Summary
该协议描述了用于重建骨质缺陷的 3D 规划和打印。我们使用分段工具创建 3D 模型，然后是 3D 设计软件，用于创建患者特定的植入物，用于重建目的，同时用于消融手术或作为第二阶段。
Abstract
我们正处于3D时代，在生活的方方面面，特别是在医学方面。外科学科是医疗领域的主要参与者之一，它利用不断发展的3D规划和打印功能。计算机辅助设计 （CAD） 和计算机辅助制造 （CAM） 用于描述产品的 3D 规划和制造。3D 手术指南和重建植入物的规划和制造几乎完全由工程师执行。随着技术进步和软件界面变得更加用户友好，它提出了一个问题，即将规划和制造转移到临床医生的可能性。这种转变的原因很明确：外科医生知道他想设计什么，他也知道什么是可行的，可以在手术室使用。它允许他准备在手术过程中的任何场景/意外的结果，并允许外科医生有创造力，并使用CAD软件表达他的新想法。这种方法的目的是为临床医生提供创建自己的手术指南和重建植入物的能力。在这份手稿中，详细的协议将提供一个简单的方法，使用分段软件和植入规划使用3D设计软件进行分割。在使用分段软件进行分段和 stl 文件制作后，临床医生可以创建一个简单的患者特定重建板或更复杂的板，并配有骨移植定位的底座。可以创建手术指南，用于精确切除、孔准备，用于适当的重建板定位或骨移植收获和重新轮廓。详细叙述了板断裂后下颚重建和创伤损伤的非统一愈合情况。
Introduction
个性化医学在医学的许多领域发展迅速。肿瘤个性化治疗是一个讨论的话题，因此是众所周知的。3D打印首先由查尔斯·赫尔介绍，显示使用立体光刻2的物体的3D打印。从那时起，3D打印技术就不同了。根据设备的用途选择使用的方法。
外科领域正在迅速接受个性化医学。外科领域的个性化治疗需要使用计算机辅助设计 （CAD） 软件进行虚拟规划。第一阶段始终包括用于创建 3D stl 文件的分段。计算机辅助制造（CAM）是指3D设计部件的制造工艺。该技术首次用于术前模型打印手术规划和,模拟手术3、4、5。435,随着技术的发展，虚拟规划的手术，然后规划和制造手术指南，以帮助手术本身和患者特定的重建植入物完美安装在患者的骨头上变得更加流行,6，7，8，9，10。79,1068该协议的目的是为临床医生提供创建自己的手术指南和重建患者特定植入物的能力。此方法比使用库存板更准确，因为它非常合适，并且可以根据特定缺陷的特性进行设计。它还减少了对外科医生经验的依赖，并缩短了手术时间。
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Protocol
这项研究遵循了《赫尔辛基医学礼仪和伦理宣言》，机构道德审查委员会批准了这项研究。
1. 使用分段软件进行细分
注：DICOM 文件的导入过程需要弹出窗口中轴向、日冕和下垂平面的方向才能完成设置。
- 在"骨骼分割"菜单中，选择"常规"功能。使用标记 "-" 对于不需要的段和"" 对感兴趣的段。在整个扫描过程中滚动和移动时，在 3D 重建模型或不同横截面上添加标记。
- 选择演示分段的"设置"按钮。此时，纠正标记并添加新标记以提高准确性。按"应用"创建新段。可以这样创建多个段。
- 分割完成后，将文件导出为 stl 3D 文件，用于 3D 打印或 3D 设计 CAD 程序中 3D 重建植入物的规划。
2. 使用3D设计软件设计重建植入物
- 使用分段软件预处理骨骼分割后，将 stl 文件导入 3D 设计软件（参见材料表）。
- 如果需要进一步分离（例如，如果一个零件打算单独移动），请在此进行。在"雕刻粘土"菜单中，使用剃须工具将骨骼分成两部分。在"选择/移动粘土"菜单中，选择粘土并标记要处理的零件。然后，复制此部件并在对象列表中创建新的相同对象，以便操作其下一阶段中观察到的位置。
- 在此阶段执行段移动。确保旋转轴在骨骼部分设置，以保持在同一位置。在"选择/移动粘土"菜单中，选择"重新定位"并按计划设置旋转轴。
- 由于人类头骨大部分是对称的，因此使用健康的一面进行引导，以获得缺失/位置不良的段的准确定位/替换。使用镜像技术创建正常侧的镜像图像。在"构造粘土"菜单中，使用"镜面粘土"选项，将平面设置在头骨的中心。
- 基于镜像的一半，根据需要执行段旋转，并使用构造粘土菜单中的添加粘土工具重建凹面骨部分。进行这种重建是为了在下一阶段建立一个病人特定的重建植入物，这将重建正确的面部轮廓。
- 重建骨段后，创建患者特定的重建植入物。在"曲线"菜单中，使用"绘制曲线"选项并创建所需植入物的连续外部形状。
- 在此阶段，复制骨段，因为需要执行布尔功能来分离构造的植入物。这在对象列表窗口中执行，只需右键单击段并按"重复"选项。
- 在新的重复段中工作。在"细节粘土"菜单中，使用"带曲线的浮雕"选项创建重建植入物的体积。选择草图植入物的外侧形式，然后将圆形光标放在草图植入物的骨骼表面。请注意，浮雕将向外或骨骼内部工作，具体取决于光标的位置。然后，选择所需的参数 - 最重要的是，控制植入物厚度的距离选项。
- 将植入物与骨部分分离。在对象列表中，从步骤 2.7 中选择以前复制的对象，右键单击并选择"布尔"和"从 中删除"。然后选择包含已创建的植入物的对象。
- 如果需要用于螺钉固定或允许血管生成的情况，请选择"平面类别 " > "创建平面"以创建一个平行平面，其中设计了板孔。使用手动操作，将平面与植入物的最大平行性放置。在"草图"菜单中，选择一个圆圈，并在所需的大小和位置创建圆。可以创建第二个较大的圆，该圆将作为拟用螺钉头的计数器。
- 在"曲线"菜单中，使用"项目草图"选项，然后选择要从平面传输到植入物的草图。
- 要为螺钉生成计数器，在"细节粘土"菜单中，请使用"带曲线的浮雕"选项。选取草图的外圈，将圆形光标放在曲面上标记的圆形区域内，然后输入控制计数器深（例如 0.3 mm）的距离。要完成此过程，请按"应用"和"下部"，以确保以减法方式而不是加法方式执行浮雕。
- 要完成孔，在"子曲面"菜单中，使用"线切割子D"选项根据步骤 2.10 中创建的小圆圈创建垂直于植入物的杆。
- 要使用杆创建孔，请使用布尔>从步骤 2.9 中删除。选择一根杆后另一根，右键单击对象列表中的"布尔"+删除+创建植入物。
注：或者，可以创建/扫描所需的螺钉，并且可以使用布尔功能创建所需的孔。 - 若要在植入物中创建网格（例如允许血管生成），请先生成计划网格的草图（使用曲线选项），如步骤 2.6 中。
- 在"细节粘土"菜单中，使用"带包裹图像的浮雕"选项。选择一个将创建网格的图像（程序中有几个模板）。图像的白色部分将在网格中减去，黑色部分将幸免于难。
- 使用手动控制，调整设计的方向和尺寸。设置表示生成的孔的厚度的距离，然后按"应用"。患者特定的植入物已准备就绪，可以生产。
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Representative Results
一名40岁的女病人，由于先前的受伤和下颚左身的非结合性骨折而骨折，她因前一次受伤而恢复修复。成像显示固定板损坏和下颚左段定位不良（图1）。使用分段软件，对下颚进行分离，分离断裂的固定板（补充图1和补充图2）。使用 3D 设计软件，将下脚的左段重新定位到正确的解剖位置（补充图 3 和补充图 4）。执行右侧健康侧的镜像，以便正确重建缺失的骨骼（补充图 5）。设计了患者专用植入物，包括固定螺钉的孔（补充图 6、7 和 8）。网格的设计允许根据下颚的正确轮廓，基于健康的一面，允许额外的骨移植放置，也允许通过网格中的孔实现卓越的血管生成（补充图9）。
植入物使用选择性激光烧结技术从钛中送去打印。可以在图2中观察到术后结果。请注意下颚的连续性和左下颚段的正确垂直位置与图 1 中观察到的手术前情况相比。还要注意骨骼轮廓的对称性，该轮廓使用患者特定的植入物作为外轮廓和用于填补空白的腹腔骨移植物重建。
图1：手术前成像一名40岁患者，重建板断裂，左下颚非结合性骨折。（A） 全景图像，注意与右侧相比，左侧曼迪贝段的固定板和上部位置。（B） 在左侧，左前脑测量图像和右侧，从患者的计算机断层扫描图像 3D 重建的前视图。请单击此处查看此图的较大版本。
图2：术后想象。（A） 全景图像;注意下颚的连续性，与图 1 中观察到的左毛线段的上部位置相比。（B） 在左边，可以观察到后前脑测量图像。在右侧，可以观察到从计算机断层扫描图像到 3D 重建的前视图。请注意左段重新定位后骨骼的连续性，用腹腔骨移植填充空隙。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图1：分段软件。工作区和骨骼分割过程的视图。左侧是计算断层扫描图像的 3D 重建。右侧是允许浏览不同部分的不同视图。黄色圆圈是用于移除标记的"-"标记，橙色圆圈是感兴趣区域的"+"标记。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图2：分段过程。下颚的分割之后。先前损坏的重建板已从感兴趣区域移除。此段导出为 3D stl 文件。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图3：3D设计软件。3D stl 文件从分段软件导出并导入到 3D 设计软件中。（A） 工作区。（B） 进口的3D面部骨骼。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图4：进一步细分和重新定位。（A） 将下颚分割成两个不同的部分。（B） 下颚的较小部分被重新定位到正确的解剖位置。运动的铰链被设置为左曼迪布拉尔。可以观察到运动前和移动后设置。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图5：健康侧的镜像功能。（A） 定义镜像的中 sagittal 平面。（B） 将镜像部分（允许正确重建下颚的下部边界）与患者中的剩余部分合并并填补空隙。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图6：创建患者特定的植入物。（A） 使用曲线函数创建植入物的外形。（B） 创建板的厚度。这是按照镜像技术在重建的重构物上创建的。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图7：板和规划孔的分离。（A） 使用布尔功能分离患者特定植入物后。（B） 使用垂直平面为螺钉和计数器的孔创建孔。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图8：孔和反沉点准备。（A） 使用浮雕功能进行反沉塞准备。（B） 在左边，可以观察到为孔准备而创建的杆。右侧是使用布尔功能从植入物中减去杆后有孔的植入物。请单击此处查看此图的较大版本。
补充图 9：准备网格。（A） 使用带包裹图像功能的浮雕进行网格准备。（B） 重新定位后，在现有下颚上对最终患者特定植入物的左视图和底部视图。请注意，植入物将指导外科医生在手术过程中进行正确的重新定位。请单击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
随着计算机对外科手术虚拟规划的不断发展，3D打印技术与其他开发技术相结合，引领了外科治疗的新时代。准确性是这些技术的目标，患者特定护理作为未来目标，以手术指南和患者特定重建植入物的形式呈现。我们将手术指南作为未来不同协议的一部分进行讨论。在当前协议中，我们将讨论将 DICOM 图像分割为可 3D 打印为模型的 3D stl 文件。我们还讨论了患者特定植入物的 3D 虚拟规划。介绍了利用各种功能帮助重建缺失或流离失所的骨质碎片。重新定位段和健康面的镜像就是这样的功能。详细说明了使用骨骼计划轮廓的植入物结构。显示了用于固定螺钉的孔，并设计了用于骨移植放置和启用血管生成网格或底座的孔。请记住，设计的大小仅限于可用的软组织关闭。允许适当的血管生成，并尽可能使用大孔/网格用于此目的。患者特定的植入物在手术过程中不会进行物理操作，以与剩余的骨骼相容，而不是常规重建板（这会削弱它们）。因此，更薄的板可以承受更大的力。考虑到如果 3D 打印钛植入物的生产过程包括外部方面的平滑（为避免软组织刺激），它会去除额外的材料（约 0.3 mm）。在用底座准备植入物时，避免角度干扰植入物正确放置在骨骼上至关重要。
话虽如此，3D规划和打印患者特定的植入物已经用于临床实践，显示积极的结果。该方法的局限性是工程师的规划成本和需求，这会导致在规划阶段进行耗时的网络会议和讨论。
我们发现，植入物的内部规划大大降低了成本，也允许使用本地公司打印植入物。随着技术的发展，软件界面变得更加用户友好，并允许外科医生规划自己的外科手术和患者特定的植入物。这有很大的优势，外科医生进入手术室，他开发的植入物后，他计划的运动和重建程序，因此他知道每一步，并知道如何处理手术期间的意外发展。该协议旨在为这个确切的目的，允许外科医生计划自己的手术，并创建自己的病人特定的植入物。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
没有收到这项工作的资金。
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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