Use of a Customized Three-dimensional Guide in Preparing the Pilot Pedicle Hole in Spinal Deformities.

Objective  The present study aimed to develop and evaluate the use of customized guides in patients undergoing surgery to correct vertebral deformity with a pedicular fixation system. Methods  Four patients with spinal deformity (three with idiopathic scoliosis and one with congenital kyphoscoliosis) underwent surgical treatment to correct the deformity with a pedicular fixation system. Prototypes of 3D cost guides were developed and evaluated using technical feasibility, accuracy, and radiation exposure. Results  The present study included 85 vertebral pedicles in which pedicle screws were inserted into the thoracic spine (65.8%) and into the lumbar spine (34.2%). Technical viability was positive in 46 vertebral pedicles (54.1%), with 25 thoracic (54%) and 21 lumbar (46%). Technical viability was negative in 39 pedicles (45.9%), 31 of which were thoracic (79.5%), and 8 were lumbar (20.5%). In assessing accuracy, 36 screws were centralized (78.2%), of which 17 were in the thoracic (36.9%) and 19 in the lumbar spine (41.3%). Malposition was observed in 10 screws (21.7%), of which 8 were in the thoracic (17.4%) and 2 in the lumbar spine (4.3%). The average radiation record used in the surgical procedures was of 5.17 ± 0.72 mSv, and the total time of use of fluoroscopy in each surgery ranged from 180.3 to 207.2 seconds. Conclusion  The customized guide prototypes allowed the safe preparation of the pilot orifice of the vertebral pedicles in patients with deformities with improved accuracy and reduced intraoperative radiation. Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia. This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commecial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. ( https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

Introduction

Systems for correcting spinal deformities mainly use pedicle screws for posterior anchoring. 1 These systems allow the three-dimensional (3D) correction of deformities, providing sufficient stability to avoid the use of postoperative immobilization. 2 3 Besides, this system allows for even more significant correction of deformities, especially when compared with hook or hybrid systems. 4 5 6 7 However, pedicle fixation systems have some disadvantages, especially concerning complications caused by incorrect positioning of the screw inside the pedicle and exposure of the surgeon to radiation. 8 The incorrect positioning of pedicle screws occurs more frequently in deformities, whose vertebrae present anatomical changes and due to their 3D positioning. 9 10

The average accuracy of placing pedicle screws freehand, or with fluoroscopy, and with the aid of navigation is 85.1% and 95.5%, respectively. 11 12 13 14 Frequently, fluoroscopy is used to assist in the insertion of pedicle screws. 14 However, during fluoroscopy, the exposure of the surgeon to radiation is 10 to 12 times greater than in other procedures that use fluoroscopy in segments outside the spine. 15 16

New alternatives have been developed to improve accuracy and reduce exposure to radiation, with emphasis on customized guides. 17 18 19 The advantages of using a customized guide (low-cost) motivated us to carry out a project for the development of a prototype.

Therefore, the present study aimed to develop and evaluate the use of customized guides in patients undergoing surgery to correct vertebral deformity with a pedicular fixation system. These guides are made using 3D printing from spinal models and are developed to assist in the preparation of the pilot hole in the spinal pedicle.

Methods

The Research Ethics Committee approved the present study (protocol number 3,365,105).

The present study was performed in four patients with spinal deformities who underwent surgical treatment using a pedicular fixation system.

The demographic data of the patients are shown in Table 1 . Three patients had idiopathic scoliosis and one patient had kyphoscoliosis. All patients were female, ranging in age from 11 to 17 years old (mean = 15 years old).

Table 1

Demographic data of the patients evaluated in the study.

	Age (years)	Sex	Deformity	Levels	Cobb Angle
Patient 1	16	Female	AIS	T10-L4	65,8°
Patient 2	17	Female	JIS	T3-L3	68,1°
Patient 3	11	Female	Congenital kyphoscoliosis	T8-L2	57,5° (scoliosis) / 87,3° (kyphosis)
Patient 4	15	Female	JIS	T6-L2	64,1°

Abbreviations: AIS, adolescent idiopathic scoliosis; JIS, juvenile idiopathic scoliosis; Levels, extension of the scoliotic curve.

A set of 3D guides was made for each patient. An individual guide was created for each vertebra programmed to receive pedicle fixation. Along with the guides, a model of the spine was also made, which helped the 3D orientation of the vertebral structures ( Fig. 1 ).

Fig. 1

Illustrative images. ( A ) photograph of the model of the spine of a patient with congenital deformity; ( B ) a photo of the surgical guide attached to the model in the position to prepare the pilot hole.

The 3D guides were made based on preoperative computed tomography (TC) covering the extension of the vertebral segment programmed to receive the pedicle screws. Computed tomography was standardized in sections ≤ 1 millimeter to allow greater accuracy in the anatomical reconstruction of the bone surface.

The preoperative programming to determine bilaterally, in each vertebra, the positioning of the screw inside the vertebral pedicle, its angulation and length was performed employing 3D anatomical analysis (ATA) using software (Materialize Brazil, São Paulo, SP, Brazil). The surgeon guided the position, angulation, and length of the pedicle screw to be used ( Fig. 2 ).

Fig. 2

Photograph of the preoperative 3D anatomical analysis in different angles with the simulation of the position of the pedicle screws and the fitting of the surgical guide in the posterior region of the corresponding vertebra.

The guides were made with synthetic material of biocompatible, nonbiodegradable resin, and were subjected to sterilization at a temperature of 50°C in a Sterrad (Medsteril, Água Branca, São Paulo, SP, Brazil) device. A specific guide was created for each vertebra using a 3D printer. Each guide, made for one particular vertebra separately, consisted of two cylindrical parts that guided the entry point and the preparation of the pilot hole of the vertebral pedicle by placing the instruments inside it ( Fig. 3 ).

Fig. 3

Photograph of the surgical guide for a lumbar vertebra.

During the surgical procedure, the guides were coupled to each vertebra, through their fit in the spinous process and the opposition of the surface of the guides at the point corresponding to the projection of the vertebral pedicle on the back of the vertebra ( Fig. 4 )

Fig. 4

Intraoperative image of a surgical guide positioned in the posterior vertebral region, with an instrument attached to prepare a pilot hole.

With the guide positioned and stabilized, the entry point into the vertebral pedicle was determined by the introduction of the appropriate instrument within the guide. Then, the pilot hole was made with probes placed inside, followed by taps and checks on the vertebral pedicle walls before the insertion of the screws.

To assess the use of the guides, we used the following parameters: technical viability, precision, and exposure to radiation.

The technical performance of the guide and its use for the desired purpose was considered, being classified as positive or negative. Therefore, we considered of positive technical viability the guide that allowed its use according to the desired objectives. On the other hand, negative technical viability was considered when the guide could not be used or did not reach the desired goals (inadequate adjustment of the guide in the posterior vertebral elements, entry point of the perforation without correlation with the anatomical references, breakage of the guide during its use, failure to couple the surgical instruments with the guide, inadequacy of the pilot hole observed by checking the pedicle walls or fluoroscopy).

Accuracy was assessed in the postoperative period using CT. We consider the pedicle screw to be well-positioned when centralized in the vertebral pedicle, keeping the lateral and medial walls of the vertebral pedicle integral. If there is a violation of the lateral or medial wall of the vertebral pedicle, we consider the screw to be malpositioned.

The exposure to intraoperative radiation was performed by measuring the total time of use of fluoroscopy and its dose.

The Mann-Whitney nonparametric test was used to analyze the results, and the level of significance was set at p  ≤ 0.05.

Results

We evaluated the total set of 85 vertebral pedicles (56 thoracic and 29 lumbar) in which the pedicle screws were inserted.

Technical viability was positive in 46 vertebral pedicles (54.1%), of which 25 were thoracic (54%) and 21 lumbar pedicles (46%). Technical viability was negative in 39 pedicles (45.9%), of which 31 were thoracic (79.5%), and 8 were lumbar (20.5%). Technical viability was negative due to several factors, such as inadequate fitting of the guide to the posterior vertebral elements (10 pedicles [11.7%]), the entry point of perforation without correlation with anatomical references (23 pedicles [27%]), breakage of the guide during use, failure in the coupling of surgical instruments with the guide (2 pedicles [2.5%]), and inadequacy of the pilot hole observed by checking the pedicle walls or fluoroscopy (4 pedicles [4.7%]). The negative technical viability was directly related to the development stages of the customized guide prototype. It was reduced as a result of surgeries performed with the improvement of the guide prototype.

The evaluation of the accuracy of pedicle screws in which the pilot hole was prepared with the help of the guide showed that 36 screws were centralized (78.2%), with 17 in the thoracic (36.9%) and 19 in the lumbar spine (41.3%).

In 10 pedicles (21.7%), the screws were not centralized according to what was established in the preoperative schedule, with violation of the lateral wall in 6 pedicles (13%) and 4 in the medial (4.3%). The accuracy of the screws in the thoracic spine and concavity was lower concerning the other vertebral segments.

Here, the positioning of the screws predominated in the thoracic spine and was superior to the group of vertebral pedicles in which the guide cannot be used. The pilot hole was prepared with the help of the model, showing its assistance in improving the accuracy.

A noncentralized positioning of the screw was observed in 10 pedicles (21.7%), 8 in the thoracic (17.4%), and 2 in the lumbar spine (4.3%). The rupture of the lateral wall was observed in 6 pedicles (13%), 4 of which were thoracic (8.7%), and 2 were lumbar (4.3%). The rupture of the medial wall was observed in 4 pedicles (8.7%), all of them in the thoracic spine.

In the 39 pedicles whose pilot holes were prepared without the aid of the guide, the screws were centralized in 19 pedicles (48.7%), 12 in the thoracic spine (30.8%), and 7 in the lumbar spine (17.9%). Malposition was observed in 20 screws (51.3%), 18 in the thoracic (46.2%), and 2 in the lumbar spine (5.1%). The rupture of the lateral wall was observed in 9 pedicles (23%), all of them being thoracic. The separation of the medial wall was observed in 11 pedicles (28.2%), 10 of which were thoracic (25.7%), and 1 lumbar (2.5%).

The comparison of the accuracy of the set of pedicles in which the pilot hole was prepared with and without the guide is shown in Table 2 and Fig. 5 . Higher efficiency was observed with the use of guides in the pedicles of the lumbar vertebrae ( p  < 0.05). In contrast, in the pedicles of the thoracic spine and in the set of all pedicles, the accuracy did not show the statistical difference ( Fig. 6 ). It must be considered that the nonuse of the drilling guides was related to the negative technical viability, and that the intraoperative visualization of the model helped in the preparation of the pilot hole.

Table 2

Analysis of the position of pedicle screws with and without guides

	With guide			Without guide
	Violation		Central	Violation		Central
	Medial cortical	Lateral cortical		Medial cortical	Lateral cortical
T2				1	1
T3						1
T4		1		2	1
T5			2		2	2
T6			2	2	1	1
T7				2	1	1
T8	2		2	1		1
T9	1	1	2	1	1	2
T10	1		1		1	3
T11		1	3	1	1	1
T12		1	5

Fig. 5

Comparison of the accuracy of pedicle screws in the thoracic and lumbar levels in absolute frequency (number of pedicles), positioned with and without the aid of surgical guides.

Fig. 6

Accuracy of positioning pedicle screws with and without the use of guides in the thoracic (category T) and lumbar (category L) spine, by the average number of screws by number of levels addressed in each vertebral segment (lumbar and thoracic). * p  ≤ 0.05.

The general technical feasibility showed statistical significance ( p  = 0.0089) ( Fig. 7 ), and a gradual increase was observed following surgical procedures. Improvement of prototypes ( Fig. 8 ) has been of great help in the correction of complex and severe deformities ( Fig. 9 ).

Fig. 7

Technical viability considering all pedicles instrumented with and without the use of guides. Absolute Frequency: frequency in the absolute number of pedicles addressed. * p  = 0.0089.

Fig. 8

Technical viability with the use of guides for each patient operated at a relative frequency (percentage).

Fig. 9

Pre ( A ) and postoperative ( B ) radiographic and clinical images of a patient with congenital kyphoscoliosis (patient 3), in which the customized guide was used.

Intraoperative radiation exposure ranged from 4.35 millisievert (mSv) to 6.32 mSv (mean = 5.17 ± 0.72), with radioscopy use time from 180.3 to 207.2 seconds (mean = 190 ± 16.23).

There were no operative and postoperative complications, such as increased bleeding, neurological injuries, or changes in motor or sensory potential during intraoperative neurophysiological monitoring.

Discussion

Initially, 3D printing was idealized by Hall 20 in 1986. After that, the technique was improved and introduced as an auxiliary tool in surgeries, especially in the spine. 19 In the context of spine surgery, it has been used to produce anatomical models, surgical guides, and implants. 20

In the present study, we aimed to develop a customized guide prototype and evaluate its results for the preparation of the pilot hole in the pedicles of the thoracic and lumbar vertebrae of patients with spinal deformity.

Through the interpretation of our results, it was possible to observe the improvement of the surgery with the use of the prototype, adjusting and correcting the problems found, and increasing its technical viability after the performed operations. Changes in the synthetic composition of the guide, its mechanism of fixation to the posterior elements of the vertebra, and the best adaptation of the instruments for the preparation of the pedicle within the guide were the main changes made. Also, problems related to the technical feasibility of using the guide were more frequent in the pedicles of the thoracic vertebrae.

The problems related to the fitting of the guides in the vertebrae of patients with rigid scoliosis and high angular value were also reported by Liu et al. 21 A more significant contact of the guide with the posterior surface of the vertebra increases the stability of the guide for the preparation of the pilot hole so that the guides must be made for private use in each vertebra. This observation corroborates the reports of Berry et al., 22 showing the inaccuracy of the guides for multiple levels.

The fitting of the guide on the posterior face of the vertebra required extensive dissection and detachment of the soft parts inserted in the vertebrae. This factor was also pointed out as being essential for the fitting of the guide in the vertebrae, 21 and could be pointed out as a disadvantage for the use of this type of guide in procedures of smaller extension. However, in deformities, it is necessary to have a broad exposure of the vertebra with the disinsertion of the soft parts, so that the full exposure and detachment does not present a disadvantage for the use of the guide.

The use of guides increased the precision of screw placement compared with the group in which the guide was not used, due to the technical unfeasibility and the model used to help guide the preparation of the pilot hole. In patients with spinal deformity, the rate of screw malposition varies from 3 to 44.2%, and neurological complications from 0 to 0.9%. 3 13 16 23 24 25 26 27 28 The pedicles of the thoracic spine and of the concavity of the curve have the highest percentage of malposition. 3 13 16 23 24 25 26 27 28 The results observed in the present study corroborate the reports in the literature, with the pedicles of the thoracic region having the highest index of malpositioning. However, despite the noncentralized positioning in 10 pedicles (8 thoracic and 2 lumbar), there was no damage to the structures adjacent to the pedicle or the need to reposition or remove implants in any patient.

The accuracy of the use of guides in the thoracic pedicles was 68%, being higher than the results of the group in which the guide was not used, evidencing the benefit of its use in the preparation of the pilot orifice.

Indeed, the learning curve and the development of the guide prototype must be considered when analyzing our results. The results of the accuracy of the last operated patient showed high technical feasibility and accuracy close to the 3D anatomical analysis performed in the preoperative period.

The use of the customized guide prototype allowed the reduction of the time of use of fluoroscopy and, consequently, reduction of exposure to intraoperative radiation. The exposure of the surgeon during the placement of pedicle screws is between 10 and 12 times greater than that of other procedures outside the spine. 29 30 The intraoperative radiation dose in surgeries for vertebral deformities has been reported to be ∼7.05 mSv. Here, we observed lower values that ranged from 4.35 mSv to 6.32 mSv (5.17 ± 0.72 mSv), indicating less exposure to intraoperative radiation. However, the ideal comparison would imply the analysis of similar groups, which was not possible due to the similarity of heterogeneous samples, so that the comparative value can only be used as a reference.

Although the technique of preparing the pilot hole and inserting the pedicle screws without the aid of images or devices has been reported to be safe and with acceptable accuracy, the use of the pilot hole preparation guides can increase the efficiency and reduce the amount of intraoperative radiation. The use of guides associated with the knowledge and experience of the surgeon can make the procedure safer, more accurate, and reduce the amount of intraoperative radiation. The results presented here are only related to the development of the guide prototype, indicating that its development can assist in performing spine surgeries that use the vertebral pedicle as the implant anchorage site.

Conclusion

The use of guides to prepare the pilot orifice in the vertebral pedicles of patients with spinal deformity allowed for safe preparation, improving the accuracy of pedicle screws, and reducing the intensity of intraoperative radiation. This technology has great potential for clinical use, allowing the placement of pedicle screws in a safer, more accurate manner, and with less use of intraoperative radiation.

Introdução

Os sistemas para correção de deformidades da coluna vertebral usam principalmente parafusos pediculares para ancoragem posterior. 1 Esses sistemas permitem a correção tridimensional (3D) das deformidades, dando estabilidade suficiente para evitar a imobilização pós-operatória. 2 3 Além disso, este sistema permite a correção ainda mais significativa de deformidades, principalmente em comparação com sistemas híbridos ou com ganchos. 4 5 6 7 No entanto, os sistemas de fixação pedicular têm algumas desvantagens, em especial as complicações decorrentes do posicionamento incorreto do parafuso dentro do pedículo e exposição do cirurgião a radiação. 8 O posicionamento incorreto dos parafusos pediculares é mais comum em pacientes com deformidades devidas a alterações anatômicas das vértebras e sua posição 3D. 9 10

A precisão média de colocação dos parafusos pediculares à mão livre ou sob fluoroscopia e com auxílio da navegação é de 85,1% e 95,5%, respectivamente. 11 12 13 14 A fluoroscopia é bastante usada para auxiliar a inserção de parafusos pediculares. 14 Durante a fluoroscopia, porém, a exposição do cirurgião a radiação é 10 a 12 vezes maior do que em outros procedimentos fluoroscópicos em segmentos fora da coluna vertebral. 15 16

Novas alternativas foram desenvolvidas para melhorar a precisão e reduzir a exposição a radiação, com ênfase em guias personalizadas. 17 18 19 As vantagens da utilização de uma guia personalizada (em especial seu baixo custo) nos motivaram a realizar um projeto de desenvolvimento de um protótipo.

Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo desenvolver e avaliar a utilização de guias personalizadas em pacientes submetidos à cirurgia para correção de deformidade vertebral com sistema de fixação pedicular. Essas guias são confeccionadas com impressão 3D a partir de modelos vertebrais e desenvolvidas para auxiliar o preparo do orifício piloto no pedículo vertebral.

Métodos

O Comitê de Ética em Pesquisa aprovou o presente estudo (número do protocolo: 3.365.105).

O presente estudo foi realizado em quatro pacientes com deformidades da coluna vertebral submetidos a tratamento cirúrgico com sistema de fixação pedicular.

Os dados demográficos dos pacientes são mostrados na Tabela 1 . Três pacientes tinham escoliose idiopática e uma paciente apresentava cifoescoliose. Todas as pacientes eram do sexo feminino, com idade entre 11 e 17 anos (média = 15 anos).

Tabela 1

Dados demográficos dos pacientes avaliados no estudo.

	Idade (anos)	Gênero	Deformidade	Níveis *	Ângulo de Cobb
Paciente 1	16	Feminino	AIS	T10-L4	65,8°
Paciente 2	17	Feminino	JIS	T3-L3	68,1°
Paciente 3	11	Feminino	Cifoescoliose congênita	T8-L2	57,5° (escoliose) / 87,3° (cifose)
Paciente 4	15	Feminino	JIS	T6-L2	64,1°

Abreviações: AIS, escoliose idiopática adolescente; JIS, escoliose idiopática juvenil.

níveis de extensão da curva escoliótica.

Um conjunto de guias 3D foi feito para cada paciente. Uma guia foi criada para cada vértebra que seria submetida à fixação pedicular. Além das guias, um modelo da coluna vertebral também foi confeccionado para auxiliar a orientação 3D das estruturas vertebrais ( Fig. 1 ).

Fig. 1

Imagens ilustrativas. ( A ) Fotografia do modelo da coluna de um paciente com deformidade congênita; ( B ) Fotografia da guia cirúrgica fixada ao modelo na posição de preparo do orifício piloto.

As guias 3D foram construídas a partir dos achados da tomografia computadorizada (TC) pré-operatória cobrindo a extensão do segmento vertebral que receberia os parafusos pediculares. A TC foi padronizada em cortes ≤ 1 milímetro para aumento da precisão da reconstrução anatômica da superfície óssea.

O planejamento pré-operatório para determinação bilateral, em cada vértebra, do posicionamento do parafuso no interior do pedículo vertebral, sua angulação e comprimento usou a análise anatômica 3D (ATA) do software (Materialise Brasil. São Paulo, SP, Brasil). O cirurgião orientou a posição, a angulação e o comprimento do parafuso pedicular a ser usado ( Fig. 2 ).

Fig. 2

Fotografia da análise anatômica tridimensional pré-operatória em diferentes ângulos com simulação da posição dos parafusos pediculares e o encaixe da guia cirúrgica na região posterior da vértebra correspondente.

As guias foram confeccionadas com resina sintética biocompatível, não biodegradável, e submetidas à esterilização em temperatura de 50°C em aparelho Sterrad (Medsteril, Água Branca, São Paulo, SP, Brasil). Uma guia específica foi criada para cada vértebra usando uma impressora 3D. Cada guia, feita para uma determinada vértebra, consistia em duas partes cilíndricas que orientavam o ponto de entrada e preparo do orifício piloto do pedículo vertebral por meio da colocação de instrumentos em seu interior ( Fig. 3 ).

Fig. 3

Fotografia da guia cirúrgica para uma vértebra lombar.

Durante o procedimento cirúrgico, as guias foram acopladas a cada vértebra por meio de seu encaixe no processo espinhoso e da oposição da superfície das guias no ponto correspondente à projeção do pedículo vertebral no dorso vertebral ( Fig. 4 )

Fig. 4

Imagem intraoperatória de uma guia cirúrgica posicionada na região vertebral posterior, com instrumento acoplado para preparo do orifício piloto.

Com a guia posicionada e estabilizada, o ponto de entrada no pedículo vertebral foi determinado pela introdução do instrumento apropriado em seu interior. Em seguida, o orifício piloto foi preparado com as sondas colocadas em seu interior, seguido de punção e verificação das paredes do pedículo vertebral antes da inserção dos parafusos.

Os seguintes parâmetros foram utilizados para avaliação do uso das guias: viabilidade técnica, precisão e exposição à radiação.

O desempenho técnico da guia em sua utilização para o fim pretendido foi analisado e classificado como positivo ou negativo. Portanto, a viabilidade técnica foi considerada positiva quando a guia pode ser utilizada da maneira desejada. Por outro lado, a viabilidade técnica foi considerada negativa quando a guia não pôde ser utilizada ou não atingiu os objetivos desejados (ajuste inadequado da guia nos elementos vertebrais posteriores, ponto de perfuração sem correlação às referências anatômicas, quebra da guia durante o uso, problemas no acoplamento do instrumental cirúrgico à guia, inadequação do orifício piloto à verificação das paredes do pedículo ou à fluoroscopia).

A precisão foi avaliada no período pós-operatório por meio de TC. O parafuso pedicular foi considerado bem posicionado quando centralizado no pedículo vertebral, mantendo a integridade da parede lateral e da parede medial do pedículo vertebral. A violação da parede lateral ou medial do pedículo vertebral fez com que o parafuso fosse considerado mal posicionado.

A exposição à radiação intraoperatória foi determinada pelo tempo total de uso da fluoroscopia e sua dose.

O teste não paramétrico de Mann-Whitney foi utilizado para análise dos resultados, e o nível de significância foi estabelecido em p  ≤ 0,05.

Resultados

Avaliamos o conjunto total de 85 pedículos vertebrais (56 torácicos e 29 lombares) submetidos a colocação de parafusos pediculares.

A viabilidade técnica foi positiva em 46 pedículos vertebrais (54,1%), dos quais 25 eram torácicos (54%) e 21 lombares (46%). A viabilidade 8 foi negativa em 39 pedículos (45,9%), dos quais 31 eram torácicos (79,5%) e oito lombares (20,5%). A viabilidade técnica negativa foi causada por diversos fatores, como encaixe inadequado da guia nos elementos vertebrais posteriores (10 pedículos [11,7%]), ponto de perfuração sem correlação às referências anatômicas (23 pedículos [27%]), quebra da guia durante o uso, problemas no acoplamento dos instrumentos cirúrgicos à guia (2 pedículos [2,5%]) e inadequação do orifício piloto à verificação das paredes do pedículo ou fluoroscopia (4 pedículos [4,7%]). A viabilidade técnica negativa estava diretamente relacionada às etapas de desenvolvimento do protótipo de guia personalizada e foi reduzida pelo aprimoramento do protótipo.

A avaliação da precisão dos parafusos pediculares em que o orifício piloto foi confeccionado com auxílio da guia mostrou que 36 parafusos estavam centralizados (78,2%), sendo 17 na coluna torácica (36,9%) e 19 na coluna lombar (41,3%).

Em 10 pedículos (21,7%), os parafusos não estavam centralizados como estabelecido no planejamento pré-operatório; 6 pedículos (13%) violaram a parede lateral e quatro (4,3%), a parede medial. A precisão dos parafusos na coluna torácica e a concavidade foram menores em relação aos outros segmentos vertebrais.

Aqui, o posicionamento dos parafusos foi predominante na coluna torácica e superior ao grupo de pedículos vertebrais nos quais a guia não pode ser usada. O preparo do orifício piloto com o auxílio do modelo apresentou maior precisão.

O parafuso não estava centralizado em 10 pedículos (21,7%), sendo 8 na coluna torácica (17,4%) e 2 na coluna lombar (4,3%). A ruptura da parede lateral foi observada em 6 pedículos (13%), 4 torácicos (8,7%) e 2 lombares (4,3%). A ruptura da parede medial foi observada em 4 pedículos (8,7%), todos na coluna torácica.

Nos 39 pedículos cujos orifícios pilotos foram confeccionados sem auxílio da guia, os parafusos estavam centralizados em 19 (48,7%), 12 na coluna torácica (30,8%) e 7 na coluna lombar (17,9%). O mau posicionamento foi observado em 20 parafusos (51,3%), 18 na coluna torácica (46,2%) e 2 na coluna lombar (5,1%). A ruptura da parede lateral foi observada em 9 pedículos (23%), todos torácicos. A separação da parede medial foi observada em 11 pedículos (28,2%), sendo 10 torácicos (25,7%) e 1 lombar (2,5%).

A precisão do conjunto de pedículos nos quais o orifício piloto foi preparado com e sem guia é comparada na Tabela 2 e na Fig. 5 . A maior eficiência foi relacionada à utilização de guias nos pedículos das vértebras lombares ( p  < 0,05). Por outro lado, nos pedículos da coluna torácica e no conjunto formado por todos os pedículos, não houve diferença estatística quanto à precisão ( Fig. 6 ). Deve-se considerar que a não utilização das guias de perfuração estava relacionada à viabilidade técnica negativa, e que a visualização intraoperatória do modelo auxiliou na confecção do orifício piloto.

Tabela 2

Análise da posição dos parafusos pediculados com ou sem guias

	Com guia			Sem guia
	Violação		Central	Violação		Central
	Cortical medial	Cortical lateral		Cortical medial	Cortical lateral
T2				1	1
T3						1
T4		1		2	1
T5			2		2	2
T6			2	2	1	1
T7				2	1	1
T8	2		2	1		1
T9	1	1	2	1	1	2
T10	1		1		1	3
T11		1	3	1	1	1
T12		1	5

Fig. 5

Comparação da precisão dos parafusos pediculares em nível torácico e lombar em frequência absoluta (número de pedículos) após o posicionamento com e sem auxílio de guias cirúrgicas.

Fig. 6

Precisão do posicionamento dos parafusos pediculares com e sem o uso de guias na coluna torácica (categoria T) e lombar (categoria L) conforme a média do número de parafusos por número de níveis tratados em cada segmento vertebral (lombar e torácico). * p  ≤ 0,05.

A viabilidade técnica geral teve significância estatística ( p  = 0,0089) ( Fig. 7 ) e aumentou de forma gradual após os procedimentos cirúrgicos. O aperfeiçoamento dos protótipos ( Fig. 8 ) tem sido de grande ajuda na correção de deformidades complexas graves ( Fig. 9 ).

Fig. 7

Viabilidade técnica considerando todos os pedículos instrumentados com e sem o uso de guias. Frequência absoluta: frequência em número absoluto de pedículos tratados. * p  = 0,0089.

Fig. 8

Viabilidade técnica do uso de guias para cada paciente operado em frequência relativa (percentual).

Fig. 9

Imagens radiográficas e clínicas pré ( A ) e pós-operatórias ( B ) de um paciente com cifoescoliose congênita (paciente 3) em quem a guia personalizada foi utilizada.

A exposição à radiação intraoperatória variou de 4,35 milisieverts (mSv) a 6,32 mSv (média = 5,17 ± 0,72) e o tempo de uso da radioscopia variou de 180,3 a 207,2 segundos (média = 190 ± 16,23).

Não houve complicações operatórias e pós-operatórias, como aumento de sangramento ou lesões neurológicas, nem alterações no potencial motor ou sensorial durante o monitoramento neurofisiológico intraoperatório.

Discussão

A impressão 3D foi idealizada por Hall 20 em 1986. A partir daí, a técnica foi aprimorada e introduzida como ferramenta auxiliar nas cirurgias, principalmente de coluna. 19 Na cirurgia da coluna vertebral, a impressão 3D tem sido usada na produção de modelos anatômicos, guias e implantes cirúrgicos. 20

O objetivo do presente estudo foi desenvolver um protótipo de guia personalizada e avaliar seus resultados na confecção do orifício piloto nos pedículos das vértebras torácicas e lombares de pacientes com deformidade espinhal.

A interpretação dos nossos resultados mostra a melhora da cirurgia com a utilização do protótipo, ajustando e corrigindo os problemas encontrados e aumentando sua viabilidade técnica após as cirurgias realizadas. A composição sintética da guia, seu mecanismo de fixação aos elementos posteriores da vértebra e a melhor adaptação dos instrumentos para preparo do pedículo dentro da guia foram as principais alterações realizadas. Além disso, problemas relacionados à viabilidade técnica do uso da guia foram mais frequentes nos pedículos das vértebras torácicas.

Os problemas relacionados ao encaixe das guias nas vértebras de pacientes com escoliose rígida e alto valor angular também foram relatados por Liu et al. 21 O contato mais significativo da guia com a superfície posterior da vértebra aumenta a estabilidade da guia no preparo do orifício piloto; assim, as guias devem ser personalizadas para cada vértebra. Essa observação corrobora os relatos de Berry et al. 22 acerca da imprecisão das guias para vários níveis.

O encaixe da guia na face vertebral posterior exigiu ampla dissecção e rebatimento das partes moles inseridas nas vértebras. Esse fator também foi apontado como essencial para o encaixe da guia nas vértebras, 21 e poderia ser apontado como desvantagem da utilização deste tipo de guia em procedimentos de menor extensão. Nas deformidades, porém, a ampla exposição da vértebra e o rebatimento de partes moles são necessárias e não representam uma desvantagem do uso da guia.

O uso de guias aumentou a precisão da colocação do parafuso em relação ao grupo no qual a guia não foi utilizada devido à inviabilidade técnica e ao modelo usado para auxiliar o preparo do orifício piloto. Em pacientes com deformidade espinhal, a taxa de mau posicionamento do parafuso varia de 3 a 44,2%, e a taxa de complicações neurológicas varia de 0 a 0,9%. 3 13 16 23 24 25 26 27 28 Os pedículos da coluna torácica e a concavidade da curva apresentam os maiores percentuais de mau posicionamento. 3 13 16 23 24 25 26 27 28 Os resultados do presente estudo corroboram os relatos da literatura, e os pedículos da região torácica apresentam o maior índice de mau posicionamento. Porém, apesar do posicionamento descentralizado em 10 pedículos (8 torácicos e 2 lombares), não houve danos às estruturas adjacentes ao pedículo ou necessidade de reposicionamento ou retirada de implantes em qualquer paciente.

A precisão do uso de guias nos pedículos torácicos foi de 68%, sendo superior aos resultados do grupo no qual a guia não foi utilizada, evidenciando seus benefícios no preparo do orifício piloto.

De fato, a curva de aprendizado e o desenvolvimento do protótipo da guia devem ser considerados na análise de nossos resultados. Os resultados referentes à precisão no último paciente operado mostraram a alta viabilidade técnica e a precisão próxima à análise anatômica 3D realizada no pré-operatório.

A utilização do protótipo de guia personalizada permitiu a redução do tempo de fluoroscopia e, consequentemente, da exposição intraoperatória a radiação. A exposição do cirurgião durante a colocação dos parafusos pediculares é 10 a 12 vezes maior em comparação com outros procedimentos fora da coluna. 29 30 A dose de radiação intraoperatória em cirurgias para correção de deformidades vertebrais é de ∼ 7,05 mSv. Aqui, observamos valores menores, de 4,35 a 6,32 mSv (5,17 ± 0,72 mSv), indicando menor exposição intraoperatória a radiação. No entanto, a comparação ideal implicaria na análise de grupos semelhantes, o que não foi possível devido à semelhança das amostras heterogêneas; assim, o valor comparativo só pode ser usado como referência.

Embora a técnica de preparo do orifício piloto e inserção dos parafusos pediculares sem o auxílio de imagens ou dispositivos seja considerada segura e tenha precisão aceitável, o uso de guias pode aumentar a eficiência e reduzir a exposição intraoperatória a radiação. A utilização de guias, associada ao conhecimento e experiência do cirurgião, pode tornar o procedimento mais seguro e preciso e diminuir a exposição intraoperatória a radiação. Os resultados aqui apresentados se referem apenas ao desenvolvimento do protótipo da guia, indicando que esse dispositivo pode auxiliar a realização de cirurgias de coluna nas quais o pedículo vertebral é o local de ancoragem do implante.

Conclusão

O uso de guias para preparo do orifício piloto nos pedículos vertebrais de pacientes com deformidade da coluna vertebral foi seguro, melhorou a precisão dos parafusos pediculares e reduziu a intensidade da radiação intraoperatória. Essa tecnologia tem grande potencial clínico, permitindo a colocação de parafusos pediculares de forma mais segura, mais precisa, e com menor exposição intraoperatória a radiação.