Modello di stampa 3D della vertebra lombare specifica di un paziente

Questo studio mira a creare un modello stampato in 3D di una vertebra lombare specifica del paziente, che contiene sia la vertebra che i modelli del nervo spinale fusi dalla tomografia computerizzata ad alta risoluzione (HRCT) e dai dati MRI-Dixon.

La rizotomia dorsale selettiva (SDR) è un'operazione difficile, rischiosa e sofisticata, in cui una laminectomia non solo dovrebbe esporre un adeguato campo visivo chirurgico, ma anche proteggere i nervi spinali del paziente dalle lesioni. I modelli digitali svolgono un ruolo importante nel pre e intra-intervento dell'SDR, perché non solo possono rendere i medici più familiari con la struttura anatomica del sito chirurgico, ma anche fornire precise coordinate di navigazione chirurgica per il manipolatore. Questo studio mira a creare un modello digitale 3D di una vertebra lombare specifica del paziente che può essere utilizzata per la pianificazione, la navigazione chirurgica e l'addestramento dell'operazione SDR. Il modello di stampa 3D è anche prodotto per un lavoro più efficace durante questi processi.

I modelli digitali ortopedici tradizionali si basano quasi interamente sui dati della tomografia computerizzata (TC), che è meno sensibile ai tessuti molli. La fusione della struttura ossea dalla TC e della struttura neurale dalla risonanza magnetica (MRI) è l'elemento chiave per la ricostruzione del modello in questo studio. Il modello digitale 3D specifico del paziente viene ricostruito per l'aspetto reale dell'area chirurgica e mostra la misurazione accurata delle distanze interstrutturali e della segmentazione regionale, che può aiutare efficacemente nella pianificazione preoperatoria e nella formazione dei DSP. Il materiale trasparente della struttura ossea del modello stampato in 3D consente ai chirurghi di distinguere chiaramente la relazione relativa tra il nervo spinale e la placca vertebrale del segmento operato, migliorando la loro comprensione anatomica e il senso spaziale della struttura. I vantaggi del modello digitale 3D individualizzato e la sua accurata relazione tra le strutture nervose e ossee rendono questo metodo una buona scelta per la pianificazione preoperatoria della chirurgia SDR.

La paralisi cerebrale spastica colpisce oltre la metà di tutti i bambini con paralisi cerebrale¹, portando a contratture tendinee, sviluppo scheletrico anormale e diminuzione della mobilità, con un notevole impatto sulla qualità della vita dei bambini affetti². Come principale metodo chirurgico per il trattamento della paralisi cerebrale spastica, la rizotomia dorsale selettiva (SDR) è stata pienamente convalidata e raccomandata da molti paesi ^3,4. Tuttavia, la natura complessa e ad alto rischio della chirurgia SDR, compreso il taglio preciso della lamina, il posizionamento e la dissociazione delle radici nervose e la recisione delle fibre nervose, presenta una sfida significativa per i giovani medici che stanno appena iniziando a impegnarsi con la SDR nella pratica clinica; inoltre, la curva di apprendimento dei DSP è molto ripida.

Nella chirurgia ortopedica tradizionale, i chirurghi devono integrare mentalmente tutte le immagini bidimensionali (2D) preoperatorie e creare un piano chirurgico 3D⁵. Questo approccio è particolarmente difficile per la pianificazione preoperatoria che coinvolge strutture anatomiche complesse e manipolazioni chirurgiche, come la SDR. Con i progressi nell'imaging medico e nella tecnologia informatica, le immagini assiali 2D, come la tomografia computerizzata (TC) e la risonanza magnetica (MRI) possono essere elaborate per creare modelli virtuali 3D con anatomia specifica del paziente⁶. Con una migliore visualizzazione, i chirurghi possono analizzare queste informazioni elaborate per effettuare diagnosi più dettagliate, pianificazione e interventi chirurgici su misura per le condizioni del paziente. Negli ultimi anni, l'applicazione della tecnologia di fusione di immagini multimodali in ortopedia ha gradualmente attirato l'attenzione⁷. Questa tecnologia potrebbe fondere immagini TC e MRI, migliorando notevolmente la precisione del modello analogico digital3D. Tuttavia, l'applicazione di questa tecnica in modelli preoperatori di SDR non è stata ancora studiata.

Il posizionamento accurato della lamina e del nervo spinale e il taglio preciso durante la chirurgia SDR sono fondamentali per risultati di successo. In genere, questi compiti si basano sull'esperienza di esperti e sono confermati ripetutamente da un braccio a C durante l'operazione, risultando in un processo chirurgico complesso e dispendioso in termini di tempo. Il modello digitale 3D funge da base per la futura navigazione chirurgica SDR e può anche essere utilizzato per la pianificazione preoperatoria delle procedure di laminectomia. Questo modello fonde la struttura ossea della TC e la struttura del nervo spinale della risonanza magnetica e assegna colori diversi alle sezioni delle vertebre lombari contrassegnate per il taglio secondo il piano chirurgico. Tali modelli di stampa 3D olografici per SDR non solo facilitano la pianificazione e la simulazione preoperatoria, ma forniscono anche coordinate di navigazione 3D accurate al braccio robotico intraoperatorio per un taglio preciso.

Tutti i dati provengono dal paziente clinico, la cui operazione SDR è stata effettuata presso l'ospedale BJ Dongzhimen. Il protocollo segue le linee guida ed è stato approvato dal comitato etico di ricerca dell'ospedale Dongzhimen.

NOTA: l'intera mappa del protocollo di ricostruzione del modello è illustrata nella Figura 1. I dati della tomografia computerizzata ad alta risoluzione (HRCT) e i dati Dixon sono materie prime per la modellazione; quindi, la creazione del modello 3D consiste nella registrazione e nella fusione delle immagini. Il modello digitale 3D finale viene stampato con la tecnologia PolyJet, un processo di stampa 3D ad alta precisione che produce parti lisce e accurate utilizzando una vasta gamma di materiali. Per descrivere esattamente la relazione spaziale tra la vertebra e il nervo spinale, vengono utilizzati i dati HRCT e le serie di immagini Dixon. La scansione Dixon può identificare immagini di separazione dell'acqua e del grasso, in cui la serie di immagini della fase acquosa di Dixon può essere utilizzata per estrarre la struttura dei nervi spinali e la serie di immagini della fase Dixon-in può essere utilizzata per verificare la registrazione della struttura ossea.

Figura 1: L'intera mappa del protocollo. La metodologia di ricerca di questo studio prevede la fusione di sequenze di Dixon TC e risonanza magnetica. In particolare, la struttura delle vertebre TC viene registrata con la struttura delle vertebre identica contenuta nella sequenza Dixon-in, seguita dalla fusione con la sequenza Dixon-w per il nervo spinale. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

1. Raccolta e preparazione dei dati

1. TC ad alta risoluzione per vertebre
   Nota : la differenza di parametro non è sensibile al metodo di ricerca.
   1. Impostare le risorse dati dalla stazione macchina CT.
      NOTA: Qui viene utilizzata la macchina CT SIEMENS-CTAWP73396.
   2. Aprire il software Syngo CT 2012B per ricevere dati dal protocollo di scansione SpineRoutine_1. Selezionare la dimensione in pixel e lo spessore della sezione (ST) del set di dati per adattarlo alle dimensioni delle vertebre che si intende rappresentare nel modello digitale 3D.
   3. Utilizzare un ST di 1 mm con una dimensione della matrice di 512 pixel x 512 pixel, in cui la spaziatura dei pixel è 0,3320 mm. La dimensione effettiva del volume 3D raggiunto è 512 x 512 x 204 voxel.
2. Sequenza di Dixon per il nervo spinale
   NOTA: In questo studio viene utilizzata una macchina MRI da 1,5 T.
   1. Impostate la risoluzione dell'immagine Dixon su 290 pixel x 320 pixel, la spaziatura pixel su 0,9375 mm e lo spessore sezione su 3 mm per ottenere dati accurati.
   2. Impostare il tempo di ripetizione su 5.160 ms e il tempo di eco su 94 ms.
   3. Assicurati che ogni livello scansionato sia costituito da immagini a quattro fasi, che sono Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F e Dixon-w.
3. Preparare i file di archiviazione dei dati per la ricostruzione del modello.
   NOTA: una struttura di archiviazione dei dati ben definita è più conveniente per il lavoro di follow-up.
   1. Crea una cartella di progetto per contenere tutti i dati appartenenti al paziente.
   2. Preparare percorsi di file diversi per i dati HRCT e MRI-Dixon creando cartelle diverse per i dati DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine).
   3. Creare una cartella separata sotto il progetto per tutti i risultati dell'analisi.

2. Il modello digitale 3D delle vertebre

NOTA: tutte le funzioni di sottoprocesso provengono da strumenti software, la cui proprietà appartiene a Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.

1. Chiamare il sottoprocesso Dicom2Mat nell'ambiente di lavoro MATLAB per ottenere il volume 3D dai file DICOM memorizzati nella cartella dati HRCT.
2. Dopo aver eseguito il sottoprocesso Dicom2Mat , visualizzare ogni sezione all'interno del volume 3D tramite l'interfaccia utente grafica (GUI), come illustrato nella Figura 2.
3. Quindi, visualizzare la distribuzione dell'intensità dei dati HRCT delle vertebre in base alla funzione hist (Figura 3).
4. Chiamare il sottoprocesso NoiseClean per eliminare il rumore del segnale formato dal dispositivo nei percorsi del file di dati HRCT.
5. Utilizzare il sottoprocesso della funzione Vertebre nello stesso percorso per ottenere il modello delle vertebre , che è anche un volume 3D ma solo con la struttura ossea (Figura 4). I parametri del filtro passa-alto, l'intensità varia da 190 a 1.656.

3. Il modello digitale 3D del nervo spinale

NOTA: Dixon-in contiene la struttura ossea, mentre Dixon-w descrive la struttura neurale.

1. Utilizzare il sottoprocesso Dicom2Mat in entrambi i percorsi delle sequenze Dixon-in e Dixon-w e ottenere il relativo volume 3D.
2. Inoltre, è possibile visualizzare ogni singola sezione che costituisce un volume 3D utilizzando la GUI presentata nella Figura 5. Accedere a questa visualizzazione una volta completato il sottoprocesso Dicom2Mat .
3. Utilizzare la funzione Spinal_Nerve per ricostruire il modello del nervo spinale con parametri di filtro passa-alto, l'intensità varia da 180 a 643. Poiché i segnali del nervo nella sequenza Dixon-w sono molto alti, estrarre il volume 3D del nervo spinale filtrando i punti con bassa intensità.
4. Al termine del sottoprocesso Spinal_Nerve , controllare il modello generato nella GUI mostrato nella Figura 6.

4. Registrazione e fusione

NOTA: L'intuizione chiave è che l'architettura ossea è presente sia nella sequenza di imaging HRCT che Dixon-in.

1. Copiare i tre volumi 3D ottenuti fino a quel momento nel percorso del file del progetto realizzato al punto 3.1. I modelli di HRCT e Dixon-in includono la stessa struttura delle vertebre e i modelli di Dixon-in e Dixon-w hanno le stesse coordinate.
2. Quindi, inserire i nomi dei file dei tre modelli nel sottoprocesso vertebra_fusion come input per generare il modello di fusione. Questo può essere visualizzato nella Figura 7.
3. La fusione è di solito ben fatta. Se la regolazione fine è necessaria dal punto di vista del medico, aggiungere parametri di coordinate in tutte le direzioni alla stessa funzione per correggere il modello di fusione. Se si osservano lievi errori nella fusione da un punto di vista clinico, utilizzare la funzione vertebra_fusion per mettere a punto le coordinate di fusione. Questo processo comporta la regolazione dei parametri delle sei dimensioni della direzione delle coordinate (coordinate XYZ e loro rotazione).
4. Creare una cartella separata nella directory del progetto per l'output del risultato del modello di fusione.

5. File di modelli digitali per la stampa 3D

NOTA: Un apparato di stampa 3D completamente sviluppato viene utilizzato per la produzione del suddetto modello digitale, con l'implementazione delle triangolazioni Delaunay. Qui è stata utilizzata la stampante 3D Stratasys J55 Prime.

1. Esportare i modelli di fusione da utilizzare per la stampa 3D nelle sequenze di formato DICOM nel percorso del file della directory fusion. Utilizzare l'algoritmo Mat2Dicom per eseguire l'operazione di esportazione inserendo il modello di fusione.
2. Aprire la sequenza di file DICOM esportata in precedenza utilizzando Materialise Mimics V20. Per eseguire l'operazione di esportazione, accedere al menu Esporta nella scheda File e selezionare il formato VRML. Il percorso del file per l'esportazione può essere liberamente personalizzato in base alle esigenze dell'utente.
3. Poiché la stampa 3D colorata trasparente è un servizio professionale, comprimere e imballare i file VRML e inviarli al fornitore di servizi. Il risultato della stampa 3D è mostrato nella Figura 8.

Sulla base dei dati di fusione delle immagini TC / MRI lombari nei bambini con paralisi cerebrale, abbiamo creato un modello rappresentativo della colonna lombare combinata con i nervi spinali. Il filtraggio passa-alto è stato utilizzato per estrarre il segnale elevato nell'intervallo di valori CT di 190-1.656 dalla HRCT, in modo da ottenere la ricostruzione della struttura ossea della colonna lombare nell'area operativa. Le strutture nervose spinali sono state ricostruite mediante il filtraggio passa-alto delle sequenze Dixon-w nella risonanza magnetica. Le coordinate dei dati del modello digitale e della nuvola di punti della struttura vertebrale lombare e della fusione del nervo spinale sono state ottenute attraverso una registrazione rigida e il file è stato salvato in formato stereolitografico (STL) per la misurazione dei dati e l'ulteriore elaborazione della stampa. I file del modello digitale STL vengono convertiti in formato VRML per il trasferimento alla stampante 3D Stratasys J55 Prime. Per dimostrare attivamente l'anatomia del sito chirurgico durante la chirurgia SDR, abbiamo stampato le ossa in resina trasparente e stampato le altre parti in diversi colori. Il modello stampato in 3D può quindi rivelare la relazione spaziale dei siti chirurgici chiave in SDR per chirurghi e pazienti durante la pianificazione e la formazione preoperatoria.

Il modello personalizzato della colonna lombare 3D ottenuto offre la possibilità di pianificazione preoperatoria e addestramento di SDR. Diversi coloranti sono usati per colorare e distinguere le strutture, come ossa e nervi. Come mostrato nella Figura 8, la struttura del nervo spinale è tinta di giallo e la lamina dei segmenti L4 e L5 nell'area operativa corrispondente si distingue rispettivamente per la colorazione rossa e blu. La struttura ossea è stampata utilizzando un materiale in resina trasparente, che ha una buona prospettiva, consentendo ai medici di osservare la struttura nervosa sotto la lamina attraverso la struttura ossea. Il modello personalizzato ripristina realmente la relazione corrispondente tra la struttura ossea lombare nell'area operatoria e l'anatomia del nervo spinale, consentendo ai medici di definire meglio la direzione e la portata di taglio appropriate prima dell'operazione.

Figura 2: La GUI delle sezioni nel volume dai dati HRCT. Attraverso la GUI mostrata in figura, i chirurghi possono visualizzare la struttura della colonna vertebrale contenuta in tutti i dati TC. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: La distribuzione dell'intensità dei dati HRCT delle vertebre. Queste informazioni quantitative sono utili per determinare l'intervallo di filtraggio della struttura delle vertebre. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: La GUI del volume 3D delle vertebre. La figura mostra le tre viste delle vertebre e il volume 3D allo stesso tempo. Attraverso questa GUI, i chirurghi possono osservare le vertebre dei pazienti da qualsiasi prospettiva desiderata. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5: La GUI delle sezioni nel volume da Dixon-in e Dixon-w. L'imaging Dixon può essere rapidamente sfogliato e le immagini delle vertebre e dei nervi spinali dei pazienti possono essere controllate. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: La GUI del volume 3D del nervo spinale. La ricostruzione 3D della sequenza Dixon-w del paziente per osservare la struttura 3D del nervo spinale del paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 7: La GUI del modello di fusione (volume digitale 3D). Il volume 3D contiene sia la struttura vertebrale dai dati TC che la struttura 3D del nervo spinale dalla risonanza magnetica. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 8: Il modello di stampa 3D per la pianificazione e la formazione SDR. Il modello di stampa 3D colorato trasparente mostra la struttura anatomica dell'area in cui è necessario eseguire la chirurgia SDR sul paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Questo studio fornisce un flusso di lavoro per stabilire un modello di stampa 3D preoperatoria della colonna lombare in pazienti con paralisi cerebrale, con l'obiettivo di facilitare la pianificazione preoperatoria per la chirurgia SDR e migliorare l'allenamento anatomico basato sul modello specifico del paziente. Lo studio mira a stabilire un modello stampato in 3D altamente affidabile che dimostri accuratamente le strutture vertebrali e nervose lombari del paziente. Misurando la posizione della lamina e del nervo spinale nel modello prima dell'intervento chirurgico, è possibile ottenere una pianificazione precisa del taglio della lamina, portando all'ottimizzazione delle procedure chirurgiche e all'acquisizione della padronanza della tecnologia chirurgica SDR.

Il passo chiave principale studiato in questo studio è stata la fusione di sequenze CT e Dixon. La fusione si basava sulla presenza delle stesse strutture ossee sia nei dati CT che nelle sequenze Dixon-in, nonché sul fatto che i dati Dixon-in e Dixon-w erano nello stesso sistema di coordinate. Ciò ha permesso la fusione finale dei nervi spinali e delle strutture ossee vertebrali. Il secondo passo fondamentale è stato l'uso della tecnologia di stampa trasparente a colori per produrre il modello digitale 3D. Questa tecnologia di stampa era in grado di evidenziare le strutture anatomiche del paziente, la posizione precisa della laminectomia e la posizione relativa dei forami intervertebrali e delle radici nervose.

Negli ultimi decenni, molte équipe chirurgiche hanno sviluppato tecniche innovative per SDR^8,9, con un focus primario sulla riduzione al minimo del danno spinale durante la procedura. Ciò deriva dalla consolidata efficacia della chirurgia del segmento lungo nel sollievo dallo spasmo, insieme alle preoccupazioni riguardanti l'impatto della laminectomia estesa sulla stabilità spinale¹⁰. La chirurgia SDR di successo richiede una laminectomia critica, che richiede sia incisioni sufficienti della lamina per consentire ulteriori manipolazioni neurochirurgiche sia la conservazione di una lamina sufficiente per evitare la destabilizzazione spinale. Un taglio laminare preciso senza danni o effetti negativi durante l'operazione richiede una comprensione completa della posizione, delle dimensioni e della sezione del taglio. Attualmente, la valutazione SDR preoperatoria si basa principalmente sull'imaging TC / MRI e sull'esperienza clinica, che potrebbe non soddisfare pienamente i requisiti di operazioni di taglio precise. Negli ultimi anni, l'applicazione della fusione multimodale delle immagini nella chirurgia della colonna vertebrale ha mostrato un grande valore potenziale, mentre la ricerca pertinente è ancora rara. Pertanto, questo studio mirava a fondere la TC preoperatoria della colonna lombare e la risonanza magnetica per ricostruire un modello digitale 3D che rappresentasse accuratamente sia la struttura ossea che i nervi spinali. Il modello digitale 3D ricostruito è stato ulteriormente stampato in 3D e potrebbe essere utilizzato per un'efficace comunicazione medico-paziente e pianificazione preoperatoria. Il posizionamento preciso del modello dell'uscita della radice del nervo lombare ha permesso una migliore comprensione della relazione spaziale tra le vertebre e la radice nervosa, facilitando un'operazione efficiente sia per i chirurghi che per i robot chirurgici.

Inoltre, i bambini con paralisi cerebrale mostrano uno sviluppo spinale e scheletrico distinto, caratterizzato da una microstruttura ossea trabecolare ipoplasica, corteccia sottile e bassa resistenza ossea¹¹. Queste caratteristiche anatomiche uniche e manipolazioni complesse rendono la chirurgia SDR difficile da padroneggiare. Pertanto, abbiamo impiegato la tecnologia di stampa 3D per fabbricare modelli anatomicamente precisi di vertebre lombari di pazienti reali, offrendo un riferimento oggettivo per l'apprendimento chirurgico. Questa tecnica è ideale per i chirurghi meno esperti e può potenzialmente ridurre il tempo di apprendimento¹². Inoltre, i modelli personalizzati offrono l'ulteriore vantaggio di ripristinare completamente la struttura unica del paziente, fornendo preziose informazioni per quelli con variazioni anatomiche complesse^13,14.

L'acquisizione iniziale di immagini di alta qualità è essenziale per una stampa 3D di successo¹⁵. In questo studio, è stato ottenuto un modello di stampa 3D realistico e accurato attraverso la registrazione dei dati HRCT e MRI. La stampa trasparente della struttura ossea e la tintura della gamma di pianificazione delle lamine hanno ulteriormente migliorato la rappresentazione intuitiva dell'anatomia chirurgica del modello. Tradizionalmente, i chirurghi acquisiscono competenze chirurgiche principalmente in sala operatoria, il che aumenta i rischi di intervento chirurgico quando i chirurghi più giovani tentano per la prima volta di acquisire tali abilità nella pratica¹². Con modelli oggettivi di stampa 3D fisica, i chirurghi senior possono comunicare più facilmente la loro esperienza chirurgica ai medici più giovani. Inoltre, i modelli di stampa 3D possono fornire in modo univoco alle persone una formazione chirurgica simulata basata su una ricostruzione strutturale reale del paziente, accelerando potenzialmente il processo di apprendimento del medico per SDR e migliorando al contempo la sicurezza delle procedure mediche. Nel complesso, questo approccio è molto promettente nel migliorare la formazione chirurgica e migliorare i risultati dei pazienti.

Allo stato attuale, l'applicazione della stampa 3D in ortopedia rimane in fase di esplorazione e la tecnologia dei biomateriali esistente non riesce a rappresentare accuratamente i materiali di diversi tessuti umani e a simulare la biomeccanica delle articolazioni⁵. Durante una laminectomia, i modelli elastici di vari tessuti sono complessi e soggetti a interruzioni dal movimento del disco e dal movimento respiratorio^16,17. Pertanto, questo studio non può replicare completamente la condizione reale del paziente intraoperatorio durante l'operazione di taglio, il che richiede ulteriori ricerche sul modello di stampa 3D in biomeccanica e scienza dei materiali. Inoltre, la procedura di fusione impiegata in questo studio può essere ulteriormente migliorata se un metodo di registrazione coordinata può essere ideato durante le procedure di imaging medico sia per l'apparecchiatura TC che per la risonanza magnetica, migliorando potenzialmente l'accuratezza.

Se un metodo di registrazione delle coordinate può essere progettato durante le procedure di imaging medico per apparecchiature TC e MRI, la procedura di fusione di questo studio può migliorare ulteriormente l'accuratezza. Il miglioramento graduale atteso in questa parte della ricerca è in corso. Attualmente, il modello non può visualizzare completamente le informazioni sui fasci di fibre nervose spinali. Nel prossimo lavoro scientifico, l'imaging del tensore di diffusione sarà ulteriormente utilizzato per tracciare i fasci di fibre nervose spinali e fuso per ottenere un modello digitale 3D più dettagliato per SDR.

In conclusione, il modello di stampa 3D per SDR in questo studio non solo fornisce dati dettagliati e accurati per la pianificazione preoperatoria, ma fornisce anche un mezzo fondamentale per l'allenamento SDR. Il modello fonde con successo la struttura ossea della TC con la struttura dei tessuti molli della risonanza magnetica. Il successo di questo paradigma di fusione dei gruppi di immagini sfrutta i rispettivi vantaggi di due importanti fonti di immagini mediche per formare un complemento. Questo paradigma di ricerca svolgerà anche un ruolo altrettanto importante in altri campi della diagnosi, del trattamento e della valutazione della prognosi per imaging medico.

I modelli digitali in questo studio sono ricostruiti dal co-autore Fangliang Xing.

Questa pubblicazione è stata sostenuta dalla Beijing Municipal Natural Science Foundation (L192059).