Planification et impression 3D d’implants spécifiques aux patients pour la reconstruction des défauts osseux

Résumé

Ce protocole décrit l’utilisation de la planification et de l’impression 3D pour la reconstruction des défauts osseux. Nous utilisons des outils de segmentation pour créer des modèles 3D suivis d’un logiciel de conception 3D pour créer des implants spécifiques aux patients à des fins de reconstruction concomitantes à la chirurgie ablative ou à une deuxième étape.

Résumé

Nous sommes au milieu de l’ère 3D dans la plupart des aspects de la vie, et en particulier en médecine. La discipline chirurgicale est l’un des principaux acteurs dans le domaine médical en utilisant les capacités de planification et d’impression 3D en constante évolution. La conception assistée par ordinateur (CAO) et la fabrication assistée par ordinateur (CAM) sont utilisées pour décrire la planification et la fabrication 3D du produit. La planification et la fabrication de guides chirurgicaux 3D et d’implants de reconstruction sont effectuées presque exclusivement par des ingénieurs. À mesure que la technologie progresse et que les interfaces logicielles deviennent plus conviviales, cela soulève une question quant à la possibilité de transférer la planification et la fabrication au clinicien. Les raisons d’un tel changement sont claires: le chirurgien a l’idée de ce qu’il veut concevoir, et il sait aussi ce qui est faisable et pourrait être utilisé dans la salle d’opération. Il lui permet d’être prêt pour tout scénario / résultats inattendus au cours de l’opération et permet au chirurgien d’être créatif et d’exprimer ses nouvelles idées en utilisant le logiciel CAO. Le but de cette méthode est de fournir aux cliniciens la capacité de créer leurs propres guides chirurgicaux et implants de reconstruction. Dans ce manuscrit, un protocole détaillé fournira une méthode simple de segmentation à l’aide d’un logiciel de segmentation et de planification d’implants à l’aide d’un logiciel de conception 3D. Après la segmentation et la production de fichiers stl à l’aide d’un logiciel de segmentation, le clinicien pourrait créer une plaque de reconstruction spécifique au patient simple ou une plaque plus complexe avec un berceau pour le positionnement de greffe osseuse. Des guides chirurgicaux peuvent être créés pour une résection précise, la préparation des trous pour un bon positionnement des plaques de reconstruction ou pour la récolte et le remodelage des greffes osseuses. Un cas de reconstruction inférieure de mâchoire suivant la rupture de plaque et la guérison non de l’union d’une blessure soutenue de trauma est détaillé.

Introduction

La médecine personnalisée se développe rapidement dans de nombreux domaines de la médecine¹. Le traitement personnalisé oncologique fait l’objet de nombreuses discussions et est donc bien connu de la population en général. L’impression 3D a d’abord été introduite par Charles Hull montrant l’impression 3D d’objets utilisant la stéréolithographie². Depuis lors, différentes technologies pour l’impression 3D ont été développées. La méthode utilisée est sélectionnée en fonction de l’objet de l’appareil.

Le domaine chirurgical adopte rapidement la médecine personnalisée. Le traitement personnalisé dans le domaine chirurgical nécessite une planification virtuelle à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). La première étape inclut toujours la segmentation pour créer un fichier stl 3D. La fabrication assistée par ordinateur (CAM) est appelée le processus de fabrication de la pièce conçue en 3D. La première utilisation de la technologie a été utilisée dans l’impression de modèle préopératoire pour la planification chirurgicale et la chirurgie simulée^3,4,5. Avec le développement de la technologie, la planification virtuelle des chirurgies suivie par la planification et la fabrication de guides chirurgicaux pour aider à la chirurgie elle-même et les implants de reconstruction spécifiques au patient parfaitement adaptés sur l’os du patient est devenu plus populaire^6,7,8,9,10. Le but de ce protocole est de fournir aux cliniciens la capacité de créer leurs propres guides chirurgicaux et les implants spécifiques aux patients de reconstruction. Cette méthode est plus précise que l’utilisation de plaques de stock car elle s’adapte parfaitement et peut être conçue en fonction des caractéristiques du défaut spécifique. Il réduit également la dépendance à l’expérience du chirurgien et réduit le temps d’opération.

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Protocole

Cette étude faisait suite à la Déclaration d’Helsinki sur le protocole médical et l’éthique et le Comité d’examen éthique institutionnel a approuvé l’étude.

1. Segmentation à l’aide d’un logiciel de segmentation

REMARQUE : Le processus d’importation des fichiers DICOM nécessite l’orientation des plans axials, coronaux et sagittals dans la fenêtre contextuelle pour terminer la configuration.

1. Dans le menu Segmentation osseuse, choisissez la fonctionnalité Général. Utilisez le marqueur "-" pour les segments indésirables et "+" pour le segment d’intérêt. Ajoutez des marqueurs sur le modèle reconstruit en 3D ou sur les différentes sections transversales lors du défilement et du déplacement tout au long de l’analyse.
2. Choisissez le bouton Définir qui illustre la segmentation. À ce stade, corriger les marques et en ajouter de nouveaux pour une meilleure précision. Appuyez sur Appliquer pour créer le nouveau segment. Plusieurs segments peuvent être créés de cette façon.
3. Une fois la segmentation terminée, exportez les fichiers sous forme de fichiers 3D pour l’impression 3D ou la planification d’implants de reconstruction 3D dans des programmes CAO de conception 3D.

2. Conception d’implants de reconstruction à l’aide d’un logiciel de conception 3D

1. Après avoir préformé la segmentation osseuse à l’aide du logiciel de segmentation, importez les fichiers stl dans le logiciel de conception 3D (voir Tableau des matériaux).
2. Si une séparation supplémentaire est nécessaire (p. ex., si une partie est destinée à être déplacée séparément), faites-le ici. Dans le menu Sculpt Clay, utilisez l’outil de rasage pour séparer l’os en deux parties. Dans le menu Sélectionner/Déplacer l’argile, sélectionnez l’argile et marquez la pièce sur laquelle travailler. Ensuite, copiez cette partie et créez un nouvel objet identique dans la liste des objets afin de manipuler sa position telle qu’observée à l’étape suivante.
3. Effectuez le mouvement du segment à ce stade. Assurez-vous que l’axe de rotation est placé sur la partie de l’os pour rester dans la même position. Dans le menu Sélectionner/Déplacer l’argile, sélectionnez Repositionner et définir l’axe de rotation comme prévu.
4. Comme le crâne humain est principalement symétrique, utilisez le côté sain pour les guider afin d’obtenir le bon positionnement/remplacement du segment manquant/mal positionné. Utilisez une technique de mise en miroir pour créer une image miroir du côté normal. Dans le menu Construct Clay, utilisez l’option Mirror Clay et placez le plan au centre du crâne.
5. Basé sur la moitié en miroir, effectuer la rotation du segment si nécessaire et reconstruire la partie osseuse avulsée à l’aide de l’outil Ajouter de l’argile dans le menu Construire l’argile. Cette reconstruction est effectuée afin de construire un implant de reconstruction spécifique au patient dans les prochaines étapes, qui va reconstruire le contour du visage correct.
6. Après la reconstruction du segment osseux, créer l’implant de reconstruction spécifique au patient. Dans le menu Courbes, utilisez l’option Courbe de dessin et créez une forme externe continue de l’implant souhaité.
7. À ce stade, dupliquer le segment osseux car il sera nécessaire d’effectuer une fonction booléenne pour séparer l’implant construit. Ceci est effectué dans la fenêtre de liste d’objets en cliquant avec le bouton droit sur le segment et en appuyant sur l’option Duplicate.
8. Travailler dans le nouveau segment dupliqué. Dans le menu Argile détaillée, utilisez l’option Emboss With Curve pour créer le volume de l’implant de reconstruction. Choisissez la forme externe de l’implant esquissé, puis placez le curseur en forme de cercle à l’intérieur de l’implant esquissé, à la surface de l’os. Notez que le relief fonctionnera vers l’extérieur ou à l’intérieur de l’os, selon le placement du curseur. Ensuite, choisissez les paramètres souhaités - le plus important, l’option de distance qui contrôle l’épaisseur de l’implant.
9. Séparez l’implant du segment osseux. Dans la liste d’objets, choisissez l’objet précédemment dupliqué à partir de l’étape 2.7, cliquez avec le bouton droit et sélectionnez Boolean → Remove From. Ensuite, choisissez l’objet contenant l’implant créé.
10. Dans le cas où des trous pour la fixation de vis ou pour permettre l’angiogenèse sont nécessaires, sélectionnez Planes Catégorie → Créer un plan pour créer un plan parallèle dans lequel les trous pour la plaque sont conçus. À l’aide d’une manipulation manuelle, placez les plans dans un parallélisme maximal à l’implant. Dans le menu Croquis, choisissez un cercle et créez des cercles dans la taille et la position souhaitées. Un deuxième cercle plus grand peut être créé, qui servira de contre-ink pour la tête de la vis intendante.
11. Dans le menu Courbes, utilisez l’option Croquis de projet et choisissez les croquis désignés pour être transférés du plan à l’implant.
12. Pour générer le contre-ink pour les vis, Dans le menu Argile de détail, utilisez l’option Emboss With Curve. Choisissez les cercles extérieurs de l’esquisse, placez le curseur en forme de cercle à l’intérieur de la zone circulaire marquée sur la surface et entrez dans la distance qui contrôle les profondeurs du contre-ink (p. ex., 0,3 mm). Pour terminer le processus, appuyez sur Appliquer et Baisser pour s’assurer que le relief est effectué d’une manière soustraction et non pas un additif.
13. Pour compléter les trous, dans le menu Surfaces subD, utilisez l’option SousD wire cut pour créer des tiges perpendiculaires à l’implant en fonction des petits cercles créés à l’étape 2.10.
14. Pour créer les trous à l’aide des tiges, utilisez Boolean > Remove From comme à l’étape 2.9. Choisissez une tige après l’autre, cliquez avec le bouton droit dans la liste des objets → Boolean → Supprimer de → Implant créé.
    REMARQUE : Alternativement, les vis désirées peuvent être créées/numérisées et la fonction booléenne peut être utilisée pour créer les trous désirés.
15. Pour créer un maillage dans l’implant (permettant l’angiogenèse par exemple), d’abord générer un croquis (en utilisant l’option courbe) du maillage planifié comme à l’étape 2.6.
    1. Dans le menu Argile détaillée, utilisez l’option Emboss avec image enveloppée. Choisissez une image selon laquelle le maillage sera créé (il y a plusieurs modèles qui viennent avec le programme). Les parties blanches de l’image seront soustraites dans le maillage, et les parties noires seront épargnées.
    2. À l’aide d’un contrôle manuel, ajuster la direction et la taille de la conception. Définissez la distance qui représente l’épaisseur des trous générés et appuyez sur Appliquer. L’implant spécifique au patient est prêt pour la production.

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Résultats

Un patient féminin de 40 ans avec une plaque cassée, de stock fourni, de fixation de reconstruction d’une blessure précédente et une rupture non-union dans le corps gauche de sa mâchoire inférieure présentée au département. L’imagerie montre la plaque de fixation cassée et le segment gauche mal positionné de la mâchoire inférieure (figure 1). À l’aide d’un logiciel de segmentation, la segmentation de la mâchoire inférieure a été effe...

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Discussion

Avec l’utilisation constante des ordinateurs pour la planification virtuelle des procédures chirurgicales, la combinaison avec une autre technologie en développement, l’impression 3D, a conduit à une toute nouvelle ère de traitement chirurgical. La précision est l’objectif de ces technologies et les soins spécifiques aux patients, comme l’objectif futur, est présenté sous la forme de guides chirurgicaux et d’implants de reconstruction spécifiques aux patients. Nous discutons des guides chirurgicaux dan...

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matériels

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