Üç Boyutlu Rekonstrüksiyon – Rehberli Bir Perkütan Endoskopik Bel Diski Konumlandırma Cihazının Domuz Omurga Modelinde

Summary

Bu çalışmada geliştirilen perkutan endoskopik omurgalararası disk pozisyon alma cihazı, omurlararası disklerin konumlandırılmasına yardımcı olabilir. Bu cihaz, radyasyon maruziyetini azaltır ve genç omurga cerrahları için teknik eğitimi destekler.

Abstract

Bel disk fıtığı (LDH), genellikle travma veya kötü duruş sonucu dörediği halka şeklinde bozulma nedeniyle oluşur; bu bozulma çekirdek pulposus materyalinin ekstrüzyonuna ve bel sinir köklerinin sıkışmasına yol açar. Bu durum genellikle radiküler ağrı ve alt sırttan alt ekstremitelere yayılan duyusal bozukluklarla ortaya çıkar. Çoğu vaka konservativ olarak yönetilebilse de, şiddetli veya refrakter semptomlar cerrahi müdahale gerektirebilir; bunlar arasında konvansiyonel diskektomi, minimal invaziv mikroskobik diskektomi ve endoskopik diskektomi dahildir. Perkutan endoskopik bel diskektomisi (PELD) lokal anestezi altında yapılabilir; ancak işlem büyük ölçüde cerrahın deneyimine dayanır ve konumlandırma zorluğu, tekrarlanan floroskopik doğrulama ve artan radyasyon maruziyeti gibi teknik zorluklarla ilişkilidir. Bu çalışmanın amacı, PELD sırasında disk pozisyonunun hassasiyetini ve verimliliğini artırmak için tasarlanmış yeni bir perkutan endoskopik bel disk pozisyonlama cihazı geliştirmek ve değerlendirmekti. Bu çalışma, benzersiz bir perkütan endoskopik bel diski pozisyon cihazı geliştirmiştir. Cihaz, domuz omurgası ve bel omurgasının 3D modellerinin yeniden yapılandırılması ve onarılması, konveks taban plakasının üretimi, omurilik omurilik süreci ve disk konumlandırma rehber cihazlarının tasarımı, perkutan endoskopik bel diski minimal invaziv cerrahi navigasyon modülünün bilgisayar destekli tasarımı ve doğruluk testi ile gerçekleştirildi. Deneysel sonuçlar, cihazın domuz dikenlerinde konumları doğru şekilde tespit edebildiğini ve deneysel ortamlarda floroskopik bağımlılığı azaltabileceğini gösterdi. Konumlandırma cihazı, kesi boyutunu azaltarak, çevredeki kritik kan damarları ve sinir dokularına zarar vermeyi önleyerek ve çok yönlü cerrahi alet yönlendirme yolları sunarak cerrahi süreci kolaylaştırarak yüksek hassasiyet sağladı. Bu çalışmada tanımlanan perkutan endoskopik bel disk pozisyon cihazı, PELD sırasında omurgalar arası disk pozisyonuna yapılandırılmış, tekrarlanabilir bir yaklaşım sağlar. Bu yöntem, prosedür verimliliğini artırma, radyasyon maruziyetini sınırlama ve özellikle erken kariyer omurga cerrahları için cerrahi eğitimi destekleme potansiyeline sahiptir.

Introduction

Lomber disk fıtığı (LDH), çekirdek pulposus'un halka şeklinde bir defekt aracılığıyla omurilik kanalına veya sinir foramenine ekstrüzyonunu içerir ve bu da bel sinir kökünün sıkışmasına yol açar. Keskin ağrı, bacak krampları ve uyuşma gibi klinik semptomlar ortaya çıkar; hatta kas zayıflığı, atrofi, idrar ve dışkı kaçırma gibi kalıcı sonuçlar^{ortaya çıkabilir.} Çoğu hasta konservatif tedaviye yanıt verse de, dirençli semptomları veya ilerleyici nörolojik bozuklukları olanlar için cerrahi müdahale gereklidir.

Şiddetli LDH tedavisi için çeşitli cerrahi teknikler geliştirilmiştir; bunlar arasında geleneksel arka bel diskektomi¹, minimal invaziv mikroskopik^{diskektomi 2,3}, minimal invaziv endoskopik diskektomi ^4,5 ve perkutan endoskopik lomber diskektomi (PELD^)6,7 yer alır. Her tekniğin anestezi yöntemi, yumuşak doku müdahalesi, konumlandırma ve navigasyon tekniği ile floroskopi gereksinimi açısından artıları ve eksileri vardır. PELD, lokal anestezi altında yapılabilir ve minimal invaziv prosedürü sayesinde popülerlik kazanmıştır. PELD sırasında, gerçek zamanlı C-kol görüntüleme kullanılarak bir K-teli ve çalışan kanülün omurlar arası foramen üzerinden yerleştirilmesini lokalize etmek ve fıtıklı disk parçasına ulaşmak için kullanılır; ardından bu parça endoskopik cihazlarla çıkarılır. Bu teknik, lomber foraminal stenozun tedavisinde ve LDH ^8,9 vakalarının seçilmiş vakalarında da genişletilmiştir. Bu yöntemin avantajları arasında minimal yumuşak doku hasarı, daha az kanama, daha hızlı iyileşme ve lokal anestezi altında ameliyatın uygulanabilirliği^{yer alır 10,11}.

Bu avantajlara rağmen, PELD özellikle K-telinin ve çalışan kanülün ilk yerleştirilmesinde teknik zorluklar yaratır. Şu anda, bu cihazlar genellikle serbest el tekniği ile sürekli floroskopik rehberlik altında yerleştirilmektedir. Bu yaklaşım, cerrahları yoğun radyasyona maruz bırakır ve patolojik disk^parçası 11,12,13,14'ü doğru şekilde hedeflemek için dik bir öğrenme eğrisi gerektirir. Daha az deneyimli cerrahlarda, kanülün yanlış yerleştirilmesi eksik dekompresyon ve optimal olmayan klinik sonuçlara yol açabilir. Önceki çalışmalar, PELD sonrası geleneksel posterior diskektomi ile karşılaştırıldığında daha yüksek nüks ve tekrar ameliyat oranlarını^{bildirmiştir} 14,15,16. Ayrıca, K-telinin veya çalışan kanülün yanlış ilerlemesi, sinir kökü yaralanması, damar hasarı veya karın boşluğuna istemeden penetrasyon gibi komplikasyonlara yol^{açabilir 17,18}.

Geleneksel serbest el tekniğinin sınırlamalarını gidermek için, omurga cerrahlarının patolojik bölgeyi hassas şekilde hedeflemelerine ve floroskopik maruziyeti en aza indirmelerine yardımcı olacak benzersiz bir cihaz geliştirdik. Bu cihaz, ameliyat süresini kısaltmak, radyasyonla ilişkili maruziyet riskini azaltmak ve PELD'deki komplikasyonları azaltmak amacıyla tasarlanmıştır. Bu cihaz, özellikle hassas yol planlaması ve giriş noktasının belirlenmesinde perkütan endoskopik bel diskektomisinin (PELD) K-tel konumlandırma aşamasını kolaylaştırır. Uygulaması, özellikle hassas karmaşık anatomik konfigürasyonlar gerektiren veya tekrarlanan C-arm görüntülemeye bağımlılığın azaldığı durumlarda avantajlıdır. Bu cihazın, kariyerinin başındaki omurga cerrahlarının cerrahi performansını kolaylaştırabileceğine, klinik sonuçların iyileştirilmesine ve öğrenme eğrisini önemli ölçüde azaltabileceğine, aynı zamanda cerrahi eğitim ve öğretim için değerli bir araç olarak hizmet verebileceğine inanıyoruz.

Protocol

Bu makalede kullanılan domuz omurgası örnekleri yerel ticari pazarlardan temin edilmiştir. Bu örnekler, gıda amaçlı kesilmiş ve canlı hayvan bakımı olmadan yapılan hayvanlardan alındığı için, Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanım Komitesi (IACUC) tarafından inceleme ve onay gerektirmemiştir.

Bu çalışma, domuz omurgası örneklerinin üç boyutlu (3D) modellerini ve bel omurga simülasyon modellerini yeniden yapılandırıp iyileştirerek benzersiz bir perkutan endoskopik bel diski konumlandırma cihazı geliştirdi. Bu cihaz, yönlendirme cihazını, navigasyon modülünü ve konumlandırma cihazını içerir. Tüm sistem, konumlandırma ve hizalama testleriyle doğrulandı. Reaktifler ve kullanılan ekipmanlar Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir.

1. 3D model yeniden yapılandırması ve veri hazırlama

1. BT taraması: Domuz omurgası örnekleri ve L1-sakrum bel omurgası simüle edilmiş modeller üzerinde bilgisayarlı tomografi (BT) taraması yapıldı.
   DIKKAT: Tarama, kurşun-cam gözlem penceresi olan bir kontrol odasında yapılmalıdır.
2. CT makinesini kurun: 1 mm dilim kalınlığı, 300 mA tüp akımı, 0.5 saniye dönme süresi ve 120 kV tüp gerimi.
   NOT: Yüksek isabetli rekonstrüksiyonu korumak için her tarama için tutarlı CT makinesi tarama ayarlarını sağlayın.
3. Veri dışa aktarma: Tarama sonuçlarını işleme için DICOM görüntü dosyaları olarak dışa aktarın.
   NOT: 3D modeli STL formatına aktardıktan sonra, CAD tasarım aşamasına geçmeden önce dosyanın tamlığını kontrol edin.
4. 3D yeniden yapılandırma: DICOM veri setlerini üç boyutlu (3D) dijital modellere dönüştürmek ve STL dosyalarını dışa aktarmak için MATLAB kullanın.
5. Model tahsisi: Cihaz yapısal tasarımı için bel omurgası simüle edilmiş modeli, konumlandırma doğruluğu doğrulaması için ise domuz omurgası modelini belirler.

2. Konveks taban plakasının tasarımı ve üretimi

1. Referans haritalama: Cihazın konumlanmasını anatomik referans noktası olarak ön üst iliak omurga (ASIS) ve okanlı süreç kullanarak tanımlayın.
2. Taban plaka tasarımı: Hasta yatan pozisyondayken ASIS'in 3D konumunu yakalamak için özel olarak konfigüre edilmiş konveks bir taban plakası tasarlar.
   NOT: Dovetail eklem tasarım toleransları çok küçüktür; montaj hatalarını en aza indirmek için basılmış destekler tamamen çıkarılmalıdır.
3. Bileşen segmentasyonu: Temel plaka tasarımını, montajı kolaylaştırmak için güvercin kuyruğu eklemleriyle bağlanan dört ayrı bileşene ayırın.
4. Mekanik test: Plakayı üretin ve mekanik testler yapın, böylece yatan vücut ağırlığını destekleyebileceğini ve fizyolojik harekete direnç gösterebileceğini doğrulayın.

3. Kılavuz cihazı ve navigasyon modülünün tasarımı

1. Dikenli süreç yakalama: Dik yönlendirildiğinde dikenli süreçlerin konumunu doğru şekilde yakalamak için özel bir yapı tasarlamak.
2. Veri entegrasyonu: ASIS ve omurgin süreçlerin özel konumsal verilerini içeren kapsamlı bir 3D omurga modeli yeniden inşa edin.
3. Navigasyon modülü CAD: Entegre 3D modeli kullanarak omurgalar arası disk yönlendirme cihazını ve AutoCAD kullanarak perkütan navigasyon modülünü tasarlayın.
4. Referans noktası kurulumu: Navigasyon modülüne önceden tanımlanmış referans noktaları takarak tutarlı operasyon içi hizalanmayı sağlar.

4. Bilgisayar Destekli Üretim (CAM) ve Baskı

1. Veri ön işleme: Omurga görüntüleme dosyalarında veri temizliği yaparak gereksiz bilgileri ortadan kaldırın ve hesaplama verimliliğini optimize edin.
2. Destek yapısı tasarımı: Baskı sürecinde omurga modelinin kavisli yüzey geometrisine uyum sağlayacak kişiselleştirilmiş destek yapıları tasarlar.
3. FDM üretimi: Fiziksel omurga modeli ve navigasyon modülünü Akrilonitril Bütadien Stiren (ABS) kullanarak Füzelenmiş Birikme Modelleme (Stratasys FDM) aracılığıyla üretin. Baskı parametreleri: nozul 0,4 mm, katman yüksekliği 0,1 mm, baskı hızı 50 mm/s, yatak sıcaklığı 100 °C, ekstrüzyon sıcaklığı 250 °C.
   DIKKAT: Yazıcının ısınan parçalarıyla (nozullar ve baskı platformu) temas etmekten kaçının; yeni basılmış parçaları tutarken ısıya dayanıklı eldiven takmak; yazıcıyı iyi havalandırılan bir alanda çalıştırın.
4. Süreç izleme: Malzemelerin tekerif şekilde biriktirilmesini sağlamak için termal ekstrüzyon sürecini izlemek; parametreleri yinelemeli olarak ayarlar, ta ki boyutlar doğru olana kadar.

5. Doğruluk testi ve doğrulama

1. Deneysel kurulum: 3D baskılı navigasyon modülünü domuz sırtı modeline monte edin.
2. K-tel yerleştirme: Simülasyondaki navigasyon deliğinden 2.0 mm çapında bir K-teli yerleştirin.
   DIKKAT: Delme riskini önlemek için koruyucu eldiven ve gözlük takın; Modelin yerleştirme sırasında güvenli şekilde sabitlendiğinden emin olun.
3. Floroskopik onaylama: K-telinin hedef omurgalar arası diske göre konumunu doğrulamak için C-kolu floroskopik görüntüleri birden fazla açıdan alın.
   DIKKAT: Kurşun önlük, tiroid kalkanı ve gözlük takın; floroskopi süresini en aza indirir ve C-arm kaynağından güvenli mesafe korumak.
4. Sonuç analizi: Fiziksel K-tel yerleşimini 3D dijital tasarımla karşılaştırarak sistemin doğruluğunu doğrulayın.
   NOT: BT tarama, görüntü işleme, cihaz tasarımı ve üretim dahil olmak üzere tüm iş akışı, modelin karmaşıklığına bağlı olarak yaklaşık 3–4 iş günü sürer. BT edinimi genellikle 30–45 dakika sürer, ardından 2–4 saat DICOM işleme ve 3D yeniden yapılandırma yapılır. Navigasyon modülü tasarımı yaklaşık 4–6 saat sürerken, Sigortalı Biriktirme Modelleme (FDM) baskı ve sonrasındaki işlem yaklaşık 12–18 saat sürer.

Results

Lomber simüle edilmiş kemik modelinin yeniden oluşturulmuş 3D modelini (Şekil 1), ön üst iliak omurga (ASIS) ve omurga sürecinin konumlandırma bilgileriyle "Perkutan Endoskopik Lomber Omurgalararası Disk Pozisyonlama Cihazı"nı tasarladık (Şekil 2). Başlangıçta, yapısal uygulanabilirliği doğrulamak için FDM 3D baskı teknolojisi (Şekil 3) kullanılarak küçültülmüş bir fiziksel model basıldı. Navigasyon...

Discussion

Bu çalışma, floroskopik görüntüleme ile doğrulandığı gibi, amaçlanan omurgalar arası disk alanının güvenilir şekilde konumlandırılmasını kolaylaştıran, ameliyat süresini kısaltmak ve PELD'de hasta sonuçlarını potansiyel olarak iyileştirmek amacıyla Perkütan Endoskopik Lumber Omurarası Disk Pozisyonlama Cihazının geliştirilmesi ve uygulanması için bir protokol sunmaktadır. Tekrarlanabilir anatomik referans işaretlerine dayanan harici bir navigasyon çerçevesi oluşturmak iç...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
AutoCAD (CAD yazılımı)	Autodesk	https://www.autodesk.com/	Cihaz ve navigasyon modülü tasarımı için kullanılıyor
Sigortalı Depo Modelleme (FDM) 3D yazıcı	Stratasys	Yok	Cihaz ve modellerin üretiminde kullanıldı
Bel omurgası simülasyon modeli (L3– sakrum)	Sawbones	1340-20	Cihaz tasarımı ve prosedürel simülasyon için kullanılır
MATLAB (3D yeniden yapılandırma yazılımı)	MathWorks	https://in.mathworks.com/	DICOM görüntülerinden 3D yeniden yapılandırma için kullanıldı