نموذج الطباعة 3D للفقرة القطنية محددة للمريض

Summary

تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء نموذج مطبوع 3D لفقرة قطنية خاصة بالمريض ، والتي تحتوي على كل من نماذج الفقرات والأعصاب الشوكية المنصهرة من بيانات التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة (HRCT) و MRI-Dixon.

Abstract

بضع الجذور الظهري الانتقائي (SDR) هو عملية صعبة ومحفوفة بالمخاطر ومتطورة ، حيث لا ينبغي أن يكشف استئصال الصفيحة الفقرية عن مجال رؤية جراحي مناسب فحسب ، بل يجب أيضا حماية الأعصاب الشوكية للمريض من الإصابة. تلعب النماذج الرقمية دورا مهما في التشغيل المسبق والداخلي ل SDR ، لأنها لا يمكن أن تجعل الأطباء أكثر دراية بالبنية التشريحية لموقع الجراحة فحسب ، بل توفر أيضا إحداثيات ملاحة جراحية دقيقة للمعالج. تهدف هذه الدراسة إلى إنشاء نموذج رقمي 3D للفقرة القطنية الخاصة بالمريض والتي يمكن استخدامها للتخطيط والملاحة الجراحية والتدريب على عملية SDR. يتم تصنيع نموذج الطباعة 3D أيضا لعمل أكثر فعالية خلال هذه العمليات.

تعتمد النماذج الرقمية التقليدية لتقويم العظام بشكل كامل تقريبا على بيانات التصوير المقطعي المحوسب (CT) ، وهي أقل حساسية للأنسجة الرخوة. يعد اندماج بنية العظام من التصوير المقطعي المحوسب والبنية العصبية من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) هو العنصر الأساسي لإعادة بناء النموذج في هذه الدراسة. يتم إعادة بناء النموذج الرقمي 3D الخاص بالمريض من أجل المظهر الحقيقي للمنطقة الجراحية ويظهر القياس الدقيق للمسافات بين الهياكل والتجزئة الإقليمية ، والتي يمكن أن تساعد بشكل فعال في التخطيط والتدريب قبل الجراحة على حقوق السحب الخاصة. تسمح مادة بنية العظام الشفافة للنموذج المطبوع 3D للجراحين بالتمييز بوضوح بين العلاقة النسبية بين العصب الشوكي والصفيحة الفقرية للجزء الذي يتم تشغيله ، مما يعزز فهمهم التشريحي وإحساسهم المكاني بالهيكل. مزايا النموذج الرقمي 3D الفردي وعلاقته الدقيقة بين العصب الشوكي والهياكل العظمية تجعل هذه الطريقة خيارا جيدا للتخطيط قبل الجراحة لجراحة SDR.

Introduction

يؤثر الشلل الدماغي التشنجي على أكثر من نصف جميع الأطفال المصابين بالشلل الدماغي¹ ، مما يؤدي إلى تقلصات الأوتار ، ونمو الهيكل العظمي غير الطبيعي ، وانخفاض الحركة ، مما يؤثر بشكل كبير على نوعية حياة الأطفال المصابين². باعتبارها الطريقة الجراحية الرئيسية لعلاج الشلل الدماغي التشنجي ، تم التحقق من صحة بضع الجذور الظهري الانتقائي (SDR) بالكامل وأوصت به العديد من البلدان ^3,4. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المعقدة وعالية الخطورة لجراحة SDR ، بما في ذلك القطع الدقيق للصفيحة ، وتحديد موضع وتفكك جذور الأعصاب ، وقطع الألياف العصبية ، تمثل تحديا كبيرا للأطباء الشباب الذين بدأوا للتو في التعامل مع SDR في الممارسة السريرية ؛ علاوة على ذلك ، فإن منحنى التعلم لحقوق السحب الخاصة شديد الانحدار.

في جراحة العظام التقليدية ، يجب على الجراحين دمج جميع الصور ثنائية الأبعاد (2D) قبل الجراحة وإنشاء خطة جراحية ثلاثية الأبعاد⁵. هذا النهج صعب بشكل خاص للتخطيط قبل الجراحة الذي يتضمن الهياكل التشريحية المعقدة والتلاعب الجراحي ، مثل SDR. مع التقدم في التصوير الطبي وتكنولوجيا الكمبيوتر ، يمكن معالجة الصور المحورية 2D ، مثل التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لإنشاء نماذج افتراضية ثلاثية الأبعاد مع تشريح خاص بالمريض⁶. من خلال التصور المحسن ، يمكن للجراحين تحليل هذه المعلومات المعالجة لإجراء تشخيصات وتخطيط وتدخلات جراحية أكثر تفصيلا مصممة خصيصا لحالة المريض. في السنوات الأخيرة ، جذب تطبيق تقنية دمج الصور متعددة الوسائط في جراحة العظام الانتباه تدريجيا⁷. يمكن لهذه التقنية دمج صور التصوير المقطعي المحوسب والتصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يحسن بشكل كبير من دقة النموذج التناظري الرقمي 3D. ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه التقنية في نماذج ما قبل الجراحة من حقوق السحب الخاصة لم يتم بحثه بعد.

يعد تحديد المواقع الدقيقة للصفيحة والعصب الشوكي والقطع الدقيق أثناء جراحة SDR أمرا بالغ الأهمية لتحقيق نتائج ناجحة. عادة ، تعتمد هذه المهام على خبرة الخبراء ويتم تأكيدها بشكل متكرر بواسطة C-arm أثناء العملية ، مما يؤدي إلى عملية جراحية معقدة وتستغرق وقتا طويلا. يعمل النموذج الرقمي 3D كأساس للملاحة الجراحية SDR المستقبلية ويمكن استخدامه أيضا للتخطيط قبل الجراحة لإجراءات استئصال الصفيحة الفقرية. يدمج هذا النموذج بنية العظام من التصوير المقطعي المحوسب وبنية العصب الشوكي من التصوير بالرنين المغناطيسي ، ويخصص ألوانا مختلفة لأقسام الفقرات القطنية المحددة للقطع وفقا للخطة الجراحية. لا تسهل نماذج الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه لحقوق السحب الخاصة التخطيط والمحاكاة قبل الجراحة فحسب ، بل تقوم أيضا بإخراج إحداثيات ملاحة ثلاثية الأبعاد دقيقة إلى الذراع الروبوتية أثناء العملية من أجل القطع الدقيق.

Protocol

تأتي جميع البيانات من المريض السريري ، الذي أجريت عملية SDR في مستشفى BJ Dongzhimen. يتبع البروتوكول المبادئ التوجيهية وتمت الموافقة عليه من قبل لجنة أخلاقيات البحث في مستشفى Dongzhimen.

ملاحظة: تظهر الخريطة الكاملة لبروتوكول إعادة بناء النموذج في الشكل 1. بيانات التصوير المقطعي المحوسب عالية الدقة (HRCT) وبيانات ديكسون هي مواد خام للنمذجة. بعد ذلك ، يتكون إنشاء نموذج 3D من تسجيل الصور والانصهار. تتم طباعة النموذج الرقمي ثلاثي الأبعاد النهائي بواسطة تقنية PolyJet وهي عملية طباعة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة تنتج أجزاء سلسة ودقيقة باستخدام مجموعة واسعة من المواد. من أجل وصف العلاقة المكانية بين الفقرة والعصب الشوكي بالضبط ، يتم استخدام بيانات HRCT وسلسلة صور ديكسون. يمكن لمسح ديكسون تحديد صور فصل الماء والدهون ، حيث يمكن استخدام سلسلة صور طور الماء ديكسون لاستخراج بنية الأعصاب الشوكية ، ويمكن استخدام سلسلة صور طور ديكسون للتحقق من تسجيل بنية العظام.

الشكل 1: الخريطة الكاملة للبروتوكول. تتضمن منهجية البحث في هذه الدراسة اندماج التصوير المقطعي المحوسب وتسلسل ديكسون بالرنين المغناطيسي. على وجه التحديد ، يتم تسجيل بنية فقرات التصوير المقطعي المحوسب ببنية الفقرات المتطابقة الموجودة في تسلسل Dixon-in ، متبوعا بالانصهار مع تسلسل Dixon-w للعصب الشوكي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

1. جمع البيانات وإعدادها

1. التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة للفقرات
   ملاحظة: فرق المعلمة غير حساس لطريقة البحث.
   1. قم بتعيين موارد البيانات من محطة جهاز التصوير المقطعي المحوسب.
      ملاحظة: هنا ، يتم استخدام جهاز SIEMENS-CTAWP73396 CT.
   2. افتح برنامج Syngo CT 2012B لتلقي البيانات من بروتوكول الفحص SpineRoutine_1. حدد حجم البكسل وسمك الشريحة (ST) لمجموعة البيانات للتكيف مع حجم الفقرات المراد تمثيلها في النموذج الرقمي 3D.
   3. استخدم ST بحجم 1 مم بحجم مصفوفة 512 بكسل × 512 بكسل ، حيث يكون تباعد البكسل 0.3320 مم. الحجم الفعلي لحجم 3D الذي تم تحقيقه هو 512 × 512 × 204 فوكسل.
2. تسلسل ديكسون للعصب الشوكي
   ملاحظة: يتم استخدام جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي 1.5 T في هذه الدراسة.
   1. اضبط دقة وضوح صورة Dixon على أنها 290 بكسل × 320 بكسل، وتباعد البكسل على 0.9375 مم، وسمك الشريحة على 3 مم للحصول على بيانات دقيقة.
   2. اضبط وقت التكرار على 5,160 مللي ثانية ووقت الصدى على 94 مللي ثانية.
   3. تأكد من أن كل طبقة ممسوحة ضوئيا تتكون من صور رباعية الأطوار، وهي Dixon-in وDixon-opp وDixon-F وDixon-w.
3. إعداد ملفات تخزين البيانات لإعادة بناء النموذج.
   ملاحظة: يعد هيكل تخزين البيانات المحدد جيدا أكثر ملاءمة لأعمال المتابعة.
   1. قم بإنشاء مجلد مشروع ليحتوي على جميع البيانات الخاصة بالمريض.
   2. قم بإعداد مسارات ملفات مختلفة لبيانات HRCT و MRI-Dixon عن طريق إنشاء مجلدات مختلفة لبيانات التصوير الرقمي والاتصالات في الطب (DICOM).
   3. قم بإنشاء مجلد منفصل ضمن المشروع لجميع نتائج التحليل.

2. نموذج الفقرات الرقمية 3D

ملاحظة: تأتي جميع وظائف العمليات الفرعية من أدوات برمجية تنتمي ملكيتها إلى شركة Beijing Intelligent Entropy Science &Technology Co Ltd.

1. استدعاء العملية الفرعية Dicom2Mat في مكان عمل MATLAB للحصول على وحدة تخزين 3D من ملفات DICOM المخزنة في مجلد بيانات HRCT.
2. بعد الخضوع للعملية الفرعية Dicom2Mat ، اعرض كل شريحة داخل وحدة التخزين ثلاثية الأبعاد من خلال واجهة المستخدم الرسومية (GUI) ، كما هو موضح في الشكل 2.
3. بعد ذلك ، تصور توزيع شدة بيانات HRCT للفقرات بواسطة وظيفة hist (الشكل 3).
4. قم باستدعاء العملية الفرعية NoiseClean لحذف ضوضاء الإشارة التي يشكلها الجهاز ضمن مسارات ملف بيانات HRCT.
5. استخدم العملية الفرعية لوظيفة الفقرات تحت نفس المسار للحصول على نموذج الفقرات ، وهو أيضا حجم 3D ولكن فقط مع بنية العظام (الشكل 4). معلمات مرشح الترددات العالية ، تتراوح شدتها من 190 إلى 1656.

3. نموذج العصب الشوكي الرقمي ثلاثي الأبعاد

ملاحظة: يحتوي Dixon-in على بنية عظمية ، بينما يصف Dixon-w البنية العصبية.

1. استخدم العملية الفرعية Dicom2Mat في كلا مساري تسلسل Dixon-in و Dixon-w واحصل على حجم 3D الخاص بهم.
2. علاوة على ذلك ، تصور كل شريحة فردية تشكل وحدة تخزين 3D باستخدام واجهة المستخدم الرسومية المعروضة في الشكل 5. قم بالوصول إلى هذا التصور بمجرد اكتمال العملية الفرعية Dicom2Mat .
3. استخدم وظيفة Spinal_Nerve لإعادة بناء نموذج العصب الشوكي باستخدام معلمات مرشح الترددات العالية ، والتي تتراوح شدتها من 180 إلى 643. لأن إشارات العصب في تسلسل Dixon-w عالية جدا ، استخرج حجم العصب الشوكي 3D عن طريق تصفية النقاط ذات الكثافة المنخفضة.
4. عند الانتهاء من العملية الفرعية Spinal_Nerve ، تحقق من النموذج الذي تم إنشاؤه في واجهة المستخدم الرسومية الموضحة في الشكل 6.

4. التسجيل والانصهار

ملاحظة: البصيرة الرئيسية هي أن بنية العظام موجودة في كل من HRCT و Dixon-in تسلسل التصوير.

1. انسخ وحدات التخزين ثلاثية الأبعاد الثلاثة التي تم الحصول عليها حتى الآن إلى مسار ملف المشروع الذي تم إجراؤه في الخطوة 3.1. تتضمن النماذج من HRCT و Dixon-in نفس بنية الفقرات ، والنماذج من Dixon-in و Dixon-w لها نفس الإحداثيات.
2. بعد ذلك ، ضع أسماء ملفات النماذج الثلاثة في العملية الفرعية vertebra_fusion كمدخل لإنشاء نموذج الاندماج. يمكن تصور ذلك في الشكل 7.
3. عادة ما يتم الانصهار بشكل جيد. إذا كان الضبط الدقيق ضروريا من وجهة نظر الطبيب ، فأضف معلمات الإحداثيات في جميع الاتجاهات إلى نفس الوظيفة لتصحيح نموذج الاندماج. إذا لوحظت أخطاء طفيفة في الاندماج من منظور سريري ، فاستخدم وظيفة vertebra_fusion لضبط إحداثيات الاندماج. تتضمن هذه العملية تعديلات المعلمات على الأبعاد الستة لاتجاه الإحداثيات (إحداثيات XYZ ودورانها).
4. قم بإنشاء مجلد منفصل في دليل المشروع لإخراج نتيجة نموذج الاندماج.

5. ملفات نموذج رقمي للطباعة 3D

ملاحظة: يتم استخدام جهاز طباعة 3D مطور بالكامل لتصنيع النموذج الرقمي المذكور أعلاه ، مع تنفيذ تثليث Delaunay. هنا ، تم استخدام طابعة Stratasys J55 Prime 3D.

1. تصدير نماذج الانصهار لاستخدامها في الطباعة 3D في تسلسلات تنسيق DICOM تحت مسار ملف دليل الانصهار. استخدم خوارزمية Mat2Dicom لتنفيذ عملية التصدير عن طريق إدخال نموذج الاندماج.
2. افتح تسلسل ملف DICOM الذي تم تصديره مسبقا باستخدام Materialise Mimics V20. لتنفيذ عملية التصدير ، انتقل إلى قائمة التصدير ضمن علامة التبويب ملف وحدد تنسيق VRML. يمكن تخصيص مسار الملف للتصدير بحرية وفقا لمتطلبات المستخدم.
3. نظرا لأن الطباعة الملونة الشفافة 3D هي خدمة احترافية ، قم بضغط ملفات VRML وتعبئتها وإرسالها إلى مزود الخدمة. تظهر نتيجة الطباعة ثلاثية الأبعاد في الشكل 8.

النتائج

استنادا إلى بيانات دمج صور التصوير المقطعي المحوسب القطني / التصوير بالرنين المغناطيسي لدى الأطفال المصابين بالشلل الدماغي ، أنشأنا نموذجا تمثيليا للعمود الفقري القطني جنبا إلى جنب مع الأعصاب الشوكية. تم استخدام ترشيح الترددات العالية لاستخراج الإشارة العالية في نطاق قيمة التصوير المق?...

Discussion

توفر هذه الدراسة سير عمل لإنشاء نموذج طباعة 3D قبل الجراحة للعمود الفقري القطني في المرضى الذين يعانون من الشلل الدماغي ، بهدف تسهيل التخطيط قبل الجراحة لجراحة SDR وتعزيز التدريب التشريحي بناء على نموذج المريض المحدد. تهدف الدراسة إلى إنشاء نموذج مطبوع 3D موثوق به للغاية يوضح بدقة الهياكل ال...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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