Bir Hastanın Spesifik Bel Omurunun 3D Baskı Modeli
Summary
Bu çalışma, yüksek çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (HRCT) ve MRG-Dixon verilerinden kaynaştırılmış hem vertebra hem de spinal sinir modellerini içeren, hastaya özgü lomber vertebranın 3D baskılı bir modelini oluşturmayı amaçlamaktadır.
Abstract
Selektif dorsal rizotomi (SDR), laminektominin sadece yeterli bir cerrahi görüş alanını ortaya çıkarmakla kalmayıp aynı zamanda hastanın omurilik sinirlerini yaralanmalardan koruması gereken zor, riskli ve sofistike bir operasyondur. Dijital modeller, SDR’nin operasyon öncesi ve sırasında önemli bir rol oynamaktadır, çünkü doktorları sadece cerrahi bölgenin anatomik yapısına daha aşina hale getirmekle kalmaz, aynı zamanda manipülatör için hassas cerrahi navigasyon koordinatları sağlarlar. Bu çalışma, SDR operasyonunun planlanması, cerrahi navigasyonu ve eğitimi için kullanılabilecek hastaya özgü bir bel omurunun 3D dijital modelini oluşturmayı amaçlamaktadır. 3D baskı modeli de bu süreçler sırasında daha etkili çalışmalar için üretilmektedir.
Geleneksel ortopedik dijital modeller neredeyse tamamen yumuşak dokulara daha az duyarlı olan bilgisayarlı tomografi (BT) verilerine dayanır. BT’den kemik yapısı ile manyetik rezonans görüntülemeden (MRG) nöral yapının füzyonu bu çalışmada model rekonstrüksiyonunun anahtar unsurudur. Hastanın spesifik 3D dijital modeli, cerrahi alanın gerçek görünümü için yeniden yapılandırılır ve SDR’nin ameliyat öncesi planlamasında ve eğitiminde etkili bir şekilde yardımcı olabilecek yapılar arası mesafelerin ve bölgesel segmentasyonun doğru ölçümünü gösterir. 3D baskılı modelin şeffaf kemik yapısı malzemesi, cerrahların spinal sinir ile ameliyat edilen segmentin vertebral plakası arasındaki göreceli ilişkiyi açıkça ayırt etmelerini sağlayarak anatomik anlayışlarını ve yapının mekansal algısını geliştirir. Bireyselleştirilmiş 3D dijital modelin avantajları ve spinal sinir ve kemik yapıları arasındaki doğru ilişkisi, bu yöntemi SDR cerrahisinin ameliyat öncesi planlaması için iyi bir seçim haline getirmektedir.
Introduction
Spastik serebral palsi, serebral palsili tüm çocukların yarısından fazlasını etkiler1, tendon kontraktürlerine, anormal iskelet gelişimine ve hareketliliğin azalmasına neden olarak etkilenen çocukların yaşam kalitesini büyük ölçüde etkiler2. Spastik serebral palsi tedavisinde ana cerrahi yöntem olan selektif dorsal rizotomi (SDR) birçok ülke tarafından tamamen doğrulanmış ve önerilmiştir 3,4. Bununla birlikte, laminanın hassas bir şekilde kesilmesi, sinir köklerinin konumlandırılması ve ayrışması ve sinir liflerinin kesilmesi de dahil olmak üzere SDR cerrahisinin karmaşık ve yüksek riskli doğası, klinik uygulamada SDR ile yeni ilgilenmeye başlayan genç doktorlar için önemli bir zorluk oluşturmaktadır; Ayrıca, SDR’nin öğrenme eğrisi çok diktir.
Geleneksel ortopedik cerrahide, cerrahlar ameliyat öncesi tüm iki boyutlu (2D) görüntüleri zihinsel olarak entegre etmeli ve bir 3D cerrahi planoluşturmalıdır 5. Bu yaklaşım, karmaşık anatomik yapıları ve SDR gibi cerrahi manipülasyonları içeren preoperatif planlama için özellikle zordur. Tıbbi görüntüleme ve bilgisayar teknolojisindeki ilerlemelerle, bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) gibi 2D eksenel görüntüler, hastaya özgü anatomiye sahip 3D sanal modeller oluşturmak için işlenebilir6. Gelişmiş görselleştirme ile cerrahlar, hastanın durumuna göre uyarlanmış daha ayrıntılı teşhisler, planlamalar ve cerrahi müdahaleler yapmak için bu işlenmiş bilgileri analiz edebilirler. Son yıllarda multimodal görüntü füzyon teknolojisinin ortopedide uygulanması giderek dikkat çekmektedir7. Bu teknoloji, BT ve MRI görüntülerini birleştirerek digital3D analog modelin doğruluğunu büyük ölçüde artırabilir. Ancak bu tekniğin SDR’nin preoperatif modellerinde uygulanması henüz araştırılmamıştır.
Lamina ve spinal sinirin doğru konumlandırılması ve SDR cerrahisi sırasında hassas kesim başarılı sonuçlar için çok önemlidir. Tipik olarak, bu görevler uzmanların deneyimlerine dayanır ve operasyon sırasında bir C-kolu tarafından tekrar tekrar doğrulanır, bu da karmaşık ve zaman alıcı bir cerrahi süreçle sonuçlanır. 3D dijital model, gelecekteki SDR cerrahi navigasyonunun temelini oluşturur ve laminektomi prosedürlerinin ameliyat öncesi planlaması için de kullanılabilir. Bu model BT’den kemik yapısı ile MRG’den spinal sinir yapısını kaynaştırır ve cerrahi plana göre kesim için işaretlenmiş bel omur bölümlerine farklı renkler atar. SDR için bu tür holografik 3D baskı modelleri sadece ameliyat öncesi planlama ve simülasyonu kolaylaştırmakla kalmaz, aynı zamanda hassas kesim için intraoperatif robotik kola doğru 3D navigasyon koordinatları verir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, serebral palsili hastalarda lomber omurganın preoperatif 3D baskı modelini oluşturmak için, SDR cerrahisi için preoperatif planlamayı kolaylaştırmak ve hastanın spesifik modeline dayalı anatomik eğitimi arttırmak amacıyla bir iş akışı sunmaktadır. Çalışma, hastanın lomber vertebral ve sinir yapılarını doğru bir şekilde gösteren oldukça güvenilir bir 3D baskılı model oluşturmayı amaçlamaktadır. Lamina ve spinal sinirin ameliyattan önceki modeldeki konumunu ölçerek, lam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu yayın Pekin Belediyesi Doğa Bilimleri Vakfı (L192059) tarafından desteklenmiştir.
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).
