Development of a Patient-specific Guide for High Cervical Spine Fixation.

OBJECTIVE: High cervical spine fixation represents a challenge for spine surgeons due to the complex anatomy and the risks of vascular and medullar injury. The recent advances in 3-D printing have unfolded a whole new range of options for these surgeons.
METHODS: In the present study, a guide for the placement of the lateral mass screw in the C1 vertebra was developed using 3-D printing. Eight real-size models of the high cervical spine and their respective screw guides were built using computed tomography (CT) scan images. The guidewires were inserted with the help of the printed guides and then the models were analyzed with the help of CT scan images.
RESULTS: All of the guidewires in the present study obtained a safe placement in the models, avoiding the superior and inferior articular surfaces, the vertebral foramen, and the vertebral artery.
CONCLUSION: The present study demonstrated the efficiency of the guide, a reliable tool for aiding the insertion of guidewires for screws in lateral masses of the C1.

Introduction

High cervical spine fixation always challenges spine surgeons. The complex anatomy, the importance of this region to cervical mobility, 1 and the relatively small area for fixation result in several technical difficulties. 2 Initially, the fixation methods were insufficient, as the fusion techniques from Brooks-Jenkins or Gallie, 3 and required prolonged external fixation, or they were extensive, included the occipital region, and significantly limited the mobility of the high cervical spine.

The introduction of the screw fixation at the lateral masses, initially with Goel et al 4 and then with Harms et al, 5 changed the surgical spectrum for high cervical spine. However, the anatomical challenges persisted, mainly due to the location of the vertebral artery, which is lateral and superior to the entrance point of the screws, 6 anterior to the carotid artery, medial to the spinal cord, 7 and to the extensive venous plexus adjacent to the root of the C2 vertebra at the screw entrance point in the C1 vertebra. 2 Moreover, this procedure requires continuous radioscopy, which is harmful both to the patient and to the medical team. 8

The use of computed navigation emerged as an option to increase the accuracy of this method. 9 However, its cost is elevated, and this technique is not available in most hospitals.

In the present study, the authors aimed to provide a low cost, easy-access option to reduce the risks associated with high cervical fixation using a guide specific for the anatomy of the patient, developed with 3-D printing.

The objective was to evaluate the accuracy of the fixation of the lateral masses of the C1 vertebra with a patient-specific guide made with a 3-D printer from a 3-D cervical model built from control computed tomography (CT) scans.

Material and Methods

Population

The population of the present study consists of unidentified CT images from 8 adult patients > 18 years old. None of the eight patients presented extreme morphological alterations or significant deformities at the high cervical spine.

Radiological Technique

High-resolution, thin-slice CT scans (01 mm) were selected. The films were analyzed by the authors, who determined the absence of important deformities and the presence of preserved, significant anatomical landmarks.

Preparation of the High Cervical Spine Models

Using the InVesalius software (CTI, Campinas, SP, Brazil), sequential two-dimensional CT images were converted in a 3-D model, which was then exported to CAD 3D Meshmixer (Autodesk Inc., San Rafael, CA, United States) and operated to isolate the C1 and C2 vertebrae, and a part of the C3 vertebra.

Cervical vertebrae models were printed in acrylonitrile butadiene styrene (ABS) with a 3-D Vantage I printer (Stratasys Inc., Eden Prairie, MN, United States) in a 1:1 scale ( Fig. 1 ).

Fig. 1

High cervical spine model printed in plastic resin.

Preparation of the Pedicle Fixation Guides

With the cervical spine models ready, a guide for pedicle screws was created. These guides were designed for stable adapting over the vertebrae, limiting the lateral or superior-inferior translation and trying to avoid anatomically important structures.

Using the CAD 3D Meshmixer software (Autodesk Inc., San Rafael, CA, USA), the virtual model of the guide was then assembled over each individual high cervical virtual reconstruction. A Boolean operation identified the intersection between the models and fine adjustments were individually performed for the proper fitting of the guides at the posterior surfaces of all of the evaluated cervical spines.

Each guide path was individually defined with the help of a surgeon, simulating on the computer the desired track for each screw.

The guide models were then printed in acrylic resin Fullcure 720 with an Objet EDEN250 printer (Stratasys, Eden Prairie, MN, USA) ( Fig. 2 ).

Fig. 2

Guide for the insertion of guidewires at the lateral masses of the C1 vertebra printed in acrylic resin.

Adaptation of the Guidewires

The printed guides were adapted over their respective printed cervical spine models. The cervical models fit perfectly to the guides, which were stable at handling.

With the models firmly secured with a bench vise, and with the guides adapted and firmly positioned by the surgeon, both pedicles from the eight C1 vertebrae were perforated with a 1.5 mm drill. After the perforation, the drill was released from the equipment and remained fixed to the model.

After performing the 16 perforations, the guides were removed, and the parts were sent to a diagnostic imaging facility for the thin-slice (01 mm) CT scan ( Figs. 3 – 4 ).

Fig. 3

Adapted guide over the vertebra after guidewire perforation.

Fig. 4

Model after printed guide removal.

Analysis of the Results

After imaging the parts with the adapted guidewires, their position was measured by the RadiAnt DICOM Viewer software (Medixant, Poznan, Poland) based on four parameters: distance from the guidewire to the vertebral artery foramen; distance from the guidewire to the medullary canal; distance from the guidewire to the superior articular surface of the C1 vertebra; and distance from the guidewire to inferior articular surface of the C1 vertebra ( Fig. 5 ).

Fig. 5

Anatomical parameters measurements from computed tomography scans.

Results

The CT scan images showed that none of the 16 guidewires from the 8 models invaded the medullary canal area or the articular surfaces, neither were at the region of the vertebral artery path.

The distance from the vertebral artery foramen ranged from 2.8 to 6.2 mm, with a mean value of 4.08 mm, a median value of 4 mm, and a standard deviation (SD) of 0.937 mm.

The distance from the vertebral canal ranged from 3.7 to 8 mm, with a mean value of 5.83 mm, a median value of 6 mm, and a SD of 1.266 mm.

The distance from the guidewire to the superior articular surface of the C1 vertebra ranged from 5.9 to 10.7 mm, with a mean value of 7.52 mm, a median value of 7.1 mm, and a SD of 1.212 mm.

The distance from the guidewire to the inferior articular surface of the C1 ranged from 2.0 to 5.9 mm, with a mean value of 3.62 mm, a median value of 3.5 mm, and a SD of 0.988 mm.

The values for each parameter are listed in Table 1 .

Table 1

Parameters of the experimental models

	Model 01	Model 02	Model 03	Model 04	Model 05	Model 06	Model 07	Model 08
DCVD	6.1	6.6	7.4	3.7	8	6.1	5.4	5.1
DCVE	5.1	6.3	4.5	3.8	7.7	6.0	6.4	5.2
DAVD	4.4	3.4	3.0	3.5	2.8	3.6	4.0	4.2
DAVE	5.1	3.3	6.2	5.7	4.2	4.4	3.5	4.0
DSASD	6.7	5.9	8.3	6.6	10.7	4.4	7.0	7.7
DSASE	7.2	6.8	8.6	6.7	9.2	4.0	6.6	7.6
DSAID	4.0	3.2	4.2	2.0	2.8	7.8	2.6	5.1
DSAIE	3.0	3.0	3.9	3.0	3.8	8.0	3.1	5.9

Abbreviations: DAVD, distance to the vertebral artery to the right; DAVE, distance to the vertebral artery to the left; DCVD, distance to the vertebral canal to the right; DCVE, distance to the vertebral canal to the left; DSAID, distance to the inferior articular surface to the right; DSAIE, distance to the inferior articular surface to the left; DSASD, distance to the superior articular surface to the right; DSASE, distance to the superior articular surface to the left.

Discussion

Three-dimensional printing became a promising resource to help planning and executing complex spinal surgeries, allowing to recreate, with great accuracy, intricate anatomical models from imaging results. 10 11 12

This technique is already successful in anatomic studies and surgical planning, as well as in the creation of biocompatible implants. 13 14 15

Recent studies investigate the efficacy of 3-D printing in preparing patient-specific surgical guides to assist the adaptation of pedicle screws in lumbar and thoracic spine vertebrae. Moreover, there is evidence of good results with the intraoperative in vivo use of these guides.

In an experiment by Fu et al, 16 polymethyl methacrylate guides for transpedicle screws were manually molded over cervical vertebrae models prepared with a 3-D printer and tested in cadaveric vertebrae, with good results and easy applicability.

Some studies have also tried to develop pedicle screw guides for cervical vertebrae printed directly in 3-D, with excellent results. In an experiment by Sugawara et al, 17 100% of 80 adapted screws in 20 patients were precisely located according to the preoperative planned path, with an average deviation of 0.29 ± 0.31 mm (0.0 mm–1.6 mm).

Studies regarding 3-D printing in vertebral spine surgery are still scarce and, until now, there is not a consistent study about these pedicle guides for the C1 vertebra in the literature.

The atlantoaxial region is a surgical challenge with unique anatomical and biomechanical properties. Several techniques were developed, but the fixation of screws in the lateral mass of the C1 vertebra gained prominence during the last decade. 18

There are technical difficulties to identify and access the optimal entrance point for the lateral mass screw in the C1 vertebra. For this reason, a careful preoperative planning is required to avoid the bad positioning of the screws and the excessive exposure that can cause expressive bleeding and harm the success of the surgery. 18 19

Difficulties during the approach to the posterior aspect of the lateral mass of the C1 vertebra include abundant bleeding when exposing the inferior aspect of the posterior arch and the posterior portion of the lateral mass of the C1 vertebra, 20 and the risk of vertebral artery lesion when mobilizing it in the groove of the arch of the C1 vertebra. 6

The exposition of the nerve of the C2 vertebra and the careful dissection of the tissues adjacent to the dorsal ganglion of the root of the C2 vertebra should be performed. 6

The screws are directly inserted in the lateral mass of the C1 vertebra, inferiorly to the base of the posterior arch. The dimensions of the lateral mass of the C1 vertebra easily accommodate 3.5 mm screws in most patients. 19

According to a technique described by Harms et al, 5 the screws must be inserted in a posterior-anterior direction, with 5° to 10° of convergence on the axial plane. At the sagittal plane, they must remain parallel to the caudal aspect of the posterior arch of the C1 vertebra, pointing to the center of the anterior tubercle of the C1 vertebra. 6

During the studies to prepare these guides through computer-modeling, these anatomical aspects were carefully noted to define an individual, optimal path for each model.

The originality of the present study created some difficulties regarding the optimal format of the guide. Different guide models were prepared and tested to determine which one would present the highest stability when adapted to their respective vertebral models.

Analyzing the number figures for each vertebra, anatomical differences in morphology and size between the eight models were considered.

The guidewires did not invade the joint region, the medullary canal or the vertebral artery path of none of the eight models. All of the 16 guidewires were passed only once, with no false trajectories.

All of the adapted guidewires satisfactorily kept their paths through the center of the lateral masses of the C1 vertebra and presented enough adjacent bone mass for a possible adaptation of a cannulated screw in a safe manner.

The guides were resistant to drilling, and there was no printed guide rupture or material deformity due to the heat generated by the burr. A small amount of debris originated from the guides was observed after drilling. Since the current literature lacks conclusive data about the long-term effect of this debris in living organisms, additional studies are warranted.

Due to the good results obtained with the guides, new studies will be performed to improve the guides and verify their possible in vivo applicability.

Conclusion

The experiment showed that patient-specific guides made with a 3-D printer allowed the positioning of guidewires in the lateral mass of the C1 vertebra with a precision of 100%. These guides are easily applied, can benefit the adaptation of the screws in the lateral mass of the C1 vertebra, and provide a safe path for the screws.

Introdução

A fixação de coluna cervical alta sempre foi um desafio para os cirurgiões de coluna. A anatomia complexa, a importância dessa região para a mobilidade cervical 1 e a área relativamente pequena para fixação geram diversas dificuldades técnicas. 2 Inicialmente os métodos de fixação eram insuficientes, como as técnicas de amarria de Brooks-Jenkins ou Gallie, 3 e requeriam fixação externa prolongada, ou eram extensas, incluíam a região occipital e limitavam significativamente a mobilidade cervical alta.

O advento da fixação com parafusos nas massas laterais, inicialmente com Goel e Laheri 4 e depois com Harms e Melcher, 5 mudou o espectro da cirurgia para coluna cervical alta. Entretanto, os desafios anatômicos persistem, principalmente pela localização da artéria vertebral lateral e superior ao ponto de entrada desses parafusos, 6 pela artéria carótida anteriormente, pela medula espinhal medialmente 7 e pelo extenso plexo venoso conjunto à raiz de C2 sobre o ponto de entrada do parafuso em C1. 2 Ainda, esse procedimento requer o uso de radioscopia contínua, nociva à saúde tanto do paciente quanto da equipe médica. 8

O uso de navegação computadorizada surgiu como uma opção para aumentar a acurácia desse método. 9 Entretanto, apresenta custo elevado e não está disponível na maioria dos centros hospitalares.

Neste estudo os autores visam a oferecer uma opção de baixo custo e fácil acesso para reduzir os riscos associados à fixação cervical alta, através de um guia específico para a anatomia do paciente, confeccionado com o auxílio de impressão 3 D.

O objetivo foi avaliar a acurácia da fixação das massas laterais de C1 com o uso de um guia paciente-específico feito com impressora 3 D através de um modelo cervical construído com impressão 3 D e tomografias de controle.

População

A população do estudo compreende imagens tomográficas não identificadas de oito pacientes adultos com mais de 18 anos. Nenhum dos oito pacientes tinha alterações morfológicas extremas ou deformidades significativas na coluna cervical alta.

Técnica Radiográfica

Foram selecionadas tomografias computadorizadas de alta resolução com cortes finos (01 mm). Os filmes foram analisados pelos autores, constataram-se a ausência de deformidades importantes e a presença de pontos anatômicos importantes preservados.

Confecção dos Modelos de Coluna Cervical Alta

A partir das imagens bidimensionais sequenciais da tomografia, com o auxílio do programa InVesalius (CTI, Campinas, SP), os exames são convertidos para um modelo tridimensional, que então é exportado para o programa CAD 3 D Meshmixer (Autodesk Inc, San Rafael, CA) e então manipulado de forma a isolar apenas C1, C2 e parcialmente C3.

Os modelos de vértebras cervicais foram então impressos em ABS na impressora 3 D Vantage I (Stratasys, Inc, Eden Prairie, MN) em escala 1:1 ( Fig. 1 ).

Fig. 1

Modelo de coluna cervical alta impresso em resina plástica.

Confecção dos Guias Para Fixação Pedicular

Com os modelos de coluna cervical finalizados, foi criado um guia para parafusos pediculares, idealizado de forma que o guia se adaptasse de maneira estável sobre as vértebras, com limitação para translação lateral ou supero inferior e com vistas a evitar estruturas anatomicamente importantes.

Com auxílio do programa CAD 3 D Meshmixer (Autodesk Inc, San Rafael, CA), o modelo virtual do guia foi então montado sobre cada reconstrução virtual de cervical alta individualmente. Através de operação boleana identificou-se a interseção entre os modelos e ajustes finos foram feitos individualmente para que os guias se encaixassem adequadamente nas superfícies posteriores de todas as colunas cervicais ava liadas.

Os trajetos de cada guia foram definidos individualmente com auxílio do cirurgião, simularam por computador qual o trajeto desejado para cada parafuso.

Os modelos dos guias foram então impressos em resina acrílica Fullcure 720 pela impressora Objet EDEN250 (Stratasys, Eden Prairie, MN) ( Fig. 2 ).

Fig. 2

Guia para inserção de fios guia nas massas laterais de C1 impresso em resina acrílica.

Adaptação dos Fios-guia

Os guias impressos foram adaptados sobre os respectivos modelos impressos de coluna cervical. Verificou-se o encaixe perfeito entre os modelos de cervical e os guias e demonstrou-se a estabilidade do guia ao manuseio.

Com os modelos firmemente seguros com o auxílio de uma morsa e os guias adaptados e firmemente posicionados pelo cirurgião, foram feitas perfurações com broca número 1.5 mm em ambos os pedículos das oito vertebras C1. Após a perfuração a broca era solta do perfurador e permanecia afixada ao modelo.

Após feitas as 16 perfurações, os guias foram removidos e as peças foram então enviadas a um serviço de diagnóstico por imagem para feitura de tomografia computadorizada com cortes finos (01 mm) ( Figs. 3 e 4 ).

Fig. 3

Guia adaptado sobre a vértebra com a perfuração com fio-guia já feita.

Fig. 4

Modelo após a retirada do guia impresso.

Análise dos Resultados

Após obtidas as imagens das peças com os fios guias adapta dos, foi feita a mensuração do posicionamento dos fios guia com o auxílio do programa RadiAnt DICOM Viewer (Medixant, Poznan) com base em quatro parâmetros: distância do fio guia ao forame da artéria vertebral; distância do fio guia ao canal medular; distância do fio guia à superfície articular superior de C1 e distância do fio guia à superfície articular inferior de C1 ( Fig. 5 ).

Fig. 5

Aferição dos parâmetros anatômicos das tomografias computadorizadas.

Resultados

Na avaliação das imagens tomográficas obtidas, constatou-se que nenhum dos 16 fios guia nos oito modelos do estudo invadiu a área do canal medular ou as superfícies articulares, tampouco se encontrava na região do trajeto da artéria vertebral.

A distância do forame da artéria vertebral variou de 2,8 a 6,2 mm, com valor médio de 4,08 mm, mediana de 4 mm e desvio-padrão de 0,937 mm.

A distância do canal vertebral variou de 3,7 a 8 mm, com valor médio de 5,83 mm, mediana de 6 mm e desvio-padrão de 1,266 mm.

A distância do fio guia à superfície articular superior de C1 variou de 5,9 a 10,7 mm, com valor médio de 7,52 mm, mediana de 7,1 mm e desvio-padrão de 1,212 mm.

A distância do fio guia à superfície articular inferior de C1 variou de 2 a 5,9 mm, com valor médio de 3,62 mm, mediana de 3,5 mm e desvio-padrão de 0,988 mm.

Os valores de cada parâmetro estão listados na Tabela 1 .

Tabela 1

Parâmetros dos modelos experimentais

	Modelo 01	Modelo 02	Modelo 03	Modelo 04	Modelo 05	Modelo 06	Modelo 07	Modelo 08
DCVD	6,1	6,6	7,4	3,7	8,0	6,1	5,4	5,1
DCVE	5,1	6,3	4,5	3,8	7,7	6,0	6,4	5,2
DAVD	4,4	3,4	3	3,5	2,8	3,6	4,0	4,2
DAVE	5,1	3,3	6,2	5,7	4,2	4,4	3,5	4,0
DSASD	6,7	5,9	8,3	6,6	10,7	4,4	7,0	7,7
DSASE	7,2	6,8	8,6	6,7	9,2	4,0	6,6	7,6
DSAID	4,0	3,2	4,2	2,0	2,8	7,8	2,6	5,1
DSAIE	3,0	3,0	3,9	3,0	3,8	8,0	3,1	5,9

Abreviações: DAVD, distância da artéria vertebral à direita; DAVE, distância da artéria vertebral à esquerda; DCVD, distância do canal vertebral à direita; DCVE, distância do canal vertebral à esquerda; DSAIE, distância da superfície articular inferior à esquerda; DSASD, distância da superfície articular superior à direita; DSASE, distância da superfície articular superior à esquerda; DSAID, distância da superfície articular inferior à direita.

Discussão

A impressão 3 D tem se mostrado um recurso promissor no auxílio do planejamento e da execução de cirurgias complexas de coluna, permite recriar com grande acurácia modelos anatômicos complexos a partir de exames de imagem. 10 11 12

Essa técnica já é usada com sucesso para estudos de anatomia, planejamentos cirúrgicos e até mesmo na criação de implantes biocompatíveis. 13 14 15

Trabalhos recentes têm investigado a eficácia do uso da impressão 3 D na confecção de guias cirúrgicos específicos para o paciente que auxiliam na adaptação de parafusos pediculares em vértebras da coluna lombar e torácica. Já existem evidências de bons resultados até mesmo com o uso intraoperatório desses guias in vivo.

Em um experimento feito por Fu et al., 16 guias de polimetilmetacrilato para parafusos transpediculares foram moldados manualmente sobre modelos de vértebras cervicais impressos com impressora 3 D e testados em vértebras de cadáveres, obtiveram-se bons resultados e demonstrou-se fácil aplicabilidade.

Alguns estudos também foram feitos para desenvolver guias de parafusos pediculares para vértebras cervicais impressos diretamente na impressora 3 D, obtiveram excelentes resultados. Em um experimento executado por Sugawara et al., 17 100% dos 80 parafusos adaptados em 20 pacientes obtiveram uma localização precisa de acordo com a trajetória planejada no pré-operatório, com um desvio médio de 0,29 ± 0,31 mm (0,0 mm–1,6 mm).

Ainda são poucos os estudos relativos ao uso da impressão 3 D na cirurgia da coluna vertebral e até o presente momento não se acha na literatura um estudo consistente a respeito do uso desses guias pediculares para C1.

A região atlantoaxial consiste em um desafio cirúrgico, com propriedades anatômicas e biomecânicas únicas. Diversas técnicas foram desenvolvidas, porém na última década ganhou destaque a fixação com parafusos em massa lateral de C1. 18

Existem dificuldades técnicas para identificar e acessar o ponto ideal de entrada do parafuso de massa lateral em C1. Por essa razão um planejamento pré-operatório cuidadoso é necessário para evitar mau posicionamento dos parafusos e demasiada exposição que pode levar a um sangramento expressivo e prejudicar o sucesso da cirurgia. 18 19

Entre essas dificuldades durante o acesso à face posterior da massa lateral de C1 estão o sangramento abundante encontrado ao expor-se a face inferior do arco posterior e da parte posterior da massa lateral de C1 20 e o risco de lesão da artéria vertebral ao mobilizá-la no sulco do arco de C1. 6

Devem ser feitas a exposição do nervo C2 e a dissecção cuidadosa dos tecidos adjacentes ao gânglio dorsal da raiz de C2. 6

Os parafusos de massa lateral em C1 são inseridos diretamente na massa lateral, inferiormente à base do arco posterior. As dimensões da massa lateral de C1 são capazes de acomodar facilmente parafusos de 3,5 mm na maioria dos pacientes. 19

De acordo com a técnica descrita por Harms e Melcher, 5 os parafusos devem ser inseridos na direção posteroanterior, com 5∘–10∘ de convergência no plano axial. No plano sagital devem permanecer paralelos ao aspecto caudal do arco posterior de C1, apontar para o centro do tubérculo anterior de C1. 6

Durante os estudos para a preparação dos guias através do computador, esses aspectos anatômicos foram cuidadosamente observados de modo a definir um trajeto ideal individualizado para cada modelo do estudo.

O ineditismo do estudo levou a algumas dificuldades quanto ao formato ideal do guia, diferentes modelos de guia foram confeccionados e testes foram feitos para verificar qual modelo de guia apresentaria maior estabilidade quando adaptado aos modelos de vértebra respectivos.

Ao se avaliarem os valores numéricos obtidos para cada vértebra, foram levadas em consideração as diferenças anatômicas de morfologia e de tamanho presentes entre os oito modelos do experimento.

Em nenhum dos oito modelos os fios-guia invadiram a região articular, o canal medular ou o trajeto da artéria vertebral. Todos os 16 fios guia foram passados uma única vez, sem falsos trajetos.

Todos os fios-guia adaptados mantiveram o trajeto através do centro das massas laterais de C1 de maneira satisfatória, apresentaram massa óssea adjacente suficiente para uma possível adaptação de um parafuso canulado com segurança.

Durante as perfurações o guia se mostrou resistente e não houve caso de quebra do guia impresso ou deformação do material com o calor gerado pela broca. Uma pequena quantidade de debris provenientes dos guias foi observada após as perfurações. Tendo em vista que a literatura atual não dispõe de dados conclusivos quanto ao efeito desses sobre organismos vivos em longo prazo, estudos adicionais devem ser conduzidos.

Tendo em vista os bons resultados obtidos com os guias, novos estudos serão feitos com o âmbito de aperfeiçoar os guias e verificar sua possível aplicabilidade in vivo.

Conclusão

O experimento demonstrou que os guias paciente-específicos confeccionados com auxílio de impressora 3 D permitiram o posicionamento de fios guia na massa lateral de C1 com 100% de precisão. Esses guias têm fácil aplicação, podem trazer benefícios para a adaptação de parafusos em massa lateral de C1 e fornecer um trajeto seguro para os parafusos.