Summary
이 프로토콜은 뼈 결함의 재건을 위한 3D 계획 및 인쇄의 사용을 설명합니다. 당사는 세분화 도구를 사용하여 3D 모델을 만든 다음 3D 설계 소프트웨어를 사용하여 복종 수술또는 제2단계와 수반되는 재건 목적으로 환자 특정 임플란트를 만듭니다.
Abstract
우리는 삶의 대부분의 측면, 특히 의학에서 3D 시대의 한가운데에 있습니다. 외과 훈련은 지속적으로 개발 3D 계획 및 인쇄 기능을 사용하여 의료 분야의 주요 선수 중 하나입니다. 컴퓨터 지원 설계(CAD) 및 컴퓨터 보조 제조(CAM)는 제품의 3D 계획 및 제조를 설명하는 데 사용됩니다. 3D 수술 가이드및 재건 임플란트의 계획 및 제조는 엔지니어에 의해 거의 독점적으로 수행됩니다. 기술 발전과 소프트웨어 인터페이스가 사용자 친화적으로 발전함에 따라 계획 및 제조를 임상의에게 이전할 가능성에 대한 의문이 제기됩니다. 이러한 변화에 대한 이유는 분명하다 : 외과 의사는 그가 설계하고자하는 것을 생각하고, 그는 또한 가능한 것을 알고 수술실에서 사용할 수 있습니다. 수술 중 시나리오/예기치 않은 결과에 대비할 수 있으며 외과 의사가 창의적이고 CAD 소프트웨어를 사용하여 새로운 아이디어를 표현할 수 있습니다. 이 방법의 목적은 임상의에게 자신의 수술 가이드와 재건 임플란트를 만들 수있는 능력을 제공하는 것입니다. 이 원고에서는 상세한 프로토콜이 3D 설계 소프트웨어를 사용하여 세분화 소프트웨어 및 임플란트 계획을 사용하여 세분화하는 간단한 방법을 제공합니다. 세분화 소프트웨어를 사용하여 세분화 및 stl 파일 생산에 따라 임상의는 뼈 이식 위치 지정을위한 요람이있는 간단한 환자 특정 재구성 플레이트 또는 보다 복잡한 플레이트를 만들 수 있습니다. 수술 가이드는 정확한 절제술, 적절한 재건 플레이트 포지셔닝을위한 구멍 준비 또는 뼈 이식 수확 및 재 윤곽을 위해 만들 수 있습니다. 플레이트 골절 과 외상 의 비 조합 치유 에 따라 하부 턱 재건의 경우 지속적인 부상.
Introduction
개인화된 약은 많은 분야에서 빠르게 발전하고 있습니다1. 종양학적 개인화 된 치료는 많은 논의의 주제이며, 따라서 일반 인구에 잘 알려져있다. 3D 프린팅은 찰스 헐이 스테레오리소그래피2를사용하여 물체의 3D 프린팅을 보여주는 처음 도입되었습니다. 그 이후로 3D 프린팅에 대한 다양한 기술이 개발되었습니다. 사용되는 방법은 장치의 목적에 따라 선택됩니다.
수술 분야는 빠르게 개인화 된 약을 포용하고 있습니다. 수술 분야에서 개인화 된 치료는 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용하여 가상 계획이 필요합니다. 첫 번째 단계에서는 항상 3D stl 파일을 만드는 세분화가 포함됩니다. 컴퓨터 보조 제조(CAM)는 3D 설계 부품의 제조 공정이라고 합니다. 기술의 첫 번째 활용은 수술 계획 및 모의,수술3,4,45를위한 수술 전 모형 인쇄에 사용되었다. 기술의 발달과 함께 수술자체와 환자의 뼈에 완벽하게 장착된 환자 특이적 재건 임플란트를 지원하기 위해 수술 가이드의 계획 및 제조에 이어수술의가상 계획이6,7,,8,,9,,10으로인기를 끌었다. 이 프로토콜의 목적은 임상의에게 자신의 수술 가이드를 만들고 환자 특정 임플란트를 재건 할 수있는 능력을 제공하는 것입니다. 이 방법은 스톡 플레이트를 사용하는 것보다 더 정확하며, 이는 완벽하게 맞으며 특정 결함의 특성에 따라 설계될 수 있기 때문입니다. 또한 외과 의사의 경험에 대한 의존도를 줄이고 수술 시간을 줄입니다.
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Protocol
이 연구는 의료 프로토콜과 윤리에 헬싱키의 선언을 따라 기관 윤리 검토 위원회는 연구를 승인했다.
1. 세분화 소프트웨어를 사용하여 세분화
참고: DICOM 파일의 가져오기 프로세스는 팝업 창에서 축, 관상 및 처진 평면의 방향이 필요하므로 설정을 완료합니다.
- 골격 세분화 메뉴에서 일반 피쳐를 선택합니다. 관심 세그먼트에 대해"-" 및"+"라는마커를 사용합니다. 스캔 을 통해 스크롤및 이동할 때 3D 재구성 모델 이나 다른 단면에 마커를 추가 합니다.
- 세분화를 보여 주는 설정 단추를 선택합니다. 이 시점에서 표시를 수정하고 더 나은 정확도를 위해 새 표시를 추가합니다. 적용을 눌러 새 세그먼트를 만듭니다. 이렇게 여러 세그먼트를 만들 수 있습니다.
- 세분화가 완료되면 파일을 3D 프린팅을 위한 stl 3D 파일로 내보내거나 3D 설계 CAD 프로그램에서 3D 재구성 임플란트를 계획합니다.
2. 3D 설계 소프트웨어를 사용하여 재건 임플란트 설계
- 세분화 소프트웨어를 사용하여 골격 세분화를 미리 입력한 후 스트랄 파일을 3D 설계 소프트웨어로 가져옵니다(재료 표참조).
- 추가 분리가 필요한 경우(예: 한 부품을 별도로 이동하려는 경우). 조각 점토 메뉴에서 면도 도구를 사용하여 골격을 두 부분으로 분리합니다. 클레이 선택/이동 메뉴에서 점토를 선택하고 작업할 부품을 표시합니다. 그런 다음 다음 단계에서 관찰된 위치를 조작하기 위해 이 부분을 복사하고 개체 목록에서 새 동일한 개체를 만듭니다.
- 이 단계에서 세그먼트 이동을 수행합니다. 회전 축이 골격 부분에 설정되어 동일한 위치에 있어야 하는지 확인합니다. 클레이 선택/이동 메뉴에서 재배치를 선택하고 회전 축을 계획대로 설정합니다.
- 인간의 두개골은 대부분 대칭이기 때문에, 누락 / 말 위치 세그먼트의 올바른 위치 / 교체를 얻기 위해 지침을 위해 건강한 면을 사용합니다. 미러링 기술을 사용하여 일반 면의 미러링 이미지를 만듭니다. 구조 점토 메뉴에서 미러 클레이 옵션을 사용하여 비행기를 두개골 중앙에 놓습니다.
- 미러하프를 기준으로 필요한 경우 세그먼트 회전을 수행하고 구조 점토 메뉴의 클레이 추가 도구를 사용하여 avulsed 뼈 부분을 재구성합니다. 이 재건은 올바른 안면 윤곽을 재구성할 다음 단계에서 환자 특정 재건 임플란트를 구축하기 위해 수행됩니다.
- 뼈 세그먼트를 재구성 한 후 환자 특정 재건 임플란트를 만듭니다. 곡선 메뉴에서 그리기 곡선 옵션을 사용하여 원하는 임플란트의 연속 외부 모양을 만듭니다.
- 이 단계에서, 분간 세그먼트를 복제하여 분란을 분리하기 위해 부울 기능을 수행해야 합니다. 이 작업을 개체 목록 창에서 세그먼트를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 중복 옵션을 눌러 수행됩니다.
- 중복된 새 세그먼트에서 작업합니다. 세부 점토 메뉴에서 엠보스 커브 옵션을 사용하여 재구성 임플란트의 볼륨을 만듭니다. 스케치된 임플란트의 바깥 쪽 형태를 선택한 다음, 스케치된 임플란트 내부에 원 모양의 커서를 뼈 표면에 놓습니다. 엠보그는 커서의 배치에 따라 골격의 바깥쪽 또는 안쪽에서 작동합니다. 그런 다음, 원하는 매개 변수를 선택 - 가장 중요한 것은, 임플란트의 두께를 제어하는 거리 옵션.
- 임플란트를 뼈 세그먼트에서 분리합니다. 개체 목록에서 2.7단계에서 이전에 중복된 개체를 선택하고 마우스 오른쪽 단추를 클릭하고 부울을 선택합니다 → 에서 제거합니다. 그런 다음 생성된 임플란트를 포함하는 물체를 선택합니다.
- 나사 고정 또는 혈관 신생을 허용하는 구멍이 필요한 경우, 비행기 범주를 선택 → 플레이트의 구멍이 설계된 병렬 평면을 만들 수있는 평면을 만듭니다. 수동 조작을 사용하여 비행기를 임플란트에 최대 병렬로 배치합니다. 스케치 메뉴에서 원을 선택하고 원하는 크기와 위치에 원을 만듭니다. 두 번째 더 큰 원을 만들 수 있으며, 이는 의도한 나사의 헤드의 카운터싱크 역할을 합니다.
- 곡선 메뉴에서 프로젝트 스케치 옵션을 사용하여 평면에서 임플란트로 전송하도록 지정된 스케치를 선택합니다.
- 나사에 대한 카운터싱크를 생성하려면 세부 점토 메뉴에서 곡선이 있는 엠보스 옵션을 사용합니다. 스케치의 외부 원을 선택하고, 원형 모양의 커서를 표면에 표시된 원형 영역 내부에 놓고 카운터싱크의 깊이(예: 0.3 mm)를 제어하는 거리에 들어갑니다. 프로세스를 완료하려면 적용 및 아래쪽을 눌러 부보스가 첨가제가 아닌 빼기 방식으로 수행되는지 확인합니다.
- 구멍을 완료하려면 SubD Surfaces 메뉴에서 와이어 컷 SubD 옵션을 사용하여 2.10 단계에서 생성된 작은 원을 기반으로 임플란트에 수직으로 막대를 만듭니다.
- 막대를 사용하여 구멍을 만들려면 Boolean > 2.9 단계에서와 같이 제거하십시오. 다른 한 로드를 선택하고, 객체 목록에서 마우스 오른쪽 클릭 → 부울 → 에서 제거 → 생성 된 임플란트.
참고: 또는 원하는 나사를 생성/스캔할 수 있으며 부울 함수를 사용하여 원하는 구멍을 만들 수 있습니다. - 임플란트에서 메시를 만들려면(예를 들어 혈관 신생을 허용) 먼저 2.6 단계에서와 같이 계획된 메시의 스케치(곡선 옵션을 사용하여)를 생성한다.
- 세부 점토 메뉴에서 래핑된 이미지 옵션이 있는 엠보를 사용합니다. 메시가 생성될 이미지에 따라 이미지를 선택합니다(프로그램과 함께 제공되는 여러 템플릿이 있음). 이미지의 흰색 부분은 메시에 구하되고 검은색 부품이 절약됩니다.
- 수동 컨트롤을 사용하여 설계의 방향과 크기를 조정합니다. 생성된 구멍의 두께를 나타내는 거리를 설정하고 적용을누릅니다. 환자 특정 임플란트는 생산 준비가 되어 있습니다.
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Representative Results
부러진, 재고 공급, 이전 부상에서 재건 고정 플레이트와 부서에 제시 그녀의 아래턱의 왼쪽 몸에 비 조합 골절을 가진 40 세 여성 환자. 이미징은 부러진 고정 플레이트와 아래턱의 왼쪽 세그먼트를나타낸다(도 1). 세분화 소프트웨어를 사용하여, 하부 턱의 분할은 깨진 고정 플레이트(보충 도 1 및 보충 도 2)를분리 수행하였다. 3D 설계 소프트웨어를 사용하여, 하악의 왼쪽 세그먼트는 올바른 해부학 적 위치(보충 도 3 및 보충 도 4)로재배치되었다. 오른쪽 건강한 면의 미러링은 누락된 뼈의 적절한 재건을 가능하게하였다(보충도 5). 환자 특이적 임플란트는 고정 나사구멍을 포함한설계되었다(보충 수치 6, 7, 8). 메쉬는 건강한 측면을 기반으로 턱의 적절한 윤곽에 따라 추가골 이식 배치를 허용하도록 설계되었으며, 메쉬의 구멍을 통해 우수한 혈관 신생을 가능하게한다(보충도 9).
임플란트는 선택적 레이저 소결 기술을 사용하여 티타늄에서 인쇄를 위해 보내졌습니다. 수술 후 결과는 도 2에서관찰될 수 있다. 도 1에서관찰된 바와 같이 수술 전 상황에 비해 하부 턱의 연속성과 왼쪽 아래턱 세그먼트의 올바른 수직 위치가 확인된다. 또한 환자 특정 임플란트를 사용하여 개립된 뼈 윤곽의 대칭을 외부 윤곽으로, 공극을 채우기 위한 장악 문장 뼈 이식편을 주목한다.
그림 1: 왼쪽 아래턱의 부러진 재건 판 및 비 조합 골절을 가진 40 세 환자의 사전 수술 이미징. (A)파노라마 이미지는 오른쪽에 비해 왼쪽 하악 세그먼트의 깨진 고정 플레이트 및 상부 위치를 알 수 있습니다. (B)왼쪽에는 후방 전방 두개골 이미지와 오른쪽에 환자의 계산된 단층 촬영 이미지에서 3D 재구성의 전면 뷰가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 수술 후 상상력. (A)파노라마 이미지; 도 1에서관찰된 왼쪽 하악 세그먼트의 상부 위치와 비교하여 하부 턱의 연속성을 알 수 있다. (B)왼쪽에는 후방 전방 세족 이미지를 관찰할 수 있다. 오른쪽에서는 계산된 단층 촬영 이미지에서 3D 재구성의 전면보기를 관찰할 수 있습니다. 왼쪽 세그먼트의 위치를 조정하고 빈공간을 장강 문장 뼈 이식으로 채우는 후 뼈의 연속성을 확인합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 그림 1: 세분화 소프트웨어. 작업 영역 및 골격 세분화 프로세스의 뷰입니다. 왼쪽에는 계산된 단층 촬영 이미지의 3D 재구성이 있습니다. 오른쪽에는 다른 섹션을 탐색 할 수있는 다른 보기가 있습니다. 노란색 원은 표시된 조각을 제거하기위한 "-"마커이며 주황색 은 관심 영역에 대한 "+"마커입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 그림 2: 세분화 프로세스. 아래턱의 분할에 따라. 이전의 깨진 재건 판은 관심 지역에서 제거되었습니다. 이 세그먼트는 3D stl 파일로 내보입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 그림 3: 3D 설계 소프트웨어. 3D stl 파일은 세분화 소프트웨어에서 내보내져 3D 설계 소프트웨어로 가져왔습니다. (A)작업 영역. (B)수입 된 3D 얼굴 뼈. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
추가 도 4: 추가 세분화 및 재배치. (A)아래턱을 두 개의 다른 조각으로 세분화합니다. (B)아래턱의 작은 부분은 올바른 해부학적 위치로 재배치되었다. 움직임의 경첩은 왼쪽 하악 영으로 설정되었습니다. 사전 및 포스트 이동 설정을 모두 관찰할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 5: 건강한 면의 미러링 기능. (A)미러링에 대한 중간 처질 평면을 정의합니다. (B)미러부품(턱의 하부 테두리의 적절한 재구성허용)을 환자의 나머지 세그먼트와 응고공으로 병합한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 6: 환자 특정 임플란트 만들기. (A)곡선 기능을 사용하여 임플란트의 외부 형상을 생성합니다. (B)플레이트의 두께를 생성합니다. 이것은 미러링 기술에 따라 재구성된 하악에 생성됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 7: 플레이트 분리 및 계획 구멍. (A)부울 기능을 이용하여 환자 특이임플란트의 분리에 따른다. (B)수직 평면을 사용하여 나사 및 카운터싱크에 대한 구멍을 만듭니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 8: 구멍 및 카운터싱크 준비. (A)엠보싱 기능을 사용하여 카운터싱크 준비를 합니다. (B)왼쪽에는 구멍 준비를 위해 만들어진 막대를 관찰할 수 있다. 오른쪽에는 부울 기능을 사용하여 임플란트에서 막대를 빼고 구멍이 있는 임플란트가 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 도 9: 메시 준비. (A)감싼 이미지 기능이 있는 엠보스를 사용하여 메쉬 준비. (B)재배치 후 기존 하부 턱상최종 환자 특이임플란트의 좌측 및 하부 뷰. 임플란트는 수술 중 올바른 재배치를 위해 외과 의사를 안내합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
수술 절차의 가상 계획에 대한 컴퓨터의 지속적인 개발 사용으로, 다른 개발 기술과 의 결합, 3D 프린팅, 외과 치료의 완전히 새로운 시대로 이어졌다. 정확도는 이러한 기술과 환자 특정 치료의 목표이며, 미래의 목표로 외과 가이드 및 환자 특정 재건 임플란트의 형태로 제시됩니다. 우리는 다른 미래 프로토콜의 일환으로 수술 가이드를 논의합니다. 현재 프로토콜에서는 DICOM 이미지를 모델로 인쇄할 수 있는 3D stl 파일로 세분화하는 데 대해 설명합니다. 우리는 또한 환자 특정 임플란트의 3D 가상 계획에 대해 논의합니다. 누락되거나 변위된 뼈 조각의 재건을 돕기 위해 다양한 기능을 사용합니다. 세그먼트의 재위치 및 건강한 측면의 미러링은 이러한 기능입니다. 뼈의 계획된 윤곽을 사용하여 임플란트의 건설이 상세하다. 고정 나사를 고정하고 골 접목 배치를 위한 메쉬 또는 요람을 설계하고 혈관 신생을 가능하게 하는 구멍이 표시됩니다. 항상 디자인이 폐쇄가능한 연조직으로 크기가 제한되어 있음을 기억하십시오. 적절한 혈관 신생을 허용하고이 목적을 위해 가능한 경우 큰 구멍 / 메쉬를 사용합니다. 환자 특정 임플란트는 일반 재건 플레이트 (약화)와 는 달리 나머지 뼈와의 호환성을 위해 수술 중에 물리적 조작을 겪지 않습니다. 따라서 얇은 플레이트는 훨씬 더 큰 힘을 견딜 수 있습니다. 3D 인쇄 티타늄 임플란트의 제조 공정이 외부 측면의 스무딩(연조직 자극을 피하기 위한) 스무딩을 포함하는 경우 추가 물질(약 0.3mm)을 제거합니다. 요람으로 임플란트를 준비할 때, 임플란트를 뼈에 적절히 배치하는 것을 방해하는 각도를 피하는 것이 중요합니다.
즉, 환자 특정 임플란트의 3D 계획 및 인쇄는 이미 임상 실습에 사용되어 긍정적 인 결과를 보여줍니다. 이 방법의 한계는 계획 엔지니어의 비용과 필요성이며, 계획 단계에서 시간이 많이 소요되는 웹 회의 및 토론을 초래합니다.
우리는 임플란트의 사내 계획이 비용을 크게 절감하고 또한 임플란트를 인쇄하는 지역 기업의 사용을 허용하는 것을 발견했다. 기술의 발달과 함께 소프트웨어 인터페이스는 사용자 친화적으로 변하며 외과 의사가 자신의 외과 수술 과 환자 특정 임플란트를 계획 할 수 있게합니다. 이것은 큰 이점을 받을 자격이, 외과 의사는 그가 계획한 운동과 재건 절차에 따라 개발 한 임플란트와 수술실에 들어가고, 따라서 그는 각 단계를 알고, 수술 중 예기치 않은 발전을 처리하는 방법을 알고있다. 이 프로토콜은 외과 의사가 자신의 수술을 계획하고 자신의 환자 특정 임플란트를 만들 수 있도록이 정확한 목적을 위한 것입니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 사업에 대한 자금은 받지 못했습니다.
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
- Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E. Personalized Medicine. Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. Hock, F., Gralinski, M. , Springer. (2019).
- Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents. , US4575330A (1986).
- Petzold, R., Zeilhofer, H. F., Kalender, W. Rapid prototyping technology in medicine--basics and applications. Computerized Medical Imaging and Graphics. 23 (5), 277-284 (1999).
- Schmauss, D., Gerber, N., Sodian, R. Three-dimensional printing of models for surgical planning in patients with primary cardiac tumors. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 145 (5), 1407-1408 (2013).
- Tam, M. D., Laycock, S. D., Bell, D., Chojnowski, A. 3-D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia. Journal of Radiology Case Reports. 6 (1), 31 (2012).
- Emodi, O., Shilo, D., Israel, Y., Rachmiel, A. Three-dimensional planning and printing of guides and templates for reconstruction of the mandibular ramus and condyle using autogenous costochondral grafts. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (1), 102-104 (2017).
- Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries. Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).
- Mazzoni, S., Bianchi, A., Schiariti, G., Badiali, G., Marchetti, C. Computer-aided design and computer-aided manufacturing cutting guides and customized titanium plates are useful in upper maxilla waferless repositioning. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 73 (4), 701-707 (2015).
- Rachmiel, A., Shilo, D., Blanc, O., Emodi, O. Reconstruction of complex mandibular defects using integrated dental custom-made titanium implants. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (4), 425-427 (2017).
- Xu, N., et al. Reconstruction of the upper cervical spine using a personalized 3D-printed vertebral body in an adolescent with Ewing sarcoma. Spine. 41 (1), E50-E54 (2016).
