3D-printmodel af en patients specifikke lændehvirvel
Summary
Denne undersøgelse har til formål at skabe en 3D-printet model af en patientspecifik lændehvirvel, som indeholder både hvirvel- og rygmarvsnervemodellerne smeltet sammen fra HRCT- (High-Resolution Computed Tomography) og MRI-Dixon-data.
Abstract
Selektiv dorsal rhizotomi (SDR) er en vanskelig, risikabel og sofistikeret operation, hvor en laminektomi ikke kun skal udsætte et passende kirurgisk synsfelt, men også beskytte patientens rygmarvsnerver mod skade. Digitale modeller spiller en vigtig rolle i præ- og intraoperationen af SDR, fordi de ikke kun kan gøre lægerne mere fortrolige med den kirurgiske struktur på det kirurgiske sted, men også give præcise kirurgiske navigationskoordinater til manipulatoren. Denne undersøgelse har til formål at skabe en 3D digital model af en patientspecifik lændehvirvel, der kan bruges til planlægning, kirurgisk navigation og træning af SDR-operationen. 3D-printmodellen er også fremstillet til mere effektivt arbejde under disse processer.
Traditionelle ortopædiske digitale modeller er næsten udelukkende afhængige af computertomografi (CT) data, som er mindre følsomme over for blødt væv. Fusion af knoglestrukturen fra CT og den neurale struktur fra magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er nøgleelementet for modelrekonstruktionen i dette studie. Patientens specifikke digitale 3D-model rekonstrueres for det kirurgiske områdes virkelige udseende og viser nøjagtig måling af interstrukturelle afstande og regional segmentering, hvilket effektivt kan hjælpe med præoperativ planlægning og træning af SDR. Det gennemsigtige knoglestrukturmateriale i den 3D-printede model gør det muligt for kirurger klart at skelne det relative forhold mellem rygmarven og rygsøjlen i det opererede segment, hvilket forbedrer deres anatomiske forståelse og rumlige følelse af strukturen. Fordelene ved den individualiserede digitale 3D-model og dens nøjagtige forhold mellem rygmarvsnerven og knoglestrukturerne gør denne metode til et godt valg til præoperativ planlægning af SDR-kirurgi.
Introduction
Spastisk cerebral parese påvirker over halvdelen af alle børn med cerebral parese1, hvilket fører til senekontrakturer, unormal skeletudvikling og nedsat mobilitet, hvilket i høj grad påvirker livskvaliteten hos berørte børn2. Som den vigtigste kirurgiske metode til behandling af spastisk cerebral parese er selektiv dorsal rhizotomi (SDR) blevet fuldt valideret og anbefalet af mange lande 3,4. Den indviklede og højrisikokarakter af SDR-kirurgi, herunder præcis skæring af lamina, positionering og dissociation af nerverødder og adskillelse af nervefibre, udgør imidlertid en betydelig udfordring for unge læger, der lige er begyndt at engagere sig i SDR i klinisk praksis; endvidere er indlæringskurven for SDR meget stejl.
I traditionel ortopædkirurgi skal kirurger mentalt integrere alle præoperative todimensionelle (2D) billeder og oprette en 3D-kirurgisk plan5. Denne tilgang er særlig vanskelig for præoperativ planlægning, der involverer komplekse anatomiske strukturer og kirurgiske manipulationer, såsom SDR. Med fremskridt inden for medicinsk billeddannelse og computerteknologi kan 2D-aksiale billeder, såsom computertomografi (CT) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) behandles for at skabe virtuelle 3D-modeller med patientspecifik anatomi6. Med forbedret visualisering kan kirurger analysere disse behandlede oplysninger for at foretage mere detaljerede diagnoser, planlægning og kirurgiske indgreb, der er skræddersyet til patientens tilstand. I de senere år har anvendelsen af multimodal billedfusionsteknologi inden for ortopædi gradvist tiltrukket sig opmærksomhed7. Denne teknologi kunne fusionere CT- og MR-billeder, hvilket i høj grad forbedrer nøjagtigheden af den analoge digital3D-model. Imidlertid er anvendelsen af denne teknik i præoperative modeller af SDR endnu ikke blevet undersøgt.
Nøjagtig placering af lamina og rygmarvsnerve og præcis skæring under SDR-kirurgi er afgørende for vellykkede resultater. Disse opgaver er typisk afhængige af eksperternes erfaring og bekræftes gentagne gange af en C-arm under operationen, hvilket resulterer i en kompleks og tidskrævende kirurgisk proces. Den digitale 3D-model fungerer som fundament for fremtidig SDR-kirurgisk navigation og kan også bruges til præoperativ planlægning af laminektomiprocedurer. Denne model smelter knoglestrukturen fra CT og rygmarvsnervestrukturen fra MR og tildeler forskellige farver til lændehvirvelsektionerne, der er markeret til skæring i henhold til den kirurgiske plan. Sådanne holografiske 3D-printmodeller til SDR letter ikke kun præoperativ planlægning og simulering, men udsender også nøjagtige 3D-navigationskoordinater til den intraoperative robotarm for præcis skæring.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse giver en arbejdsgang til etablering af en præoperativ 3D-printmodel af lændehvirvelsøjlen hos patienter med cerebral parese med det formål at lette præoperativ planlægning for SDR-kirurgi og forbedre anatomisk træning baseret på patientens specifikke model. Studiet har til formål at etablere en meget pålidelig 3D-printet model, der præcist demonstrerer patientens lændehvirvelsøjle- og nervestrukturer. Ved at måle placeringen af lamina og rygmarvsnerven i modellen før operationen kan der…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne publikation blev støttet af 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 |
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).
