Summary
פרוטוקול זה מתאר את השימוש בתכנון והדפסה תלת-ממדיים לשיקום פגמים גרמיות. אנו משתמשים כלים פילוח כדי ליצור מודלים תלת-ממד ואחריו 3D תוכנה עיצוב ליצור שתלים ספציפיים לחולה למטרות שחזור במקביל לניתוח פולשני או כשלב שני.
Abstract
אנחנו בעיצומו של עידן התלת-ממד ברוב ההיבטים של החיים, ובעיקר ברפואה. משמעת כירורגית הוא אחד השחקנים העיקריים בתחום הרפואי באמצעות התפתחות ללא הרף יכולות תכנון 3D והדפסה. עיצוב בסיוע מחשב (CAD) ומחשב בסיוע ייצור (CAM) משמשים כדי לתאר את התכנון 3D וייצור של המוצר. תכנון וייצור של מדריכים כירורגיים תלת-ממדיים ושתלים שחזור מבוצעים כמעט אך ורק על ידי מהנדסים. ככל שהתקדמות טכנולוגית וממשקי תוכנה הופכים לידידותיים יותר למשתמש, היא מעלה שאלה בנוגע לאפשרות להעביר את התכנון והייצור למטפל. הסיבות לשינוי כזה הן ברורות: למנתח יש את הרעיון של מה שהוא רוצה לעצב, והוא גם יודע מה אפשרי והוא יכול לשמש בחדר הניתוח. זה מאפשר לו להיות מוכן עבור כל תרחיש/תוצאות בלתי צפויות במהלך הפעולה ומאפשר למנתח להיות יצירתי לבטא רעיונות חדשים שלו באמצעות תוכנת CAD. מטרת שיטה זו היא לספק קלינאים עם היכולת ליצור מדריכים כירורגיים שלהם שתלים שחזור. בכתב יד זה, פרוטוקול מפורט יספק שיטה פשוטה לפילוח באמצעות התוכנה פילוח ותכנון השתל באמצעות תוכנת עיצוב תלת-ממד. בעקבות פילוח והפקת קובץ stl באמצעות תוכנה פילוח, המרפאה יכולה ליצור לוחית פשוטה שחזור ספציפי מטופל או צלחת מורכבת יותר עם עריסה עבור השתלת העצם מיצוב. מדריכים כירורגיים ניתן ליצור עבור כריתה מדויקת, הכנה החור עבור מיקום הצלחת השחזור הנכון או לקציר השתל העצם מחדש ליצור. מקרה של שחזור הלסת התחתונה בעקבות שבר צלחת וריפוי לא האיגוד של פציעה מתמשכת של טראומה מפורט.
Introduction
רפואה מותאמת אישית מתפתחת במהירות בתחומים רבים של רפואה1. הטיפול האישי אונלוגי הוא נושא של דיון רב, ולכן ידוע גם בפני האוכלוסייה הכללית. הדפסה תלת-ממדית הוצגה לראשונה על ידי צ'ארלס הול המציג הדפסת תלת-ממד של אובייקטים באמצעות סטריאואוליתוגרפיה2. מאז פותחו טכנולוגיות שונות להדפסת תלת-ממד. השיטה שבשימוש נבחרה בהתאם למטרת ההתקן.
השדה הכירורגי מאמץ במהירות תרופה אישית. טיפול מותאם אישית בתחום הכירורגי מחייב תכנון וירטואלי באמצעות תוכנת עיצוב בעזרת מחשב (CAD). השלב הראשון תמיד כולל פילוח כדי ליצור קובץ stl 3D. המחשב בסיוע ייצור (CAM) מכונה תהליך הייצור של החלק המתוכנן 3D. הניצול הראשון של הטכנולוגיה שימש בדפוס טרום ניתוח מודל לתכנון כירורגי וניתוח מבוים3,4,5. עם התפתחות הטכנולוגיה, תכנון וירטואלי של הניתוחים ולאחר מכן תכנון וייצור של מדריכים כירורגיים כדי לסייע בניתוח עצמו ושתלים ספציפיים החולה שחזור מותאם באופן מושלם על העצם של המטופל הפך פופולרי יותר6,7,8,9,10. המטרה של פרוטוקול זה היא לספק לרופאים עם היכולת ליצור מדריכים כירורגיים שלהם ושחזור מטופל ספציפי שתלים. שיטה זו מדויקת יותר מהשימוש בלוחות מלאי מכיוון שהיא מתאימה באופן מושלם ויכולה להתבסס על מאפייני הפגם המסוים. הוא גם מפחית את התלות בחווית המנתח ומפחית את זמן הפעולה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
מחקר זה עקב אחר הצהרת הלסינקי על פרוטוקול רפואי ואתיקה ומועצת הביקורת אתית מוסדית אישר את המחקר.
1. פילוח באמצעות תוכנה מפלח
הערה: תהליך הייבוא של קבצי DICOM דורש את כיוון הציר, המטוסים המשונן והמטוסים בחלון המוקפץ כדי לסיים את הכיוונון.
- בתפריט פילוח של עצם , בחרו בתכונה ' כללי '. השתמש בסמן "-" עבור קטעים לא רצויים ו-"+" עבור קטע הריבית. הוסיפו סמנים לדגם תלת-ממד ששוחזר או במקטעי הצלב השונים בשעת גלילה ותזוזה לאורך הסריקה.
- בחרו בלחצן Set שמדגימה את הפילוח. בשלב זה, תקן את הסימונים והוסף אלה חדשים לדיוק טוב יותר. לחץ על החל כדי ליצור את המקטע החדש. ניתן ליצור בדרך זו מקטעים מרובים.
- לאחר פילוח הוא השלם, לייצא את הקבצים כמו stl 3D קבצים עבור 3D הדפסה או תכנון של שתלים תלת-ממד שחזור בתוכניות עיצוב 3D CAD.
2. עיצוב שתלים בשחזור באמצעות תוכנת עיצוב תלת-ממד
- לאחר מקדם את פילוח העצם באמצעות התוכנה פילוח, לייבא את הקבצים stl לתוך תוכנת עיצוב תלת-ממד (ראה טבלת חומרים).
- אם יש צורך בהפרדה נוספת (למשל, אם חלק אחד מיועד להעבירו בנפרד), עשה זאת כאן. בתפריט חימר פיסול , השתמשו בכלי גילוח כדי להפריד את העצם לשני חלקים. בתפריט ' בחר/העבר חימר ', בחר את החימר וסמן את החלק שעליו יש לעבוד. לאחר מכן, העתק חלק זה וצור אובייקט זהה חדש ברשימת האובייקטים כדי לטפל במיקומה כפי שנצפה בשלב הבא.
- בצע תנועת מקטע בשלב זה. ודא שציר הסיבוב מוגדר על חלק העצם כדי להישאר באותו מיקום. בתפריט ' בחירה/העברה של חימר ', בחר ' מקם מחדש ' והגדר את ציר הסיבוב כמתוכנן.
- כמו הגולגולת האנושית היא סימטרית ברובו, להשתמש בצד הבריא להדרכה כדי להשיג את המיקום הנכון/החלפת קטע חסר/mal ממוקם. השתמש בטכניקת שיקוף כדי ליצור תמונה שיקוף של הצד הרגיל. בתפריט חימר לבנות , להשתמש באפשרות חימר מראה ולהגדיר את המטוס במרכז הגולגולת.
- בהתבסס על החצי שיקוף, לבצע סיבוב קטע אם יש צורך לשחזר את החלק הגרמי avulsed באמצעות הכלי להוסיף חימר בתפריט לבנות חימר . שחזור זה מבוצע על מנת לבנות שתל שחזור ספציפי לחולה בשלבים הבאים, אשר לשחזר את מתאר הפנים הנכון.
- לאחר שחזור קטע הגרמי, צור את השתל המסוים של המטופל. בתפריט ' עקומות ', השתמשו באפשרות ' צייר עקומה ' וצרו צורה חיצונית רציפה של השתל הרצוי.
- בשלב זה, לשכפל את פלח הגרמי כפי שיהיה צורך לבצע פונקציה בוליאנית כדי להפריד את השתל הבנוי. פעולה זו מבוצעת בחלון רשימת האובייקטים על-ידי לחיצה ימנית על המקטע והקשה על האפשרות הכפולה .
- עבוד במקטע החדש המשוכפל. בתפריט חימר פירוט , השתמש באפשרות הבלטה עם עיקול כדי ליצור את נפח השתל המשוחזר. בחר את הצורה החיצונית של השתל משורטטים, ולאחר מכן למקם את הסמן בצורת מעגל בתוך השתל שרטט, על פני השטח של העצם. שים לב שההבלטה תפעל כלפי חוץ או על החלק הפנימי של העצם, בהתאם למיקום הסמן. לאחר מכן, לבחור את הפרמטרים הרצויים-החשוב ביותר, אפשרות המרחק השולט על עובי השתל.
- הפרידו את השתל מפלח הגרמי. ברשימת האובייקטים, בחר את האובייקט המשוכפל הקודם משלב 2.7, לחץ לחיצה ימנית ולאחר מכן בחר בוליאני ← הסר מ. לאחר מכן בחר את האובייקט המכיל את השתל שנוצר.
- במקרה של חורים עבור קיבעון בורג או לאפשר אנגיוגנזה נדרשים, בחר מטוסים קטגוריה → צור מישור כדי ליצור מישור מקביל שבו החורים עבור הלוח מתוכננים. באמצעות תפעול ידני, מניחים את המטוסים בקבינות מקסימלית לשתל. בתפריט סקיצה , בחר עיגול וצור עיגולים בגודל ובמיקום הרצויים. ניתן ליצור מעגל גדול נוסף, שישמש ככיור נגד ראש בורג הכוונות.
- בתפריט ' עקומות ', השתמש באפשרות ' סקיצה של פרוייקט ' ובחר את הסקיצות המיועדות להעברה מהמטוס לשתל.
- כדי ליצור את כיור הנגד עבור הברגים, בתפריט חימר פרטי , השתמש באפשרות ' הבלטה עם עקומה '. לבחור את העיגולים החיצוניים של הסקיצה, למקם את הסמן בצורת מעגל בתוך האזור העגול המסומן על פני השטח ולהזין את המרחק השולט על מעמקי כיור נגד (למשל, 0.3 מ"מ). כדי להשלים את התהליך, לחץ על החל והנמך כדי לוודא שהבהבלטה מבוצעת באופן חיסור ולא בתוסף.
- כדי להשלים את החורים, בתפריט משטחי Subd , להשתמש בחוט לגזור subd האפשרות ליצור מוטות בניצב לשתל מבוסס על עיגולים קטנים שנוצרו בשלב 2.10.
- כדי ליצור את החורים באמצעות המוטות, השתמש בוליאני ≫ הסר מתוך בשלב 2.9. לבחור מוט אחד אחרי השני, לחץ לחיצה ימנית ברשימת האובייקטים ← בוליאני → הסר מתוך → נוצר השתל.
הערה: לחלופין, ניתן ליצור/לסרוק את הברגים הרצויים, והפונקציה הבוליאני יכולה לשמש ליצירת החורים הרצויים. - כדי ליצור רשת שינוי בשתל (המאפשר אנגיוגנזה למשל), תחילה צור סקיצה (באמצעות אפשרות העקומה) של רשת השינוי המתוכננת כמו בשלב 2.6.
- בתפריט ' חימר ', השתמשו באפשרות ' הבלטה עם תמונה עטופה '. בחרו תמונה לפיהם תיווצר רשת השינוי (קיימות מספר תבניות שיבואו עם התוכנית). החלקים הלבנים של התמונה יהיו מופחתים ברשת, והחלקים השחורים ייחסו.
- שימוש בפקד ידני, כוונון הכיוון והגודל של העיצוב. קבעו את המרחק המייצג את עובי החורים שנוצרו ולחצו על ' החל'. השתל הספציפי לחולה מוכן לייצור.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
החולה 40 בת האישה עם שבור, מניות סיפק, לוחית קיבוע שחזור מפציעה קודמת שבר בגוף השמאלי של הלסת התחתונה שלה הציג למחלקה. הדמיה מראה את לוחית הקיבוע שבורה ואת הקטע השמאלי mal ממוקם של הלסת התחתונה (איור 1). באמצעות התוכנה פילוח, פילוח של הלסת התחתונה בוצעה הפרדת לוחית הקיבוע שבורה (איור משלים 1 ואיור משלים 2). באמצעות תוכנת עיצוב תלת-ממד, הקטע השמאלי של הלסת התחתונה היה מיקום למיקום האנטומי הנכון (איור משלים 3 ומשלים איור 4). שיקוף של הצד הבריא הנכון בוצע כדי לאפשר שחזור נאות של העצם החסרה (איור משלים 5). השתל הספציפי המטופל תוכנן, כולל חורים עבור ברגים קיבוע (דמויות משלימות 6, 7, ו 8). רשת שינוי נועדה לאפשר מיקום נוסף שתל העצם על פי המתאר הנכון של הלסת, מבוסס על הצד הבריא, גם מאפשר אנגיוגנזה מעולה דרך החורים ברשת (איור משלים 9).
השתל נשלח להדפסה מטיטניום באמצעות טכנולוגיית לייזר סלקטיבית שניקולס. ניתן להבחין בתוצאות שלאחר הניתוח באיור 2. שימו לב להמשכיות הלסת התחתונה ולמיקום האנכי הנכון של פלח הלסת השמאלי בהשוואה למצב שלפני הניתוח כפי שנצפה באיור 1. גם לשים לב סימטריה במתאר הגרמי כי שוחזר באמצעות המטופל הספציפי השתל כמו המתאר החיצוני השתל כסל העצם למילוי חללים.
איור 1: הדמיה טרום מבצע של מטופל בן 40 שנים עם צלחת שחזור שבורה ושברים בלתי מהאיגוד של הלסת התחתונה השמאלית. (א) תמונה פנורמית, שימו לב ללוחית הקיבוע השבורה ולמיקום העליון של קטע הלסת השמאלי בהשוואה לימין. (ב) בצד שמאל, תמונת הרמטרי אחורי קדמית ומימין מבט חזיתי של שחזור תלת-ממד מתמונת הטומוגרפיה המחושבת של המטופל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: דמיון לאחר הניתוח. (א) תמונה פנורמית; שימו לב להמשכיות הלסת התחתונה, בהשוואה לתנוחה העליונה של קטע הלסת השמאלי הנצפה באיור 1. (ב) בצד שמאל, ניתן לצפות בדימוי הקדמי-האחורי. מימין, ניתן לצפות במבט חזיתי של שחזור תלת-ממד מתמונת טומוגרפיה ממוחשבת. שים לב המשכיות העצם לאחר מיקום מחדש של קטע שמאל מילוי חללים עם שתל העצם ציצה כסל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 1: פילוח תוכנה. תצוגה של סביבת העבודה ותהליך פילוח העצם. משמאל הוא שחזור תלת-ממד של תמונת הטומוגרפיה המחושבת. מימין הן תצוגות שונות אשר מאפשרות דפדוף דרך מקטעים שונים. העיגולים הצהובים הם "-" סמנים להסרת החלק המסומן והכתום הם "+" סמנים עבור אזור הריבית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 2: התהליך פילוח. לאחר הפילוח של הלסת התחתונה. לוחית השיקום הקודמת שנשברה הוסרה מאזור הריבית. קטע זה מיוצא כקובץ stl תלת-ממדי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
משלימה איור 3:3d תוכנת עיצוב. הקבצים stl 3D יוצאו מתוך תוכנה פילוח ויובאו לתוך תוכנת עיצוב תלת-ממד. (א) סביבת העבודה. (ב) עצמות הפנים המיובאות תלת-ממדית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 4: פילוח נוסף ומיקום מחדש. (א) פילוח של הלסת התחתונה לשתי חתיכות שונות. (ב) החלק הקטן יותר של הלסת התחתונה היה ממקם את מיקומו האנטומי הנכון. ציר התנועה הוגדר. ללסת התחתונה השמאלית גם את הגדרות התנועה לפני ופוסט ניתן לצפות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 5: שיקוף פונקציה של הצד הבריא. (א) הגדרת מישור משונן אמצע לשיקוף. (ב) מיזוג החלק המשוקף (המאפשר שחזור נאות של הגבול התחתון של הלסת) עם הקטע הנותר אצל המטופל ומילוי חללים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
משלים איור 6: יצירת שתל ספציפי למטופל. (א) יצירת הצורה החיצונית של השתל באמצעות פונקציית העקומה. (ב) יצירת עובי הצלחת. הדבר נוצר בלסת התחתונה המשוחזרת בעקבות טכניקת השיקוף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 7: הפרדת הלוח והתכנון חורים. (א) בעקבות הפרדת השתל הספציפי למטופל באמצעות הפונקציה הבוליאני. (ב) יצירת חורים עבור הברגים וכיור הנגד באמצעות מישור אנכי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
משלים איור 8: חורים והכנה לכיור נגדי. (א) הכנה לאחר כיור נגדי באמצעות פונקציית ההבלטה. (ב) בצד שמאל, המוטות שנוצרו עבור הכנה החור ניתן לצפות. מימין הוא שתל עם חורים בעקבות חיסור של המוטות מן השתל באמצעות פונקציה בוליאנית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור משלים 9: הכנת רשת שינוי. (א) הכנה לרשת שינוי באמצעות ' הבלטה ' עם הפונקציה ' תמונה עטופה '. (ב) התצוגה השמאלית והתחתונה של השתל הסופי של המטופל הספציפי על הלסת התחתונה הקיימת לאחר מיקום מחדש. שים לב השתל ידריך את המנתח למיקום מחדש הנכון במהלך הניתוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
עם שימוש מתמשך בפיתוח של מחשבים עבור תכנון וירטואלי של הליכים כירורגיים, השילוב עם טכנולוגיה מתפתחת אחרת, 3D הדפסה, הוביל עידן חדש לגמרי של טיפול כירורגי. דיוק הוא המטרה של טכנולוגיות אלה וטיפול ספציפי למטופל, כמו המטרה העתידית, מוצג בצורה של מדריכים כירורגיים ושתלים מסוימים המטופל שחזור. אנחנו דנים במדריכים כירורגיים. כחלק מפרוטוקול עתידי אחר בפרוטוקול הנוכחי, אנו דנים בפילוח של תמונות DICOM לתוך קבצים מסוג stl 3D שיכול להיות 3D מודפס כמודל. אנו דנים גם בתכנון וירטואלי תלת-ממדי של השתלת מטופל ספציפי. השימוש בפונקציות מגוונות כדי לסייע בבנייה מראש של רסיסים חסרים או העקורים מוצגים. מיקום מחדש של קטע ושיקוף של הצד הבריא הם פונקציות כאלה. בניית השתל באמצעות המתאר המתוכנן של העצם מפורטת. חורים עבור ברגים קיבוע ועיצוב רשת שינוי או עריסה למיקום שתל העצם והפעלת אנגיוגנזה מוצג. זכור תמיד כי העיצוב מוגבל בגודל לרקמות הרכות הזמינות לסגירת הסגר. הרשו לאנגיוגנזה הנאות והשתמשו בחורים גדולים/רשת שינוי במידת האפשר למטרה זו. שתלים ספציפיים למטופל אינם עוברים מניפולציה פיזית במהלך הניתוח לצורך תאימות לעצם שנותר, בניגוד ללוחות השחזור הקבועים (המחליש אותם). כך, צלחות מדלל יכול לעמוד בפני כוחות גדולים הרבה יותר. קח בחשבון כי אם תהליך הייצור של השתל טיטניום 3D מודפס כולל החלקה של ההיבט החיצוני (עבור הימנעות גירוי רקמות רך), היא מסירה חומר נוסף (כ 0.3 מ"מ). בעת הכנת שתלים עם עריסה, חשוב להימנע מזוויות המפריעות למיקום תקין של השתל על העצם.
עם זאת אמר, 3D תכנון והדפסה של שתלים ספציפיים לחולה כבר בשימוש בפרקטיקה קלינית, מראה תוצאות חיוביות. מגבלות השיטה הן העלות והצורך במהנדס עבור התכנון, המביא לזמן רב של פגישות ודיונים באינטרנט במהלך שלב התכנון.
מצאנו כי תכנון הבית של השתל מפחית את העלויות באופן דרמטי גם מאפשר להשתמש בחברות מקומיות כדי להדפיס את השתל. עם התפתחות הטכנולוגיה, ממשק התוכנה הופך להיות ידידותי יותר למשתמש ומאפשר למנתח לתכנן הליכים כירורגיים שלו ואת המטופל שתלים ספציפיים. זה מקנה יתרונות גדולים, המנתח נכנס לחדר הניתוח עם השתל הוא פיתח בעקבות תנועות והליכי שחזור שהוא תיכנן ולכן הוא מודע לכל צעד, ויודע איך להתמודד עם התפתחויות בלתי צפויות במהלך הניתוח. פרוטוקול זה מיועד למטרה זו בדיוק, ומאפשר למנתח לתכנן את הניתוחים שלו וליצור שתלים משלו מסוימים המטופל.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
לא התקבלה מימון לעבודה זו.
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).
