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Medicine

Tratamento de deformidades faciais utilizando planejamento 3D e impressão de implantes específicos para pacientes

doi: 10.3791/60930 Published: May 23, 2020
* These authors contributed equally

Summary

À medida que a tecnologia se desenvolve e se torna mais fácil de usar, o planejamento das operações e guias cirúrgicos específicos do paciente e placas de fixação devem ser realizados pelo cirurgião. Apresentamos um protocolo para o planejamento 3D dos movimentos esqueléticos ortolináticos e o planejamento e impressão 3D de placas de fixação específicas do paciente e guias cirúrgicos.

Abstract

Os avanços tecnológicos no planejamento cirúrgico e implantes específicos do paciente estão em constante evolução. Pode-se adotar a tecnologia para alcançar melhores resultados, mesmo na mão menos experiente, ou continuar sem ela. À medida que a tecnologia se desenvolve e se torna mais fácil de usar, acreditamos que é hora de permitir ao cirurgião a opção de planejar suas operações e criar seus próprios guias cirúrgicos específicos do paciente e placas de fixação permitindo-lhe controle total sobre o processo. Apresentamos aqui um protocolo para o planejamento 3D da operação seguido de planejamento 3D e impressão de guias cirúrgicas e implantes de fixação específicos do paciente. Durante este processo, usamos dois softwares de design assistido por computador (CAD) comercial. Também utilizamos uma impressora de modelagem de deposição fundida para os guias cirúrgicos e uma impressora de sinterização a laser seletiva para os implantes de fixação especificamente do paciente de titânio. O processo inclui aquisição de imagem de tomografia computadorizada (TC), segmentação 3D do crânio e ossos faciais da tomografia computadorizada a partir da tomografia computadorizada, planejamento 3D do implante de fixação específica do paciente de acordo com a posição final dos ossos, planejamento 3D de guias cirúrgicas para realização de uma osteotomia precisa e preparação do osso para as placas de fixação, e impressão 3D das guias cirúrgicas e das placas de fixação específicas do paciente. As vantagens do método incluem controle total sobre a cirurgia, osteotomias planejadas e placas de fixação, redução significativa no preço, redução na duração da operação, desempenho superior e resultados altamente precisos. As limitações incluem a necessidade de dominar os programas CAD.

Introduction

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A impressão 3D é um método aditivo baseado na colocação gradual de camadas de diferentes materiais, criando assim objetos 3D. Foi originalmente desenvolvido para prototipagem rápida e foi introduzido em 1984 por Charles Hull, que é considerado o inventor do método de estereolitografia baseado em camadas solidificantes de resina fotopolímera1. Os avanços tecnológicos no planejamento virtual de cirurgias e planejamento e impressão de implantes específicos para pacientes estão em constante evolução. As inovações surgem tanto no campo do software CAD (Computer Assisted Design, design assistido) quanto em tecnologias de impressão 3D2. Simultaneamente aos desenvolvimentos da tecnologia, o software e as impressoras tornam-se mais fáceis de usar. Isso reduz o tempo necessário para o planejamento e impressão e permite ao cirurgião a opção de planejar suas operações e criar guias cirúrgicos e placas de fixação específicas do próprio paciente em um campo que era exclusivamente um "playground" de um engenheiro. Esses desenvolvimentos também permitem que cirurgiões e engenheiros introduzam novas aplicações e projetos de implantes específicos do paciente3,4,5.

Uma dessas aplicações é o planejamento 3D de cirurgias ortoirônicas, seguido de planejamento 3D e impressão de guias cirúrgicos e placas de fixação específicas do paciente. Historicamente, cirurgias ortoirônicas foram planejadas usando articuladores. Foi utilizado um arco facial para registrar a relação da mandíbula superior com a articulação temporomandibular, posicionando assim os moldes do paciente no articulador. Posteriormente, os movimentos cirúrgicos foram realizados nos moldes e um wafer acrílico foi preparado para ajudar no posicionamento adequado das mandíbulas durante a cirurgia. Este método foi utilizado por muitos anos e ainda é usado atualmente pela maioria, mas a utilização da tomografia computadorizada de feixe de cone (TC) juntamente com scanners intra-orais e software CAD permitiu um planejamento preciso, poupando a necessidade de arcos ou moldes faciais e caminhando para a criação de wafers planejados digitalmente6. Este método reduziu a imprecisão da manipulação manual e das medidas, mas ainda apresentava falhas, incluindo o uso da mandíbula inferior instável como ponto de referência para o posicionamento da mandíbula superior e a falta de controle sobre o posicionamento vertical da mandíbula superior7. Assim, um novo método foi introduzido. Este método é chamado de cirurgia "waferless" e baseia-se no reposicionamento das mandíbulas anatomicamente usando guias de corte cirúrgicos e placas de titânio de fixação específicas do paciente8. Este método resolve as desvantagens do método de wafer digital descrito anteriormente. Descreveremos este método, que permite ao cirurgião total liberdade no planejamento dessas cirurgias de forma específica do paciente, com o mínimo de possíveis erros e imprecisões. Este método permite uma cirurgia "sem bola", o que significa que não há necessidade de usar a mandíbula oposta como referência para reposicionar os ossos, diminuindo assim as imprecisões derivadas dessa dependência9.

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Protocol

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1. Reposicionamento das mandíbulas

NOTA: Esta seção é realizada usando o software de imagem (ou seja, Dolphin).

  1. Carregue os ossos faciais os arquivos DICOM da imagem DO paciente(Figura 1A)no software, selecionando o botão 3D à esquerda e clicando em Importar Novo DICOM (Figura Suplementar 1). Insira o modo de edição 3D clicando em 3D | Editar.
  2. Oriente a imagem 3D usando o botão de orientação à esquerda. Crie uma imagem panorâmica usando o botão de construir raios-X à esquerda(Figura Suplementar 2).
  3. Vá para Ferramentas | Planejamento Cirúrgico Ortoirotônico | Inicie o Novo Trabalho.
  4. Posicione os segmentos na imagem panorâmica. Corte cada segmento para conter a área do osso correspondente.
    NOTA: O estágio de limpeza é útil quando, para precisão, uma arcada dentária digitalizada e uma tomografia computadorizada são sobrepostas para criar um wafer. Isso não é indicado em uma cirurgia "sem wafer" como apresentado aqui e, portanto, nesta fase pode-se limpar imperfeições de TOMOGRAFIA se existirem.
  5. Escolha a osteotomia apropriada para o paciente na panela esquerda sob osteotomias (como LeFort I, sagital split, etc.). Marque a localização exata das linhas de osteotomia movendo os círculos amarelos(Figura Suplementar 3).
    NOTA: É extremamente importante notar os ápices radiculares dos dentes, pois a localização da osteotomia decidida aqui será aquela realizada posteriormente com base nos guias cirúrgicos. Evite sempre as raízes e mantenha uma distância de 5 mm.
  6. Marque diferentes pontos de referência clicando à esquerda no local certo para cada marco sugerido.
    NOTA: Isso é importante para medidas e fins de movimento nas próximas etapas.
  7. Realizar movimentos de segmentos ósseos. Arraste o osso para o local certo ou, para precisão, clique com o botão direito do mouse e escolha Movimentos de entrada usando teclado.
  8. Para acompanhar o movimento dos principais pontos de referência, pressione o botão 'Opção opções de tratamento à esquerda' e escolha Mostrar tabelas de deslocamento e medição de marcos.
    NOTA: Na próxima guia, a operação pré e pós-operada virtualmente pode ser observada(Figura Suplementar 4).
  9. Exportar os arquivos stl das duas posições diferentes dos segmentos ósseos, um na fase pré-operatória e outro na fase pós-operatória, utilizando a barra de slides à esquerda e os Segmentos de Exportação no botão stl à esquerda.

2. Preparação de placas de fixação específicas do paciente e guias cirúrgicos

NOTA: Esta seção é realizada usando o software de design 3D (ou seja, Geomagic Freeform).

  1. Clique em Arquivo | Modelo de Importação (Figura Suplementar 5A) para importar os arquivos stl obtidos a partir da etapa 1.9 mostrando a posição da mandíbula superior e midface após a osteotomia, mas antes do reposicionamento na posição final.
  2. Comece com o planejamento das placas de fixação específicas do paciente na posição final da mandíbula superior. Na paleta de ferramentas à esquerda na categoria Planos, selecione Criar Plano (Figura Suplementar 6A). Aqui será realizado o projeto inicial das placas. Mova manualmente o plano paralelamente ao osso onde a placa será colocada.
  3. Na categoria Esboço (Figura Suplementar 6B),escolha uma forma de círculo e crie círculos com um tamanho apropriado para que os parafusos sejam usados posteriormente. Crie um segundo círculo em torno do anterior com diâmetro 3 mm maior para delinear a placa de fixação.
    NOTA: O tamanho dos círculos é determinado com base nos conjuntos de fixação utilizados em cada instituto. Os círculos são colocados acima e abaixo da osteotomia cirúrgica planejada (decidida já na seção 1).
  4. Projete o projeto do plano até o osso. Na categoria Curvas (Figura Suplementar 7),use a ferramenta de esboço do projeto e escolha os círculos que serão transferidos do plano para o osso.
  5. Para conectar os círculos externos para o desenho da placa de borda externa, escolha sob a categoria Curvas a ferramenta dividida e defina a parte do círculo que será removida para permitir uma conexão com os círculos adjacentes. Usando a opção selecionar, escolha a parte definida do círculo e exclua-a. Na categoria Curvas, use a ferramenta de curva de desenho e conecte os círculos externos para criar uma forma externa contínua da placa específica do paciente.
  6. Antes de criar a placa de fixação, duplique a mandíbula superior clicando com o botão direito e selecionando Duplicação da lista de objetos(Figura Suplementar 7A). Isso permitirá o uso da ferramenta Boolean nas próximas etapas para criar a placa de fixação.
  7. Na categoria Detalhamento argila, use o relevo com ferramenta de curva. Isso cria o volume da placa de fixação com base nas curvas projetadas anteriormente. Escolha a curva de forma externa e, em seguida, coloque o cursor em forma de círculo dentro e na superfície da placa em forma (observe que o cursor deve ser colocado no lado para ser gravado). Na parte inferior, escolha os parâmetros da função, principalmente a opção Distance que controla a espessura da placa de fixação futura.
  8. Separe a placa da mandíbula superior. Nesta fase é realizada a opção booleana. Escolha a mandíbula superior original, clique com o botão direito do mouse na lista de objetos e clique em Boolean | Retirar de | Mandíbula Superior com Placa.
  9. Para criar os orifícios para os parafusos, desenhe os parafusos/escaneie-os e use a opção Boolean ou use a ferramenta SubD. Na categoria SubD Surfaces (Figura Suplementar 8),use a ferramenta SubD de corte de fio para criar hastes perpendiculares à placa no tamanho dos orifícios desejados, que é realizada com base nos círculos criados na etapa 2.3 originária do plano perpendicular.
  10. Em seguida, subtraia as hastes da placa usando o Boolean | Remova da técnica.
    NOTA: Nesta fase, a placa de fixação final está pronta(Figura Suplementar 9). Guias cirúrgicas apropriadas precisam ser planejadas para a osteotomia para que as placas se encaixem perfeitamente.
  11. Para criar as guias, reposicione a mandíbula superior ao seu local original, mas com os orifícios do parafuso marcados no osso de acordo com a placa de fixação criada na posição final da mandíbula (note que os orifícios no meio da face não mudam de posição, pois a face média permanece na mesma posição).
    1. Para isso, reposicione a mandíbula com as curvas para os orifícios utilizados para a placa de fixação final para a localização original da mandíbula antes do movimento. Na categoria Selecionar/Mover argila, use a opção Registrar peças. escolha a Fonte (movimento do poste da mandíbula superior) e o Alvo (mandíbula superior e midface antes do movimento). Use um grande número de pontos fixos em ambos os objetos para precisão no reposicionamento.
  12. Com base em orifícios recém-posicionados criam as guias cirúrgicas de forma semelhante à descrita para as placas de fixação (passos 2.3-2.10).

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Representative Results

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Para observar o uso clínico do método, apresentamos um caso de uma mulher de 23 anos. Ela sofria de hiperplasia condillar em uma idade mais jovem no condyle direito resultando em assimetria de ambas as mandíbulas. A Figura 1A mostra a mandíbula superior retrognathic e a mandíbula inferior prognathic exibindo as discrepâncias entre as mandíbulas. Na visão frontal, a assimetria severa pode ser observada como detalhada usando as linhas amarela e vermelha. Utilizando-se o software de imagem(Figura Suplementar 1),foi realizado um plano de tratamento cirúrgico (Figura Suplementar 2, Figura Suplementar 3e Figura Suplementar 4). O plano cirúrgico foi baseado na análise cefalométrica lateral. A localização da osteotomia óssea planejada é importante para preservar a dentição saudável e também para permitir a colocação adequada dos parafusos de fixação em osso intacto. Os arquivos 3D stl foram exportados do software de imagem e importados para o software de design 3D em configurações de movimento ósseo pré e pós-planejado(Figura Suplementar 5). A placa de fixação específica do paciente foi planejada (Figura Suplementar 6, Figura Suplementar 7, Figura Suplementar 8e Figura Suplementar 9) seguida do planejamento do guia cirúrgico(Figura Suplementar 10 e Figura Suplementar 11). A placa de fixação foi planejada no local planejado pós-operatório e no guia cirúrgico sobre o estado atual do paciente, com base na osteotomia planejada. No paciente apresentado, foi realizada uma operação bimaxillar. A mandíbula superior foi reposicionada no primeiro estágio seguinte ao reposicionamento da mandíbula inferior de acordo com a oclusão dentária final. Uma incisão vestibular acima da linha mucogingival na mandíbula superior foi realizada para expor o osso. O assoalho nasal foi elevado, as guias cirúrgicas foram posicionadas anatomicamente seguidas por furos no osso através dos orifícios nas guias (esses orifícios mais tarde corresponderiam à placa de fixação específica do paciente após a reposição da mandíbula). Uma osteotomia no nível LeFort I com base no guia cirúrgico foi realizada usando uma serra recíproca. O septo, as paredes laterais da cavidade nasal e a junção pterygomaxillary foram separados usando osteotomas apropriados. A mandíbula superior foi mobilizada e reposicionada simetricamente no local apropriado com base nos orifícios na placa de fixação específica do paciente final que correspondia aos orifícios previamente perfurados na mandíbula superior e no midface (usando as guias cirúrgicas). A placa foi fixada usando parafusos de titânio e a ferida cirúrgica foi suturada. Uma osteotomia da mandíbula inferior foi então realizada utilizando-se uma osteotomia sagital dividida e reposicionada com base na oclusão dentária. O resultado final é mostrado na Figura 1B; note a correção das discrepâncias das mandíbulas e da assimetria grave.

Figure 1
Figura 1: Imagem pré e pós-operatória de um paciente de 23 anos com assimetria nos ossos faciais. (A)Imagem pré-operativa. Esquerda: uma imagem cefalométrica; Certo: uma visão de reconstrução 3D frontal da tomografia mostrando a assimetria grave. (B)Imagem pós-operatória. Esquerda: imagem cefalométrica lateral; Direito: uma imagem cefalométrica posterior-anterior mostrando a correção perfeita da assimetria. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 1
Figura suplementar 1: Uma visão do espaço de trabalho e do botão 3D para importação e edição no modo 3D. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 2
Figura suplementar 2: Construção de uma imagem de raio-X. Ao planejar um plano cirúrgico, é obrigatória a construção de uma imagem panorâmica de raio-X a partir da imagem da tomografia. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 3
Figura suplementar 3: Osteotomia no software de imagem. Uma osteotomia de Le-Fort I é observada separando a mandíbula superior do meio da face. A localização da osteotomia é crucial, pois será utilizada nas próximas etapas para construção de guias cirúrgicas e posicionamento da placa de fixação. Evite as raízes dentárias. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 4
Figura suplementar 4: Plano de tratamento cirúrgico no software de imagem. O planejamento 3D pré e pós-operação pode ser observado. O pré-operatório é mostrado à esquerda e o pós-operatório é mostrado à direita. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 5
Figura suplementar 5: Importação para o software de design 3D. Os arquivos 3D stl foram exportados do software de imagem e importados para o software de design 3D. (A)Face média pré-operatória, mandíbula superior e mandíbula inferior. (B) Mandíbula superior pós-operatória e mandíbula inferior (observe que a face média não altera sua localização). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 6
Figura suplementar 6: Planejamento da placa de fixação. (A)Um plano paralelo é criado. (B)Os orifícios para os parafusos e a forma externa da placa estão planejados no plano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 7
Figura suplementar 7: Construção da placa de fixação. (A)Seguindo a projeção do plano e finalizando a forma externa da placa. (B) Criar a espessura da placa. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 8
Figura suplementar 8: Preparação do orifício da placa de fixação. (A) Utilização da função booleana para separar a placa de fixação. (B) Marcando os orifícios na placa usando a opção SubD. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 9
Figura suplementar 9: Placa de fixação específica do paciente finalizada. (A)A placa finalizada. (B)A placa no osso seguindo o movimento ósseo planejado. Note o ajuste perfeito. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 10
Figura suplementar 10: Planejamento de guia cirúrgico. O planejamento é realizado utilizando os orifícios planejados na mandíbula superior na posição final (para receber um ajuste perfeito com os orifícios na placa de fixação), mas depois de mover a mandíbula para a posição pré-operatória, pois os guias são os primeiros a serem usados durante a operação para preparação da osteotomia óssea. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Supplemental Figure 11
Figura suplementar 11: Guias cirúrgicos finalizados. (A)Os guias cirúrgicos finalizados nos ossos faciais ósseos pré-operatórios. (B) Tanto as guias cirúrgicas quanto as placas de fixação final. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

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O planejamento e impressão 3D é um dos métodos que mais evoluem rapidamente no campo cirúrgico. Não é apenas uma ferramenta promissora para o futuro, mas uma ferramenta prática usada hoje em dia para resultados cirúrgicos altamente precisos e soluções específicas para o paciente. Permite resultados altamente precisos e reduz a dependência da experiência do cirurgião10. Resolve muitas das desvantagens dos métodos cirúrgicos antigos anteriores, mas os custos atrasam a implementação completa do método10. O planejamento interno e a impressão dos guias cirúrgicos reduzem os custos a uma extensão negligente e reduzem drasticamente o custo da placa de fixação específica do paciente. Neste relatório descrevemos um método para o planejamento 3D da cirurgia ortolína, seguido do planejamento 3D e impressão de guias cirúrgicos e placas de fixação específicas do paciente como base para que o cirurgião realize todo o processo internamente. Este protocolo pode ser usado para qualquer cirurgia ortoglámica, implementando todas as vantagens acima.

Este protocolo é baseado em dois softwares CAD. O primeiro é o software de imagem, que permite segmentação e planejamento cirúrgico, incluindo localização de osteotomia e movimentos ósseos. O segundo é o software de design 3D, que permite o planejamento das guias cirúrgicas e os implantes de fixação específicos do paciente.

Ao utilizar o software de imagem, é fundamental adquirir uma imagem de tomografia adequada, planejar adequadamente a localização da osteotomia, evitando danos às raízes dentárias e ter sempre em mente onde as futuras placas de fixação serão colocadas, deixando espaço suficiente para as placas e parafusos planejados. Tenha em mente que os orifícios preparados nas guias cirúrgicas precisam combinar com os orifícios da placa de fixação final. Certifique-se de exportar os estágios adequados do planejamento cirúrgico, a posição da mandíbula superior após a osteotomia, mas antes do movimento, e outro arquivo stl com a posição final da mandíbula superior.

Ao usar o software de design 3D, é importante primeiro planejar as placas de fixação finais específicas do paciente. Após a preparação do orifício para os parafusos, a mandíbula superior com os orifícios precisa ser reposicionada de acordo com o local antes do movimento cirúrgico para a preparação da guia de corte cirúrgico com os orifícios na posição correta. Assim, a ordem das etapas é crucial para um posicionamento preciso e preparação adequada do guia cirúrgico. Lembre-se sempre que se houver dúvida quanto a discrepâncias na continuidade óssea devido a artefatos ou segmentação óssea inadequada é preferível adicionar osso na parte faltante porque um pequeno espaço entre a placa de fixação e o osso em uma área específica é preferível sobre a colocação da placa. É importante lembrar que às vezes a preparação ortodôntica pode resultar em deficiências ósseas e raízes dentárias expostas, por isso não se deve assumir que isso se deve a artefatos.

Este método descreve os princípios básicos no planejamento cirúrgico de casos ortonathic, incluindo o planejamento de guias cirúrgicos e placas de fixação específicas do paciente. Ele resolve as imprecisões existentes em métodos anteriores não computados e semi-computados, como wafers digitais e permite o controle total sobre a dimensão vertical que não recebeu uma solução definida nesses métodos. Outras vantagens do método incluem o controle completo sobre a cirurgia, realizando um plano virtual da operação, incluindo as osteotomias planejadas e placas de fixação, redução significativa no preço (em comparação com a terceirização do planejamento) e redução na duração da operação. As limitações incluem a necessidade de dominar os programas CAD e o preço das placas de titânio impressas em 3D que é significativamente maior do que o uso de wafers e placas de titânio de estoque. Os métodos aqui descritos, especialmente o planejamento de guias cirúrgicas e placas, podem ser modificados para muitos fins cirúrgicos. Descrevemos o uso deste método para o planejamento cirúrgico da ressecção óssea e reconstrução em ossos faciais. Esse método pode ser utilizado para inovar no campo do planejamento cirúrgico e da reconstrução3,5 e também pode ser aplicado em pesquisas, por exemplo, no planejamento de projetos sofisticados de andaimes para regeneração óssea.

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Disclosures

Os autores não têm nada para revelar.

Acknowledgments

Nenhum financiamento foi recebido para este trabalho.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dolphin imaging software Dolphin Imaging Systems LLC (Patterson Dental Supply, Inc) 3D analysis and virtual planning of orthognathic surgeries
Geomagic Freeform 3D systems Sculpted Engineering Design

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References

  1. Hull, C. W. Apparatus for production of three-dmensonal objects by stereo thography. Arcadia, CA. US4575330A (1986).
  2. Shilo, D., Emodi, O., Blanc, O., Noy, D., Rachmiel, A. Printing the Future-Updates in 3D Printing for Surgical Applications. Rambam Maimonides Medical Journal. 9, (3), 20 (2018).
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Tratamento de deformidades faciais utilizando planejamento 3D e impressão de implantes específicos para pacientes
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Cite this Article

Shilo, D., Capucha, T., Goldstein, D., Bereznyak, Y., Emodi, O., Rachmiel, A. Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants. J. Vis. Exp. (159), e60930, doi:10.3791/60930 (2020).More

Shilo, D., Capucha, T., Goldstein, D., Bereznyak, Y., Emodi, O., Rachmiel, A. Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants. J. Vis. Exp. (159), e60930, doi:10.3791/60930 (2020).

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