ANALIZA MODELULUI GEOMETRIC 3d DE GENUNCHI OBȚINUT PE BAZA EXAMENULUI ct ȘI RMN [307996]

Marosvásá[anonimizat]ógyszerészeti, Tudomány- és Technológiai Egyetem

Általános orvostudomá[anonimizat]ÉDIA ÉS TRAUMATOLÓGIA OSZTÁLY –

SZAKDOLGOZAT

A CT ÉS MR FELVÉTEL ALAPJÁN ELKÉSZÍTETT TÉRDÍZÜLET 3D GEOMETRIAI MODELL VIZSGÁLATA

Témavezető: Készítette:

Dr. Gergely István Nagy Dániel

Konzulens:

Dr. Zuh Sándor

Dr. Incze Bartha Sándor

2019

MAROSVÁSÁ[anonimizat], [anonimizat] –

LUCRARE DE LICENȚĂ

ANALIZA MODELULUI GEOMETRIC 3D DE GENUNCHI OBȚINUT PE BAZA EXAMENULUI CT ȘI RMN

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]. Gergely István Nagy Dániel

Îndrumător științific:

Dr. Zuh Sándor

Dr. Incze Bartha Sándor

2019

Târgu Mureș

TARTALOMJEGYZÉK:

ÁLTALÁNOS RÉSZ

ÁLTALÁNOS ADATOK

A térdízület anatómiája és biomechanikája

KÉPALKOTÓ VIZSGÁLATOK

Computer tomográfia (CT) – vizsgálat/számítógépes rétegvizsgálata

Mágneses rezonancia (MR) – vizsgálat

A CT és az MR elkülönítő kórisméje röviden

3D-s KÉPALKOTÁS, SZERKESZTÉS ÉS REKONSTRUKCIÓ

PÁCIENS SPECIFIKUS PROTÉZIS (páciens specifikus implantá[anonimizat] TÉRDPROTÉZIS BEÜLTETÉS) ÉS ENNEK EGYÉNRE SZABOTT ALKALMAZÁSA, FONTOSSÁGA

RÉSZLETES RÉSZ

BEVEZETÉS ÉS CÉL

ANYAG ÉS MÓDSZERTAN

EREDMÉNYEK

MEGBESZÉLÉS

KÖVETKEZTETÉSEK

KÖNYVÉSZET

FÜGGELÉKEK

Az Erdélyi Múzeum-Egyesület Orvos- és Gyógyszertudományi Szakosztályának a XXIX. Tudományos Ülésszakán való részvételt igazoló publikáció

[anonimizat]ÁN NYELVŰ ÖSSZEFOGLALÓ

ÁLTALÁNOS RÉSZ

1.1 ÁLTALÁNOS ADATOK

1.1.1 A TÉRDÍZÜLET ANATÓMIÁJA ÉS BIOMECHANIKÁJA

A térdízület (articulatio genus): anatómiailag több részből álló képlet, az alsó végtag része, mely a következőket foglalja magába: ízületi felszínek, ízületi tok, ízületi szalagok ízületi tömlők ( bursa synoviális ) és a meniscusok.[1,2,3]

Az ízületi felszínek:

az ízületi fej maga a femur medialis és lateralis condylusa (condylus medialis et lateralis)

az ízületi árok pedig maga a tibia medialis és lateralis condylusa (a facies articularis superior)

a patella porccal borított hátso felszíne (facies articularis patellae) is részt vesz az ízületben, a combcsonti facies patellaris közremüködésével [1,2,3]

Az ízületi szalagok (ligamentii): a lig. collaterale mediale, a lig. [anonimizat]. cruciatum anterior, a lig. [anonimizat]. [anonimizat]. popliteum arcuatum és a patella felső rögzülése a m. quadriceps femoris [1,2,3]

Meniscusok: az ízületi felszínek közt a tibia ízületi felszínein fekvő rostporcos, lapos lemezek melyek közül: Meniscus medialis – félhold alakú („C”), meniscus lateralis – kör alakú („O”) [1,2,3]

A térdízület biomechanikája: a térdízület egy csukló ízületként (ginglymusként) funkcionál. Egy az epicondylusokra húzott képzeletbeli transversalis tengely körül, sagittalis sí[anonimizat]ó, Extensió és egy úgynevezett térdi végrotáció ami a keresztszalagok feszülésének és a condylusok felszínének tulajdonítható. A condylus medialis femoris 1,4-2 cm-[anonimizat] a lateralis condylus. Megjegyzésképpen – a tibia és fibula közötti ízületben (articulatio tibiofibularis) elmozdulás nem jöhet létre. [1,2]

1.2 KÉPALKOTÓ VIZSGÁLATOK

A mozgásszervek vizsgálati eljárásai a második legtöbbször használt radiológiai vizsgálatok a mellkas vizsgálatai után. A csontok, ízületek és a hozzájuk kapcsolódó lágyrészek funkcionális egységet képeznek. [5] A hagyományos natív röntgenvizsgálat áll az elsőként választott képalkotási diagnosztikai módszerek sorában az ortopédiai és mozgásszervi elváltozásoknál, viszont a dolgozatunkban háttérbe szorul ez (akár az ultrahang vizsgálat és az izotópvizsgálatok, mint például a csontszcintigráfia, SPECT vagy a PET). A továbbiakban csak a CT-i és a MR-i képdiagnosztikai módszereket tárgyaljuk [4]

1.2.1 Computer tomográfia (CT) – vizsgálat/Számítógépes rétegvizsgálat

Röntgensugárzással és számítástechnikával működő eljárásoknak az eredménye és egy nem invazív képalkotási eljárás. Haránt és spirálmetszetek hozhatók létre, akár sík vagy 3D-s adathalmozást is képezhetünk vele. [5] Részletgazdagsága elmaradottabb a hagyományos Röntgen felvételhez képest, de az abszorpciós felbontása nagyobb. Harántmetszeti leképzésnél az 1-2 mm vékony kép jó minőségben leképezhető. [4] A CT-kép tehát több irányból mért sugárgyengülési értékekből számítógéppel kialakított metszeti vagy térbeli árnyékkép. [5]

A következő lehetséges tomográfiás eljárások említendők meg:

Helikális CT, HRCT: high resolution CT, MDCT: multidetector row CT, Volumen CT (VCT), Dual energy/dual source CT, Dinamikus CT stb.

A hagyományos röntgenfelvételnek a sűrűsége alapján 5, plusz 2 árnyékféleség azonosítható a CT-n (ez a plusz kettő a lágyrészeknél azonosítható). A módszer nagyon érzékeny kis mennyiségű zsír, mész, kontrasztanyag kimutatásában és ez előnyünkre szolgál a szerveket burkoló szervhatárok elkülönítésére.

A HAUSFIELD-egység (HU) – a skála amely a sűrűségnek és a teljes sugárelnyelésnek felel meg. A 0 pont a víz és a maximális sugárelnyelést a fehér szín tükrözi.

Ablakolás – a tartomány amelyre szűkíthetjük az ablak értékeit amelyre éppen kíváncsiak volnánk [5]

1.2.2 Mágneses rezonancia (MR) – vizsgálat

Az a képdiagnosztikai eljárás, amely nem invazív és részletes anatómiai képeket készít egy kifinomult technológiai eljáráson keresztül ami élő szöveteket alkotó, vízben található protonok forgási tengelyének irányába bekövetkező változást, elmozdulásokat detektálja.[8] Ahol nincs proton ott jelhiány lép fel és ilyen közeg pl. a levegő[5] A hidrogén atommagja egyetlen proton, melynek forgó mozgása mágneses tengelyt, perdületet (spin-t) hoz létre, ami botmágnes módjára reagál bármely külső mágneses térre”. A szervezetben hasonlóképpen mozgó atomok, vas és nátrium is hasznos a képalkotásra. [5] Nagy jelentőségű a hidrogének száma az adott térfogatban vagyis a proton sűrűség és ezáltal fontos, hogy a hidrogén tiszta vízben szabadon vagy zsírhoz, fehérjéhez kötötten legyen. Az áramlást és egyes atomokat számításba véve például a vasat amely a hemoglobin különböző állapotaiban eltérő szuszceptibilitást (mágneses érzékenységet) mutat. Precesszálódás – búgócsigaszerű körző mozgás, ami a spin pólusainak az igazodását jelzik a külső mágneses erőtérhez. Larmor – frekvencia – a protonok szöveti környezete és a rájuk ható mágneses térerő. Dinamo-elv – alapján jól mérhető elektromágneses szignált hoz létre. [5] Spin Echo (SE) – a hagyományos, gerjesztési és akvizíciós paraméterektől függően eltérő jelintenzitással ábrázolódnak a hidrogén eloszlási és kötöttségi viszonyai [4], a spinek relaxációja, energiavesztése során a jel mérése az időskála különböző pontjain, T1 és T2 idővel behatárolt csillapodási mérték előnyös a szövetek jellemzésére. [5]

Morfológiai képalkotás: proton sűrűsége; relaxációs idő – a szövetek mágneseződésének időbeli változása; T1 idő – protonok milyen gyorsan tudták leadni az impulzusból nyert energiát a környező molekulának; T2 idő – milyen hamar fogy el transzverzális mágnesesség egy szövetben; Gradiens echo kép – vázrendszer vizsgálata, térdízület és meniscusok ábrázolása, éreredetű tumorok és vérzések az agyban. [5]

Funkcionális képalkotás:

Mozgásjelenségeket szív, ízületek és inak vizsgálatát teszi lehetővé a következők segítségével: Diffúziós MR vizsgálat, MR – angiográfia, Dinamikus kontrasztanyag vizsgálat, Teljes test MRI, Kontrasztos MR felvétellel és zsíros elnyomásos szekvenciák, Kontrasztanyag nélkül [5]

MR felvétel sajátosságai az ízületek vizsgálatánál

ízületi porc, tok, szalagok és a környező lágyrészek képsíkok és szekvenciák alkalmazásával kis mennyiségű folyadék vagy lágyrész elváltozás mutatható ki

a chondropátiát jelzi még a porc megfogyatkozása előtt

intraarticularis szalagok eltérései, meniscus sérülések, labrum szakadás, krónikus synoviális gyulladásos folyamatok [5]

MR felvétel sajátosságai az izmok, inak, szalagok és lágyrészek vizsgálatánál

részleges szakadások, mélyebben levő képletek, traumás, gyulladásos és daganatos elváltozások (haematómák, lágyrész abcessusok, tendinopáthiák korai formái [5]

1.2.3 A CT és az MR elkülönítő vizsgálata

A közeg mely leginkább tükrözi az adott vizsgalati módszer képét:

CT: csontok (kemény kötőszövet) és ezek meszesedései, kortikális szerkezete, destrukciója, ép-kóros határ, részben a lágyrészek alakja, szerkezete és ezek kontrasztanyag kimutatása;[7]

MR: lágyrészek (belső szervek + izmok, meniscusok, porcok és szalagok) és a velőűr pontosabb szerkezete, ér és idegellátás, utal a szöveti szerkezetre[7]; fehér szín nagy intenzitás; fekete szín gyenge intenzitás; T1 súlyozott – víz jelszegény(fekete), de jobb anatómiai leképzés (zsír, vérömleny); T2 súlyozott – a víz jeldús (fehér), a kóros szöveti elváltozásokra alkalmas; vízben szegény kötőszövet (ín, porc, szalag) [5]

Erősségek/Előnyök:

CT: kontrasztanyag kimutatás, vérellátási funkciók; térbeliség; jó lineáris felbontás, szöveti felbontás; metszet beállítható, megismételhető; fontos szerepe van a koponyaűri folyamatokban; bonyolult részletek leképezhetők – koponyaalap, sziklacsont, vállöv, medence ábrázolásában; együttes ábrázolása a csont, lágyrészek és kevésbé a porcos struktúrák; előnyös percután mintavétel támogatására [5]

az ízületeknél : a csontok és a környező lágyrészek leképzése; ízületi intra- és periarticuláris meszesedések; meszesedések elkülönítése a CAISON-betegségtől; gerinc CT L3 – S1 – diszkosz sérv, mert itt nincs gerincvelő és ha lenne akkor MR kellene; meszes felrakódások; nagy felbontású HRCT kopásos elfajulásból eredő résszűkületek és osteophiták elkülönítése a szalagmeszesedésekkel járó gyulladásos folyamatoktól; seronegatív spondylarthritis diagnózisa – ízfelszín eróziók [5]

Izmok, inak, szalagok és lágyrészek: egyes izomcsoportok, inak és a szalagok ablakolása, 3D megjelenítés; lágyrész daganatok csontra való terjedése/csont tumorok a szomszédos lágyrészekbe törésének kimutatásában [5]

MR: létezik végtagokra méretezett MR is; musculoscheletális rendszer, csontvelő és lágyrészek; ízületek elemzésére alkalmas; a vörös- (folyadéktartalom) és a sárgacsontvelő (magas zsírtatalom) jeldús; ízfelszíneket borító porc, periosteum, ízületi lágyrészképletek folyadék jeladása által elkülöníthetőek; szöveti rendellenességek: csontödéma , destruktív szövetburjánzás, myelómák, lymphomák, osteomielitisek, necrosisok; az arthrográfiát helyetesítheti az ízületeknél az MR felvétel; arteriográfiát helyetesítheti a lágyrészeknél az MR felvétel; lágyrészek és keringő vér, szöveti vizenyők (gyulladás, tumor, elhalás); kiváló szöveti felbontóképesség; zavarmentes kép [5]

Hátrány:

CT: sugárterhelés; kontrasztanyag terhelés

MR: csont kéregállománya – sokszor szekvenciákban jelszegény (szervetlen anyag alacsony víztartalma által); hosszas adatgyűjtési idő alatt mozdulatlanság; azok a személyek akik térerő és rádiófrekvenciás impulzus hatására kárt szenvedhetnek nem vizsgálhatók; első három hónapban terheseknél kerülendő; rossz teljesítmény a felbontásnál kis meszesedések és friss vérömlenyek esetében[5]

3D rekonstrukciós lehetőségek (térbeli modellezés) – a protetikában, csontpótlás, implantológia, traumatológiai helyreállító műtétek és tervezések felhasználhatók mindkét eljárásban CT-val és MR-val. Kontrasztanyagos vizsgálat szintén mindkét eljárásban alkalmazható. Radiológiai sugárfelhasználás (így magyarázható a káros ráhatása a szervezetre) a CT általi sugárzás, míg az MR felvétellel nincs káros ráhatás. [9]

1.3. 3D-s KÉPALKOTÁS, SZERKESZTÉS ÉS REKONSTRUKCIÓ

Történelmi áttekíntés: Az ötlet az 1979-80-es években körvonalazódott az ortopédia szakterületén mikor a CT adatainak a felhasználásával fizikai modell felépítését kezdeményezte Alberti C., aki a medence egy polisztirol modelljét úgy alakította ki, hogy egy személyre szabott fém implantot tervezhessen egy fibrosarcomás beteg számára. [10] Továbbá a 80-as évek után jelentős előrehaladás történt a polisztirol, majd az erősebb poliuretán habbal. A méretesebb struktúrák esetében nagyobb volt a pontosság és az eltéréseknek csak 1,6 cm-es átlagos eltérései voltak. [11,12] 1985 után már a képi pontosság elegendő volt a klinikai felhasználásra egyetemi központokban, hogy komplexebb műtéti tervezést vihessenek véghez. [13,14] A számítógépek szoftveres használata 3D rekonsktrukciók, modellezések előállításához és a térfogatok kiszámításához hasznos volt számos gyógyászatban, mint pl. a hepatobiliáris műtétek szempontjából. [15,16] Voltak szoftverrel kapcsolatos nehézségek, a hozzáférhetőség és ár szempontjából, így néhány elfogadhatóbb költségvetésű szoftvert fejlesztettek ki vagy nem CT alapúakat. [17,18] A pontatlan, hiányos, nem hatékony kezelésekből eredő magas költségek, leginkább az összetett, nagyszabású sebészeti eljárásokban nagyok. Ezért fontos az elsődleges műtéti problémákat orvosolni és leegyszerűsíteni az előkészületeket, munkafolyamatot és ellátást. A pontatlanság és a másodlagos műtéti eljárásoknak a problémái az elváltozások röntgenfelvételeken alapuló kezelési tervek hatékonyságának az átláthatatlanságából ered. Így a fizikai modellek kivitelezése a tervezés, szerkesztés, megfigyelés a CT és MR felhasználásával történik. [19]

3D-s kép és számítógépes modellezés: a CT és MR segítségével 3D-s képet nyerhetünk az adott méret és helymeghatározási hibákról. Az adott modell egy virtuális terjedelmű képet ad a számítógépen ami a valós csontok térfogatát tükrözi. A számítógépes modellezés lehetővé teszi az átfedésben levő vagy zárt objektumok megjelenítését is. Számos csoport, kutatóközpont és kereskedelmi szervezet kifejlesztett speciális szoftvercsomagokat melyek segítségével tudjuk modellezni és szemügyre venni a virtuális modelljeinket, megkönnyítve és feljavítva az átláthatóságát, esetleg részletezve annak sajátosságait. A csontgeometriai modellezés mellett a szoftverek segíthetnek az egyénre szabott implantátumok kiválasztásában és azoknak a tervezésében, pozicionálásában. Fontos előnyei származnak, mint pl. a beteg anatómiai és morfológiai feltérképezése; a műtét előtti tervezés, szimulálása; az ízületek biomechanikai modellezése implantátumokkal vagy nélküle; 3D-s adatkezelés és számítógéppel asszisztált műtéti eljárás használata; fejlesztés és pontos fizikai, strukturális modellek gyártása. Hátrányai, hogy az adott 2D-s képek nem nyújtanak 3D-s képet, viszont a komplex 3D-s modellezés nehézségekbe ötlik, a tervezés nehéz pl. szokatlan vagy deformált csontgeometriai képeket összerakni és megérteni, vagy több csont részt/töredéket integrálni egyszerre a képernyőn nehézkes. [20]

Gyors prototípus (RP – rapid prototyping): eljárások , melyek által 3D szerkesztés, modellezés segítségével építhetünk újra pl. töréseket, deformációkat, rendellenességeket. Régebb költségesebbek voltak, hiányos szoftverek és hiány volt szakértelemből is, mostanság viszont a széles választási lehetőségek által és leginkább a szakértelem fokozódásával a fejlett országokban nagy számban elérhetővé tette használatukat. Rövid ismertetése a folyamatnak, hogy egy megfelelő szoftver segítségével, amely pl. a CT vagy MR adatokból kiindulva fizikai modell előállítását teszi lehetővé. Ez a folyamat csökkentve különböző költségeket és lehetővé téve a sebészek számára, hogy precíz modelleket állítsanak elő, a műtét előtti tervezéshez és az eljáráspróbához. [21] A szakirodalomban leginkább fogászat és szájsebészet, maxillo-faciális specialítási vonalon kerültek felhasználásra. [9] Az ortopédia és traumatológia terén viszont korlátozott, de egyre növekvő számba megy pl. a preoperatív tervezésben, ahol nagy pontosságot igényel a tervezés, mint akár a gerincsebészetben. [22,23] Az egyéni tervezés egyre nagyobb népszerűségnek örvend, a térd arthroplasztikában vált életképes megoldássá, egyéni gyártása kereskedelmi szempontból a Biomet együttműködve a Materializze-vel vezette be a Signature térdrendszert, [24] ezek után fejlesztések alatt és a kivitelezés fázisaiban levő komplett egyedi implantokat és csontszöveti bioscaffoldokat. [25]

1.4. PÁCIENS SPECIFIKUS ENDOPROTÉZIS (PÁCIENS SPECIFIKUS IMPLANTÁTUM (PSIM) – EGYEDI TÉRDPROTÉZIS BEÜLTETÉS) ÉS ENNEK EGYÉNRE SZABOTT ALKALMAZÁSA, FONTOSSÁGA

Endoprotézisek: Olyan különféle fémek, titán, titánötvözetek és rozsdamentes acélötvözetekből állnak melyek statikus és dinamikus terhelhetőséggel rendelkeznek, viszont megtaláljuk a műanyagok közül az ultranagy molekulatömegű polietilént (UHMWPE), amely a legjobbnak bizonyult és majdnem minden protézis típus alkotóelemeként megtalalható. Egyik fontos szerepük a rugalmasság viszont ennek a legnagyobb hátránya a felszín kopása és ennek függvényében vizsgálandó az endoprotézisek élettartama. A biokerámiák melyek kitűnően szövetbarátok és kopásállóak, de ennek ellenében a hátrányuk, hogy törnek és repednek.[4] Az endoprotézisek alkalmazási jellege alapján beszélhetünk unicondyler vagy más néven szánkó protézisről, totális vagy teljes térdprotézisről és a patellofemorális protézisről ami sokkal ritkább viszont az a szánkó protézishez hasonlóan részleges protézis.[6] A protézisek formái lehetnek felszínpótló endoprotézisek, csontok ízületi végeit pótló protézisek és tumorprotézisek. Megfontolandó, hogy az ízületi mozgások és a stabilitás korlátozott mozgáspályájú (constrained) protézisek vagy a szabadabb illeszekdésű protézis (non-constrained) típusok választandók ki, mely alkalmas a mozgás és a stabilitás biztosítására. Az, hogy elsődlegesen stabilan rögzül vagy késői másodlagos stabilítással rögzül az endoprotézis a csontokhoz, csontokba ez függ az ízület jellegétől és a csont szerkezetétől. Továbbá a legáltalánosabb a csontcementtel történő rögzítés, viszont speciális felszínű protézisek esetén lehetőség van a cement nélküli rögzítéshez is. A cement nélküli endoprotéziseknél a rögzülési esélyeket elősegítve felszíni és biológiailag aktív bevonatok használatosak, mint pl. a hidroxi-apatit. Késői következményei a beültetésnek az ún. asepticus kilazulás, mely néhány év alatt kialakulhat, a protézis és a csonthatáron csontresorbcio miatt lazulás, terhelésre rendellenes mozgás és fájdalom alakul ki, ennek orvoslása részleges vagy teljes cseréje revíziós típusú protézisekkel esetleg csontpótlással oldahtóak meg, vagy a kilazult protézis eltávolítása után resectiós arthroplastica marad. [4]

Páciens specifikus implantátum (PSIM) – egyedi térdprotézis beültetés:

Mikor már a tüneteket mindenféle kezelések ellenében a sebészi kezelés váltja fel, új egyedi eljárásokkal a térdprotézist 3D-s nyomtató állítja elő a legjobb minőségben, anatómiai precizitással. Figyelembe véve, hogy minden személy különbözik egymástól, mert két ugyanolyan felépítésű egyén nincs bármennyire taglalhatnánk azt. Így az egyénre szabott gyógyítás és ezen belül az egyedi térdprotézis beültetés válik a legelfogadottabbnak és legrelevánsabbnak a modern medicina kapuin belül. Itt minden személy az anatómiai felépítésén keresztül egy 3D-s eljárással egyedileg gyártott eszközök felhasználásával beültetett térdprotézist kap. Mechanikai és anyagtani fontossága van ezen protéziseknek, hogy minél hosszabb éléttartama legyen kiküszöbölve a folyamatos felszíni kopást. A PSIM fontossága, hogy csökkentsük a műtét utáni mozgáskorlátozottságot, a fájdalom visszamaradását és meghosszabítsuk a protézisek élettartamát. Ami a legfontosabb, hogy a csontok velőűrét nem fúrjuk meg így kevesebb lesz a vérzés, vérvesztés, ezáltal kevesebb az esélye a haematómák kialakulásának és a fertőzések kockázatának. [6] Másodsorban a méréseket nem műtét közben végezzük el, hanem szamítógépen a beavatkozás előtt nagy pontossággal (műtét előtti tervezés), ezzel lerövidítve a műtétek hosszát. A kapott eredmények által egyedileg gyártott célzóeszközöket (Patient sepcific instruments – PSI) használunk fel, melynek célja a preoperatív képalkotáson alapuló virtuális műtét. Úgy a vágógépek, mint az implantátumok kifejezetten a beteg számára készültek. A protézis az eltervezett módon, a legnagyobb pontossággal ültethető be, tökéletes illesztésekkel és ennek az eredménye hosszabb élettartamot jelent, pontosabb a protézis helyzete, kisebb a revízió valószínősége, biztonságos és rövidebb a korházi tartózkodás ideje, vagyis a postoperatív rehabilitáció és végül költséghatékony, így a beteg elégedettsége is jóval magasabb lesz. [26]

1.1.ábra – Teljes hagyományos és páciens specifikus térd implantátum

Újabb, precízebb és gyorsabb módszerek kezdtek napvilágot látni, melyek akár napjainkban kísérleti folyamatban vannak, de pár éven belül elérhetővé válhatnak, mint például: egy valós humán csontot növesztettek vissza egy ember sípcsontjába zsírsejtekből melyet a műtéti eljárások előtt vettek le a betegtől, majd azt laboratóriumban növesztették két hétig, azután visszainjekciózták, hogy csontszövetté alakuljon. Ezt az eljárást egy izraeli biotechnológiai cég fejlesztette ki a Bonus Biogroup.[27] A visszajuttatás után a hiányzó csontrészben ezek a sejtek összeforrnak és teljesen működőképes csontot hoznak létre. A műtét segíthet a csontritkulásban, az amputációk következményeinek az orvoslására, vagy egyéb eljárásokban mint pl. a törpenövés. [28,29,30,31] Egy másik eljárás a fény alapú „valódi” 3D nyomtató technológia, mely a hagyományos műanyag szálaknak a rétegenkénti építése helyett egy új a Michigan egyetem kutatói által kifejlesztett 3D nyomtató technológia. A formát egy bizonyos speciális gyantából emeli ki akár a hagyományosnál sokkal gyorsabban. Ez az eljárás nemcsak sokkal gyorsabb de strukturálisan is előnyösebb mint a hagyományos műanyagszálas 3D nyomtatók. Egy speciális folyékony gyantából képes alakzatokat képezni két fényforrás használatával, ahol az egyik gyanta a megszilárdítás a másik fényforrás a folyékony formában tartásáért felelős, ez a két fényforrás által a gyanta különböző hullámhosszú fényekre más és más módon reagál, így lehetővé téve, hogy nem több rétegben hozzák létre az alakzatot hanem egyszerre. Előnye még a hagyományos nyomtatókhoz képest, hogy a műanyag szálaknak a réteges szerkezete a tárgyakban sokkal gyengébb mint a gyantából nyert technikával. [32]

GYAKORLATI RÉSZ/RÉSZLETES RÉSZ

BEVEZETÉS ÉS CÉL

Először is a századunk legfontosabb és legjobban bevált módszerei közé tartozik az egyénre szabott medicina alkalmazása, mert a számítástechnika fejlődése széleskörűen elérhetővé tette a számítógéppel asszisztált modellezést (CAD – computer aided design), a 3D-s nyomtatók megjelenése pedig a gyors prototípus készítést, így a 3D-s modellből tárgy készíthető. A beteg személy különböző patológiákkal keresi fel kezelő orvosát vagy a kívánt szakorvost problémájának a rendezésére esetleg enyhítésére, ezáltal a szakorvos, jelen esetünkben az ortopéd szakorvos felhasználja az adott klinika vagy az országa által biztosított eljárásokat, kivizsgálási lehetőségeknek az alkalmazását, megfelelve a nemzetközileg elfogadott előírásoknak, kritériumoknak, majd az anamnézis, személyes adatok, klinikai és paraklinikai vizsgálatok, eszközök, módszerek segítségével hoz egy olyan egyénre szabott kezelési eljárást ami lehet nem 100%-os de arra törekedve, hogy minél előnyösebben javítsa a kezelendő beteg jelenlegi állapotát, esetleg megelőzve a gyógyszeres, sebészi vagy bármely nem invazív vagy invazív beavatkozások sorát, ami lehet, hogy további szövődményeket, komplikációkat vonna maga után.

Másodsorban fontos a modern módszereknek, segédeszközöknek, eljárásoknak, anyagoknak az ismerete, alkalmazása és felhasználása az ortopédiai gyakorlatban, egyszóval mindennek ami az orvos munkáját könnyítené, elősegítené bármilyen téren a medicinában. Ezeket az ismereteket felhasználva a jövő rengeteg lehetőséggel kecsegtet, gyors fejlődés, kutatások sora, robotika, nanotechnológia, számítás technika, lassan előtérbe helyezve a biotechnológiát. Ezek mind lehetővé teszik a jobbnál-jobb eljárások felfedezését és annak az alkalmazását az orvostudományban. Jelen esetünkben a képdiagnosztika és a számítógépes 3D rekonstrukció módszerét tárgyaljuk összevetve az egyénre szabott felhasználás érdekében egy preparált térdízület segítségével, nem invazív, gyors szerkesztés, kivitelezés céljából felhasználva az ortopédiai és traumatológiai gyakorlatban. Egyes diagnosztikai eljárások (CT, MR) során nyert rétegfelvétel 3D geometriai modell felállítását teszik lehetővé. Az eljárások során nyert információ nemcsak grafikai, hanem geometriai modell is, sőt végeselemes analízishez használt matematikai-fizikai modell felállítását teszik lehetővé. Az így nyert modellnek formában, méretben egyeznie kell a modellezett szervvel.

2.2. ANYAG ÉS MÓDSZERTAN

Az egyénre szabott műtéti tervezés során a vágósablonok felfogatására használt pineket a CT használatával egyedileg elkészített sablonnal helyezzünk be, tájékozódásnak a csontos felszínt felhasználva, majd általában a cégek által a beültetéshez adott vágósablonokat alkalmazva készülnek el a vágási síkok a velőűr megnyitása nélkül, minimális feltárás mellett. Az adott modellünknél használt eljárást szeretnénk geometriai pontossággal ellenőrizni, hogy formában, méretben egyezzen a modellezett preparátummal. [33,34,35]

2.1.ábra – A pinek és vágósablonok helyzete a velőűr megfúrása nélkül

Az egyénre szabott modellkészítésnél alkalmazott számítógépes eljárás pontosságának vizsgálata abban nyilvánul meg, hogy maga az eljárást egy computertomográfiás vagy mágnesesrezonanciás képdiagnosztikai eljárással véghezvitt vizsgálat után a képek alapján a térdízületről egy 3D rekonstrukció készül, majd speciális szoftverekkel megtervezzük a munkafolyamatot. A tervezés után térben megtekinthetjük, szimulációt hajthatunk végre, rekonstruálhatjuk, míg végül tökéletesítjük a műtéti eljárást az adott egyén feltételei alapján és kinyomtathatjuk egy 3D-s nyomtató segítségével a beültetésre készen. [6,35]

A modellünk elkészítéséhez mindenekelőtt egy anatómiai preparátumot, egy bal oldali térdízületet használtam fel, melyet a comb alsó és a lábszár felső harmadánál különítettem el, rezekáltam. A femuron is és a tibián is pontosan a csontra felhelyezve egy műanyag markerrel biztosítottam a későbbi tájékozódás megkönnyítését, a preparátumot egy stabil alaphoz rögzítettem, amit beosztásokkal láttam el, hogy biztosítsam a felvételeknek az azonos körülményeket, így kiküszöbölve, hogy a felvételeken ne legyenek térbeli és méretbeli eltérések.

2.2.ábra – Az anatómiai preparátum egy stabil alaphoz rögzítve és műanyag markerekkel ellátva

Szükségem volt egy többsíkú CT felvételre és egy MR felvételre, melyeknek az adatait majd importálhatom a számítógépbe és melyek segítségével megszerkeszthetem a kívánt 3D-s modellem felszíni rekonstrukcióját. Úgy a CT, mint az MR felvételt igyekeztem azonosra és maximálisan részletesre megtervezni, viszont a két kép között enyhe eltérések voltak, így néhány paramétert leszámítva a szeletek ugyan azonos távolságból készültek, de a felbontásuk, pixelméretük eltérő lett:

2.3.ábra – Egy transzaxiális CT és egy coronális síkú MR felvétel a preparátumról

2.1.táblázat – a CT és MR felvételek paraméterei

A képek feldolgozása után az adatokat elektronikus formátumba helyeztem, DICOM file formátumot használtam. Az adatokat a számítógépen elkezdtem egy saját szoftver használatával feldolgozni, majd neki fogtam a modellemet megszerkeszteni. A DICOM formátumú adatokat importálom a szoftverbe, ahol ezek megtekinthetők és tovább alakíthatók. A szoftver bármilyen feldolgozás nélkül is képes egy hozzávetőleges 3D-s modellt a már meglevő képszeletekből is képezni, de ez tartalmazhat olyan hulladék szöveteket és képleteket is melyeket leválasztunk majd a munkánk folyamán, könnyítve a szerkesztést a továbbiakban. Az elsődleges majd a végleges munkám eléréséig még teljesíteni kell a következő lépéseket:

2.4.ábra – kezdetleges 3D-s modell minden szerkesztés nélkül

Az első fázisban: a több szeletből álló CT és MR felvételeimből egy térbeli hozzávetőleges alakzatot szerkesztek, azokból a felvételszeletekből, amelyekből a modellt akarom készíteni, majd síkonként szegmentálom a szoftver segítségével. A térdízületből azok a képletek, melyből a modellt szeretném készíteni a jelen esetben tartalmazza a térdkalácscsonton kívül a combcsontot, lábszárcsontot, a szárkapocscsontot és az MR esetében a porcállományt is külön, ezeket majd egy egyszerű négyszög beállításával teszem lehetővé a többi környező szövet elkülönítésétől, ahol majd kiválasztom, hogy a kijelölt négyzetben milyen magas és széles legyen az a rész ami csak a számomra fontos rész lesz. Ezzel az elhatárolással ( ROI – region of interest ) megkönnyítem úgy az időbeli munkámat, mint a számítógép munkáját, azáltal, hogy a számítógép is kevesebb adatot kell feldolgozzon, átalakítson kizárva a négyszögön kívüli területeket.

2.5.ábra – ROI – region of interest fúnkcióval bekeretezem, elhatárolom a munkaterületem

Abból kiindulva, hogy a CT felvételeken a szöveteknek különböző intenzításuk van , így ezt az intenzítást számmal is kifejezve, az úgynevezett Hounsfield skálával (HU – Hounsfield units), ahol a desztillált víz röntgensugár abszorbcióját normál nyomáson és hőmérsékleten nulla HU érték definiálja, míg a levegő röntgensugár elnyelését pedig 1000 HU-nak, így sorolhatunk be minden egyéb szövetet ezen két érték közé. A CT képet felhasználva a szoftverünkbe izolálom automatikusan a csont intenzítású struktúrákat (Threshold-al), intenzítás különbség segítségével, itt ha magasra állítom akkor a magas intenzítású szöveteket állítom be, így a CT-ben a csontállomány magas intenzítású lesz és szétválásztom ezzel a csontot a többi szövettől, vagyis a fehér árnyalatúakat.

2.6.ábra – A csont intenzításu struktúrák izolálása a Threshold funkció segítségével, majd elnevezem és színekkel látom el a csont részeket

Ezek után megkeresem ezek kontúr görbéit, majd manuálisan kijavítom szeletről-szeletre azt, vigyázva a pontosságra (Segment editor). Az automatikus szegmentálás közben pedig kijelölöm és különböző színekkel ellátom a képleteket, megnevezve a térdízület részeit, vagyis a femurt, a tibiát, a fibulát és külön az MR felvételen a porcállományt, mivel csak az MR felvételen lehet külön elhatárolni a porcszövetet a csontállománytól, mert a CT felvételen úgy a porcállomány, mint a csontállomány egybeolvad. A továbbiakban az MR felvétel alapján mindezeket az eljárásokat manuálisan kellett végezni, ugyanúgy figyelve és ügyelve a pontosságra, mert itt nehezebb dolgom volt a különböző szövetek, lágyszövetek megjelenésével.

2.7.ábra – Manuális feldolgozás az MR alapján a csont- és a porcállománynak

Második fázis: a CT és MR szegmens adatait felhasználva átalakítom a modellemet egy hálóalapú felületformára, azaz egy sztereolitográfiai STL formátumra, melyet már lehet 3D modellként vizualizálni bizonyos programokban. Az STL formátumú modellemmel tovább dolgozva folytatom a saját szoftveremmel a munkát és a végső simításokat, igazításokat.

2.8.ábra – A kész virtuális modell

Itt valamivel könnyebb dolgom van a már kész modellünknek a kontúr görbéit egymásra helyezve megkeresem az ezeket burkoló síkot 0,1 mm pontossággal és azután le kell simítsam egy 0,01 mm-es pontossággal az érdes felületeket, és befedem a felületi hiányokat, majd megszületik a tényleges modell. Mivel a csont kortikális felszínén lyukak találhatók, ahol az erek hatolnak be, megtörténhet, hogy a csont belsejében anyagfölöslegünk lesz, így ezt az anyagfölösleget is eltávolítom, ezáltal csökkentem a felhasznált anyag mennyiségét és a nyomtatási időt is lerövidítem.

2.9.ábra – A kontúrgörbék lesimítása és kijavítása a modellen

Harmadik fázis: a modellre megszerkesztem a porcsapkát is, így megvastagítva az ízületi felszínt majd egy gyűrű segítségével amely 0,1 inches, szinkronizálom a modellek térbeli helyzetét és összehasonlítom a valós MR, CT csont modellek méretét, a virtuális MR és CT csont modellek formájával, majd az MR segítségével kapott porcsapka illeszkedését a CT, MR csontfelszínre.

2.10.ábra – A porcsapka szerkesztés és szinkronizálás

Negyedik fázis: megmérem az anatómiai modellen egy tolómérő segítségével, majd a CT és MR felvételeken a szoftver segítségével a femur antero-posterior és a bikondilláris átmérőket azon a szinten ahol az epicondilus a legproeminensebb, majd metszem a modelljeimet ezen a szinten és meghatározom a görbék közötti maximális eltérést és a Dice hasonlósági indexet. Megjegyzés képpen az anatómiai modellen nem készítek szeleteket csak miután kinyomtatom a 3D-s modellt az utolsó lépésként, erre a továbbiakban is kitérek. Ezek után összehasonlítom a valódi és a szerkesztett porcokat is.

2.11.ábra – A femur antero-posterior és bikondilláris mérései a legkiemelekdőbb szinteken és a porc összehasonlítása

A végső fázis: a számítógépen megszerkesztettem a kapott 3D-s csont modellemre illeszkedő virtuális sablont, mely tartalmazza a pontos bemeneteit a pineknek és ahova majd rá tudjuk a vágósablonokat illeszteni ezzel kikerülve a velőűr megfúrását a paciens specifikus implantátumok felhelyezése esetében.

2.12.ábra – a 3D-s sablon a pineknek a bemenetével

A sablon adatait importáltam és előkészítettem a nyomtatáshoz némi egyéni beállítás után. Mikor minden paramétert véglegesítettem egy speciális szoftver segítségével azon paramétereket melyek befolyásolják a modell nyomtatási idejét és a nyomtatott modell minőségét, akkor elkezdhettük a tulajdonképpeni nyomtatást. A nyomtatási idő és a rétegről-rétegre való nyomtatás szempontjából a modellünknél fontos odafigyelni a méretekre és a rétegeknek a magasságra, minél kisebb méretet állítunk be a réteg magasságának annál jobb minőségű lesz a kapott tárgy, viszont ezzel egyenesen arányosan nő a nyomtatási időnk is. Fontos paraméterek a nyomtatás elkezdése előtt pl. oda kell figyelnünk, hogy a belsejét alakító rács mennyire lesz majd telített, hány Celsius fokra kell majd felmelegíteni a nyomtató fejét és milyen anyagot felhasználva lesz a tárgy kinyomtatva. A kezdeti lépésként az lenne megfelelő, hogy ne a modell felépítésével kezdjük hanem annak egy alaptartó szintjének a megépítésével, mely a stabilítást biztosítaná a tárgynak a nyomtatás ideje alatt. Egy másik kivitelezés alapjául a nyomtatás alatt lehetne a stabilítás szempontjából tartó pilléreket is építeni a modellünknek. A nyomtatás alatt rétegenként szemügyre vehetjük a készülő makettünket, mely mutatja, hogy hogyan is fog kinézni majd és hogyan is épül fel az. A szükséges beállítások és előkészületek után a szoftver megad egy hozzávetőleges nyomtatási időt. Végül ha minden stimmel és mi is elégedettek vagyunk, akkor az átalakított és beállított modell adatait továbbíthatjuk a nyomtatóhoz. Ezen lépések után még elvégzünk néhány kézi beállítást a nyomtatón, ami nagyon fontos mielőtt tényleg neki kezdek a nyomtatási folyamatnak, hogy le ellenőrizöm a nyomtató fejét és a felület közötti távot, majd azt, hogy legyen elegendő mennyiségű anyagom is a nyomtatóba. Fontos, hogy a nyomtató fején ahol majd préselődik ki az olvadt anyag legyen előre melegítve és nem utolsó képpen préseljünk ki belülről a levegőbe pár cm-t, hogy a régi nyomtatásból esetleg visszamaradt anyag ne okozzon fennakadásokat, és majd tudjam azt eltávolítani. Az Anet A8 nyomtató egy asztali méretű 3D-s nyomtató. A nyomtatóhoz polilaktinsav (PLA – polylactic acid) fonalat használtam fel ami biológiailag lebontható és bioaktív thermoplasztikus alifás poliészter. [36]

2.13.ábra – az Anet A8 3D-s asztali méretű nyomtató

A nyomtatás utáni időszak következetesen maga lesz az egyéni műtéti felhasználás időszaka, melynek során a következő fogalmakat jegyezném meg: Intraoperatív előnyei és hátrányai a teljes térd csontpótlásnak (TKA – total knee arthroplasty) egyénre szabott implantátumokkal: [26]

a bemetszés hossza: a műtét hossza csökken minimális feltárások mellett [37]

az eljárás függ a műtét előtti képalkotó eljárás típusától, a használt szoftvertől, képformátumtól és a feldolgozásától [26]

a végső méretekben való eltérések, a kapott méret és a műtét során mért változások, ez ellen felkészülve egy esetleges nagyobb méret beszerzésével

Postoperatív rehabilitáció :

– korházi tartózkodás és a vérveszteség időtartama: kisebb feltárás és jó összhang mellett, rövidített műtéttel, gyorsabb posztoperatív rehabilitációt és kevesebb vérveszteséget jelentene. [26] Vundelinckx és csapata prospektív véletlenszerű vizsgálatban 31 darab PSIM (páciens specifikus implantátum) és 31 darab hagyományos teljes térd csontpótlási technikával végzett eljárás során nem talált különbséget a korházi tartózkodás vagy a vérveszteség között a két lehetséges csoport közt. [38] Noble és csapata egy 15 darabos PSIM és 14 darabos hagyományos technikával végezve el a prospektív vizsgálatot azt találta, hogy szignifikánsan csökkentek a korházi tartózkodási időtartamok a PSIM technikával végzett csoportnál, de a vérveszteségben nem figyeltek meg különbséget. [39]

Költséghatékonyság:

– Watters és munkatársai 12 hagyományos és 12 PSIM technikával végzett műtét alkalmazása után prospektív tanulmányban 391 dolláros megtakarítást találtak a PSIM technikával végzett térd arthroplasztikánál szemben a hagyományossal, viszont a kepalkotási költségeket nem vették figyelembe. [40] Barrack és társai ugyancsak átlagos 322,22 dolláros megtakarítást számoltak PSIM térd arthroplasztikával végzett műtét esetében itt beleszámítva az MR költségeit is. [41] következtetés szempontjából a PSIM technika előnye, hogy a műtét költségeit csökkenti a rövidebb működési idő. [26]

Ha különböző tanulmányokat és felméréseket figyelünk meg mindegyikben találunk ellentmondásos feltételezéseket, eredményeket, viszont tény, hogy hasznosabb és előnyösebb maga a személyes implantátumoknak a beültetése legyen szó akár költséghatékonyságról, rövidebb rehabilitációs időről vagy a vérveszteséggel járó intraoperatív eljárásokról.

2.3 EREDMÉNYEK

Miután egy közös koordináta rendszerre hozva a felfogatási alapot a műanyag markerek felhasználásával a szeleteken elvégeztem a szegmentálást, lesimítottam, tisztáztam a kontúrgörbéket, majd 3D-s rekonstrukciót sikeresen elkészítettem, úgy az MR, mint a CT felvételek alapján.

2.14.ábra – a kész 3D-s számítógépes modell

Az MR felvétel alapján pedig elkészítettem a porcsapkát is. A CT felvételek általi modell tartalmazza a porc és a csont állományt is, nem lehet elkülöníteni egymástól, egybeolvadnak, míg az MR felvételeken meg tudjuk a két réteget különböztetni egymástól, így az MR felvétel alapján készült porc és a csont tökéletesen illeszkedik a megszabott 0,1 mm-es tűréshatáron belül. A csontmodellek közül leginkább a CT tükrözte a valóságot a legjobban, mert a CT-nél a legnagyobb eltérés 2,5 mm-es volt, míg az MR modellnél 5 mm-es. Az anatómiai modelleken belül összevettem a CT-ás és a MR-ás adatokat az antero-posterior (AP) és latero-laterális (LL) (bicondilláris) átmérőknél, azoknak a szinteknek az alapján véve ahol az epicondilus a legkiemelkedőbb, majd metszve a modelleket ezeken a szinteken meghatároztam a maximális eltérést és a Dice hasonlósági indexet.

2.2.táblázat – Az AP és Bikondilláris átmérőknek az adatai

Az anatómiai modell, ami úgy hosszában, mint széltében nagyobb értékeket mutat, mivel fölösleges szövettörmelékeket tartalmazhat és ami a valóságot tükrözi. Ahogyan a fenti eredmények is mutatják a minimális számbeli eltérések az MR-nál az AP átmérő a porcsapka hiánya miatt rövidebb, viszont a CT magába foglalja a porcállományt is ezért magasabb az értéke az MR-hez képest. Az MR-nél a CT-hez képest a bikondilláris átmérő az esetleges különféle szövetek, lágyszövetek által mutathat enyhe eltéréseket.

2.3.táblázat – A maximális eltérés eredménye CT és MR között

2.4.táblázat – A Dice hasonlósági index eredménye a CT és MR között

2.15.ábra – A Dice hasonlósági indexet és a maximális eltérést szemléltető ábra

Ahogyan láthatjuk a megszerkesztett porcgyűrűt ráhelyezve a modellekre az MR felvételen tükrözi a valóságot, illeszkedik rá, míg a CT esetében a porcot tekinti határnak ezért a porcot ráhelyezve a maximális eltérés itt lesz a legnagyobb 12 mm, de ha manuálisan ezt kijavítjuk, korrigáljuk akkor visszaesik az elfogadható intervallumok közé.

2.16.ábra – A porcsapka ráhelyezésével tükröződnek a modellek határfelületei

Az egyedi virtuális és megelőző adatfeldolgozással kapott értékeknek a kiértékelése a 3D-s makettünk kinyomtatása után véglegesíthető, támasztható alá a valós értékek begyűjtése után összevetve az anatómiai modellt a 3D nyomtató által kapott modellel. Miután kinyomtattuk a saját 3D-s makettünket, készíthetek egy összehasonlító mérést a nyomtatott modellünkről és a valódi anatómiai preparátumról.

2.17.ábra – A kész nyomtatott sablon

Ahogyan az előbbiekben szó volt, hogy nem szeletelhettem fel az anatómiai preparátumot mielőtt nincs kész a 3D-s makettünk, úgy a munkánk és az eredményeink eléréséhez végre felszeletelhettem és összevethettem a kapott eredményeket. A feltárások következtében szemmel láthatóan egyezést találtunk a valós és a virtuális modelljeink közt.

2.18.ábra – szemléltetve a feltárt anatómiai preparátumot a virtuális 3D-s modellel

A sebészi feltárások után közvetlen az elején már a vágósablont fel tudtuk helyezni a csontra anélkül, hogy a keresztszalagokat vagy a meniscusokat eltávolítottuk volna.

2.19.ábra – a sablon hozzámérése a preparátum felszínéhez

2.20.ábra – a két modell helyzete a meniscusok eltávolítása után

A vágósablon pontosságát különböző szemszögből vizsgáltuk meg, így megfigyelhettük, hogy dorsalisan például az esetleges pontatlanságot a supratochlearis lágyrészek okozták melyek nem lettek eltávolítva, de ventrálisan pontosak voltak az arányok.

2.21.ábra – a vagósablon pontossága dorsalisan

2.22.ábra – a vágósablonok pontossága ventrálisan

Megfigyelhettünk úgy a sablonon, mint az anatómiai modellen szabálytalan reliefeket.

2.23.ábra – szabálytalan relief a sablonon is

Mikor már meggyőződtünk, hogy stimmelnek a méretek, akkor felhelyeztük úgy a dorsalis, mint a frontalis pineket a sablon segítségével és azt találtuk, hogy a pinek helyzete megfelel a tervezettnek, ergo bizonyítottuk a bizonyítandót.

2.24.ábra – dorsalis és frontális pinek

2.25.ábra – a pinek helyzete stimmel a virtuális mérésekkel

Végül metszettük a modellt és a preparátumot, majd azt találtuk, hogy a csont körvonalai kielégítően fedik egymást, vagyis a méréseink bebizonyosodtak, bizonyítottuk itt is a bizonyítandót. A modellt elvágtam a bicondyláris vonalban ez mint az anatómiai modellen, mint a felvételeken könnyen meghatározható volt, itt a legszélesebb átmérő a femuron volt, majd összehasonlítottuk ezeket, úgy, hogy készítettünk egy szeletet a preparátumról az említett vonalban lefényképeztük, beállítottuk a nagyítást és ráhelyeztük a modell méretarányos képét a preparátum képére.

2.26.ábra – a metszett modell és a preparátum fedik egymást

2.4. MEGBESZÉLÉS

A modelljeim elkészültek, úgy CT, mint MR alapján és annak ellenére, hogy az MR felvételre külön porcsapkát kellett tervezzek, mely hosszabb időt vett igénybe, be tudtam bizonyítani, hogy az MR általi rekonstrukciót a háttérbe tudom szorítani, hogy a CT alapú gyorsabb és hatékonyabb rekonstrukcióra tudjak összpontosítani, így kihagyva a folytonos összehasonlítgatást és a fennakadásokat. A CT alapján egy sajátos programmal végeztem a kissebb nagyobb rekonstrukciót, de így is többek között nagyobb precizításra lett volna szükség egy esetleges professzionálisabb 3D-s rekonstrukcióra alkalmas szoftver segítségével. Ezek a professzionálisabb szoftverek több lehetőséget tárnak elénk, viszont nagyon költségesek ellenben a nyílt forráskódú programokkal melyek ingyenesen letölthetők és használhatók. Ezeket a nyílt forráskódú szoftvereket a közösség fejleszti tovább együttesen, olykor alapszintű 3D-s rekonstrukciók elvégzésére alkalmasak ne is beszélve, hogy a komplikáltabb munkákat egy ilyen szintű műtéti tervezéshez kevésbé alkalmas, megbízható, esetleg kockázatos, pontatlan. A professzionális szoftverek havi költsége, a használati jogdíjai nagyon magasak, így maximum korházak vagy egyetemi központok, akár magán vállalkozók, kutatóközpontok engedhetik meg maguknak a használatát, magasabb célok elérése érdekében. A számítógépes modellezés után és minden simítás, finomítás után egy csont felszínre illő sablont terveztem a kapott 3D-s modellre, hogy elvégezhessem a méréseket a tanulmányunk alátámasztása érdekében. A 3D-s felszín egy részét egy sablon formájában nyomtattam ki amit majd sebészi feltárások mellett rögtön felpróbáltam a preparátumra, melyen kielégítő macroscopikus egyezést találtam minden féle szögből. A méretbeli összefüggések után a pineket is felpróbáltam, melyek szintén megegyezést mutattak a virtuális mérésekkel és csak ezután szeleteltem fel a preparátumot a condilusok mentén, majd lefényképeztem a szeletet, beállítottuk a nagyítást majd egymásra helyeztük a virtuális és a preparátum képeit melyek megegyezést mutattak minden arányból. Bizonyítottan pontos és megfelelő mindaz az eredmény amit kaptunk, szóval bizonyítottuk a bizonyíthatót, így biztosra kijelenthetjük, hogy a módszer hasznos és kivitelezhető. A személyre szabott műtéti tervezések alapjául véve munkám eredményét, bizonyítottan alátámasztja, hogy előnyünkre szolgál a gyorsabb műtéti eljárás folyamatához, így elérhetővé téve azt, hogy a műtét előtti tervezést, méréseket számítógépen, szoftverek és képdiagnosztika segítségével ne műtéti feltárások közepette végezzük, hanem megelőzve ezt és ezáltal csökkentve a fertőzések valószínűségét. A minimális feltárások mellett és a velőűr megfúrása nélkül lerövidítsük az operáció hosszát, a vérzések vagy haematómák valószínűségét és megakadályozzuk, hogy a műtét alatt a nyílt feltárás rövidebb ideig legyen kontaktusba a külvilággal.

Végül azt is kijelenthetjük eredményül, hogy ha személyre szabott műtét előtti tervezést szeretnénk véghez vinni akkor a tervezésunkhöz, mint képdiagnosztikai eljárás elegendő a CT felvétel. A CT felvételt felhasználva gyorsabb a számítógépes adatfeldolgozás az adott 3D-s modell létrehozásában, megszerkesztésében, mivel a csont állomány kitünően elkülöníthető és a porcállományt nem kell elkülönítsük hanem az is mind egybe van a csontállománnyal, ellenben az MR felvétel alapján készült modell ahol külön időbe tellne a pontos porcsapka megszerkesztése, itt viszont ez sokszor nehezségekbe is ütközik a szövetek közti nehéz tájékozódás szempontjából. Az eljárás nem csak a képalkotó eljárás típusától függ, hanem a használt szoftvertől, képformátumtól és magától a feldolgozástól. A használt szoftver részben költség függő, vagyis vannak nyílt forráskódú szoftverek, melyek ingyenesen letölthetőek, használhatóak, ezek költséghatékonyak de kevésbé professzionálisak, míg vannak költség orientált szoftverek melyek míg a csillagos ég, egyszerűbbtől egésszen professzionális, kutatási célokra is egyaránt felhasználhatóak. A képformátum az függ a CT vagy MR milyenségétől, itt a felbontás, szeletvastagság és a pixelméret fontos kritériumai, jelen esetünkben a CT és az MR között voltak képi különbségek. A szoftver pedig egy saját program melyet alkalmazni tudtam a munkám folyamán. A feldolgozás, pedig időt és precizítást igényelt, amiből kell bőven de ezt megkönyítheti a többi kritérium amit az előbb megvitattam, vagyis a képalkotó eljárások, a szoftverek és a képformátum minősége. A sablon szempontjából maga a nyomtatás egy elérhető eljárás, lehetőség, mivel léteznek költséghatékony gépek is és anyagok is, melyek e szempontból előnyösek és elérhetőek bárki számára. A legfőbb de relatív kritérium a felkészültség, mely a rutinosságon is túl kifoghat az emberen, pl. a műtétek alatti esetleges változások, meglepetések, így felkészülve, megelőzve az esetleges komplikációk felléptét. A postoperációs rehabilitáció vagy a költséghatékonyság is elég személy függő és egyedi kritérium, így ezt minden személy esetében külön tárgyaljuk egyénre szabottan

2.5. KÖVETKEZTETÉSEK

A fentebb leírtakból kiindulva, arra a következtetésre jutottam, hogy a módszer pontos, mivel a felvételek alapján készült modelljeim pontosak és egyeznek, viszont ami a pontatlanságoknak az okozója lehet pl. a képalkotói eljárások alapján a felbontás, képformátum, maga a szoftver, a szegmentációs, feldolgozási problémák stb.. A csont CT modell használatos nagy képletek feldolgozásában, mint pl. a combcsont, lábszárcsont esetében. A porcsapka ráhelyezésével nyert modellünk a legpontatlanabb, mint pl. az MR esetében volt, hogy külön a porcot is meg kellett szerkeszteni, majd ráhelyezni a 3D-s modellre, ez viszont sok hátránnyal járt legyen az akár időbeli túltolódás vagy precizítási probléma, viszont ez a modell geometriailag közelebb állt a valósághoz, mint más módszerrel legyen az akár a csontfelszín megvastagításával nyert csontos porcos modell.

Továbbá ha egyéni műtéti eljárást tervezünk, akkor biztosan kijelenthetjük, hogy a CT felvétel alapján, mint időben mint kivitelezésben a legelőnyösebb választási eljárás, mivel az automatikus szegmentáció következtében magát a porcállományt is beleszámolja a csontmodellbe, így maga a felszín az ízületi felszínünk lesz. Az MR által alkalmazott képfeldolgozás, modellezés nehezebben kivitelezhető mivel külön a porcfelszínt is meg kell formáljuk, így nehezebb, mert a környező szövettel nagyon összeolvad a porcszövet és pontatlanságok lephetnek fel, megnehezítve a munkánkat és ez a minél előbbi kezelésre, ellátásra is kihat.

A végső fázis befejezte után, ami magát a nyomtatást foglalja magába, a makettünket ténylegesen össze tudtuk hasonlítani teljes egészében az anatómiai preparátummal amit még fel is szeleteltünk és alátámasztotta, hogy a méréseink megegyeznek, így a módszer pontos és alkalmazható az egyénre szabott medicina kapuin belül. Felhasználva ezt a tudást és tovább fejlesztve azt lehetne alkalmazni akár minden országban akár egyetemi központokban ahol a megfelelő felszerelés biztosítva van a kellő személyzettel és tudás birtokában. Ezen módszerek alkalmazáshoz alátámaszthatjuk, hogy elegendő a CT képdiagnosztikának az alkalmazása, esetleg néhány ritka kivételt eltekintve, amit úgy is professzionális központokban tudnának orvosolni. Annak ellenére, hogy újabb, jobb és biztosabb módszerek kezdtek napvilágot látni fejlett országokban, kutatóintézetekben, mert mint mindig a tudomány halad előre, addig a fejlődőben levő országok biztosan és költséghatékonyan tudnák alkalmazni ezen hasznos eljárásokat, megfelelve az Európai normáknak és a jövő medicinájának aminek a priorítása maga a személyre szabott orvoslás. A tanulmányunk végcélja, hogy ismertessük és bebizonyítsuk annak a lehetőségét, hogy mindezen módszerek alkalmazása elősegítené a tudomány felé hajló lépéseink tartását, törekvéseinket kisebb keretek között és költséghatékonyabb, előnyösebb és kevésbé következményesebb módszereknek az alkalmazását biztosítva bármely szakorvos számára.

KÖNYVÉSZET

Réthelyi M., Szentágothai J. – Funkcionális Anatómia, Medicina könyvkiadó Zrt., Budapest 2014, 162-163 o.

Seres-Sturm L., Pávai Z., Dénes L. – A végtagok Anaómiája, Târgu Mureș University Press, Marosvásárhely 2006, 155-159 o.

F. Paulsen, J. Waschke – Sobotta – Az ember anatómiájának atlasza, Általános anatómia és a mozgás szervrendszere, Medicina könyvkiadó Zrt., Budapest, 2013, 272-281, 292-293

Szendrői M., Tóth K., Vízkelety T. – Ortopédia, Semmelweis kiadó, Budapest 2009, 34. o., 38.-39. o., 44.-45. o.

Fráter L., Battyáni I., Palkó A. – Radiológia, Medicina kiadó Zrt., Budapest 2015, 14-18. o., 21-25. o., 342-344. o., 381-382 o., 398 o.

Dr. Domán I. – PSI-MR alapú térdprotézis beültetés, Térdprotézis 3D-vel és térdprotézis beültetésről általában – http://www.drdoman.hu (utoljára megtekintett dátum: 2019. március 14)

Dong, Y., Mou, Z., Huang, Z., Hu, G., Dong, Y., & Xu, Q. (2013). Three-dimensional reconstruction of subject-specific knee joint using computed tomography and magnetic resonance imaging image data fusions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 227(10), 1083–1093. doi:10.1177/0954411913493723

No authors listed. National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, Magnetic Resonance Imaging – www.nibib.nih.gov (az utolsó megtekintett dátum 2019 május 6)

Meehan M, Teschner M, Girod S. Three-dimensional simulation and prediction of craniofacial surgery. Orthodontics & Craniofacial Research. 2003;6(supplement 1):102–107.

Alberti, C. (1980). Three-dimensional CT and structure models. The British Journal of Radiology, 53(627), 261–262. doi:10.1259/0007-1285-53-627-261-b

Zonneveld, F. W. (2000). 3D Imaging and Its Derivatives in Clinical Research and Practice. Critical Reviews in Diagnostic Imaging, 41(2), 69–156. doi:10.3109/10408370091179190

Solar, P., Ulm, C., Lill, W., Imhof, H., Watzek, G., Blahout, R., … Matejka, M. (1992). Precision of three-dimensional CT-assisted model production in the maxillofacial area. European Radiology, 2(5). doi:10.1007/bf00176356

Hemmy DC, Zonneveld FW, Lobregt S, Fukuta K. A decade of clinical three-dimensional imaging: a review. Part I. Historical development. Investigative Radiology. 1994;29(4):489–496.

Zonneveld FW, Fukuta K. A decade of clinical three-dimensional imaging: a review. Part 2: clinical applications. Investigative Radiology. 1994;29(5):574–589.

Dello SAWG, Van Dam RM, Slangen JJG, et al. Liver volumetry plug and play: do it yourself with Image. World Journal of Surgery. 2007;31(11):2215–2221.

Brenner DE, Whitley NO, Houk TL, Aisner J, Wiernik P, Whitley J. Volume determinations in computed tomography. Journal of the American Medical Association. 1982;247(9):1299–1302.

Caban JJ, Joshi A, Nagy P. Rapid development of medical imaging tools with open-source libraries. Journal of Digital Imaging. 2007;20(supplement 1):83–93.

Rosset A, Spadola L, Ratib O. OsiriX: an open-source software for navigating in multidimensional DICOM images. Journal of Digital Imaging. 2004;17(3):205–216.

Rendón-Medina, M. A., Andrade-Delgado, L., Telich-Tarriba, J. E., Fuente-del-Campo, A., & Altamirano-Arcos, C. A. (2018). Dimensional Error in Rapid Prototyping with Open Source Software and Low-cost 3D-printer. Plastic and Reconstructive Surgery – Global Open, 6(1), e1646. doi:10.1097/gox.0000000000001646

Potamianos, P., Amis, A. A., Forester, A. J., McGurk, M., & Bircher, M. (1998). Rapid prototyping for orthopaedic surgery. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 212(5), 383–393. doi:10.1243/0954411981534150

Frame, M., & Huntley, J. S. (2012). Rapid Prototyping in Orthopaedic Surgery: A User’s Guide. The Scientific World Journal, 2012, 1–7. doi:10.1100/2012/838575

Zhang YZ, Lu S, Chen B, Zhao JM, Liu R, Pei GX. Application of computer-aided design osteotomy template for treatment of cubitus varus deformity in teenagers: a pilot study. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 2011;20(1):51–56.

Wu ZX, Huang LY, Sang HX, et al. Accuracy and safety assessment of pedicle screw placement using the rapid prototyping technique in severe congenital scoliosis. Journal of Spinal Disorders & Techniques. 2011;24(7):444–450.

Dai KR, Yan MN, Zhu ZA, Sun YH. Computer-aided custom-made hemipelvic prosthesis used in extensive pelvic lesions. Journal of Arthroplasty. 2007;22(7):981–986.

Wilson CE, van Blitterswijk CA, Verbout AJ, Dhert WJA, de Bruijn JD. Scaffolds with a standardized macro-architecture fabricated from several calcium phosphate ceramics using an indirect rapid prototyping technique. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2011;22(1):97–105.

Maniar, R. N., & Singhi, T. (2014). Patient specific implants: scope for the future. Current Reviews in Musculoskeletal Medicine, 7(2), 125–130. doi:10.1007/s12178-014-9214-2

No authors listed. Bonus Biogroup LTD – human adipose tissue-derived cells and bone regeneration – http://www.bonusbiogroup.com/ (utolsó megtekintés dátuma: 2019.04.16)

Toi Staff – In world first, Israeli undergoes surgery to regrow a bone – https://www.timesofisrael.com/in-world-first-israeli-undergoes-surgery-to-regrow-a-bone/, 20.12.2017

Abigail Klein Leichman – In world first, Israeli man gets lab-grown bone tissue injected in arm – https://www.israel21c.org/in-world-first-israeli-man-gets-lab-grown-bone-tissue-injected-in-arm/ , 17.08.2017

Freiman, A., Shandalov, Y., Rozenfeld, D., Shor, E., Segal, S., Ben-David, D., … Levenberg, S. (2016). Adipose-derived endothelial and mesenchymal stem cells enhance vascular network formation on three-dimensional constructs in vitro. Stem Cell Research & Therapy, 7(1). doi:10.1186/s13287-015-0251-6

Freiman, A., Shandalov, Y., Rosenfeld, D., Shor, E., Ben-David, D., Meretzki, S., … Egozi, D. (2017). Engineering vascularized flaps using adipose-derived microvascular endothelial cells and mesenchymal stem cells. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 12(1), e130–e141. doi:10.1002/term.2436

Martin P. de Beer, Harry L. van der Laan, Megan A. Cole, Riley J. Whelan, Mark A. Burns, Timothy F. S. – Rapid, continous additive manufacturing by volumetric polymerization inhibition pattering, Science Advances  11 Jan 2019:Vol. 5, no. 1, eaau8723 DOI: 10.1126/sciadv.aau8723

Hafez, M. A., & Moholkar, K. (2017). Patient-specific instruments: advantages and pitfalls. SICOT-J, 3, 66. doi:10.1051/sicotj/2017054

Chan, K.-Y., & Teo, Y.-H. (2012). Patient-Specific Instrumentation for Total Knee Replacement Verified by Computer Navigation: A Case Report. Journal of Orthopaedic Surgery, 20(1), 111–114. doi:10.1177/230949901202000124

Mattei, L., Pellegrino, P., Calò, M., Bistolfi, A., & Castoldi, F. (2016). Patient specific instrumentation in total knee arthroplasty: a state of the art. Annals of Translational Medicine, 4(7), 126–126. doi:10.21037/atm.2016.03.33

No authors listed. – Anet A8 3D printer – https://3dinsider.com/anet-a8-review/ (utolsó megtekintés dátuma: 2019.05.29)

Barrett W, Hoeffel D, Dalury D, Bohannon Mason J., Murphy J, Himden S. In-vivo alignment comparing patient specific instrumentation with both conventional and computer assisted surgery (CAS) instrumentation in total knee arthroplasty. J Arthroplasty. 2013. Available at: doi: 10.1016/j.arth.2013.06.029.

Vundelinckx BJ, Bruckers L, Mulder KD, Schepper JD, Van Esbroeck G. Functional and radiographic short-term outcome evaluation of the Visionaire system, a patient-matched instrumentation system for total knee arthroplasty. J Arthroplasty. 2013;28:964–70. doi: 10.1016/j.arth.2012.09.010.

1. Noble WJ, Moore CA, Ning L. The value of patient-matched instrumentation in total knee arthroplasty. J Arthroplasty. 2012;27:153–6. doi: 10.1016/j.arth.2011.07.006.

Watters TS, Mather RC, III, Browne JA, Berend KR, Lombardi AV, Jr, Bolognesi MP. Analysis of procedure-related costs and proposed benefits of using patient specific approach in total knee arthroplasty. J Surg Orthop Adv. 2011;20:112–6.

Barrack RL, Ruh EL, Williams BM, Ford AD, Foreman K, Nunley RM. Patient specific cutting blocks are currently of no proven value. J Bone Joint Surg Br. 2012;94-B(Suppl A):95–9. doi: 10.1302/0301-620X.94B11.30834.

FÜGGELÉKEK

Az Erdélyi Múzeum-Egyesület Orvos- és Gyógyszertudományi Szakosztályának a XXIX. Tudományos Ülésszakán való részvételt igazoló publikáció:

SINTEZA LUCRĂRII ÎN LIMBA ROMÂNĂ – ROMÁN NYELVŰ ÖSSZEFOGLALÓ

Analiza modelului geometric 3D de genunchi obținut pe baza examenului CT și RMN

Partea generală

Introducere

Scopul lucrării

Material și metodă

Rezultate și discuții

Concluzii