Teza de diplomă DEZVOLTAREA UNUI PROCES GENERATIV ȘI NOI COMPUȘI DE POLIMER PENTRU
Teză de diplomă DEZVOLTAREA UNUI PROCES GENERATIV ȘI NOI COMPUȘI DE POLIMER PENTRU IMPLANTELE DE CRANIU ȘI FACIALE PERSONALIZATE depuse de Alois Anton Tax pentru obținerea diplomei academice de doctor în toată medicina (Dr. med. Univ) la Universitatea Medicală din Graz - Unitatea de cercetare efectuată la Clinica Universitară pentru Neurochirurgie neurotraumatologie experimentală sub îndrumarea supervizorului Univ.-Prof. la Dr. în rer.nat Ute Schäfer Graz pe 22 mai 2016
Afidavit Declar prin onoarea mea că am scris această lucrare independent și fără ajutor din exterior, că nu am folosit alte surse decât cele date și că am identificat pasajele luate textual sau conținut din sursele utilizate. Graz pe 22 mai 2016 Alois Anton Tax eh. I
Mulțumiri În acest moment aș dori să-mi exprim recunoștința față de toți oamenii care m-au sprijinit în pregătirea acestei teze. Mulțumirile mele speciale sunt adresate doamnei prof. Univ. la Dr. în rer. nat. Ute Schäfer și Univ.- Ass. Dr. med. Gord von Campe pentru oportunitatea și încrederea de a putea participa la proiect. De asemenea, aș dori să-i mulțumesc domnului Muammer Ücal pentru introducerea la acest subiect, pentru tot ajutorul și cooperarea plăcută. Creditul meu revine dnei Mag. A (FH) Ulrike Zefferer pentru sprijinul său organizațional. Multe mulțumiri partenerului meu și tuturor prietenilor care și-au acordat de bunăvoie timpul prețios pentru a mă sprijini în diferite moduri. Mai presus de toate, aș dori să le mulțumesc părinților și fraților mei pentru sprijinul lor continuu. ii
Cuprins DIRECTORII. VII LISTA CIFRELOR. VII LISTA TABELELOR. VII LISTA ABREVIERILOR. VIII PARTEA PRINCIPALĂ. 1 1 INTRODUCERE. 2 1.1 CONTEXT. 2 1.2 IMPRIMARE 3D. 4 1.3 PLASTICE. 6 1.4 SETAREA PROBLEMEI. 7 2 MATERIAL ȘI METODE. 9 2.1 PROIECTAREA STUDIULUI. 9 2.2 DEZVOLTAREA PROCESULUI. 10 2.2.1 Evaluarea implantului. 11 2.3 ANIMALE DE TESTARE. 12 2.4 CONSUMABILE. 13 2.5 CONFIGURARE EXPERIMENTALĂ. 14 2.5.1 Metode chirurgicale. 14 2.5.1.1 Craniotomie. 16 2.5.1.2 Reimplantare. 17 2.5.1.3 Auto-implant. 18 2.5.2 Grupuri de control. 19 2.5.2.1 Control sănătos. 19 2.5.2.2 Controlul lipiciului. 19 2.5.2.3 Controlul anesteziei. 19 2.5.3 Îngrijirea post-intervențională. 20 2.5.4 Imagistica. 21 2.6 DIGITIZAREA ȘI CREAREA MODELULUI. 21 2.6.1 Model osos 3D. 21 2.6.2 Modelarea plaselor. 22 2.7 PRODUCȚIA IMPLANTULUI. 26 2.7.1 Imprimare 3D. 26 î.Hr.
2.7.2 Pregătirea implantului. 26 2.8 COLECTAREA ȘI ANALIZA DATELOR. 27 2.8.1 Eutanasierea și îndepărtarea organelor. 27 2.8.2 Microtomie și colorare imunohistochimică. 27 2.8.3 Protocol de operare. 28 2.8.4 Evaluare cantitativă. 28 3 REZULTATE. 29 3.1 DIGITALIZAREA ȘI PROIECTAREA IMPLANTULUI. 29 3.1.1 Crearea modelului. 29 3.1.1.1 Imagistica cu o singură etapă. 30 3.1.1.2 Imagistica în două etape. 32 3.1.2 Metode de modelare. 34 3.1.2.1 Metoda 1: Oglindă. 34 3.1.2.2 Metoda 2: Colivie. 35 3.1.2.3 Metoda 3: Pre/Post. 35 3.1.2.4 Finalizarea metodelor. 36 3.1.3 Alegerea metodei. 38 3.1.3.1 Durata. 38 3.1.3.2 Diferențe. 39 3.1.4 Evaluarea implantului. 39 3.1.5 Proiectarea finală a implantului. 40 3.1.5.1 Durata. 41 3.1.5.2 Cerințe privind spațiul de stocare. 41 3.2 PROCEDURA DE TESTARE. 43 3.2.1 Grup de control. 43 3.2.2 Cursul operației. 43 3.3 DEZVOLTAREA CLINICĂ. 45 3.3.1 Cinci zile de urmărire. 46 3.3.2 Două săptămâni de urmărire. 47 4 DISCUȚIE. 48 LISTA LITERATURII. 55 vi
Liste Lista figurilor FIGURA 1.1 MODELARE DEPOZITIE FUSIONATA. 5 FIGURA 2.1 - INTERVENȚII DE FUNCȚIONARE. 16 FIGURA 2.2 - MODEL BONE. 22 FIGURA 2.3 ALINIEREA MODELULUI OSULUI. 23 FIGURA 2.4 PROIECTAREA IMPLANTULUI PAS CU PAS. 25 FIGURA 3.1 - CREAREA MODELULUI OSULUI. 30 FIGURA 3.2 PROCESUL DE SEGMENTARE. 31 FIGURA 3.3 - COMPARAREA VALORILOR PRIVIND. 32 FIGURA 3.4 METODA 1: OGLINZĂ. 34 FIGURA 3.5 - METODA 2: CUSCĂ. 35 FIGURA 3.6 - METODA 3: PRE/POST. 36 FIGURA 3.7 IMPLANT EDGE. 36 FIGURA 3.8 - COMPARAREA METODELOR DE MODELARE. 37 FIGURA 3.9 - DURATA TRADUCERII. 38 FIGURA 3.9 EVALUAREA IMPLANTULUI. 40 FIGURA 3.11 - BOXPLOT: GAMA DE DURATA DE PROIECTARE. 41 FIGURA 3.12 EXTRACȚIA CONȚINUTULUI INFORMAȚIONAL. 42 FIGURA 3.13 - FIT. 44 FIGURA 3.14 - MĂSURĂRI CORPORALE ÎNAINTE ȘI DUPĂ INTERVENȚIE. 45 Lista tabelelor TABELUL 2.1 LISTA MATERIALELOR CHIRURGICE. 13 TABELUL 3.1 CREAREA MODELELOR OSOASE PRE/POST ÎN SLICER 3D. 33 TABELUL 3.2 - COMPARAREA METODELOR DE MODELARE. 39 TABEL 4.1 - FRECVENȚA CRANIOTOMIILOR BIFRONTALE/LATERALE. 52 vii
Lista abrevierilor A AAN. Soluție de anexat, antisedan, NaCI (0,9%) AC. controlul anesteziei AM. fabricarea aditivă B sau . sau C CAD. CAM de proiectare asistată de computer. Fabricarea asistată de computer CH2O. Formaldehidă CH3OH. Metanol cmh2o. Coloana de apă centimetru CNC. CPU computerizat cu control numeric. Unitate centrală de procesare CT. Tomografie computerizată D DICOM. Imagistica digitală și comunicarea în medicină F FDM. modelare de depunere topită G GC. GPU de control al lipiciului. Unitatea de procesare grafică H H2O2. Peroxid de hidrogen HA. Hidroxiapatita HC. control sănătos K kgkg. Kilogram greutate corporală kv. Kilovolts M ma. Milliamps MB. Mega octet mmhg. Milimetri de mercur N NaCl. Clorură de sodiu NRRD. Date Raster Aproape Raw P PBS. soluție salină tamponată cu fosfat PEEK. Polieteretercetonă PMMA. Polimetil metacrilat poliaril. Poliariletercetonă PP. Polipropilenă PSI. implant R-pacient specific pacientului. Memorie cu acces aleatoriu S SI. SLA autoimplantant. stereolitografie (aparat) SLS. sinterizare selectivă LASER STL. Stereolitografie T TR. Pragul RPM. Revoluții pe minut UV. Ultraviolet V cf. compara VRML. Limbaj de modelare a realității virtuale L LASER. amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații viii
Procesul de sinterizare selectivă LASER (SLS) utilizează o abordare similară. Aici, solidificarea are loc prin topirea țintită a pudrei de plastic, ceramică sau metal folosind LASER de mare energie. În stereolitografie (SLA), pe de altă parte, rășinile sintetice fotoactive sunt stimulate să se polimerizeze folosind UV LASER. O altă metodă este modelarea prin depunere prin fuziune (FDM). Cu această metodă de producție, materialele plastice topibile sunt lichefiate printr-o duză încălzită și apoi depozitate la locul dorit. După ce nivelul respectiv s-a răcit și s-a întărit, acest proces se repetă strat cu strat, construind astfel obiectul. Această metodă permite utilizarea diferitelor materiale plastice. Figura 1.1 prezintă o reprezentare schematică a procesului menționat. Figura 1.1 Modelarea depunerii prin fuziune: reprezentarea schematică a producției de implant; Redare din Blender v2.75a; Î.: Ilustrare proprie bazată pe [27] 5
Cu toate acestea, provocarea este de a utiliza modelul osos existent pentru a deduce bucata de os îndepărtată și, astfel, forma implantului. Mecanismele și algoritmii de detectare necesari trebuie să fie în cele din urmă dezvoltate. Cerințele pentru această procedură includ cea mai rapidă conversie posibilă a datelor, precum și un grad ridicat de precizie a potrivirii pentru a permite o procedură într-o singură etapă, fără modificări suplimentare. Acest pas a fost realizat manual pentru acest proiect. Verificarea acurateței potrivirii și aplicabilității lanțului procesului se realizează în cele din urmă prin dezvoltarea și implementarea unui model animal. Un alt accent este analiza posibilelor efecte clinice ca urmare a intervențiilor. Întregul proiect este, de asemenea, dedicat problemei schimbărilor potențiale ale materialelor în cursul procesului de fabricație. În acest scop, sunt examinate proprietățile mecanice și fizice ale implanturilor FDM. Mai mult, se efectuează o analiză imunohistochimică a meningelor și a cortexului pentru potențiale reacții inflamatorii. Analiza și descrierea acestui lucru nu fac obiectul acestei lucrări. A 8-a
2.3 Animale testate Testul a fost efectuat pe șobolani Sprague Dawley masculi (Charles River, Bois des Oncins) cu vârsta cuprinsă între zece și 49 de săptămâni. La începutul anchetei, masa corporală medie a fost de 510 (SD: ± 43) g. Animalele au fost identificate printr-o lovitură codată a urechilor, precum și prin numerotare continuă cu un marker permanent la tranziția trunchi-coadă. Șobolanii au fost ținuți în grajdul de animale mici al departamentului de cercetare biomedicală fără măsuri speciale de carantină în condiții sterile. Temperatura camerei a fost de 20 ± 4 Celsius, cu o umiditate relativă de 30-70%. Ritmul zi-noapte a fost reglat de iluminare artificială cu un temporizator automat la fiecare 12 ore. Apa și chow-ul granulat standard au fost date ad libitum. Animalele au fost ținute în grupuri de maximum trei animale în cuști Eurostandard de tip IV (1354G, Tecniplast, Buguggiate) pe un strat de așternut de rumeguș și lână de lemn cu praf redus. Dacă este necesar, șobolanii au fost repoziționați la intervale cuprinse între două și trei săptămâni. Un control al personalului de îngrijire a animalelor a avut loc de mai multe ori pe zi. Al 12-lea
2.5.1.1 Craniotomie Zona de operare a fost eliberată de blană cu un aparat de ras electric, protejând în același timp vibrisele și apoi dezinfectată cu un tampon cu izopropanol. Ulterior, craniul a fost aliniat și fixat în cadrul stereotactic. Figura 2.1 - intervenții operatorii: redări din Blender v2.75a, vedere de la lateral-posterior la anterior; A) proiecția schematică a inciziei cutanate B1) craniotomie în formă de fantă B2) îndepărtarea lamboului osos C1) controlul lipiciului C2) autoimplantare C3) implanturi imprimate FDM; Î.: Ilustrație proprie O incizie cutanată în formă de U lungă de aproximativ 15 mm, care traversează linia mediană, a fost făcută fără a deteriora fascia mușchiului temporal (vezi Figura 2.1 A). Periostul a fost în mare parte retras și craniul de bază expus. 16
Valoarea de ieșire a crescut. Metoda de interpolare liniară [38] a fost utilizată ca algoritm de eșantionare. Fișierele NRRD rezultate au fost salvate temporar pentru procesare ulterioară. Figura 2.2 - Model osos: crearea modelului bazat pe determinarea valorii pragului, vedere de sus: antero-lateral spre posterior; Captură de ecran din 3D Slicer v4.4.0 Folosind funcția Volum de recoltare, volumul țintă a fost limitat la zona dintre cele mai laterale extensii ale suturii lambda și suturii coronare atât occipital, cât și rostral și crestele proeminente ale osului temporal lateral. Segmentarea a fost efectuată prin determinarea valorii pragului în modulul editor. Diferența mare de densitate între oase și țesuturile moi a permis o diferențiere precisă [20]. Pragul inferior a fost de 47% din valoarea maximă care a definit limita superioară. Folosind caseta de selectare model neted, un model osos neted a fost creat pe baza hărții etichetei și exportat ca fișier STL. Figura 2.2 prezintă modelul osos terminat. 2.6.2 Modelarea rețelelor Procesarea și modelarea ulterioară au fost efectuate cu un software open-source 3D de grafică computerizată (Blender v2.75a, Blender Foundation, Amsterdam). 22
Figura 2.4 Proiectarea implantului pas cu pas, vedere din antero-inferior, captură de ecran din Blender v2.75a A) Extrudarea corpului de bază B) Reprezentarea marginii implantului după scăderea cu modelul osos C) Progresul după utilizarea instrumentelor de modelare D) Implantul finalizat după îndreptarea suprafeței; Î.: Reprezentare proprie În modul Sculpt, marginile și piedestalul au fost adaptate în continuare. Oglindirea de-a lungul axei X a fost dezactivată în acest scop. Peria F Scrape/Peak a fost selectată folosind funcția Enable Dyntopo. Dimensiunea pensulei a fost setată la 50 px, indiferent de factorul de zoom. Valoarea puterii a fost de 0,3. Parametrul de autosmoothing a fost ajustat la 1 la sută (0,01 [adimensional]) din valoarea maximă posibilă. Neregularitățile au fost eliminate prin intermediul efectului de răzuire și a fost realizată o reducere a circumferinței, luând în considerare conturul primar (a se vedea figura 2.4-C). Pentru a evita colțurile ascuțite, baza principală a fost rotunjită folosind funcția menționată mai sus. Pentru a nu se aplica inutil, s-a efectuat o scădere cu un nivel cât mai aproape de craniu. 25
3 Rezultate 3.1 Digitalizarea și proiectarea implantului 3.1.1 Crearea modelului Au fost concepute și evaluate două procese diferite pentru crearea modelului osos. Prima metodă descrie procesul pe baza unei proceduri imagistice unice. Crearea modelului osos pe baza imagisticii în două etape utilizează, de asemenea, funcția de înregistrare pentru a se potrivi imaginilor pre- și post-operatorii. Cifrele cheie pentru crearea modelelor sunt prezentate mai jos. Timpii indicați se referă la durata calculelor la crearea unui model creat în scop ilustrativ. Pentru dezvoltarea metodei, s-au realizat imagini CT pre și postoperatorii la doi șobolani (a se vedea punctul 2.2.1.). 29
Procesul de calcul pentru eșantionarea datelor cu parametri de distanțare a imaginilor duble și metoda de interpolare liniară a durat 352 de secunde. Funcția Volum de recoltare a durat 67 de secunde. În general, reducerea dimensiunii datelor a necesitat o durată de 6 minute și 59 de secunde. Calculul modelului osos a fost efectuat în trei etape. Segmentarea osului a fost efectuată folosind un filtru în tonuri de gri (vezi Figura 3.2). Gradarea este direct proporțională cu valoarea absorbției razelor X. Figura 3.2 Procesul de segmentare: reprezentarea selectivă a structurilor osoase; Capturi de ecran din 3D-Slicer v4.4 A) imagini CT native B) hartă etichetă suprapusă (ocru); Î.: Prezentare proprie Într-o serie de teste efectuate independent, o valoare limită inferioară de 47% din valoarea maximă s-a dovedit a fi cel mai bun compromis între bogăția detaliilor și prezentarea artefactelor. Valoarea maximă a fost luată ca prag superior. Figura 3.3 prezintă acuratețea diferită a mapării pentru intervalele de valori ale pragului (TR) respective. 31
Figura 3.6 - Metoda 3: Pre/Post, vedere antero-laterală, redări din Blender v2.75a; Î.: Ilustrație proprie 3.1.2.4 Finalizarea metodelor Orice alveole care au fost deschise în cursul craniotomiei au rămas după scădere ca extensii pe bază îngustă la marginea implantului (vezi Figura 3.7). Figura 3.7 Marjele implantului: extensii de bază îngustă după efectuarea procesului de scădere; Captură de ecran din Blender v2.75a Datorită creșterii rezultate în dimensiune, s-a presupus că o posibilă încorporare în defect nu este fezabilă. Ca urmare, alergătorii au fost eliminați. Procesul final de adaptare a marginilor implantului, așa cum este descris la punctul 2.6.2, a fost realizat în același mod pentru toate cele trei metode și a durat 10 minute. Forma finală a modelelor de implant fabricate diferit este prezentată în Figura 3.8. 36
Figura 3.8 - Compararea metodelor de modelare, redări din Blender v2.75a, vedere de sus: antero-laterală spre posterioară (fiecare stânga), vedere de jos: antero-medială spre posterioară (fiecare dreapta); A1 & B1) Metoda 1: Oglindă A2 & B2) Metoda 2: Cage A3 & B3) Metoda 3: Pre/Post; Î: ilustrare proprie 37