3D planlægning og udskrivning af patientspecifikke implantater til rekonstruktion af knogledefekter

Summary

Denne protokol beskriver brugen af 3D planlægning og trykning til genopbygning af knoglefejl. Vi bruger segmenteringsværktøjer til at skabe 3D-modeller efterfulgt af 3D-designsoftware til at skabe patientspecifikke implantater til genopbygningsformål samtidig med ablativ kirurgi eller som en anden fase.

Abstract

Vi er midt i 3D æra i de fleste aspekter af livet, og især i medicin. Den kirurgiske disciplin er en af de vigtigste aktører på det medicinske område ved hjælp af den konstant udviklende 3D-planlægning og udskrivning kapaciteter. Cad (Computer-assisted design) og computerassisteret produktion (CAM) bruges til at beskrive 3D-planlægning og -fremstilling af produktet. Planlægning og fremstilling af 3D kirurgiske vejledninger og rekonstruktionsimplantater udføres næsten udelukkende af ingeniører. Efterhånden som teknologiske fremskridt og softwaregrænseflader bliver mere brugervenlige, rejser det et spørgsmål om muligheden for at overføre planlægning og produktion til klinikeren. Årsagerne til et sådant skift er klare: kirurgen har den idé, hvad han ønsker at designe, og han ved også, hvad der er muligt og kan bruges i operationsstuen. Det giver ham mulighed for at være forberedt på ethvert scenario / uventede resultater under operationen og gør det muligt for kirurgen at være kreativ og udtrykke sine nye ideer ved hjælp af CAD-software. Formålet med denne metode er at give klinikere mulighed for at skabe deres egne kirurgiske vejledninger og rekonstruktionsimplantater. I dette manuskript, en detaljeret protokol vil give en enkel metode til segmentering ved hjælp af segmentering software og implantat planlægning ved hjælp af en 3D-design software. Efter segmentering og stl fil produktion ved hjælp af segmentering software, kunne klinikeren skabe en simpel patient specifik rekonstruktion plade eller en mere kompleks plade med en vugge til knogletransplantation positionering. Kirurgiske styre kan oprettes for nøjagtig resektion, hul forberedelse til korrekt genopbygning plade positionering eller til knogletransplantation høst og re-konturering. Et tilfælde af underkæben rekonstruktion efter plade fraktur og nonunion heling af et traume lidt skade er detaljeret.

Introduction

Personlig medicin udvikler sig hurtigt på mange områder af medicin¹. Onkologisk personlig behandling er genstand for megen diskussion og dermed er velkendt for den almindelige befolkning. 3D-print blev først introduceret af Charles Hull viser 3D-udskrivning af objekter ved hjælp af stereolitografi². Siden da er der udviklet forskellige teknologier til 3D-printning. Den anvendte metode vælges ud fra udstyrets formål.

Det kirurgiske felt er hurtigt at omfavne personlig medicin. Personlig behandling på det kirurgiske område kræver virtuel planlægning ved hjælp af en computer-assisteret design (CAD) software. Den første fase omfatter altid segmentering for at oprette en 3D stl-fil. Computerassisteret produktion (CAM) kaldes fremstillingsprocessen for den 3D-designede del. Den første udnyttelse af teknologien blev brugt i præoperativ model udskrivning til kirurgisk planlægning og mock kirurgi^3,,4,5. Med udviklingen af teknologi, virtuel planlægning af operationer efterfulgt af planlægning og fremstilling af kirurgiske vejledninger til at bistå i selve operationen og patientspecifikke rekonstruktion implantater monteret perfekt på knoglen af patienten blev mere populære^6,7,8,9,10. Formålet med denne protokol er at give klinikere mulighed for at oprette deres egne kirurgiske vejledninger og rekonstruktion patient specifikke implantater. Denne metode er mere præcis end at bruge lagerplader, fordi den passer perfekt og kan designes ud fra den specifikke defekts egenskaber. Det reducerer også afhængigheden af kirurgens erfaring og reducerer driftstiden.

Protocol

Denne undersøgelse fulgte Helsingfors-erklæringen om medicinsk protokol og etik, og Det Institutionelle Etiske Gennemgangsråd godkendte undersøgelsen.

1. Segmentering ved hjælp af en segmenteringssoftware

BEMÆRK: Importprocessen af DICOM-filerne kræver orientering af de aksiale, koronale og sagittale planer i pop-up-vinduet for at afslutte opsætningen.

1. Vælg funktionen Generelt i menuen Knoglesegmentering. Brug markøren "-" for uønskede segmenter og "+" for interessesegmentet. Tilføj mærker på den 3D-rekonstruerede model eller på de forskellige tværsnit, når du ruller og bevæger dig under hele scanningen.
2. Vælg knappen Angiv, der viser segmenteringen. På dette tidspunkt skal du rette markeringerne og tilføje nye for bedre nøjagtighed. Tryk på Anvend for at oprette det nye segment. Flere segmenter kan oprettes på denne måde.
3. Når segmenteringen er fuldført, skal du eksportere filerne som stl 3D-filer til 3D-udskrivning eller planlægning af 3D-rekonstruktionsimplantater i 3D-design CAD-programmer.

2. Design af rekonstruktionsimplantater ved hjælp af 3D-designsoftware

1. Når knoglesegmenteringen er foran ved hjælp af segmenteringssoftwaren, skal du importere stl-filerne til 3D-designsoftwaren (se Materialetabel).
2. Hvis der er behov for yderligere adskillelse (f.eks. hvis en del er beregnet til at blive flyttet separat), skal du gøre det her. Brug barberingsværktøjet i Sculpt Clay-menuen til at adskille knoglen i to dele. Vælg ler i menuen Vælg/flyt ler, og marker den del, der skal arbejdes på. Kopier derefter denne del, og opret et nyt identisk objekt på objektlisten for at manipulere dens placering som observeret i næste fase.
3. Udfør segmentbevægelse på dette tidspunkt. Sørg for, at rotationsaksen er indstillet på den del af knoglen til at forblive i samme position. Vælg Flyt og angiv rotationsaksen som planlagt i menuen Vælg/flyt ler.
4. Da det menneskelige kranium for det meste er symmetrisk, skal du bruge den sunde side til vejledning for at få den rette positionering/udskiftning af det manglende/malpositionerede segment. Brug en spejlingsteknik til at skabe et spejlbillede af den normale side. I menuen Construct Clay skal du bruge indstillingen Mirror Clay og indstille flyet i midten af kraniet.
5. Baseret på den spejlede halvdel, udføre segment rotation, hvis det er nødvendigt, og rekonstruere avulsed knoklet del ved hjælp af Tilføj Clay værktøj i Construct Clay menuen. Denne rekonstruktion udføres for at opbygge et patientspecifikt rekonstruktionsimplantat i de næste faser, som vil rekonstruere den korrekte ansigtskontur.
6. Efter rekonstruktion af knoglesegmentet skal du oprette det patientspecifikt rekonstruktionsimplantat. Brug indstillingen Tegn kurve i menuen Kurver, og opret en kontinuerlig ydre form af det ønskede implantat.
7. På dette stadium, duplikere knoklet segment, da det vil være nødvendigt at udføre en boolesk funktion til at adskille det konstruerede implantat. Dette udføres i objektlistevinduet ved at højreklikke på segmentet og trykke på indstillingen Dublet.
8. Arbejd i det nye dublerede segment. I detalje lermenuen skal du bruge indstillingen Prægning med kurve til at oprette mængden af rekonstruktionsimplantatet. Vælg den ydre form af det skitserede implantat, og placer derefter den cirkelformede markør inde i det skitserede implantat på knoglens overflade. Bemærk, at prægningen vil arbejde udad eller på indersiden af knoglen, afhængigt af placeringen af markøren. Vælg derefter de ønskede parametre - vigtigst af alt, den afstandsindstilling, der styrer implantatets tykkelse.
9. Adskil implantatet fra knoglesegmentet. Vælg det tidligere dublerede objekt fra trin 2.7 på objektlisten, højreklik og vælg Boolesk → Fjern fra. Vælg derefter det objekt, der indeholder det oprettede implantat.
10. I tilfælde huller til skrue fiksering eller for at tillade angiogenese er påkrævet, skal du vælge Fly kategori → Opret plan for at skabe et parallelt plan, hvor hullerne til pladen er designet. Ved hjælp af manuel manipulation skal flyene placeres i maksimal parallelitet til implantatet. Vælg en cirkel i menuen Skitse, og opret cirkler i den ønskede størrelse og placering. En anden større cirkel kan oprettes, som vil tjene som countersink for hovedet af den intendent skrue.
11. Brug indstillingen Projektskitse i menuen Kurver, og vælg de skitser, der er udpeget til at blive overført fra flyet til implantatet.
12. Hvis du vil generere tælleren til Detail Clay skruerne, skal du bruge indstillingen Prægning med kurve i menuen Detaljeler. Vælg de ydre cirkler af skitsen, placere cirkelformede markøren inde i det markerede cirkulære område på overfladen og indtast den afstand, der styrer dybder countersink (f.eks 0,3 mm). For at fuldføre processen skal du trykke på Påfør og lavere for at sikre, at prægningen udføres på en subtraktionsmåde og ikke et additivt tilsætningsstof.
13. For at fuldføre hullerne skal du i menuen SubD-overflader bruge indstillingen Wire Cut SubD til at oprette stænger vinkelret på implantatet baseret på de små cirkler, der er oprettet i trin 2.10.
14. Hvis du vil oprette hullerne ved hjælp af stængerne, skal du bruge boolesk > Fjern fra som i trin 2.9. Vælg den ene stang efter den anden, højreklik på objektlisten → Boolean → Fjern fra → Oprettet implantat.
    BEMÆRK: Alternativt kan de ønskede skruer oprettes/scannes, og den booleske funktion kan bruges til at skabe de ønskede huller.
15. For at oprette en maske i implantatet (giver mulighed for angiogenese for eksempel), først generere en skitse (ved hjælp af kurven mulighed) af den planlagte mesh som i trin 2.6.
    1. Brug indstillingen Prægning med indpakket billede i menuen Detaljeler. Vælg et billede, hvorefter masken vil blive oprettet (der er flere skabeloner, der kommer med programmet). De hvide dele af billedet trækkes i masken, og de sorte dele skånes.
    2. Brug manuel styring, juster retningen og størrelsen af designet. Angiv den afstand, der repræsenterer tykkelsen af de genererede huller, og tryk på Anvend. Det patientspecifikt implantat er klar til produktion.

Representative Results

En 40-årig kvindelig patient med en brækket, lager leveret, rekonstruktion fiksering plade fra en tidligere skade og en ikke-union fraktur i venstre krop af hendes underkæbe præsenteret for afdelingen. Billeddannelse viser den ødelagte fikseringsplade og det fejlpositionerede venstre segment af underkæben (Figur 1). Ved hjælp af segmenteringssoftware blev der udført segmentering af underkæben, der adskilte den ødelagte fikseringsplade (Supplerende figur 1 og supplerende figur 2). Ved hjælp af 3D-designsoftware blev det venstre segment af underkæben flyttet til den korrekte anatomiske position(Supplerende figur 3 og supplerende figur 4). Spejling af højre sunde side blev udført for at give mulighed for korrekt rekonstruktion af den manglende knogle (Supplerende figur 5). Det patientspecifikke implantat er designet, herunder huller til fikseringsskruer(supplerende figur 6, 7 og 8). En maske blev designet til at give mulighed for yderligere knogletransplantation placering i henhold til den korrekte kontur af kæben, baseret på den sunde side, også gør det muligt for overlegen angiogenese gennem hullerne i masken (Supplerende Figur 9).

Implantatet blev sendt til udskrivning fra titanium ved hjælp af selektiv laser sintring teknologi. Postoperative resultater kan ses i figur 2. Bemærk kontinuiteten i underkæben og den korrekte lodrette position af venstre underkæbesegment i forhold til situationen præoperativt som observeret i figur 1. Bemærk også symmetrien i den knoglekontur, der blev rekonstrueret ved hjælp af det patientspecifikt implantat som den ydre kontur og et iliaca crest knogletransplantat til fyldning af hulrummene.

Figur 1: Præ-operation billeddannelse af en 40 år gammel patient med en brækket rekonstruktionsplade og ikke-foreningsbrud i venstre underkæbe. (A) Panoramabillede, læg mærke til den ødelagte fikseringsplade og den øverste position af venstre mandibulære segment i forhold til højre. (B)Til venstre, en posterior-forreste cephalometric billede og til højre en front visning af en 3D rekonstruktion fra patientens computertomografi billede. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Postoperativ fantasi. (A) Panoramabillede; bemærker underkæbens kontinuitet sammenlignet med den øverste position af det venstre mandibulære segment, der er observeret i figur 1. (B) Til venstre kan der observeres et bagende-forreste cephalometrisk billede. Til højre kan der ses en frontvisning af 3D-rekonstruktionen fra et computertomografibillede. Bemærk knoglens kontinuitet efter repositionering af venstre segment og påfyldning af hulrummene med en iliaca crest knogletransplantat. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 1: Segmenteringssoftware. En visning af arbejdsområdet og knoglesegmenteringsprocessen. Til venstre er 3D-rekonstruktionen af det computertomografibillede. Til højre er de forskellige synspunkter, som giver mulighed for at gennemse de forskellige sektioner. De gule cirkler er "-" markører for fjernelse af den markerede brik, og de orange er "+" markører for området af interesse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 2: Segmenteringsproces. Efter segmentering af underkæben. Den tidligere ødelagte rekonstruktionsplade blev fjernet fra området af interesse. Dette segment eksporteres som en 3D-stl-fil. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 3: 3D-designsoftware. 3D-stl-filerne blev eksporteret fra en segmenteringssoftware og importeret til 3D-designsoftware. (A) Arbejdsområdet. (B) De importerede 3D ansigtsknogler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 4: Yderligere segmentering og repositionering. (A) Segmentering af underkæben i to forskellige stykker. (B) Den mindste del af underkæben blev flyttet til sin korrekte anatomiske position. Hængslet af bevægelsen blev sat til venstre mandibulære kondyle. Både før og efter bevægelse opsætninger kan observeres. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 5: Spejling funktion af den sunde side. (A) Definition af midten sagittal plan for spejling. (B) Sammenlægning af spejlet del (som giver mulighed for korrekt genopbygning af den nederste kant af kæben) med det resterende segment i patienten og fylde hulrum. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 6: Oprettelse af patienten specifikke implantat. (A)Oprettelse af implantatets ydre form ved hjælp af kurvefunktionen. (B)Oprettelse af tykkelsen af pladen. Dette er skabt på den rekonstruerede underkæbe efter spejling teknik. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 7: Adskillelse af pladen og planlægningshuller. (A)Efter adskillelse af det patientspecifikt implantat ved hjælp af den booleske funktion. (B)Oprettelse af huller til skruer og countersink ved hjælp af et vinkelret plan. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 8: Huller og countersink forberedelse. (A)Efter countersink forberedelse ved hjælp af prægning funktion. (B) Til venstre kan de stænger, der er skabt til hulforberedelse, observeres. Til højre er implantatet med huller efter subtraktion af stængerne fra implantatet ved hjælp af den booleske funktion. Klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende figur 9: Forberedelse af en maske. (A) Mesh forberedelse ved hjælp af prægning med indpakket billede funktion. (B) Venstre og nederste syn på den endelige patient specifikke implantat på den eksisterende underkæben efter repositionering. Bemærk, at implantatet vil vejlede kirurgen til korrekt repositionering under operationen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Med den konstante udvikling af computere til virtuel planlægning af kirurgiske procedurer, kombinationen med en anden udviklende teknologi, 3D-print, førte til en helt ny æra af kirurgisk behandling. Nøjagtighed er målet for disse teknologier og patientspecifik pleje, som det fremtidige mål, præsenteres i form af kirurgiske vejledninger og patientspecifikke rekonstruktionsimplantater. Vi diskuterer kirurgiske vejledninger som en del af en anden fremtidig protokol. I den nuværende protokol diskuterer vi segmenteringen af DICOM-billeder i 3D-stl-filer, der kan 3D-printes som model. Vi diskuterer også 3D virtuel planlægning af en patient specifikt implantat. Brugen af forskellige funktioner til at hjælpe med genopbygningen af forsvundne eller fordrevne knoklet fragmenter præsenteres. Re-positionering af et segment og spejling af den sunde side er sådanne funktioner. Konstruktion af implantatet ved hjælp af den planlagte kontur af knoglen er detaljeret. Huller til fikseringsskruer og design af en maske eller en vugge til placering af knogletransplantater og aktivering af angiogenese vises. Altid huske, at designet er begrænset i størrelse til det tilgængelige blødt væv til lukning. Lad det være korrekt angiogenese og bruge store huller / mesh, når det er muligt til dette formål. Patientspecifikke implantater gennemgår ikke fysisk manipulation under operationen for kompatibilitet med den resterende knogle, i modsætning til regelmæssige rekonstruktionsplader (hvilket svækker dem). Således kan tyndere plader modstå meget større kræfter. Tag hensyn til, at hvis produktionsprocessen af 3D-printet titanium implantat omfatter udjævning af det ydre aspekt (for at undgå bløddel irritation), det fjerner yderligere materiale (ca. 0,3 mm). Når der forberedes implantater med en vugge, er det afgørende at undgå vinkler, der forstyrrer korrekt placering af implantatet på knoglen.

Når det er sagt, 3D planlægning og udskrivning af patientspecifikke implantater er allerede brugt i klinisk praksis, viser positive resultater. Metodens begrænsninger er omkostningerne og behovet for en tekniker til planlægningen, hvilket resulterer i tidskrævende webmøder og diskussioner i planlægningsfasen.

Vi fandt ud af, at in-house planlægning af implantatet reducerer omkostningerne dramatisk og giver også mulighed for brug af lokale virksomheder til at udskrive implantatet. Med udviklingen af teknologi bliver softwaregrænsefladen mere brugervenlig og giver kirurgen mulighed for at planlægge sine egne kirurgiske procedurer og patientspecifikke implantater. Dette giver store fordele, kirurgen kommer ind på operationsstuen med det implantat, han udviklede efter bevægelser og genopbygning procedurer, han planlagde, og dermed er han klar over hvert trin, og ved, hvordan man skal håndtere uventede udviklinger under operationen. Denne protokol er beregnet til netop dette formål, så kirurgen til at planlægge sine egne operationer og skabe sin egen patient specifikke implantater.

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