Bir Hastanın Spesifik Bel Omurunun 3D Baskı Modeli

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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 plan^{oluşturmalıdır 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.

Protokol

Tüm veriler, SDR operasyonu BJ Dongzhimen Hastanesi'nde gerçekleştirilen klinik hastadan gelmektedir. Protokol, Dongzhimen Hastanesi araştırma etik komitesinin yönergelerini takip eder ve onaylar.

NOT: Model rekonstrüksiyon protokolünün tüm haritası Şekil 1'de gösterilmiştir. Yüksek çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (HRCT) verileri ve Dixon verileri modelleme için hammaddedir; daha sonra, 3D model oluşturma görüntü kaydı ve füzyondan oluşur. Son 3D dijital model, çok çeşitli malzemeler kullanarak pürüzsüz ve doğru parçalar üreten yüksek hassasiyetli bir 3D baskı işlemi olan PolyJet teknolojisi ile basılmıştır. Omur ve spinal sinir arasındaki uzamsal ilişkiyi tam olarak tanımlamak için HRCT verileri ve Dixon görüntü serileri kullanılmıştır. Dixon taraması, Dixon su fazı görüntü serisinin spinal sinirlerin yapısını çıkarmak için kullanılabileceği su ve yağ ayırma görüntülerini tanımlayabilir ve Dixon-in faz görüntü serisi, kemik yapısının kaydını kontrol etmek için kullanılabilir.

Şekil 1: Protokolün tüm haritası. Bu çalışmanın araştırma metodolojisi BT ve manyetik rezonans Dixon sekanslarının füzyonunu içermektedir. Spesifik olarak, BT vertebra yapısı, Dixon-in sekansında bulunan aynı vertebra yapısı ile kaydedilir, ardından spinal sinir için Dixon-w dizisi ile füzyon yapılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

1. Veri toplama ve hazırlama

1. Omurlar için yüksek çözünürlüklü BT
   NOT: Parametre farkı araştırma yöntemine duyarlı değildir.
   1. CT makine istasyonundan veri kaynaklarını ayarlayın.
      NOT: Burada SIEMENS-CTAWP73396 CT makinesi kullanılmaktadır.
   2. Tarama protokolünden veri almak için Syngo CT 2012B yazılımını açın SpineRoutine_1. 3B dijital modelde temsil edilmesi amaçlanan omurların boyutuna uyum sağlamak için veri kümesinin Piksel Boyutu ve Dilim Kalınlığı'nı (ST) seçin.
   3. Piksel aralığının 0,3320 mm olduğu 512 piksel x 512 piksel matris boyutuna sahip 1 mm'lik bir ST kullanın. Elde edilen 3D hacmin gerçek boyutu 512 x 512 x 204 vokseldir.
2. Spinal sinir için Dixon dizisi
   NOT: Bu çalışmada 1.5 T MR makinesi kullanılmıştır.
   1. Doğru veriler elde etmek için Dixon görüntü Çözünürlüğü'nü 290 piksel x 320 piksel, Piksel Aralığı'nı 0,9375 mm ve Dilim Kalınlığı'nı 3 mm olarak ayarlayın.
   2. Tekrarlama Süresi'ni 5.160 ms ve Yankı Süresi'ni 94 ms olarak ayarlayın.
   3. Taranan her katmanın Dixon-in, Dixon-opp, Dixon-F ve Dixon-w olan dört fazlı görüntülerden oluştuğundan emin olun.
3. Model yeniden yapılandırması için veri depolama dosyaları hazırlayın.
   NOT: İyi tanımlanmış bir veri depolama yapısı, takip çalışmaları için daha uygundur.
   1. Hastaya ait tüm verileri içerecek bir proje klasörü oluşturun.
   2. Tıpta dijital görüntüleme ve iletişim (DICOM) verileri için farklı klasörler oluşturarak HRCT ve MRI-Dixon verileri için farklı dosya yolları hazırlayın.
   3. Tüm çözümleme sonuçları için projenin altında ayrı bir klasör oluşturun.

2. 3D dijital vertebra modeli

NOT: Tüm alt süreç işlevleri, özellikleri Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.'ye ait olan yazılım araçlarından gelir.

1. HRCT veri klasöründe depolanan DICOM dosyalarından 3B birimi edinmek için MATLAB çalışma alanında Dicom2Mat alt işlemini çağırın.
2. Dicom2Mat alt işleminden geçtikten sonra, Şekil 2'de gösterildiği gibi grafik kullanıcı arabirimi (GUI) aracılığıyla 3B birimdeki her dilimi görüntüleyin.
3. Daha sonra, vertebra HRCT verilerinin yoğunluk dağılımını hist fonksiyonu ile görselleştirin (Şekil 3).
4. HRCT veri dosyası yolları altında aygıt tarafından oluşturulan sinyal gürültüsünü silmek için NoiseClean alt işlemini çağırın.
5. Aynı zamanda bir 3B hacim olan ancak yalnızca kemik yapısına sahip olan vertebra modelini kazanmak için aynı yol altında Vertebrae fonksiyon alt işlemini kullanın (Şekil 4). Yüksek geçirgen filtre parametreleri, yoğunluğu 190 ila 1.656 arasında değişmektedir.

3. 3D dijital spinal sinir modeli

NOT: Dixon-in kemik yapısını içerirken, Dixon-w nöral yapıyı tanımlar.

1. Dicom2Mat alt işlemini Dixon-in ve Dixon-w dizilerinin her iki yolunda da kullanın ve 3B hacimlerini alın.
2. Ayrıca, Şekil 5'te sunulan GUI'yi kullanarak bir 3B birim oluşturan her bir dilimi görselleştirin. Dicom2Mat alt işlemi tamamlandıktan sonra bu görselleştirmeye erişin.
3. Spinal sinir modelini yoğunluğu 180 ila 643 arasında değişen yüksek geçirgen filtre parametreleriyle yeniden yapılandırmak için Spinal_Nerve fonksiyonunu kullanın. Dixon-w dizisindeki sinirin sinyalleri çok yüksek olduğundan, düşük yoğunluklu noktaları filtreleyerek spinal sinir 3D hacmini çıkarın.
4. Spinal_Nerve alt işlemi tamamlandığında, Şekil 6'da gösterilen GUI'de oluşturulan modeli kontrol edin.

4. Kayıt ve füzyon

NOT: Temel içgörü, kemik mimarisinin hem HRCT hem de Dixon-in görüntüleme sekansında mevcut olmasıdır.

1. Şimdiye kadar elde edilen üç 3B birimi, adım 3.1'de yapılan projenin dosya yoluna kopyalayın. HRCT ve Dixon-in'den gelen modeller aynı omurga yapısını içerir ve Dixon-in ve Dixon-w'den gelen modeller aynı koordinatlara sahiptir.
2. Ardından, üç modelin dosya adlarını, füzyon modelini oluşturmak için bir girdi olarak vertebra_fusion alt işlemine yerleştirin. Bu, Şekil 7'de görselleştirilebilir.
3. Füzyon genellikle iyi yapılır. Doktorun bakış açısından ince ayar yapılması gerekiyorsa, füzyon modelini düzeltmek için aynı işleve her yönde koordinat parametreleri ekleyin. Füzyonda klinik açıdan hafif hatalar gözlenirse, füzyon koordinatlarına ince ayar yapmak için vertebra_fusion fonksiyonunu kullanın. Bu işlem, koordinat yönünün altı boyutuna (XYZ koordinatları ve rotasyonları) parametre ayarlamalarını içerir.
4. Füzyon modelinin sonucunun çıktısını almak için proje dizininde ayrı bir klasör oluşturun.

5. 3D baskı için dijital model dosyaları

NOT: Delaunay üçgenlemelerinin uygulanmasıyla, yukarıda belirtilen dijital modelin üretimi için tamamen geliştirilmiş bir 3D baskı aparatı kullanılmaktadır. Burada Stratasys J55 Prime 3D yazıcı kullanıldı.

1. 3D baskı için kullanılacak füzyon modellerini, füzyon dizininin dosya yolu altındaki DICOM format dizilerinde dışa aktarın. Füzyon modelini girerek dışa aktarma işlemini yürütmek için Mat2Dicom algoritmasını kullanın.
2. Daha önce Materialise Mimics V20 kullanılarak dışa aktarılan DICOM dosya dizisini açın. Dışa aktarma işlemini gerçekleştirmek için, Dosya sekmesinin altındaki Dışa Aktar menüsüne gidin ve VRML formatını seçin. Dışa aktarma için dosya yolu, kullanıcının gereksinimlerine göre serbestçe özelleştirilebilir.
3. Şeffaf renkli 3D baskı profesyonel bir hizmet olduğundan, VRML dosyalarını sıkıştırın ve paketleyin ve servis sağlayıcıya gönderin. 3D baskı sonucu Şekil 8'de gösterilmiştir.

Sonuçlar

Serebal palsili çocuklarda lomber BT / MRG görüntü füzyon verilerine dayanarak, spinal sinirlerle kombine lomber omurganın temsili bir modelini oluşturduk. Ameliyat bölgesinde lomber omurganın kemik yapısının rekonstrüksiyonunu sağlamak için HRCT'den 190-1.656 BT değer aralığındaki yüksek sinyali çıkarmak için yüksek geçirgen filtreleme kullanıldı. MRG'de Dixon-w sekanslarının yüksek geçişli filtrelenmesi ile spinal sinir yapıları yeniden yapılandırıldı. Lomber vertebral yapının ve...

Tartışmalar

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...

Malzemeler

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