Summary
Este protocolo descreve o uso de planejamento e impressão 3D para reconstrução de defeitos ósseos. Utilizamos ferramentas de segmentação para criar modelos 3D seguidos de software de design 3D para criar implantes específicos do paciente para fins de reconstrução concomitantes à cirurgia ablativa ou como segundo estágio.
Abstract
Estamos no meio da era 3D na maioria dos aspectos da vida, e especialmente na medicina. A disciplina cirúrgica é um dos principais atores da área médica usando o constante desenvolvimento de capacidades de planejamento e impressão 3D. O design assistido por computador (CAD) e a fabricação assistida por computador (CAM) são usados para descrever o planejamento e fabricação 3D do produto. O planejamento e fabricação de guias cirúrgicos 3D e implantes de reconstrução é realizado quase exclusivamente por engenheiros. À medida que os avanços tecnológicos e as interfaces de software se tornam mais fáceis de usar, levanta uma questão sobre a possibilidade de transferir o planejamento e a fabricação para o médico. As razões para tal mudança são claras: o cirurgião tem a ideia do que quer projetar, e também sabe o que é viável e pode ser usado na sala de cirurgia. Ele permite que ele esteja preparado para qualquer cenário/resultados inesperados durante a operação e permite que o cirurgião seja criativo e expresse suas novas ideias usando o software CAD. O objetivo deste método é fornecer aos médicos a capacidade de criar seus próprios guias cirúrgicos e implantes de reconstrução. Neste manuscrito, um protocolo detalhado fornecerá um método simples de segmentação usando software de segmentação e planejamento de implantes usando um software de design 3D. Após a segmentação e a produção de arquivos stl utilizando software de segmentação, o médico poderia criar uma placa de reconstrução específica do paciente simples ou uma placa mais complexa com um berço para posicionamento de enxerto ósseo. Guias cirúrgicos podem ser criados para ressecção precisa, preparação do orifício para posicionamento adequado da placa de reconstrução ou para colheita e re-contorno do enxerto ósseo. Um caso de reconstrução da mandíbula inferior após fratura da placa e cicatrização não sindical de uma lesão sofrida por trauma é detalhado.
Introduction
A medicina personalizada está se desenvolvendo rapidamente em muitos campos da medicina1. O tratamento personalizado oncológico é um assunto de muita discussão e, portanto, é bem conhecido pela população em geral. A impressão 3D foi introduzida pela primeira vez por Charles Hull mostrando impressão 3D de objetos usando estereotipografia2. Desde então, foram desenvolvidas diferentes tecnologias para impressão 3D. O método utilizado é selecionado com base na finalidade do dispositivo.
O campo cirúrgico está rapidamente adotando a medicina personalizada. O tratamento personalizado no campo cirúrgico requer planejamento virtual usando um software CAD (Computer-Assisted Design, design assistido por computador). A primeira etapa sempre inclui segmentação para criar um arquivo 3D stl. A fabricação assistida por computador (CAM) é referida como o processo de fabricação da peça projetada em 3D. A primeira utilização da tecnologia foi utilizada na impressão de modelo pré-operatório para planejamento cirúrgico e cirurgia simulada3,,4,5. Com o desenvolvimento da tecnologia, o planejamento virtual das cirurgias seguido do planejamento e fabricação de guias cirúrgicos para auxiliar na própria cirurgia e implantes de reconstrução específicos do paciente instalados perfeitamente no osso do paciente tornou-se mais popular6,7,,8,,9,,10. O objetivo deste protocolo é fornecer aos médicos a capacidade de criar seus próprios guias cirúrgicos e reconstrução de implantes específicos do paciente. Este método é mais preciso do que o uso de placas de estoque porque se encaixa perfeitamente e pode ser projetado com base nas características do defeito específico. Também reduz a dependência da experiência do cirurgião e reduz o tempo de operação.
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Protocol
Este estudo seguiu a Declaração de Helsinque sobre protocolo médico e ética e o Conselho de Revisão Ética Institucional aprovou o estudo.
1. Segmentação utilizando um software de segmentação
NOTA: O processo de importação dos arquivos DICOM requer a orientação dos planos axial, coronal e sagital na janela pop-up para terminar a configuração.
- No menu Segmentação óssea, escolha o recurso Geral. Use o marcador "-" para segmentos indesejados e "+" para o segmento de interesse. Adicione marcadores no modelo reconstruído 3D ou nas diferentes seções transversais ao rolar e mover-se ao longo da varredura.
- Escolha o botão Definir que demonstre a segmentação. Neste ponto, corrija as marcas e adicione novas para melhor precisão. Pressione Aplicar para criar o novo segmento. Vários segmentos podem ser criados dessa forma.
- Após a segmentação ser concluída, exporte os arquivos como arquivos stl 3D para impressão 3D ou planejamento de implantes de reconstrução 3D em programas CAD de design 3D.
2. Projetando implantes de reconstrução usando software de design 3D
- Depois de pré-formar a segmentação óssea usando o software de segmentação, importe os arquivos stl para o software de design 3D (ver Tabela de Materiais).
- Se for necessária uma separação adicional (por exemplo, se uma parte é destinada a ser movida separadamente), faça-o aqui. No menu Sculpt Clay, use a ferramenta de barbear para separar o osso em duas partes. No menu Select/Move Clay, selecione a argila e marque a peça para trabalhar. Em seguida, copie esta parte e crie um novo objeto idêntico na lista de objetos, a fim de manipular sua posição como observado no estágio seguinte.
- Realize o movimento do segmento nesta fase. Certifique-se de que o eixo de rotação está definido na parte do osso para permanecer na mesma posição. No menu Seleção/Argila De Movimento, selecione Reposicionar e definir o eixo de rotação como planejado.
- Como o crânio humano é em sua maioria simétrico, use o lado saudável para orientação para obter o posicionamento/substituição certo do segmento ausente/mal posicionado. Use uma técnica de espelhamento para criar uma imagem de espelhamento do lado normal. No menu Construct Clay, use a opção Argila espelhada e coloque o plano no centro do crânio.
- Com base na metade espelhada, realize a rotação do segmento se necessário e reconstrua a parte óssea avulsada usando a ferramenta Adicionar argila no menu Construct Clay. Essa reconstrução é realizada para construir um implante de reconstrução específico do paciente nas próximas etapas, que reconstruirá o contorno facial correto.
- Após a reconstrução do segmento ósseo, crie o implante de reconstrução específico do paciente. No menu Curvas, use a opção Curva de Saque e crie uma forma externa contínua do implante desejado.
- Nesta fase, duplique o segmento ósseo, pois será necessário realizar uma função booleana para separar o implante construído. Isso é realizado na janela da lista de objetos clicando com o botão direito do mouse no segmento e pressionando a opção Duplicar.
- Trabalhar no novo segmento duplicado. No menu Argila detalhada, use a opção Emboss With Curve para criar o volume do implante de reconstrução. Escolha a forma externa do implante esboçado e, em seguida, coloque o cursor em forma de círculo dentro do implante esboçado, na superfície do osso. Observe que o relevo funcionará para fora ou para dentro do osso, dependendo da colocação do cursor. Em seguida, escolha os parâmetros desejados - o mais importante, a opção de distância que controla a espessura do implante.
- Separe o implante do segmento ósseo. Na lista de objetos, escolha o objeto anteriormente duplicado da etapa 2.7, clique com o botão direito do mouse e selecione Boolean → Remover De. Em seguida, escolha o objeto que contém o implante criado.
- No caso de orifícios para fixação de parafusos ou para permitir a angiogênese, selecione Categoria de Planos → Criar plano para criar um plano paralelo no qual os orifícios para a placa são projetados. Usando manipulação manual, coloque os planos em paralelismo máximo ao implante. No menu Sketch, escolha um círculo e crie círculos no tamanho e posição desejados. Um segundo círculo maior pode ser criado, que servirá como contra-ataque para a cabeça do parafuso intendente.
- No menu Curvas, use a opção Project Sketch e escolha os esboços designados para serem transferidos do plano para o implante.
- Para gerar o contra-ataque para os parafusos, no menu Argila detalhada, use a opção Emboss com Curva. Escolha os círculos externos do esboço, coloque o cursor em forma de círculo dentro da área circular marcada na superfície e entre na distância que controla as profundezas do contra-ataque (por exemplo, 0,3 mm). Para concluir o processo, pressione Aplicar e Diminuir para garantir que o relevo seja realizado de forma subtração e não aditiva.
- Para completar os orifícios, no menu Superfícies SubD, use a opção SubD de corte de fio para criar hastes perpendiculares ao implante com base nos pequenos círculos criados na etapa 2.10.
- Para criar os orifícios usando as hastes, use Boolean > Remova da etapa 2.9. Escolha uma haste após a outra, clique com o botão direito do mouse na lista de objetos → Boolean → Remova De → Implante Criado.
NOTA: Alternativamente, os parafusos desejados podem ser criados/digitalizados e a função Booleana pode ser usada para criar os orifícios desejados. - Para criar uma malha no implante (permitindo angiogênese, por exemplo), primeiro gerar um esboço (usando a opção de curva) da malha planejada como na etapa 2.6.
- No menu Argila detalhada, use a opção Emboss com Imagem Embrulhada. Escolha uma imagem de acordo com a qual a malha será criada (existem vários modelos que vêm com o programa). As partes brancas da imagem serão subtraídas na malha, e as partes pretas serão poupadas.
- Usando o controle manual, ajuste a direção e o tamanho do design. Defina a distância que representa a espessura dos orifícios gerados e pressione Aplicar. O implante específico do paciente está pronto para a produção.
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Representative Results
Uma paciente do sexo feminino de 40 anos com uma placa de fixação de reconstrução quebrada, de uma lesão anterior e uma fratura não sindicalizada no corpo esquerdo da mandíbula inferior apresentada ao departamento. A imagem mostra a placa de fixação quebrada e o segmento esquerdo mal posicionado da mandíbula inferior(Figura 1). Utilizando software de segmentação, foi realizada a segmentação da mandíbula inferior separando a placa de fixação quebrada (Figura Suplementar 1 e Figura Suplementar 2). Utilizando software de design 3D, o segmento esquerdo da mandíbula foi reposicionado para a posição anatômica correta (Figura Suplementar 3 e Figura Suplementar 4). Espelhamento do lado direito saudável foi realizado para permitir a reconstrução adequada do osso ausente (Figura Suplementar 5). O implante específico do paciente foi projetado, incluindo orifícios para parafusos de fixação(Figuras Suplementares 6, 7 e 8). Uma malha foi projetada para permitir a colocação adicional do enxerto ósseo de acordo com o contorno adequado da mandíbula, com base no lado saudável, possibilitando também angiogênese superior através dos orifícios na malha(Figura Suplementar 9).
O implante foi enviado para impressão a partir de titânio usando tecnologia seletiva de sintering a laser. Os resultados pós-operatórios podem ser observados na Figura 2. Observe a continuidade da mandíbula inferior e a posição vertical correta do segmento da mandíbula inferior esquerda em comparação com a situação pré-operatória, como observado na Figura 1. Observe também a simetria no contorno ósseo que foi reconstruído utilizando o implante específico do paciente como contorno externo e um enxerto ósseo de crista ilíaca para preenchimento dos vazios.
Figura 1: Imagem pré-operada de um paciente de 40 anos com placa de reconstrução quebrada e fratura não sindical da mandíbula inferior esquerda. (A) Imagem panorâmica, observe a placa de fixação quebrada e a posição superior do segmento mandibular esquerdo em comparação com a direita. (B) À esquerda, uma imagem cefalométrica posterior-anterior e à direita uma visão frontal de uma reconstrução 3D da imagem da tomografia computadorizada do paciente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Imaginação pós-operatória. (A) Imagem panorâmica; observe a continuidade da mandíbula inferior, em comparação com a posição superior do segmento mandibular esquerdo observada na Figura 1. (B) À esquerda, pode-se observar uma imagem cefalométrica posterior-anterior. À direita, uma visão frontal da reconstrução 3D a partir de uma imagem tomografia computadorizada pode ser observada. Observe a continuidade do osso após o reposicionamento do segmento esquerdo e preenchendo os vazios com um enxerto ósseo ilíaco. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 1: Software de segmentação. Uma visão do espaço de trabalho e do processo de segmentação óssea. À esquerda está a reconstrução 3D da imagem da tomografia computadorizada. À direita estão as diferentes visualizações que permitem navegar pelas diferentes seções. Os círculos amarelos são os marcadores "-" para remoção da peça marcada e os laranjas são os marcadores "+" para a região de interesse. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 2: Processo de segmentação. Seguindo a segmentação da mandíbula inferior. A placa de reconstrução quebrada anterior foi removida da região de interesse. Este segmento é exportado como um arquivo 3D stl. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 3: Software de design 3D. Os arquivos 3D stl foram exportados de um software de segmentação e importados para o software de design 3D. OAespaço de trabalho. (B) Os ossos faciais 3D importados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 4: Maior segmentação e reposicionamento. (A) Segmentação da mandíbula inferior em dois pedaços diferentes. (B) A parte menor da mandíbula inferior foi reposicionada à sua posição anatômica correta. A dobradiça do movimento foi definida para o condyle mandibular esquerdo. As configurações de movimento pré e pós podem ser observadas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 5: Função de espelhamento do lado saudável. (A) Definindo o plano sagital médio para o espelhamento. (B) Mesclando a parte espelhada (que permite a reconstrução adequada da borda inferior da mandíbula) com o segmento restante no paciente e preenchendo vazios. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 6: Criação do implante específico do paciente. (A) Criar a forma externa do implante usando a função curva. (B) Criação da espessura da placa. Isso é criado na mandíbula reconstruída seguindo a técnica de espelhamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 7: Separação da placa e o planejamento dos buracos. (A) Após a separação do implante específico do paciente utilizando a função booleana. (B) Criação de orifícios para os parafusos e contra-tinta usando um plano perpendicular. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura suplementar 8: Furos e preparação de contra-tinta. (A) Seguindo a preparação do contra-ataque usando a função relevo. (B) À esquerda, podem ser observadas as hastes criadas para a preparação do orifício. À direita está o implante com orifícios após a subtração das hastes do implante usando a função Booleana. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura Suplementar 9: Preparando uma malha. (A) Preparação de malha utilizando a função Emboss com Imagem Embrulhada. (B) Vistas esquerda e inferior do implante específico do paciente final na mandíbula inferior existente após o reposicionamento. Note que o implante guiará o cirurgião para o reposicionamento correto durante a cirurgia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Com o constante desenvolvimento do uso de computadores para o planejamento virtual de procedimentos cirúrgicos, a combinação com outra tecnologia em desenvolvimento, a impressão 3D, levou a uma nova era de tratamento cirúrgico. A precisão é o objetivo dessas tecnologias e o atendimento específico do paciente, como objetivo futuro, é apresentado na forma de guias cirúrgicos e implantes de reconstrução específicos do paciente. Discutimos guias cirúrgicos como parte de um protocolo futuro diferente. No protocolo atual, discutimos a segmentação de imagens DICOM em arquivos 3D stl que podem ser impressos em 3D como modelo. Também discutimos o planejamento virtual 3D de um implante específico do paciente. É apresentado o uso de diversas funções para ajudar na reconstrução de fragmentos ossos perdidos ou deslocados. O re posicionamento de um segmento e o espelhamento do lado saudável são tais funções. A construção do implante utilizando o contorno planejado do osso é detalhada. Furos para fixação de parafusos e projetar uma malha ou um berço para colocação de enxerto ósseo e habilitação para angiogênese é mostrado. Lembre-se sempre que o design é limitado em tamanho ao tecido mole disponível para fechamento. Permita a angiogênese adequada e use grandes furos/malha quando possível para este fim. Implantes específicos do paciente não sofrem manipulação física durante a cirurgia para compatibilidade com o osso restante, ao contrário das placas de reconstrução regulares (o que os enfraquece). Assim, placas mais finas podem suportar forças muito maiores. Leve-se em conta que se o processo de produção do implante de titânio impresso em 3D incluir a suavização do aspecto externo (para evitar irritação do tecido mole), ele remove material adicional (aproximadamente 0,3 mm). Ao preparar implantes com um berço, é crucial evitar ângulos que interferem com a colocação adequada do implante no osso.
Dito isso, o planejamento e impressão 3D de implantes específicos do paciente já é utilizado na prática clínica, apresentando resultados positivos. As limitações do método são o custo e a necessidade de um engenheiro para o planejamento, o que resulta em reuniões e discussões na web demoradas durante a fase de planejamento.
Descobrimos que o planejamento interno do implante reduz drasticamente os custos e também permite o uso de empresas locais para imprimir o implante. Com o desenvolvimento da tecnologia, a interface de software torna-se mais fácil de usar e permite que o cirurgião planeje seus próprios procedimentos cirúrgicos e implantes específicos do paciente. Isso dá grande vantagen, o cirurgião entra na sala de cirurgia com o implante que desenvolveu seguindo movimentos e procedimentos de reconstrução que planejou e, portanto, está ciente de cada passo, e sabe lidar com desenvolvimentos inesperados durante a cirurgia. Este protocolo destina-se a este propósito exato, permitindo que o cirurgião planeje suas próprias cirurgias e crie implantes específicos para seu próprio paciente.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Nenhum financiamento foi recebido para este trabalho.
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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