Pianificazione 3D e stampa di impianti specifici per il paziente per la ricostruzione di difetti di bony
4 agosto 2020
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.
Questo protocollo consente il trattamento virtuale dei pazienti con difetti ossei e la creazione di nuove piastre chirurgiche di guida e fissazione. L'utilizzo di questo protocollo consente di creare e progettati virtualmente gli impianti in base a ciò che è fattibile per l'uso in sala operatoria con una precisione superiore e una durata del funzionamento ridotta. Gli impianti specifici per il paziente progettati con il nostro protocollo si basano su un'accurata imaging 3D che si traduce in impianti perfettamente adatti e consente il ripristino di anatomia, simmetria e funzione dei tessuti adeguati.
Questo protocollo consente agli utenti di progettare e stampare modelli o strutture complessi da materiali diversi e di esaminare diversi parametri come la loro forza o capacità di consentire la rigenerazione ossea. Sebbene questi programmi siano molto facili da usare, ci vuole tempo per padroneggiare il processo di progettazione assistito da computer. Pazienza e pratica aiuteranno l'utente a migliorare e più velocemente.
Poiché questo protocollo contiene molti passaggi di pianificazione virtuale, osservare le fasi sarà estremamente utile. Per la segmentazione del modello ricostruito in 3D, nel software di segmentazione appropriato nel menu Segmentazione ossea, selezionate Generale (General) e utilizzate lo strumento più per indicare il segmento di interesse e lo strumento meno per indicare i segmenti indesiderati durante lo scorrimento e lo spostamento attraverso la scansione. Utilizzare il pulsante Imposta che avvia la segmentazione e fare clic su Applica per creare il nuovo segmento.
Per eseguire una buona segmentazione ossea, un gran numero di marcature positive e negative dovrebbero essere utilizzate nel modello ricostruito in 3D. e tutte le altre opinioni. Al termine della segmentazione, correggere le marcature e aggiungerne di nuove per una migliore precisione, se necessario.
Esportare i file come file 3D STL. Per progettare l'impianto di ricostruzione 3D, importare i file STL nel software di progettazione 3D e utilizzare lo strumento Rasatura per separare l'osso in due parti. Dal menu Seleziona argilla spostata (Select Move Clay), selezionate lo strumento Argilla (Clay) e segnate la regione di interesse.
Copiare l'area contrassegnata e creare un nuovo oggetto identico nell'elenco degli oggetti per modificare la posizione dell'area. Per assicurarsi che l'asse di rotazione sia impostato sulla parte dell'osso che rimarrà nella stessa posizione, selezionate Riposiziona e impostate l'asse di rotazione come pianificato. Poiché il cranio umano è per lo più simmetrico, utilizzare lo strumento Argilla specchio per ottenere il corretto posizionamento o posizionamento del segmento mancante o malposizionato e impostare il piano al centro del cranio.
In base alla metà specchiata, eseguire la rotazione del segmento in base alle esigenze e utilizzare lo strumento Aggiungi argilla del menu Costruisci argilla per ricostruire la parte ossea avvolta. Nel menu Curve (Curves), selezionate l'opzione Disegna curva (Draw Curve) per creare una forma esterna continua dell'impianto desiderato. Fate clic con il pulsante destro del mouse sul segmento e selezionate Duplica (Duplicate) per duplicare il segmento osseo.
Lavorando nel nuovo segmento duplicato, nel menu Argilla dettaglio (Detail Clay) selezionate Rilievo con curva (Emboss with Curve) per creare il volume dell'impianto di ricostruzione. Selezionare la forma esterna dell'impianto di sketch e posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno dell'impianto di sketch sulla superficie dell'osso. Selezionare i parametri desiderati, soprattutto la distanza per controllare lo spessore dell'impianto e fare clic con il pulsante destro del mouse sul segmento duplicato per selezionare Boolean e Remove From, quindi selezionare l'oggetto contenente l'impianto creato.
Nei casi per i quali sono necessari fori per la fissazione delle viti o l'angiogenesi, utilizzate la funzione Crea piano (Create Plane) per creare un piano parallelo in cui sono progettati i fori per la piastra. Quando i piani sono posizionati nel massimo parallelismo con l'impianto, selezionate un cerchio nel menu Sketch e create cerchi delle dimensioni e della posizione desiderate all'interno del segmento. Nel menu Curve (Curves), utilizzate l'opzione Sketch progetto (Project Sketch) per designare gli schizzi da trasferire dal piano all'impianto.
Per generare la sagomata per le viti, nel menu Argilla dettaglio (Detail Clay), selezionate Rilievo con curva (Emboss with Curve) e posizionate il cursore a forma di cerchio all'interno dell'area circolare contrassegnata sulla superficie del segmento. Per completare i fori nel menu Superfici sottod (SubD Surfaces), utilizzate l'opzione SubD taglio filo (Wire Cut SubD) per creare aste perpendicolari all'impianto. Per creare i fori utilizzando le aste, selezionate Boolean e Rimuovi da (Remove From) e selezionate ogni asta in successione, facendo clic con il pulsante destro del mouse su Boolean, Rimuovi da (Remove From) e Crea impianto (Create An Implant) nell'elenco degli oggetti.
Per creare una mesh nell'impianto, utilizzate Disegna curva (Draw Curve) per generare uno schizzo della mesh pianificata come dimostrato. Nel menu Argilla dettagli (Detail Clay), utilizzate Rilievo con immagine avvolta (Emboss with Wrapped Image) per selezionare un'immagine modello dopo la quale verrà progettata la mesh. Le aree bianche dell'immagine verranno sottratte e le aree nere rimarranno.
Regolare manualmente la direzione e le dimensioni del progetto e impostare lo spessore del generato, quindi fare clic su Applica. L'impianto specifico del paziente sarà quindi pronto per la produzione. Queste immagini sono state ottenute da una paziente di 40 anni con una piastra di fissazione della ricostruzione fornita da un precedente infortunio e una frattura nonione nel corpo sinistro della mascella inferiore.
La segmentazione della mascella inferiore è stata eseguita come dimostrato per separare la piastra di fissazione rotta. Utilizzando il software di progettazione 3D, il segmento sinistro della mattiere è stato riposizionato nella corretta posizione anatomica. Il mirroring del lato sano destro è stato eseguito per consentire una corretta ricostruzione dell'osso mancante.
L'impianto specifico del paziente potrebbe quindi essere progettato, compresi i fori per le viti di fissaggio. Una rete è stata progettata per consentire un ulteriore posizionamento dell'innesto osseo, in base al corretto contorno della mascella in base al lato sano e per consentire un'angiogenesi superiore attraverso i fori nella rete. L'impianto stampato in titanio utilizzando la tecnologia di sinterizzazione laser selettiva e i risultati postoperatori possono essere osservati in queste immagini.
Si noti la continuità della mascella inferiore, la corretta posizione verticale del segmento della mascella inferiore sinistra e la simmetria nel contorno del corpo che è stata ricostruita utilizzando l'impianto specifico del paziente come contorno esterno e un innesto osseo cresta iliaca per riempire i vuoti. Quando si progetta l'impianto specifico del paziente, considerare la pianificazione di una piastra di dimensioni minime abbastanza forte da consentire forze portanti resistendo alle forze di taglio e coppia. Gli impianti specifici del paziente possono anche essere progettati per cranioplastica, procedure ortopediche e possono essere potenzialmente utilizzati per la progettazione di tessuti molli in tutti gli organi.
Questo protocollo attualmente consente la pianificazione di nuovi impianti per interventi chirurgici e studi di ricerca e può eventualmente facilitare la biostampa implantare e la rigenerazione di materiali estranei.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Questo protocollo consente il trattamento virtuale di pazienti con difetti ossei mediante la creazione di guide chirurgiche e piastre di fissazione. Attraverso la pianificazione e la stampa 3D, è possibile progettare impianti personalizzati per il paziente con un'accuratezza superiore, migliorando i risultati chirurgici.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Neurochirurgia
- Ingegneria biomedica
- Tecnologia di stampa 3D
Sfondo
- L'immagine 3D fornisce modelli accurati per la pianificazione chirurgica.
- Gli impianti personalizzati migliorano l'adattamento e la funzionalità degli interventi ricostruttivi.
- Possono essere progettati modelli complessi per diverse esigenze chirurgiche.
- Padroneggiare il processo di progettazione richiede pratica e pazienza.
Scopo dello studio
- Creare impianti personalizzati per la ricostruzione di difetti ossei.
- Migliorare l'accuratezza e l'efficienza delle procedure chirurgiche.
- Permettere il ripristino dell'anatomia e della funzione dei tessuti.
Metodi Utilizzati
- Strumenti di segmentazione per la creazione di modelli 3D.
- Software di progettazione 3D per la realizzazione di impianti.
- Pianificazione virtuale del trattamento per guide chirurgiche.
- Test dei materiali per valutarne la resistenza e le capacità di rigenerazione ossea.
Risultati principali
- Creazione di impianti perfettamente aderenti basati su immagini 3D.
- Riduzione della durata dell'intervento grazie a una pianificazione migliorata.
- Ripristino avanzato dell'anatomia tissutale e della simmetria.
- Progettazione e stampa con successo di strutture complesse.
Conclusioni
- Il protocollo migliora in modo significativo gli esiti chirurgici in caso di difetti ossei.
- Un software di facile utilizzo facilita il processo di progettazione.
- La pratica continuata conduce a una maggiore competenza nella progettazione 3D.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo protocollo consente ai clinici di progettare impianti specifici per il paziente per la ricostruzione di difetti ossei, sostenendo lo sviluppo di modelli preclinici e la ricerca traslazionale in medicina rigenerativa. Integrando la progettazione e la stampa 3D, aumenta l'affidabilità predittiva nella progettazione degli impianti e nel ripristino funzionale, riducendo il rischio biolog游戏副本
Applicazioni strategiche nella ricerca e sviluppo biotecnologico-farmaceutico
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'interrogazione di ipotesi terapeutiche mediante ricostruzione virtuale di difetti ossei e valutazione delle interazioni tra impianto e tessuto.
- Valore operativo: Supporta la riduzione del rischio biologico permettendo la valutazione preclinica dell'adattamento dell'impianto, della stabilità meccanica e del potenziale angiogenetico in sistemi pertinenti alla malattia.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce modelli tridimensionali standardizzati e riproducibili per la valutazione quantitativa dei parametri di progettazione degli impianti, come spessore, porosità e resistenza meccanica.
- Valore operativo: Consente la prontezza per saggi attraverso flussi di lavoro di progettazione scalabili che supportano il riutilizzo della piattaforma in diversi modelli di difetto e campagne di screening di materiali.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Favorisce la continuità traslazionale consentendo la progettazione di impianti che rispecchiano l'anatomia sana, sostenendo la valutazione allineata ai biomarcatori della rigenerazione ossea e dell'integrazione dell'innesto.
- Valore operativo: Supporta decisioni di avanzamento corrette in base al rischio permettendo test iterativi della progettazione prima della prototipazione fisica, riducendo il rischio di fallimento in fasi avanzate dello sviluppo dell'impianto.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si integra nel percorso di scoperta, dalla validazione del bersaglio all'identificazione del capostipite fino alla valutazione preclinica, consentendo cicli iterativi di progettazione e verifica per impianti ricostruttivi.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi consentendo la manipolazione virtuale di difetti ossei e la valutazione di progetti di impianti per il ripristino funzionale e la simmetria.
- Screening: Permette la riproducibilità dei saggi attraverso protocolli standardizzati di segmentazione e progettazione che producono output STL coerenti per lo screening di materiali e geometrie.
- Analisi: Genera parametri quantitativi su spessore dell’impianto, posizionamento dei fori e densità della maglia, consentendo analisi comparative tra diverse iterazioni di progetto.
- Ricerca traslazionale: Si collega alla continuità preclinica permettendo la progettazione di impianti personalizzati che possono essere testati in vivo per l’integrazione con innesti ossei e la capacità di sopportare carichi.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una capacità riutilizzabile per la progettazione di impianti personalizzati in diverse indicazioni cliniche, inclusi cranioplastica e ricostruzione ortopedica, riducendo gli sforzi ridondanti di progettazione.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora l'affidabilità predittiva nella progettazione degli impianti consentendo una ricostruzione anatomica accurata e una valutazione funzionale della resistenza al carico e al taglio.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione e la riproducibilità grazie a flussi di lavoro definiti per la segmentazione e la progettazione, riducendo la variabilità dell'utente nella pianificazione degli impianti.
- Valore strategico: Favorisce decisioni più accurate sul proseguimento o meno dello sviluppo, permettendo la verifica virtuale dei design degli impianti in condizioni fisiologiche, riducendo la dipendenza dalla prototipazione fisica.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione degli impianti in fase di valutazione adeguata al rischio, identificando precocemente difetti di progettazione e migliorando l'efficienza nell'uso del capitale durante lo sviluppo preclinico.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specialistiche nella segmentazione delle immagini 3D e nel software di progettazione assistita da computer per una manipolazione accurata del modello.
- Dipende dall'accesso a strumenti di progettazione 3D in grado di eseguire operazioni booleane, generazione di mesh e strumenti di simmetria per la ricostruzione anatomica.
- Necessita di una standardizzazione tra i vari team coinvolti, tra cui quelli dedicati all’imaging, alla progettazione e alla produzione, al fine di garantire la fedeltà del modello virtuale all’impianto stampato.
- Comporta considerazioni di adattamento per diversi tipi di difetto e siti anatomici, richiedendo una rivalidazione dei parametri di segmentazione e progettazione per applicazioni non cranio-massofacciali.
- È limitato dalla curva di apprendimento associata al dominio degli strumenti CAD, che potrebbe influire sulla produttività iniziale e sulla coerenza delle progettazioni.
