3D-Druckmodell eines patientenspezifischen Lendenwirbels
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.
Protocol
Representative Results
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 un…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Publikation wurde von der Beijing Municipal Natural Science Foundation unterstützt (L192059).
Materials
| 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. Cerebral palsy: an overview. American Family Physician. 73 (1), 91-100 (2006).
- 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. 3D-printed patient-specific applications in orthopedics. Orthopedic Research and Reviews. 8, 57-66 (2016).
- 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. Cerebral palsy: an overview. American Family Physician. 101 (4), 213-220 (2020).
- 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).
