3D-printmodel van de specifieke lendenwervel van een patiënt
Summary
Deze studie heeft tot doel een 3D-geprint model te maken van een patiëntspecifieke lendenwervel, die zowel de wervel- als de spinale zenuwmodellen bevat die zijn gefuseerd met computertomografie (HRCT) met hoge resolutie en MRI-Dixon-gegevens.
Abstract
Selectieve dorsale rhizotomie (SDR) is een moeilijke, riskante en geavanceerde operatie, waarbij een laminectomie niet alleen een adequaat chirurgisch gezichtsveld moet blootleggen, maar ook de spinale zenuwen van de patiënt moet beschermen tegen letsel. Digitale modellen spelen een belangrijke rol bij de pre- en intra-operatie van SDR, omdat ze artsen niet alleen meer vertrouwd kunnen maken met de anatomische structuur van de chirurgische site, maar ook nauwkeurige chirurgische navigatiecoördinaten voor de manipulator kunnen bieden. Deze studie heeft tot doel een 3D digitaal model van een patiëntspecifieke lendenwervel te maken dat kan worden gebruikt voor planning, chirurgische navigatie en training van de SDR-operatie. Het 3D-printmodel is ook vervaardigd voor effectiever werk tijdens deze processen.
Traditionele orthopedische digitale modellen vertrouwen bijna volledig op computertomografie (CT) -gegevens, die minder gevoelig zijn voor zachte weefsels. Fusie van de botstructuur van CT en de neurale structuur van magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is het belangrijkste element voor de modelreconstructie in deze studie. Het specifieke 3D digitale 3D-model van de patiënt wordt gereconstrueerd voor het echte uiterlijk van het chirurgische gebied en toont de nauwkeurige meting van interstructurele afstanden en regionale segmentatie, wat effectief kan helpen bij de preoperatieve planning en training van SDR. Het transparante botstructuurmateriaal van het 3D-geprinte model stelt chirurgen in staat om de relatieve relatie tussen de spinale zenuw en de wervelplaat van het geopereerde segment duidelijk te onderscheiden, waardoor hun anatomisch begrip en ruimtelijk gevoel van de structuur wordt verbeterd. De voordelen van het geïndividualiseerde digitale 3D-model en de nauwkeurige relatie tussen spinale zenuw- en botstructuren maken deze methode een goede keuze voor preoperatieve planning van SDR-chirurgie.
Introduction
Spastische cerebrale parese treft meer dan de helft van alle kinderen met cerebrale parese1, wat leidt tot peescontracturen, abnormale skeletontwikkeling en verminderde mobiliteit, wat een grote invloed heeft op de kwaliteit van leven van getroffen kinderen2. Als de belangrijkste chirurgische methode voor de behandeling van spastische cerebrale parese, is selectieve dorsale rhizotomie (SDR) volledig gevalideerd en aanbevolen door veel landen 3,4. De ingewikkelde en risicovolle aard van SDR-chirurgie, inclusief het nauwkeurig snijden van de lamina, positionering en dissociatie van zenuwwortels en het doorsnijden van zenuwvezels, vormt echter een aanzienlijke uitdaging voor jonge artsen die net beginnen met SDR in de klinische praktijk; verder is de leercurve van SDR erg steil.
Bij traditionele orthopedische chirurgie moeten chirurgen alle preoperatieve tweedimensionale (2D) beelden mentaal integreren en een 3D-chirurgisch plan maken5. Deze aanpak is bijzonder moeilijk voor preoperatieve planning met complexe anatomische structuren en chirurgische manipulaties, zoals SDR. Met de vooruitgang in medische beeldvorming en computertechnologie kunnen 2D-axiale beelden, zoals computertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), worden verwerkt tot virtuele 3D-modellen met patiëntspecifieke anatomie6. Met verbeterde visualisatie kunnen chirurgen deze verwerkte informatie analyseren om meer gedetailleerde diagnoses, planning en chirurgische ingrepen te maken die zijn afgestemd op de toestand van de patiënt. In de afgelopen jaren heeft de toepassing van multimodale beeldfusietechnologie in de orthopedie geleidelijk de aandacht getrokken7. Deze technologie kan CT- en MRI-beelden samenvoegen, waardoor de nauwkeurigheid van het analoge digital3D-model aanzienlijk wordt verbeterd. De toepassing van deze techniek in preoperatieve modellen van SDR is echter nog niet onderzocht.
Nauwkeurige positionering van de lamina en spinale zenuw en nauwkeurig snijden tijdens SDR-chirurgie zijn cruciaal voor succesvolle resultaten. Meestal zijn deze taken afhankelijk van de ervaring van experts en worden ze herhaaldelijk bevestigd door een C-arm tijdens de operatie, wat resulteert in een complex en tijdrovend chirurgisch proces. Het digitale 3D-model dient als basis voor toekomstige SDR-chirurgische navigatie en kan ook worden gebruikt voor preoperatieve planning van laminectomieprocedures. Dit model fuseert de botstructuur van CT en de spinale zenuwstructuur van MRI en wijst verschillende kleuren toe aan de lumbale wervelsecties die zijn gemarkeerd voor snijden volgens het chirurgische plan. Dergelijke holografische 3D-printmodellen voor SDR vergemakkelijken niet alleen preoperatieve planning en simulatie, maar voeren ook nauwkeurige 3D-navigatiecoördinaten uit naar de intraoperatieve robotarm voor nauwkeurig snijden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie biedt een workflow voor het opzetten van een preoperatief 3D-printmodel van de lumbale wervelkolom bij patiënten met cerebrale parese, met als doel de preoperatieve planning voor SDR-chirurgie te vergemakkelijken en anatomische training te verbeteren op basis van het specifieke model van de patiënt. De studie heeft tot doel een zeer betrouwbaar 3D-geprint model op te stellen dat de lumbale wervel- en zenuwstructuren van de patiënt nauwkeurig aantoont. Door de positie van de lamina en spinale zenuw in het m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze publicatie werd ondersteund door de 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).
