Pianificazione 3D e stampa di impianti specifici per il paziente per la ricostruzione di difetti di bony

Sommario

Questo protocollo descrive l'uso della pianificazione e della stampa 3D per la ricostruzione di difetti ossei. Utilizziamo strumenti di segmentazione per creare modelli 3D seguiti da un software di progettazione 3D per creare impianti specifici per il paziente a scopo di ricostruzione con compositivi alla chirurgia ablativa o come secondo stadio.

Abstract

Siamo nel bel mezzo dell'era 3D nella maggior parte degli aspetti della vita, e soprattutto in medicina. La disciplina chirurgica è uno dei principali attori in campo medico utilizzando le capacità di pianificazione e stampa 3D in costante sviluppo. La progettazione assistita da computer (CAD) e la produzione assistita da computer (CAM) vengono utilizzate per descrivere la pianificazione e la produzione 3D del prodotto. La progettazione e la produzione di guide chirurgiche 3D e impianti di ricostruzione viene eseguita quasi esclusivamente dagli ingegneri. Man mano che la tecnologia avanza e le interfacce software diventano più facili da usare, si pone una questione relativa alla possibilità di trasferire la pianificazione e la produzione al medico. Le ragioni di un tale cambiamento sono chiare: il chirurgo ha l'idea di ciò che vuole progettare, e sa anche cosa è fattibile e potrebbe essere utilizzato in sala operatoria. Gli permette di essere preparato a qualsiasi scenario/risultati inaspettati durante l'operazione e permette al chirurgo di essere creativo ed esprimere le sue nuove idee utilizzando il software CAD. Lo scopo di questo metodo è quello di fornire ai medici la possibilità di creare le proprie guide chirurgiche e impianti di ricostruzione. In questo manoscritto, un protocollo dettagliato fornirà un metodo semplice per la segmentazione utilizzando il software di segmentazione e la pianificazione degli impianti utilizzando un software di progettazione 3D. Dopo la segmentazione e la produzione di file stl utilizzando un software di segmentazione, il medico potrebbe creare una semplice piastra di ricostruzione specifica del paziente o una piastra più complessa con una culla per il posizionamento dell'innesto osseo. Le guide chirurgiche possono essere create per una resezione accurata, la preparazione dei fori per un corretto posizionamento della piastra di ricostruzione o per la raccolta e il ri-contouring dell'innesto osseo. Un caso di ricostruzione della mandibola dopo la frattura della piastra e la guarigione non sindacale di un trauma subita lesioni è dettagliato.

Introduzione

La medicina personalizzata si sta sviluppando rapidamente in molti campi della medicina¹. Il trattamento oncologico personalizzato è oggetto di molte discussioni e quindi è ben noto alla popolazione generale. La stampa 3D è stata introdotta per la prima volta da Charles Hull che mostra la stampa 3D di oggetti utilizzando la stereolitografia². Da allora, sono state sviluppate diverse tecnologie per la stampa 3D. Il metodo utilizzato viene selezionato in base allo scopo del dispositivo.

Il campo chirurgico sta rapidamente abbracciando la medicina personalizzata. Il trattamento personalizzato in campo chirurgico richiede una pianificazione virtuale mediante un software CAD (Computer-Assisted Design). La prima fase include sempre la segmentazione per creare un file stl 3D. La produzione assistita da computer (CAM) è indicata come il processo di produzione della parte progettata in 3D. Il primo utilizzo della tecnologia è stato utilizzato nella stampa di modelli pre-operatori per la pianificazione chirurgica e la chirurgia^{simulata 3,4,5}. Con lo sviluppo della tecnologia, la pianificazione virtuale degli interventi chirurgici seguita dalla pianificazione e produzione di guide chirurgiche per assistere nella chirurgia stessa e gli impianti di ricostruzione specifici del paziente montati perfettamente sull'osso del paziente è diventato più popolare^6,7,8,9,10. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire ai medici la possibilità di creare le proprie guide chirurgiche e la ricostruzione di impianti specifici per i pazienti. Questo metodo è più preciso rispetto all'utilizzo di piastre di riserva perché si adatta perfettamente e può essere progettato in base alle caratteristiche del difetto specifico. Riduce anche la dipendenza dall'esperienza del chirurgo e riduce i tempi di funzionamento.

Protocollo

Questo studio ha seguito la Dichiarazione di Helsinki sul protocollo medico e l'etica e il Comitato di revisione etica istituzionale ha approvato lo studio.

1. Segmentazione mediante un software di segmentazione

NOTA: il processo di importazione dei file DICOM richiede l'orientamento dei piani assiali, coronali e sagittali nella finestra pop-up per completare l'impostazione.

1. Nel menu Segmentazione ossa, scegliete la funzione Generale. Utilizzare il marcatore "-" per i segmenti indesiderati e "-" per il segmento di interesse. Aggiungere marcatori sul modello ricostruito 3D o sulle diverse sezioni trasversali durante lo scorrimento e lo spostamento all'interno della scansione.
2. Scegliere il pulsante Imposta che dimostra la segmentazione. A questo punto, correggere i contrassegni e aggiungerne di nuovi per una migliore precisione. Premere Applica per creare il nuovo segmento. È possibile creare più segmenti in questo modo.
3. Al termine della segmentazione, esportare i file come file 3D stl per la stampa 3D o la pianificazione di impianti di ricostruzione 3D in programmi CAD di progettazione 3D.

2. Progettazione di impianti ricostruiti utilizzando un software di progettazione 3D

1. Dopo aver preformato la segmentazione ossea utilizzando il software di segmentazione, importare i file stl nel software di progettazione 3D (vedere Tabella dei materiali).
2. Se è necessaria un'ulteriore separazione (ad esempio, se una parte deve essere spostata separatamente), farlo qui. Nel menu Argilla scolpisci, usate lo strumento rasatura per separare l'osso in due parti. Nel menu Seleziona/Sposta argilla, selezionare l'argilla e contrassegnare la parte su cui lavorare. Quindi, copiare questa parte e creare un nuovo oggetto identico nell'elenco degli oggetti per manipolarne la posizione come osservato nella fase successiva.
3. Eseguire il movimento del segmento in questa fase. Assicurarsi che l'asse di rotazione sia impostato sulla parte dell'osso per rimanere nella stessa posizione. Nel menu Seleziona/Sposta argilla, selezionare Riposiziona e impostare l'asse di rotazione come pianificato.
4. Poiché il cranio umano è per lo più simmetrico, utilizzare il lato sano per la guida per ottenere il giusto posizionamento/ sostituzione del segmento mancante/mal posizionato. Utilizzare una tecnica di mirroring per creare un'immagine speculari del lato normale. Nel menu Costruisci argilla, usate l'opzione Argilla speculare e impostate il piano al centro del cranio.
5. In base alla metà specchiata, eseguire la rotazione del segmento se necessario e ricostruire la parte ossea avulsata utilizzando lo strumento Aggiungi argilla nel menu Costruisci argilla. Questa ricostruzione viene eseguita al fine di costruire un impianto di ricostruzione specifico del paziente nelle fasi successive, che ricostruirà il contorno facciale corretto.
6. Dopo aver ricostruito il segmento osseo, creare l'impianto di ricostruzione specifico del paziente. Nel menu Curve, utilizzare l'opzione Disegna curva e creare una forma esterna continua dell'impianto desiderato.
7. In questa fase, duplicare il segmento osseo in quanto sarà necessario eseguire una funzione booleana per separare l'impianto costruito. Questa operazione viene eseguita nella finestra dell'elenco oggetti facendo clic con il pulsante destro del mouse sul segmento e premendo l'opzione Duplica.
8. Lavorare nel nuovo segmento duplicato. Nel menu Argilla di dettaglio, utilizzare l'opzione Rilievo con curva per creare il volume dell'impianto di ricostruzione. Selezionare la forma esterna dell'impianto disegnato, quindi posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno dell'impianto disegnato, sulla superficie dell'osso. Si noti che il rilievo funzionerà verso l'esterno o all'interno dell'osso, a seconda della posizione del cursore. Quindi, scegliere i parametri desiderati - soprattutto, l'opzione di distanza che controlla lo spessore dell'impianto.
9. Separare l'impianto dal segmento osseo. Nell'elenco degli oggetti, scegliere l'oggetto duplicato in precedenza dal passaggio 2.7, fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Booleano - Rimuovi da. Quindi scegliere l'oggetto contenente l'impianto creato.
10. Nel caso in cui siano necessari fori per la fissazione delle viti o per consentire l'angiogenesi, selezionare Categoria piani - Crea piano per creare un piano parallelo in cui sono progettati i fori per la piastra. Utilizzando la manipolazione manuale, posizionare i piani nel massimo parallelismo all'impianto. Nel menu Schizzo, scegliete un cerchio e create i cerchi nella dimensione e nella posizione desiderate. Si può creare un secondo cerchio più grande, che servirà come contro-sink per la testa della vite adeditrice.
11. Nel menu Curve, utilizzare l'opzione Schizzo progetto e scegliere gli schizzi designati per il trasferimento dal piano all'impianto.
12. Per generare il controstrudimento per le viti, nel menu Argilla dettaglio, utilizzare l'opzione Rilievo con curva. Selezionare i cerchi esterni dello schizzo, posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno dell'area circolare contrassegnata sulla superficie e immettere la distanza che controlla le profondità del contro-sink (ad esempio, 0,3 mm). Per completare il processo, premere Applica e Inferiore per assicurarsi che il rilievo venga eseguito in modo sottrazione e non additivo.
13. Per completare i fori, nel menu Superfici secondarie, utilizzare l'opzione Filo taglio SubD per creare aste perpendicolari all'impianto in base ai piccoli cerchi creati al punto 2.10.
14. Per creare i fori utilizzando le aste, utilizzare Booleano > Rimuovi da come nel passaggio 2.9. Scegliere un'asta dopo l'altra, fare clic con il pulsante destro del mouse nell'elenco degli oggetti, ovvero aggiungere un valore booleano all'altra, ovvero Rimuovere dall'impianto creato.
    NOTA: In alternativa, le viti desiderate possono essere create/scansionate e la funzione booleana può essere utilizzata per creare i fori desiderati.
15. Per creare una mesh nell'impianto (consentendo ad esempio l'angiogenesi), generare prima uno schizzo (utilizzando l'opzione curva) della mesh pianificata come nel passaggio 2.6.
    1. Nel menu Argilla dettaglio, utilizzate l'opzione Rilievo con immagine avvolta. Scegliere un'immagine in base alla quale verrà creata la mesh (ci sono diversi modelli che vengono con il programma). Le parti bianche dell'immagine verranno sottratte nella mesh e le parti nere verranno risparmiate.
    2. Utilizzando il controllo manuale, regolare la direzione e le dimensioni del disegno. Impostare la distanza che rappresenta lo spessore dei fori generati e premere Applica. L'impianto specifico del paziente è pronto per la produzione.

Risultati

Una paziente di 40 anni con una frattura, magazzino fornito, piastra di fissaggio ricostruzione da un infortunio precedente e una frattura non sindacale nel corpo sinistro della mascella inferiore presentato al reparto. L'imaging mostra la piastra di fissaggio rotta e il segmento sinistro mal posizionato della mascella inferiore (Figura 1). Utilizzando il software di segmentazione, è stata eseguita la segmentazione della mandibola separando la piastra di fiss...

Discussione

Con il costante sviluppo dell'uso dei computer per la pianificazione virtuale delle procedure chirurgiche, la combinazione con un'altra tecnologia in via di sviluppo, la stampa 3D, ha portato a una nuova era di trattamento chirurgico. L'accuratezza è l'obiettivo di queste tecnologie e la cura specifica del paziente, come obiettivo futuro, è presentato sotto forma di guide chirurgiche e impianti di ricostruzione specifici del paziente. Discutiamo guide chirurgiche come parte di un protocollo futuro diverso. Nel protocollo...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
D2P (DICOM to Print)	Sistemi		Software di segmentazione per la creazione di file 3D stl
Geomagic Freeform	3D		Systems Progettazione ingegneristica scolpita