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

Ingen finansiering erhölls för detta arbete.

Denna studie följde Helsingforsdeklarationen om medicinska protokoll och etik och den institutionella etikprövningsnämnden godkände studien.
1. Segmentering med hjälp av ett segmenteringsprogram
OBS: Importprocessen av DICOM-filerna kräver orientering av axiella, koronala och sagittala plan i popup-fönstret för att avsluta installationen.
<ol><li>Välj funktionen Allmänt på menyn Bensegmentering. Använd markören "<stro...

<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 den ständiga utvecklingen av datorer för virtuell planering av kirurgiska ingrepp, kombinationen med en annan utvecklande teknik, 3D-utskrift, ledde till en helt ny era av kirurgisk behandling. Noggrannhet är målet för dessa tekniker och patientspecifik vård, som det framtida målet, presenteras i form av kirurgiska guider och patientspecifika rekonstruktionsimplantat. Vi diskuterar kirurgiska guider som en del av ett annat framtida protokoll. I det aktuella protokollet diskuterar vi segmenteringen av DICOM-bil...

Personlig medicin utvecklas snabbt inom många områden av medicin1. Oncologic personlig behandling är ett ämne för mycket diskussion och är därför väl känt för den allmänna befolkningen. 3D-utskrift infördes först av Charles Hull visar 3D-utskrift av objekt med stereolitografi2. Sedan dess har olika tekniker för 3D-utskrift utvecklats. Den metod som används väljs baserat på syftet med enheten.
Det kirurgiska området omfattar snabbt personlig medicin. Personlig behandling inom det kirurgiska området kräver virtuell planering med hjälp av en datorstödd design (CAD) programvara. Det första steget innehåller alltid segmentering för att skapa en 3D stl-fil. Datorassisterad tillverkning (CAM) kallas tillverkningsprocessen för den 3D-designade delen. Det första utnyttjandet av tekniken användes i preoperativ modellutskrift för kirurgisk planering och mock kirurgi3,4,5. Med utvecklingen av teknik, virtuell planering av operationer följt av planering och tillverkning av kirurgiska guider för att bistå i själva operationen och patientspecifika rekonstruktion implantat monteras perfekt på benet av patienten blev mer populär6,7,8,9,10. Syftet med detta protokoll är att ge kliniker möjlighet att skapa sina egna kirurgiska guider och rekonstruktion patientspecifika implantat. Denna metod är mer exakt än att använda lagerplattor eftersom den passar perfekt och kan utformas baserat på egenskaperna hos den specifika defekten. Det minskar också beroendet av kirurgens erfarenhet och minskar drifttiden.

<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 är mitt i 3D-eran i de flesta aspekter av livet, och särskilt inom medicinen. Den kirurgiska disciplinen är en av de viktigaste aktörerna inom det medicinska området med hjälp av den ständigt utvecklande 3D-planering och utskrift kapacitet. Datorstödd design (CAD) och datorassisterad tillverkning (CAM) används för att beskriva 3D-planering och tillverkning av produkten. Planering och tillverkning av 3D-kirurgiska guider och rekonstruktionsimplantat utförs nästan uteslutande av ingenjörer. I takt med att tekniska framsteg och programvarugränssnitt blir mer användarvänliga väcker det en fråga om möjligheten att överföra planering och tillverkning till klinikern. Orsakerna till en sådan förändring är tydliga: kirurgen har idén om vad han vill designa, och han vet också vad som är genomförbart och skulle kunna användas i operationssalen. Det tillåter honom att vara beredd på alla scenario / oväntade resultat under operationen och gör det möjligt för kirurgen att vara kreativ och uttrycka sina nya idéer med hjälp av CAD-programvara. Syftet med denna metod är att ge kliniker möjlighet att skapa egna kirurgiska guider och rekonstruktionsimplantat. I detta manuskript kommer ett detaljerat protokoll att ge en enkel metod för segmentering med hjälp av segmenteringsprogram och implantatplanering med hjälp av en 3D-designprogramvara. Efter segmentering och stl filproduktion med hjälp av segmentering programvara, kan klinikern skapa en enkel patient specifik återuppbyggnad platta eller en mer komplex platta med en vagga för ben ympning positionering. Kirurgiska guider kan skapas för noggrann samband, hål förberedelse för korrekt återuppbyggnad platta positionering eller för bengraft skörd och re-contouring. Ett fall av underkäken återuppbyggnad efter plattan fraktur och nonunion läkning av ett trauma lidit skada är detaljerad.

En 40-årig kvinnlig patient med en bruten, lager levereras, återuppbyggnad fixering plattan från en tidigare skada och en icke-fackliga fraktur i den vänstra kroppen av hennes underkäke presenteras för avdelningen. Bildåtergivning visar den trasiga fixeringsplattan och det mal-placerade vänstra segmentet i underkäken (bild 1). Med hjälp av segmenteringsprogram utfördes segmentering av underkäken som separerade den trasiga fixeringsplattan (<strong...

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

Detta protokoll beskriver användningen av 3D-planering och utskrift för återuppbyggnad av beniga defekter. Vi använder segmenteringsverktyg för att skapa 3D-modeller följt av 3D-designprogramvara för att skapa patientspecifika implantat för rekonstruktionsändamål som är samtidiga till ablativ kirurgi eller som ett andra steg.

3D Planering och utskrift av patientspecifika implantat för rekonstruktion av beniga defekter

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 ...

Detta protokoll tillåter virtuell behandling av patienter med beniga defekter och skapandet av nya kirurgiska guide och plåtar fixering. Med hjälp av detta protokoll kan implantat vara praktiskt taget skapas och utformas enligt vad som är genomförbart för användning i operationssalen med överlägsen noggrannhet och förkortad drift varaktighet. Patientspecifika implantat som planeras med vårt protokoll är baserade på noggrann 3D-avbildning som resulterar i perfekt passande implantat och möjliggör återställande av korrekt vävnadsanatomi, symmetri och funktion.Detta protokoll tillåter användare att utforma och skriva ut komplexa modeller eller strukturer från olika material och att undersöka olika parametrar såsom deras styrka eller förmåga att tillåta benregenerering. Även om dessa program är mycket användarvänliga, det tar tid att behärska datorstödd designprocessen. Tålamod och praxis kommer att hjälpa användaren att bli bättre och snabbare.Eftersom detta protokoll innehåller många steg av virtuell planering, observera stadierna kommer att vara till stor hjälp. För segmentering av 3D-rekonstruerad modell, i lämplig segmentering programvara under menyn Bensegmentering, välj Allmänt och använd plus-verktyget för att ange segment av intresse och minus verktyget för att ange de oönskade segmenten medan du bläddrar och flyttar genom skanningen. Använd knappen Ange som initierar segmenteringen och klicka på Använd för att skapa det nya segmentet.För att utföra en bra bensegmentering bör ett stort antal positiva och negativa markeringar användas i 3D-rekonstruerad modell. och alla de andra vyerna. När segmenteringen är klar, korrigera märkningarna och lägga till nya för bättre noggrannhet vid behov.Exportera filerna som STL 3D-filer. För att utforma 3D-rekonstruktionsimplantatet importerar du STL-filerna till 3D-designprogramvaran och använder verktyget Shave för att separera benet i två delar. Välj clay-verktyget på menyn Välj flytta lera och markera den region som är av intresse.Kopiera den markerade regionen och skapa ett nytt identiskt objekt i objektlistan för att manipulera regionens position. Om du vill vara säker på att rotationsaxeln är inställd på den del av benet som ska stanna i samma läge väljer du Ompositionering och ställer in rotationsaxeln enligt planerna. Eftersom den mänskliga skallen är mestadels symmetrisk, använd Mirror Clay verktyget för vägledning för att få rätt positionering eller placering av den saknade eller malpositioned segmentet och ställa in planet i mitten av skallen.Baserat på den speglade halvan, utför segmentrotation efter behov och använd verktyget Lägg till lera från Menyn Construct Clay för att rekonstruera den avulsade beniga delen. Välj alternativet Rita kurva i menyn Kurvor för att skapa en kontinuerlig yttre form av önskat implantat. Högerklicka på segmentet och välj Duplicera om du vill duplicera bensegmentet.Arbeta i det nya duplicerade segmentet, i Detalj Lera menyn välj Emboss med Curve för att skapa volymen av rekonstruktion implantatet. Välj den yttre formen av det skissade implantatet och placera den cirkelformade markören inuti det skissade implantatet på benets yta. Välj önskade parametrar, viktigast av allt avståndet för att styra tjockleken på implantatet och högerklicka på duplicerade segmentet för att välja Boolean och Ta bort från, välj sedan objektet som innehåller det skapade implantatet.I de fall för vilka hål för skruvfixering eller angiogenes krävs, använd funktionen Skapa plan för att skapa ett parallellt plan där hålen för plattan är utformade. När planen är placerade i maximal parallellitet till implantatet, välj en cirkel i Sketch-menyn och skapa cirklar av önskad storlek och position inom segmentet. I menyn Kurvor använder du alternativet Projektskiss för att utse de skisser som ska överföras från planet till implantatet.För att generera räknaren för skruvarna, i menyn Detalj lera, välj Relief med Kurva och placera den cirkelformade markören inuti det markerade cirkulära området på segmentytan. För att slutföra hålen i SubD Surfaces Menu använd alternativet Wire Cut SubD för att skapa stavar som är vinkelrätt mot implantatet. Om du vill skapa hålen med hjälp av stavarna väljer du Boolesk och Ta bort från och väljer varje stav i följd, högerklickar på Boolean, Ta bort från och Skapa ett implantat i objektlistan.För att skapa ett nät i implantatet, använd Rita kurva för att generera en skiss av det planerade nätet som visats. I Detalj Lera menyn använda Relief med Inslagna bild för att välja en mall bild varefter nätet kommer att utformas. De vita regionerna i bilden kommer att subtraheras och de svarta områdena kommer att finnas kvar.Justera manuellt designens riktning och storlek och ställ in tjockleken på den genererade, klicka sedan på Använd. Det patientspecifika implantatet blir då klart för produktion. Dessa bilder erhölls från en 40-årig kvinnlig patient med en trasig stock levereras återuppbyggnad fixering plattan från en tidigare skada och en nonunion fraktur i den vänstra kroppen av hennes underkäke.Segmentering av underkäken utfördes som visat att separera den brutna fixering plattan. Med hjälp av 3D-design programvara, var det vänstra segmentet av underdriken flyttas till rätt anatomiska position. Spegling av rätt friska sidan utfördes för att möjliggöra korrekt återuppbyggnad av den saknade ben.Det patientspecifika implantatet kunde sedan utformas, inklusive hål för fixeringsskruvar. Ett nät var utformad för att möjliggöra ytterligare bengraft placering, enligt rätt kontur av käken baserat på den friska sidan och för att möjliggöra överlägsen angiogenes genom hålen i nätet. Implantatet som skrivs ut från titan med hjälp av selektiv lasersingringsteknik och postoperativa resultat kan observeras i dessa bilder.Notera kontinuiteten i underkäken, det korrekta vertikala läget för det vänstra underkäkesegmentet och symmetrin i kroppskonturen som rekonstruerades med hjälp av det patientspecifika implantatet som ytterkontur och ett bentransplantat i iliaca för att fylla tomrummen. När du utformar det patientspecifika implantatet, beakta planeringen av en minimalt stor platta som är tillräckligt stark för att tillåta bärande krafter samtidigt som man motstår skjuv- och momentkrafter. Patientspecifika implantat kan också utformas för kranioplastik, ortopediska ingrepp och kan potentiellt användas för konstruktion av mjukvävnad i alla organ.Detta protokoll tillåter för närvarande planering av nya implantat för operationer och forskningsstudier och kan så småningom underlätta implantat bioprinting och främmande material förnyelse.

Research

JoVE Journal

Medicine

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

En rörledning för 3D Multimodalitet Image Integration och Datorstödd planering i epilepsikirurgi

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 utvärderingsriktlinje för datorstödd återuppbyggnad 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

Multicolor 3D utskrift av komplexa intrakraniella tumörer i neurokirurgi

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

Kombinera förstärkt verklighet och 3D-utskrifter för att Visa patient modeller på en smartphone

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 ansiktsmissbildningar med hjälp av 3D-planering och tryckning av patientspecifika implantat

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 provning och analys av ledbrosk Glidning mot metall för implantat

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

Utveckling och utvärdering av 3D-printade kardiovaskulära fantomer för interventionell planering och utbildning

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

Kombinera 3D-utskrift och elektrospinning för att tillverka biomimetiska hjärtklaffbroschyrer

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 en patients specifika ländkota

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 digital 3D-modell för diagnos och behandling av lungknutor

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