方法論記事

骨の欠陥の再構築のための患者特有のインプラントの3D計画と印刷

DOI：

10.3791/60929

⸱

2020年8月4日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Rambam Medical Care Center, 2Ruth & Bruce Rappaport Faculty of Medicine, Technion-Israel Institute of Technology

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このプロトコルは骨の欠陥の再建のための3D計画および印刷の使用を記述する。セグメンテーションツールを使用して3Dモデルを作成し、その後に3D設計ソフトウェアを作成し、アブレーション手術や第2段階に付随する再建目的で患者固有のインプラントを作成します。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

私たちは、人生のほとんどの側面、特に医学において、3D時代の真っ只中にあります。外科分野は、常に開発3Dの計画と印刷能力を使用して医療分野の主要なプレーヤーの一つです。コンピュータ支援設計(CAD)およびコンピュータ支援製造(CAM)は、製品の3D計画と製造を記述するために使用されます。3D外科ガイドと再建インプラントの計画と製造は、エンジニアによってほぼ独占的に行われます。技術の進歩とソフトウェアインターフェイスがよりユーザーフレンドリーになるにつれて、それは臨床医に計画と製造を転送する可能性に関する疑問を提起します。このようなシフトの理由は明らかです:外科医は彼が設計したいもののアイデアを持っており、彼はまた、実行可能であり、手術室で使用することができるものを知っています。手術中のシナリオ/予期しない結果に備えることができ、外科医は創造的であり、CADソフトウェアを使用して彼の新しいアイデアを表現することができます。この方法の目的は、臨床医に独自の外科用ガイドおよび再建インプラントを作成する能力を提供することです。本稿では、詳細なプロトコルにより、セグメンテーションソフトウェアを用いたセグメンテーションと3D設計ソフトウェアを用いたインプラント計画のための簡単な方法を提供する。セグメンテーションソフトウェアを使用したセグメンテーションおよびstlファイルの生産に続いて、臨床医は、単純な患者固有の再建プレートまたは骨移植片の位置のためのクレードルを備えたより複雑なプレートを作成することができます。外科ガイドは正確な切除、適切な再建の版の位置のための穴の準備、または骨の接木の収穫および輪郭のための作成することができる。損傷が持続した外傷のプレート骨折および非ユニオン治癒後の下顎再建の症例が詳述される。

概要

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個別化医療は医学の多くの分野で急速に発展しています1.オンコロジックのパーソナライズされた治療は、多くの議論の対象であり、したがって、一般の人々によく知られています。3D 印刷は、最初に、ステレオリソグラフィ2を使用してオブジェクトの 3D 印刷を示すチャールズ ハルによって導入されました。それ以来、3Dプリンティング用の異なる技術が開発されました。使用される方法は、デバイスの目的に基づいて選択されます。

外科分野は急速に個人化された医学を受け入れている。外科分野での個別の治療はコンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアを使用して仮想計画を必要とする。最初のステージには、常にセグメンテーションが含まれ、3D stl ファイルを作成します。コンピュータ支援製造(CAM)は、3D設計部品の製造プロセスと呼ばれます。この技術の最初の利用は、手術計画と模擬手術33、4、54,5のための術前モデル印刷に使用されました。技術の発展に伴い、手術の仮想計画は手術自体を支援する外科ガイドの計画と製造に続き、患者の骨に完全に取り付けられた患者固有の再建インプラントは66、7、8、9、107,8,9,10より人気となった。このプロトコルの目的は、臨床医に独自の外科ガイドと再建患者固有のインプラントを作成する能力を提供することです。この方法は、完全にフィットし、特定の欠陥の特性に基づいて設計することができるので、ストックプレートを使用するよりも正確です。また、外科医の経験への依存を減らし、手術時間を短縮します。

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プロトコル

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この研究は、医療プロトコルと倫理に関するヘルシンキ宣言に続き、制度倫理審査委員会は研究を承認した。

1. セグメンテーションソフトウェアによるセグメンテーション

注: DICOM ファイルのインポート プロセスでは、セットアップを完了するためにポップアップ ウィンドウの軸、冠状および矢状平面の方向が必要です。

  1. [ボーン セグメンテーション]メニューで、[一般]機能を選択します。不要なセグメントには "-" を、対象セグメントには "+" を使用します。スキャン中にスクロールして移動する場合は、3D再構成モデルまたは異なる断面にマーカーを追加します。
  2. セグメンテーションを示す[Set]ボタンを選択します。この時点で、マーキングを修正し、精度を高める新しいマーキングを追加します。[適用]を押して新しいセグメントを作成します。この方法で複数のセグメントを作成できます。
  3. セグメンテーションが完了したら、3DデザインCADプログラムで3Dプリントまたは3D再建インプラントの計画のためのstl 3Dファイルとしてファイルをエクスポートします。

2. 3D設計ソフトウェアを用いた再建インプラントの設計

  1. セグメンテーション ソフトウェアを使用してボーン セグメンテーションを事前に作成した後、stl ファイルを 3D 設計ソフトウェアにインポートします (材料表を参照)。
  2. さらなる分離が必要な場合(例えば、1つの部品が別々に移動することを意図している場合)、ここで行います。[クレイの彫刻]メニューで、剃りツールを使用してボーンを 2 つの部分に分けます。[クレイを選択/移動]メニューで、粘土を選択し、作業する部品にマークを付けます。次に、この部品をコピーし、次のステージで観察された位置を操作するために、オブジェクトリストに新しい同一オブジェクトを作成します。
  3. この段階でセグメント移動を実行します。回転軸がボーンの部分に設定され、同じ位置に保たれるようにします。[クレイを選択/移動]メニューで、[位置を変更]を選択し、回転軸を計画通り設定します。
  4. 人間の頭蓋骨は主に対称であるため、健康な側を使用してガイダンスを行い、欠落/不特定のセグメントの正しい位置/置換を得る。ミラーリング手法を使用して、通常の側のミラーリング・イメージを作成します。[粘土を構築]メニューで、[ミラークレイ]オプションを使用して、スカルの中心に平面を設定します。
  5. ミラー化された半分に基づいて、必要に応じてセグメント回転を実行し、[コンストラクト クレイ]メニューの[粘土を追加]ツールを使用して、アヴル化された骨のパーツを再構築します。この再構成は、正しい顔の輪郭を再構築する次の段階で患者固有の再建インプラントを構築するために行われる。
  6. 骨の区分を再構築した後、患者特定の再建インプラントを作成する。カーブメニューで、曲線を描画オプションを使用して、目的のインプラントの連続的な外側の形状を作成します。
  7. この段階では、構築されたインプラントを分離するブール関数を実行するために必要な骨セグメントを複製します。これは、セグメントを右クリックして[Duplicate]オプションを押すことで、オブジェクトリストウィンドウで実行されます。
  8. 新しい複製セグメントで作業します。[詳細クレイ]メニューで、[カーブ付きエンボス]オプションを使用して、再構築インプラントの容積を作成します。スケッチされたインプラントの外側の形をピックし、スケッチされたインプラントの内側に円の形をしたカーソルを骨の表面に置きます。エンボスは、カーソルの配置に応じて、ボーンの外側または内側で動作することに注意してください。次に、目的のパラメータを選択してください - 最も重要なのは、インプラントの厚さを制御する距離オプションです。
  9. インプラントを骨セグメントから分離します。オブジェクトリストで、ステップ 2.7 から以前に複製したオブジェクトを選択し、右クリックしてブール → 削除 を選択します。次に、作成したインプラントを含むオブジェクトを選択します。
  10. ねじ固定用または血管新生を許可するための穴が必要な場合は、平面カテゴリ → 平面の作成を選択して、プレートの穴が設計された平行平面を作成します。手動操作を使用して、インプラントに最大の並列性で平面を配置します。[スケッチ]メニューで円を選択し、希望のサイズと位置に円を作成します。2番目の大きな円を作成することができ、意図したねじの頭のカウンターシンクとして機能します。
  11. カーブメニューで、プロジェクトスケッチオプションを使用して、平面からインプラントに転送するように指定されたスケッチを選択します。
  12. ねじのカウンタシンクを生成するには、[詳細クレイ]メニューで、[カーブ付きエンボス]オプションを使用します。スケッチの外側の円をピックし、サーフェス上のマークされた円形領域の内側に円の形をしたカーソルを配置し、カウンターシンクの深さを制御する距離(例:0.3 mm)を入力します。プロセスを完了するには、[適用]と[下]を押して、エンボスが加法ではなく減算方式で実行されるようにします。
  13. 穴を完成するには、[サブサーフェス]メニューで、[ワイヤカット SubD]オプションを使用して、ステップ2.10で作成した小さな円に基づいて、インプラントに垂直なロッドを作成します。
  14. ロッドを使用して穴を作成するには、ステップ 2.9 で示すように、ブール値> [削除元]を使用します。次にロッドを選択し、オブジェクトリスト→ ブール → 削除 → 作成されたインプラントを右クリックします。
    注: または、目的のねじを作成/スキャンすることができ、ブール演算関数を使用して目的の穴を作成することができます。
  15. インプラントでメッシュを作成するには(例えば血管新生を可能にする)、まずステップ2.6のように計画されたメッシュのスケッチ(カーブオプションを使用して)を生成します。
    1. [詳細クレイ]メニューで、[ラップされたイメージを使用してエンボス]オプションを使用します。メッシュの作成に応じてイメージを選択します(プログラムに付属しているテンプレートがいくつかあります)。イメージの白い部分はメッシュで差し引かれますが、黒い部分は免れられます。
    2. 手動制御を使用して、設計の方向とサイズを調整します。生成された穴の厚さを表す距離を設定し、[適用]を押します。患者特定のインプラントは生産のために準備ができている。

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結果

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40歳の女性患者は、以前の怪我から壊れた、ストック供給された、再建固定プレートと彼女の下顎の左の体の非組合骨折を部門に提示した。画像化は、壊れた固定板と下顎の不整合左セグメントを示す(図1)。セグメンテーションソフトウェアを使用して、下顎のセグメンテーションを、壊れた固定板を分離して行った(補足図1および補足図2)。3D設計ソフトウェアを使用して、下顎の左側のセグメントを正しい解剖学的位置に再配置しました(補足図3および補足図4)。右健康側のミラーリングを行い、欠損した骨の適切な再建を可能にした(補足図5)。患者特定のインプラントは固定ねじのための穴を含む設計された(補足図6、7、および8)。メッシュは、健康な側に基づいて、顎の適切な輪郭に従って骨移植片の配置を追加できるように設...

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ディスカッション

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外科手術の仮想計画のためのコンピュータの絶え間ない開発の使用と、別の発展途上の技術、3D印刷との組み合わせは、外科的処置の全く新しい時代につながった。精度は、これらの技術と患者固有のケアの目標であり、将来の目標として、外科ガイドおよび患者固有の再建インプラントの形で提示される。私たちは、別の将来のプロトコルの一部として外科ガイドを議論します。現在のプロトコルでは、DICOMイメージをモデルとして3Dプリントできる3D stlファイルに分ける方法について説明します。また、患者固有のインプラントの3D仮想計画についても議論する。欠損または変位した骨の断片の再建を助けるために多様な機能の使用が提示される。セグメントの再配置と健全側のミラーリングなどは、このような機能です。骨の計画輪郭を用いたインプラントの構築は詳細である。固定ねじ用の穴と骨移植片の配置と血管新生を可能にするメッシュまたはクレードルを設計する穴が示されている。常に設計は閉鎖のために利用可能な柔らかいティッシュに限られたサイズであることを覚えておいてください。適切な血管新生を可能にし、可能な場合は大きな穴/メッシュを使用します。患者固有のインプラントは、通常の再建プレート(それら...

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開示事項

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著者らは開示するものは何もない。

謝辞

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この仕事のための資金は受け取られなかった。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
D2P (DICOM to Print)3Dsystems 3D stlファイルを作成するセグメンテーションソフトウェア
Geomagic Freeform3Dシステムスカルプテッド エンジニアリングデザイン

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E. Personalized Medicine. Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. Hock, F., Gralinski, M. , Springer. (2019).
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