Name: 3d printing model of a patient's specific lumbar vertebra
Uploaded: 2023-04-14T13:15:00
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Esta publicación fue apoyada por la Fundación Municipal de Ciencias Naturales de Beijing (L192059).

Todos los datos provienen del paciente clínico, cuya operación de SDR se llevó a cabo en el Hospital BJ Dongzhimen. El protocolo sigue las directrices y fue aprobado por el comité de ética de investigación del Hospital Dongzhimen.
NOTA: El mapa completo del protocolo de reconstrucción del modelo se muestra en la Figura 1. Los datos de tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) y los datos de Dixon son materias primas para el modelado; luego, la cr...

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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 estudio proporciona un flujo de trabajo para establecer un modelo de impresión 3D preoperatorio de la columna lumbar en pacientes con parálisis cerebral, con el objetivo de facilitar la planificación preoperatoria para la cirugía SDR y mejorar el entrenamiento anatómico basado en el modelo específico del paciente. El estudio tiene como objetivo establecer un modelo impreso en 3D altamente confiable que demuestre con precisión las estructuras vertebrales y nerviosas lumbares del paciente. Al medir la posición...

La parálisis cerebral espástica afecta a más de la mitad de todos los niños con parálisis cerebral1, lo que lleva a contracturas tendinosas, desarrollo esquelético anormal y disminución de la movilidad, lo que afecta en gran medida la calidad de vida de los niños afectados2. Como principal método quirúrgico para el tratamiento de la parálisis cerebral espástica, la rizotomía dorsal selectiva (SDR) ha sido completamente validada y recomendada por muchos países 3,4. Sin embargo, la naturaleza intrincada y de alto riesgo de la cirugía SDR, incluido el corte preciso de la lámina, el posicionamiento y la disociación de las raíces nerviosas y la ruptura de las fibras nerviosas, presenta un desafío significativo para los médicos jóvenes que recién comienzan a involucrarse con SDR en la práctica clínica; además, la curva de aprendizaje de SDR es muy empinada.
En la cirugía ortopédica tradicional, los cirujanos deben integrar mentalmente todas las imágenes bidimensionales preoperatorias (2D) y crear un plan quirúrgico 3D5. Este enfoque es particularmente difícil para la planificación preoperatoria que involucra estructuras anatómicas complejas y manipulaciones quirúrgicas, como SDR. Con los avances en imágenes médicas y tecnología informática, las imágenes axiales 2D, como la tomografía computarizada (TC) y la resonancia magnética (RM) se pueden procesar para crear modelos virtuales 3D con anatomía específica del paciente6. Con una visualización mejorada, los cirujanos pueden analizar esta información procesada para realizar diagnósticos más detallados, planificación e intervenciones quirúrgicas adaptadas a la condición del paciente. En los últimos años, la aplicación de la tecnología de fusión de imágenes multimodales en ortopedia ha atraído gradualmentela atención 7. Esta tecnología podría fusionar imágenes de TC y RM, mejorando en gran medida la precisión del modelo analógico digital 3D. Sin embargo, la aplicación de esta técnica en modelos preoperatorios de SDR aún no se ha investigado.
El posicionamiento preciso de la lámina y el nervio espinal y el corte preciso durante la cirugía SDR son cruciales para obtener resultados exitosos. Por lo general, estas tareas se basan en la experiencia de expertos y son confirmadas repetidamente por un brazo en C durante la operación, lo que resulta en un proceso quirúrgico complejo y lento. El modelo digital 3D sirve como base para la futura navegación quirúrgica SDR y también se puede utilizar para la planificación preoperatoria de procedimientos de laminectomía. Este modelo fusiona la estructura ósea de la TC y la estructura del nervio espinal de la RM, y asigna diferentes colores a las secciones de la vértebra lumbar marcadas para el corte de acuerdo con el plan quirúrgico. Estos modelos de impresión 3D holográficos para SDR no solo facilitan la planificación y simulación preoperatorias, sino que también envían coordenadas de navegación 3D precisas al brazo robótico intraoperatorio para un 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

La rizotomía dorsal selectiva (SDR) es una operación difícil, arriesgada y sofisticada, en la que una laminectomía no solo debe exponer un campo de visión quirúrgico adecuado, sino también proteger los nervios espinales del paciente de lesiones. Los modelos digitales juegan un papel importante en la pre e intra-operación de SDR, ya que no solo pueden familiarizar a los médicos con la estructura anatómica del sitio quirúrgico, sino que también proporcionan coordenadas precisas de navegación quirúrgica para el manipulador. Este estudio tiene como objetivo crear un modelo digital 3D de una vértebra lumbar específica del paciente que se puede utilizar para la planificación, la navegación quirúrgica y el entrenamiento de la operación SDR. El modelo de impresión 3D también se fabrica para un trabajo más efectivo durante estos procesos.
Los modelos digitales ortopédicos tradicionales se basan casi por completo en datos de tomografía computarizada (TC), que son menos sensibles a los tejidos blandos. La fusión de la estructura ósea de la TC y la estructura neural de la resonancia magnética (RM) es el elemento clave para la reconstrucción del modelo en este estudio. El modelo digital 3D específico del paciente se reconstruye para la apariencia real del área quirúrgica y muestra la medición precisa de las distancias interestructurales y la segmentación regional, lo que puede ayudar eficazmente en la planificación preoperatoria y el entrenamiento de SDR. El material transparente de la estructura ósea del modelo impreso en 3D permite a los cirujanos distinguir claramente la relación relativa entre el nervio espinal y la placa vertebral del segmento operado, mejorando su comprensión anatómica y el sentido espacial de la estructura. Las ventajas del modelo digital 3D individualizado y su relación precisa entre el nervio espinal y las estructuras óseas hacen de este método una buena opción para la planificación preoperatoria de la cirugía SDR.

Con base en los datos de fusión de imágenes de TC / RM lumbar en niños con parálisis cerebral, creamos un modelo representativo de la columna lumbar combinada con nervios espinales. Se utilizó el filtrado de paso alto para extraer la señal alta en el rango de valores de TC de 190-1.656 de la TCRH, con el fin de lograr la reconstrucción de la estructura ósea de la columna lumbar en el área de operación. Las estructuras nerviosas espinales se reconstruyeron mediante el filtrado de paso alto de las secuencias de D...

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

Este estudio tiene como objetivo crear un modelo impreso en 3D de una vértebra lumbar específica del paciente, que contiene los modelos de vértebras y nervios espinales fusionados a partir de la tomografía computarizada de alta resolución (HRCT) y los datos de MRI-Dixon.

Modelo de impresión 3D de la vértebra lumbar específica de un paciente

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

El protocolo ha rellenado las complejas imágenes de TC y RM de estructuras anatómicas humanas, aprovechando la ventaja respectiva de ambos tipos de imágenes. Esta es una innovación significativa en el campo de las imágenes médicas. En el modelo fusionado, los médicos pueden ver tanto la estructura ósea de la TC como las estructuras de tejido más blando de la RMN.Además, el modelo 3D se puede utilizar para la navegación 3D precisa de robots quirúrgicos. Esta tecnología es aplicable a casi todas las personas mayores que requieren fusión multimodal, como la fusión de imágenes ultrasónicas. El modelo de fusión 3D también es de gran importancia para la planificación pre-arbitral y la evaluación post-arbitral.Al utilizar esta tecnología, obtendrá información de imágenes multimodales simultáneamente. La perspectiva de diferentes dimensiones se desarrollará sincrónicamente, y el proceso diagnóstico y terapéutico evolucionará. Para comenzar, configure los recursos de datos de la estación de la máquina de TC.Abra el único software CT 2012 B para recibir datos del protocolo de escaneo SpineRoutine_1. Utilice un grosor de corte de un milímetro con un tamaño de matriz de 512 píxeles por 512 píxeles, en el que el espaciado de píxeles es de 0,3320 milímetros. El tamaño real del volumen 3D alcanzado es de 512 por 512 por 204 vóxeles.Llame al subproceso Dicom2Mat en el lugar de trabajo de MATLAB para obtener el volumen 3D de los archivos DICOM almacenados en la carpeta de datos HRCT. Vea cada segmento dentro del volumen 3D a través de la interfaz gráfica de usuario o GUI. Luego visualice la distribución de intensidad de los datos de HRCT de las vértebras por la función de atraco.Llame al subproceso de limpieza de ruido para eliminar el ruido de señal formado por el dispositivo en las partes del archivo de datos HRCT. Y use el subproceso de función de las vértebras bajo el mismo camino, para obtener el modelo de vértebras que también es un volumen 3D, pero solo con la estructura ósea. Utilice los parámetros de filtro de paso alto y el rango de intensidad de 190 a 1, 656.Utilice el subproceso Dicom2Mat en ambas partes de las secuencias Dixon-In y Dixon_W, y obtenga su volumen 3D. Visualice cada segmento individual que constituye un volumen 3D y acceda a esta visualización una vez que se haya completado el subproceso Dicom2Mat. Utilice la función del nervio espinal para reconstruir el modelo del nervio espinal con parámetros de filtro de paso alto y el rango de intensidad de 180 a 643.Filtre los puntos con baja intensidad para extraer el volumen 3D del nervio espinal, ya que las señales nerviosas en la secuencia Dixon_W son muy altas. Una vez finalizado el subproceso del nervio espinal, verifique el modelo generado en la GUI. Copie los tres volúmenes 3D en la ruta de archivo del proyecto.Los modelos de HRCT y DIXON-In incluyen la misma estructura de vértebras. Y los modelos de DIXON-In y Dixon_W tienen las mismas coordenadas. Coloque los nombres de archivo de los tres modelos en el subproceso de fusión de vértebras como entrada para generar el modelo de fusión.Si es necesario un ajuste fino desde la perspectiva del médico, agregue parámetros de coordenadas en todas las direcciones a la misma función para corregir el modelo de fusión. Si se observan errores leves en la fusión desde una perspectiva clínica, utilice la función de fusión de vértebras para afinar las coordenadas de fusión. Este proceso implica ajustes de parámetros a las seis dimensiones de la dirección de coordenadas.Cree una carpeta independiente en el directorio del proyecto para generar el resultado del modelo de fusión. Exporte los modelos de fusión que se utilizarán para la impresión 3D en las secuencias de formato DICOM en la ruta de archivo del directorio de fusión. Utilice el algoritmo mat2dicom para ejecutar la operación de exportación.introduciendo el modelo de fusión. Abra la secuencia de archivos DICOM exportada previamente utilizando Materialise Mimics versión 20 para realizar la operación de exportación. Navegue hasta el menú de exportación en la pestaña de archivo y seleccione el formato VRML.La ruta del archivo para la exportación se puede personalizar libremente de acuerdo con los requisitos del usuario. Como la impresión 3D colorida transparente es un servicio profesional, comprima y empaque los archivos VRML y envíelos al proveedor de servicios. El modelo de fusión multimodal de TC y RM se utiliza para la planificación preoperatoria y el entrenamiento en rizotomía dorsal selectiva o SDR.La GUI de los sectores en el volumen de los datos de HRCT se muestra en esta figura. A través de esta GUI, los cirujanos pueden ver la estructura de la columna vertebral contenida en todos los datos de la TC. La imagen gráfica que se muestra aquí representa la distribución de intensidad de los datos de la TCM de las vértebras.Esta información cuantitativa ayuda a determinar el rango de filtrado de la estructura de las vértebras. El modelo de impresión 3D para la planificación y entrenamiento de la rizotomía dorsal selectiva o SDR se muestra en esta imagen. Se utilizan tintes de diferentes colores para desdeñar y distinguir las estructuras, como los huesos y los nervios.La estructura del nervio espinal está teñida de amarillo y la lámina de los segmentos L4 y L5 en el área de operación correspondiente, se distinguen por la tinción roja y azul. La estructura ósea se imprime utilizando un material de resina transparente, que permite a los médicos observar la estructura nerviosa debajo de la lámina a través de la estructura ósea. La tecnología de fusión equivalente, insensible o multimodal está destinada a traer varias aplicaciones nuevas, ya que los médicos pueden obtener información de diferentes dimensiones en un modelo.El tratamiento de diagnóstico basado en imágenes médicas y la navegación quirúrgica son los principales campos de batalla para la tecnología de fusión multimodal en el campo de la imagen médica.

Research

JoVE Journal

Medicine

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Investigación

Medicina

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