Summary
Denne protokollen beskriver bruken av 3D-planlegging og utskrift for gjenoppbygging av benete defekter. Vi bruker segmenteringsverktøy for å lage 3D-modeller etterfulgt av 3D-designprogramvare for å lage pasientspesifikke implantater for rekonstruksjonsformål som samtidig bidrar til ablativ kirurgi eller som en andre fase.
Abstract
Vi er midt i 3D-æraen i de fleste aspekter av livet, og spesielt i medisin. Den kirurgiske disiplinen er en av de store aktørene i det medisinske feltet ved hjelp av de stadig utviklende 3D-planleggings- og utskriftsfunksjonene. Dataassistert design (CAD) og dataassistert produksjon (CAM) brukes til å beskrive 3D-planlegging og produksjon av produktet. Planlegging og produksjon av 3D kirurgiske guider og rekonstruksjon implantater utføres nesten utelukkende av ingeniører. Etter hvert som teknologifremskritt og programvaregrensesnitt blir mer brukervennlige, reiser det et spørsmål om muligheten for å overføre planlegging og produksjon til klinikeren. Årsakene til et slikt skifte er klare: kirurgen har ideen om hva han ønsker å designe, og han vet også hva som er mulig og kan brukes i operasjonssalen. Det tillater ham å være forberedt på ethvert scenario / uventede resultater under operasjonen og tillater kirurgen å være kreativ og uttrykke sine nye ideer ved hjelp av CAD-programvaren. Formålet med denne metoden er å gi klinikere muligheten til å lage sine egne kirurgiske guider og rekonstruksjonsimplantater. I dette manuskriptet vil en detaljert protokoll gi en enkel metode for segmentering ved hjelp av segmenteringsprogramvare og implantatplanlegging ved hjelp av en 3D-designprogramvare. Etter segmentering og stl filproduksjon ved hjelp av segmentering programvare, klinikeren kan lage en enkel pasient spesifikk rekonstruksjon plate eller en mer kompleks plate med en vugge for bein graft posisjonering. Kirurgiske guider kan opprettes for nøyaktig reseksjon, hullforberedelse for riktig rekonstruksjon plate posisjonering eller for bein pode høsting og re-konturering. Et tilfelle av rekonstruksjon av underkjeven etter platebrudd og ikke-unionshelbredelse av en traume påført skade er detaljert.
Introduction
Personlig medisin utvikler seg raskt på mange medisinske områder1. Onkologiske personlig behandling er gjenstand for mye diskusjon og er dermed godt kjent for den generelle befolkningen. 3D-utskrift ble først introdusert av Charles Hull som viser 3D-utskrift av objekter ved hjelp av stereolitografi2. Siden da har ulike teknologier for 3D-utskrift utviklet. Metoden som brukes velges basert på formålet med enheten.
Det kirurgiske feltet omfavner raskt personlig medisin. Personlig behandling i det kirurgiske feltet krever virtuell planlegging ved hjelp av en dataassistert design (CAD) programvare. Den første fasen inkluderer alltid segmentering for å opprette en 3D stl-fil. Dataassistert produksjon (CAM) kalles produksjonsprosessen av 3D-designet del. Den første utnyttelsen av teknologien ble brukt i preoperativ modell utskrift for kirurgisk planlegging og mock kirurgi3,,4,5. Med utviklingen av teknologi, virtuell planlegging av operasjonene etterfulgt av planlegging og produksjon av kirurgiske guider for å bistå i operasjonen selv og pasientspesifikke rekonstruksjon implantater montert perfekt på beinet av pasienten ble mer populært6,7,8,9,10. Formålet med denne protokollen er å gi klinikere muligheten til å lage sine egne kirurgiske guider og rekonstruksjon pasientspesifikke implantater. Denne metoden er mer nøyaktig enn å bruke lagerplater fordi den passer perfekt og kan utformes basert på egenskapene til den spesifikke feilen. Det reduserer også avhengigheten av kirurgens erfaring og reduserer driftstiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne studien fulgte Helsingforserklæringen om medisinsk protokoll og etikk, og Institutional Ethical Review Board godkjente studien.
1. Segmentering ved hjelp av en segmenteringsprogramvare
MERK: Importprosessen for DICOM-filene krever retningen til de aksiale, koronale og sagittale flyene i popup-vinduet for å fullføre oppsettet.
- Velg Generelt-funksjonen på Bensegmentering-menyen. General Bruk markøren "-" for uønskede segmenter og "+" for interessesegmentet. Legg til markører på 3D-rekonstruert modell eller på de forskjellige tverrsnittene når du ruller og beveger deg gjennom skanningen.
- Velg Angi-knappen som viser segmenteringen. På dette tidspunktet, korrigere markeringene og legge til nye for bedre nøyaktighet. Trykk på Bruk for å opprette det nye segmentet. Flere segmenter kan opprettes på denne måten.
- Etter at segmenteringen er fullført, eksporterer du filene som stl 3D-filer for 3D-utskrift eller planlegging av 3D-rekonstruksjonsimplantater i 3D-design CAD-programmer.
2. Designe rekonstruksjonsimplantater ved hjelp av 3D-designprogramvare
- Etter at du har forhåndsformet beinsegmenteringen ved hjelp av segmenteringsprogramvaren, importerer du stl-filene til 3D-designprogramvaren (se Tabell over materialer).
- Hvis ytterligere separasjon er nødvendig (f.eks. hvis en del er ment å flyttes separat), gjør du dette her. I Sculpt Clay-menyen bruker du barberingsverktøyet til å skille beinet i to deler. I menyen Velg/flytt leire velger du leire og merker delen du vil arbeide med. Deretter kopierer du denne delen og oppretter et nytt identisk objekt i objektlisten for å manipulere posisjonen som observert i neste fase.
- Utfør segmentbevegelse på dette stadiet. Kontroller at rotasjonsaksen er satt på den delen av beinet for å holde seg i samme posisjon. Velg Omplasser på nytt i menyen Velg/flytt leire, og angi rotasjonsaksen som planlagt.
- Siden den menneskelige skallen for det meste er symmetrisk, bruk den sunne siden for veiledning for å oppnå riktig posisjonering/utskifting av det manglende/mal-posisjonerte segmentet. Bruk en speilingsteknikk til å lage et speilbilde av den normale siden. I Construct Clay-menyen bruker du Mirror Clay-alternativet og setter flyet i midten av skallen.
- Basert på den speilede halvdelen, utfør segmentrotasjon om nødvendig og rekonstruere den avulsed benete delen ved hjelp av Legg Leire-verktøyet i Construct Clay-menyen. Denne rekonstruksjonen utføres for å bygge et pasientspesifikt rekonstruksjonsimplantat i de neste stadiene, noe som vil rekonstruere riktig ansiktskontur.
- Etter å ha rekonstruert benete segmentet, opprett det pasientspesifikke rekonstruksjonsimplantatet. I Kurver-menyen bruker du alternativet Trekkkurv og oppretter en kontinuerlig ytre form for det ønskede implantatet.
- På dette stadiet, duplisere benete segmentet som det vil være nødvendig å utføre en boolsk funksjon for å skille konstruert implantatet. Dette utføres i objektlistevinduet ved å høyreklikke segmentet og trykke på Alternativet Dupliser.
- Arbeid i det nye dupliserte segmentet. I Detaljleire-menyen bruker du Preging med kurve-alternativet for å skape volumet av rekonstruksjonsimplantatet. Velg den ytre formen av det skisserte implantatet, og plasser deretter den sirkelformede markøren inne i det skisserte implantatet, på overflaten av beinet. Vær oppmerksom på at pregingene vil fungere utover eller på innsiden av beinet, avhengig av plasseringen av markøren. Deretter velger du de ønskede parametrene - viktigst av alt, avstandsalternativet som styrer tykkelsen på implantatet.
- Skill implantatet fra benete segmentet. Velg det tidligere dupliserte objektet fra trinn 2.7 i objektlisten, høyreklikk og velg Boolsk → Fjern fra. Velg deretter objektet som inneholder det opprettede implantatet.
- Hvis det kreves hull for skruefiksering eller for å tillate angiogenese, velger du Plankategori → Opprett plan for å lage et parallelt plan der hullene for platen er utformet. Bruk manuell manipulering til å plassere flyene i maksimal parallellisme til implantatet. Velg Sketch en sirkel på Skisse-menyen, og opprett sirkler i ønsket størrelse og posisjon. En annen større sirkel kan opprettes, som vil tjene som motsink for hodet av den tiltenkte skruen.
- I Kurver-menyen bruker du Project Sketch-alternativet og velger skissene som er angitt for å bli overført fra flyet til implantatet.
- For å generere telleren for skruene, i Detalj Clay-menyen, bruk Emboss With Curve alternativet. Velg de ytre sirklene i skissen, plasser den sirkelformede markøren inne i det markerte sirkulære området på overflaten og angi avstanden som styrer dypet av telleren (f.eks. 0,3 mm). For å fullføre prosessen, trykk Påfør og senk for å sikre at pregingene utføres på en subtraksjon måte og ikke et additiv en.
- For å fullføre hullene, i SubD Surfaces-menyen, bruk alternativet Wire Cut SubD til å opprette stenger vinkelrett på implantatet basert på de små sirklene som ble opprettet i trinn 2.10.
- Hvis du vil opprette hullene ved hjelp av stengene, bruker du boolsk > Fjern fra som i trinn 2.9. Velg den ene stangen etter den andre, høyreklikk i objektlisten → Boolsk → Fjern fra → Opprettet implantat.
MERK: Alternativt kan de ønskede skruene opprettes/skannes, og den boolske funksjonen kan brukes til å lage de ønskede hullene. - For å lage et nett i implantatet (slik at for eksempel angiogenese) først genererer en skisse (ved hjelp av kurvealternativet) av det planlagte nettet som i trinn 2.6.
- I Detaljleire-menyen bruker du alternativet Emboss med innpakket bilde. Velg et bilde i henhold til hvilket nettet vil bli opprettet (det er flere maler som følger med programmet). De hvite delene av bildet trekkes fra i nettet, og de svarte delene vil bli spart.
- Bruk manuell kontroll til å justere retningen og størrelsen på designen. Angi avstanden som representerer tykkelsen på hullene som genereres, og trykk på Bruk. Det pasientspesifikke implantatet er klart for produksjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En 40 år gammel kvinnelig pasient med en ødelagt, lager levert, rekonstruksjon fiksering plate fra en tidligere skade og en ikke-union brudd i venstre kropp av underkjeven presentert for avdelingen. Bildebehandling viser den ødelagte fikseringsplaten og det malplasserte venstre segmentet i underkjeven (Figur 1). Ved hjelp av segmenteringsprogramvare ble segmentering av underkjeven utført som skiller den ødelagte fikseringsplaten (Ekstra figur 1 og tilleggsfigur 2). Ved hjelp av 3D design programvare, venstre segmentet av mandible ble flyttet til riktig anatomisk posisjon (Supplerende figur 3 og supplerende figur 4). Speiling av høyre sunn side ble utført for å tillate riktig rekonstruksjon av det manglende beinet (Supplerende figur 5). Det pasientspesifikke implantatet ble designet, inkludert hull for fikseringsskruer (tilleggstall 6, 7 og 8). Et nett ble designet for å tillate ekstra bentransplantatplassering i henhold til riktig kontur av kjeven, basert på den sunne siden, og muliggjør også overlegen angiogenese gjennom hullene i nettet (Ekstra figur 9).
Implantatet ble sendt for utskrift fra titan ved hjelp av selektiv lasersintringteknologi. Postoperative resultater kan observeres i figur 2. Legg merke til kontinuiteten i underkjeven og riktig vertikal posisjon i venstre underkjevesegment sammenlignet med situasjonen preoperativt som observert i figur 1. Legg også merke til symmetrien i benete konturen som ble rekonstruert ved hjelp av det pasientspesifikke implantatet som den ytre konturen og en iliac crest beingraft for å fylle tomrommene.
Figur 1: Pre-operasjon avbildning av en 40 år gammel pasient med en ødelagt rekonstruksjon plate og ikke-union brudd i venstre underkjeve. (A)Panoramabilde, legg merke til den ødelagte fikseringsplaten og den øvre posisjonen til venstre mandibulære segment i forhold til høyre. (B)Til venstre, et bakre-fremre cephalometrisk bilde og til høyre en frontvisning av en 3D rekonstruksjon fra pasientens computertomografi bilde. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Postoperativ innbilning. (A)Panoramabilde; kontinuiteten i underkjeven, sammenlignet med den øvre posisjonen til venstre mandibulære segment observert i figur 1. (B)Til venstre kan et bakre-fremre cephalometrisk bilde observeres. Til høyre kan en frontvisning av 3D-rekonstruksjonen fra et computertomografibilde observeres. Legg merke til kontinuiteten i beinet etter reposisjonering av venstre segment og fylle tomrommene med en iliac crest bein graft. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggsgruppe 1: Segmenteringsprogramvare. En visning av arbeidsområdet og beinsegmenteringsprosessen. Til venstre er 3D-rekonstruksjonen av det beregnede tomografibildet. Til høyre er de forskjellige visningene som tillater surfing gjennom de forskjellige delene. De gule sirklene er "-" markørene for fjerning av merket stykke og de oransje er "+" markører for interesseområdet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggstall 2: Segmenteringsprosess. Etter segmenteringen av underkjeven. Den forrige ødelagte rekonstruksjonsplaten ble fjernet fra interesseområdet. Dette segmentet eksporteres som en 3D stl-fil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggsfigur 3: 3D-designprogramvare. 3D stl filene ble eksportert fra en segmentering programvare og importert til 3D design programvare. Arbeidsområdet. (B)De importerte 3D ansiktsbeinene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggstall 4: Ytterligere segmentering og reposisjonering. (A)Segmentering av underkjeven i to forskjellige stykker. (B) Den mindre delen av underkjeven ble flyttet til riktig anatomisk stilling. Hengslet av bevegelsen ble satt til venstre mandibular condyle. Både oppsettene for for forhånds- og postbevegelser kan observeres. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ekstra figur 5: Speilingsfunksjon på den sunne siden. (A)Definere mid sagittal flyet for speiling. (B) Slå sammen den speilede delen (som muliggjør riktig rekonstruksjon av den nedre kanten av kjeven) med det gjenværende segmentet i pasienten og fylling av hulrom. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggstall 6: Opprette det pasientspesifikke implantatet. (A) Opprette den ytre formen på implantatet ved hjelp av kurvefunksjonen. (B) Opprette tykkelsen på platen. Dette er opprettet på den rekonstruerte mandible etter speilingsteknikken. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tilleggsinfo 7: Separasjon av platen og planleggingshull. (A)Etter separasjon av det pasientspesifikke implantatet ved hjelp av boolsk funksjon. (B) Lage hull for skruene og telleren ved hjelp av et vinkelrett plan. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ekstra figur 8: Hull og motsink forberedelse. (A)Etter forberedelse av forsenking ved hjelp av embossfunksjonen. (B) Til venstre kan stengene som er opprettet for hullforberedelse observeres. Til høyre er implantatet med hull etter subtraksjon av stengene fra implantatet ved hjelp av boolsk funksjon. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ekstra figur 9: Klargjøre et nett. (A)Mesh forberedelse ved hjelp av Emboss med Innpakket Bilde funksjon. (B) Venstre og nedre visning av det endelige pasientspesifikke implantatet på den eksisterende underkjeven etter reposisjonering. Legg merke til at implantatet vil veilede kirurgen for riktig reposisjonering under operasjonen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Med konstant utvikling av datamaskiner for virtuell planlegging av kirurgiske prosedyrer, førte kombinasjonen med en annen utviklende teknologi, 3D-utskrift, til en helt ny æra av kirurgisk behandling. Nøyaktighet er målet med disse teknologiene og pasientspesifikk omsorg, som det fremtidige målet, presenteres i form av kirurgiske guider og pasientspesifikke rekonstruksjonsimplantater. Vi diskuterer kirurgiske guider som en del av en annen fremtidig protokoll. I den gjeldende protokollen diskuterer vi segmenteringen av DICOM-bilder i 3D stl-filer som kan skrives ut som modell. Vi diskuterer også 3D virtuell planlegging av et pasientspifikt implantat. Bruk av ulike funksjoner for å hjelpe til med gjenoppbyggingen av manglende eller fordrevne benfragmenter presenteres. Re-posisjonering av et segment og speiling av den sunne siden er slike funksjoner. Byggingen av implantatet ved hjelp av den planlagte konturen av beinet er detaljert. Hull for festeskruer og design av et nett eller en vugge for plassering av beintransplantat og aktivering av angiogenese vises. Husk alltid at designet er begrenset i størrelse til tilgjengelig bløtvev for lukking. Tillat riktig angiogenese og bruk store hull/nett når det er mulig for dette formålet. Pasientspesifikke implantater gjennomgår ikke fysisk manipulasjon under operasjonen for kompatibilitet til det gjenværende beinet, i motsetning til vanlige rekonstruksjonsplater (som svekker dem). Dermed kan tynnere plater tåle mye større krefter. Ta hensyn til at hvis produksjonsprosessen av 3D trykt titan implantat inkluderer utjevning av det ytre aspektet (for å unngå bløtvev irritasjon), fjerner det ekstra materiale (ca. 0,3 mm). Når du forbereder implantater med en vugge, er det avgjørende å unngå vinkler som forstyrrer riktig plassering av implantatet på beinet.
Med det sagt, 3D planlegging og utskrift av pasientspesifikke implantater er allerede brukt i klinisk praksis, viser positive resultater. Begrensningene i metoden er kostnadene og behovet for en ingeniør for planleggingen, noe som resulterer i tidkrevende webmøter og diskusjoner i planleggingsfasen.
Vi fant at intern planlegging av implantatet reduserer kostnadene dramatisk og gjør det også mulig for bruk av lokale selskaper å skrive ut implantatet. Med utviklingen av teknologi blir programvaregrensesnittet mer brukervennlig og gjør det mulig for kirurgen å planlegge sine egne kirurgiske prosedyrer og pasientspesifikke implantater. Dette gir store fordeler, kirurgen går inn i operasjonssalen med implantatet han utviklet etter bevegelser og rekonstruksjonsprosedyrer han planla, og dermed er han klar over hvert trinn, og vet hvordan man skal håndtere uventede utviklinger under operasjonen. Denne protokollen er ment for dette eksakte formålet, slik at kirurgen kan planlegge sine egne operasjoner og lage sine egne pasientspesifikke implantater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Det ble ikke mottatt midler til dette arbeidet.
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).
