenfrohe 3D-Druckmodell zeigt die anatomische Struktur des Bereichs, in dem eine SDR-Operation am Patienten durchgeführt werden muss. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
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Discussion
Diese Studie bietet einen Workflow für die Erstellung eines präoperativen 3D-Druckmodells der Lendenwirbelsäule bei Patienten mit Zerebralparese, mit dem Ziel, die präoperative Planung für SDR-Operationen zu erleichtern und das anatomische Training auf der Grundlage des spezifischen Modells des Patienten zu verbessern. Ziel der Studie ist es, ein hochzuverlässiges 3D-gedrucktes Modell zu erstellen, das die Lendenwirbel- und Nervenstrukturen des Patienten genau darstellt. Durch die Messung der Position der Lamina und des Spinalnervs im Modell vor der Operation kann eine präzise Planung des Laminaschnitts erreicht werden, was zur Optimierung der chirurgischen Eingriffe und zur Erlangung der Beherrschung der SDR-Operationstechnologie führt.
Der wichtigste Schritt, der in dieser Studie untersucht wurde, war die Fusion von CT- und Dixon-Sequenzen. Die Fusion beruhte auf dem Vorhandensein der gleichen Knochenstrukturen sowohl in den CT-Daten als auch in den Dixon-in-Sequenzen sowie auf der Tatsache, dass die Dixon-in- und Dixon-w-Daten im selben Koordinatensystem lagen. Dies ermöglichte die endgültige Verschmelzung der Spinalnerven und der Wirbelknochenstrukturen. Der zweite wichtige Schritt war der Einsatz der farbtransparenten Drucktechnologie zur Herstellung des digitalen 3D-Modells. Diese Drucktechnologie war in der Lage, die anatomischen Strukturen des Patienten, die genaue Lage der Laminektomie und die relative Position der Foramina intervertebralis und der Nervenwurzeln hervorzuheben.
In den letzten Jahrzehnten haben viele chirurgische Teams innovative Techniken für SDR8,9 entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf der Minimierung von Wirbelsäulenschäden während des Eingriffs liegt. Dies ergibt sich aus der gut etablierten Wirksamkeit der Langsegmentchirurgie bei der Linderung von Spasmen sowie aus Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen einer umfangreichen Laminektomie auf die Wirbelsäulenstabilität10. Eine erfolgreiche SDR-Operation erfordert eine kritische Laminektomie, die sowohl ausreichende Schnitte der Lamina erfordert, um weitere neurochirurgische Manipulationen zu ermöglichen, als auch den Erhalt einer ausreichenden Lamina, um eine Destabilisierung der Wirbelsäule zu vermeiden. Präzises laminares Schneiden ohne Beschädigung oder negative Auswirkungen während des Betriebs erfordert ein umfassendes Verständnis der Position, Größe und des Querschnitts des Schnitts. Derzeit stützt sich die präoperative SDR-Bewertung in erster Linie auf CT/MRT-Bildgebung und klinische Erfahrung, die den Anforderungen präziser Schnittoperationen möglicherweise nicht vollständig entspricht. In den letzten Jahren hat sich die Anwendung der multimodalen Bildfusion in der Wirbelsäulenchirurgie als sehr wertvoll erwiesen, während einschlägige Forschung noch selten ist. Ziel dieser Studie war es daher, präoperatives CT und MRT der Lendenwirbelsäule zu verschmelzen, um ein digitales 3D-Modell zu rekonstruieren, das sowohl die Knochenstruktur als auch die Spinalnerven genau darstellt. Das rekonstruierte digitale 3D-Modell wurde weiter 3D-gedruckt und konnte für eine effektive Arzt-Patienten-Kommunikation und präoperative Planung genutzt werden. Die präzise Positionierung des lumbalen Nervenwurzelausgangs ermöglichte ein besseres Verständnis der räumlichen Beziehung zwischen den Wirbeln und der Nervenwurzel, was sowohl für Chirurgen als auch für Operationsroboter eine effiziente Operation ermöglichte.
Darüber hinaus weisen Kinder mit Zerebralparese eine ausgeprägte Wirbelsäulen- und Skelettentwicklung auf, die durch eine hypoplastische trabekuläre Knochenmikrostruktur, einen dünnen Kortex und eine geringe Knochenstärke gekennzeichnetist 11. Diese einzigartigen anatomischen Merkmale und komplexen Manipulationen machen die SDR-Chirurgie zu einer Herausforderung. Daher haben wir die 3D-Drucktechnologie eingesetzt, um anatomisch präzise Lendenwirbelmodelle von echten Patienten herzustellen, die eine objektive Referenz für das chirurgische Lernen bieten. Diese Technik ist ideal für weniger erfahrene Chirurgen und kann möglicherweise die Lernzeit verkürzen12. Darüber hinaus bieten individuell zugeschnittene Modelle den zusätzlichen Vorteil, dass sie die einzigartige Struktur des Patienten vollständig wiederherstellen und wertvolle Erkenntnisse für Patienten mit komplexen anatomischen Variationen liefern13,14.
Eine qualitativ hochwertige Erstbildaufnahme ist für einen erfolgreichen 3D-Druck unerlässlich15. In dieser Studie wurde durch die Registrierung von HRCT- und MRT-Daten ein realistisches und genaues 3D-Druckmodell erhalten. Der transparente Druck der Knochenstruktur und die Färbung des Planungsbereichs der Laminae verbesserten die intuitive Darstellung der chirurgischen Anatomie durch das Modell zusätzlich. Traditionell erwerben Chirurgen chirurgische Fähigkeiten hauptsächlich im Operationssaal, was das Operationsrisiko erhöht, wenn jüngere Chirurgen zum ersten Mal versuchen, solche Fähigkeiten in der Praxis zu erwerben12. Mit objektiven physischen 3D-Druckmodellen können erfahrene Chirurgen ihre chirurgische Erfahrung leichter an jüngere Ärzte weitergeben. Darüber hinaus können die 3D-Druckmodelle Einzelpersonen auf einzigartige Weise ein simuliertes chirurgisches Training auf der Grundlage einer realen strukturellen Rekonstruktion des Patienten bieten, was den Lernprozess des Arztes für SDR beschleunigen und gleichzeitig die Sicherheit medizinischer Verfahren verbessern kann. Insgesamt ist dieser Ansatz sehr vielversprechend für die Verbesserung der chirurgischen Ausbildung und die Verbesserung der Patientenergebnisse.
Derzeit befindet sich die Anwendung des 3D-Drucks in der Orthopädie noch in der Forschungsphase, und die bestehende Biomaterialtechnologie reicht nicht aus, um die Materialien verschiedener menschlicher Gewebe genau darzustellen und die Biomechanik von Gelenken zu simulieren5. Während einer Laminektomie sind die elastischen Modelle verschiedener Gewebe komplex und unterliegen einer Störung durch Bandscheibenbewegungen und Atembewegungen16,17. Daher kann diese Studie den realen Zustand des intraoperativen Patienten während des Schneidevorgangs nicht vollständig nachbilden, was weitere Untersuchungen des 3D-Druckmodells in der Biomechanik und den Materialwissenschaften erfordert. Darüber hinaus könnte das in dieser Studie verwendete Fusionsverfahren weiter verbessert werden, wenn während der medizinischen Bildgebungsverfahren sowohl für die CT- als auch für die MRT-Geräte eine Koordinatenregistrierungsmethode entwickelt werden kann, die möglicherweise die Genauigkeit erhöht.
Wenn eine Koordinatenregistrierungsmethode für medizinische Bildgebungsverfahren sowohl für CT- als auch für MRT-Geräte entwickelt werden kann, kann das Fusionsverfahren dieser Studie die Genauigkeit weiter verbessern. Die erwartete allmähliche Verbesserung in diesem Teil der Forschung ist noch nicht abgeschlossen. Derzeit kann das Modell keine vollständigen Informationen über Spinalnervenfaserbündel anzeigen. In der bevorstehenden wissenschaftlichen Arbeit wird die Diffusions-Tensor-Bildgebung weiter verwendet, um Spinalnervenfaserbündel zu verfolgen, und fusioniert, um ein detaillierteres digitales 3D-Modell für SDR zu erhalten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das 3D-Druckmodell für SDR in dieser Studie nicht nur detaillierte und genaue Daten für die präoperative Planung liefert, sondern auch ein Kernmedium für das SDR-Training darstellt. Das Modell fusioniert erfolgreich die Knochenstruktur aus der CT mit der Weichteilstruktur aus der MRT. Der Erfolg dieses Bildgruppenfusionsparadigmas nutzt die jeweiligen Vorteile zweier wichtiger medizinischer Bildquellen, um eine Ergänzung zu bilden. Dieses Forschungsparadigma wird auch in anderen Bereichen der medizinischen Bildgebung, Diagnose, Behandlung und Prognosebewertung eine ebenso wichtige Rolle spielen.
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Disclosures
Die digitalen Modelle in dieser Studie werden von Co-Autor Fangliang Xing rekonstruiert.
Acknowledgments
Diese Publikation wurde von der Beijing Municipal Natural Science Foundation unterstützt (L192059).
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 |
References
- Rosenbaum, P., et al. A report: the definition and classification of cerebral palsy April 2006. Developmental Medicine and Child Neurology. Supplement. 109, 8-14 (2007).
- Krigger, K. W.
- Davidson, B., Fehlings, D., Milo-Manson, G., Ibrahim, G. M. Improving access to selective dorsal rhizotomy for children with cerebral palsy. Canadian Medical Association Journal. 191 (44), E1205-E1206 (2019).
- Buizer, A. I. Selective dorsal rhizotomy in children with cerebral palsy. The Lancet. Child & Adolescent Health. 3 (7), 438-439 (2019).
- Wong, K. C.
- Wong, K. C., Kumta, S. M., Geel, N. V., Demol, J. One-step reconstruction with a 3D-printed, biomechanically evaluated custom implant after complex pelvic tumor resection. Computer Aided Surgery. 20 (1), 14-23 (2015).
- Zhu, R., Li, X., Zhang, X., Ma, M. MRI and CT medical image fusion based on synchronized-anisotropic diffusion model. IEEE Access. 8, 91336-91350 (2020).
- Park, T. S., Gaffney, P. E., Kaufman, B. A., Molleston, M. C. Selective lumbosacral dorsal rhizotomy immediately caudal to the conus medullaris for cerebral palsy spasticity. Neurosurgery. 33 (5), 929-934 (1993).
- Sindou, M., Georgoulis, G. Keyhole interlaminar dorsal rhizotomy for spastic diplegia in cerebral palsy. Acta Neurochirurgica. 157 (7), 1187-1196 (2015).
- Peacock, W. J., Staudt, L. A. Selective posterior rhizotomy: evolution of theory and practice. Pediatric Neurosurgery. 17 (3), 128-134 (1991).
- Vitrikas, K., Dalton, H., Breish, D.
- Niikura, T., et al. Tactile surgical navigation system for complex acetabular fracture surgery. Orthopedics. 37 (4), 237-242 (2014).
- Lepisto, J., Armand, M., Armiger, R. S. Periacetabular osteotomy in adult hip dysplasia-developing a computer aided real-time biome-chanical guiding system (BGS). Finnish Journal of Orthopaedics and Traumatology. 31 (2), 186-190 (2008).
- Armiger, R. S., Armand, M., Tallroth, K., Lepisto, J., Mears, S. C. Three-dimensional mechanical evaluation of joint contact pressure in 12 periacetabular osteotomy patients with 10-year follow-up. Acta Orthopaedica. 80 (2), 155-161 (2009).
- Rengier, F., et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 5 (4), 335-341 (2010).
- Jiang, Z., et al. Model-based compensation of moving tissue for state recognition in robotic-assisted pedicle drilling. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 2 (3), 463-473 (2020).
- Setton, L. A., Chen, J. Mechanobiology of the intervertebral disc and relevance to disc degeneration. The Journal of Bone and Joint Surgery. American. 88, 52-57 (2006).
