Modelo de impressão 3D da vértebra lombar específica de um paciente

Resumo

Este estudo visa criar um modelo impresso em 3D de uma vértebra lombar específica do paciente, que contém os modelos de vértebra e nervo espinhal fundidos a partir de dados de tomografia computadorizada de alta resolução (TCAR) e RM-Dixon.

Resumo

A rizotomia dorsal seletiva (RDS) é uma operação difícil, arriscada e sofisticada, na qual uma laminectomia não só deve expor um campo de visão cirúrgico adequado, mas também proteger os nervos espinhais do paciente de lesões. Os modelos digitais desempenham um papel importante no pré e intraoperatório de SDR, porque eles podem não só tornar os médicos mais familiarizados com a estrutura anatômica do sítio cirúrgico, mas também fornecer coordenadas precisas de navegação cirúrgica para o manipulador. Este estudo tem como objetivo criar um modelo digital 3D de uma vértebra lombar específica do paciente que possa ser usado para planejamento, navegação cirúrgica e treinamento da operação SDR. O modelo de impressão 3D também é fabricado para um trabalho mais eficaz durante esses processos.

Os modelos ortopédicos digitais tradicionais dependem quase inteiramente de dados de tomografia computadorizada (TC), que é menos sensível aos tecidos moles. A fusão da estrutura óssea da TC com a estrutura neural da ressonância magnética (RM) é o elemento-chave para a reconstrução do modelo neste estudo. O modelo digital 3D específico do paciente é reconstruído para a aparência real da área cirúrgica e mostra a medida precisa das distâncias interestruturais e segmentação regional, o que pode ajudar efetivamente no planejamento pré-operatório e treinamento da SDR. O material transparente da estrutura óssea do modelo impresso em 3D permite que os cirurgiões distingam claramente a relação relativa entre o nervo espinhal e a placa vertebral do segmento operado, melhorando sua compreensão anatômica e senso espacial da estrutura. As vantagens do modelo digital 3D individualizado e sua relação precisa entre o nervo espinhal e as estruturas ósseas tornam este método uma boa escolha para o planejamento pré-operatório da cirurgia de SDR.

Introdução

A paralisia cerebral espástica afeta mais da metade de todas as crianças com paralisia cerebral¹, levando a contraturas tendíneas, desenvolvimento esquelético anormal e diminuição da mobilidade, afetando sobremaneira a qualidade de vida das crianças afetadas². Como principal método cirúrgico para o tratamento da paralisia cerebral espástica, a rizotomia dorsal seletiva (RDS) tem sido totalmente validada e recomendada por muitos^países3,4. No entanto, a natureza complexa e de alto risco da cirurgia de SDR, incluindo o corte preciso da lâmina, posicionamento e dissociação das raízes nervosas e corte de fibras nervosas, apresenta um desafio significativo para jovens médicos que estão apenas começando a se envolver com SDR na prática clínica; além disso, a curva de aprendizado do SDR é muito íngreme.

Na cirurgia ortopédica tradicional, o cirurgião deve integrar mentalmente todas as imagens bidimensionais (2D) pré-operatórias e criar um plano cirúrgico 3D⁵. Essa abordagem é particularmente difícil para o planejamento pré-operatório envolvendo estruturas anatômicas complexas e manipulações cirúrgicas, como a SDR. Com os avanços da tecnologia de imagens médicas e computadores, imagens axiais 2D, como tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM), podem ser processadas para criar modelos virtuais 3D com anatomia específica do paciente⁶. Com a visualização aprimorada, os cirurgiões podem analisar essas informações processadas para fazer diagnósticos mais detalhados, planejamento e intervenções cirúrgicas adaptadas à condição do paciente. Nos últimos anos, a aplicação da tecnologia multimodal de fusão de imagens em ortopedia tem gradualmente atraído^atenção7. Essa tecnologia poderia fundir imagens de TC e RM, melhorando consideravelmente a precisão do modelo analógico digital3D. Entretanto, a aplicação dessa técnica em modelos pré-operatórios de SDR ainda não foi pesquisada.

O posicionamento preciso da lâmina e do nervo espinhal e o corte preciso durante a cirurgia de SDR são cruciais para resultados bem-sucedidos. Normalmente, essas tarefas dependem da experiência de especialistas e são confirmadas repetidamente por um arco em C durante a operação, resultando em um processo cirúrgico complexo e demorado. O modelo digital 3D serve como base para a navegação cirúrgica futura do SDR e também pode ser utilizado para o planejamento pré-operatório de procedimentos de laminectomia. Este modelo funde a estrutura óssea da TC e a estrutura do nervo espinhal da RM e atribui cores diferentes aos cortes das vértebras lombares marcados para corte de acordo com o plano cirúrgico. Esses modelos holográficos de impressão 3D para SDR não apenas facilitam o planejamento e a simulação pré-operatórios, mas também emitem coordenadas de navegação 3D precisas para o braço robótico intraoperatório para um corte preciso.

Protocolo

Todos os dados são do paciente clínico, cuja operação de SDR foi realizada no Hospital BJ Dongzhimen. O protocolo segue as diretrizes e foi aprovado pelo comitê de ética em pesquisa do Hospital Dongzhimen.

NOTA: Todo o mapa do protocolo de reconstrução do modelo é mostrado na Figura 1. Os dados de tomografia computadorizada de alta resolução (TCAR) e os dados de Dixon são matérias-primas para modelagem; em seguida, a criação do modelo 3D consiste no registro e fusão de imagens. O modelo digital 3D final é impresso pela tecnologia PolyJet, que é um processo de impressão 3D de alta precisão que produz peças suaves e precisas usando uma ampla gama de materiais. Para descrever exatamente a relação espacial entre a vértebra e o nervo espinhal, são utilizados dados de TCAR e séries de imagens de Dixon. A varredura de Dixon pode identificar imagens de separação de água e gordura, nas quais a série de imagens da fase de água de Dixon pode ser usada para extrair a estrutura dos nervos espinhais, e a série de imagens de fase de Dixon pode ser usada para verificar o registro da estrutura óssea.

Figura 1: O mapa completo do protocolo. A metodologia de pesquisa deste estudo envolve a fusão das sequências de Dixon por TC e ressonância magnética. Especificamente, a estrutura das vértebras da TC é registrada com a estrutura idêntica das vértebras contida na sequência Dixon-in, seguida de fusão com a sequência Dixon-w para o nervo espinhal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

1. Coleta e preparação dos dados

1. TC de alta resolução para vértebras
   NOTA: A diferença de parâmetros não é sensível ao método de pesquisa.
   1. Defina os recursos de dados da estação de máquina de TC.
      NOTA: Aqui, a máquina de TC SIEMENS-CTAWP73396 é usada.
   2. Abra o software Syngo CT 2012B para receber dados do protocolo de varredura SpineRoutine_1. Selecione o Tamanho do Pixel e a Espessura da Fatia (ST) do conjunto de dados para se adaptar ao tamanho das vértebras que se pretende representar no modelo digital 3D.
   3. Use um ST de 1 mm com um tamanho de matriz de 512 pixels x 512 pixels, no qual o espaçamento entre pixels é de 0,3320 mm. O tamanho real do volume 3D alcançado é de 512 x 512 x 204 voxels.
2. Sequência de Dixon para nervo espinhal
   NOTA: Um aparelho de RM de 1,5 T é usado neste estudo.
   1. Defina a resolução da imagem Dixon como 290 pixels x 320 pixels, o espaçamento entre pixels como 0,9375 mm e a espessura da fatia como 3 mm para obter dados precisos.
   2. Defina o Tempo de Repetição como 5.160 ms e o Tempo de Eco como 94 ms.
   3. Certifique-se de que cada camada digitalizada consista em imagens de quatro fases, que são Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F e Dixon-w.
3. Prepare arquivos de armazenamento de dados para reconstrução do modelo.
   NOTA: Uma estrutura de armazenamento de dados bem definida é mais conveniente para o trabalho de acompanhamento.
   1. Faça uma pasta de projeto para conter todos os dados pertencentes ao paciente.
   2. Prepare diferentes caminhos de arquivo para dados de TCAR e RM-Dixon criando pastas diferentes para os dados de imagem digital e comunicações em medicina (DICOM).
   3. Crie uma pasta separada no projeto para todos os resultados da análise.

2. O modelo de vértebras digitais 3D

NOTA: Todas as funções de subprocesso vêm de ferramentas de software, cuja propriedade pertence a Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.

1. Chame o subprocesso Dicom2Mat no local de trabalho do MATLAB para obter o volume 3D dos arquivos DICOM armazenados na pasta de dados HRCT.
2. Depois de passar pelo subprocesso Dicom2Mat , visualize cada fatia dentro do volume 3D por meio da interface gráfica do usuário (GUI), conforme ilustrado na Figura 2.
3. Em seguida, visualize a distribuição da intensidade dos dados de TCAR das vértebras pela função hist (Figura 3).
4. Chame o subprocesso NoiseClean para excluir o ruído de sinal formado pelo dispositivo sob os caminhos do arquivo de dados HRCT.
5. Use o subprocesso função das vértebras sob o mesmo caminho para obter o modelo de vértebras , que também é um volume 3D, mas apenas com a estrutura óssea (Figura 4). Os parâmetros do filtro passa-alta, a intensidade variando de 190 a 1.656.

3. O modelo 3D do nervo espinhal digital

NOTA: Dixon-in contém estrutura óssea, enquanto Dixon-w descreve estrutura neural.

1. Use o subprocesso Dicom2Mat em ambos os caminhos das sequências Dixon-in e Dixon-w e obtenha seu volume 3D.
2. Além disso, visualize cada fatia individual que constitui um volume 3D usando a GUI apresentada na Figura 5. Acesse essa visualização assim que o subprocesso Dicom2Mat for concluído.
3. Use a função Spinal_Nerve para reconstruir o modelo do nervo espinhal com parâmetros de filtro passa-alta, com intensidade variando de 180 a 643. Como os sinais do nervo na sequência de Dixon-w são muito altos, extraia o volume 3D do nervo espinhal filtrando pontos com baixa intensidade.
4. Quando o subprocesso Spinal_Nerve estiver concluído, verifique o modelo gerado na GUI mostrada na Figura 6.

4. Registo e fusão

NOTA: O principal insight é que a arquitetura óssea está presente na TCAR e na sequência de imagens de Dixon-in.

1. Copie os três volumes 3D obtidos até agora para o caminho do arquivo do projeto feito na etapa 3.1. Os modelos de TCAR e Dixon-in incluem a mesma estrutura de vértebras, e os modelos de Dixon-in e Dixon-w têm as mesmas coordenadas.
2. Em seguida, coloque os nomes de arquivos dos três modelos no subprocesso vertebra_fusion como uma entrada para gerar o modelo de fusão. Isso pode ser visualizado na Figura 7.
3. A fusão costuma ser bem feita. Se o ajuste fino for necessário da perspectiva do médico, adicione parâmetros de coordenadas em todas as direções à mesma função para corrigir o modelo de fusão. Se forem observados pequenos erros na fusão de uma perspectiva clínica, use a função vertebra_fusion para ajustar as coordenadas de fusão. Esse processo envolve ajustes de parâmetros para as seis dimensões da direção das coordenadas (coordenadas XYZ e sua rotação).
4. Crie uma pasta separada no diretório do projeto para a saída do resultado do modelo de fusão.

5. Arquivos de modelo digital para impressão 3D

NOTA: Um aparelho de impressão 3D totalmente desenvolvido é utilizado para a fabricação do modelo digital acima mencionado, com a implementação de triangulações de Delaunay. Aqui, foi utilizada a impressora 3D Stratasys J55 Prime.

1. Exporte os modelos de fusão a serem usados para impressão 3D nas sequências de formato DICOM sob o caminho do arquivo do diretório de fusão. Utilize o algoritmo Mat2Dicom para executar a operação de exportação inserindo o modelo de fusão.
2. Abra a sequência de arquivos DICOM exportada anteriormente usando o Materialise Mimics V20. Para executar a operação de exportação, navegue até o menu Exportar na guia Arquivo e selecione o formato VRML. O caminho do arquivo para a exportação pode ser livremente personalizado de acordo com os requisitos do usuário.
3. Como a impressão 3D colorida transparente é um serviço profissional, comprima e embale os arquivos VRML e envie-os para o provedor de serviços. O resultado da impressão 3D é mostrado na Figura 8.

Resultados

Com base nos dados de fusão de imagens de TC/RM lombar em crianças com paralisia cerebral, criamos um modelo representativo da coluna lombar combinada com nervos espinhais. A filtragem passa-alta foi utilizada para extrair o alto sinal na faixa de valores de TC de 190-1.656 da TCAR, a fim de obter a reconstrução da estrutura óssea da coluna lombar na área de operação. As estruturas nervosas espinhais foram reconstruídas pela filtragem passa-alta das sequências de Dixon-w na RM. O modelo digital e as coordenadas...

Discussão

Este estudo fornece um fluxo de trabalho para o estabelecimento de um modelo de impressão 3D pré-operatório da coluna lombar em pacientes com paralisia cerebral, com o objetivo de facilitar o planejamento pré-operatório para a cirurgia de SDR e melhorar o treinamento anatômico baseado no modelo específico do paciente. O estudo visa estabelecer um modelo impresso em 3D altamente confiável que demonstre com precisão as estruturas vertebrais e nervosas lombares do paciente. Medindo-se a posição da lâmina e do ne...

Materiais

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