Summary
Ce protocole décrit l’utilisation de la planification et de l’impression 3D pour la reconstruction des défauts osseux. Nous utilisons des outils de segmentation pour créer des modèles 3D suivis d’un logiciel de conception 3D pour créer des implants spécifiques aux patients à des fins de reconstruction concomitantes à la chirurgie ablative ou à une deuxième étape.
Abstract
Nous sommes au milieu de l’ère 3D dans la plupart des aspects de la vie, et en particulier en médecine. La discipline chirurgicale est l’un des principaux acteurs dans le domaine médical en utilisant les capacités de planification et d’impression 3D en constante évolution. La conception assistée par ordinateur (CAO) et la fabrication assistée par ordinateur (CAM) sont utilisées pour décrire la planification et la fabrication 3D du produit. La planification et la fabrication de guides chirurgicaux 3D et d’implants de reconstruction sont effectuées presque exclusivement par des ingénieurs. À mesure que la technologie progresse et que les interfaces logicielles deviennent plus conviviales, cela soulève une question quant à la possibilité de transférer la planification et la fabrication au clinicien. Les raisons d’un tel changement sont claires: le chirurgien a l’idée de ce qu’il veut concevoir, et il sait aussi ce qui est faisable et pourrait être utilisé dans la salle d’opération. Il lui permet d’être prêt pour tout scénario / résultats inattendus au cours de l’opération et permet au chirurgien d’être créatif et d’exprimer ses nouvelles idées en utilisant le logiciel CAO. Le but de cette méthode est de fournir aux cliniciens la capacité de créer leurs propres guides chirurgicaux et implants de reconstruction. Dans ce manuscrit, un protocole détaillé fournira une méthode simple de segmentation à l’aide d’un logiciel de segmentation et de planification d’implants à l’aide d’un logiciel de conception 3D. Après la segmentation et la production de fichiers stl à l’aide d’un logiciel de segmentation, le clinicien pourrait créer une plaque de reconstruction spécifique au patient simple ou une plaque plus complexe avec un berceau pour le positionnement de greffe osseuse. Des guides chirurgicaux peuvent être créés pour une résection précise, la préparation des trous pour un bon positionnement des plaques de reconstruction ou pour la récolte et le remodelage des greffes osseuses. Un cas de reconstruction inférieure de mâchoire suivant la rupture de plaque et la guérison non de l’union d’une blessure soutenue de trauma est détaillé.
Introduction
La médecine personnalisée se développe rapidement dans de nombreux domaines de la médecine1. Le traitement personnalisé oncologique fait l’objet de nombreuses discussions et est donc bien connu de la population en général. L’impression 3D a d’abord été introduite par Charles Hull montrant l’impression 3D d’objets utilisant la stéréolithographie2. Depuis lors, différentes technologies pour l’impression 3D ont été développées. La méthode utilisée est sélectionnée en fonction de l’objet de l’appareil.
Le domaine chirurgical adopte rapidement la médecine personnalisée. Le traitement personnalisé dans le domaine chirurgical nécessite une planification virtuelle à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). La première étape inclut toujours la segmentation pour créer un fichier stl 3D. La fabrication assistée par ordinateur (CAM) est appelée le processus de fabrication de la pièce conçue en 3D. La première utilisation de la technologie a été utilisée dans l’impression de modèle préopératoire pour la planification chirurgicale et la chirurgie simulée3,4,5. Avec le développement de la technologie, la planification virtuelle des chirurgies suivie par la planification et la fabrication de guides chirurgicaux pour aider à la chirurgie elle-même et les implants de reconstruction spécifiques au patient parfaitement adaptés sur l’os du patient est devenu plus populaire6,7,8,9,10. Le but de ce protocole est de fournir aux cliniciens la capacité de créer leurs propres guides chirurgicaux et les implants spécifiques aux patients de reconstruction. Cette méthode est plus précise que l’utilisation de plaques de stock car elle s’adapte parfaitement et peut être conçue en fonction des caractéristiques du défaut spécifique. Il réduit également la dépendance à l’expérience du chirurgien et réduit le temps d’opération.
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Protocol
Cette étude faisait suite à la Déclaration d’Helsinki sur le protocole médical et l’éthique et le Comité d’examen éthique institutionnel a approuvé l’étude.
1. Segmentation à l’aide d’un logiciel de segmentation
REMARQUE : Le processus d’importation des fichiers DICOM nécessite l’orientation des plans axials, coronaux et sagittals dans la fenêtre contextuelle pour terminer la configuration.
- Dans le menu Segmentation osseuse, choisissez la fonctionnalité Général. Utilisez le marqueur "-" pour les segments indésirables et "+" pour le segment d’intérêt. Ajoutez des marqueurs sur le modèle reconstruit en 3D ou sur les différentes sections transversales lors du défilement et du déplacement tout au long de l’analyse.
- Choisissez le bouton Définir qui illustre la segmentation. À ce stade, corriger les marques et en ajouter de nouveaux pour une meilleure précision. Appuyez sur Appliquer pour créer le nouveau segment. Plusieurs segments peuvent être créés de cette façon.
- Une fois la segmentation terminée, exportez les fichiers sous forme de fichiers 3D pour l’impression 3D ou la planification d’implants de reconstruction 3D dans des programmes CAO de conception 3D.
2. Conception d’implants de reconstruction à l’aide d’un logiciel de conception 3D
- Après avoir préformé la segmentation osseuse à l’aide du logiciel de segmentation, importez les fichiers stl dans le logiciel de conception 3D (voir Tableau des matériaux).
- Si une séparation supplémentaire est nécessaire (p. ex., si une partie est destinée à être déplacée séparément), faites-le ici. Dans le menu Sculpt Clay, utilisez l’outil de rasage pour séparer l’os en deux parties. Dans le menu Sélectionner/Déplacer l’argile, sélectionnez l’argile et marquez la pièce sur laquelle travailler. Ensuite, copiez cette partie et créez un nouvel objet identique dans la liste des objets afin de manipuler sa position telle qu’observée à l’étape suivante.
- Effectuez le mouvement du segment à ce stade. Assurez-vous que l’axe de rotation est placé sur la partie de l’os pour rester dans la même position. Dans le menu Sélectionner/Déplacer l’argile, sélectionnez Repositionner et définir l’axe de rotation comme prévu.
- Comme le crâne humain est principalement symétrique, utilisez le côté sain pour les guider afin d’obtenir le bon positionnement/remplacement du segment manquant/mal positionné. Utilisez une technique de mise en miroir pour créer une image miroir du côté normal. Dans le menu Construct Clay, utilisez l’option Mirror Clay et placez le plan au centre du crâne.
- Basé sur la moitié en miroir, effectuer la rotation du segment si nécessaire et reconstruire la partie osseuse avulsée à l’aide de l’outil Ajouter de l’argile dans le menu Construire l’argile. Cette reconstruction est effectuée afin de construire un implant de reconstruction spécifique au patient dans les prochaines étapes, qui va reconstruire le contour du visage correct.
- Après la reconstruction du segment osseux, créer l’implant de reconstruction spécifique au patient. Dans le menu Courbes, utilisez l’option Courbe de dessin et créez une forme externe continue de l’implant souhaité.
- À ce stade, dupliquer le segment osseux car il sera nécessaire d’effectuer une fonction booléenne pour séparer l’implant construit. Ceci est effectué dans la fenêtre de liste d’objets en cliquant avec le bouton droit sur le segment et en appuyant sur l’option Duplicate.
- Travailler dans le nouveau segment dupliqué. Dans le menu Argile détaillée, utilisez l’option Emboss With Curve pour créer le volume de l’implant de reconstruction. Choisissez la forme externe de l’implant esquissé, puis placez le curseur en forme de cercle à l’intérieur de l’implant esquissé, à la surface de l’os. Notez que le relief fonctionnera vers l’extérieur ou à l’intérieur de l’os, selon le placement du curseur. Ensuite, choisissez les paramètres souhaités - le plus important, l’option de distance qui contrôle l’épaisseur de l’implant.
- Séparez l’implant du segment osseux. Dans la liste d’objets, choisissez l’objet précédemment dupliqué à partir de l’étape 2.7, cliquez avec le bouton droit et sélectionnez Boolean → Remove From. Ensuite, choisissez l’objet contenant l’implant créé.
- Dans le cas où des trous pour la fixation de vis ou pour permettre l’angiogenèse sont nécessaires, sélectionnez Planes Catégorie → Créer un plan pour créer un plan parallèle dans lequel les trous pour la plaque sont conçus. À l’aide d’une manipulation manuelle, placez les plans dans un parallélisme maximal à l’implant. Dans le menu Croquis, choisissez un cercle et créez des cercles dans la taille et la position souhaitées. Un deuxième cercle plus grand peut être créé, qui servira de contre-ink pour la tête de la vis intendante.
- Dans le menu Courbes, utilisez l’option Croquis de projet et choisissez les croquis désignés pour être transférés du plan à l’implant.
- Pour générer le contre-ink pour les vis, Dans le menu Argile de détail, utilisez l’option Emboss With Curve. Choisissez les cercles extérieurs de l’esquisse, placez le curseur en forme de cercle à l’intérieur de la zone circulaire marquée sur la surface et entrez dans la distance qui contrôle les profondeurs du contre-ink (p. ex., 0,3 mm). Pour terminer le processus, appuyez sur Appliquer et Baisser pour s’assurer que le relief est effectué d’une manière soustraction et non pas un additif.
- Pour compléter les trous, dans le menu Surfaces subD, utilisez l’option SousD wire cut pour créer des tiges perpendiculaires à l’implant en fonction des petits cercles créés à l’étape 2.10.
- Pour créer les trous à l’aide des tiges, utilisez Boolean > Remove From comme à l’étape 2.9. Choisissez une tige après l’autre, cliquez avec le bouton droit dans la liste des objets → Boolean → Supprimer de → Implant créé.
REMARQUE : Alternativement, les vis désirées peuvent être créées/numérisées et la fonction booléenne peut être utilisée pour créer les trous désirés. - Pour créer un maillage dans l’implant (permettant l’angiogenèse par exemple), d’abord générer un croquis (en utilisant l’option courbe) du maillage planifié comme à l’étape 2.6.
- Dans le menu Argile détaillée, utilisez l’option Emboss avec image enveloppée. Choisissez une image selon laquelle le maillage sera créé (il y a plusieurs modèles qui viennent avec le programme). Les parties blanches de l’image seront soustraites dans le maillage, et les parties noires seront épargnées.
- À l’aide d’un contrôle manuel, ajuster la direction et la taille de la conception. Définissez la distance qui représente l’épaisseur des trous générés et appuyez sur Appliquer. L’implant spécifique au patient est prêt pour la production.
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Representative Results
Un patient féminin de 40 ans avec une plaque cassée, de stock fourni, de fixation de reconstruction d’une blessure précédente et une rupture non-union dans le corps gauche de sa mâchoire inférieure présentée au département. L’imagerie montre la plaque de fixation cassée et le segment gauche mal positionné de la mâchoire inférieure (figure 1). À l’aide d’un logiciel de segmentation, la segmentation de la mâchoire inférieure a été effectuée séparant la plaque de fixation cassée (Figure supplémentaire 1 et figure supplémentaire 2). À l’aide d’un logiciel de conception 3D, le segment gauche de la mandibule a été repositionné à la position anatomique correcte (figure supplémentaire 3 et figure supplémentaire 4). La mise en miroir du côté sain droit a été effectuée pour permettre une reconstruction appropriée de l’os manquant (Figure supplémentaire 5). L’implant spécifique au patient a été conçu, y compris des trous pour les vis de fixation (Figures supplémentaires 6, 7 et 8). Un maillage a été conçu pour permettre un placement supplémentaire de greffe osseuse selon le contour approprié de la mâchoire, basé sur le côté sain, permettant également une angiogenèse supérieure à travers les trous dans la maille (Figure supplémentaire 9).
L’implant a été envoyé pour impression à partir de titane à l’aide de la technologie sélective de frittage laser. Les résultats postopératoires peuvent être observés à la figure 2. Remarquez la continuité de la mâchoire inférieure et la position verticale correcte du segment inférieur de la mâchoire gauche par rapport à la situation préopératoire comme l’observe la figure 1. Remarquez également la symétrie dans le contour osseux qui a été reconstruit en utilisant l’implant spécifique du patient comme contour externe et une greffe d’os de crête iliaque pour remplir les vides.
Figure 1 : Imagerie pré-opération d’un patient de 40 ans avec une plaque de reconstruction cassée et une rupture non-union de la mâchoire inférieure gauche. (A) Image panoramique, remarquez la plaque de fixation cassée et la position supérieure du segment mandibulaire gauche par rapport à la droite. (B) Sur la gauche, une image céphalométrique postérieure-antérieure et sur la droite une vue avant d’une reconstruction 3D de l’image de tomographie calculée du patient. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Imaginer postopératoirement. (A) Image panoramique; remarquez la continuité de la mâchoire inférieure, par rapport à la position supérieure du segment mandibulaire gauche observée à la figure 1. (B) Sur la gauche, une image céphalométrique postérieure-antérieure peut être observée. Sur la droite, une vue avant de la reconstruction 3D à partir d’une image de tomographie calculée peut être observée. Remarquez la continuité de l’os après le repositionnement du segment gauche et le remplissage des vides avec une greffe d’os de crête iliaque. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 1 : Logiciel de segmentation. Une vue de l’espace de travail et du processus de segmentation osseuse. Sur la gauche est la reconstruction 3D de l’image de tomographie calculée. Sur la droite sont les différentes vues qui permettent de parcourir les différentes sections. Les cercles jaunes sont les marqueurs « » pour l’enlèvement de la pièce marquée et les marqueurs orange sont les marqueurs « » pour la région d’intérêt. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 2 : Processus de segmentation. Après la segmentation de la mâchoire inférieure. La plaque de reconstruction cassée précédente a été retirée de la région d’intérêt. Ce segment est exporté sous forme de fichier stl 3D. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 3 : logiciel de conception 3D. Les fichiers 3D stl ont été exportés à partir d’un logiciel de segmentation et importés dans un logiciel de conception 3D. (A) L’espace de travail. (B) Les os du visage 3D importés. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 4 : Segmentation et repositionnement supplémentaires. (A) Segmentation de la mâchoire inférieure en deux morceaux différents. (B) La plus petite partie de la mâchoire inférieure a été repositionnée à sa position anatomique correcte. La charnière du mouvement a été fixée à la condyle mandibulaire gauche. Les configurations de pré et de post-mouvement peuvent être observées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 5 : Fonction miroir du côté sain. (A) Définition du plan sagittal moyen pour la miroir. (B) Fusion de la partie en miroir (qui permet une reconstruction appropriée de la bordure inférieure de la mâchoire) avec le segment restant dans le patient et le remplissage des vides. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 6 : Création de l’implant spécifique au patient. (A) Création de la forme externe de l’implant à l’aide de la fonction courbe. (B) Création de l’épaisseur de la plaque. Ceci est créé sur la mandibule reconstruite suivant la technique de miroir. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 7 : Séparation de la plaque et trous de planification. (A) Suite à la séparation de l’implant spécifique du patient en utilisant la fonction booléenne. (B) Création de trous pour les vis et les contre-rides à l’aide d’un plan perpendiculaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 8 : Préparation des trous et des contre-dissipations. (A) Suite à la préparation du contre-sink à l’aide de la fonction de gaufrage. (B) Sur la gauche, les tiges créées pour la préparation des trous peuvent être observées. Sur la droite est l’implant avec des trous suite à la soustraction des tiges de l’implant en utilisant la fonction booléenne. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 9 : Préparation d’un maillage. (A) Préparation de maille utilisant la fonction Emboss avec l’image enveloppée. (B) Vues gauche et inférieure de l’implant spécifique final de patient sur la mâchoire inférieure existante suivant le repositionnement. Notez que l’implant guidera le chirurgien pour le repositionnement correct pendant la chirurgie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Avec l’utilisation constante des ordinateurs pour la planification virtuelle des procédures chirurgicales, la combinaison avec une autre technologie en développement, l’impression 3D, a conduit à une toute nouvelle ère de traitement chirurgical. La précision est l’objectif de ces technologies et les soins spécifiques aux patients, comme l’objectif futur, est présenté sous la forme de guides chirurgicaux et d’implants de reconstruction spécifiques aux patients. Nous discutons des guides chirurgicaux dans le cadre d’un protocole futur différent. Dans le protocole actuel, nous discutons de la segmentation des images DICOM en fichiers stl 3D qui peuvent être imprimés en 3D comme un modèle. Nous discutons également de la planification virtuelle 3D d’un implant spécifique au patient. L’utilisation de diverses fonctions pour aider à la reconstruction de fragments osseux manquants ou déplacés sont présentées. Le repositionnement d’un segment et la mise en miroir du côté sain sont de telles fonctions. La construction de l’implant à l’aide du contour prévu de l’os est détaillée. Des trous pour les vis de fixation et la conception d’un maillage ou d’un berceau pour le placement de greffe osseuse et permettant l’angiogenèse est montré. Rappelez-vous toujours que la conception est limitée dans la taille aux tissus mous disponibles pour la fermeture. Prévoyez une angiogenèse adéquate et utilisez de grands trous/mailles lorsque c’est possible à cette fin. Les implants spécifiques au patient ne subissent pas de manipulation physique pendant la chirurgie pour la compatibilité avec l’os restant, par opposition aux plaques de reconstruction régulières (qui les affaiblit). Ainsi, les plaques plus minces peuvent résister à des forces beaucoup plus grandes. Prenez en compte que si le processus de production de l’implant en titane imprimé en 3D comprend le lissage de l’aspect externe (pour éviter l’irritation des tissus mous), il enlève du matériel supplémentaire (environ 0,3 mm). Lors de la préparation des implants avec un berceau, il est crucial d’éviter les angles qui interfèrent avec le bon placement de l’implant sur l’os.
Cela dit, la planification et l’impression 3D des implants spécifiques aux patients sont déjà utilisées dans la pratique clinique, montrant des résultats positifs. Les limites de la méthode sont le coût et le besoin d’un ingénieur pour la planification, ce qui se traduit par des réunions web longues et des discussions au cours de la phase de planification.
Nous avons constaté que la planification interne de l’implant réduit considérablement les coûts et permet également l’utilisation d’entreprises locales pour imprimer l’implant. Avec le développement de la technologie, l’interface logicielle devient plus conviviale et permet au chirurgien de planifier ses propres interventions chirurgicales et implants spécifiques aux patients. Cela donne droit à de grands avantages, le chirurgien entre dans la salle d’opération avec l’implant qu’il a développé suite aux mouvements et aux procédures de reconstruction qu’il a prévus et donc il est conscient de chaque étape, et sait comment faire face à des développements inattendus pendant la chirurgie. Ce protocole est destiné à cette fin exacte, permettant au chirurgien de planifier ses propres chirurgies et de créer ses propres implants spécifiques au patient.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Aucun financement n’a été reçu pour ce travail.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| D2P (DICOM to Print) | 3D systems | Segmentation software to create 3D stl files | |
| Geomagic Freeform | 3D systems | Sculpted Engineering Design |
References
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