Artykuł metodologiczny

Planowanie 3D i drukowanie implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta w celu rekonstrukcji ubytków kostnych

DOI:

10.3791/60929

⸱

4 sierpnia 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten protokół opisuje wykorzystanie planowania i drukowania 3D do rekonstrukcji wad kostnych. Używamy narzędzi do segmentacji do tworzenia modeli 3D, a następnie oprogramowania do projektowania 3D, aby stworzyć implanty dostosowane do potrzeb pacjenta do celów rekonstrukcyjnych równolegle z zabiegiem ablacyjnym lub jako drugi etap.

Streszczenie

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

Jesteśmy w środku ery 3D w większości aspektów życia, a szczególnie w medycynie. Dyscyplina chirurgiczna jest jednym z głównych graczy w dziedzinie medycyny, wykorzystującym stale rozwijające się możliwości planowania i drukowania 3D. Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) i produkcja wspomagana komputerowo (CAM) służą do opisania planowania i produkcji 3D produktu. Planowanie i produkcja szablonów chirurgicznych 3D i implantów rekonstrukcyjnych jest wykonywana prawie wyłącznie przez inżynierów. Wraz z postępem technologicznym i coraz bardziej przyjaznymi dla użytkownika interfejsami oprogramowania, pojawia się pytanie o możliwość przeniesienia planowania i produkcji do lekarza. Powody takiej zmiany są jasne: chirurg ma pomysł na to, co chce zaprojektować, a także wie, co jest wykonalne i można je zastosować na sali operacyjnej. Pozwala mu to przygotować się na każdy scenariusz/nieoczekiwane wyniki podczas operacji i pozwala chirurgowi być kreatywnym i wyrażać swoje nowe pomysły za pomocą oprogramowania CAD. Celem tej metody jest zapewnienie klinicystom możliwości tworzenia własnych szablonów chirurgicznych i implantów rekonstrukcyjnych. W tym manuskrypcie szczegółowy protokół przedstawi prostą metodę segmentacji za pomocą oprogramowania do segmentacji i planowania implantów za pomocą oprogramowania do projektowania 3D. Po segmentacji i wytworzeniu pliku stl za pomocą oprogramowania do segmentacji, klinicysta może stworzyć prostą płytkę rekonstrukcyjną dostosowaną do potrzeb pacjenta lub bardziej złożoną płytkę z kołyską do pozycjonowania przeszczepu kostnego. Można tworzyć szablony chirurgiczne do dokładnej resekcji, przygotowania otworu w celu prawidłowego ustawienia płytki rekonstrukcyjnej lub do pobrania przeszczepu kostnego i ponownego konturowania. Szczegółowo opisano przypadek rekonstrukcji żuchwy po złamaniu płytki i gojeniu się bez zrostu po urazie doznanym jako uraz.

Wprowadzenie

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

Medycyna spersonalizowana rozwija się szybko w wielu dziedzinach medycyny1. Spersonalizowane leczenie onkologiczne jest przedmiotem wielu dyskusji i dlatego jest dobrze znane ogółowi społeczeństwa. Druk 3D został po raz pierwszy wprowadzony przez Charlesa Hulla, pokazując drukowanie 3D obiektów za pomocą stereolitografii2. Od tego czasu opracowano różne technologie druku 3D. Zastosowana metoda dobierana jest w zależności od przeznaczenia urządzenia.

Dziedzina chirurgii szybko przyjmuje medycynę spersonalizowaną. Spersonalizowane leczenie w polu operacyjnym wymaga wirtualnego planowania za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Pierwszy etap zawsze obejmuje segmentację w celu utworzenia pliku 3D stl. Produkcja wspomagana komputerowo (CAM) jest określana jako proces produkcyjny części zaprojektowanej w 3D. Pierwsze zastosowanie tej technologii wykorzystano w drukowaniu modeli przedoperacyjnych do planowania chirurgicznego i próbnej operacji3,4,5. Wraz z rozwojem technologii coraz popularniejsze stało się wirtualne planowanie operacji, a następnie planowanie i produkcja szablonów chirurgicznych wspomagających samą operację oraz implanty rekonstrukcyjne dostosowane do potrzeb pacjenta, idealnie dopasowane do kości pacjenta6,7,8,9,10. Celem tego protokołu jest zapewnienie klinicystom możliwości tworzenia własnych szablonów chirurgicznych i rekonstrukcji implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta. Ta metoda jest dokładniejsza niż stosowanie standardowych tabliczek, ponieważ idealnie pasuje i może być zaprojektowana w oparciu o charakterystykę konkretnej wady. Zmniejsza również zależność od doświadczenia chirurga i skraca czas operacji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

To badanie było zgodne z Deklaracją Helsińską w sprawie protokołu medycznego i etyki, a Instytucjonalna Komisja Oceny Etyki zatwierdziła badanie.

1. Segmentacja za pomocą oprogramowania do segmentacji

UWAGA: Proces importu plików DICOM wymaga orientacji płaszczyzny osiowej, czołowej i strzałkowej w wyskakującym okienku, aby zakończyć konfigurację.

  1. Z menu Segmentacja kości wybierz funkcję Ogólne. Użyj znacznika "-" dla niechcianych segmentów i "+" dla interesującego Cię segmentu. Dodaj znaczniki na zrekonstruowanym modelu 3D lub na różnych przekrojach poprzecznych podczas przewijania i przesuwania po skanowaniu.
  2. Wybierz przycisk Ustaw, który pokazuje segmentację. W tym momencie popraw oznaczenia i dodaj nowe, aby uzyskać lepszą dokładność. Naciśnij Zastosuj, aby utworzyć nowy segment. W ten sposób można utworzyć wiele segmentów.
  3. Po zakończeniu segmentacji wyeksportuj pliki jako pliki 3D stl do druku 3D lub planowania implantów rekonstrukcyjnych 3D w programach CAD do projektowania 3D.

2. Projektowanie implantów rekonstrukcyjnych za pomocą oprogramowania do projektowania 3D

  1. Po wstępnym uformowaniu segmentacji kości za pomocą oprogramowania do segmentacji, zaimportuj pliki stl do oprogramowania do projektowania 3D (patrz Tabela materiałów).
  2. Jeśli potrzebna jest dalsza separacja (np. jeśli jedna część ma być przenoszona oddzielnie), należy to zrobić tutaj. W menu Sculpt Clay użyj narzędzia do golenia, aby rozdzielić kość na dwie części. W menu Wybierz/Przenieś glinę wybierz glinę i zaznacz część, nad którą chcesz pracować. Następnie skopiuj tę część i utwórz nowy identyczny obiekt na liście obiektów, aby manipulować jego położeniem zaobserwowanym w następnym etapie.
  3. Na tym etapie wykonaj ruch segmentu. Upewnij się, że oś obrotu jest ustawiona na części kości, aby pozostać w tej samej pozycji. W menu Wybierz/Przesuń glinę wybierz opcję Zmień położenie i ustaw oś obrotu zgodnie z planem.
  4. Ponieważ ludzka czaszka jest w większości symetryczna, użyj zdrowej strony jako wskazówki, aby uzyskać właściwe ustawienie/wymianę brakującego/źle ustawionego segmentu. Użyj techniki odbicia lustrzanego, aby utworzyć odbicie lustrzane normalnej strony. W menu Zbuduj glinę użyj opcji Lustrzana glina i ustaw płaszczyznę na środku czaszki.
  5. Opierając się na odbitej połówce, w razie potrzeby wykonaj obrót segmentu i zrekonstruuj zbuntowaną część kostną za pomocą narzędzia Dodaj glinę w menu Zbuduj glinę. Rekonstrukcja ta wykonywana jest w celu zbudowania w kolejnych etapach implantu rekonstrukcyjnego dostosowanego do potrzeb pacjenta, który pozwoli na odtworzenie prawidłowego owalu twarzy.
  6. Po zrekonstruowaniu odcinka kostnego należy utworzyć implant rekonstrukcyjny dostosowany do potrzeb pacjenta. W menu Krzywe użyj opcji Narysuj krzywą i utwórz ciągły zewnętrzny kształt żądanego implantu.
  7. Na tym etapie należy zduplikować segment kostny, ponieważ będzie on potrzebny do wykonania funkcji logicznej w celu oddzielenia zbudowanego implantu. Odbywa się to w oknie listy obiektów poprzez kliknięcie segmentu prawym przyciskiem myszy i naciśnięcie opcji Duplikuj.
  8. Pracuj w nowym, zduplikowanym segmencie. W menu Glina detalu użyj opcji Płaskorzeźba z krzywą, aby utworzyć objętość implantu rekonstrukcyjnego. Wybierz zewnętrzną formę szkicowanego implantu, a następnie umieść kursor w kształcie koła wewnątrz naszkicowanego implantu, na powierzchni kości. Zwróć uwagę, że wytłoczenie będzie działać na zewnątrz lub po wewnętrznej stronie kości, w zależności od położenia kursora. Następnie należy wybrać pożądane parametry – przede wszystkim opcję odległości, która kontroluje grubość implantu.
  9. Oddziel implant od segmentu kostnego. Z listy obiektów wybierz poprzednio zduplikowany obiekt z kroku 2.7, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz opcję Logiczne → Usuń z. Następnie wybierz obiekt, w którym znajduje się utworzony implant.
  10. W przypadku, gdy wymagane są otwory do mocowania śrubowego lub umożliwiające angiogenezę, wybierz Kategoria płaszczyzn → Utwórz płaszczyznę, aby utworzyć równoległą płaszczyznę, w której zaprojektowane są otwory na płytkę. Korzystając z ręcznej manipulacji, ustaw płaszczyzny w maksymalnej równoległości do implantu. Z menu Szkic wybierz okrąg i utwórz okręgi o żądanym rozmiarze i położeniu. Można utworzyć drugi większy okrąg, który posłuży jako pogłębiacz stożkowy dla łba zamierzonej.
  11. W menu Krzywe użyj opcji Szkic projektu i wybierz szkice przeznaczone do przeniesienia z płaszczyzny na implant.
  12. Aby wygenerować pogłębiacz stożkowy dla, w menu Glina detalu użyj opcji Płaskorzeźba z krzywą. Wskaż zewnętrzne okręgi szkicu, umieść kursor w kształcie koła wewnątrz zaznaczonego okrągłego obszaru na powierzchni i wprowadź odległość, która kontroluje głębokość pogłębiacza stożkowego (np. 0,3 mm). Aby zakończyć proces, naciśnij Zastosuj i Opuść, aby upewnić się, że wytłoczenie jest wykonywane w sposób odejmowany, a nie addytywny.
  13. Aby wykonać otwory, w menu SubD Surfaces (Powierzchnie SubD) użyj opcji Wire Cut SubD, aby utworzyć pręty prostopadłe do implantu na podstawie małych okręgów utworzonych w kroku 2.10.
  14. Aby utworzyć otwory za pomocą prętów, użyj wartości logicznej > Usuń z, jak w kroku 2.9. Wybierz jeden pręt po drugim, kliknij prawym przyciskiem myszy na liście obiektów → Boolean → Usuń z → utworzonego implantu.
    UWAGA: Alternatywnie można utworzyć/zeskanować żądane, a do utworzenia żądanych otworów można użyć funkcji logicznej.
  15. Aby utworzyć siatkę w implancie (na przykład umożliwiającą angiogenezę), najpierw wygeneruj szkic (korzystając z opcji krzywej) planowanej siatki, jak w kroku 2.6.
    1. W menu Glina detalu użyj opcji Płaskorzeźba z zawijanym obrazem. Wybierz obraz, według którego zostanie utworzona siatka (istnieje kilka szablonów, które są dołączone do programu). Białe części obrazu zostaną odjęte w siatce, a czarne części zostaną oszczędzone.
    2. Za pomocą sterowania ręcznego dostosuj kierunek i rozmiar wzoru. Ustaw odległość reprezentującą grubość wygenerowanych otworów i naciśnij Zastosuj. Implant dostosowany do potrzeb pacjenta jest gotowy do produkcji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Na oddział zgłosiła się 40-letnia pacjentka z uszkodzoną, dostarczoną płytką mocującą do rekonstrukcji po poprzednim urazie i niezrostowym złamaniem lewej części żuchwy. Obrazowanie pokazuje pękniętą płytkę mocującą i źle ustawiony lewy segment dolnej szczęki (Ryc. 1). Za pomocą oprogramowania do segmentacji przeprowadzono segmentację żuchwy oddzielającą złamaną płytkę mocującą (rysunek uzupełniający 1 i rysunek uzupełniający 2). Za po...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Wraz ze stale rozwijającym się wykorzystaniem komputerów do wirtualnego planowania zabiegów chirurgicznych, połączenie z inną rozwijającą się technologią, drukiem 3D, doprowadziło do zupełnie nowej ery leczenia chirurgicznego. Celem tych technologii jest precyzja, a opieka dostosowana do potrzeb pacjenta, jako cel przyszły, jest przedstawiona w postaci szablonów chirurgicznych i implantów rekonstrukcyjnych dostosowanych do potrzeb pacjenta. Omawiamy szablony chirurgiczne jako część innego przyszłego protokołu. W obecnym ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Nie otrzymano żadnych funduszy na tę pracę.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Systemy3D D2P (DICOM to Print)Oprogramowaniesegmentacji do tworzenia plików 3D stl
Systemy Geomagic Freeform3DRzeźbiony projekt inżynierski
do

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E. Personalized Medicine. Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. Hock, F., Gralinski, M. , Springer. (2019).
  2. Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents. , US4575330A (1986).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries. Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Rekonstrukcja ubytk w kostnychprojektowanie wspomagane komputerowowytwarzanie wspomagane komputerowooprogramowanie do segmentacjioprogramowanie do projektowania 3Dgenerowanie plik w STLtworzenie prowadnic chirurgicznychdrukowanie implant w tytanowych

Powiązane artykuły