Name: 3d planning and printing of patient specific implants for reconstruction of bony defects
Uploaded: 2020-08-04T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects at JoVE.com

Voor dit werk werd geen financiering ontvangen.

Deze studie volgde op de Verklaring van Helsinki over medisch protocol en ethiek en de Institutional Ethical Review Board keurde de studie goed.
1. Segmentatie met behulp van een segmentatiesoftware
OPMERKING: Het importproces van de DICOM-bestanden vereist de oriëntatie van de axiale, coronale en sagittale vlakken in het pop-upvenster om de installatie te voltooien.
<ol><li>Kies in het menu Botsegmentatie de functie Algemeen. Ge...

<ol>
	<li>Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E., Hock, F., Gralinski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Personalized+Medicine.">Personalized Medicine.</a> Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. , (2019).</li><li>Hull, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Apparatus+for+production+of+three-dimensional+objects+by+stereolithography.">Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography.</a> Google Patents. , (1986).</li><li>Petzold, R., Zeilhofer, H. F., Kalender, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+technology+in+medicine--basics+and+applications.">Rapid prototyping technology in medicine--basics and applications.</a> Computerized Medical Imaging and Graphics. 23 (5), 277-284 (1999).</li><li>Schmauss, D., Gerber, N., Sodian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+printing+of+models+for+surgical+planning+in+patients+with+primary+cardiac+tumors.">Three-dimensional printing of models for surgical planning in patients with primary cardiac tumors.</a> The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 145 (5), 1407-1408 (2013).</li><li>Tam, M. D., Laycock, S. D., Bell, D., Chojnowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3-D+printout+of+a+DICOM+file+to+aid+surgical+planning+in+a+6+year+old+patient+with+a+large+scapular+osteochondroma+complicating+congenital+diaphyseal+aclasia.">3-D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia.</a> Journal of Radiology Case Reports. 6 (1), 31 (2012).</li><li>Emodi, O., Shilo, D., Israel, Y., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+planning+and+printing+of+guides+and+templates+for+reconstruction+of+the+mandibular+ramus+and+condyle+using+autogenous+costochondral+grafts.">Three-dimensional planning and printing of guides and templates for reconstruction of the mandibular ramus and condyle using autogenous costochondral grafts.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (1), 102-104 (2017).</li><li>Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+reconstruction+in+mandibular+avulsion+injuries.">Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries.</a> Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).</li><li>Mazzoni, S., Bianchi, A., Schiariti, G., Badiali, G., Marchetti, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer-aided+design+and+computer-aided+manufacturing+cutting+guides+and+customized+titanium+plates+are+useful+in+upper+maxilla+waferless+repositioning.">Computer-aided design and computer-aided manufacturing cutting guides and customized titanium plates are useful in upper maxilla waferless repositioning.</a> Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 73 (4), 701-707 (2015).</li><li>Rachmiel, A., Shilo, D., Blanc, O., Emodi, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+complex+mandibular+defects+using+integrated+dental+custom-made+titanium+implants.">Reconstruction of complex mandibular defects using integrated dental custom-made titanium implants.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (4), 425-427 (2017).</li><li>Xu, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+the+upper+cervical+spine+using+a+personalized+3D-printed+vertebral+body+in+an+adolescent+with+Ewing+sarcoma.">Reconstruction of the upper cervical spine using a personalized 3D-printed vertebral body in an adolescent with Ewing sarcoma.</a> Spine. 41 (1), E50-E54 (2016).</li></ol>

Met de constante ontwikkeling van het gebruik van computers voor virtuele planning van chirurgische ingrepen, de combinatie met een andere ontwikkelende technologie, 3D-printen, leidde tot een geheel nieuw tijdperk van chirurgische behandeling. Nauwkeurigheid is het doel van deze technologieën en patiëntspecifieke zorg, als het toekomstige doel, wordt gepresenteerd in de vorm van chirurgische gidsen en patiëntspecifieke reconstructieimplantaten. We bespreken chirurgische gidsen als onderdeel van een ander toekomstprot...

Gepersonaliseerde geneeskunde ontwikkelt zich snel op vele gebieden van de geneeskunde1. Oncologische gepersonaliseerde behandeling is een onderwerp van veel discussie en is dus bekend bij de algemene bevolking. 3D-printen werd voor het eerst geïntroduceerd door Charles Hull met 3D-printen van objecten met behulp van stereolithografie2. Sindsdien zijn er verschillende technologieën voor 3D-printen ontwikkeld. De gebruikte methode wordt geselecteerd op basis van het doel van het apparaat.
Het chirurgische veld omarmt snel gepersonaliseerde geneeskunde. Gepersonaliseerde behandeling in chirurgisch veld vereist virtuele planning met behulp van een computer-assisted design (CAD) software. De eerste fase bevat altijd segmentatie om een 3D-stl-bestand te maken. Computer assisted manufacturing (CAM) wordt aangeduid als het productieproces van het 3D-ontworpen onderdeel. Het eerste gebruik van de technologie werd gebruikt bij pre-operatieve model afdrukken voor chirurgische planning en schijnchirurgie3,4,5. Met de ontwikkeling van de technologie, virtuele planning van de operaties gevolgd door de planning en productie van chirurgische gidsen om te helpen bij de operatie zelf en patiënt specifieke reconstructie implantaten perfect gemonteerd op het bot van de patiënt werd populairder6,7,8,9,10. Het doel van dit protocol is om clinici de mogelijkheid te bieden om hun eigen chirurgische gidsen en reconstructie patiënt specifieke implantaten te creëren. Deze methode is nauwkeuriger dan het gebruik van stockplaten omdat het perfect past en kan worden ontworpen op basis van de kenmerken van het specifieke defect. Het vermindert ook de afhankelijkheid van de ervaring van de chirurg en vermindert de operatietijd.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>D2P (DICOM to Print)</td>
			<td>3D systems</td>
			<td></td>
			<td>Segmentation software to create 3D stl files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Geomagic Freeform</td>
			<td>3D systems</td>
			<td></td>
			<td>Sculpted Engineering Design</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d planning and printing of patient specific implants for reconstruction of bony defects

We zijn in het midden van de 3D-tijdperk in de meeste aspecten van het leven, en vooral in de geneeskunde. De chirurgische discipline is een van de belangrijkste spelers op medisch gebied met behulp van de voortdurend ontwikkelende 3D-planning en printmogelijkheden. Computer-assisted design (CAD) en computer assisted manufacturing (CAM) worden gebruikt om de 3D-planning en productie van het product te beschrijven. De planning en productie van 3D chirurgische gidsen en reconstructie implantaten wordt bijna uitsluitend uitgevoerd door ingenieurs. Naarmate de technologie vordert en software-interfaces gebruiksvriendelijker worden, roept het een vraag op over de mogelijkheid om de planning en productie over te dragen aan de clinicus. De redenen voor zo'n verschuiving zijn duidelijk: de chirurg heeft het idee van wat hij wil ontwerpen, en hij weet ook wat haalbaar is en kan worden gebruikt in de operatiekamer. Het stelt hem in staat om voorbereid te zijn op elk scenario / onverwachte resultaten tijdens de operatie en stelt de chirurg in staat om creatief te zijn en zijn nieuwe ideeën uit te drukken met behulp van de CAD-software. Het doel van deze methode is om clinici te voorzien van de mogelijkheid om hun eigen chirurgische gidsen en reconstructie implantaten te creëren. In dit manuscript biedt een gedetailleerd protocol een eenvoudige methode voor segmentatie met behulp van segmentatiesoftware en implantaatplanning met behulp van een 3D-ontwerpsoftware. Na de segmentatie en stl-bestandsproductie met behulp van segmentatiesoftware, kon de arts een eenvoudige patiëntspecifieke reconstructieplaat of een complexere plaat maken met een wieg voor bottransplantatiepositionering. Chirurgische gidsen kunnen worden gemaakt voor nauwkeurige resectie, gat voorbereiding voor een goede reconstructie plaat positionering of voor bottransplantatie oogsten en re-contouring. Een geval van onderkaak reconstructie na plaatfractuur en niet-niet-unie genezing van een trauma opgelopen letsel is gedetailleerd.

Een 40-jarige vrouwelijke patiënt met een gebroken, voorraad geleverd, reconstructie fixatie plaat van een eerdere verwonding en een niet-unie fractuur in het linker lichaam van haar onderkaak gepresenteerd aan de afdeling. Beeldvorming toont de gebroken fixatieplaat en het mal-geplaatste linkersegment van de onderkaak(figuur 1). Met behulp van segmentatiesoftware werd segmentatie van de onderkaak uitgevoerd tussen de gebroken fixatieplaat (supplemen...

Watch this Scientific Journal Video about 3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects at JoVE.com

3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects

Dit protocol beschrijft het gebruik van 3D-planning en -print voor de reconstructie van benige defecten. We gebruiken segmentatietools om 3D-modellen te maken, gevolgd door 3D-ontwerpsoftware om patiëntspecifieke implantaten te maken voor reconstructiedoeleinden die samen met ablatieve chirurgie of als tweede fase.

3D-planning en -print van patiëntspecifieke implantaten voor de reconstructie van bony-defecten

We are in the midst of the 3D era in most aspects of life, and especially in medicine. The surgical discipline is one of the major players in the medical ...

Dit protocol maakt de virtuele behandeling van patiënten met benige defecten en het creëren van nieuwe chirurgische gids en fixatieplaten mogelijk. Met behulp van dit protocol kunnen implantaten virtueel worden gemaakt en ontworpen op basis van wat haalbaar is voor gebruik in de operatiekamer met superieure nauwkeurigheid en kortere werkingsduur. Patiëntspecifieke implantaten die met ons protocol zijn gepland, zijn gebaseerd op nauwkeurige 3D-beeldvorming, wat resulteert in perfect passende implantaten en het herstel van de juiste weefselanatomie, symmetrie en functie mogelijk maakt.Dit protocol stelt gebruikers in staat om complexe modellen of structuren van verschillende materialen te ontwerpen en af te drukken en verschillende parameters te onderzoeken, zoals hun sterkte of vermogen om botregeneratie mogelijk te maken. Hoewel deze programma's zijn zeer gebruiksvriendelijk, het kost tijd om de computer-ondersteunde ontwerpproces onder de knie. Geduld en praktijk zal helpen de gebruiker beter en sneller.Aangezien dit protocol veel stappen van virtuele planning bevat, zal het observeren van de fasen zeer nuttig zijn. Voor segmentatie van het 3D-gereconstrueerde model selecteert u in de juiste segmentatiesoftware onder het menu Bone-segmentatie Algemeen en gebruikt u het plusgereedschap om het segment van de interesse en het min-gereedschap aan te geven om de ongewenste segmenten aan te geven tijdens het scrollen en bewegen door de scan. Gebruik de knop Instellen waarmee de segmentatie wordt gestart en klik op Toepassen om het nieuwe segment te maken.Om een goede botsegmentatie uit te voeren, moet een groot aantal positieve en negatieve markeringen worden gebruikt in het 3D-gereconstrueerde model. en alle andere standpunten. Wanneer de segmentatie is voltooid, corrigeert u de markeringen en voegt u indien nodig nieuwe markeringen toe voor een betere nauwkeurigheid.Exporteer de bestanden als STL 3D-bestanden. Als u het 3D-reconstructieimplantaat wilt ontwerpen, importeert u de STL-bestanden in de 3D-ontwerpsoftware en gebruikt u het scheergereedschap om het bot in twee delen te scheiden. Selecteer in het menu Klei selecteren de optie Klei en markeer het interessegebied.Kopieer het gemarkeerde gebied en maak een nieuw identiek object in de objectlijst om de positie van het gebied te manipuleren. Als u ervoor wilt zorgen dat de rotatieas is ingesteld op het deel van het bot dat in dezelfde positie blijft, selecteert u Verplaatsen en stelt u de rotatieas in zoals gepland. Aangezien de menselijke schedel meestal symmetrisch is, gebruikt u het gereedschap Mirror Clay voor begeleiding om de juiste positionering of plaatsing van het ontbrekende of mispositioneerde segment te verkrijgen en het vlak in het midden van de schedel te plaatsen.Op basis van de gespiegelde helft voert u de segmentrotatie uit als dat nodig is en gebruikt u het gereedschap Klei toevoegen uit het menu Construct Clay om het avulsige benige deel te reconstrueren. Selecteer in het menu Curven de optie Curve tekenen om een continue buitenvorm van het gewenste implantaat te maken. Klik met de rechtermuisknop op het segment en selecteer Dupliceren om het benige segment te dupliceren.Als u in het nieuwe gedupliceerde segment werkt, selecteert u in het menu Detail Clay Emboss met Curve om het volume van het reconstructieimplantaat te maken. Selecteer de buitenste vorm van het geschetste implantaat en plaats de cirkelvormige cursor in het geschetste implantaat op het oppervlak van het bot. Selecteer de gewenste parameters, vooral de afstand om de dikte van het implantaat te regelen en klik met de rechtermuisknop op het gedupliceerde segment om Boolean en Verwijderen uit te selecteren, selecteer vervolgens het object dat het gemaakte implantaat bevat.In gevallen waarvoor gaten voor schroeffixatie of angiogenese vereist zijn, gebruikt u de functie Vlak maken om een parallel vlak te maken waarin de gaten voor de plaat zijn ontworpen. Wanneer de vlakken in maximale parallellisme aan het implantaat worden geplaatst, selecteert u een cirkel in het sketchmenu en maakt u cirkels van de gewenste grootte en positie binnen het segment. Gebruik in het menu Curven de optie Projectschets om de schetsen aan te wijzen die van het vliegtuig naar het implantaat moeten worden overgebracht.Als u de countersink voor de schroeven wilt genereren, selecteert u in het menu Detailklei de optie Reliëf met Curve en plaatst u de cirkelvormige cursor in het gemarkeerde cirkeloppervlak op het segmentoppervlak. Om de gaten in het SubD Surfaces Menu te voltooien, gebruikt u de wire cut subd-optie om staven te maken die loodrecht op het implantaat staan. Als u de gaten wilt maken met behulp van de staven, selecteert u Booleaan en Verwijder uit en selecteert u elke staaf achter elkaar, klikt u met de rechtermuisknop op Booleaan, verwijdert u uit en maakt u een implantaat in de lijst met objecten.Als u een gaas in het implantaat wilt maken, gebruikt u Tekencurve om een schets van het geplande gaas te genereren zoals aangetoond. Gebruik in het menu Detailklei Emboss met verpakte afbeelding om een sjabloonafbeelding te selecteren waarna het net wordt ontworpen. De witte gebieden van de afbeelding worden afgetrokken en de zwarte gebieden blijven behouden.Stel handmatig de richting en grootte van het ontwerp aan en stel de dikte van de gegenereerde in en klik vervolgens op Toepassen. Het patiëntspecifieke implantaat is dan klaar voor productie. Deze beelden werden verkregen van een 40-jarige vrouwelijke patiënt met een gebroken voorraad geleverde reconstructie fixatie plaat van een eerdere verwonding en een niet-vn-breuk in het linkerlichaam van haar onderkaak.Segmentatie van de onderkaak werd uitgevoerd zoals aangetoond om de gebroken fixatieplaat te scheiden. Met behulp van 3D-ontwerpsoftware werd het linkersegment van de onderkaak verplaatst naar de juiste anatomische positie. Spiegelen van de rechter gezonde kant werd uitgevoerd om een goede reconstructie van het ontbrekende bot mogelijk te maken.Het patiëntspecifieke implantaat kan dan worden ontworpen, inclusief gaten voor fixatieschroeven. Een gaas is ontworpen om extra bottransplantatie plaatsing mogelijk te maken, volgens de juiste contour van de kaak op basis van de gezonde kant en om superieure angiogenese mogelijk te maken door de gaten in het gaas. Het implantaat gedrukt van titanium met behulp van selectieve laser sinteren technologie en postoperatieve resultaten kunnen worden waargenomen in deze beelden.Let op de continuïteit van de onderkaak, de juiste verticale positie van het linker onderkaaksegment en de symmetrie in de lichaamscontour die werd gereconstrueerd met behulp van het patiëntspecifieke implantaat als de buitenste contour en een iliacale kambottransplantt voor het vullen van de holtes. Houd bij het ontwerpen van het patiëntspecifieke implantaat rekening met de planning van een minimaal formaat plaat die sterk genoeg is om dragende krachten mogelijk te maken terwijl ze schuintrekken en koppelkrachten weerstaan. Patiëntspecifieke implantaten kunnen ook worden ontworpen voor cranioplastie, orthopedische procedures en kunnen mogelijk worden gebruikt voor het ontwerp van weke delen in alle organen.Dit protocol maakt momenteel de planning van nieuwe implantaten voor operaties en onderzoeken en kan uiteindelijk vergemakkelijken implantaat bioprinting en vreemd materiaal regeneratie.

Research

JoVE Journal

Medicine

A Pipeline for 3D Multimodality Image Integration and Computer-assisted Planning in Epilepsy Surgery

Een pijpleiding voor 3D Multimodaliteit Image Integratie en computer-aided planning in epilepsiechirurgie

Epilepsy surgery is challenging and the use of 3D multimodality image integration (3DMMI) to aid presurgical planning is well-established. Multimodality ...

A Postoperative Evaluation Guideline for Computer-Assisted Reconstruction of the Mandible

Een postoperatieve evaluatierichtlijn voor computerondersteunde wederopbouw van de onderkaak

Valid comparisons of postoperative accuracy results in computer-assisted reconstruction of the mandible are difficult due to heterogeneity in imaging ...

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

Multicolor 3D printen van complexe intracraniële tumoren in Neurochirurgie

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

Combining Augmented Reality and 3D Printing to Display Patient Models on a Smartphone

Augmented Reality en 3D-printen combineren om patiënt modellen op een smartphone weer te geven

Augmented reality (AR) has great potential in education, training, and surgical guidance in the medical field. Its combination with three-dimensional (3D) ...

Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants

Behandeling van gezichtsmisvormingen met behulp van 3D-planning en afdrukken van patiëntspecifieke implantaten

Technological advancements in surgical planning and patient-specific implants are constantly evolving. One can either adopt the technology to achieve ...

Biotribological Testing and Analysis of Articular Cartilage Sliding against Metal for Implants

Biotribologische testen en analyse van gewrichtskraakbeen glijden tegen metaal voor implantaten

Osteochondral defects in middle-aged patients might be treated with focal metallic implants. First developed for defects in the knee joint, implants are ...

Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

Ontwikkeling en evaluatie van 3D-geprinte cardiovasculaire phantoms voor interventionele planning en training

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets

3D-printen en elektrospinning combineren om biomimetische hartklepfolders te produceren

Electrospinning has become a widely used technique in cardiovascular tissue engineering as it offers the possibility to create (micro-)fibrous scaffolds ...

3D Printing Model of a Patient's Specific Lumbar Vertebra

3D-printmodel van de specifieke lendenwervel van een patiënt

Selective dorsal rhizotomy (SDR) is a difficult, risky, and sophisticated operation, in which a laminectomy should not only expose an adequate surgical ...

3D Reconstruction for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules (Video) | JoVE 

Een 3D digitaal model voor de diagnose en behandeling van longknobbels

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating ...