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可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报6(2019)118基于CAD的自动程序,用于患者特定切割导向器,以辅助胸外科矫正中的胸骨截骨术Monica Carfagnia,Flavio Facchinib,Rocco Furferia,Marco Ghionzolib,Lapo Governia,Antonio Messineob,Francesca Uccheddua,Yary Volpeaa意大利佛罗伦萨佛罗伦萨大学工业工程系b儿科外科,A. 意大利佛罗伦萨迈耶儿童阿提奇莱因福奥文章历史记录:2017年11月2日收到2017年12月22日收到修订版,2018年2018年1月3日在线提供保留字:增材制造CAD设计医学成像生物医学设备A B S T R A C T弓状胸是一种罕见的先天性胸壁畸形,其特征是胸骨角的突出和早期骨化,从而构成了漏斗和隆突的混合形式。胸的手术矫正通常包括一个或多个水平胸骨截骨术,包括通过摆动动力锯对胸骨进行V形水平切割(截骨棱柱)。V形切口中锯与胸骨体之间的角度是根据特定胸骨弓的特性来确定的。外科医生根据其经验决定的正确角度的选择是成功介入的关键患者专用手术导向器的可用性可传达正确的切割角度,从而显著提高成功率,同时缩短介入时间。本文旨在提出一种新的基于CAD的方法来设计和生产定制的手术导向器,通过使用增材制造技术制造,以辅助胸骨截骨术。从CT图像开始,该程序允许确定正确的切除棱镜,并考虑到增材制造能力,相应地成形手术导向器。通过对三个案例研究的实际测试,该程序证明了其有效性。©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)下访问文章1. 介绍在所有胸壁畸形中,漏斗胸是最常见的先天性畸形(Fokin、Steuerwald、Ahrens、Allen,2009)。它是由连接胸骨和相邻肋骨的结缔组织的异常生长触发的,并且它导致胸骨体凹陷。隆凸胸是继漏斗胸之后第二常见的先天性胸壁畸形.其特征在于胸壁的突出变形(即,胸骨 和肋 软 骨抬 高 ), 占 所有 胸 壁畸 形的 5% , 影响 1/2500 例 活产(Martinez-Ferro,Fraire,Bernard,2008)。一种更罕见的变形类型(不到所有PC病例的1%)是胸肌由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电 子 邮 件 地 址 :monica. unifi.it ( M. Carfagni ) , flavio.facchini@meyer. 它( F 。Facchini ) , rocco. unifi.it ( R.Furferi ) , marco. meyer.it( M.Ghionzoli ) , lapo.unifi.it ( L.Governi ) , antonio.meyer.it(A.Messineo),francesca. unifi.it(F. Uccheddu),yary. unifi.it(Y.Volpe)。弓状肌(Arcuatum,PA)是一种先天性畸形,患者的胸骨和上肋软骨突出.它包括沿纵向或横向轴线的混合的凹状和龙骨状特征,导致船尾体的多平面弯曲(见图1(Jeune,Carron,Beraud,Loaec,1954)。这种身体畸形的心理影响通常发生在患者中,尤其是青少年患者中,这是由于美容外观。这会严重影响日常生活质量,并造成社会困扰:造成建立友谊和关系的困难,有时会影响自尊和信心。PA矫正的传统方法依赖于旨在增加心肺功能并恢复动力学和结构完整性同时使胸壁复发或未来恶化的风险最小化的手术干预(Kim等人,2016年)。治疗方案最初是侵入性的,使用骨骼矫正技术。最近,进行更多微创手术以将胸骨重新定位到其正常位置。PA的手术矫正通常包括一个或多个水平胸骨截骨术,切除变形的肋骨软骨,最后固定前胸壁。https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.01.0012288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。M. Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127119图1.一、弓形胸(图片来自Jeune et al. ( 1954))。图二、胸骨截骨术(Fonkalsrud Anselmo,2004)。胸骨截骨术(见图2a)包括通过保留后皮质,在畸形的顶部通过振荡动力锯胸骨体(从现在起简称为“胸骨”,见图2b)进行V形水平切割(实际上限定了切除棱柱)胸骨的重建是通过在畸形的顶部向下加压,然后向上拉动胸骨体来完成的该操作旨在破坏(如果胸骨僵硬)或弯曲后皮质,同时保留后骨膜。V形切口中锯与胸骨体之间的角度是根据特定胸骨弓的特殊性来确定的。外科医生根据自己的经验决定的正确角度的选择对于防止畸形的过度矫正或矫正不足至关重要,从而决定干预的成功/失败。在这种情况下,患者专用手术导板的可用性传达了正确的切割角度,可以显著提高成功的机会,同时减少干预时间和感染风险为此,3D重建和增材制造(AM)技术的组合非常适合,因为它们具有独特的能力,即使对于复杂的地质条件也可以制造优化和定制的设备(Yao,Moon,Bi,2017)。事实上,几乎所有的医疗干预都共享基于医学成像(MI)和3D重建的技术,用于诊断、教育或干预计划。因此,当要治疗的解剖结构的复杂性需要由医务人员管理物理模型时,将3D打印方法添加到这种传统工作流程中是简单的。一些专用方法涉及髋关节和膝关节假体设计(Goodfellow& O 'Connor,1978)以及颌面部(Farré-Guasch等人,2015)和个性化的手腕臂矫形器设计(Carfagni等人,2017年)。最近,Chen、Xu、Yang和Egger(2016)提出了半自动手术模板设计的通用集成框架。详细地说,在这项工作中,开发了一个通用的计算机辅助设计软件。提供了一个易于使用的图形用户界面,拟议的软件可以用于口腔种植学和椎弓根和髂骶螺钉插入。受最近旨在设计半自动程序以加快切割导向器设计的研究的启发,本文旨在提出一种设计和生产定制手术导向器的新方法,以辅助胸骨截骨术矫正胸部畸形(即PA)。所提出的框架需要一系列的自动和用户引导的任务,能够设计患者量身定制从医学成像到最终AM原型的指南事实上,通过开发整合MI和3D重建方法的适当程序(Uccheddu等人,2018; Widmann等人,2016),可以检索胸骨体的精确3D几何形状在这种几何形状上,然后可以设计和生产定位在患者胸部上的定制手术引导件120米Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127确保干预取得成功由于主要目的之一是评估拟议框架的有效性,因此已使用商业软件包(即3D slicer和Geomagic Design X)进行开发2. 材料和方法所提出的程序从待治疗患者的CT图像的可用性开始,包括以下步骤:i. 图像处理与三维医学模型重建ii. 所需切割平面的虚拟设计iii. 定制手术导向器设计iv. 手术干预v. 手术导向器的制造。该手术是参考单个病例研究开发的,即一名16岁男性患有严重的软骨-胸骨畸形,其特征是正常曲率显著加重和胸骨本身远端部分增宽。所提出的方法已通过研究另外两名患者(男性,14岁和女性,13岁)进行了实际已告知所有受试者实验的性质并获得书面同意在进行实验时,佛罗伦萨大学和意大利法律的道德准则2.1. 图像处理与三维医学模型重建受胸部畸形影响的患者的3D模型重建始于3D体积数据的采集。胸部图像,其中感兴趣的解剖结构(即胸骨体)具有足够的信号强度和对比度(与最小伪影组合)以与周围结构区分开。大多数模型是从CT或MRI生成的;因此,模型的质量取决于成像源数据的质量。薄的重建图像可以允许准确的解剖结构描绘,但通常需要繁琐的后处理。心脏运动和呼吸伪影都对后续模型的准确性提出了挑战。从CT图像的3D打印应该理想地以大约1 mm的厚度重建。由于窄重构图像具有较低的信号,因此通常期望 使用使图像分割更 容易的更平滑的内核 (Ahmadi,Kangarani Farahani, Sotudeh, Zhaleh,&Garshasbi ,2013;Al-Ameen,Sulong,Md Johar,2013; Maini&Aggarwal,2010)。一旦医学图像被适当地恢复并且噪声被减少(例如参见图3),就可以执行图像分割,即,所需组织的描绘(AbidHasan& Ko,2016;Olabarriaga& Smeulders , 2001; Pham , Xu , &Prince , 2000;Sharma等人, 2010年)的报告。该过程允许区分感兴趣的解剖结构和相邻组织。有几种算法分割过程通常是半自动的,结合自动分割的初始步骤和随后的手动校正。组织边界可以在连续的2D图像上识别(参见图4),这些图像随后被链接以形成闭合表面并以标准镶嵌语言(STL)格式存储患者的胸部CT已经在名为3D Slicer的开源环境中处理(Fedorov等人, 2012年)。3D Sli- cer是一个免费的开源医学图像图三.参与实验的患者的CT扫描结果。见图4。图1中所示的CT扫描的分割示例。3.第三章。M. Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127121计算(MIC)和可视化。最初于1999年在麻省理工学院(MIT)作为硕士论文项目开发患者特异性方法的第一步需要去噪过程,包括应用于CT体积数据的高斯模糊滤波器和直方图拉伸过程第二步涉及基于Hounsfield值的阈值化的胸部图像的分割,而第三步涉及3D模型计算。胸骨和胸部骨骼的3D几何形状已经在分割之后在不应用平滑滤波器的情况下被创建(参见图5a)。然后,通过减少多边形的数量,同时保持原始模型的细节和分辨率的水平,得到的三角形网格模型进行了优化。最后,胸骨已被分离,并已生成立体光刻(STL)模型,如图所示。 5 b.2.2. 所需切割平面一旦患者胸骨的3D模型可用,就可以虚拟地规划限定V形切割的平面的最佳位置和角度虚拟仿真可以通过使用一个可用的逆向工程软 件 包 进 行 。 在 这 项 工 作 中 , Geomagic Design X 软 件( www.geomagic.com/en/products-landing-pages/designx ) 已用于网格操作和手术导向器模型的设计(见第2.3节)。由于胸骨的几何形状复杂,需要几个步骤来帮助定义切割平面。首先,镜像平面(即,一图五. (a)胸骨和胸骨的3D几何形状;(b)胸骨的STL模型。网格的大致对称平面)已经使用Di Angelo和Di Stefano(2013)中提出的方法检测到并创建(参见图6a)。然后,自动创建由这样的镜像平面和胸骨网格之间的相交所定义的网格。因此,胸骨的轮廓在相应的镜像平面是由这样一个描述(见图1)。 6 b)。最后,通过使用著名的Graham扫描算法(Anderson,1978)(见图11),使用顶点来确定凸包。 7 a)。在这一点上,需要用户干预,以选择从一侧到另一侧的部分的主要部分(见图1)。 7 b)。这个步骤也可以通过考虑通常是组成凸包的一个中的最大长度段来自动化然而,为了证实这一假设,还需要进一步的试验。 终点p1 和p2段剑胸骨连接处到手骨连接处这些点可以见图6。(a)镜像平面的检测;(b)与镜像平面对应的胸骨的轮廓(剪影)。123CCCCC122米Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127见图7。(a)胸骨轮廓的凸包;(b)构造用于确定点集P1; P2; P3的参数,所述点集P1;P2;P3定义用于导出两个切割平面的三角形的 顶 点 。将曲线p分成两条曲线p1(图中的洋红色)。 7 b)和p2(蓝色的图。 7 b)。选择p 1上的第三个点p3作为与'的距离最大的点。这个点集定义了见图8。(a)PA手术矫正前胸骨几何形状和切割平面的表示;(b)虚拟手术矫正。在图9中,比较了三种替代方案(虚拟光校正之前和之后)。为了进一步验证切除棱镜的选择,通过使用Makerbot Replicator+实现FDM技术,对三种(Parandoush Lin,2017年)为了初步评估该项目,用于导出两个切割平面的三角形的顶点根据P1-P3和P2-P3需要在外科手术后对齐所寻求的切割平面p1;p2是与包含平面的平面正交的平面,通过p并分别与p-pcal结果。用于制造这种原型的所选材料是聚乳酸(PLA)。在图10中,示出了原始解(p1p2p31/44Ω)通过比较三种不同校正的结果,和3p2-p3。13个原始的已被选为最合适的。的程序到目前为止使用的假设是,平面p1和p2被用来虚拟切割胸骨多边形模型,从而获得已经围绕与平面正交的轴子旋转的两个部分,所述平面包含:通过p,通过角度p,p,p,p32c131c23分别虽然正常胸骨的后皮质略微拱起,但通常的医疗实践建议过度补偿PA缺陷。因此,选择上述角度以省略允许胸骨近似平坦(在外科手术介入之后)的棱柱。因此随着参考案例研究,p2p1p320和p1p2p324。在cc图8a,提供了在PA手术矫正之前的胸骨几何形状和切割平面的表示;在图8b中,描绘了(虚拟)手术矫正的结果由于所提出的框架允许测试与传统配置不同的配置(即,通常在外科手术室中使用的一种),通过使用较低的切割角度已经执行了两个附加的虚拟外科手术矫正:1.p2p1p3¼15: 5和p1p2p3¼ 18:5(77%的原始削减-◦ ◦sting angle);2. p2p1p3¼11和p1p2p3¼13角)。(原始切割的55%)见图9。不同切割角度的三种替代方案之间的比较(虚拟手术矫正前后);(a)p p p;(b)p p p;(c)p p p。2c131c231c23M. Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127123见图10。使用Makerbot Replicator+从切割角度p1pc2p3的模型开始获得的胸骨原型。会影响整个胸骨厚度然而,胸骨有一个薄的内部小梁(海绵)体,包裹在两层皮质骨中,即所谓的前皮质和后皮质。后皮质完成了对被胸骨覆盖的内部重要器官的最终保护功能,因此,如前所述,出于安全原因,后皮质不会受损为了实现恒定深度的切割,有必要将截骨棱镜的边缘抬高一个足以保证后皮质完整性的值从实际从这种观点来看,可以通过沿着由线段p3-p4限定的方向平移切割平面p1、p2之间的相交轴线(参见图7),从而获得分别平行于p1和p2的两个新平面p01和p02,来进行这种修改。的这样的新平面之间的交点限定了新轴,该新轴与镜面的交点是点P03。通过分析图十一岁(a)两个切割平面的相交轴线升高6毫米;(b)新手术矫正后胸骨几何形状的图示。在CT图像中,可以确定最佳平移值(即,距离P3-P03);出于安全原因,可以将该值设置为等于后皮质厚度值的至少三倍结合实例研究,将两个切割平面的相交轴线提高了6密耳。如图11A所示。在图11b中,提供了在新的手术矫正之后的胸骨几何形状2.3. 定制手术导向器设计为了确保手术引导件在胸骨上的快速和明确的定位,同时为了避免未对准,引导件和胸骨前皮质之间的界面需要重合。 由于胸骨的几何形状是不规则的,因此首先需要处理前皮质的网格,以使其更加规则和连续,同时尊重骨骼的主要解剖特征。因此,这样的网格已经被选择、隔离(参见图12a)并使用典型的逆向工程工具(例如,孔填充、清洁、平滑和边界校正)进行处理,以便去除噪声和缺陷(图12b)。处理需要几个步骤,并特别注意胸骨表面主要解剖构造的重建,主要是在缺损突出区域。一个自由曲面S,拟合处理过的网格,然后被建模(见图1)。 12 c);见图12。(a)用于提取前皮质的分段网格;(b)前皮质的处理网格;(c)拟合处理网格的自由曲面S。124海里Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127这一关键步骤使得能够获得用于设计手术引导件的下部的连续表面(即,与胸骨接触的引导表面),从而保证正确的联接和定位。为了模拟手术导向器的形状,需要定义两个新平面n1和n2,分别垂直于p01和p02,并位于距离p03的距离d处(见图13a)。这样的距离应当足以在切割阶段期间适当地驱动刀片。特别地,在切割发生之前,刀片应被驱动至少10 mm。由于要切除的骨的厚度通常在12-16 mm的范围内变化图13岁(a)两个新平面n1和n2的定义;(b)通过将在平面n1和n2上绘制的2D草图投影到表面S上而获得的闭合轮廓;(c)手术导向器的首次尝试。Mahinda&Murty,2009,考虑到第2.2节中已经说明的锯不应完全切割胸骨,d = 20-25 mm的值可被视为一个良好的选择。在平面n1和n2上,现在可以绘制表示所需手术导向器轮廓的2D草图。最后,这些被投影到表面S上,并且两个2D样条被用于闭合轮廓(参见图13b)。所获得的闭合轮廓用于切割表面S,以便取回类似于切割引导件的期望形状的基础表面。通过加厚基面,见图14。(a)第一次尝试使用挤出矩形导向器;(b)移除超出部分;(c)手术导向器的最终3D模型。M. Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127125例如,具有等于5mm的值,则可以设计手术引导件的第一尝试(参见图2)。 13 c)有待进一步完善。在平面n1和n2上绘制两个矩形。它们的长度已经考虑到在胸骨的所有横向区域上操作的必要性而决定;宽度已经决定为等于锯片厚度的六倍。这种矩形被挤压到第一次尝试引导件的上表面(参见图14a)。超出的部分被模型丢弃,锯片的槽通过在两个挤压矩形上切割挤压矩形草图(宽度等于锯片的厚度)来获得(见图14b)。为了将手术导向器锁定在胸骨上,最终模拟了两个直径为2.4 mm的通孔(以容纳自攻螺钉);此外,该部件被倒角以改进其设计。上述过程的总体结果在图14c中示出,并且由切割导向器的最终3D模型组成,准备被制造出来。为了验证设计的有效性,使用Makerbot Replicator+ 3D在PLA材料中实现了手术导向器所获得的原型已经与胸骨原型耦合以视觉评估它们的耦合(参见图15)。当然,PLA不适用于外科手术;因此,有必要研究可能的替代品,如第2.5节所述。2.4. 手术干预鉴于患者胸骨、手术导向器和外科手术工具(摆锯)CAD模型的可用性,可以虚拟模拟手术干预。 作为描绘在图16中,可以模拟几个任务,例如刀片进入引导件的可接近性、刀片的正确穿透、胸骨切割下游的胸骨的预期最终定位。2.5. 手术导向器尽管不可植入,但切割模板应与生物组织和液体接触;因此,所选材 料 必 须 满 足 生物 相 容 性 要 求 , 同 时 必 须 耐 受 强 制 灭菌 周 期(Espalin等人, 2009年)。更常见的医疗器械灭菌技术是高压灭菌器、环氧乙烷暴露、过氧化氢和伽马辐射(Rogers,2017)。Meyer Chil-11医院采用的最常见的方法是第一种方法,其中水在压力下沸腾,产生饱和蒸汽,该蒸汽在待灭菌的物体上冷凝为了保证温度分布均匀,图十五岁使用Makerbot Replicator+3D获得的手术导向器原型图16. (a)虚拟模拟刀片进入手术导板的可及性;(b)虚拟模拟胸部和手术导板之间的相互定位以及导板与锯的相互定位;(c)虚拟模拟虚拟手术干预后恢复的胸骨蒸汽,该过程在真空环境中进行。手术室的灭菌标准是在121 °C和2bar压力下20 min。大多数FDM塑料材料在远高于蒸汽灭菌推荐的121 °C的温度下挤出(Fedorovich,Alfred,Hennink,Öner,Dhert,2011)。然而,如Meseguer-Olmo等人(2013年)、Roquiler等人(2014年)和Meseguer-Olmo等人(2015年)中所报道的,高压蒸汽灭菌通常会损害许多塑料的结构完整性。(1991年)。因此,为了制造手术导向器,已经进行了合适材料的筛选可用的塑料材料有很多:ABSi、ABS-M30、ABS-M30 i、ABS-ESD 7和PC-ABS、ABS衍生物、PC塑料、PC-ISO、PPSF、FDM尼龙6、12和12 CF技术塑料以及热塑性树脂ULTEMTM 9085和ULTEM1010。由于其优异的耐受性、热稳定性和其对高压灭菌器灭菌蒸汽温度的耐受性(Perez等人,2012年),126海里Carfagni et al./Journal of Computational Design and Engineering 6(2019)118-127图17.使用Fortus 450 mc 3D打印机生产的手术导向器;用于创建导向器的选定材料是ULTEM 1010热塑性树脂。选择ULTEM 1010热塑性树脂作为手术导向器制造的最佳选择。使用这种材料,通过Fortus 450 mc,实施FDM(Velasco,Lancheros,&Garzón-Alvarado,2016)技术生产了指南(见图)。 17)。3. 讨论和结论本文提出了一种通过使用增材制造技术设计和制造患者定制手术导向器的新方法,该手术导向器能够辅助胸骨截骨术以矫正弓形胸。所提出的方法需要从表示患者胸部的医学图像(CT/MRI扫描)开始的半自动过程。首先,进行实际患者胸骨体的3D重建;接下来,进行胸骨的期望形状的虚拟设计(即,介入后胸骨体的几何形状然后,这种虚拟几何形状用于决定骨切割的正确角度并设计患者特定的手术引导件。最后,可以使用AM生产手术导向器,并且可以准备在介入期间使用。所提出的程序已经开发了一个单一的案例研究参考。与经皮介入相比,所提出的手术有望实现更精确的术前规划:在进入手术室之前,外科医生了解患者的确切此外,个性化手术引导器的可用性可以允许优化(例如,改变对患者的最佳手术技术的选择)和引导手术行为(再现术前计划并提高准确性)。如前所述,为了测试其有效性,还对另外两个案例研究(男性,14岁,女性,13岁)进行了调查。同样,对于这些验证情况,自动任务,如镜像平面的识别和定义的切割平面已经正确地获得,并且用户引导的步骤(由熟练的CAD用户执行)已经在相同的相同任务之后执行。因此,这项工作被证明是朝着自动设计患者专用切割导向器以辅助胸骨截骨术迈出的重要一步。建议的框架已开发使用商业软件软件包(即3D slicer和Geomagic Design X);未来的工作将致力于开发一个完全自动的程序,以检索要用AM处理的引导3D模型,并开发一个易于医务人员使用的appropriate设计软件。此外,由于设计的指南已经准备好,为了在手术室中使用,一旦三名患者将进行介入治疗,就将对这种装置进行医学评估。致谢作者希望感谢Marta Romagnoli在处理3D数据方面提供有用提示作 者 还 希 望 感 谢 Fondazione Ospedale Pediatrico Meyer Onlus(http://www.fondazionemeyer.it/)资助T3DDY实验室(通过集成3D先进技术进行个性化儿科),该实验室发起并使本研究成为可能。引用AbidHasan,S. 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