患者特异性植入物重建的三维规划与打印

摘要

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。

摘要

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。

引言

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。

研究方案

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。

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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）。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
    1. 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。
    2. 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。

结果

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?...

讨论

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...

材料

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