3D Planering och utskrift av patientspecifika implantat för rekonstruktion av beniga defekter

Summary

Detta protokoll beskriver användningen av 3D-planering och utskrift för återuppbyggnad av beniga defekter. Vi använder segmenteringsverktyg för att skapa 3D-modeller följt av 3D-designprogramvara för att skapa patientspecifika implantat för rekonstruktionsändamål som är samtidiga till ablativ kirurgi eller som ett andra steg.

Abstract

Vi är mitt i 3D-eran i de flesta aspekter av livet, och särskilt inom medicinen. Den kirurgiska disciplinen är en av de viktigaste aktörerna inom det medicinska området med hjälp av den ständigt utvecklande 3D-planering och utskrift kapacitet. Datorstödd design (CAD) och datorassisterad tillverkning (CAM) används för att beskriva 3D-planering och tillverkning av produkten. Planering och tillverkning av 3D-kirurgiska guider och rekonstruktionsimplantat utförs nästan uteslutande av ingenjörer. I takt med att tekniska framsteg och programvarugränssnitt blir mer användarvänliga väcker det en fråga om möjligheten att överföra planering och tillverkning till klinikern. Orsakerna till en sådan förändring är tydliga: kirurgen har idén om vad han vill designa, och han vet också vad som är genomförbart och skulle kunna användas i operationssalen. Det tillåter honom att vara beredd på alla scenario / oväntade resultat under operationen och gör det möjligt för kirurgen att vara kreativ och uttrycka sina nya idéer med hjälp av CAD-programvara. Syftet med denna metod är att ge kliniker möjlighet att skapa egna kirurgiska guider och rekonstruktionsimplantat. I detta manuskript kommer ett detaljerat protokoll att ge en enkel metod för segmentering med hjälp av segmenteringsprogram och implantatplanering med hjälp av en 3D-designprogramvara. Efter segmentering och stl filproduktion med hjälp av segmentering programvara, kan klinikern skapa en enkel patient specifik återuppbyggnad platta eller en mer komplex platta med en vagga för ben ympning positionering. Kirurgiska guider kan skapas för noggrann samband, hål förberedelse för korrekt återuppbyggnad platta positionering eller för bengraft skörd och re-contouring. Ett fall av underkäken återuppbyggnad efter plattan fraktur och nonunion läkning av ett trauma lidit skada är detaljerad.

Introduction

Personlig medicin utvecklas snabbt inom många områden av medicin¹. Oncologic personlig behandling är ett ämne för mycket diskussion och är därför väl känt för den allmänna befolkningen. 3D-utskrift infördes först av Charles Hull visar 3D-utskrift av objekt med stereolitografi². Sedan dess har olika tekniker för 3D-utskrift utvecklats. Den metod som används väljs baserat på syftet med enheten.

Det kirurgiska området omfattar snabbt personlig medicin. Personlig behandling inom det kirurgiska området kräver virtuell planering med hjälp av en datorstödd design (CAD) programvara. Det första steget innehåller alltid segmentering för att skapa en 3D stl-fil. Datorassisterad tillverkning (CAM) kallas tillverkningsprocessen för den 3D-designade delen. Det första utnyttjandet av tekniken användes i preoperativ modellutskrift för kirurgisk planering och mock kirurgi^3,4,5. Med utvecklingen av teknik, virtuell planering av operationer följt av planering och tillverkning av kirurgiska guider för att bistå i själva operationen och patientspecifika rekonstruktion implantat monteras perfekt på benet av patienten blev mer populär^6,7,8,9,10. Syftet med detta protokoll är att ge kliniker möjlighet att skapa sina egna kirurgiska guider och rekonstruktion patientspecifika implantat. Denna metod är mer exakt än att använda lagerplattor eftersom den passar perfekt och kan utformas baserat på egenskaperna hos den specifika defekten. Det minskar också beroendet av kirurgens erfarenhet och minskar drifttiden.

Protocol

Denna studie följde Helsingforsdeklarationen om medicinska protokoll och etik och den institutionella etikprövningsnämnden godkände studien.

1. Segmentering med hjälp av ett segmenteringsprogram

OBS: Importprocessen av DICOM-filerna kräver orientering av axiella, koronala och sagittala plan i popup-fönstret för att avsluta installationen.

1. Välj funktionen Allmänt på menyn Bensegmentering. Använd markören "-" för oönskade segment och "+" för intressesegmentet. Lägg till markörer på den 3D-rekonstruerade modellen eller på de olika tvärsnitten när du bläddrar och rör dig genom skanningen.
2. Välj knappen Ställ in som demonstrerar segmenteringen. Vid denna punkt, korrigera markeringar och lägga till nya för bättre noggrannhet. Tryck på Använd för att skapa det nya segmentet. Flera segment kan skapas på det här sättet.
3. När segmenteringen är klar exporterar du filerna som stl 3D-filer för 3D-utskrift eller planering av 3D-rekonstruktionsimplantat i 3D-design CAD-program.

2. Designa rekonstruktionsimplantat med hjälp av 3D-designprogramvara

1. När du har fördefinierat bensegmenteringen med hjälp av segmenteringsprogrammet importerar du stl-filerna till 3D-designprogramvaran (se Tabell över material).
2. Om ytterligare separation behövs (t.ex. om en del är avsedd att flyttas separat), gör det här. I Sculpt Clay-menyn använder du rakverktyget för att separera benet i två delar. I menyn Välj/Flytta lera väljer du leran och markerar den del som ska arbetas på. Kopiera sedan den här delen och skapa ett nytt identiskt objekt i objektlistan för att manipulera dess position enligt nästa steg.
3. Utför segmentrörelser i det här skedet. Se till att rotationsaxeln är inställd på den del av benet som ska stanna i samma läge. På menyn Välj/Flytta lera väljer du Flytta och anger rotationsaxeln som planerat.
4. Eftersom den mänskliga skallen är mestadels symmetrisk, använd den friska sidan för vägledning för att få rätt positionering / ersättning av den saknade / mal-positionerade segmentet. Använd en speglingsteknik för att skapa en speglingsbild av den normala sidan. I Construct Clay-menyn använder du alternativet Spegellera och ställer in planet i mitten av skallen.
5. Baserat på den speglade halvan, utför segmentrotation om det behövs och rekonstruera den avulsed beniga delen med hjälp av Add Clay-verktyget i Construct Clay-menyn. Denna rekonstruktion utförs för att bygga ett patientspecifikt rekonstruktionsimplantat i nästa steg, vilket kommer att rekonstruera rätt ansiktskontur.
6. Efter rekonstruera beniga segmentet, skapa patienten specifika återuppbyggnadimplantat. I menyn Kurvor använder du alternativet Rita kurva och skapar en kontinuerlig yttre form på önskat implantat.
7. I detta skede, duplicera beniga segmentet som det kommer att behövas för att utföra en boolesk funktion för att separera det konstruerade implantatet. Detta utförs i objektlistefönstret genom att högerklicka på segmentet och trycka på alternativet Duplicera.
8. Arbeta i det nya duplicerade segmentet. I Detail Clay menyn, använd emboss med kurva alternativet för att skapa volymen av återuppbyggnaden implantatet. Välj den yttre formen av det skissade implantatet, och placera sedan den cirkelformade markören inuti det skissade implantatet, på benets yta. Observera att reliefen kommer att arbeta utåt eller på insidan av benet, beroende på markörens placering. Välj sedan de önskade parametrarna - viktigast av allt, avståndet alternativ som styr tjockleken på implantatet.
9. Separera implantatet från bensegmentet. Välj det tidigare duplicerade objektet i steg 2.7 i objektlistan, högerklicka och välj Boolesk → Ta bort från. Välj sedan det objekt som innehåller det skapade implantatet.
10. Om hål för skruvfixering eller för att tillåta angiogenes krävs, välj Plan Kategori → Skapa plan för att skapa ett parallellt plan där hålen för plattan är utformade. Placera planen i maximal parallellism med hjälp av manuell manipulering. Välj en cirkel på Skiss-menyn och skapa cirklar i önskad storlek och position. En andra större cirkel kan skapas, som kommer att fungera som countersink för huvudet på intendent skruven.
11. I menyn Kurvor använder du alternativet Projektskiss och väljer de skisser som ska överföras från planet till implantatet.
12. För att generera äkbänken för skruvarna, I Detalj Clay menyn, använd relief med kurva alternativet. Välj skissens yttre cirklar, placera den cirkelformade markören inuti det markerade cirkulära området på ytan och ange avståndet som styr motstänkets djup (t.ex. 0,3 mm). För att slutföra processen trycker du på Använd och sänk för att se till att reliefen utförs på ett subtraktionssätt och inte en tillsats.
13. För att slutföra hålen, i SubD Surfaces menyn, använd wire cut subd alternativet för att skapa stavar vinkelrätt mot implantatet baserat på de små cirklar som skapats i steg 2.10.
14. Om du vill skapa hålen med hjälp av stavarna använder du Boolean > Ta bort från som i steg 2.9. Välj den ena stången efter den andra, högerklicka i objektlistan → Booles → Ta bort från → Skapat implantat.
    Obs: Alternativt kan önskade skruvar skapas/skannas och booleska funktionen kan användas för att skapa önskade hål.
15. För att skapa ett nät i implantatet (med hänsyn till angiogenes till exempel), först generera en skiss (med hjälp av kurvan alternativet) av den planerade mesh som i steg 2.6.
    1. I menyn Detaljlera använder du emboss med insvept bild. Välj en bild enligt vilken nätet kommer att skapas (det finns flera mallar som följer med programmet). De vita delarna av bilden kommer att subtraheras i nätet, och de svarta delarna kommer att skonas.
    2. Justera designens riktning och storlek med manuell styrning. Ställ in avståndet som representerar tjockleken på de hål som genereras och tryck på Verkställ. Patientens specifika implantat är redo för produktion.

Representative Results

En 40-årig kvinnlig patient med en bruten, lager levereras, återuppbyggnad fixering plattan från en tidigare skada och en icke-fackliga fraktur i den vänstra kroppen av hennes underkäke presenteras för avdelningen. Bildåtergivning visar den trasiga fixeringsplattan och det mal-placerade vänstra segmentet i underkäken (bild 1). Med hjälp av segmenteringsprogram utfördes segmentering av underkäken som separerade den trasiga fixeringsplattan (Supplemental Figure 1 och Supplemental Figure 2). Med hjälp av 3D-designprogramvara flyttades underkäkens vänstra segment till rätt anatomisk position (Supplemental Figure 3 och Supplemental Figure 4). Spegling av den högra friska sidan utfördes för att möjliggöra en korrekt rekonstruktion av det saknade benet (Supplemental Figure 5). Patientens specifika implantat utformades, inklusive hål för fixeringsskruvar (Tilläggssiffrorna 6, 7 och 8). Ett nät var utformat för att möjliggöra ytterligare bengraftplacering enligt den korrekta konturen av käken, baserad på den friska sidan, vilket också möjliggör överlägsen angiogenes genom hålen i nätet (Supplemental Figur 9).

Implantatet skickades för utskrift från titan med hjälp av selektiv laser sintring teknik. Postoperativa resultat kan observeras i figur 2. Observera kontinuiteten i underkäken och rätt vertikal position för det vänstra underkäken segmentet jämfört med situationen pre-operatively som anges i figur 1. Också märker symmetrin i beniga kontur som rekonstruerades med hjälp av patientens specifika implantat som den yttre konturen och en iliaca crest bentransplantat för att fylla håligheter.

Figur 1: Pre-operation imaging av en 40 år gammal patient med en bruten återuppbyggnad plattan och icke-fackliga fraktur i vänster underkäke. (A) Panoramabild, lägg märke till den trasiga fixeringsplattan och det övre läget för det vänstra mandibularsegmentet jämfört med höger. (B) Till vänster, en bakre-främre cephalometric bild och till höger en främre bild av en 3D återuppbyggnad från patientens datortomografi bild. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2: Postoperativ fantasi. (A) Panoramabild; observera underkäkens kontinuitet, jämfört med det övre läget för det vänstra mandibularsegmentet som observerats i figur 1. (B) Till vänster kan en bakre främre cephalometrisk bild observeras. Till höger kan en frontvy av 3D-rekonstruktionen från en datortomografibild observeras. Observera kontinuiteten i benet efter omplacering av det vänstra segmentet och fylla tomrummen med en höftbenstransplantat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 1: Segmentering programvara. En vy över arbetsytan och bensegmenteringsprocessen. Till vänster är 3D återuppbyggnaden av datortomografi bilden. Till höger finns de olika vyer som gör det möjligt att bläddra igenom de olika avsnitten. De gula cirklarna är "-" markörer för borttagning av den markerade biten och de orange är "+" markörer för området av intresse. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 2: Segmenteringsprocess. Efter segmenteringen av underkäken. Den tidigare trasiga rekonstruktionsplattan togs bort från den region av intresse. Detta segment exporteras som en 3D stl fil. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 3: 3D-designprogramvara. 3D stl-filerna exporterades från en segmenteringsprogramvara och importerades till 3D-designprogramvara. (A)Arbetsytan. ( B)De importerade 3D ansiktsbenen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 4: Ytterligare segmentering och ompositionering. (A) Segmentering av underkäken i två olika bitar. (B) Den mindre delen av underkäken flyttades till sin korrekta anatomiska position. Gångjärnet av rörelsen var inställd på den vänstra mandibular condyle. Både pre- och post movement-inställningar kan observeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 5: Speglingsfunktion på den friska sidan. (A) Definiera mitten sagittal planet för spegling. ( B)Sammanslagning av den speglade delen (vilket möjliggör korrekt rekonstruktion av den nedre kanten av käken) med det återstående segmentet i patienten och fyllningshåligheter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 6: Skapa patientens specifika implantat. (A) Skapa implantatets yttre form med hjälp av kurvfunktionen. (B)Skapa tjockleken på plattan. Detta skapas på den rekonstruerade underkäken efter speglingstekniken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 7: Separation av plattan och planeringshål. (A) Efter separationen av det patientspecifika implantatet med booleska funktionen. (B)Skapa hål för skruvarna och tävning med hjälp av ett vinkelrätt plan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 8: Hål och motstänkberedning. (A) Efter utjämningsberedning med hjälp av relieffunktionen. (B) Till vänster kan de stavar som skapats för hålberedning observeras. Till höger finns implantatet med hål efter subtraktion av stavarna från implantatet med hjälp av booleska funktionen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 9: Förbereda ett nät. (A)Nätberedning med hjälp av reliefen med den inslagna bildfunktionen. (B) Vänster och botten utsikt över den slutliga patienten specifika implantatet på den befintliga underkäken efter ompositionering. Observera att implantatet kommer att vägleda kirurgen för korrekt ompositionering under operationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Med den ständiga utvecklingen av datorer för virtuell planering av kirurgiska ingrepp, kombinationen med en annan utvecklande teknik, 3D-utskrift, ledde till en helt ny era av kirurgisk behandling. Noggrannhet är målet för dessa tekniker och patientspecifik vård, som det framtida målet, presenteras i form av kirurgiska guider och patientspecifika rekonstruktionsimplantat. Vi diskuterar kirurgiska guider som en del av ett annat framtida protokoll. I det aktuella protokollet diskuterar vi segmenteringen av DICOM-bilder i 3D stl-filer som kan 3D-skrivas ut som en modell. Vi diskuterar också 3D virtuell planering av en patient specifika implantat. Användningen av olika funktioner för att hjälpa till med återuppbyggnaden av saknade eller fördrivna beniga fragment presenteras. Ompositionering av ett segment och spegling av den friska sidan är sådana funktioner. Konstruktion av implantatet med hjälp av den planerade konturen av benet är detaljerad. Hål för fixeringsskruvar och design av ett nät eller en vagga för placering av bentransplantat och möjliggörande för angiogenes visas. Kom alltid ihåg att designen är begränsad i storlek till den tillgängliga mjukvävnaden för stängning. Tillåt korrekt angiogenes och använd stora hål/nät när det är möjligt för detta ändamål. Patientspecifika implantat genomgår inte fysisk manipulation under operation för kompatibilitet med det återstående benet, i motsats till regelbundna rekonstruktionsplattor (vilket försvagar dem). Således tuntare plattor tål mycket större krafter. Ta hänsyn till att om produktionsprocessen för det 3D-tryckta titanimplantatet innehåller utjämning av den yttre aspekten (för att undvika mjukdelsirritation), avlägsnar det ytterligare material (ca 0,3 mm). Vid beredning av implantat med en vagga är det viktigt att undvika vinklar som stör korrekt placering av implantatet på benet.

Med det sagt, 3D-planering och utskrift av patientspecifika implantat används redan i klinisk praxis, visar positiva resultat. Begränsningarna av metoden är kostnaden och behovet av en ingenjör för planeringen, vilket resulterar i tidskrävande webbmöten och diskussioner under planeringsfasen.

Vi fann att intern planering av implantatet minskar kostnaderna dramatiskt och gör det också möjligt att använda lokala företag för att skriva ut implantatet. Med utvecklingen av teknik blir mjukvarugränssnittet mer användarvänligt och gör det möjligt för kirurgen att planera sina egna kirurgiska ingrepp och patientspecifika implantat. Detta berättigar stora fördelar, kirurgen kommer in i operationssalen med implantatet han utvecklat efter rörelser och återuppbyggnad förfaranden han planerade och därmed han är medveten om varje steg, och vet hur man hanterar oväntade utvecklingar under operationen. Detta protokoll är avsett för just detta ändamål, så att kirurgen att planera sina egna operationer och skapa sin egen patient specifika implantat.

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