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

Det ble ikke mottatt midler til dette arbeidet.

Denne studien fulgte Helsingforserklæringen om medisinsk protokoll og etikk, og Institutional Ethical Review Board godkjente studien.
1. Segmentering ved hjelp av en segmenteringsprogramvare
MERK: Importprosessen for DICOM-filene krever retningen til de aksiale, koronale og sagittale flyene i popup-vinduet for å fullføre oppsettet.
<ol><li>Velg Generelt-funksjonen på Bensegmentering-menyen. General Bruk markøren "-</s...

<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>

Med konstant utvikling av datamaskiner for virtuell planlegging av kirurgiske prosedyrer, førte kombinasjonen med en annen utviklende teknologi, 3D-utskrift, til en helt ny æra av kirurgisk behandling. Nøyaktighet er målet med disse teknologiene og pasientspesifikk omsorg, som det fremtidige målet, presenteres i form av kirurgiske guider og pasientspesifikke rekonstruksjonsimplantater. Vi diskuterer kirurgiske guider som en del av en annen fremtidig protokoll. I den gjeldende protokollen diskuterer vi segmenteringen...

Personlig medisin utvikler seg raskt på mange medisinske områder1. Onkologiske personlig behandling er gjenstand for mye diskusjon og er dermed godt kjent for den generelle befolkningen. 3D-utskrift ble først introdusert av Charles Hull som viser 3D-utskrift av objekter ved hjelp av stereolitografi2. Siden da har ulike teknologier for 3D-utskrift utviklet. Metoden som brukes velges basert på formålet med enheten.
Det kirurgiske feltet omfavner raskt personlig medisin. Personlig behandling i det kirurgiske feltet krever virtuell planlegging ved hjelp av en dataassistert design (CAD) programvare. Den første fasen inkluderer alltid segmentering for å opprette en 3D stl-fil. Dataassistert produksjon (CAM) kalles produksjonsprosessen av 3D-designet del. Den første utnyttelsen av teknologien ble brukt i preoperativ modell utskrift for kirurgisk planlegging og mock kirurgi3,,4,5. Med utviklingen av teknologi, virtuell planlegging av operasjonene etterfulgt av planlegging og produksjon av kirurgiske guider for å bistå i operasjonen selv og pasientspesifikke rekonstruksjon implantater montert perfekt på beinet av pasienten ble mer populært6,7,8,9,10. Formålet med denne protokollen er å gi klinikere muligheten til å lage sine egne kirurgiske guider og rekonstruksjon pasientspesifikke implantater. Denne metoden er mer nøyaktig enn å bruke lagerplater fordi den passer perfekt og kan utformes basert på egenskapene til den spesifikke feilen. Det reduserer også avhengigheten av kirurgens erfaring og reduserer driftstiden.

<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

Vi er midt i 3D-æraen i de fleste aspekter av livet, og spesielt i medisin. Den kirurgiske disiplinen er en av de store aktørene i det medisinske feltet ved hjelp av de stadig utviklende 3D-planleggings- og utskriftsfunksjonene. Dataassistert design (CAD) og dataassistert produksjon (CAM) brukes til å beskrive 3D-planlegging og produksjon av produktet. Planlegging og produksjon av 3D kirurgiske guider og rekonstruksjon implantater utføres nesten utelukkende av ingeniører. Etter hvert som teknologifremskritt og programvaregrensesnitt blir mer brukervennlige, reiser det et spørsmål om muligheten for å overføre planlegging og produksjon til klinikeren. Årsakene til et slikt skifte er klare: kirurgen har ideen om hva han ønsker å designe, og han vet også hva som er mulig og kan brukes i operasjonssalen. Det tillater ham å være forberedt på ethvert scenario / uventede resultater under operasjonen og tillater kirurgen å være kreativ og uttrykke sine nye ideer ved hjelp av CAD-programvaren. Formålet med denne metoden er å gi klinikere muligheten til å lage sine egne kirurgiske guider og rekonstruksjonsimplantater. I dette manuskriptet vil en detaljert protokoll gi en enkel metode for segmentering ved hjelp av segmenteringsprogramvare og implantatplanlegging ved hjelp av en 3D-designprogramvare. Etter segmentering og stl filproduksjon ved hjelp av segmentering programvare, klinikeren kan lage en enkel pasient spesifikk rekonstruksjon plate eller en mer kompleks plate med en vugge for bein graft posisjonering. Kirurgiske guider kan opprettes for nøyaktig reseksjon, hullforberedelse for riktig rekonstruksjon plate posisjonering eller for bein pode høsting og re-konturering. Et tilfelle av rekonstruksjon av underkjeven etter platebrudd og ikke-unionshelbredelse av en traume påført skade er detaljert.

En 40 år gammel kvinnelig pasient med en ødelagt, lager levert, rekonstruksjon fiksering plate fra en tidligere skade og en ikke-union brudd i venstre kropp av underkjeven presentert for avdelingen. Bildebehandling viser den ødelagte fikseringsplaten og det malplasserte venstre segmentet i underkjeven (Figur 1). Ved hjelp av segmenteringsprogramvare ble segmentering av underkjeven utført som skiller den ødelagte fikseringsplaten (Ekstra figur 1</...

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

Denne protokollen beskriver bruken av 3D-planlegging og utskrift for gjenoppbygging av benete defekter. Vi bruker segmenteringsverktøy for å lage 3D-modeller etterfulgt av 3D-designprogramvare for å lage pasientspesifikke implantater for rekonstruksjonsformål som samtidig bidrar til ablativ kirurgi eller som en andre fase.

3D Planlegging og utskrift av pasientspesifikke implantater for rekonstruksjon av bendefekter

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 ...

Denne protokollen tillater virtuell behandling av pasienter med benete defekter og opprettelsen av nye kirurgiske guide og fikseringsplater. Ved hjelp av denne protokollen kan implantater nesten opprettes og utformes i henhold til hva som er mulig for bruk i operasjonssalen med overlegen nøyaktighet og forkortet driftsvarighet. Pasientspesifikke implantater planlagt med vår protokoll er basert på nøyaktig 3D-bildebehandling som resulterer i perfekt tilpasning av implantater og muliggjør restaurering av riktig vevanatomi, symmetri og funksjon.Denne protokollen tillater brukere å designe og skrive ut komplekse modeller eller strukturer fra forskjellige materialer og å undersøke ulike parametere som deres styrke eller evne til å tillate bein regenerering. Selv om disse programmene er svært brukervennlige, tar det tid å mestre den dataassisterte designprosessen. Tålmodighet og praksis vil hjelpe brukeren å bli bedre og raskere.Siden denne protokollen inneholder mange trinn i virtuell planlegging, vil det være svært nyttig å observere stadiene. For segmentering av 3D-rekonstruert modell, velger du Generelt i riktig segmenteringsprogramvare under Beinsegmenteringsmenyen og bruker plussverktøyet til å angi interessesegmentet og minusverktøyet for å angi uønskede segmenter mens du ruller og beveger deg gjennom skanningen. Bruk Angi-knappen som starter segmenteringen, og klikk Bruk for å opprette det nye segmentet.For å utføre en god beinsegmentering, bør et stort antall positive og negative markeringer brukes i 3D-rekonstruert modell. og alle de andre synspunktene. Når segmenteringen er fullført, korriger markeringene og legg til nye for bedre nøyaktighet etter behov.Eksporter filene som STL 3D-filer. For å designe 3D rekonstruksjon implantatet, importere STL-filer til 3D design programvare og bruke Barbering verktøyet for å skille beinet i to deler. Velg Clay-verktøyet på Velg Flytt leire-menyen, og merk interesseområdet.Kopier det merkede området, og opprett et nytt identisk objekt i objektlisten for å manipulere plasseringen av området. Hvis du vil forsikre deg om at rotasjonsaksen er angitt på den delen av beinet som skal forbli i samme posisjon, velger du Flytt og angir rotasjonsaksen som planlagt. Siden den menneskelige skallen for det meste er symmetrisk, bruk Mirror Clay-verktøyet for veiledning for å få riktig posisjonering eller plassering av det manglende eller feilplasserte segmentet og sett flyet i midten av skallen.Basert på den speilede halvdelen, utfør segmentrotasjon etter behov og bruk Legg til leire-verktøyet fra Construct Clay-menyen for å rekonstruere den avulsed benete delen. I Kurver-menyen velger du alternativet Tegnekurve for å skape en kontinuerlig ytre form på ønsket implantat. Høyreklikk segmentet, og velg Dupliser for å duplisere benete segmentet.Velg Emboss med Curve i Detaljleire-menyen for å skape volumet av gjenoppbyggingsimplantatet. Velg den ytre formen på det skisserte implantatet, og plasser den sirkelformede markøren inne i det skisserte implantatet på overflaten av beinet. Velg de ønskede parametrene, viktigst av alt avstanden for å kontrollere tykkelsen på implantatet og høyreklikk på det dupliserte segmentet for å velge boolsk og fjern fra, og velg deretter objektet som inneholder det opprettede implantatet.I tilfeller der hull for skruefiksering eller angiogenese er nødvendig, bruk Create Plane-funksjonen til å lage et parallelt plan der hullene til platen er utformet. Når flyene er plassert i maksimal parallellisme til implantatet, velger du en sirkel i Skisse-menyen og lager sirkler av ønsket størrelse og posisjon i segmentet. I Kurver-menyen bruker du Project Sketch-alternativet til å angi skissene som skal overføres fra flyet til implantatet.Hvis du vil generere telleren for skruene, velger du Reliefs med Curve i Detaljleire-menyen og plasserer den sirkelformede markøren inne i det merkede sirkulære området på segmentoverflaten. For å fullføre hullene i SubD Surfaces-menyen, bruk wire cut subd-alternativet for å lage stenger vinkelrett på implantatet. Hvis du vil opprette hullene ved hjelp av stengene, velger du Boolsk og Fjern fra og velger hver stang etter hverandre, høyreklikker boolsk, fjern fra og opprett et implantat i objektlisten.Hvis du vil lage et nett i implantatet, bruker du Draw Curve til å lage en skisse av det planlagte nettet som demonstrert. I Detaljleire-menyen bruker du Preg med innpakket bilde til å velge et malbilde som nettet skal utformes etter. De hvite områdene av bildet vil bli trukket og de svarte områdene vil forbli.Juster retningen og størrelsen på utformingen manuelt, og angi tykkelsen på den genererte, og klikk deretter Bruk. Det pasientspesifikke implantatet vil da være klart for produksjon. Disse bildene ble hentet fra en 40 år gammel kvinnelig pasient med en ødelagt lager-levert rekonstruksjon fiksering plate fra en tidligere skade og en nonunion brudd i venstre kropp av underkjeven.Segmentering av underkjeven ble utført som demonstrert for å skille den ødelagte fikseringsplaten. Ved hjelp av 3D design programvare, venstre segmentet av mandible ble flyttet til riktig anatomisk posisjon. Speiling av høyre sunn side ble utført for å tillate riktig rekonstruksjon av det manglende beinet.Det pasientspesifikke implantatet kan deretter utformes, inkludert hull for fikseringsskruer. Et nett ble designet for å tillate ekstra bentransplantatplassering, i henhold til kjevens riktige kontur basert på den sunne siden og for å muliggjøre overlegen angiogenese gjennom hullene i nettet. Implantatet trykt fra titan ved hjelp av selektiv lasersintringteknologi og postoperative resultater kan observeres i disse bildene.Legg merke til kontinuiteten i underkjeven, riktig vertikal posisjon av venstre underkjevesegment og symmetrien i kroppskonturen som ble rekonstruert ved hjelp av det pasientspesifikke implantatet som ytre kontur og et iliac crest beintransplantat for å fylle hulrommene. Når du utformer det pasientspesifikke implantatet, bør du vurdere planleggingen av en minimal størrelse plate som er sterk nok til å tillate bærende krefter mens du motstår skjær og momentkrefter. Pasientspesifikke implantater kan også utformes for kranioplastikk, ortopediske prosedyrer og kan potensielt brukes til utforming av bløtvev i alle organer.Denne protokollen tillater for tiden planlegging av nye implantater for operasjoner og forskningsstudier og kan til slutt lette implantat bioprinting og fremmedmateriale regenerering.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

En rørledning for 3D Multimodalitet Bilde Integrerings- og Datamaskinassistert planlegging i Epilepsi Surgery

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

En postoperativ evalueringsveiledning for dataassistert rekonstruksjon av mandible

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

Flerfarget 3D-utskrift av komplekse intrakraniell svulster i nevrokirurgi

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

Kombinere utvidet virkelighet og 3D-utskrift for å vise pasient modeller på en smarttelefon

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

Behandling av ansiktsdeformiteter ved hjelp av 3D-planlegging og utskrift av pasientspesifikke implantater

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

Biotribologisk testing og analyse av leddbrusk glidende mot metall for implantater

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

Utvikling og evaluering av 3D-trykte kardiovaskulære fantomer for intervensjonsplanlegging og opplæring

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

Kombinere 3D-printing og elektrospinning for å produsere biomimetiske hjerteklaffbrosjyrer

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-utskriftsmodell av pasientens spesifikke lumbale vertebra

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 

En 3D digital modell for diagnostisering og behandling av lungeknuter

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