Name: 3d printing model of a patient's specific lumbar vertebra
Uploaded: 2023-04-14T13:15:00
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Esta publicação foi apoiada pela Beijing Municipal Natural Science Foundation (L192059).

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...

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	<li>Rosenbaum, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+report:+the+definition+and+classification+of+cerebral+palsy+April+2006.">A report: the definition and classification of cerebral palsy April 2006.</a> Developmental Medicine and Child Neurology. Supplement. 109, 8-14 (2007).</li><li>Krigger, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cerebral+palsy:+an+overview.">Cerebral palsy: an overview.</a> American Family Physician. 73 (1), 91-100 (2006).</li><li>Davidson, B., Fehlings, D., Milo-Manson, G., Ibrahim, G. 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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Periacetabular+osteotomy+in+adult+hip+dysplasia-developing+a+computer+aided+real-time+biome-chanical+guiding+system+(BGS).">Periacetabular osteotomy in adult hip dysplasia-developing a computer aided real-time biome-chanical guiding system (BGS).</a> Finnish Journal of Orthopaedics and Traumatology. 31 (2), 186-190 (2008).</li><li>Armiger, R. S., Armand, M., Tallroth, K., Lepisto, J., Mears, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+mechanical+evaluation+of+joint+contact+pressure+in+12+periacetabular+osteotomy+patients+with+10-year+follow-up.">Three-dimensional mechanical evaluation of joint contact pressure in 12 periacetabular osteotomy patients with 10-year follow-up.</a> Acta Orthopaedica. 80 (2), 155-161 (2009).</li><li>Rengier, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+based+on+imaging+data:+review+of+medical+applications.">3D printing based on imaging data: review of medical applications.</a> International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 5 (4), 335-341 (2010).</li><li>Jiang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Model-based+compensation+of+moving+tissue+for+state+recognition+in+robotic-assisted+pedicle+drilling.">Model-based compensation of moving tissue for state recognition in robotic-assisted pedicle drilling.</a> IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 2 (3), 463-473 (2020).</li><li>Setton, L. A., Chen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanobiology+of+the+intervertebral+disc+and+relevance+to+disc+degeneration.">Mechanobiology of the intervertebral disc and relevance to disc degeneration.</a> The Journal of Bone and Joint Surgery. American. 88, 52-57 (2006).</li></ol>

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...

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>J55 Prime 3D-Printer</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>J55 Prime</td>
			<td>Manufacturing the model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks&#160;</td>
			<td>2022B</td>
			<td>Computing and visualization&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mimics</td>
			<td>Materialise</td>
			<td>Mimics Research V20</td>
			<td>Model format transformation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tools for volum fusion</td>
			<td>Intelligent Entropy</td>
			<td>VolumeFusion V1.0</td>
			<td>Beijing Intelligent Entropy Science &#38; Technology Co Ltd. 
			Modeling for CT/MRI fusion</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d printing model of a patient's specific lumbar vertebra

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.

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...

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3D Printing Model of a Patient's Specific Lumbar Vertebra

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.

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

Selective dorsal rhizotomy (SDR) is a difficult, risky, and sophisticated operation, in which a laminectomy should not only expose an adequate surgical ...

O protocolo preenche as complexas imagens de TC e RM de estruturas anatômicas humanas, aproveitando a vantagem respectivamente de ambos os tipos de imagem. Esta é uma inovação significativa no campo da imagem médica. No modelo fundido, os médicos podem visualizar tanto a estrutura óssea da TC quanto as estruturas de tecidos moles da ressonância magnética.Além disso, o modelo 3D pode ser usado para navegação 3D precisa de robôs cirúrgicos. Esta tecnologia é aplicável a quase todos os idosos que necessitam de fusão multimodal, como a fusão de imagens ultra-sônicas. O modelo de fusão 3D também é de grande importância para o planejamento pré-arbitral e a avaliação pós-arbitral.Ao usar essa tecnologia, você terá insights de imagens multimodais simultaneamente. Diferentes dimensões se desdobrarão sincronicamente, e o processo diagnóstico e terapêutico evoluirá. Para começar, defina os recursos de dados da estação de máquina de TC.Abra o único software CT 2012 B para receber dados do protocolo de varredura SpineRoutine_1. Use uma espessura de fatia de um milímetro com um tamanho de matriz de 512 pixels por 512 pixels, na qual o espaçamento entre pixels é de 0,3320 milímetros. O tamanho real do volume 3D alcançado é de 512 por 512 por 204 voxels.Chame o subprocesso Dicom2Mat no local de trabalho do MATLAB para obter o volume 3D dos arquivos DICOM armazenados na pasta de dados HRCT. Visualize cada fatia dentro do volume 3D através da interface gráfica do usuário ou GUI. Em seguida, visualize a distribuição de intensidade dos dados de TCAR das vértebras pela função de assalto.Chame o subprocesso de limpeza de ruído para excluir o ruído de sinal formado pelo dispositivo sob as partes do arquivo de dados HRCT. E usar o subprocesso de função das vértebras sob o mesmo caminho, para ganhar o modelo de vértebras que também é um volume 3D, mas apenas com a estrutura óssea. Use os parâmetros do filtro passa-alta e a faixa de intensidade de 190 a 1.656.Use o subprocesso Dicom2Mat em ambas as partes das sequências Dixon-In e Dixon_W e obtenha seu volume 3D. Visualize cada fatia individual que constitui um volume 3D e acesse essa visualização assim que o subprocesso Dicom2Mat for concluído. Use a função do nervo espinhal para reconstruir o modelo do nervo espinhal com parâmetros de filtro passa-alta e a faixa de intensidade de 180 a 643.Filtre os pontos com baixa intensidade para extrair o volume 3D do nervo espinhal, pois os sinais nervosos na sequência Dixon_W são muito altos. Uma vez terminado o subprocesso do nervo espinhal, verifique o modelo gerado na GUI. Copie os três volumes 3D para o caminho do arquivo do projeto.Os modelos de TCAR e DIXON-In incluem a mesma estrutura vertebral. E os modelos de DIXON-In e Dixon_W têm as mesmas coordenadas. Coloque os nomes de arquivo dos três modelos no subprocesso de fusão de vértebras como uma entrada para gerar o modelo de fusão.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 pequenos erros forem observados na fusão de uma perspectiva clínica, use a função de fusão da vértebra para ajustar as coordenadas da fusão. Esse processo envolve ajustes de parâmetros para as seis dimensões da direção das coordenadas.Crie uma pasta separada no diretório do projeto para a saída do resultado do modelo de fusão. 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. Abra a sequência de arquivos DICOM exportada anteriormente usando o Materialise Mimics versão 20 para executar a operação de exportação. Navegue até o menu de exportação 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. 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 modelo de fusão multimodal de TC e RM é utilizado para planejamento pré-operatório e treinamento em rizotomia dorsal seletiva ou SDR.A GUI das fatias no volume dos dados da TCAR é mostrada nesta figura. Através desta GUI, os cirurgiões podem visualizar a estrutura da coluna contida em todos os dados da TC. A imagem gráfica mostrada aqui representa a distribuição de intensidade dos dados de TCAR das vértebras.Esta informação quantitativa ajuda a determinar a faixa de filtragem da estrutura das vértebras. O modelo de impressão 3D para planejamento e treinamento de rizotomia dorsal seletiva ou SDR é mostrado nesta imagem. Corantes de cores diferentes são usados para desdenhar e distinguir as estruturas, como ossos e nervos.A estrutura nervosa espinhal é tingida de amarelo e a lâmina dos segmentos L4 e L5, na área de operação correspondente, distingue-se pelas colorações vermelha e azul. A estrutura óssea é impressa usando um material de resina transparente, que permite aos médicos observar a estrutura nervosa sob a lâmina através da estrutura óssea. A tecnologia de fusão equivalente, insensível ou multimodal deve trazer várias novas aplicações, pois os médicos podem obter informações de diferentes dimensões em um modelo.O tratamento diagnóstico baseado em imagens médicas e a navegação cirúrgica são os principais campos de batalha para a tecnologia de fusão multimodal no campo da imagem médica.

Research

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Medicine

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