תכנון והדפסה של שתלים ספציפיים לחולה לשיקום מומים גרמיות
4 באוגוסט 2020
פרוטוקול זה מתאר את השימוש בתכנון והדפסה תלת-ממדיים לשיקום פגמים גרמיות. אנו משתמשים כלים פילוח כדי ליצור מודלים תלת-ממד ואחריו 3D תוכנה עיצוב ליצור שתלים ספציפיים לחולה למטרות שחזור במקביל לניתוח פולשני או כשלב שני.
פרוטוקול זה מאפשר טיפול וירטואלי בחולים עם פגמים גרמיים ויצירת מדריך כירורגי חדשני וצלחות קיבעון. שימוש בפרוטוקול זה מאפשר ליצור ולתכנן שתלים באופן וירטואלי בהתאם למה שניתן לשימוש בחדר הניתוח בדיוק מעולה ומשך פעולה מקוצר. שתלים ספציפיים למטופל המתוכננים בפרוטוקול שלנו מבוססים על הדמיה תלת-ממדית מדויקת וכתוצאה מכך שתלים מתאימים לחלוטין ומאפשרים שחזור של אנטומיה, סימטריה ותפקוד נאותים של רקמות.
פרוטוקול זה מאפשר למשתמשים לתכנן ולהדפיס מודלים או מבנים מורכבים מחומרים שונים ולבחון פרמטרים שונים כגון חוזקם או יכולתם לאפשר התחדשות עצם. למרות שתוכניות אלה ידידותיות מאוד למשתמש, לוקח זמן לשלוט בתהליך העיצוב בסיוע מחשב. סבלנות ותרגול יעזרו למשתמש להשתפר ומהר יותר.
מכיוון שפרוטוקול זה מכיל שלבים רבים של תכנון וירטואלי, התבוננות בשלבים תועיל מאוד. לפילוח של הדגם המשוחזר תלת-ממד, בתוכנת הפילוח המתאימה מתפריט 'פילוח עצם', בחרו 'כללי' ולהשתמש בכלי הפלוס כדי לציין את פלח העניין ואת הכלי המינוס כדי לציין את המקטעים הלא רצויים תוך כדי גלילה ותנועה בסריקה. השתמש בלחצן קבע המאתחל את פילוח ולחץ על החל כדי ליצור את המקטע החדש.
לביצוע פילוח עצם טוב, יש להשתמש במספר רב של סימונים חיוביים ושליליים במודל המשוחזר תלת-ממד. וכל שאר הנופים. לאחר השלמת הפילוח, תקן את הסימונים והוסף סימונים חדשים לדיוק טוב יותר לפי הצורך.
יצא את הקבצים כקובצי STL תלת-מימד. לעיצוב שתל השחזור תלת-מימדי, ייבאו את קובצי STL לתוכנה לעיצוב תלת-מימדי ולהשתמש בכלי גילוח כדי להפריד את העצם לשני חלקים. מתפריט 'בחר הזז חימר', בחרו בכלי חימר וסמןו את אזור העניין.
העתק את האזור המסומן וצור אובייקט זהה חדש ברשימת האובייקטים כדי לטפל במיקום האזור. כדי לוודא שציר הסיבוב מוגדר על החלק של העצם שתישאר באותו מיקום, בחר מיקום מחדש והגדר את ציר הסיבוב כמתוכנן. מכיוון שהגולגולת האנושית היא בעיקר סימטרית, השתמש בכלי חימר מראה לקבלת הדרכה כדי להשיג את המיקום או המיקום הנכונים של המקטע החסר או המותקף ולהגדיר את המישור במרכז הגולגולת.
בהתבסס על החצי המקוף, בצע סיבוב מקטע לפי הצורך ולהשתמש בכלי הוספת חימר מתפריט בניית חימר כדי לשחזר את החלק הגרמי הפגיע. בתפריט 'עקומות', בחרו באפשרות 'צייר עקומה' ליצירת צורה החיצונית רציפה של השתל הרצוי. לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על המקטע ובחר שכפל כדי לשכפל את המקטע הגרמי.
בעבודה במקטע המשוכפל החדש, בתפריט 'חימר מפורט' בחרו 'הבלטה עם עיקול' ליצירת עוצמת הנפח של שתל השחזור. בחר את הצורה החיצונית של השתל המשרטט והצב את הסמן בצורת עיגול בתוך השתל השרטט על פני העצם. בחר את הפרמטרים הרצויים, והכי חשוב את המרחק כדי לשלוט בעובי השתל ולחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על המקטע המשוכפל כדי לבחור בוליאנית ולהסיר מ, ולאחר מכן בחר את האובייקט המכיל את השתל שנוצר.
במקרים שעבורם נדרשים חורים עבור קיבוע בורג או אנגיוגנזה, השתמש בפונקציה Create Plane כדי ליצור מישור מקביל שבו החורים עבור הצלחת מתוכננים. כאשר המישורים ממוקמים במקביל מקסימלית לשתל, בחר עיגול בתפריט סקיצה וצור מעגלים בגודל ובמיקום הרצויים בתוך המקטע. בתפריט עקומות, השתמש באפשרות 'סקיצה של פרוייקט' כדי לייעד את הסקיצות שיועברו מהמטוס לשתל.
ליצירת מפזר הנגד לברגים, בתפריט 'חימר מפורט', בחרו 'הבלטה עם עיקול' והמקם את הסמן בצורת עיגול בתוך האזור המעגלי המסומן על משטח המקטע. להשלמת החורים בתפריט משטחי משנה, השתמשו באפשרות SubD חתך תיל ליצירת מוטות בניצב לשתל. כדי ליצור את החורים באמצעות המוטות, בחר בוליאני והסר מ ובחר כל מוט ברצף, לחץ באמצעות לחצן העכבר הימני על בוליאני, הסר מ וצור שתל ברשימת האובייקטים.
ליצירת רשת שינוי בשתל, השתמשו ב'צייר עקומה' ליצירת סקיצה של רשת שינוי מתוכננת כפי שהוכח. בתפריט 'חימר מפורט' השתמשו בהבלטה עם 'תמונה עטופה' לבחירת תמונת תבנית שלאחריה תבנו את רשת שינוי. האזורים הלבנים של התמונה יופחתו וה האזורים השחורים יישארו.
התאם ידנית את הכיוון והגודל של העיצוב והגדר את עובי שנוצר ולאחר מכן לחץ על החל. השתל הספציפי למטופל יהיה מוכן לייצור. תמונות אלה התקבלו ממטופלת בת 40 עם לוחית קיבוע שחזור שבורה שסופקה על ידי מלאי מפציעה קודמת ושבר אי-איחוד בגוף השמאלי של הלסת התחתונה שלה.
פילוח הלסת התחתונה בוצע כפי שהוכח כדי להפריד את לוחית קיבעון שבור. באמצעות תוכנת עיצוב תלת-מימדית, המקטע השמאלי של ה- mandible היה ממוקם מחדש למיקום האנטומי הנכון. שיקוף של הצד הימני הבריא בוצע כדי לאפשר שחזור נכון של העצם החסרה.
לאחר מכן ניתן לתכנן את השתל הספציפי למטופל, כולל חורים לברגים מקובעים. רשת תוכננה לאפשר מיקום נוסף של השתלת עצם, בהתאם לקווי המתאר הנכונים של הלסת המבוססים על הצד הבריא ולאפשר אנגיוגנזה מעולה דרך החורים ברשת. השתל המודפס מטיטניום באמצעות טכנולוגיית sintering לייזר סלקטיבית ותוצאות לאחר הניתוח ניתן לראות בתמונות אלה.
שימו לב להמשכיות הלסת התחתונה, למיקום האנכי הנכון של קטע הלסת התחתונה השמאלית ולסימטריה בקווי המתאר של הגוף ששוחזרה באמצעות השתל הספציפי למטופל כקווי המתאר החיצוניים ושתל עצם סמל איליאק למילוי החללים. בעת תכנון השתל הספציפי למטופל, שקול את התכנון של צלחת בגודל מינימלי כי הוא חזק מספיק כדי לאפשר כוחות נושאי עומס תוך עמידה כוחות גיזום ומומנט. שתלים ספציפיים למטופל יכולים גם להיות מתוכננים עבור cranioplasty, הליכים אורתופדיים, עשוי לשמש פוטנציאל לעיצוב של רקמות רכות בכל האיברים.
פרוטוקול זה מאפשר כיום תכנון שתלים חדשניים לניתוחים ומחקרים ועשוי בסופו של דבר להקל על הדפסה ביולוגית של שתלים והתחדשות חומרים זרים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מאפשר טיפול וירטואלי במטופלים עם פגמים גרמיים באמצעות יצירת מדריכים כירורגיים ולוחיות קיבוע. באמצעות שימוש בתכנון והדפסה בתלת-ממד, ניתן לתכנן שתלים מותאמים אישית למטופל בדיוק גבוה, ובכך לשפר את התוצאות הכירורגיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- נוירוכירורגיה
- הנדסה ביו-רפואית
- טכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד
רקע
- דימות תלת-ממדי מספק מודלים מדויקים לתכנון ניתוחי.
- שתלים מותאמים אישית למטופל משפרים את ההתאמה והתפקוד של ניתוחים שחזוריים.
- ניתן לתכנן מודלים מורכבים עבור צרכים כירורגיים שונים.
- שליטה בתהליך התכנון דורשת תרגול וסבלנות.
מטרת המחקר
- ליצירת שתלים מותאמים אישית לחולה לצורך שחזור פגמים גרמיים.
- לשיפור הדיוק והיעילות של ההליכים הכירורגיים.
- לאפשר את השחזור של האנטומיה והתפקוד של הרקמה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- כלי סגמנטציה ליצירת מודלים תלת-ממדיים.
- תוכנה לתכנון תלת-ממדי עבור עיצוב שתלים.
- תכנון טיפולי וירטואלי עבור מדריכים כירורגיים.
- בדיקות חומרים להערכת חוזק ויכולות רגנרציה של עצם.
תוצאות עיקריות
- יצירת שתלים המותאמים בדיוק על בסיס דימות בתלת-ממד.
- קיצור משך הניתוח באמצעות תכנון משופר.
- שיפור השחזור של האנטומיה והסימטריה התקינות של הרקמות.
- תכנון והדפסה מוצלחים של מבנים מורכבים.
מסקנות
- הפרוטוקול משפר משמעותית את התוצאות הניתוחיות עבור פגמים גרמיים.
- תוכנה ידידותית למשתמש מקלה על תהליך התכנון.
- תרגול מתמיד מוביל למיומנות טובה יותר בתכנון בתלת-ממד.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
פרוטוקול זה מאפשר לקלינאים לתכנן שתלים מותאמים אישית למטופל לצורך שחזור פגמים גרמיים, ובכך תומך בפיתוח מודלים פרה-קליניים ובמחקר תרגומי ברפואה רגנרטיבית. באמצעות שילוב של תכנון והדפסה בתלת-ממד, הוא מגביר את הביטחון החזוי בעיצוב השתל ובשיקום התפקודי, ומפחית את הסיכון הביולוגי בשלבים מוקדמים של הערכה טיפולית. השיטה מקלה על הפחתת סיכונים מנגנונית באמצעות מידול אנטומי מדויק ובדיקת חומרים, בהלימה לתהליכי עבודה בשלבי הגילוי לצורך תיקוף שתלים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות שחזור וירטואלי של פגמים גרמיים והערכה של אינטראקציות בין השתל לרקמה.
- ערך תפעולי: תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות להערכה פרה-קלינית של התאמת השתל, יציבות מכנית ופוטנציאל לאנגיוגנזה במערכות הרלוונטיות למחלה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מספק מודלים תלת-ממדיים סטנדרטיים וניתנים לשחזור להערכה כמותית של פרמטרי תכנון השתלים, כגון עובי, נקבוביות וחוזק מכני.
- ערך תפעולי: מאפשר מוכנות לבדיקות באמצעות תהליכי תכנון ניתנים להרחבה התומכים בשימוש חוזר בפלטפורמה עבור מספר מודלים של פגמים ומסעות סריקה של חומרים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מקדם רצף תרגומי על ידי מתן אפשרות לתכנון שתלים המשקפים אנטומיה בריאה, ובכך תומך בהערכה של התחדשות עצם ושילוב השתל בהתאמה לסממנים ביולוגיים.
- ערך תפעולי: תומך בקבלת החלטות על קידום הפרויקט בהתאם לניהול סיכונים, על ידי מתן אפשרות לבדיקת תכנון איטרטיבית לפני בניית אב-טיפוס פיזי, ובכך מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים של פיתוח השתל.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מתיקוף המטרה, דרך זיהוי מובילים ועד להערכה פרה-קלינית, ובכך מאפשרת מחזורי תכנון ובדיקה איטרטיביים עבור שתלים לשחזור.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות על ידי מתן אפשרות למניפולציה וירטואלית של פגמים גרמיים והערכה של תכנוני שתלים לצורך שיקום תפקודי וסימטריה.
- סריקה: מאפשרת שחזור של בדיקות באמצעות פרוטוקולי סגמנטציה ותכנון סטנדרטיים המפיקים פלטי STL עקביים לסריקת חומרים וגיאומטריה.
- אנליטיקה: מייצרת נתונים כמותיים על עובי השתל, מיקום החורים וצפיפות הרשת, מה שמאפשר ניתוח השוואתי בין איטרציות תכנון שונות.
- מחקר תרגומי: מקשרת לרצף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות לתכנון שתלים ספציפיים למטופל שניתן לבחון in vivo לצורך אינטגרציה של השתלה גרמית ויכולת נשיאת עומס.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת יכולת רב-פעמית לתכנון שתלים ספציפיים למטופל במגוון התוויות, כולל קרניופלסטיה ושחזור אורתופדי, ובכך מפחיתה מאמצי תכנון כפולים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתכנון השתלים על ידי מתן אפשרות לשחזור אנטומי מדויק והערכה תפקודית של נשיאת עומסים ועמידות לגזירה.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות באמצעות תהליכי עבודה מוגדרים לסגמנטציה ותכנון המפחיתים את השונות בין המשתמשים בתכנון השתלים.
- ערך אסטרטגי: תומך בקבלת החלטות נכונה יותר לגבי המשך הפיתוח (go/no-go) על ידי מתן אפשרות לבדיקה וירטואלית של תכנוני השתלים תחת מגבלות פיזיולוגיות, ובכך מפחית את ההסתמכות על בניית אב-טיפוס פיזי.
- השפעה על תיק הפיתוח: מאפשר תעדוף של מועמדים להשתלה מותאם לסיכון על ידי זיהוי מוקדם של פגמים בתכנון, דבר המשפר את יעילות ההון בפיתוח הפרה-קליני.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בסגמנטציה של דימות תלת-ממדי ובתוכנות לעיצוב בעזרת מחשב (CAD) לצורך מניפולציה מדויקת של המודל.
- תלוי בגישה לכלי עיצוב תלת-ממדיים המסוגלים לבצע פעולות בוליאניות, יצירת רשת (mesh generation) וכלי שיקוף לשחזור אנטומי.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי הדימות, העיצוב והייצור כדי להבטיח נאמנות מהמודל הווירטואלי ועד השתל המודפס.
- כולל שיקולי התאמה לסוגים שונים של פגמים ולאתרים אנטומיים שונים, דבר הדורש תיקוף מחדש של פרמטרי הסגמנטציה והעיצוב עבור יישומים שאינם קרניו-מקסילו-פציאליים.
- מוגבל על ידי עקומת הלמידה הכרוכה בשליטה בכלי CAD, דבר העשוי להשפיע על התפוקה הראשונית ועל עקביות העיצוב.
