Summary
Dieses Protokoll beschreibt den Einsatz von 3D-Planung und -Druck zur Rekonstruktion knöcherner Defekte. Wir verwenden Segmentierungswerkzeuge, um 3D-Modelle zu erstellen, gefolgt von 3D-Design-Software, um patientenspezifische Implantate für Rekonstruktionszwecke zu erstellen, die gleichzeitig mit der ablativen Chirurgie oder als zweite Stufe einhergehen.
Abstract
Wir befinden uns mitten in der 3D-Ära in den meisten Aspekten des Lebens, und vor allem in der Medizin. Die chirurgische Disziplin ist einer der Hauptakteure im medizinischen Bereich mit den sich ständig weiterentwickelnden 3D-Planungs- und Druckfähigkeiten. Computer-Assisted Design (CAD) und Computer Assisted Manufacturing (CAM) werden verwendet, um die 3D-Planung und Herstellung des Produkts zu beschreiben. Die Planung und Herstellung von 3D-Chirurgieführungen und Rekonstruktionsimplantaten erfolgt fast ausschließlich durch Ingenieure. Da technologietechnische Fortschritte und Softwareschnittstellen benutzerfreundlicher werden, wirft dies die Frage auf, ob die Planung und Fertigung auf den Kliniker übertragen werden kann. Die Gründe für einen solchen Wandel liegen auf der Hand: Der Chirurg hat die Idee, was er gestalten will, und er weiß auch, was machbar ist und im Operationssaal eingesetzt werden könnte. Es ermöglicht ihm, auf jedes Szenario/unerwartete Ergebnisse während der Operation vorbereitet zu sein und ermöglicht es dem Chirurgen, kreativ zu sein und seine neuen Ideen mit der CAD-Software auszudrücken. Der Zweck dieser Methode ist es, Ärzten die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen chirurgischen Führungen und Rekonstruktionsimplantate zu erstellen. In diesem Manuskript wird ein detailliertes Protokoll eine einfache Methode zur Segmentierung mit Segmentierungssoftware und Implantatplanung mit einer 3D-Design-Software bereitstellen. Nach der Segmentierung und Stl-Dateiproduktion mit Segmentierungssoftware konnte der Kliniker eine einfache patientenspezifische Rekonstruktionsplatte oder eine komplexere Platte mit einer Wiege für die Knochentransplantatpositionierung erstellen. Chirurgische Führungen können für eine genaue Resektion, Lochvorbereitung für die richtige Rekonstruktionsplattenpositionierung oder für die Knochentransplantaternte und -umkonturierung erstellt werden. Ein Fall von Unterkieferrekonstruktion nach Plattenfraktur und unfraktionistischer Heilung einer verletzungsbedingt erlittenen Verletzung ist detailliert.
Introduction
Personalisierte Medizin entwickelt sich schnell in vielen Bereichen der Medizin1. Die onkologische personalisierte Behandlung ist Gegenstand vieler Diskussionen und damit der bevölkerungbekannten Bevölkerung wohlbekannt. Der 3D-Druck wurde erstmals von Charles Hull eingeführt und zeigte den 3D-Druck von Objekten mit Stereolithographie2. Seitdem wurden verschiedene Technologien für den 3D-Druck entwickelt. Die verwendete Methode wird basierend auf dem Zweck des Geräts ausgewählt.
Der chirurgische Bereich umfasst schnell personalisierte Medizin. Die personalisierte Behandlung im chirurgischen Bereich erfordert eine virtuelle Planung mit einer computergestützten Design-Software (CAD). Die erste Phase enthält immer die Segmentierung, um eine 3D-Stl-Datei zu erstellen. Computer assisted manufacturing (CAM) wird als Herstellungsprozess des 3D-bauteils bezeichnet. Die erste Nutzung der Technologie wurde im präoperativen Modelldruck für die chirurgische Planung und Mockchirurgie3,4,5eingesetzt. Mit der Entwicklung der Technologie, virtuelle Planung der Operationen gefolgt von der Planung und Herstellung von chirurgischen Führern, um in der Chirurgie selbst zu unterstützen und patientenspezifische Rekonstruktion Implantate perfekt auf den Knochen des Patienten passte beliebter6,7,8,9,10. Der Zweck dieses Protokolls ist es, Ärzten die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen chirurgischen Leitfäden zu erstellen und patientenspezifische Implantate zu rekonstruieren. Dieses Verfahren ist genauer als die Verwendung von Lagerplatten, da es perfekt passt und auf der Grundlage der Eigenschaften des spezifischen Defekts entworfen werden kann. Es reduziert auch die Abhängigkeit von der Erfahrung des Chirurgen und reduziert die Operationszeit.
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Protocol
Diese Studie folgte der Erklärung von Helsinki über medizinischeprotokolle und ethische Und das Institutional Ethical Review Board genehmigte die Studie.
1. Segmentierung mit einer Segmentierungssoftware
HINWEIS: Der Importvorgang der DICOM-Dateien erfordert die Ausrichtung der axialen, koronaren und sagittalen Ebenen im Popup-Fenster, um das Setup abzuschließen.
- Wählen Sie im Menü Knochensegmentierung die Funktion Allgemein aus. Verwenden Sie den Marker "-" für unerwünschte Segmente und "+" für das Segment von Interesse. Fügen Sie Markierungen auf dem 3D-rekonstruierten Modell oder auf den verschiedenen Querschnitten hinzu, wenn Sie beim Scrollen und Bewegen während des Scans scrollen und sich bewegen.
- Wählen Sie die Schaltfläche Festlegen aus, die die Segmentierung veranschaulicht. Korrigieren Sie an dieser Stelle die Markierungen und fügen Sie neue Markierungen für eine bessere Genauigkeit hinzu. Drücken Sie Anwenden, um das neue Segment zu erstellen. Auf diese Weise können mehrere Segmente erstellt werden.
- Nachdem die Segmentierung abgeschlossen ist, exportieren Sie die Dateien als stl 3D-Dateien für den 3D-Druck oder die Planung von 3D-Rekonstruktionsimplantaten in 3D-Design-CAD-Programmen.
2. Entwerfen von Rekonstruktionsimplantaten mit 3D-Design-Software
- Nachdem Sie die Knochensegmentierung mit der Segmentierungssoftware vorgestellt haben, importieren Sie die stl-Dateien in die 3D-Designsoftware (siehe Tabelle der Materialien).
- Wenn eine weitere Trennung erforderlich ist (z.B. wenn ein Teil getrennt verschoben werden soll), tun Sie dies hier. Verwenden Sie im Menü "Skulpturenton" das Rasierwerkzeug, um den Knochen in zwei Teile zu trennen. Wählen Sie im Menü "Ton auswählen/verschieben" den Ton aus, und markieren Sie das Teil, an dem gearbeitet werden soll. Kopieren Sie dann dieses Teil, und erstellen Sie ein neues identisches Objekt in der Objektliste, um dessen Position wie in der nächsten Phase beobachtet zu bearbeiten.
- Führen Sie in dieser Phase Segmentbewegungen aus. Stellen Sie sicher, dass die Drehachse auf dem Teil des Knochens eingestellt ist, um an der gleichen Position zu bleiben. Wählen Sie im Menü "Ton auswählen/verschieben" aus, und legen Sie die Rotationsachse wie geplant fest.
- Da der menschliche Schädel meist symmetrisch ist, verwenden Sie die gesunde Seite, um die richtige Positionierung/Ersatz des fehlenden/mal positionierten Segments zu erhalten. Verwenden Sie eine Spiegelungstechnik, um ein Spiegelbild der normalen Seite zu erstellen. Verwenden Sie im Menü Ton konstruieren die Option "Ton spiegeln", und stellen Sie die Ebene in der Mitte des Schädels ein.
- Führen Sie bei Bedarf eine Segmentrotation durch und rekonstruieren Sie das veräusserte Knöchernteil mithilfe des Werkzeugs Ton hinzufügen im Menü "Ton konstruieren". Diese Rekonstruktion wird durchgeführt, um in den nächsten Stadien ein patientenspezifisches Rekonstruktionsimplantat zu bauen, das die richtige Gesichtskontur rekonstruiert.
- Nach der Rekonstruktion des knöchernen Segments, erstellen Sie das patientenspezifische Rekonstruktionsimplantat. Verwenden Sie im Menü Kurven die Option Kurve zeichnen, und erstellen Sie eine kontinuierliche äußere Form des gewünschten Implantats.
- Duplizieren Sie in dieser Phase das knöcherne Segment, da es zum Ausführen einer booleschen Funktion zum Trennen des konstruierten Implantats erforderlich ist. Dies wird im Objektlistenfenster durchgeführt, indem Sie mit der rechten Maustaste auf das Segment klicken und die Option Duplizieren drücken.
- Arbeiten Sie im neuen duplizierten Segment. Verwenden Sie im Menü "Detail Ton" die Option Präge mit Kurve, um das Volumen des Rekonstruktionsimplantats zu erstellen. Wählen Sie die äußere Form des skizzierten Implantats aus, und platzieren Sie dann den kreisförmigen Cursor innerhalb des skizzierten Implantats auf der Oberfläche des Knochens. Beachten Sie, dass die Prägung nach außen oder auf der Innenseite des Knochens arbeitet, abhängig von der Platzierung des Cursors. Wählen Sie dann die gewünschten Parameter aus - vor allem die Entfernungsoption, die die Dicke des Implantats steuert.
- Trennen Sie das Implantat vom knöchernen Segment. Wählen Sie in der Objektliste das zuvor duplizierte Objekt aus Schritt 2.7 aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Boolean - Von entfernenaus aus. Wählen Sie dann das Objekt aus, das das erstellte Implantat enthält.
- Falls Bohrungen zur Schraubenfixierung oder zur Ermöglichung der Angiogenese erforderlich sind, wählen Sie Ebenen Kategorie - Ebene erstellen, um eine parallele Ebene zu erstellen, in der die Löcher für die Platte konstruiert sind. Platzieren Sie die Ebenen mit manueller Manipulation in maximaler Parallelität zum Implantat. Wählen Sie im Menü Skizze einen Kreis aus und erstellen Sie Kreise in der gewünschten Größe und Position. Es kann ein zweiter größerer Kreis entstehen, der als Senke für den Kopf der Gedenkschraube dient.
- Verwenden Sie im Menü Kurven die Option Projektskizze, und wählen Sie die Skizzen aus, die von der Ebene in das Implantat übertragen werden sollen.
- Um die Senke für die Schrauben zu generieren, verwenden Sie im Menü Detail Ton die Option Präge mit Kurve. Wählen Sie die äußeren Kreise der Skizze aus, platzieren Sie den kreisförmigen Cursor innerhalb des markierten kreisförmigen Bereichs auf der Oberfläche und geben Sie den Abstand ein, der die Tiefen der Senke steuert (z. B. 0,3 mm). Um den Vorgang abzuschließen, drücken Sie Apply und Senken, um sicherzustellen, dass die Prägung subtraktionsartiv und nicht additiv ausgeführt wird.
- Um die Bohrungen abzuschließen, verwenden Sie im Menü "Untere Flächen" die Option Drahtschnitt-SubD, um Stäbe senkrecht zum Implantat zu erstellen, basierend auf den kleinen Kreisen, die in Schritt 2.10 erstellt wurden.
- Um die Bohrungen mit den Stäben zu erstellen, verwenden Sie Boolean > Remove From wie in Schritt 2.9. Wählen Sie eine Stange nach der anderen, klicken Sie mit der rechten Maustaste in der Objektliste - Boolean - Entfernen von - Erstelltes Implantat.
HINWEIS: Alternativ können die gewünschten Schrauben erstellt/gescannt werden und die boolesche Funktion kann verwendet werden, um die gewünschten Löcher zu erstellen. - Um ein Netz im Implantat zu erstellen (z. B. mit Angiogenese), erzeugen Sie zunächst eine Skizze (mit der Kurvenoption) des geplanten Netzes wie in Schritt 2.6.
- Verwenden Sie im Menü "Detail Clay" die Option Prägung mit gewickeltem Bild. Wählen Sie ein Bild aus, nach dem das Netz erstellt wird (es gibt mehrere Vorlagen, die mit dem Programm kommen). Die weißen Teile des Bildes werden im Netz subtrahiert, und die schwarzen Teile werden geschont.
- Passen Sie mithilfe der manuellen Steuerung die Richtung und Größe des Designs an. Legen Sie den Abstand fest, der die Dicke der erzeugten Bohrungen darstellt, und drücken Sie Anwenden. Das patientenspezifische Implantat ist produktionsbereit.
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Representative Results
Eine 40-jährige Patientin mit einem gebrochenen, mitgeliefertem Vorrat, einer Rekonstruktionsfixierungsplatte nach einer früheren Verletzung und einer nicht gewerkschaftlichen Fraktur im linken Unterkiefer, die der Abteilung vorgelegt wurde. Die Bildgebung zeigt die defekte Befestigungsplatte und das mal positionierte linke Segment des Unterkiefers (Abbildung 1). Mit Hilfe der Segmentierungssoftware wurde die Segmentierung des Unterkiefers zwischen der gebrochenen Fixierungsplatte(Ergänzungsabbildung 1 und Zusatzabbildung 2) durchgeführt. Mit Hilfe der 3D-Designsoftware wurde das linke Segment des Unterkiefers in die richtige anatomische Position neu positioniert (Ergänzungsabbildung 3 und Ergänzungsfigur 4). Die Spiegelung der rechten gesunden Seite wurde durchgeführt, um eine ordnungsgemäße Rekonstruktion des fehlenden Knochens zu ermöglichen (Ergänzende Abbildung 5). Das patientenspezifische Implantat wurde entworfen, einschließlich Löcher für Befestigungsschrauben (Zusatzfiguren 6, 7 und 8). Ein Netz wurde entwickelt, um eine zusätzliche Knochentransplantatplatzierung entsprechend der richtigen Kontur des Kiefers zu ermöglichen, basierend auf der gesunden Seite, auch für eine überlegene Angiogenese durch die Löcher im Netz (Ergänzende Abbildung 9).
Das Implantat wurde mit selektiver Lasersintertechnologie zum Drucken aus Titan geschickt. Postoperative Ergebnisse sind in Abbildung 2zu beobachten. Beachten Sie die Kontinuität des Unterkiefers und die korrekte vertikale Position des linken Unterkiefersegments im Vergleich zur situation präoperativ, wie in Abbildung 1beobachtet. Beachten Sie auch die Symmetrie in der knöchernen Kontur, die mit dem patientenspezifischen Implantat als äußere Kontur und einem iliac Kammknochentransplantat zum Füllen der Hohlräume rekonstruiert wurde.
Abbildung 1: Vorbedienungsbildgebung eines 40-jährigen Patienten mit einer gebrochenen Rekonstruktionsplatte und einem nicht gewerkschaftlichen Bruch des linken Unterkiefers. (A) Panoramabild, beachten Sie die gebrochene Befestigungsplatte und die obere Position des linken Unterkiefersegments im Vergleich zum rechten. (B) Links ein hinteres anteriores cephalometrisches Bild und rechts eine Vorderansicht einer 3D-Rekonstruktion aus dem Computertomographiebild des Patienten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Postoperative Vorstellung. (A) Panoramabild; beachten Sie die Kontinuität des Unterkiefers im Vergleich zur oberen Position des linken Unterkiefersegments, die in Abbildung 1beobachtet wird. (B) Auf der linken Seite kann ein hinteres-anteriores cephalometrisches Bild beobachtet werden. Auf der rechten Seite ist eine Frontansicht der 3D-Rekonstruktion aus einem Computertomographiebild zu beobachten. Beachten Sie die Kontinuität des Knochens nach der Neupositionierung des linken Segments und füllen Sie die Hohlräume mit einem iliac Kammknochentransplantat. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 1: Segmentierungssoftware. Eine Ansicht des Arbeitsbereichs und des Bone-Segmentierungsprozesses. Auf der linken Seite ist die 3D-Rekonstruktion des Computertomographiebildes. Auf der rechten Seite sind die verschiedenen Ansichten, die für das Surfen durch die verschiedenen Abschnitte ermöglichen. Die gelben Kreise sind die "-" Markierungen für das Entfernen des markierten Stückes und die orangefarbenen sind die "+"-Markierungen für den Interessenbereich. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 2: Segmentierungsprozess. Nach der Segmentierung des Unterkiefers. Die zuvor kaputte Rekonstruktionsplatte wurde aus dem Interessengebiet entfernt. Dieses Segment wird als 3D-Stl-Datei exportiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 3: 3D-Design-Software. Die 3D-Stl-Dateien wurden aus einer Segmentierungssoftware exportiert und in 3D-Designsoftware importiert. (A) Der Arbeitsbereich. (B) Die importierten 3D-Gesichtsknochen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 4: Weitere Segmentierung und Neupositionierung. (A) Segmentierung des Unterkiefers in zwei verschiedene Teile. (B) Der kleinere Teil des Unterkiefers wurde in seine korrekte anatomische Position neu positioniert. Das Scharnier der Bewegung wurde auf die linke Unterkiefer-Condyle gesetzt. Sowohl die Einstellungen für die Vor- als auch nach der Bewegung können beobachtet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 5: Spiegelfunktion der gesunden Seite. (A) Definieren der mittleren sagittalen Ebene für die Spiegelung. (B) Verschmelzung des gespiegelten Teils (das eine ordnungsgemäße Rekonstruktion der unteren Kieferrand ermöglicht) mit dem verbleibenden Segment im Patienten und Füllhohlräumen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 6: Erstellen des patientenspezifischen Implantats. (A) Erstellen der äußeren Form des Implantats mit der Kurvenfunktion. (B) Erstellen der Dicke der Platte. Diese wird auf dem rekonstruierten Unterkiefer nach der Spiegeltechnik erstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 7: Trennung der Platte und Planungslöcher. (A) Nach der Trennung des patientenspezifischen Implantats unter Verwendung der booleschen Funktion. (B) Erstellen von Löchern für die Schrauben und Derenke mit einer senkrechten Ebene. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 8: Löcher und Gegensenke. (A) Nach Der Senkmittelvorbereitung mit der Prägefunktion. (B) Auf der linken Seite können die stäbe, die für die Lochvorbereitung erstellt wurden, beobachtet werden. Auf der rechten Seite befindet sich das Implantat mit Löchern, die der Subtraktion der Stäbe vom Implantat unter Verwendung der booleschen Funktion folgen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung 9: Vorbereiten eines Netzes. (A) Netzvorbereitung mit der Funktion Emboss mit Gewickeltem Bild. (B) Linke und untere Ansichten des endgültigen patientenspezifischen Implantats auf dem vorhandenen Unterkiefer nach der Neupositionierung. Beachten Sie, dass das Implantat den Chirurgen für die richtige Neupositionierung während der Operation führt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Mit dem stetigen Einsatz von Computern für die virtuelle Planung chirurgischer Eingriffe führte die Kombination mit einer anderen sich entwickelnden Technologie, dem 3D-Druck, zu einer völlig neuen Ära der chirurgischen Behandlung. Genauigkeit ist das Ziel dieser Technologien und patientenspezifische Versorgung, als zukünftiges Ziel, wird in Form von chirurgischen Leitfäden und patientenspezifischen Rekonstruktionsimplantaten präsentiert. Wir diskutieren chirurgische Leitfäden als Teil eines anderen zukünftigen Protokolls. Im aktuellen Protokoll diskutieren wir die Segmentierung von DICOM-Bildern in 3D-Stl-Dateien, die als Modell 3D gedruckt werden können. Wir besprechen auch die virtuelle 3D-Planung eines patientenspezifischen Implantats. Der Einsatz verschiedener Funktionen zur Rekonstruktion fehlender oder verdrängter Knöcherne wird vorgestellt. Die Neupositionierung eines Segments und die Spiegelung der gesunden Seite sind solche Funktionen. Der Bau des Implantats unter Verwendung der geplanten Kontur des Knochens wird detailliert beschrieben. Es werden Löcher für Befestigungsschrauben und das Entwerfen eines Netzes oder einer Wiege für die Platzierung von Knochentransplantaten und die Ermöglichung der Angiogenese gezeigt. Denken Sie immer daran, dass das Design in der Größe auf das verfügbare Weichgewebe für verschluss begrenzt ist. Lassen Sie eine richtige Angiogenese zu und verwenden Sie große Löcher/Mesh, wenn möglich, für diesen Zweck. Patientenspezifische Implantate werden während der Operation nicht physisch manipuliert, um die Verträglichkeit mit dem verbleibenden Knochen zu erhalten, im Gegensatz zu regulären Rekonstruktionsplatten (die sie schwächen). So können dünnere Platten viel größeren Kräften standhalten. Berücksichtigen Sie, dass, wenn der Produktionsprozess des 3D-gedruckten Titanimplantats eine Glättung des äußeren Aspekts beinhaltet (zur Vermeidung von Weichteilreizungen), zusätzliches Material (ca. 0,3 mm) entfernt. Bei der Vorbereitung von Implantaten mit einer Wiege ist es wichtig, Winkel zu vermeiden, die die richtige Platzierung des Implantats auf den Knochen stören.
Damit wird die 3D-Planung und der Druck patientenspezifischer Implantate bereits in der klinischen Praxis eingesetzt, was positive Ergebnisse zeigt. Die Grenzen der Methode sind die Kosten und der Bedarf an einem Ingenieur für die Planung, was zu zeitaufwändigen Webbesprechungen und Diskussionen während der Planungsphase führt.
Wir fanden heraus, dass die interne Planung des Implantats die Kosten drastisch senkt und auch die Verwendung von lokalen Unternehmen ermöglicht, um das Implantat zu drucken. Mit der Entwicklung der Technologie wird die Software-Schnittstelle benutzerfreundlicher und ermöglicht es dem Chirurgen, seine eigenen chirurgischen Eingriffe und patientenspezifischen Implantate zu planen. Dies berechtigt zu großen Vorteilen, der Chirurg betritt den Operationssaal mit dem Implantat, das er nach geplanten Bewegungen und Rekonstruktionsverfahren entwickelt hat, und so kennt er jeden Schritt und weiß, wie er mit unerwarteten Entwicklungen während der Operation umzugehen weiß. Dieses Protokoll ist genau für diesen Zweck gedacht, so dass der Chirurg seine eigenen Operationen planen und seine eigenen patientenspezifischen Implantate erstellen kann.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Für diese Arbeit wurden keine Mittel bereitgestellt.
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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