Summary
Dit protocol beschrijft het gebruik van 3D-planning en -print voor de reconstructie van benige defecten. We gebruiken segmentatietools om 3D-modellen te maken, gevolgd door 3D-ontwerpsoftware om patiëntspecifieke implantaten te maken voor reconstructiedoeleinden die samen met ablatieve chirurgie of als tweede fase.
Abstract
We zijn in het midden van de 3D-tijdperk in de meeste aspecten van het leven, en vooral in de geneeskunde. De chirurgische discipline is een van de belangrijkste spelers op medisch gebied met behulp van de voortdurend ontwikkelende 3D-planning en printmogelijkheden. Computer-assisted design (CAD) en computer assisted manufacturing (CAM) worden gebruikt om de 3D-planning en productie van het product te beschrijven. De planning en productie van 3D chirurgische gidsen en reconstructie implantaten wordt bijna uitsluitend uitgevoerd door ingenieurs. Naarmate de technologie vordert en software-interfaces gebruiksvriendelijker worden, roept het een vraag op over de mogelijkheid om de planning en productie over te dragen aan de clinicus. De redenen voor zo'n verschuiving zijn duidelijk: de chirurg heeft het idee van wat hij wil ontwerpen, en hij weet ook wat haalbaar is en kan worden gebruikt in de operatiekamer. Het stelt hem in staat om voorbereid te zijn op elk scenario / onverwachte resultaten tijdens de operatie en stelt de chirurg in staat om creatief te zijn en zijn nieuwe ideeën uit te drukken met behulp van de CAD-software. Het doel van deze methode is om clinici te voorzien van de mogelijkheid om hun eigen chirurgische gidsen en reconstructie implantaten te creëren. In dit manuscript biedt een gedetailleerd protocol een eenvoudige methode voor segmentatie met behulp van segmentatiesoftware en implantaatplanning met behulp van een 3D-ontwerpsoftware. Na de segmentatie en stl-bestandsproductie met behulp van segmentatiesoftware, kon de arts een eenvoudige patiëntspecifieke reconstructieplaat of een complexere plaat maken met een wieg voor bottransplantatiepositionering. Chirurgische gidsen kunnen worden gemaakt voor nauwkeurige resectie, gat voorbereiding voor een goede reconstructie plaat positionering of voor bottransplantatie oogsten en re-contouring. Een geval van onderkaak reconstructie na plaatfractuur en niet-niet-unie genezing van een trauma opgelopen letsel is gedetailleerd.
Introduction
Gepersonaliseerde geneeskunde ontwikkelt zich snel op vele gebieden van de geneeskunde1. Oncologische gepersonaliseerde behandeling is een onderwerp van veel discussie en is dus bekend bij de algemene bevolking. 3D-printen werd voor het eerst geïntroduceerd door Charles Hull met 3D-printen van objecten met behulp van stereolithografie2. Sindsdien zijn er verschillende technologieën voor 3D-printen ontwikkeld. De gebruikte methode wordt geselecteerd op basis van het doel van het apparaat.
Het chirurgische veld omarmt snel gepersonaliseerde geneeskunde. Gepersonaliseerde behandeling in chirurgisch veld vereist virtuele planning met behulp van een computer-assisted design (CAD) software. De eerste fase bevat altijd segmentatie om een 3D-stl-bestand te maken. Computer assisted manufacturing (CAM) wordt aangeduid als het productieproces van het 3D-ontworpen onderdeel. Het eerste gebruik van de technologie werd gebruikt bij pre-operatieve model afdrukken voor chirurgische planning en schijnchirurgie3,4,5. Met de ontwikkeling van de technologie, virtuele planning van de operaties gevolgd door de planning en productie van chirurgische gidsen om te helpen bij de operatie zelf en patiënt specifieke reconstructie implantaten perfect gemonteerd op het bot van de patiënt werd populairder6,7,8,9,10. Het doel van dit protocol is om clinici de mogelijkheid te bieden om hun eigen chirurgische gidsen en reconstructie patiënt specifieke implantaten te creëren. Deze methode is nauwkeuriger dan het gebruik van stockplaten omdat het perfect past en kan worden ontworpen op basis van de kenmerken van het specifieke defect. Het vermindert ook de afhankelijkheid van de ervaring van de chirurg en vermindert de operatietijd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deze studie volgde op de Verklaring van Helsinki over medisch protocol en ethiek en de Institutional Ethical Review Board keurde de studie goed.
1. Segmentatie met behulp van een segmentatiesoftware
OPMERKING: Het importproces van de DICOM-bestanden vereist de oriëntatie van de axiale, coronale en sagittale vlakken in het pop-upvenster om de installatie te voltooien.
- Kies in het menu Botsegmentatie de functie Algemeen. Gebruik de marker "-" voor ongewenste segmenten en "+" voor het segment van belang. Voeg markeringen toe op het 3D-gereconstrueerde model of op de verschillende dwarsdoorsnedes tijdens het scrollen en verplaatsen door de scan.
- Kies de knop Instellen die de segmentatie weerdrukt. Corrigeer op dit punt de markeringen en voeg nieuwe toe voor een betere nauwkeurigheid. Druk op Toepassen om het nieuwe segment te maken. Meerdere segmenten kunnen op deze manier worden gemaakt.
- Nadat de segmentatie is voltooid, exporteert u de bestanden als stl 3D-bestanden voor 3D-printen of het plannen van 3D-reconstructieimplantaten in 3D-ontwerpCACA-programma's.
2. Reconstructieimplantaten ontwerpen met behulp van 3D-ontwerpsoftware
- Na het voorvormen van de botsegmentatie met behulp van de segmentatiesoftware importeert u de stl-bestanden in de 3D-ontwerpsoftware (zie Tabel van materialen).
- Als verdere scheiding nodig is (bijvoorbeeld als een deel apart moet worden verplaatst), doe dit dan hier. Gebruik in het menu Sculpt Clay het scheergereedschap om het bot in twee delen te scheiden. Selecteer in het menu Klei selecteren/verplaatsen de klei en markeer het onderdeel waaraan u wilt werken. Kopieer vervolgens dit onderdeel en maak een nieuw identiek object in de objectlijst om de positie ervan te manipuleren zoals waargenomen in de volgende fase.
- Voer segmentbeweging uit in dit stadium. Zorg ervoor dat de rotatieas is ingesteld op het deel van het bot om in dezelfde positie te blijven. Selecteer in het menu Klei selecteren/verplaatsen de optie Verplaatsen en stel de rotatieas in zoals gepland.
- Aangezien de menselijke schedel meestal symmetrisch is, gebruikt u de gezonde kant voor begeleiding om de juiste positionering/vervanging van het ontbrekende/mal-gepositioneerde segment te verkrijgen. Gebruik een spiegeltechniek om een spiegelbeeld van de normale kant te creëren. Gebruik in het menu Construct Clay de optie Mirror Clay en stel het vlak in het midden van de schedel.
- Op basis van de gespiegelde helft voert u indien nodig segmentrotatie uit en reconstrueert u het avulige benige deel met behulp van het gereedschap Klei toevoegen in het menu Construct Clay. Deze reconstructie wordt uitgevoerd om een patiënt specifiek reconstructie implantaat te bouwen in de volgende fasen, die de juiste gezichtscontour zal reconstrueren.
- Na de reconstructie van het benige segment, maak de patiënt specifieke reconstructie implantaat. Gebruik in het menu Curven de optie Curve tekenen en maak een continue buitenvorm van het gewenste implantaat.
- In dit stadium dupliceert u het benige segment omdat het nodig zal zijn om een Booleaanse functie uit te voeren om het geconstrueerde implantaat te scheiden. Dit wordt uitgevoerd in het venster met de objectlijst door met de rechtermuisknop op het segment te klikken en op de optie Dupliceren te drukken.
- Werk in het nieuwe gedupliceerde segment. Gebruik in het menu Detail Clay de optie Emboss With Curve om het volume van het reconstructieimplantaat te maken. Kies de buitenste vorm van het geschetste implantaat en plaats vervolgens de cirkelvormige cursor in het geschetste implantaat, op het oppervlak van het bot. Houd er rekening mee dat de reliëf naar buiten of aan de binnenkant van het bot werkt, afhankelijk van de plaatsing van de cursor. Kies vervolgens de gewenste parameters - het belangrijkste is de afstandsoptie die de dikte van het implantaat regelt.
- Scheid het implantaat van het benige segment. Kies in de objectlijst het eerder gedupliceerde object uit stap 2.7, klik met de rechtermuisknop en selecteer Boolean → Verwijderen uit. Kies vervolgens het object met het gecreëerde implantaat.
- In het geval dat gaten voor schroeffixatie of voor het toestaan van angiogenese nodig zijn, selecteert u Categorie Vlakken → Maak Vlak om een parallel vlak te maken waarin de gaten voor de plaat zijn ontworpen. Met behulp van handmatige manipulatie, plaats de vlakken in maximale parallellisme aan het implantaat. Kies in het menu Schets een cirkel en maak cirkels in de gewenste grootte en positie. Een tweede grotere cirkel kan worden gemaakt, die zal dienen als de contrasink voor het hoofd van de intendent schroef.
- Gebruik in het menu Curven de optie Projectschets en kies de schetsen die zijn aangewezen om van het vliegtuig naar het implantaat te worden overgebracht.
- Gebruik in het menu DetailKlei de optie Emboss With Curve om de countersink voor de schroeven te genereren. Kies de buitenste cirkels van de schets, plaats de cirkelvormige cursor in het gemarkeerde ronde gebied op het oppervlak en voer de afstand in die de diepten van de tegensink regelt (bijvoorbeeld 0,3 mm). Druk op Toepassen en Verlagen om ervoor te zorgen dat de reliëf op een aftrekkende manier wordt uitgevoerd en niet op een additief.
- Om de gaten te voltooien, gebruikt u in het subd-oppervlaktemenu de optie Wire Cut SubD om staven loodrecht op het implantaat te maken op basis van de kleine cirkels die in stap 2.10 zijn gemaakt.
- Als u de gaten wilt maken met behulp van de staven, gebruikt u Boolean > Verwijderen uit als in stap 2.9. Kies de ene staaf na de andere, klik met de rechtermuisknop in de lijst met objecten → Boolean → Verwijderen uit → Gemaakt Implantaat.
LET OP: Als alternatief kunnen de gewenste schroeven worden gemaakt/gescand en kan de Booleaanse functie worden gebruikt om de gewenste gaten te maken. - Om een gaas in het implantaat te maken (bijvoorbeeld angiogenese mogelijk te maken), genereert u eerst een schets (met behulp van de curveoptie) van het geplande gaas zoals in stap 2.6.
- Gebruik in het menu Detailklei de optie Reliëf met verpakte afbeelding. Kies een afbeelding op basis waarvan het net wordt gemaakt (er zijn verschillende sjablonen die bij het programma worden geleverd). De witte delen van de afbeelding worden afgetrokken in het gaas en de zwarte delen worden gespaard.
- Met behulp van handmatige bediening, de richting en grootte van het ontwerp aan te passen. Stel de afstand in die de dikte van de gegenereerde gaten vertegenwoordigt en druk op Toepassen. Het patiëntspecifieke implantaat is klaar voor productie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een 40-jarige vrouwelijke patiënt met een gebroken, voorraad geleverd, reconstructie fixatie plaat van een eerdere verwonding en een niet-unie fractuur in het linker lichaam van haar onderkaak gepresenteerd aan de afdeling. Beeldvorming toont de gebroken fixatieplaat en het mal-geplaatste linkersegment van de onderkaak(figuur 1). Met behulp van segmentatiesoftware werd segmentatie van de onderkaak uitgevoerd tussen de gebroken fixatieplaat (supplementisch figuur 1 en supplement figuur 2). Met behulp van 3D-ontwerpsoftware werd het linkersegment van de onderkaak verplaatst naar de juiste anatomische positie(supplementisch figuur 3 en supplementisch figuur 4). Spiegelen van de rechter gezonde kant werd uitgevoerd om een goede reconstructie van het ontbrekende bot mogelijk te maken (Supplemental Figuur 5). Het patiëntspecifieke implantaat is ontworpen, inclusief gaten voor fixatieschroeven(aanvullende figuren 6, 7 en 8). Een gaas is ontworpen om extra bottransplantatie plaatsing volgens de juiste contour van de kaak, op basis van de gezonde kant, ook waardoor superieure angiogenese door de gaten in het gaas (Supplemental Figuur 9).
Het implantaat werd verzonden voor het afdrukken van titanium met behulp van selectieve laser sinteren technologie. Postoperatieve resultaten kunnen worden waargenomen in figuur 2. Let op de continuïteit van de onderkaak en de juiste verticale positie van het segment linker onderkaak in vergelijking met de situatie die vooraf wordt waargenomen in figuur 1. Let ook op de symmetrie in de benige contour die werd gereconstrueerd met behulp van de patiënt specifieke implantaat als de buitenste contour en een iliacale kam bot graft voor het vullen van de holtes.
Figuur 1: Pre-operatie beeldvorming van een 40-jarige patiënt met een gebroken reconstructieplaat en niet-vakbondsfractuur van de linker onderkaak. (A) Panoramisch beeld, let op de gebroken fixatieplaat en de bovenste positie van het linker mandibulaire segment in vergelijking met rechts. (B) Aan de linkerkant, een achterste-anterieur cephalometrische afbeelding en aan de rechterkant een vooraanzicht van een 3D-reconstructie van de computer van de patiënt tomografie beeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Postoperatief verbeelden. (A) Panoramisch beeld; let op de continuïteit van de onderkaak, vergeleken met de bovenste positie van het linker mandibulaire segment waargenomen in figuur 1. (B) Aan de linkerkant kan een achterste voorste cephalometrische afbeelding worden waargenomen. Aan de rechterkant kan een vooraanzicht van de 3D-reconstructie van een berekend tomografiebeeld worden waargenomen. Let op de continuïteit van het bot na herpositionering van het linkersegment en het vullen van de holtes met een iliacale kam bottransplant. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 1: Segmentatiesoftware. Een weergave van de werkruimte en het botsegmentatieproces. Aan de linkerkant is de 3D reconstructie van de computer tomografie beeld. Aan de rechterkant zijn de verschillende weergaven die het mogelijk maken om te bladeren door de verschillende secties. De gele cirkels zijn de "-" markeringen voor verwijdering van het gemarkeerde stuk en de oranje zijn de "+" markeringen voor het gebied van belang. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 2: Segmentatieproces. Na de segmentatie van de onderkaak. De vorige gebroken reconstructieplaat werd verwijderd uit de regio van belang. Dit segment wordt geëxporteerd als een 3D stl-bestand. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 3: 3D-ontwerpsoftware. De 3D stl-bestanden werden geëxporteerd vanuit een segmentatiesoftware en geïmporteerd in 3D-ontwerpsoftware. (A) De werkruimte. (B) De geïmporteerde 3D-gezichtsbotten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 4: Verdere segmentatie en herpositionering. (A) Segmentatie van de onderkaak in twee verschillende stukken. (B) Het kleinere deel van de onderkaak werd verplaatst naar de juiste anatomische positie. Het scharnier van de beweging werd ingesteld op de linker mandibulaire condyle. Zowel de pre-en post beweging setups kunnen worden waargenomen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Supplementisch figuur 5: Spiegelfunctie van de gezonde kant. (A) Het definiëren van de mid sagittale vlak voor het spiegelen. (B) Het samenvoegen van het gespiegelde deel (dat een goede reconstructie van de onderrand van de kaak mogelijk maakt) met het resterende segment in de patiënt en het vullen van holtes. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullend figuur 6: Het creëren van het patiëntspecifieke implantaat. (A) Het creëren van de buitenste vorm van het implantaat met behulp van de curvefunctie. (B) Het creëren van de dikte van de plaat. Dit wordt gemaakt op de gereconstrueerde onderkaak volgens de spiegeltechniek. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 7: Scheiding van de plaat en planning gaten. (A) Na de scheiding van het patiëntspecifieke implantaat met behulp van de Booleaanse functie. (B) Het creëren van gaten voor de schroeven en countersink met behulp van een loodrecht vlak. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 8: Gaten en countersink voorbereiding. (A) Na de voorbereiding van de tegensink met behulp van de reliëffunctie. (B) Aan de linkerkant kunnen de staven die zijn gemaakt voor de voorbereiding van het gat worden waargenomen. Aan de rechterkant is het implantaat met gaten na aftrekking van de staven van het implantaat met behulp van de Booleaanse functie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende figuur 9: Het bereiden van een gaas. (A) Mesh-voorbereiding met behulp van de functie Emboss met verpakte afbeelding. (B) Linker- en onderkantweergaven van het uiteindelijke patiëntspecifieke implantaat op de bestaande onderkaak na herpositionering. Let op het implantaat zal de chirurg begeleiden voor de juiste herpositionering tijdens de operatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Met de constante ontwikkeling van het gebruik van computers voor virtuele planning van chirurgische ingrepen, de combinatie met een andere ontwikkelende technologie, 3D-printen, leidde tot een geheel nieuw tijdperk van chirurgische behandeling. Nauwkeurigheid is het doel van deze technologieën en patiëntspecifieke zorg, als het toekomstige doel, wordt gepresenteerd in de vorm van chirurgische gidsen en patiëntspecifieke reconstructieimplantaten. We bespreken chirurgische gidsen als onderdeel van een ander toekomstprotocol. In het huidige protocol bespreken we de segmentatie van DICOM-afbeeldingen in 3D-stl-bestanden die als model kunnen worden afgedrukt. We bespreken ook de 3D virtuele planning van een patiënt specifiek implantaat. Het gebruik van diverse functies om te helpen bij de wederopbouw van vermiste of ontheemde benige fragmenten worden gepresenteerd. Het opnieuw plaatsen van een segment en het spiegelen van de gezonde kant zijn dergelijke functies. De bouw van het implantaat met behulp van de geplande contour van het bot is gedetailleerd. Gaten voor fixatieschroeven en het ontwerpen van een gaas of een wieg voor bottransplantatie plaatsing en waardoor angiogenese wordt getoond. Onthoud altijd dat het ontwerp is beperkt in grootte aan de beschikbare zacht weefsel voor sluiting. Zorg voor een goede angiogenese en gebruik grote gaten / mesh indien mogelijk voor dit doel. Patiëntspecifieke implantaten ondergaan geen fysieke manipulatie tijdens een operatie voor compatibiliteit met het resterende bot, in tegenstelling tot regelmatige reconstructieplaten (die hen verzwakken). Dunnere platen zijn dus bestand tegen veel grotere krachten. Houd er rekening mee dat als het productieproces van het 3D-geprinte titaniumimplantaat het externe aspect glad maakt (om weke delenirritatie te voorkomen), het extra materiaal (ongeveer 0,3 mm) verwijdert. Bij het voorbereiden van implantaten met een wieg is het cruciaal om hoeken te vermijden die de juiste plaatsing van het implantaat op het bot verstoren.
Met dat gezegd, 3D-planning en het afdrukken van patiënt specifieke implantaten wordt al gebruikt in de klinische praktijk, met positieve resultaten. De beperkingen van de methode zijn de kosten en de noodzaak van een ingenieur voor de planning, wat resulteert in tijdrovende webvergaderingen en discussies tijdens de planningsfase.
We ontdekten dat de interne planning van het implantaat de kosten drastisch verlaagt en ook het gebruik van lokale bedrijven toestaat om het implantaat af te drukken. Met de ontwikkeling van technologie wordt de software-interface gebruiksvriendelijker en maakt het de chirurg mogelijk om zijn eigen chirurgische ingrepen en patiëntspecifieke implantaten te plannen. Dit geeft grote voordelen, de chirurg komt de operatiekamer binnen met het implantaat dat hij ontwikkelde na bewegingen en reconstructieprocedures die hij heeft gepland en dus is hij zich bewust van elke stap, en weet hoe om te gaan met onverwachte ontwikkelingen tijdens de operatie. Dit protocol is bedoeld voor dit exacte doel, waardoor de chirurg zijn eigen operaties kan plannen en zijn eigen patiëntspecifieke implantaten kan maken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Voor dit werk werd geen financiering ontvangen.
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).
