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Method Article
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.
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.
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 muitospaíses3,4. 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 atraídoatenção7. 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.
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
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.
3. O modelo 3D do nervo espinhal digital
NOTA: Dixon-in contém estrutura óssea, enquanto Dixon-w descreve estrutura neural.
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.
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.
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...
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...
Os modelos digitais deste estudo são reconstruídos pelo coautor Fangliang Xing.
Esta publicação foi apoiada pela Beijing Municipal Natural Science Foundation (L192059).
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 |
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