3D-planning en -print van patiëntspecifieke implantaten voor de reconstructie van bony-defecten
4 augustus 2020
Dit protocol beschrijft het gebruik van 3D-planning en -print voor de reconstructie van benige defecten. We gebruiken segmentatietools om 3D-modellen te maken, gevolgd door 3D-ontwerpsoftware om patiëntspecifieke implantaten te maken voor reconstructiedoeleinden die samen met ablatieve chirurgie of als tweede fase.
Dit protocol maakt de virtuele behandeling van patiënten met benige defecten en het creëren van nieuwe chirurgische gids en fixatieplaten mogelijk. Met behulp van dit protocol kunnen implantaten virtueel worden gemaakt en ontworpen op basis van wat haalbaar is voor gebruik in de operatiekamer met superieure nauwkeurigheid en kortere werkingsduur. Patiëntspecifieke implantaten die met ons protocol zijn gepland, zijn gebaseerd op nauwkeurige 3D-beeldvorming, wat resulteert in perfect passende implantaten en het herstel van de juiste weefselanatomie, symmetrie en functie mogelijk maakt.
Dit protocol stelt gebruikers in staat om complexe modellen of structuren van verschillende materialen te ontwerpen en af te drukken en verschillende parameters te onderzoeken, zoals hun sterkte of vermogen om botregeneratie mogelijk te maken. Hoewel deze programma's zijn zeer gebruiksvriendelijk, het kost tijd om de computer-ondersteunde ontwerpproces onder de knie. Geduld en praktijk zal helpen de gebruiker beter en sneller.
Aangezien dit protocol veel stappen van virtuele planning bevat, zal het observeren van de fasen zeer nuttig zijn. Voor segmentatie van het 3D-gereconstrueerde model selecteert u in de juiste segmentatiesoftware onder het menu Bone-segmentatie Algemeen en gebruikt u het plusgereedschap om het segment van de interesse en het min-gereedschap aan te geven om de ongewenste segmenten aan te geven tijdens het scrollen en bewegen door de scan. Gebruik de knop Instellen waarmee de segmentatie wordt gestart en klik op Toepassen om het nieuwe segment te maken.
Om een goede botsegmentatie uit te voeren, moet een groot aantal positieve en negatieve markeringen worden gebruikt in het 3D-gereconstrueerde model. en alle andere standpunten. Wanneer de segmentatie is voltooid, corrigeert u de markeringen en voegt u indien nodig nieuwe markeringen toe voor een betere nauwkeurigheid.
Exporteer de bestanden als STL 3D-bestanden. Als u het 3D-reconstructieimplantaat wilt ontwerpen, importeert u de STL-bestanden in de 3D-ontwerpsoftware en gebruikt u het scheergereedschap om het bot in twee delen te scheiden. Selecteer in het menu Klei selecteren de optie Klei en markeer het interessegebied.
Kopieer het gemarkeerde gebied en maak een nieuw identiek object in de objectlijst om de positie van het gebied te manipuleren. Als u ervoor wilt zorgen dat de rotatieas is ingesteld op het deel van het bot dat in dezelfde positie blijft, selecteert u Verplaatsen en stelt u de rotatieas in zoals gepland. Aangezien de menselijke schedel meestal symmetrisch is, gebruikt u het gereedschap Mirror Clay voor begeleiding om de juiste positionering of plaatsing van het ontbrekende of mispositioneerde segment te verkrijgen en het vlak in het midden van de schedel te plaatsen.
Op basis van de gespiegelde helft voert u de segmentrotatie uit als dat nodig is en gebruikt u het gereedschap Klei toevoegen uit het menu Construct Clay om het avulsige benige deel te reconstrueren. Selecteer in het menu Curven de optie Curve tekenen om een continue buitenvorm van het gewenste implantaat te maken. Klik met de rechtermuisknop op het segment en selecteer Dupliceren om het benige segment te dupliceren.
Als u in het nieuwe gedupliceerde segment werkt, selecteert u in het menu Detail Clay Emboss met Curve om het volume van het reconstructieimplantaat te maken. Selecteer de buitenste vorm van het geschetste implantaat en plaats de cirkelvormige cursor in het geschetste implantaat op het oppervlak van het bot. Selecteer de gewenste parameters, vooral de afstand om de dikte van het implantaat te regelen en klik met de rechtermuisknop op het gedupliceerde segment om Boolean en Verwijderen uit te selecteren, selecteer vervolgens het object dat het gemaakte implantaat bevat.
In gevallen waarvoor gaten voor schroeffixatie of angiogenese vereist zijn, gebruikt u de functie Vlak maken om een parallel vlak te maken waarin de gaten voor de plaat zijn ontworpen. Wanneer de vlakken in maximale parallellisme aan het implantaat worden geplaatst, selecteert u een cirkel in het sketchmenu en maakt u cirkels van de gewenste grootte en positie binnen het segment. Gebruik in het menu Curven de optie Projectschets om de schetsen aan te wijzen die van het vliegtuig naar het implantaat moeten worden overgebracht.
Als u de countersink voor de schroeven wilt genereren, selecteert u in het menu Detailklei de optie Reliëf met Curve en plaatst u de cirkelvormige cursor in het gemarkeerde cirkeloppervlak op het segmentoppervlak. Om de gaten in het SubD Surfaces Menu te voltooien, gebruikt u de wire cut subd-optie om staven te maken die loodrecht op het implantaat staan. Als u de gaten wilt maken met behulp van de staven, selecteert u Booleaan en Verwijder uit en selecteert u elke staaf achter elkaar, klikt u met de rechtermuisknop op Booleaan, verwijdert u uit en maakt u een implantaat in de lijst met objecten.
Als u een gaas in het implantaat wilt maken, gebruikt u Tekencurve om een schets van het geplande gaas te genereren zoals aangetoond. Gebruik in het menu Detailklei Emboss met verpakte afbeelding om een sjabloonafbeelding te selecteren waarna het net wordt ontworpen. De witte gebieden van de afbeelding worden afgetrokken en de zwarte gebieden blijven behouden.
Stel handmatig de richting en grootte van het ontwerp aan en stel de dikte van de gegenereerde in en klik vervolgens op Toepassen. Het patiëntspecifieke implantaat is dan klaar voor productie. Deze beelden werden verkregen van een 40-jarige vrouwelijke patiënt met een gebroken voorraad geleverde reconstructie fixatie plaat van een eerdere verwonding en een niet-vn-breuk in het linkerlichaam van haar onderkaak.
Segmentatie van de onderkaak werd uitgevoerd zoals aangetoond om de gebroken fixatieplaat te scheiden. Met behulp van 3D-ontwerpsoftware werd het linkersegment van de onderkaak verplaatst naar de juiste anatomische positie. Spiegelen van de rechter gezonde kant werd uitgevoerd om een goede reconstructie van het ontbrekende bot mogelijk te maken.
Het patiëntspecifieke implantaat kan dan worden ontworpen, inclusief gaten voor fixatieschroeven. Een gaas is ontworpen om extra bottransplantatie plaatsing mogelijk te maken, volgens de juiste contour van de kaak op basis van de gezonde kant en om superieure angiogenese mogelijk te maken door de gaten in het gaas. Het implantaat gedrukt van titanium met behulp van selectieve laser sinteren technologie en postoperatieve resultaten kunnen worden waargenomen in deze beelden.
Let op de continuïteit van de onderkaak, de juiste verticale positie van het linker onderkaaksegment en de symmetrie in de lichaamscontour die werd gereconstrueerd met behulp van het patiëntspecifieke implantaat als de buitenste contour en een iliacale kambottransplantt voor het vullen van de holtes. Houd bij het ontwerpen van het patiëntspecifieke implantaat rekening met de planning van een minimaal formaat plaat die sterk genoeg is om dragende krachten mogelijk te maken terwijl ze schuintrekken en koppelkrachten weerstaan. Patiëntspecifieke implantaten kunnen ook worden ontworpen voor cranioplastie, orthopedische procedures en kunnen mogelijk worden gebruikt voor het ontwerp van weke delen in alle organen.
Dit protocol maakt momenteel de planning van nieuwe implantaten voor operaties en onderzoeken en kan uiteindelijk vergemakkelijken implantaat bioprinting en vreemd materiaal regeneratie.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol maakt de virtuele behandeling van patiënten met botdefecten mogelijk door middel van het creëren van chirurgische gidsen en fixatieplaten. Door gebruik te maken van 3D-planning en -printen kunnen patiëntspecifieke implantaten met superieure nauwkeurigheid worden ontworpen, wat de chirurgische resultaten verbetert.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Neurochirurgie
- Biomedische Techniek
- 3D-printtechnologie
Achtergrond
- 3D-beeldvorming biedt nauwkeurige modellen voor chirurgische planning.
- Patiëntspecifieke implantaten verbeteren de pasvorm en functie van reconstructieve chirurgie.
- Complexe modellen kunnen worden ontworpen voor uiteenlopende chirurgische behoeften.
- Het beheersen van het ontwerpproces vereist oefening en geduld.
Doel van de studie
- Om patiëntspecifieke implantaten te creëren voor de reconstructie van botdefecten.
- Om de nauwkeurigheid en efficiëntie van chirurgische procedures te verbeteren.
- Om het herstel van weefselanatomie en -functie mogelijk te maken.
Gebruikte methoden
- Segmentatietools voor het creëren van 3D-modellen.
- 3D-ontwerpsoftware voor het ontwerpen van implantaten.
- Virtuele behandelplanning voor chirurgische mallen.
- Materiaalkundige testen voor sterkte en botregeneratievermogen.
Belangrijkste resultaten
- Creatie van nauwkeurig passende implantaten op basis van 3D-beeldvorming.
- Verkorting van de operatieduur door verbeterde planning.
- Verbeterd herstel van de juiste weefselanatomie en symmetrie.
- Succesvol ontwerp en printen van complexe structuren.
Conclusies
- Het protocol verbetert de chirurgische resultaten voor botdefecten aanzienlijk.
- Gebruiksvriendelijke software faciliteert het ontwerpproces.
- Voortdurende oefening leidt tot een betere vaardigheid in 3D-ontwerp.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Dit protocol stelt clinici in staat om patiëntspecifieke implantaten te ontwerpen voor de reconstructie van botdefecten, ter ondersteuning van de ontwikkeling van preklinische modellen en translationeel onderzoek in de regeneratieve geneeskunde. Door de integratie van 3D-planning en -printen wordt de voorspellende betrouwbaarheid van het implantaatontwerp en het functionele herstel verbeterd, waardoor biologische risico's bij vroege therapeutische evaluaties worden verminderd. De methode vergemakkeligt mechanische risicoreductie door nauwkeurige anatomische modellering en materiaalkundige tests, wat aansluit bij workflows in de ontdekkingsfase voor de validatie van implantaten.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door virtuele reconstructie van botdefecten en beoordeling van implantaat-weefselinteracties.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door preklinische evaluatie van de pasvorm van het implantaat, mechanische stabiliteit en het angiogenese-potentieel in ziekterelevante systemen mogelijk te maken.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert gestandaardiseerde, reproduceerbare 3D-modellen voor kwantitatieve beoordeling van implantaatontwerpparameters zoals dikte, porositeit en mechanische sterkte.
- Operationele waarde: Maakt assay-gereidheid mogelijk via schaalbare ontwerpworkflows die platformhergebruik ondersteunen voor meerdere defectmodellen en materiaal screeningscampagnes.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert translationele continuïteit door het mogelijk maken van het ontwerp van implantaten die de gezonde anatomie weerspiegelen, wat een evaluatie van botregeneratie en graftintegratie ondersteunt die is afgestemd op biomarkers.
- Operationele waarde: Ondersteunt beslissingen over risico-gecorrigeerde voortgang door iteratieve ontwerpstests mogelijk te maken vóór fysiek prototypen, waardoor het risico op falen in een laat stadium van de implantaatontwikkeling wordt verminderd.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van doelwitvalidatie via lead-identificatie tot preklinische evaluatie, waardoor iteratieve design-testcycli voor reconstructieve implantaten mogelijk worden gemaakt.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing door virtuele manipulatie van botdefecten en evaluatie van implantaatontwerpen voor functioneel herstel en symmetrie mogelijk te maken.
- Screening: Maakt reproduceerbaarheid van assays mogelijk via gestandaardiseerde segmentatie- en ontwerpprotocollen die consistente STL-outputs opleveren voor materiaalscreening en geometrische screening.
- Analytica: Genereert kwantitatieve read-outs voor implantaatdikte, gatpositionering en mesh-densiteit, wat vergelijkende analyse tussen verschillende ontwerpiteraties mogelijk maakt.
- Translationeel onderzoek: Legt een verband met preklinische continuïteit door het ontwerp van patiëntspecifieke implantaten mogelijk te maken die in vivo getest kunnen worden op bottransplantatie-integratie en draagvermogen.
- Bedrijfsbrede herbruikbaarheid: Vestigt een herbruikbare capaciteit voor het ontwerpen van patiëntspecifieke implantaten voor meerdere indicaties, waaronder cranioplastiek en orthopedische reconstructie, waardoor redundante ontwerpinspanningen worden verminderd.
Operationele en bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in het ontwerp van implantaten door een nauwkeurige anatomische reconstructie en functionele beoordeling van de belastbaarheid en schuifweerstand mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Verbetert de standaardisatie en reproduceerbaarheid door gedefinieerde segmentatie- en ontwerpworkflows die de gebruikersvariabiliteit bij de implantaatplanning verminderen.
- Strategische waarde: Ondersteunt betere go/no-go-beslissingen door het mogelijk maken van virtueel testen van implantaatontwerpen onder fysiologische beperkingen, waardoor de afhankelijkheid van fysiek prototypen wordt verminderd.
- Impact op portfolio: Maakt een risicogebaseerde prioritering van implantaatkandidaten mogelijk door ontwerpfouten vroegtijdig te identificeren, wat de kapitaalefficiëntie in de preklinische ontwikkeling verbetert.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in 3D-beeldsegmentatie en computergestuurde ontwerpsoftware voor nauwkeurige modelmanipulatie.
- Afhankelijk van toegang tot 3D-ontwerptools die in staat zijn tot Booleaanse bewerkingen, mesh-generatie en spiegelhulpmiddelen voor anatomische reconstructie.
- Noodzaak tot standaardisatie tussen beeldvormings-, ontwerp- en productieteams om de getrouwheid van het virtuele model naar het geprinte implantaat te waarborgen.
- Omvat aanpassingen voor verschillende defecttypes en anatomische locaties, wat hervalidatie van segmentatie- en ontwerpparameters vereist voor niet-craniomaxillofaciale toepassingen.
- Beperkt door de leercurve die gepaard gaat met het beheersen van CAD-tools, wat de initiële doorloopsnelheid en ontwerpconsistentie kan beïnvloeden.
