Planificación e impresión 3D de implantes específicos para el paciente para la reconstrucción de defectos óseos

Resumen

Este protocolo describe el uso de la planificación e impresión 3D para la reconstrucción de defectos óseos. Utilizamos herramientas de segmentación para crear modelos 3D seguidos de software de diseño 3D para crear implantes específicos para el paciente con fines de reconstrucción concomitantes con cirugía ablativa o como una segunda etapa.

Resumen

Estamos en medio de la era 3D en la mayoría de los aspectos de la vida, y especialmente en la medicina. La disciplina quirúrgica es uno de los principales actores en el campo médico utilizando las capacidades de planificación e impresión 3D en constante desarrollo. El diseño asistido por ordenador (CAD) y la fabricación asistida por ordenador (CAM) se utilizan para describir la planificación y fabricación 3D del producto. La planificación y fabricación de guías quirúrgicas 3D e implantes de reconstrucción es realizada casi exclusivamente por ingenieros. A medida que la tecnología avanza y las interfaces de software se vuelven más fáciles de usar, plantea una pregunta con respecto a la posibilidad de transferir la planificación y la fabricación al médico. Las razones de tal cambio son claras: el cirujano tiene la idea de lo que quiere diseñar, y también sabe lo que es factible y podría ser utilizado en el quirófano. Le permite estar preparado para cualquier escenario / resultados inesperados durante la operación y permite al cirujano ser creativo y expresar sus nuevas ideas utilizando el software CAD. El propósito de este método es proporcionar a los médicos la capacidad de crear sus propias guías quirúrgicas e implantes de reconstrucción. En este manuscrito, un protocolo detallado proporcionará un método simple para la segmentación utilizando el software de segmentación y la planificación de implantes utilizando un software de diseño 3D. Después de la segmentación y la producción de archivos stl utilizando software de segmentación, el médico podría crear una placa de reconstrucción específica del paciente simple o una placa más compleja con una base para el posicionamiento del injerto óseo. Se pueden crear guías quirúrgicas para una resección precisa, la preparación del agujero para el posicionamiento adecuado de la placa de reconstrucción o para la recolección y el reestornado del injerto óseo. Se detalla un caso de reconstrucción de la mandíbula inferior después de la fractura de la placa y la curación no sindical de una lesión sufrida por trauma.

Introducción

La medicina personalizada se está desarrollando rápidamente en muchos campos de la medicina¹. El tratamiento oncológico personalizado es un tema de mucha discusión y por lo tanto es bien conocido por la población en general. La impresión 3D fue introducida por primera vez por Charles Hull mostrando la impresión 3D de objetos utilizando estereolitografía^2. Desde entonces, se desarrollaron diferentes tecnologías para la impresión 3D. El método utilizado se selecciona en función del propósito del dispositivo.

El campo quirúrgico está adoptando rápidamente la medicina personalizada. El tratamiento personalizado en el campo quirúrgico requiere una planificación virtual mediante un software de diseño asistido por ordenador (CAD). La primera etapa siempre incluye la segmentación para crear un archivo stl 3D. La fabricación asistida por ordenador (CAM) se conoce como el proceso de fabricación de la pieza diseñada en 3D. La primera utilización de la tecnología se utilizó en la impresión de modelos preoperatorios para la planificación quirúrgica y la cirugía simulada^3,,4,5. Con el desarrollo de la tecnología, la planificación virtual de las cirugías seguida de la planificación y fabricación de guías quirúrgicas para ayudar en la cirugía en sí y los implantes de reconstrucción específicos del paciente instalados perfectamente en el hueso del paciente se hicieron más populares^{6,,7,,8,,9,,10}. El propósito de este protocolo es proporcionar a los médicos la capacidad de crear sus propias guías quirúrgicas y reconstrucción de implantes específicos para pacientes. Este método es más preciso que el uso de placas de stock porque se adapta perfectamente y se puede diseñar en función de las características del defecto específico. También reduce la dependencia de la experiencia del cirujano y reduce el tiempo de operación.

Protocolo

Este estudio siguió a la Declaración de Helsinki sobre protocolo médico y ética y la Junta de Revisión Etica Institucional aprobó el estudio.

1. Segmentación utilizando un software de segmentación

NOTA: El proceso de importación de los archivos DICOM requiere la orientación de los planos axial, coronal y sagital en la ventana emergente para finalizar la configuración.

1. En el menú Segmentación ósea, elija la función General. Utilice el marcador "-" para segmentos no deseados y "+" para el segmento de interés. Añada marcadores en el modelo reconstruido en 3D o en las diferentes secciones transversales al desplazarse y moverse por el análisis.
2. Elija el botón Establecer que muestra la segmentación. En este punto, corrija las marcas y agregue otras nuevas para una mejor precisión. Pulse Aplicar para crear el nuevo segmento. Se pueden crear varios segmentos de esta manera.
3. Una vez completada la segmentación, exporte los archivos como archivos 3D stl para la impresión 3D o la planificación de implantes de reconstrucción 3D en programas CAD de diseño 3D.

2. Diseñar implantes de reconstrucción utilizando software de diseño 3D

1. Después de preformar la segmentación ósea utilizando el software de segmentación, importe los archivos stl en el software de diseño 3D (consulte Tabla de materiales).
2. Si se necesita una separación adicional (por ejemplo, si una parte está destinada a moverse por separado), hágalo aquí. En el menú Esculpir arcilla, utilice la herramienta de afeitado para separar el hueso en dos partes. En el menú Seleccionar/Mover arcilla, seleccione la arcilla y marque la pieza en la que desea trabajar. A continuación, copie esta parte y cree un nuevo objeto idéntico en la lista de objetos para manipular su posición como se observa en la siguiente etapa.
3. Realice el movimiento del segmento en esta etapa. Asegúrese de que el eje de rotación esté establecido en la parte del hueso para permanecer en la misma posición. En el menú Seleccionar/Mover arcilla, seleccione Reposicionar y establezca el eje de rotación según lo planeado.
4. Como el cráneo humano es en su mayoría simétrico, utilice el lado sano para obtener orientación para obtener el posicionamiento/reemplazo correcto del segmento perdido/mal posicionado. Utilice una técnica de creación de reflejo para crear una imagen de simetría del lado normal. En el menú Construir arcilla, utilice la opción Arcilla de espejo y establezca el plano en el centro del cráneo.
5. En función de la mitad espejada, realice la rotación del segmento si es necesario y reconstruya la parte ósea avulsed con la herramienta Añadir arcilla en el menú Construir arcilla. Esta reconstrucción se realiza con el fin de construir un implante de reconstrucción específico del paciente en las siguientes etapas, que reconstruirá el contorno facial correcto.
6. Después de reconstruir el segmento óseo, cree el implante de reconstrucción específico del paciente. En el menú Curvas, utilice la opción Dibujar curva y cree una forma externa continua del implante deseado.
7. En esta etapa, duplique el segmento óseo, ya que será necesario realizar una función booleana para separar el implante construido. Esto se realiza en la ventana de lista de objetos haciendo clic con el botón derecho en el segmento y presionando la opción Duplicar.
8. Trabajar en el nuevo segmento duplicado. En el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con curva para crear el volumen del implante de reconstrucción. Designe la forma externa del implante esbozado y, a continuación, coloque el cursor en forma de círculo dentro del implante esbozado, en la superficie del hueso. Tenga en cuenta que el relieve funcionará hacia afuera o en el interior del hueso, dependiendo de la colocación del cursor. A continuación, elija los parámetros deseados - lo más importante, la opción de distancia que controla el espesor del implante.
9. Separe el implante del segmento óseo. En la lista de objetos, elija el objeto duplicado previamente en el paso 2.7, haga clic con el botón derecho y seleccione Boolean (Boolean) > Remove From (Eliminar de). A continuación, elija el objeto que contiene el implante creado.
10. En caso de que se requieran orificios para la fijación de tornillos o para permitir la angiogénesis, seleccione Planos categoría > Crear plano para crear un plano paralelo en el que se diseñen los orificios para la placa. Mediante la manipulación manual, coloque los planos en el máximo paralelismo con el implante. En el menú Boceto, elija un círculo y cree círculos en el tamaño y la posición deseados. Se puede crear un segundo círculo más grande, que servirá como el avellanado para la cabeza del tornillo intendente.
11. En el menú Curvas, utilice la opción Croquis de proyecto y elija los croquis designados para transferir del plano al implante.
12. Para generar el avellanado de los tornillos, en el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con curva. Designe los círculos exteriores del croquis, coloque el cursor en forma de círculo dentro del área circular marcada en la superficie e introduzca la distancia que controla las profundidades del avellanado (por ejemplo, 0,3 mm). Para completar el proceso, presione Aplicar e Inferior para asegurarse de que el relieve se realiza de una manera de resta y no un aditivo.
13. Para completar los agujeros, en el menú Superficies subdesulares, utilice la opción SubD de corte de alambre para crear varillas perpendiculares al implante basadas en los pequeños círculos creados en el paso 2.10.
14. Para crear los taladros con las varillas, utilice Booleano > Quitar de como en el paso 2.9. Elija una barra después de la otra, haga clic con el botón derecho en la lista de objetos .
    NOTA: Alternativamente, los tornillos deseados se pueden crear/escanear y la función booleana se puede utilizar para crear los agujeros deseados.
15. Para crear una malla en el implante (permitiendo la angiogénesis, por ejemplo), primero genere un croquis (usando la opción de curva) de la malla planificada como en el paso 2.6.
    1. En el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con imagen ajustada. Elija una imagen según la cual se creará la malla (hay varias plantillas que vienen con el programa). Las partes blancas de la imagen se restarán en la malla, y las partes negras se salvarán.
    2. Con el control manual, ajuste la dirección y el tamaño del diseño. Establezca la distancia que representa el grosor de los taladros generados y pulse Aplicar. El implante específico del paciente está listo para la producción.

Resultados

Una paciente de 40 años con una placa de fijación de reconstrucción rota y suministrada en stock de una lesión anterior y una fractura no sindical en el cuerpo izquierdo de su mandíbula inferior presentada al departamento. La imagen muestra la placa de fijación rota y el segmento izquierdo mal posicionado de la mandíbula inferior(Figura 1). Utilizando un software de segmentación, se realizó la segmentación de la mandíbula inferior separando la placa de fijaci...

Discusión

Con el constante desarrollo del uso de computadoras para la planificación virtual de procedimientos quirúrgicos, la combinación con otra tecnología en desarrollo, la impresión 3D, condujo a una nueva era de tratamiento quirúrgico. La precisión es el objetivo de estas tecnologías y la atención específica del paciente, como el objetivo futuro, se presenta en forma de guías quirúrgicas e implantes de reconstrucción específicos para el paciente. Discutimos guías quirúrgicas como parte de un protocolo futuro diferente. En el ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Sistemas D2P (DICOM to Print)	Sistemas 3D		Software de segmentación para crear archivos stl 3D
Sistemas Geomagic Freeform	3D		Diseño de ingeniería esculpida