3D-utskriftsmodell av en patients specifika ländkota
Summary
Denna studie syftar till att skapa en 3D-printad modell av en patientspecifik ländkota, som innehåller både kot- och ryggmärgsmodeller smälta från högupplöst datortomografi (HRCT) och MRI-Dixon-data.
Abstract
Selektiv dorsal rhizotomi (SDR) är en svår, riskabel och sofistikerad operation, där en laminektomi inte bara ska exponera ett adekvat kirurgiskt synfält utan också skydda patientens ryggmärg från skada. Digitala modeller spelar en viktig roll i SDR: s för- och intraoperation, eftersom de inte bara kan göra läkare mer bekanta med den anatomiska strukturen på operationsplatsen utan också ge exakta kirurgiska navigationskoordinater för manipulatorn. Denna studie syftar till att skapa en digital 3D-modell av en patientspecifik ländkota som kan användas för planering, kirurgisk navigering och träning av SDR-operationen. 3D-utskriftsmodellen är också tillverkad för effektivare arbete under dessa processer.
Traditionella ortopediska digitala modeller förlitar sig nästan helt på datortomografi (CT) -data, vilket är mindre känsligt för mjuka vävnader. Fusion av benstrukturen från CT och den neurala strukturen från magnetisk resonanstomografi (MRT) är nyckelelementet för modellrekonstruktionen i denna studie. Patientens specifika digitala 3D-modell rekonstrueras för det kirurgiska områdets verkliga utseende och visar noggrann mätning av interstrukturella avstånd och regional segmentering, vilket effektivt kan hjälpa till vid preoperativ planering och träning av SDR. Det transparenta benstrukturmaterialet i den 3D-tryckta modellen gör det möjligt för kirurger att tydligt skilja det relativa förhållandet mellan ryggmärgen och ryggradsplattan i det opererade segmentet, vilket förbättrar deras anatomiska förståelse och rumsliga känsla av strukturen. Fördelarna med den individualiserade digitala 3D-modellen och dess exakta förhållande mellan ryggmärgsnerv och benstrukturer gör denna metod till ett bra val för preoperativ planering av SDR-kirurgi.
Introduction
Spastisk cerebral pares drabbar över hälften av alla barn med cerebral pares1, vilket leder till senkontrakturer, onormal skelettutveckling och minskad rörlighet, vilket i hög grad påverkar livskvaliteten hos drabbade barn2. Som den huvudsakliga kirurgiska metoden för behandling av spastisk cerebral pares har selektiv dorsal rhizotomi (SDR) validerats fullt ut och rekommenderats av många länder 3,4. Den invecklade och högriskkaraktären av SDR-kirurgi, inklusive exakt skärning av lamina, positionering och dissociation av nervrötter och avskiljning av nervfibrer, utgör emellertid en betydande utmaning för unga läkare som just börjat engagera sig i SDR i klinisk praxis; Vidare är inlärningskurvan för SDR mycket brant.
I traditionell ortopedisk kirurgi måste kirurger mentalt integrera alla preoperativa tvådimensionella (2D) bilder och skapa en 3D-kirurgisk plan5. Detta tillvägagångssätt är särskilt svårt för preoperativ planering som involverar komplexa anatomiska strukturer och kirurgiska manipulationer, såsom SDR. Med framsteg inom medicinsk bildbehandling och datorteknik kan 2D-axiella bilder, såsom datortomografi (CT) och magnetisk resonanstomografi (MRT) bearbetas för att skapa virtuella 3D-modeller med patientspecifik anatomi6. Med förbättrad visualisering kan kirurger analysera denna bearbetade information för att göra mer detaljerade diagnoser, planering och kirurgiska ingrepp skräddarsydda för patientens tillstånd. Under de senaste åren har tillämpningen av multimodal bildfusionsteknik inom ortopedi gradvis uppmärksammats7. Denna teknik kan smälta CT- och MR-bilder, vilket avsevärt förbättrar noggrannheten hos den digitala 3D-analoga modellen. Tillämpningen av denna teknik i preoperativa modeller av SDR har emellertid inte undersökts ännu.
Noggrann positionering av lamina och ryggmärgsnerven och exakt skärning under SDR-kirurgi är avgörande för framgångsrika resultat. Vanligtvis bygger dessa uppgifter på experternas erfarenhet och bekräftas upprepade gånger av en C-arm under operationen, vilket resulterar i en komplex och tidskrävande kirurgisk process. Den digitala 3D-modellen fungerar som grund för framtida SDR-kirurgisk navigering och kan också användas för preoperativ planering av laminektomiprocedurer. Denna modell smälter samman benstrukturen från CT och ryggmärgsstrukturen från MR och tilldelar olika färger till ländryggskotsektionerna markerade för skärning enligt operationsplanen. Sådana holografiska 3D-utskriftsmodeller för SDR underlättar inte bara preoperativ planering och simulering, utan matar också ut exakta 3D-navigationskoordinater till den intraoperativa robotarmen för exakt skärning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie ger ett arbetsflöde för att etablera en preoperativ 3D-utskriftsmodell av ländryggen hos patienter med cerebral pares, i syfte att underlätta preoperativ planering för SDR-kirurgi och förbättra anatomisk träning baserat på patientens specifika modell. Studien syftar till att etablera en mycket tillförlitlig 3D-printad modell som noggrant visar patientens ländrygg, kotor och nervstrukturer. Genom att mäta positionen för lamina och ryggmärgen i modellen före operationen kan exakt planering av la…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna publikation stöddes av Beijing Municipal Natural Science Foundation (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 |
Riferimenti
- 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).
