Diseño, desarrollo de impresión 3D de guía de artrodesis cervical posterior

Abstract

Introducció Un dels objectius a la cirurgia de columna és evitar lesionar les estructures vasculonervioses adjacents. Amb l’aparició i desenvolupament de la tecnología de l’impressió 3D, s’ha disposat d’una eina més per millorar la precisió i seguretat de la cirurgia. Hipòtesi Les guies d’artròdesi cervical posterior impreses en 3D permeten l’instrumentació cervical sobre espécimen d’una manera segura, sense lesionar les estructures vasculonervioses adjacents. Objectius 1. Instrumentar la columna cervical sense lesionar les estructures adjacents, utilitzant una guia 3D i sense escòpia. 2. Adaptar anatòmicament les guies cervicals. 3. Comparar els trajectes virtuals versus reals dels cargols cervicals. 4. Calcular la precisió de la colocació dels cargols. 5. Descriure una metodologia per l’impressió 3D. Material y mètode Es proposa un estudi experimental sobre model 3D i peces anatòmiques cervicals mitjançant el qual s’intrumenta la columna cervical amb guies 3D i s’avalua en TC postoperatoria el resultat del posicionament. El sistema escollit per avaluar el posicionament ha sigut: 1. Richter 1: cargol amb trajectòria intraòssia 2. Richter 2: cargol que traspassa la cortical menys d’un quart de diàmetre. 3. Richter 3: cargol extracortical més d’un quart de diàmetre. El disseny i l’impressió s’han realitzat al Laboratori de Planificació Quirúrgica 3D del Parc Taulí i la cirurgia s’ha realitzat al Centre de Cirurgia Experimental del mateix centre. La mostra es composa de 5 especimens i 5 models anatòmics. Es col·loquen 70 cargols a cada model. Resultats L’instrumentació sobre model no ha mostrat malposicionaments. Les guies s’han adaptat correctament. Troballes: 1. La tolerància de la guia ha de ser superior a 0,2 mm. pel risc de ruptura o dificultat de pas de broca. 2. Els dissenys requereixen guies robustes. 3. L’estabilitat de la guia es fonamental per evitar errors de posicionament. Dels 70 cargols sobre espècimen s’han obtingut: Richter 1: 59 cargols (84%), Richter 2: 8 cargols (12%), Richter 3: 3 cargols (4%). La relació entre el posicionament segons el mètode de Richter respecte a l’anàlisi 3D (cargol real-cargol virtual) mostra una correlació positiva. Pel que a major diferència del punt d’entrada o angulació del cargol real respecte al virtual més gran és el Richter obtingut. Enara que la dispersió de dades no permet establir unos límits precisos en aquesta relació. La relació entre la diferència de l’angle d’entrada i del punt d’entrada del cargol real respecte al virtual respecte al segment intervingut mostra una menor dispersió de dades i una major precisió en les vèrtebres C2 i C7. Pel contrari, els pitjors resultats s’han obtingut en C1. Conclusions Les guies d’artròdesi cervical posterior impreses en 3D han permès l’instrumentació cervical d’una manera segura, sense lesionar les estructures vasculonervioses adjacents. Les guies s’han adaptat anatòmicament i s’ha aconseguit que siguin estables durant la tècnica quirúrgica. S’ha aconseguit descriure una metodologia de treball sobre el disseny i el desenvolupament de la impressió 3D, completamente exportable i reproduïble en qualsevol altre centre de treball, a l’utilitzar materials d’ús comú tant en software com en hardware. S’ha comparat la trajectòria dels cargols virtuals amb els reals i s’ha pogut calcular les diferències entre ells, mitjançant el qual s’ha pogut establir la precisió del posicionament dels cargols vertebrals. La precisió quirúrgica de les guies 3D sobre espècimen ha sigut avaluada i el resultat entra dins del rang de precisió obtinguda mitjançant les tècniques de mans lliures/fluoroscòpia, navegació i altres guies 3D.

Introducción Uno de los objetivos en la cirugía de columna es evitar lesionar las estructuras vasculonerviosas adyacentes. Con la aparición y desarrollo de la tecnología de la impresión 3D, se ha dispuesto de una herramienta más para mejorar la precisión y seguridad de la cirugía. Hipótesis Las guías de artrodesis cervical posterior imprimidas en 3D permiten la instrumentación cervical sobre espécimen de una manera segura, sin lesionar las estructuras vasculonerviosas adyacentes. Objetivos 1. Instrumentar la columna cervical sin lesionar las estructuras adyacentes, utilizando una guía 3D y sin escopia. 2. Adaptar anatómicamente las guías cervicales. 3. Comparar los trayectos virtuales versus reales de los tornillos cervicales. 4. Calcular la precisión de la colocación de los tornillos. 5. Describir una metodología para la impresión 3D. Material y métodos Se propone un estudio experimental sobre modelo 3D y piezas anatómicas cervicales mediante el cual se instrumenta la columna cervical con guías 3D y se evalúa en TC postoperatorio el resultado del posicionamiento. El sistema elegido para evaluar el posicionamiento ha sido: 1. Richter 1: tornillo con trayectoria intraósea 2. Richter 2: tornillo que traspasa la cortical menos de 1/4 de diámetro. 3. Richter 3: tornillo extracortical más de 1/4 de diámetro. El diseño e impresión se ha realizado en el Laboratori de Planificació Quirúrgica 3D del Parc Taulí y la cirugía se ha realizado en el Centre de Cirurgia Experimental del mismo centro. La muestra se compone de 5 especímenes y 5 modelos anatómicos. Se colocan 70 tornillos en cada modelo. Resultados La instrumentación sobre modelo no ha mostrado malposicionamientos Las guías se han adaptado correctamente. Hallazgos: 1. La tolerancia de la guía debe ser superior a 0,2 mm. por el riesgo de rotura o dificultad de paso de broca. 2. Los diseños requieren guías robustas. 3. La estabilidad de la guía es fundamental para evitar errores de posicionamiento. De los 70 tornillos sobre espécimen se han obtenido: Richter 1: 59 tornillos (84%), Richter 2: 8 tornillos (12%), Richter 3: 3 tornillos (4%). La relación entre el posicionamiento según el método de Richter respecto al análisis 3D (tornillo real-tornillo virtual) muestra una correlación positiva. Por lo que a mayor diferencia del punto de entrada o angulación del tornillo real respecto al virtual mayor es el Richter obtenido. Aunque la dispersión de datos no permite establecer unos límites precisos en esta relación. La relación entre la diferencia del ángulo de entrada y del punto de entrada del tornillo real respecto al virtual respecto al segmento intervenido muestra una menor dispersión de datos y una mayor precisión en las vértebras C2 y C7. Por el contrario, los peores resultados se han obtenido en C1. Conclusiones Las guías de artrodesis cervical posterior imprimidas en 3D han permitido la instrumentación cervical de una manera segura, sin lesionar las estructuras vasculonerviosas adyacentes. Las guías se han adaptado anatómicamente y se ha conseguido que sean estables durante la técnica quirúrgica. Se ha conseguido describir una metodología de trabajo sobre el diseño y el desarrollo de la impresión 3D, completamente exportable y reproducible en cualquier otro centro de trabajo al utilizar materiales de uso común tanto en software como en hardware. Se ha comparado la trayectoria de los tornillos virtuales con los reales y se ha podido calcular las diferencias entre ellos, mediante lo cual se ha podido describir la precisión del posicionamiento de los tornillos vertebrales. La precisión quirúrgica de las guías 3D sobre espécimen ha sido evaluada y el resultado entra dentro del rango de precisión obtenida mediante las técnicas de manos libres/fluoroscopia, navegación y otras guías 3D.

Introduction One of the goals in spine surgery is to avoid injuring adjacent vasculonervous structures. With the emergence and development of 3D printing technology, another tool has been available to improve the precision and safety of surgery. Hypothesis 3D printed posterior cervical fusion 3D guides allow cervical instrumentation on specimen in a safe manner, without injuring adjacent vasculonervous structures. Objectives 1. Instrumenting the cervical spine without injuring adjacent structures, using 3D guidance and without fluoroscopy. 2. Anatomically adapt the cervical guides. 3. Compare virtual versus real paths of cervical screws. 4. Calculate the accuracy of the placement of the screws. 5.Describe a methodology for 3D printing. Materials and methods An experimental study is proposed on 3D model and cervical anatomical pieces through which the cervical spine is instrumented with 3D guides and the positioning result is evaluated in postoperative CT. The system chosen to evaluate the positioning has been: 1. Richter 1: screw with intraosseous trajectory 2. Richter 2: extracortical screw less than 1/4 in diameter. 3. Richter 3: extracortical screw more than 1/4 in diameter. The design and printing has been carried out in the Laboratori de Planificació Quirúrgica 3D of Parc Taulí and the surgery has been carried out in the Centre de Cirurgia Experimental of the same center. The sample consists of 5 specimens and 5 anatomical models. 70 screws are placed in each model. Results Model instrumentation has not shown mispositioning The guides have been adapted correctly. Findings: 1. The tolerance of the guide must be greater than 0.2 mm. due to the risk of breakage or difficulty of passage of the drill. 2. The designs require robust guides. 3. The stability of the guide is essential to avoid positioning errors. Of the 70 screws on specimen have been obtained: Richter 1: 59 screws (84%), Richter 2: 8 screws (12%), Richter 3: 3 screws (4%). The relationship between positioning according to Richter’s method with respect to 3D analysis (real screw-virtual screw) shows a positive correlation. So, with greater differences of the entry point or angulation of the real screw respect to the virtual ones greater is the Richter obtained. Although the dispersion of data does not allow to establish precise limits in this relationship. The relationship between the difference of the entry angle and the entry point of the real screw respect to the virtual one respect the intervened segment shows a lower dispersion of data and greater precision in vertebrae C2 and C7. On the contrary, the worst results have been obtained in C1. Conclusions 3D printed cervical guides have enabled cervical instrumentation in a safe manner, without injuring adjacent vasculonervous structures. The guides have been adapted anatomically and have been made stable during the surgical technique. It has been possible to describe a work methodology about the design and development of 3D printing, completely exportable and reproducible in any other work center by using materials commonly used in both software and hardware. The trajectory of the virtual screws has been compared with the real ones and it has been possible to calculate the differences between them, through which it has been possible to describe the precision of the positioning of the vertebral screws. The surgical accuracy of 3D guides on specimen has been evaluated and the result falls within the range of precision obtained by free hand/fluoroscopy, navigation and other 3D guides.