Planowanie 3D i drukowanie implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta w celu rekonstrukcji ubytków kostnych
4 sierpnia 2020
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.
Protokół ten pozwala na wirtualne leczenie pacjentów z ubytkami kostnymi oraz tworzenie nowatorskich prowadnic chirurgicznych i płytek mocujących. Korzystanie z tego protokołu pozwala na wirtualne tworzenie i projektowanie implantów zgodnie z tym, co jest możliwe do użycia na sali operacyjnej z najwyższą dokładnością i skróconym czasem trwania operacji. Implanty dostosowane do potrzeb pacjenta zaplanowane zgodnie z naszym protokołem opierają się na dokładnym obrazowaniu 3D, co skutkuje idealnie dopasowanymi implantami i umożliwia przywrócenie prawidłowej anatomii, symetrii i funkcji tkanek.
Protokół ten pozwala użytkownikom projektować i drukować złożone modele lub struktury z różnych materiałów oraz badać różne parametry, takie jak ich wytrzymałość lub zdolność do regeneracji kości. Chociaż programy te są bardzo przyjazne dla użytkownika, opanowanie procesu projektowania wspomaganego komputerowo zajmuje trochę czasu. Cierpliwość i praktyka pomogą użytkownikowi wyzdrowieć i szybciej.
Ponieważ protokół ten zawiera wiele etapów wirtualnego planowania, obserwacja etapów będzie niezwykle pomocna. W celu segmentacji zrekonstruowanego modelu 3D, w odpowiednim oprogramowaniu do segmentacji w menu Segmentacja kości wybierz Ogólne i użyj narzędzia plus, aby wskazać interesujący nas segment oraz narzędzia minus, aby wskazać niechciane segmenty podczas przewijania i poruszania się po skanie. Użyj przycisku Ustaw, który inicjuje segmentację, a następnie kliknij przycisk Zastosuj, aby utworzyć nowy segment.
Aby wykonać dobrą segmentację kości, w zrekonstruowanym modelu 3D należy zastosować dużą liczbę pozytywnych i ujemnych oznaczeń. i wszystkie inne widoki. Po zakończeniu segmentacji popraw oznaczenia i w razie potrzeby dodaj nowe, aby uzyskać lepszą dokładność.
Eksportuj pliki jako pliki STL 3D. Aby zaprojektować implant do rekonstrukcji 3D, zaimportuj pliki STL do oprogramowania do projektowania 3D i użyj narzędzia do golenia, aby podzielić kość na dwie części. Z menu Wybierz glinę wybierz narzędzie Glina i zaznacz obszar zainteresowania.
Skopiuj zaznaczony obszar i utwórz nowy identyczny obiekt na liście obiektów, aby manipulować położeniem regionu. Aby upewnić się, że oś obrotu jest ustawiona na części kości, która pozostanie w tej samej pozycji, wybierz opcję Zmień położenie i ustaw oś obrotu zgodnie z planem. Ponieważ ludzka czaszka jest w większości symetryczna, użyj narzędzia Mirror Clay w celu uzyskania wskazówek, aby uzyskać prawidłowe ustawienie lub umiejscowienie brakującego lub nieprawidłowo ustawionego segmentu i ustaw płaszczyznę w środku czaszki.
Opierając się na odbitej połówce, wykonaj obrót segmentu zgodnie z potrzebami i użyj narzędzia Dodaj glinę z menu Zbuduj glinę, aby zrekonstruować zwichniętą część kostną. W menu Krzywe wybierz opcję Narysuj krzywą, aby utworzyć ciągły zewnętrzny kształt żądanego implantu. Kliknij segment prawym przyciskiem myszy i wybierz polecenie Duplikuj, aby zduplikować segment kostny.
Pracując w nowym, zduplikowanym segmencie, w menu Glina detalu wybierz opcję Płaskorzeźba z krzywą, aby utworzyć objętość implantu rekonstrukcyjnego. Wybierz zewnętrzną formę szkicowanego implantu i umieść kursor w kształcie koła wewnątrz naszkicowanego implantu na powierzchni kości. Wybierz żądane parametry, przede wszystkim odległość, aby kontrolować grubość implantu i kliknij prawym przyciskiem myszy na zduplikowany segment, aby wybrać opcję Boolean i Usuń z, a następnie wybierz obiekt zawierający utworzony implant.
W przypadkach, w których wymagane są otwory do mocowania śrubowego lub angiogenezy, należy użyć funkcji Utwórz płaszczyznę, aby utworzyć równoległą płaszczyznę, w której zaprojektowano otwory na płytkę. Gdy płaszczyzny są ustawione w maksymalnej równoległości do implantu, wybierz okrąg z menu Szkic i utwórz okręgi o żądanym rozmiarze i położeniu w segmencie. W menu Krzywe użyj opcji Szkic projektu, aby wyznaczyć szkice, które mają zostać przeniesione z płaszczyzny na implant.
Aby wygenerować pogłębiacz stożkowy dla, w menu Glina detalu wybierz opcję Płaskorzeźba z krzywą i umieść kursor w kształcie koła wewnątrz zaznaczonego okrągłego obszaru na powierzchni segmentu. Aby wykonać otwory w menu Powierzchnie SubD, użyj opcji Wire Cut SubD, aby utworzyć pręty prostopadłe do implantu. Aby utworzyć otwory za pomocą prętów, wybierz opcję Boolean i Usuń z, a następnie wybierz każdy pręt po kolei, klikając prawym przyciskiem myszy Boolean, Usuń z i Utwórz implant na liście obiektów.
Aby utworzyć siatkę w implancie, użyj narzędzia Rysuj krzywą, aby wygenerować szkic planowanej siatki, jak pokazano. W menu Detail Clay użyj opcji Płaskorzeźba z zawijanym obrazem, aby wybrać obraz szablonu, na podstawie którego zostanie zaprojektowana siatka. Białe obszary obrazu zostaną odjęte, a czarne obszary pozostaną.
Ręcznie dostosuj kierunek i rozmiar projektu oraz ustaw grubość wygenerowanego wzoru, a następnie kliknij przycisk Zastosuj. Implant dostosowany do potrzeb pacjenta będzie wtedy gotowy do produkcji. Obrazy te uzyskano od 40-letniej pacjentki z pękniętą płytką mocującą do rekonstrukcji w wyniku wcześniejszego urazu i złamaniem bez zrostu w lewej części żuchwy.
Segmentację żuchwy wykonano, jak pokazano, w celu oddzielenia pękniętej płytki mocującej. Za pomocą oprogramowania do projektowania 3D lewy segment żuchwy został przestawiony do prawidłowej pozycji anatomicznej. Wykonano badanie lustrzane prawej zdrowej strony, aby umożliwić prawidłową rekonstrukcję brakującej kości.
Następnie można zaprojektować implant dostosowany do potrzeb pacjenta, w tym otwory na mocujące. Siatka została zaprojektowana, aby umożliwić dodatkowe umieszczenie przeszczepu kostnego, zgodnie z prawidłowym konturem szczęki w oparciu o zdrową stronę i umożliwić lepszą angiogenezę przez otwory w siatce. Na tych obrazach można zaobserwować implant wydrukowany z tytanu przy użyciu technologii selektywnego spiekania laserowego, a wyniki pooperacyjne można zaobserwować.
Zwróć uwagę na ciągłość żuchwy, prawidłowe ustawienie pionowe lewego segmentu żuchwy oraz symetrię w konturze ciała, która została zrekonstruowana przy użyciu implantu specyficznego dla pacjenta jako konturu zewnętrznego i przeszczepu kości grzebienia biodrowego do wypełnienia pustych przestrzeni. Projektując implant dostosowany do potrzeb pacjenta, należy wziąć pod uwagę zaplanowanie płytki o minimalnych rozmiarach, która jest wystarczająco mocna, aby wytrzymać siły nośne, a jednocześnie wytrzymać siły ścinające i momenty obrotowe. Implanty dostosowane do potrzeb pacjenta mogą być również zaprojektowane do kranioplastyki, zabiegów ortopedycznych i mogą być potencjalnie stosowane do projektowania tkanek miękkich we wszystkich narządach.
Protokół ten pozwala obecnie na planowanie nowatorskich implantów do zabiegów chirurgicznych i badań naukowych, a ostatecznie może ułatwić biodrukowanie implantów i regenerację ciał obcych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół umożliwia wirtualne planowanie leczenia pacjentów z defektami kostnymi poprzez tworzenie prowadnic chirurgicznych i płyt stabilizujących. Dzięki zastosowaniu planowania 3D i druku możliwe jest zaprojektowanie implantów dostosowanych do konkretnego pacjenta z najwyższą precyzją, co usprawnia wyniki chirurgiczne.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neurochirurgia
- Inżynieria biomedyczna
- Technologia druku 3D
Wstęp
- Obrazowanie 3D dostarcza dokładnych modeli do planowania chirurgicznego.
- Implanty dopasowane do konkretnego pacjenta poprawiają dopasowanie i funkcjonalność zabiegów rekonstrukcyjnych.
- Złożone modele mogą być projektowane pod kątem różnych potrzeb chirurgicznych.
- Opanowanie procesu projektowania wymaga praktyki i cierpliwości.
Cel badania
- W celu stworzenia implantów dopasowanych do konkretnego pacjenta do rekonstrukcji ubytków kostnych.
- W celu zwiększenia dokładności i efektywności procedur chirurgicznych.
- W celu umożliwienia przywrócenia anatomii i funkcji tkanek.
Metody
- Narzędzia do segmentacji służące do tworzenia modeli 3D.
- Oprogramowanie do projektowania 3D w celu opracowania implantów.
- Wirtualne planowanie leczenia w celu wykonania szablonów chirurgicznych.
- Badania materiałowe pod kątem wytrzymałości i zdolności do regeneracji kości.
Główne wyniki
- Tworzenie precyzyjnie dopasowanych implantów na podstawie obrazowania 3D.
- Skrócenie czasu trwania operacji dzięki lepszemu planowaniu.
- Udoskonalone przywracanie prawidłowej anatomii i symetrii tkanek.
- Skuteczne projektowanie i drukowanie złożonych struktur.
Wnioski
- Protokół ten znacząco poprawia wyniki chirurgiczne w przypadku ubytków kostnych.
- Intuicyjne oprogramowanie ułatwia proces projektowania.
- Dalsza praktyka prowadzi do większej biegłości w projektowaniu 3D.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia klinicystom projektowanie spersonalizowanych implantów do rekonstrukcji ubytków kostnych, wspierając rozwój modeli przedklinicznych oraz badania translacyjne w medycynie regeneracyjnej. Dzięki integracji planowania i druku 3D zwiększa on pewność prognostyczną w zakresie projektu implantu i przywrócenia funkcji, redukując ryzyko biologiczne w wczesnej fazie oceny terapeutycznej. Metoda ta ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez dokładne modelowanie anatomiczne i testowanie materiałów, co jest zgodne z procesami badawczymi na etapie odkrywania w zakresie walidacji implantów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez wirtualną rekonstrukcję ubytków kostnych oraz ocenę interakcji między implantem a tkanką.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego, umożliwiając przedkliniczną ocenę dopasowania implantu, stabilności mechanicznej oraz potencjału angiogennego w systemach istotnych dla danej choroby.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia ustandaryzowane, powtarzalne modele 3D do ilościowej oceny parametrów konstrukcyjnych implantów, takich jak grubość, porowatość i wytrzymałość mechaniczna.
- Wartość operacyjna: Umożliwia przygotowanie do analizy dzięki skalowalnym przepływom pracy projektowej, które wspierają ponowne wykorzystanie platformy w wielu modelach defektów oraz w kampaniach przesiewowych materiałów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną poprzez umożliwienie projektowania implantów odzwierciedlających zdrową anatomię, co wspiera ocenę regeneracji kości i integracji przeszczepu w oparciu o biomarkery.
- Wartość operacyjna: Wspiera decyzje o rozwoju skorygowane o ryzyko, umożliwiając iteracyjne testowanie projektu przed fizycznym prototypowaniem, co zmniejsza ryzyko niepowodzeń na późnych etapach opracowywania implantów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkryć, od walidacji celu, poprzez identyfikację związku wiodącego, aż po ocenę przedkliniczną, umożliwiając iteracyjne cykle projektowania i testowania implantów rekonstrukcyjnych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez, umożliwiając wirtualną manipulację ubytkami kostnymi oraz ocenę projektów implantów pod kątem przywrócenia funkcji i symetrii.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalność analiz dzięki standaryzowanym protokołom segmentacji i projektowania, które generują spójne pliki STL do badań przesiewowych materiałów i geometrii.
- Analityka: Generuje ilościowe odczyty dotyczące grubości implantu, rozmieszczenia otworów oraz gęstości siatki, co umożliwia analizę porównawczą kolejnych iteracji projektu.
- Badania translacyjne: Łączy się z etapem przedklinicznym, umożliwiając projektowanie implantów specyficznych dla pacjenta, które mogą być testowane in vivo pod kątem integracji przeszczepu kostnego i wytrzymałości na obciążenia.
- Zastosowania w przedsiębiorstwie: Tworzy możliwość wielokrotnego wykorzystania narzędzi do projektowania implantów specyficznych dla pacjenta w wielu wskazaniach, w tym w kranioplastyce i rekonstrukcjach ortopedycznych, co ogranicza powielanie wysiłków projektowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w projektowaniu implantów poprzez umożliwienie dokładnej rekonstrukcji anatomicznej oraz funkcjonalnej oceny odporności na obciążenia i ścinanie.
- Wartość operacyjna: Poprawia standaryzację i powtarzalność dzięki zdefiniowanym przepływom pracy w zakresie segmentacji i projektowania, co ogranicza zmienność zależną od użytkownika w planowaniu implantów.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie lepszych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go), umożliwiając wirtualne testowanie projektów implantów w warunkach ograniczeń fizjologicznych, co zmniejsza zależność od prototypowania fizycznego.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów na implanty z uwzględnieniem ryzyka poprzez wczesne identyfikowanie wad konstrukcyjnych, co poprawia efektywność kapitałową w rozwoju przedklinicznym.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie segmentacji obrazowania 3D oraz oprogramowania do wspomaganego komputerowo projektowania w celu dokładnej manipulacji modelami.
- Zależne od dostępu do narzędzi projektowania 3D umożliwiających operacje boolowskie, generowanie siatek oraz korzystanie z narzędzi lustrzanego odbicia w celu rekonstrukcji anatomicznej.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej (zespoły obrazowania, projektowania i produkcji), aby zapewnić wierność przejścia od modelu wirtualnego do wydrukowanego implantu.
- Obejmuje kwestie adaptacji w zależności od rodzajów ubytków i lokalizacji anatomicznej, co wymaga ponownej walidacji parametrów segmentacji i projektowania w przypadku zastosowań poza obszarem twarzoczaszki.
- Ograniczone przez krzywą uczenia się związaną z opanowaniem narzędzi CAD, co może wpływać na początkową przepustowość i spójność projektów.
