Planejamento e impressão 3D de implantes específicos do paciente para reconstrução de defeitos ósseos
4 de agosto de 2020
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.
Este protocolo permite o tratamento virtual de pacientes com defeitos ósseos e a criação de novas placas de guia cirúrgico e fixação. O uso deste protocolo permite que os implantes sejam virtualmente criados e projetados de acordo com o que é viável para uso na sala de cirurgia com precisão superior e duração de operação reduzida. Os implantes específicos do paciente planejados com nosso protocolo são baseados em imagens 3D precisas, resultando em implantes perfeitamente adequados e permitindo a restauração da anatomia, simetria e função do tecido adequado.
Este protocolo permite que os usuários projetem e imprimam modelos ou estruturas complexas de diferentes materiais e examinem diferentes parâmetros, como sua força ou capacidade de permitir a regeneração óssea. Embora esses programas sejam muito fáceis de usar, leva tempo para dominar o processo de design assistido por computador. Paciência e prática ajudarão o usuário a ficar melhor e mais rápido.
Como este protocolo contém muitas etapas de planejamento virtual, observar as etapas será extremamente útil. Para segmentação do modelo reconstruído em 3D, no software de segmentação adequado no menu Segmentação Óssea, selecione Geral e use a ferramenta plus para indicar o segmento de interesse e a ferramenta menos para indicar os segmentos indesejados ao rolar e mover-se através da varredura. Use o botão Definir que inicia a segmentação e clique em Aplicar para criar o novo segmento.
Para realizar uma boa segmentação óssea, um grande número de marcas positivas e negativas deve ser utilizado no modelo reconstruído em 3D. e todas as outras visões. Quando a segmentação estiver completa, corrija as marcas e adicione novas para melhor precisão, conforme necessário.
Exporte os arquivos como arquivos STL 3D. Para projetar o implante de reconstrução 3D, importe os arquivos STL para o software de design 3D e use a ferramenta Shave para separar o osso em duas partes. No menu Select Move Clay, selecione a ferramenta Argila e marque a região de interesse.
Copie a região marcada e crie um novo objeto idêntico na lista de objetos para manipular a posição da região. Para garantir que o eixo de rotação seja definido na parte do osso que permanecerá na mesma posição, selecione Reposicionar e definir o eixo de rotação como planejado. Como o crânio humano é principalmente simétrico, use a ferramenta Argila Espelhada para orientação para obter o posicionamento ou colocação correto do segmento desaparecido ou mal posicionado e coloque o plano no centro do crânio.
Com base na metade espelhada, realize a rotação do segmento conforme necessário e use a ferramenta Adicionar argila do menu Construct Clay para reconstruir a parte óssea avulsa. No menu Curvas, selecione a opção Curva de desenho para criar uma forma externa contínua do implante desejado. Clique com o botão direito do mouse no segmento e selecione Duplicar para duplicar o segmento ósseo.
Trabalhando no novo segmento duplicado, no menu Argila detalhada selecione Emboss com Curva para criar o volume do implante de reconstrução. Selecione a forma externa do implante esboçado e coloque o cursor em forma de círculo dentro do implante esboçado na superfície do osso. Selecione os parâmetros desejados, mais importante, a distância para controlar a espessura do implante e clique com o botão direito do mouse no segmento duplicado para selecionar Boolean e Remov From, em seguida, selecione o objeto que contém o implante criado.
Nos casos para os quais são necessários furos para fixação de parafusos ou angiogênese, use a função Criar Plano para criar um plano paralelo no qual os orifícios para a placa são projetados. Quando os planos estiverem posicionados em paralelismo máximo ao implante, selecione um círculo no menu Sketch e crie círculos do tamanho e posição desejados dentro do segmento. No menu Curvas, use a opção Project Sketch para designar os esboços a serem transferidos do plano para o implante.
Para gerar o contra-ataque para os parafusos, no menu Argila detalhada, selecione Emboss com Curva e coloque o cursor em forma de círculo dentro da área circular marcada na superfície do segmento. Para completar os orifícios no Menu Superfícies SubD use a opção SubD de corte de fio para criar hastes perpendiculares ao implante. Para criar os orifícios usando as hastes, selecione Boolean e Remova e selecione cada haste em sucessão, clicando com o botão direito do mouse em Boolean, RemoveNdo e Crie um implante na lista de objetos.
Para criar uma malha no implante, use Draw Curve para gerar um esboço da malha planejada como demonstrado. No menu Argila detalhada use Emboss com Imagem Embrulhada para selecionar uma imagem de modelo após a qual a malha será projetada. As regiões brancas da imagem serão subtraídas e as áreas negras permanecerão.
Ajuste manualmente a direção e o tamanho do design e defina a espessura do gerado e clique em Aplicar. O implante específico do paciente estará pronto para a produção. Estas imagens foram obtidas de uma paciente do sexo feminino de 40 anos com uma placa de fixação de reconstrução fornecida por estoque quebrada de uma lesão anterior e uma fratura não sindical no corpo esquerdo de sua mandíbula inferior.
A segmentação da mandíbula inferior foi realizada como demonstrado para separar a placa de fixação quebrada. Usando software de design 3D, o segmento esquerdo da mandíbula foi reposicionado para a posição anatômica correta. Espelhamento do lado direito saudável foi realizado para permitir a reconstrução adequada do osso perdido.
O implante específico do paciente poderia então ser projetado, incluindo furos para parafusos de fixação. 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 e para permitir angiogênese superior através dos orifícios na malha. O implante impresso a partir de titânio utilizando tecnologia seletiva de sinterização a laser e resultados pós-operatórios pode ser observado nessas imagens.
Note-se a continuidade da mandíbula inferior, a posição vertical correta do segmento inferior esquerdo da mandíbula e a simetria no contorno corporal que foi reconstruída utilizando o implante específico do paciente como contorno externo e um enxerto ósseo ilíaco para preenchimento dos vazios. Ao projetar o implante específico do paciente, considere o planejamento de uma placa de tamanho mínimo que seja forte o suficiente para permitir forças de suporte de carga enquanto suporta forças de tesoura e torque. Implantes específicos do paciente também podem ser projetados para cranioplastia, procedimentos ortopédicos e podem ser potencialmente usados para o desenho de tecido mole em todos os órgãos.
Este protocolo atualmente permite o planejamento de novos implantes para cirurgias e estudos de pesquisa e pode eventualmente facilitar a bioimpressão de implantes e a regeneração de materiais estranhos.
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Visão Geral
Este protocolo permite o tratamento virtual de pacientes com defeitos ósseos por meio da criação de guias cirúrgicos e placas de fixação. Ao utilizar planejamento e impressão 3D, implantes específicos para cada paciente podem ser projetados com precisão superior, melhorando os resultados cirúrgicos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Neurocirurgia
- Engenharia Biomédica
- Tecnologia de Impressão 3D
Antecedentes
- A imagem 3D fornece modelos precisos para o planejamento cirúrgico.
- Implantes personalizados melhoram o ajuste e a função de cirurgias reconstrutivas.
- Modelos complexos podem ser projetados para diversas necessidades cirúrgicas.
- Dominar o processo de design exige prática e paciência.
Objetivo do Estudo
- Criar implantes específicos para o paciente para a reconstrução de defeitos ósseos.
- Aumentar a precisão e a eficiência dos procedimentos cirúrgicos.
- Permitir a restauração da anatomia e da função dos tecidos.
Métodos Utilizados
- Ferramentas de segmentação para criação de modelos 3D.
- Software de design 3D para o projeto de implantes.
- Planejamento virtual do tratamento para guias cirúrgicos.
- Testes de materiais para avaliação de resistência e capacidade de regeneração óssea.
Resultados Principais
- Criação de implantes com ajuste preciso com base em imagens tridimensionais.
- Redução da duração da cirurgia por meio de um planejamento aprimorado.
- Restauração aprimorada da anatomia e simetria tecidual adequadas.
- Projeto e impressão bem-sucedidos de estruturas complexas.
Conclusões
- O protocolo melhora significativamente os resultados cirúrgicos em defeitos ósseos.
- Um software de fácil uso facilita o processo de design.
- A prática contínua leva a uma melhor proficiência no design 3D.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Este protocolo permite que clínicos projetem implantes personalizados para a reconstrução de defeitos ósseos, apoiando o desenvolvimento de modelos pré-clínicos e a pesquisa translacional em medicina regenerativa. Ao integrar o planejamento e a impressão 3D, aumenta a confiança preditiva no projeto do implante e na restauração funcional, reduzindo o risco biológico na avaliação terapêutica inicial. O método facilita a redução de riscos mecanicistas por meio da modelagem anatômica precisa e testes de materiais, alinhando-se aos fluxos de trabalho da fase de descoberta para a validação de implantes.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas por meio da reconstrução virtual de defeitos ósseos e avaliação das interações entre implante e tecido.
- Valor Operacional: Apoia a redução de riscos biológicos ao permitir a avaliação pré-clínica do encaixe do implante, estabilidade mecânica e potencial de angiogênese em sistemas relevantes para a doença.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece modelos tridimensionais padronizados e reproduzíveis para avaliação quantitativa de parâmetros de design de implantes, como espessura, porosidade e resistência mecânica.
- Valor Operacional: Permite prontidão para ensaios por meio de fluxos de trabalho de design escalonáveis que apoiam a reutilização da plataforma em múltiplos modelos de defeito e campanhas de triagem de materiais.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Facilita a continuidade translacional ao permitir o projeto de implantes que reproduzem a anatomia saudável, apoiando a avaliação alinhada a biomarcadores da regeneração óssea e da integração do enxerto.
- Valor Operacional: Apoia decisões de avanço ajustadas ao risco ao permitir testes iterativos de projeto antes da prototipagem física, reduzindo o risco de falhas em estágios avançados do desenvolvimento de implantes.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método integra-se ao continuum de descoberta, desde a validação do alvo até a identificação de compostos promissores e a avaliação pré-clínica, permitindo ciclos iterativos de design e testes para implantes reconstrutivos.
- Biologia Descritiva: Apoia a verificação de hipóteses ao permitir a manipulação virtual de defeitos ósseos e a avaliação de designs de implantes quanto à restauração funcional e simetria.
- Triagem: Permite a reprodutibilidade de ensaios por meio de protocolos padronizados de segmentação e design que geram saídas STL consistentes para triagem de materiais e geometrias.
- Análises: Gera dados quantitativos sobre espessura do implante, posicionamento de orifícios e densidade da malha, possibilitando análises comparativas entre iterações de design.
- Pesquisa Translacional: Conecta-se à continuidade pré-clínica ao permitir o design de implantes personalizados para pacientes, que podem ser testados in vivo quanto à integração do enxerto ósseo e capacidade de suporte de carga.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma capacidade reutilizável para o design de implantes personalizados para múltiplas indicações, incluindo craniooplastia e reconstrução ortopédica, reduzindo esforços redundantes de design.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva no projeto de implantes ao permitir a reconstrução anatômica precisa e a avaliação funcional da resistência à carga e ao cisalhamento.
- Valor Operacional: Melhora a padronização e a reprodutibilidade por meio de fluxos de trabalho definidos de segmentação e projeto, reduzindo a variabilidade do usuário no planejamento de implantes.
- Valor Estratégico: Apoia decisões mais assertivas de prosseguir ou não com o desenvolvimento, permitindo testes virtuais de projetos de implantes sob restrições fisiológicas, reduzindo a dependência de prototipagem física.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de candidatos a implantes ao identificar falhas de projeto precocemente, melhorando a eficiência do capital no desenvolvimento pré-clínico.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em segmentação de imagens 3D e em software de design assistido por computador para manipulação precisa do modelo.
- Depende do acesso a ferramentas de design 3D capazes de operações booleanas, geração de malhas e ferramentas de espelhamento para reconstrução anatômica.
- Necessita padronização entre equipes distintas de aquisição de imagem, design e fabricação para garantir fidelidade do modelo virtual ao implante impresso.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes tipos de defeitos e sítios anatômicos, exigindo revalidação dos parâmetros de segmentação e design para aplicações não craniofaciais.
- Limitado pela curva de aprendizado associada ao domínio de ferramentas CAD, o que pode afetar a produtividade inicial e a consistência do design.
