Summary
Este protocolo describe el uso de la planificación e impresión 3D para la reconstrucción de defectos óseos. Utilizamos herramientas de segmentación para crear modelos 3D seguidos de software de diseño 3D para crear implantes específicos para el paciente con fines de reconstrucción concomitantes con cirugía ablativa o como una segunda etapa.
Abstract
Estamos en medio de la era 3D en la mayoría de los aspectos de la vida, y especialmente en la medicina. La disciplina quirúrgica es uno de los principales actores en el campo médico utilizando las capacidades de planificación e impresión 3D en constante desarrollo. El diseño asistido por ordenador (CAD) y la fabricación asistida por ordenador (CAM) se utilizan para describir la planificación y fabricación 3D del producto. La planificación y fabricación de guías quirúrgicas 3D e implantes de reconstrucción es realizada casi exclusivamente por ingenieros. A medida que la tecnología avanza y las interfaces de software se vuelven más fáciles de usar, plantea una pregunta con respecto a la posibilidad de transferir la planificación y la fabricación al médico. Las razones de tal cambio son claras: el cirujano tiene la idea de lo que quiere diseñar, y también sabe lo que es factible y podría ser utilizado en el quirófano. Le permite estar preparado para cualquier escenario / resultados inesperados durante la operación y permite al cirujano ser creativo y expresar sus nuevas ideas utilizando el software CAD. El propósito de este método es proporcionar a los médicos la capacidad de crear sus propias guías quirúrgicas e implantes de reconstrucción. En este manuscrito, un protocolo detallado proporcionará un método simple para la segmentación utilizando el software de segmentación y la planificación de implantes utilizando un software de diseño 3D. Después de la segmentación y la producción de archivos stl utilizando software de segmentación, el médico podría crear una placa de reconstrucción específica del paciente simple o una placa más compleja con una base para el posicionamiento del injerto óseo. Se pueden crear guías quirúrgicas para una resección precisa, la preparación del agujero para el posicionamiento adecuado de la placa de reconstrucción o para la recolección y el reestornado del injerto óseo. Se detalla un caso de reconstrucción de la mandíbula inferior después de la fractura de la placa y la curación no sindical de una lesión sufrida por trauma.
Introduction
La medicina personalizada se está desarrollando rápidamente en muchos campos de la medicina1. El tratamiento oncológico personalizado es un tema de mucha discusión y por lo tanto es bien conocido por la población en general. La impresión 3D fue introducida por primera vez por Charles Hull mostrando la impresión 3D de objetos utilizando estereolitografía2. Desde entonces, se desarrollaron diferentes tecnologías para la impresión 3D. El método utilizado se selecciona en función del propósito del dispositivo.
El campo quirúrgico está adoptando rápidamente la medicina personalizada. El tratamiento personalizado en el campo quirúrgico requiere una planificación virtual mediante un software de diseño asistido por ordenador (CAD). La primera etapa siempre incluye la segmentación para crear un archivo stl 3D. La fabricación asistida por ordenador (CAM) se conoce como el proceso de fabricación de la pieza diseñada en 3D. La primera utilización de la tecnología se utilizó en la impresión de modelos preoperatorios para la planificación quirúrgica y la cirugía simulada3,,4,5. Con el desarrollo de la tecnología, la planificación virtual de las cirugías seguida de la planificación y fabricación de guías quirúrgicas para ayudar en la cirugía en sí y los implantes de reconstrucción específicos del paciente instalados perfectamente en el hueso del paciente se hicieron más populares6,,7,,8,,9,,10. El propósito de este protocolo es proporcionar a los médicos la capacidad de crear sus propias guías quirúrgicas y reconstrucción de implantes específicos para pacientes. Este método es más preciso que el uso de placas de stock porque se adapta perfectamente y se puede diseñar en función de las características del defecto específico. También reduce la dependencia de la experiencia del cirujano y reduce el tiempo de operación.
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Protocol
Este estudio siguió a la Declaración de Helsinki sobre protocolo médico y ética y la Junta de Revisión Etica Institucional aprobó el estudio.
1. Segmentación utilizando un software de segmentación
NOTA: El proceso de importación de los archivos DICOM requiere la orientación de los planos axial, coronal y sagital en la ventana emergente para finalizar la configuración.
- En el menú Segmentación ósea, elija la función General. Utilice el marcador "-" para segmentos no deseados y "+" para el segmento de interés. Añada marcadores en el modelo reconstruido en 3D o en las diferentes secciones transversales al desplazarse y moverse por el análisis.
- Elija el botón Establecer que muestra la segmentación. En este punto, corrija las marcas y agregue otras nuevas para una mejor precisión. Pulse Aplicar para crear el nuevo segmento. Se pueden crear varios segmentos de esta manera.
- Una vez completada la segmentación, exporte los archivos como archivos 3D stl para la impresión 3D o la planificación de implantes de reconstrucción 3D en programas CAD de diseño 3D.
2. Diseñar implantes de reconstrucción utilizando software de diseño 3D
- Después de preformar la segmentación ósea utilizando el software de segmentación, importe los archivos stl en el software de diseño 3D (consulte Tabla de materiales).
- Si se necesita una separación adicional (por ejemplo, si una parte está destinada a moverse por separado), hágalo aquí. En el menú Esculpir arcilla, utilice la herramienta de afeitado para separar el hueso en dos partes. En el menú Seleccionar/Mover arcilla, seleccione la arcilla y marque la pieza en la que desea trabajar. A continuación, copie esta parte y cree un nuevo objeto idéntico en la lista de objetos para manipular su posición como se observa en la siguiente etapa.
- Realice el movimiento del segmento en esta etapa. Asegúrese de que el eje de rotación esté establecido en la parte del hueso para permanecer en la misma posición. En el menú Seleccionar/Mover arcilla, seleccione Reposicionar y establezca el eje de rotación según lo planeado.
- Como el cráneo humano es en su mayoría simétrico, utilice el lado sano para obtener orientación para obtener el posicionamiento/reemplazo correcto del segmento perdido/mal posicionado. Utilice una técnica de creación de reflejo para crear una imagen de simetría del lado normal. En el menú Construir arcilla, utilice la opción Arcilla de espejo y establezca el plano en el centro del cráneo.
- En función de la mitad espejada, realice la rotación del segmento si es necesario y reconstruya la parte ósea avulsed con la herramienta Añadir arcilla en el menú Construir arcilla. Esta reconstrucción se realiza con el fin de construir un implante de reconstrucción específico del paciente en las siguientes etapas, que reconstruirá el contorno facial correcto.
- Después de reconstruir el segmento óseo, cree el implante de reconstrucción específico del paciente. En el menú Curvas, utilice la opción Dibujar curva y cree una forma externa continua del implante deseado.
- En esta etapa, duplique el segmento óseo, ya que será necesario realizar una función booleana para separar el implante construido. Esto se realiza en la ventana de lista de objetos haciendo clic con el botón derecho en el segmento y presionando la opción Duplicar.
- Trabajar en el nuevo segmento duplicado. En el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con curva para crear el volumen del implante de reconstrucción. Designe la forma externa del implante esbozado y, a continuación, coloque el cursor en forma de círculo dentro del implante esbozado, en la superficie del hueso. Tenga en cuenta que el relieve funcionará hacia afuera o en el interior del hueso, dependiendo de la colocación del cursor. A continuación, elija los parámetros deseados - lo más importante, la opción de distancia que controla el espesor del implante.
- Separe el implante del segmento óseo. En la lista de objetos, elija el objeto duplicado previamente en el paso 2.7, haga clic con el botón derecho y seleccione Boolean (Boolean) > Remove From (Eliminar de). A continuación, elija el objeto que contiene el implante creado.
- En caso de que se requieran orificios para la fijación de tornillos o para permitir la angiogénesis, seleccione Planos categoría > Crear plano para crear un plano paralelo en el que se diseñen los orificios para la placa. Mediante la manipulación manual, coloque los planos en el máximo paralelismo con el implante. En el menú Boceto, elija un círculo y cree círculos en el tamaño y la posición deseados. Se puede crear un segundo círculo más grande, que servirá como el avellanado para la cabeza del tornillo intendente.
- En el menú Curvas, utilice la opción Croquis de proyecto y elija los croquis designados para transferir del plano al implante.
- Para generar el avellanado de los tornillos, en el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con curva. Designe los círculos exteriores del croquis, coloque el cursor en forma de círculo dentro del área circular marcada en la superficie e introduzca la distancia que controla las profundidades del avellanado (por ejemplo, 0,3 mm). Para completar el proceso, presione Aplicar e Inferior para asegurarse de que el relieve se realiza de una manera de resta y no un aditivo.
- Para completar los agujeros, en el menú Superficies subdesulares, utilice la opción SubD de corte de alambre para crear varillas perpendiculares al implante basadas en los pequeños círculos creados en el paso 2.10.
- Para crear los taladros con las varillas, utilice Booleano > Quitar de como en el paso 2.9. Elija una barra después de la otra, haga clic con el botón derecho en la lista de objetos .
NOTA: Alternativamente, los tornillos deseados se pueden crear/escanear y la función booleana se puede utilizar para crear los agujeros deseados. - Para crear una malla en el implante (permitiendo la angiogénesis, por ejemplo), primero genere un croquis (usando la opción de curva) de la malla planificada como en el paso 2.6.
- En el menú Arcilla de detalle, utilice la opción Relieve con imagen ajustada. Elija una imagen según la cual se creará la malla (hay varias plantillas que vienen con el programa). Las partes blancas de la imagen se restarán en la malla, y las partes negras se salvarán.
- Con el control manual, ajuste la dirección y el tamaño del diseño. Establezca la distancia que representa el grosor de los taladros generados y pulse Aplicar. El implante específico del paciente está listo para la producción.
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Representative Results
Una paciente de 40 años con una placa de fijación de reconstrucción rota y suministrada en stock de una lesión anterior y una fractura no sindical en el cuerpo izquierdo de su mandíbula inferior presentada al departamento. La imagen muestra la placa de fijación rota y el segmento izquierdo mal posicionado de la mandíbula inferior(Figura 1). Utilizando un software de segmentación, se realizó la segmentación de la mandíbula inferior separando la placa de fijación rota(Figura suplementaria 1 y Figura suplementaria 2). Utilizando el software de diseño 3D, el segmento izquierdo de la mandíbula se reposicionó a la posición anatómica correcta(Figura suplementaria 3 y Figura suplementaria 4). Se realizó la duplicación del lado sano derecho para permitir la reconstrucción adecuada del hueso que faltaba(Figura suplementaria 5). El implante específico del paciente fue diseñado, incluyendo agujeros para tornillos de fijación (Figuras suplementarias 6, 7 y 8). Una malla fue diseñada para permitir la colocación adicional del injerto óseo de acuerdo con el contorno adecuado de la mandíbula, basado en el lado sano, también permitiendo una angiogénesis superior a través de los agujeros en la malla (Figura suplementaria 9).
El implante fue enviado para su impresión a partir de titanio utilizando la tecnología de sinterización selectiva por láser. Los resultados postoperatorios se pueden observar en la Figura 2. Observe la continuidad de la mandíbula inferior y la posición vertical correcta del segmento de mandíbula inferior izquierdo en comparación con la situación preoperatoria como se observa en la Figura 1. Observe también la simetría en el contorno óseo que se reconstruyó utilizando el implante específico del paciente como contorno exterior y un injerto óseo de cresta ilíaca para llenar los vacíos.
Figura 1: Imagen previa a la operación de un paciente de 40 años con una placa de reconstrucción rota y fractura no sindical de la mandíbula inferior izquierda. (A) Imagen panorámica, observe la placa de fijación rota y la posición superior del segmento mandibular izquierdo en comparación con la derecha. (B) A la izquierda, una imagen cefalométrica posterior-anterior y a la derecha una vista frontal de una reconstrucción 3D a partir de la imagen de tomografía computarizada del paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Imaginación postoperatoria. (A) Imagen panorámica; observar la continuidad de la mandíbula inferior, en comparación con la posición superior del segmento mandibular izquierdo observada en la Figura 1. (B) A la izquierda, se puede observar una imagen cefalométrica posterior-anterior. A la derecha, se puede observar una vista frontal de la reconstrucción 3D a partir de una imagen de tomografía computarizada. Observe la continuidad del hueso después del reposicionamiento del segmento izquierdo y llenando los vacíos con un injerto óseo de cresta ilíaca. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 1: Software de segmentación. Una vista del espacio de trabajo y el proceso de segmentación ósea. A la izquierda está la reconstrucción 3D de la imagen de tomografía computarizada. A la derecha están las diferentes vistas que permiten navegar por las diferentes secciones. Los círculos amarillos son los marcadores "-" para la eliminación de la pieza marcada y los naranjas son los marcadores "+" para la región de interés. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 2: Proceso de segmentación. Después de la segmentación de la mandíbula inferior. La placa de reconstrucción rota anterior fue retirada de la región de interés. Este segmento se exporta como un archivo stl 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura complementaria 3: Software de diseño 3D. Los archivos stl 3D se exportaron desde un software de segmentación e importaron en un software de diseño 3D. (A) El espacio de trabajo. (B) Los huesos faciales 3D importados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 4: Más segmentación y reposicionamiento. (A) Segmentación de la mandíbula inferior en dos piezas diferentes. (B) La parte más pequeña de la mandíbula inferior se reposicionó a su posición anatómica correcta. La bisagra del movimiento se estableció en el cóndylo mandibular izquierdo. Se pueden observar las configuraciones de movimiento anterior y posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 5: Función de duplicación del lado sano. (A) Definición del plano sagital medio para la simetría. (B) Fusión de la parte espejada (que permite la reconstrucción adecuada del borde inferior de la mandíbula) con el segmento restante en el paciente y el llenado de vacíos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 6: Creación del implante específico del paciente. (A) Creación de la forma exterior del implante utilizando la función de curva. (B) Creación del espesor de la placa. Esto se crea en la mandíbula reconstruida siguiendo la técnica de espejado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 7: Separación de la placa y orificios de planificación. (A) Tras la separación del implante específico del paciente utilizando la función booleana. (B) Creación de agujeros para los tornillos y el avellanado utilizando un plano perpendicular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura suplementaria 8: Preparación de agujeros y avellanados. (A) Después de la preparación del avellanado utilizando la función de relieve. (B) A la izquierda, se pueden observar las varillas creadas para la preparación del agujero. A la derecha está el implante con orificios después de la resta de las varillas del implante utilizando la función booleana. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura complementaria 9: Preparación de una malla. (A) Preparación de malla mediante la función Relieve con imagen ajustada. (B) Vistas izquierda e inferior del implante final del paciente específico en la mandíbula inferior existente después del reposicionamiento. Tenga en cuenta que el implante guiará al cirujano para el reposicionamiento correcto durante la cirugía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Con el constante desarrollo del uso de computadoras para la planificación virtual de procedimientos quirúrgicos, la combinación con otra tecnología en desarrollo, la impresión 3D, condujo a una nueva era de tratamiento quirúrgico. La precisión es el objetivo de estas tecnologías y la atención específica del paciente, como el objetivo futuro, se presenta en forma de guías quirúrgicas e implantes de reconstrucción específicos para el paciente. Discutimos guías quirúrgicas como parte de un protocolo futuro diferente. En el protocolo actual, analizamos la segmentación de imágenes DICOM en archivos stl 3D que se pueden imprimir en 3D como modelo. También discutimos la planificación virtual 3D de un implante específico del paciente. Se presenta el uso de diversas funciones para ayudar con la reconstrucción de fragmentos óseos desaparecidos o desplazados. El reposicionamiento de un segmento y la duplicación del lado sano son tales funciones. Se detalla la construcción del implante utilizando el contorno planificado del hueso. Se muestran orificios para tornillos de fijación y diseño de una malla o una base para la colocación de injerto óseo y la habilitación de la angiogénesis. Recuerde siempre que el diseño está limitado en tamaño al tejido blando disponible para el cierre. Permitir la angiogénesis adecuada y utilizar agujeros /malla grandes cuando sea posible para este propósito. Los implantes específicos del paciente no se someten a manipulación física durante la cirugía por compatibilidad con el hueso restante, a diferencia de las placas de reconstrucción regulares (lo que los debilita). Por lo tanto, las placas más delgadas pueden soportar fuerzas mucho más grandes. Tenga en cuenta que si el proceso de producción del implante de titanio impreso en 3D incluye el suavizado del aspecto externo (para evitar la irritación de los tejidos blandos), elimina el material adicional (aproximadamente 0,3 mm). Al preparar implantes con una base, es crucial evitar ángulos que interfieran con la colocación adecuada del implante en el hueso.
Dicho esto, la planificación 3D y la impresión de implantes específicos para pacientes ya se utiliza en la práctica clínica, mostrando resultados positivos. Las limitaciones del método son el costo y la necesidad de un ingeniero para la planificación, lo que resulta en reuniones web y discusiones que consumen mucho tiempo durante la fase de planificación.
Encontramos que la planificación interna del implante reduce drásticamente los costos y también permite el uso de empresas locales para imprimir el implante. Con el desarrollo de la tecnología, la interfaz de software se vuelve más fácil de usar y permite al cirujano planificar sus propios procedimientos quirúrgicos e implantes específicos para el paciente. Esto da grandes ventajas, el cirujano entra en el quirófano con el implante que desarrolló siguiendo los movimientos y procedimientos de reconstrucción que planeó y por lo tanto es consciente de cada paso, y sabe cómo lidiar con desarrollos inesperados durante la cirugía. Este protocolo está destinado a este propósito exacto, permitiendo al cirujano planificar sus propias cirugías y crear sus propios implantes específicos para el paciente.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
No se recibió financiación para este trabajo.
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
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