3D-Planung und Druck von patientenspezifischen Implantaten zur Rekonstruktion von Knochendefekten

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Mockchirurgie^3,4,5eingesetzt. 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 beliebter^6,7,8,9,10. 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.

Protokoll

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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

1. Nachdem Sie die Knochensegmentierung mit der Segmentierungssoftware vorgestellt haben, importieren Sie die stl-Dateien in die 3D-Designsoftware (siehe Tabelle der Materialien).
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Verwenden Sie im Menü Kurven die Option Projektskizze, und wählen Sie die Skizzen aus, die von der Ebene in das Implantat übertragen werden sollen.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
    1. 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.
    2. 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.

Ergebnisse

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 gebr...

Diskussion

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 ...

Materialien

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