Summary
Этот протокол описывает использование 3D-планирования и печати для восстановления костных дефектов. Мы используем инструменты сегментации для создания 3D-моделей с последующим программным обеспечением для 3D-дизайна для создания конкретных имплантатов для целей реконструкции, сопутствующей абляционной хирургии или в качестве второго этапа.
Abstract
Мы находимся в разгаре 3D эпохи в большинстве аспектов жизни, и особенно в медицине. Хирургическая дисциплина является одним из основных игроков в медицинской области, используя постоянно развивающиеся возможности 3D-планирования и печати. Компьютерный дизайн (CAD) и компьютерное производство (CAM) используются для описания 3D-планирования и производства продукта. Планирование и изготовление 3D хирургических направляющих и восстановительных имплантатов выполняются почти исключительно инженерами. По мере развития технологий и создания программных интерфейсов возникает вопрос о возможности передачи планирования и производства врачу. Причины такого сдвига понятны: хирург имеет представление о том, что он хочет проектировать, и он также знает, что возможно и может быть использовано в операционной. Это позволяет ему быть готовым к любому сценарию / неожиданные результаты во время операции и позволяет хирургу быть творческим и выразить свои новые идеи с помощью программного обеспечения CAD. Цель этого метода заключается в том, чтобы предоставить врачам возможность создавать свои собственные хирургические руководства и имплантаты реконструкции. В этой рукописи подробный протокол обеспечит простой метод сегментации с использованием программного обеспечения сегментации и планирования имплантатов с помощью программного обеспечения для 3D-дизайна. После сегментации и производства файла stl с помощью программного обеспечения сегментации, врач может создать простую пациента специфической пластины реконструкции или более сложной пластины с колыбелью для позиционирования костного трансплантата. Хирургические направляющие могут быть созданы для точной резекции, подготовки отверстия для правильного позиционирования пластины реконструкции или для сбора костного трансплантата и повторного контурирования. Подробно описан случай реконструкции нижней челюсти после перелома пластины и несоюзного заживления травмы, полученной в результате травмы.
Introduction
Персонализированная медицина быстро развивается во многих областях медицины1. Онкологическое персонализированное лечение является предметом многочисленных дискуссий и, таким образом, хорошо известно населению в целом. 3D-печать была впервые введена Чарльз Халл показаны 3D-печать объектов с использованием стереолитографии2. С тех пор были разработаны различные технологии для 3D-печати. Используемый метод выбирается на основе назначения устройства.
Хирургическое поле быстро охватывает персонализированную медицину. Персонализированное лечение в хирургической области требует виртуального планирования с помощью программного обеспечения с помощью компьютера (CAD). Первый этап всегда включает сегментацию для создания файла 3D stl. Компьютерное производство (CAM) называется производственным процессом 3D-разработанной детали. Первое использование технологии было использовано в предоперациной модели печати для хирургического планирования и макет хирургии3,4,5. С развитием технологии, виртуальное планирование операций с последующим планированием и производством хирургических руководств для оказания помощи в самой операции и пациента специфической реконструкции имплантатов установлены прекрасно на кости пациента стал более популярным6,7,8,,9,10. Цель этого протокола заключается в том, чтобы предоставить врачам возможность создавать свои собственные хирургические руководства и реконструкции пациента конкретных имплантатов. Этот метод является более точным, чем использование фондовых пластин, поскольку он идеально подходит и может быть разработан на основе характеристик конкретного дефекта. Это также уменьшает зависимость от опыта хирурга и сокращает время работы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Это исследование проводилось в соответствии с Хельсинкской декларацией по медицинскому протоколу и этике, и Институциональный совет по этичному обзору одобрил это исследование.
1. Сегментация с использованием программного обеспечения сегментации
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс импорта файлов DICOM требует ориентации осевых, корональных и сагиттальных самолетов во всплывающем окне, чтобы закончить установку.
- В меню сегментации костей выберите общую функцию. Используйте маркер "-" для нежелательных сегментов и ""для сегмента интересов. Добавьте маркеры на 3D-реконструированной модели или на различные поперечные сечения при прокрутке и перемещении по всему сканированию.
- Выберите кнопку Set, которая демонстрирует сегментацию. На этом этапе, исправить маркировки и добавить новые для лучшей точности. Нажмите Применить для создания нового сегмента. Таким образом можно создать несколько сегментов.
- После завершения сегментации экспортируйте файлы в виде stl 3D-файлов для 3D-печати или планирования 3D-реконструкции имплантатов в 3D-дизайне CAD-программ.
2. Проектирование восстановительных имплантатов с использованием программного обеспечения для 3D-дизайна
- После предварительной формации костной формации с помощью программного обеспечения сегментации, импортировать Stl файлы в 3D дизайн программного обеспечения (см. Таблицу материалов).
- Если необходимо дальнейшее разделение (например, если одна часть предназначена для перемещения отдельно), сделайте это здесь. В меню Sculpt Clay используйте инструмент для бритья, чтобы разделить кость на две части. В меню Select/Move Clay выберите глину и отметьте часть для работы. Затем скопировать эту часть и создать новый идентичный объект в списке объектов, чтобы манипулировать ее положением, как это наблюдается на следующем этапе.
- Выполните движение сегмента на данном этапе. Убедитесь, что ось вращения устанавливается на части кости, чтобы остаться в том же положении. В меню Select/Move Clay выберите Reposition и установите ось вращения в запланированном виде.
- По мере того как людской череп главным образом симметричен, используйте здоровую сторону для наведения для того чтобы получить правое располагать/замену пропавшего/mal-positioned сегмента. Используйте технику зеркального изображения, чтобы создать зеркальное изображение нормальной стороны. В меню Construct Clay используйте опцию Mirror Clay и установите плоскость в центре черепа.
- Основываясь на зеркальной половине, выполнить вращение сегмента, если это необходимо, и реконструировать avulsed костлявая часть с помощью инструмента Добавить глины в меню Construct Clay. Эта реконструкция проводится для того, чтобы построить пациенту специфический имплантат реконструкции на следующих этапах, который будет реконструировать правильный контур лица.
- После реконструкции костного сегмента создайте пациенту специфический реконструкторский имплантат. В меню Curves используйте опцию Draw Curve и создайте непрерывную внешнюю форму желаемого имплантата.
- На этом этапе дублируйте костлявый сегмент, так как это будет необходимо для выполнения функции Boolean для разделения построенного имплантата. Это выполняется в окне списка объектов, нажав на сегмент и нажав опцию Duplicate.
- Работа в новом дублированном сегменте. В меню Detail Clay используйте опцию Emboss With Curve для создания объема имплантата реконструкции. Выберите внешнюю форму эскизного имплантата, а затем поместите кругообразный курсор внутри эскизного имплантата, на поверхности кости. Обратите внимание, что тиснение будет работать наружу или на внутренней стороне кости, в зависимости от размещения курсора. Затем выбирайте нужные параметры - главное, опцию расстояния, которая контролирует толщину имплантата.
- Отделить имплантат от костлявого сегмента. В списке объектов выберите ранее дублированный объект с шага 2.7, нажмите направо и выберите Boolean и Удалить из. Затем выберите объект, содержащий созданный имплантат.
- В случае, если отверстия для фиксации винта или для разрешения ангиогенеза не требуется, выберите Самолеты Категория - Создайте плоскость для создания параллельной плоскости, в которой отверстия для пластины предназначены. Используя ручные манипуляции, поместите самолеты в максимальной параллелизм с имплантатом. В меню Sketch выберите круг и создайте круги в нужном размере и положении. Можно создать второй большой круг, который послужит встречным инкаком для головы намерения винта.
- В меню Кривые используйте опцию Project Sketch и выберите эскизы, предназначенные для переноса из плоскости в имплантат.
- Для создания счетчиков для винтов, в меню Detail Clay, используйте опцию Emboss With Curve. Выберите внешние круги эскиза, поместите кругообразный курсор внутри отмеченной круговой области на поверхности и введите расстояние, которое контролирует глубины счетчика (например, 0,3 мм). Чтобы завершить процесс, нажмите Применить и Нижняя, чтобы убедиться, что тиснение выполняется в вычитании образом, а не добавка один.
- Для завершения отверстий в меню SubD Surfaces используйте опцию Wire Cut SubD для создания перпендикулярных имплантата на основе небольших кругов, созданных в шаге 2.10.
- Чтобы создать отверстия с помощью стержней, используйте Boolean Выберите один стержень за другим, правой кнопкой мыши в списке объектов - Boolean - Удалить из - Созданный имплантат.
ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, желаемые винты могут быть созданы / отсканированы и функция Boolean может быть использована для создания желаемых отверстий. - Чтобы создать сетку в имплантате (например, позволяет ангиогенез), сначала создайте эскиз (с использованием варианта кривой) запланированной сетки как в шаге 2.6.
- В меню Detail Clay используйте Emboss с опцией Wrapped Image. Выберите изображение, в соответствии с которым будет создана сетка (есть несколько шаблонов, которые поставляются с программой). Белые части изображения будут вычитаться в сетке, а черные части будут избавлены.
- Используя ручное управление, отрегулируйте направление и размер конструкции. Установите расстояние, которое представляет толщину создаваемых отверстий и нажмите Apply. Специфический имплантат пациента готов к производству.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
40-летняя пациентка со сломанной, запасной пластиной, фиксируемой конструковой пластиной от предыдущей травмы и несоюзным переломом левого тела нижней челюсти, представленной в отделение. Изображение показывает сломанную пластину фиксации и плохо расположенный левый сегмент нижней челюсти(Рисунок 1). С помощью программного обеспечения сегментации была выполнена сегментация нижней челюсти, отделяющая сломанную пластину фиксации(Дополнительный рисунок 1 и дополнительный рисунок 2). Используя программное обеспечение для 3D-дизайна, левый сегмент челюсти был перемещен в правильное анатомическое положение(Дополнительный рисунок 3 и дополнительный рисунок 4). Зеркальное отражение правой здоровой стороны было выполнено, чтобы обеспечить надлежащую реконструкцию отсутствующей кости(Дополнительный рисунок 5). Пациент специфический имплантат был разработан, в том числе отверстия для фиксации винты(Дополнительные цифры 6, 7 и 8). Сетка была разработана, чтобы обеспечить дополнительное размещение костного трансплантата в соответствии с надлежащим контуром челюсти, на основе здоровой стороны, также позволяя для превосходного ангиогенеза через отверстия в сетке (Дополнительный рисунок 9).
Имплантат был отправлен для печати из титана с использованием селективной лазерной технологии спекания. Послеоперационные результаты можно наблюдать на рисунке 2. Обратите внимание на непрерывность нижней челюсти и правильное вертикальное положение левого сегмента нижней челюсти по сравнению с ситуацией, предварительно оперативно наблюдаемой на рисунке 1. Также обратите внимание на симметрию в костлявом контуре, который был реконструирован с использованием конкретного имплантата пациента в качестве внешнего контура и подвздошного гребневого костного трансплантата для заполнения пустот.
Рисунок 1: Предоперационная визуализация 40-летнего пациента со сломанной восстановительным покрытием и несоюзным переломом левой нижней челюсти. (A) Панорамное изображение, обратите внимание на сломанную пластину фиксации и верхнее положение левого мандибулярного сегмента по сравнению с правым. (B) Слева, заднее-переднее головотрическое изображение и справа передний вид 3D-реконструкции от компьютерного томографического изображения пациента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: Послеоперационное представление. (A) Панорамное изображение; обратите внимание на непрерывность нижней челюсти, по сравнению с верхним положением левого нижней части нижней челюсти наблюдается на рисунке 1. (B)Слева можно наблюдать заднее-переднее цефалометрическое изображение. Справа можно наблюдать передний вид 3D-реконструкции с компьютерного томографского изображения. Обратите внимание на непрерывность кости после репозиционирования левого сегмента и заполнения пустот с подвздошным гребнем костного трансплантата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительная цифра 1: Программное обеспечение для сегментации. Представление рабочего пространства и процесса сегментации костей. Слева находится 3D-реконструкция компьютерного томографского изображения. Справа находятся различные представления, которые позволяют просматривать различные разделы. В желтом цвете являются "-" маркеры для удаления отмечены кусок и оранжевые из них являются "Я" маркеры для региона интересов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 2: Процесс сегментации. После сегментации нижней челюсти. Предыдущая сломанная восстановительный плита была удалена из интересующего региона. Этот сегмент экспортируется как 3D-файл stl. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 3: программное обеспечение для проектирования 3D. 3D stl файлы были экспортированы из сегментации программного обеспечения и импортированы в 3D дизайн программного обеспечения. (A) Рабочее пространство. (B) Импортированные 3D лицевые кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительная фигура 4: Дальнейшая сегментация и перепозиционирование. (A) Сегментация нижней челюсти на две разные части. (B) Меньшая часть нижней челюсти была перемещена в правильное анатомическое положение. Петля движения была установлена в левой мандибулярной кондиле. Оба предварительного и поста движения установок можно наблюдать. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 5: Зеркальная функция здоровой стороны. (A) Определение середины сагиттал плоскости для зеркального отражения. (B) Слияние зеркальной части (что позволяет пророчать нижней границы челюсти) с оставшимся сегментом у пациента и заполнением пустот. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 6: Создание пациенту специфического имплантата. (A) Создание внешней формы имплантата с помощью функции кривой. (B) Создание толщины пластины. Это создается на реконструированной челюсти в соответствии с техникой зеркального отражения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 7: Разделение пластины и планирование отверстий. (A) После разделения пациента конкретных имплантатов с помощью функции Boolean. (B) Создание отверстий для винтов и счетчиков с помощью перпендикулярной плоскости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 8: Отверстия и подготовка счетчиков. (A) После контринка подготовки с использованием функции тиснения. (B)Слева можно наблюдать стержни, созданные для подготовки отверстия. Справа имплантат с отверстиями после вычитания стержней из имплантата с помощью функции Boolean. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 9: Подготовка сетки. ( A )Подготовкасетки с использованием функции Emboss с обернутым изображением. (B) Левый и нижний вид конечного пациента конкретных имплантатов на существующих нижней челюсти после репозиционирования. Обратите внимание, что имплантат будет направлять хирурга для правильного репозиционирования во время операции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
С постоянным развитием использования компьютеров для виртуального планирования хирургических процедур, сочетание с другой развивающейся технологией, 3D-печать, привело к совершенно новой эре хирургического лечения. Точность является целью этих технологий и пациента конкретного ухода, как будущая цель, представлена в виде хирургических руководств и пациента конкретных имплантатов реконструкции. Мы обсуждаем хирургические гиды как часть другого будущего протокола. В текущем протоколе мы обсуждаем сегментацию изображений DICOM в 3D-файлы stl, которые могут быть напечатаны 3D в качестве модели. Мы также обсуждаем 3D виртуальное планирование конкретного имплантата пациента. Представлено использование различных функций для оказания помощи в восстановлении пропавших или перемещенных костлявых фрагментов. Такие функции являются повторным позиционированием сегмента и отражением здоровой стороны. Конструкция имплантата с использованием запланированного контура кости детализирована. Отверстия для фиксации винты и проектирование сетки или колыбели для размещения костного трансплантата и позволяет для ангиогенеза показано. Всегда помните, что конструкция ограничена по размеру доступной мягкой ткани для замыкания. Разрешить для надлежащего ангиогенеза и использовать большие отверстия / сетки, когда это возможно для этой цели. Специфические имплантаты пациента не подвергаются физическим манипуляциям во время операции на совместимость с оставшейся костью, в отличие от регулярных восстановительных пластин (что ослабляет их). Таким образом, более тонкие пластины могут выдерживать гораздо большие силы. Учтите, что если процесс производства 3D-печатного титанового имплантата включает в себя сглаживание внешнего аспекта (для избежания раздражения мягких тканей), то он удаляет дополнительный материал (примерно 0,3 мм). При подготовке имплантатов с колыбелью, важно, чтобы избежать углов, которые мешают правильному размещению имплантата на кости.
С этим 3D-планирование и печать конкретных имплантатов пациента уже используется в клинической практике, показывая положительные результаты. Ограничениями метода являются стоимость и потребность в инженере для планирования, что приводит к трудоемким веб-совещаниям и обсуждениям на этапе планирования.
Мы обнаружили, что в доме планирование имплантата резко снижает затраты, а также позволяет использовать местные компании для печати имплантата. С развитием технологии, программный интерфейс становится более удобным для пользователей и позволяет хирургу планировать свои собственные хирургические процедуры и пациент конкретных имплантатов. Это дает большие преимущества, хирург входит в операционную с имплантатом он разработал следующие движения и процедуры реконструкции он планировал и, таким образом, он знает о каждом шаге, и знает, как бороться с неожиданными событиями во время операции. Этот протокол предназначен для этой точной цели, что позволяет хирургу планировать свои собственные операции и создавать свои собственные конкретные имплантаты пациента.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Никакого финансирования на эту работу получено не было.
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
- Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E. Personalized Medicine. Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. Hock, F., Gralinski, M. , Springer. (2019).
- Hull, C. W. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents. , US4575330A (1986).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries. Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
