Summary
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.
Abstract
Siamo nel bel mezzo dell'era 3D nella maggior parte degli aspetti della vita, e soprattutto in medicina. La disciplina chirurgica è uno dei principali attori in campo medico utilizzando le capacità di pianificazione e stampa 3D in costante sviluppo. La progettazione assistita da computer (CAD) e la produzione assistita da computer (CAM) vengono utilizzate per descrivere la pianificazione e la produzione 3D del prodotto. La progettazione e la produzione di guide chirurgiche 3D e impianti di ricostruzione viene eseguita quasi esclusivamente dagli ingegneri. Man mano che la tecnologia avanza e le interfacce software diventano più facili da usare, si pone una questione relativa alla possibilità di trasferire la pianificazione e la produzione al medico. Le ragioni di un tale cambiamento sono chiare: il chirurgo ha l'idea di ciò che vuole progettare, e sa anche cosa è fattibile e potrebbe essere utilizzato in sala operatoria. Gli permette di essere preparato a qualsiasi scenario/risultati inaspettati durante l'operazione e permette al chirurgo di essere creativo ed esprimere le sue nuove idee utilizzando il software CAD. Lo scopo di questo metodo è quello di fornire ai medici la possibilità di creare le proprie guide chirurgiche e impianti di ricostruzione. In questo manoscritto, un protocollo dettagliato fornirà un metodo semplice per la segmentazione utilizzando il software di segmentazione e la pianificazione degli impianti utilizzando un software di progettazione 3D. Dopo la segmentazione e la produzione di file stl utilizzando un software di segmentazione, il medico potrebbe creare una semplice piastra di ricostruzione specifica del paziente o una piastra più complessa con una culla per il posizionamento dell'innesto osseo. Le guide chirurgiche possono essere create per una resezione accurata, la preparazione dei fori per un corretto posizionamento della piastra di ricostruzione o per la raccolta e il ri-contouring dell'innesto osseo. Un caso di ricostruzione della mandibola dopo la frattura della piastra e la guarigione non sindacale di un trauma subita lesioni è dettagliato.
Introduction
La medicina personalizzata si sta sviluppando rapidamente in molti campi della medicina1. Il trattamento oncologico personalizzato è oggetto di molte discussioni e quindi è ben noto alla popolazione generale. La stampa 3D è stata introdotta per la prima volta da Charles Hull che mostra la stampa 3D di oggetti utilizzando la stereolitografia2. Da allora, sono state sviluppate diverse tecnologie per la stampa 3D. Il metodo utilizzato viene selezionato in base allo scopo del dispositivo.
Il campo chirurgico sta rapidamente abbracciando la medicina personalizzata. Il trattamento personalizzato in campo chirurgico richiede una pianificazione virtuale mediante un software CAD (Computer-Assisted Design). La prima fase include sempre la segmentazione per creare un file stl 3D. La produzione assistita da computer (CAM) è indicata come il processo di produzione della parte progettata in 3D. Il primo utilizzo della tecnologia è stato utilizzato nella stampa di modelli pre-operatori per la pianificazione chirurgica e la chirurgiasimulata 3,4,5. Con lo sviluppo della tecnologia, la pianificazione virtuale degli interventi chirurgici seguita dalla pianificazione e produzione di guide chirurgiche per assistere nella chirurgia stessa e gli impianti di ricostruzione specifici del paziente montati perfettamente sull'osso del paziente è diventato più popolare6,7,8,9,10. Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire ai medici la possibilità di creare le proprie guide chirurgiche e la ricostruzione di impianti specifici per i pazienti. Questo metodo è più preciso rispetto all'utilizzo di piastre di riserva perché si adatta perfettamente e può essere progettato in base alle caratteristiche del difetto specifico. Riduce anche la dipendenza dall'esperienza del chirurgo e riduce i tempi di funzionamento.
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Protocol
Questo studio ha seguito la Dichiarazione di Helsinki sul protocollo medico e l'etica e il Comitato di revisione etica istituzionale ha approvato lo studio.
1. Segmentazione mediante un software di segmentazione
NOTA: il processo di importazione dei file DICOM richiede l'orientamento dei piani assiali, coronali e sagittali nella finestra pop-up per completare l'impostazione.
- Nel menu Segmentazione ossa, scegliete la funzione Generale. Utilizzare il marcatore "-" per i segmenti indesiderati e "-" per il segmento di interesse. Aggiungere marcatori sul modello ricostruito 3D o sulle diverse sezioni trasversali durante lo scorrimento e lo spostamento all'interno della scansione.
- Scegliere il pulsante Imposta che dimostra la segmentazione. A questo punto, correggere i contrassegni e aggiungerne di nuovi per una migliore precisione. Premere Applica per creare il nuovo segmento. È possibile creare più segmenti in questo modo.
- Al termine della segmentazione, esportare i file come file 3D stl per la stampa 3D o la pianificazione di impianti di ricostruzione 3D in programmi CAD di progettazione 3D.
2. Progettazione di impianti ricostruiti utilizzando un software di progettazione 3D
- Dopo aver preformato la segmentazione ossea utilizzando il software di segmentazione, importare i file stl nel software di progettazione 3D (vedere Tabella dei materiali).
- Se è necessaria un'ulteriore separazione (ad esempio, se una parte deve essere spostata separatamente), farlo qui. Nel menu Argilla scolpisci, usate lo strumento rasatura per separare l'osso in due parti. Nel menu Seleziona/Sposta argilla, selezionare l'argilla e contrassegnare la parte su cui lavorare. Quindi, copiare questa parte e creare un nuovo oggetto identico nell'elenco degli oggetti per manipolarne la posizione come osservato nella fase successiva.
- Eseguire il movimento del segmento in questa fase. Assicurarsi che l'asse di rotazione sia impostato sulla parte dell'osso per rimanere nella stessa posizione. Nel menu Seleziona/Sposta argilla, selezionare Riposiziona e impostare l'asse di rotazione come pianificato.
- Poiché il cranio umano è per lo più simmetrico, utilizzare il lato sano per la guida per ottenere il giusto posizionamento/ sostituzione del segmento mancante/mal posizionato. Utilizzare una tecnica di mirroring per creare un'immagine speculari del lato normale. Nel menu Costruisci argilla, usate l'opzione Argilla speculare e impostate il piano al centro del cranio.
- In base alla metà specchiata, eseguire la rotazione del segmento se necessario e ricostruire la parte ossea avulsata utilizzando lo strumento Aggiungi argilla nel menu Costruisci argilla. Questa ricostruzione viene eseguita al fine di costruire un impianto di ricostruzione specifico del paziente nelle fasi successive, che ricostruirà il contorno facciale corretto.
- Dopo aver ricostruito il segmento osseo, creare l'impianto di ricostruzione specifico del paziente. Nel menu Curve, utilizzare l'opzione Disegna curva e creare una forma esterna continua dell'impianto desiderato.
- In questa fase, duplicare il segmento osseo in quanto sarà necessario eseguire una funzione booleana per separare l'impianto costruito. Questa operazione viene eseguita nella finestra dell'elenco oggetti facendo clic con il pulsante destro del mouse sul segmento e premendo l'opzione Duplica.
- Lavorare nel nuovo segmento duplicato. Nel menu Argilla di dettaglio, utilizzare l'opzione Rilievo con curva per creare il volume dell'impianto di ricostruzione. Selezionare la forma esterna dell'impianto disegnato, quindi posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno dell'impianto disegnato, sulla superficie dell'osso. Si noti che il rilievo funzionerà verso l'esterno o all'interno dell'osso, a seconda della posizione del cursore. Quindi, scegliere i parametri desiderati - soprattutto, l'opzione di distanza che controlla lo spessore dell'impianto.
- Separare l'impianto dal segmento osseo. Nell'elenco degli oggetti, scegliere l'oggetto duplicato in precedenza dal passaggio 2.7, fare clic con il pulsante destro del mouse e selezionare Booleano - Rimuovi da. Quindi scegliere l'oggetto contenente l'impianto creato.
- Nel caso in cui siano necessari fori per la fissazione delle viti o per consentire l'angiogenesi, selezionare Categoria piani - Crea piano per creare un piano parallelo in cui sono progettati i fori per la piastra. Utilizzando la manipolazione manuale, posizionare i piani nel massimo parallelismo all'impianto. Nel menu Schizzo, scegliete un cerchio e create i cerchi nella dimensione e nella posizione desiderate. Si può creare un secondo cerchio più grande, che servirà come contro-sink per la testa della vite adeditrice.
- Nel menu Curve, utilizzare l'opzione Schizzo progetto e scegliere gli schizzi designati per il trasferimento dal piano all'impianto.
- Per generare il controstrudimento per le viti, nel menu Argilla dettaglio, utilizzare l'opzione Rilievo con curva. Selezionare i cerchi esterni dello schizzo, posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno dell'area circolare contrassegnata sulla superficie e immettere la distanza che controlla le profondità del contro-sink (ad esempio, 0,3 mm). Per completare il processo, premere Applica e Inferiore per assicurarsi che il rilievo venga eseguito in modo sottrazione e non additivo.
- Per completare i fori, nel menu Superfici secondarie, utilizzare l'opzione Filo taglio SubD per creare aste perpendicolari all'impianto in base ai piccoli cerchi creati al punto 2.10.
- Per creare i fori utilizzando le aste, utilizzare Booleano > Rimuovi da come nel passaggio 2.9. Scegliere un'asta dopo l'altra, fare clic con il pulsante destro del mouse nell'elenco degli oggetti, ovvero aggiungere un valore booleano all'altra, ovvero Rimuovere dall'impianto creato.
NOTA: In alternativa, le viti desiderate possono essere create/scansionate e la funzione booleana può essere utilizzata per creare i fori desiderati. - Per creare una mesh nell'impianto (consentendo ad esempio l'angiogenesi), generare prima uno schizzo (utilizzando l'opzione curva) della mesh pianificata come nel passaggio 2.6.
- Nel menu Argilla dettaglio, utilizzate l'opzione Rilievo con immagine avvolta. Scegliere un'immagine in base alla quale verrà creata la mesh (ci sono diversi modelli che vengono con il programma). Le parti bianche dell'immagine verranno sottratte nella mesh e le parti nere verranno risparmiate.
- Utilizzando il controllo manuale, regolare la direzione e le dimensioni del disegno. Impostare la distanza che rappresenta lo spessore dei fori generati e premere Applica. L'impianto specifico del paziente è pronto per la produzione.
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Representative Results
Una paziente di 40 anni con una frattura, magazzino fornito, piastra di fissaggio ricostruzione da un infortunio precedente e una frattura non sindacale nel corpo sinistro della mascella inferiore presentato al reparto. L'imaging mostra la piastra di fissaggio rotta e il segmento sinistro mal posizionato della mascella inferiore (Figura 1). Utilizzando il software di segmentazione, è stata eseguita la segmentazione della mandibola separando la piastra di fissaggio rotta (Figura supplementare 1 e Figura supplementare 2). Utilizzando il software di progettazione 3D, il segmento sinistro della mandible è stato riposizionato nella posizione anatomica corretta (Figura supplementare 3 e Figura supplementare 4). Il mirroring del lato sano destro è stato eseguito per consentire una corretta ricostruzione dell'osso mancante (Figura supplementare 5). L'impianto specifico del paziente è stato progettato, compresi i fori per le viti di fissaggio (Figure supplementari 6, 7 e 8). Una rete è stata progettata per consentire un ulteriore posizionamento dell'innesto osseo in base al contorno corretto della mascella, basato sul lato sano, consentendo anche un'angiogenesi superiore attraverso i fori nella rete (Figura supplementare 9).
L'impianto è stato inviato per la stampa in titanio utilizzando la tecnologia di sintering laser selettivo. I risultati post-operatori possono essere osservati nella Figura 2. Si noti la continuità della mandibola e la corretta posizione verticale del segmento della mandibola sinistra rispetto alla situazione pre-operativa come si osserva nella Figura 1. Si noti anche la simmetria nel contorno osseo che è stato ricostruito utilizzando l'impianto specifico del paziente come contorno esterno e un innesto osseo cresta iliaco per riempire i vuoti.
Figura 1: Imaging pre-operativo di un paziente di 40 anni con una piastra di ricostruzione rotta e frattura non sindacale della mandibola sinistra. (A) Immagine panoramica, notare la piastra di fissaggio rotta e la posizione superiore del segmento mandibolare sinistro rispetto a destra. (B) A sinistra, un'immagine cefalometrica anteriore posteriore e sulla destra una vista frontale di una ricostruzione 3D dall'immagine tomografia computerizzata del paziente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immaginazione post-operatoria. (A) Immagine panoramica; si noti la continuità della mandibola, rispetto alla posizione superiore del segmento mandibolare sinistro osservato nella Figura 1. (B) A sinistra si osserva un'immagine cefalometrica anteriore posteriore. Sulla destra, è possibile osservare una vista frontale della ricostruzione 3D da un'immagine tomografia computerizzata. Si noti la continuità dell'osso dopo il riposizionamento del segmento sinistro e il riempimento dei vuoti con un innesto osseo cresta iliaco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 1: software di segmentazione. Vista dell'area di lavoro e del processo di segmentazione ossea. Sulla sinistra c'è la ricostruzione 3D dell'immagine tomografia computerizzata. Sulla destra ci sono le diverse viste che consentono di navigare tra le diverse sezioni. I cerchi gialli sono i marcatori "-" per la rimozione del pezzo marcato e quelli arancioni sono i marcatori "" per la regione di interesse. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 2: Processo di segmentazione. Dopo la segmentazione della mascella inferiore. La precedente piastra di ricostruzione rotta è stata rimossa dalla regione di interesse. Questo segmento viene esportato come file stl 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 3: software di progettazione 3D. I file stl 3D sono stati esportati da un software di segmentazione e importati in software di progettazione 3D. (A) L'area di lavoro. (B) Le ossa facciali 3D importate. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 4: ulteriore segmentazione e riposizionamento. (A) Segmentazione della mandibola in due pezzi diversi. (B) La parte più piccola della mandibola è stata riposizionata nella sua corretta posizione anatomica. La cerniera del movimento è stata impostata sul condilo mandibolare sinistro. È possibile osservare sia le impostazioni pre che post-movimento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 5: Funzione di mirroring del lato sano. (A) Definizione del piano sagittale medio per la specchiatura. (B) Unire la parte specchiata (che consente una corretta ricostruzione del bordo inferiore della mascella) con il segmento rimanente nel paziente e il riempimento dei vuoti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 6: Creazione dell'impianto specifico del paziente. (A) Creazione della forma esterna dell'impianto utilizzando la funzione curva. (B) Creazione dello spessore della piastra. Questo viene creato sulla mandibile ricostruita seguendo la tecnica di mirroring. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 7: Separazione della piastra e dei fori di pianificazione. (A) Dopo la separazione dell'impianto specifico del paziente utilizzando la funzione booleana. (B) Creazione di fori per le viti e il controsvolgimento utilizzando un piano perpendicolare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 8: Fori e preparazione del controbacino. (A) Dopo la preparazione del contrsinktto mediante la funzione emboss. (B) A sinistra si possono osservare le aste create per la preparazione del foro. Sulla destra è l'impianto con fori dopo la sottrazione delle aste dall'impianto utilizzando la funzione booleana. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 9: Preparazione di una mesh. (A) Preparazione mesh utilizzando la funzione Rilievo con immagine avvolta. (B) Vedute sinistra e inferiore dell'impianto specifico del paziente finale sulla mandibola esistente dopo il riposizionamento. Si noti che l'impianto guiderà il chirurgo per il corretto riposizionamento durante l'intervento chirurgico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Con il costante sviluppo dell'uso dei computer per la pianificazione virtuale delle procedure chirurgiche, la combinazione con un'altra tecnologia in via di sviluppo, la stampa 3D, ha portato a una nuova era di trattamento chirurgico. L'accuratezza è l'obiettivo di queste tecnologie e la cura specifica del paziente, come obiettivo futuro, è presentato sotto forma di guide chirurgiche e impianti di ricostruzione specifici del paziente. Discutiamo guide chirurgiche come parte di un protocollo futuro diverso. Nel protocollo corrente, discutiamo la segmentazione delle immagini DICOM in file stl 3D che possono essere stampati in 3D come modello. Discutiamo anche della pianificazione virtuale 3D di un impianto specifico per il paziente. Viene presentato l'uso di diverse funzioni per aiutare nella ricostruzione di frammenti ossei mancanti o spostati. Il riposizionamento di un segmento e la specchiatura del lato integro sono tali funzioni. La costruzione dell'impianto utilizzando il contorno pianificato dell'osso è dettagliata. Vengono mostrati i fori per le viti di fissaggio e la progettazione di una rete o di una culla per il posizionamento dell'innesto osseo e per l'abilitazione dell'angiogenesi. Ricordate sempre che il design è limitato in termini di dimensioni ai tessuti molli disponibili per la chiusura. Consentire una corretta angiogenesi e utilizzare grandi fori/mesh quando possibile per questo scopo. Gli impianti specifici del paziente non subiscono manipolazioni fisiche durante l'intervento chirurgico per la compatibilità con l'osso rimanente, al contrario delle piastre di ricostruzione regolari (che le indebolisce). Così, piastre più sottili in grado di sopportare forze molto più grandi. Tenere presente che se il processo di produzione dell'impianto in titanio stampato in 3D include l'arrotondamento dell'aspetto esterno (per evitare l'irritazione dei tessuti molli), rimuove materiale aggiuntivo (circa 0,3 mm). Quando si preparano gli impianti con una culla, è fondamentale evitare angoli che interferiscono con il corretto posizionamento dell'impianto sull'osso.
Detto questo, la pianificazione e la stampa 3D di impianti specifici del paziente è già utilizzata nella pratica clinica, mostrando risultati positivi. Le limitazioni del metodo sono il costo e la necessità di un ingegnere per la pianificazione, che si traduce in riunioni web e discussioni che richiedono molto tempo durante la fase di pianificazione.
Abbiamo scoperto che la pianificazione interna dell'impianto riduce drasticamente i costi e consente anche l'uso da parte delle aziende locali per stampare l'impianto. Con lo sviluppo della tecnologia, l'interfaccia software diventa più user-friendly e consente al chirurgo di pianificare le proprie procedure chirurgiche e impianti specifici per il paziente. Questo dà grandi vantaggi, il chirurgo entra in sala operatoria con l'impianto che ha sviluppato seguendo i movimenti e le procedure di ricostruzione che ha pianificato e quindi è a conoscenza di ogni passo, e sa come affrontare sviluppi imprevisti durante l'intervento chirurgico. Questo protocollo è destinato a questo scopo esatto, permettendo al chirurgo di pianificare i propri interventi chirurgici e creare i propri impianti specifici del paziente.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Per questo lavoro non è stato ricevuto alcun finanziamento.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| D2P (DICOM to Print) | 3D systems | Segmentation software to create 3D stl files | |
| Geomagic Freeform | 3D systems | Sculpted Engineering Design |
References
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