3 d printeru izmantošana traumatoloģijā un ortopēdijā Reinis Skujiņš

3. 3D PRINTERU IZMANTOŠANA
TRAUMATOLOĢIJĀ UN
ORTOPĒDIJĀ
11.03.2014. Reinis Skujiņš, RSU, MF IV, 9. grupa

4. Prezentācijas saturs
 3D printēšanas vēsture
 3D printēšanas raksturojums
 Pielietojums
 konservatīvā terapijā
 operatīvā terapijā
 Implantu iespējas
 Operācijas vadīšanas iespējas
 Audu reģenerēšanas tehnoloģijās

5. 3D printēšanas vēsture1
 Pirmais strādājošais 3D printeris - 1984.g
 Izgatavo Charles W. Hull no 3D Systems Corp
 Agrīnā attīstība 3D prinēšanas tehnoloģijām norit
MIT
 Sākumperiodā
 Dārgas tehnoloģijas
 Patentu aizsardzība
 Programatūras šķēršļi
 Limitētas datu apstrādes iespējas
 Mazs printējamo materiālu klāsts

6. Kas ir 3D printēšana?2
 3D printing = Additive manufacturing
 3D printēšanas pamatā ir «piedevu» (additive)
process, kurā secīgi materiāla slāņi tiek klāti viens
virs otra un tādējādi veidojas dažādās formas

8. http://www.cbsnews.com/news/3d-printing-could-transform-home-building/

9. Printēšanas veidi3 I
 Direct 3-D Printing
 Caur uzgali plūst biezi vaski, plastikas polimēri,
kuri sacietē patstāvīgi
 Binder 3-D Printing
 Caur 2 uzgaļiem plūst divi atšķirīgi materiāli, kas
vienojoties veido sacietējošu struktūru
 Pulveris + saistviela/līme
 Lai veidotos slānis, printeris šķērso katru kārtu 2
reizes

10. Printēšanas veidi3 II
 Fotopolimerizācija
 Pilieni ar šķidru plastiku tiek eksponēti
lāzerstarm ar UV stariem
 Staru ietekmē plastika sacietē
 Selective laser sintering (SLS)
 Ar lāzera palīdzību tiek sakausēts pūderis, kā
rezultātā tas sacietē un veido slāni

11. No idejas līdz 3D modelim4
1. Datorasistēts dizains (CAD)
2. Faila konvertēšana uz STL formātu
3. Faila pārnese uz 3D printeri operējošu datoru.
Objekta izmēra, orientācijas iestatīšana
4. Printera iestatīšana – izejvielu uzpildīšana,
printēšanas ātruma izvēle u.c. printera iestatījumi
5. Printēšanas process
6. Objekta izņemšana no printera
7. Pēcapstrāde, kurā var notikt liekā pūdera
noņemšana notīrot un/vai skalojot

12. Konservatīvā terapija
Cortex pārsējs5

13. Cortex pārsējs
 Projekta stadijā
 Aptuvenais printēšanas laiks – 3h
 Pēc printēšanas uzreiz izturīgs
 Izejmateriāls – neilons
 Prototipa printēšanas izmaksas 85 USD
 Pārsēja biezums 3mm, svars 500 g

17. 3D printētas šinas pirkstiem6
 Izmanto ~1200 USD dārgu
printeri
 2 c par ABS materiālu šinai
 Demonstrācijas video šinas
projektēšana datorā aizņēma
1,5 min
 [http://www.youtube.com/watch?v=IJCgFzIUApA]
 10 min printējas šina

18. Personalizētas ortopēdiskās zoles7
10 s video ar ne
svaru nesošu pēdu
sniedz pietiekamu
informāciju pēdas
analīzei
Izvērtējot pacienta
morfoloģiju, svaru,
aktivitāšu līmeni,
sistēma uzprojektē zoli
ortopēdiskām
vajadzībām
Personalizēti printētā
zole no neilona var tikt
piegādāta 2 nedēļu
laikā

19. Bērns ar iedzimtu slimību arthrogryposis multiplex
congenita pielieto WREX eksoskeletu8

20. Wilmington Robotic Exoskeleton
 3D printēts = viegls + pielāgots
 Eksoskelets ar 2 savienojumiem un 4 kustību asīm
 Elastīgas saites veido paceļošu spēku, lai pilnībā
izslēgtu gravitātes ietekmi

21. WREX eksoskelets II
 Unikāli dizainēta elkoņa un pleca locītava dod
ievērojamu ROM, salīdzinot ar citām līdzīgām
konstrukcijām
 Viegli piestiprināms pie lielākās daļas
ratiņkrēslu
 Ar vesti piestiprināms krūskurvim
 Pielāgojams labai vai kreisai rokai, vai abām

22. WREX eksoskelets9 III
 Izstrādāts pacientiem ar neiromuskulāru
vājumu pie, piemēram:
 Cerebrālas plāzijas
 Multiplās sklerozes
 Amitrofiskas laterālas sklerozes, kura ietekmē
augšējās ekstremitātes
 Rehabilitācijas procesa pēc insulta
 Muguras smadzeņu traumas
 u. c.

23. Autors: «Tipiska plaukstas protēze no kompānijas maksātu vairāk
nekā 10 000 USD, bet materiāli 3D printētas plaukstas protēzei
maksātu mazāk par 50 USD.»

24. www.thingiverse.com

25. Nākotne vai tagadne?11
3D Systems + EksoBionics
nesen debitējuši pirmo 3D
printēto hibrīd - eksoskeleta
robotisko kostīmu

27. 3D printēts gūžas locītavas
endoprotēzes modelis12
 15 gadīgai meitenei ar neirofibromu pēc
audzēja izņemšanas liels defekts kreisajā
pusē iegurnī
 Sakarā ar komplikācijām un smago defektu
pacientes spēja turpmāk iet bija stipri
apšaubāma

28. Pielāgots implants no Mobelife

29. Pielāgota skrūvju pozicionēšana,
izvērtējot kaula kvalitāti

31. 3-D Printed Pelvis BY MADISON
BEERBOHM, FEBRUARY 12, 2014 13
 Craig Gerrand no The
Newcastle Hospitals NHS
Foundation Trust
 Pirms 3 gadiem operējis
vīrieti ar lielu iegurņa defektu
pēc hondrosarkomas
izņemšanas

32. 3-D Printed Pelvis BY MADISON
BEERBOHM, FEBRUARY 12, 2014
 Defekts tika pildīts ar titāna implantu, kurš tika
klāts ar minerāliem
 Pēc defekta pildīšanas pielietots standarta
implants rekonstrukcijai
 Trīs gadus pēc operācijas pacients «jūtas labi
un ir mobils ar kruķa izmantošanu»

33. Pirmais 3D printētais polimēra implants ar
FDA apstiprinājumu

34. Galvenie OXPEKK® biomedicīnisko
polimēru raksturlielumi14:
 Rtg-staru caurlaidīgi
 Blīvums ~ kaulam
 Stingrums ~ kaulam
 Teicama abrāzijas
rezistence
 Ķīmiski inerti un
neuzsūcoši
 Veiksmīgs 52 - nedēļu
biosaderības tests
 Ir osteokonduktīvi
• Apvienojami ar
sterilizācijas metodēm:
• Tvaika
• Gamma staru
• Etilēnoksīda gāzi

35. Piedāvātais izmantošanas spektrs
 Sejas un žokļu ķirurģija
 Augšējā ekstremitāte
 Mazo kaulu defekti
 Pēc pacienta vai ārsta interesēm

36. Mugurkaula operāciju skrūvju vadītāji15
 Analizē pacientu DT → izveido pielāgotus
vadītājus
 Izgatavo 3 – pakāpju veidnes
 Izmēģina preoperatīvi uz «pacienta
mugurkaulu»
 Operē pacientu un izvērtē rezultātus DT
 10 pacienti
 58 pedikuļu skrūves

37. Mugurkaula operāciju skrūvju vadītāji - rezultāti
 Preoperatīvi - veidnes atbilstošas un fiksējas
 Skrūvju ievietošanas simulēšana veiksmīga
 Intraoperatīvi - veidnes atbilstošas un fiksējas
 Skrūvju ievietošanas simulēšana veiksmīga

38. Mugurkaula operāciju skrūvju vadītāji - rezultāti
 Postoperatīvi izvērtējot
ar DT
• neviena skrūve
nepārvarēja pedikuļu
korteksu
• vidējā deviācija
skrūvēm 0.87 ± 0.34
mm

39. Mugurkaula operāciju skrūvju
vadītāji - secinājumi
 SECINĀJUMI
 Daudzpakāpju, pacientu specifiskas veidņu
sistēmas ir noderīgas intraoperatīvai pedikuļu
skrūvju navigācijai torakālajā mugurkaulā.
 Vienkāršā un ekonomiskā meode ļauj uzlabot
precizitāti pedikuļu skrūvju ievietošanai, un tā
samazina operācijas laiku un radiācijas
ekpozīciju spinālas fiksācijas ķirurģijā.

40. Materialise risinājums femur un
tibijas atvērtā leņķa osteotomijām
 Individuāls inženieris
 Pacientam specifiski vadītāji
 Pacienta anatomijas
fiziski modeļi

41. http://www.youtube.com/watch?v=0KOCQItdKX4#t=45

42. Pagaidām atbalstītās operācijas
 Zemās femorālās un augstās tibiālās
osteotomijas (atvērta leņķa)
 Operācijas intra- un ekstra- artikulāras rādija
un ulnas lūzumu nesaaugšanas vai
patoloģiskas saaugšanas gadījumā
 Operācijas iedzimtu vai iegūtu diafizāru rādija
vai ulnas deformāciju gadījumā

43. BioPen tehnoloģija
 Izstrādāts Austrālijā
University of
Wollongong
 Iespējams printēt
 Cilvēka šūnas
 Ar UV stariem ietekmējamu
algināta gelu
 Augšanas faktorus

44. Direct human cartilage repair using three-dimensional
bioprinting technology.16
 Poly(ethylene glycol) dimethacrylate
(PEGDMA) ar cilvēka hondrocītiem printēts
osteohondrālās «tapās» (3D biopaper)
 Kompresijas modelis PEGDMA
395.73±80.40 kPa
 Printētie hondrocīti saglabā sākotnēji noguldīto
pozīciju

45. Wake Forest Institute for Regenerative
Medicine izstrādā 3D ādas printeri17

46. Ādas printēšanas process
 Tiek skenēta brūce tās dziļumam, platībai
 Tiek printēti slāņi
 ar trombīnu
 ar šūnām kopā ar kolagēnu un fibrinogēnu
 ar cilvēka fibroblastiem
 ar keratinocītiem

47. Design and Fabrication of Human Skin by
Three-Dimensional Bioprinting18
 Printēti slāņos
 Keratinocīti un fibroblasti
 Kolagēns
 Kultivēšana iegremdējot barotnēs
 Epidermālo slāni eksponē gaisam

48. Design and Fabrication of Human Skin by
Three-Dimensional Bioprinting
 Vērtē histoloģiski un ar imunofluoriscenci
 3D printētie ādas audi bija morfoloģiski un
bioloģiski atbilstoši cilvēka ādas audiem in vivo

49. Iespējamie ieguvumi..
 Komunikācija:
 Pacients/ārsts
 Students/ārsts
 Radiologs/ārsts
 Treniņoperācija pirms īstās
 ĀFA, plākšņu, vadītāju, tehnikas sagatavošana
preoperatīvi
 Iespēja «ielūkoties» audos no iekšienes
 Mācību process

50. Avoti
1. http://computer.howstuffworks.com/3-d-printing1.htm
http://www.redorbit.com/education/reference_library/general-2/history-of/
1112953506/the-history-of-3d-printing/#KB3WulOiJ0f4BXOc.99
2. ASTM F2792-10 Standard Terminology for Additive Manufacturing
Technologies ASTM International. Objet Printer Solutions. Retrieved 2012-01-31.
3. http://computer.howstuffworks.com/3-d-printing2.htm
4. http://computer.howstuffworks.com/3-d-printing4.htm
5. http://jakevilldesign.dunked.com/cortex
6. http://3dprintingindustry.com/2013/06/07/high-school-senior-3d-prints-finger-splint/
7. http://www.sols.co/sols/tech
8. http://www.huffingtonpost.com/2012/08/03/wrex-3d-printed-exoskeleton-girl-
move-arms_n_1739419.html
9. http://www.huffingtonpost.com/2012/08/03/wrex-3d-printed-exoskeleton-girl-
move-arms_n_1739419.html
10. http://www.thingiverse.com/thing:229620/#collections

51.  11. http://www.3dsystems.com/press-releases/3d-systems-prints-first-hybrid-robotic-
exoskeleton-enabling-amanda-boxtel-walk-tall
 12. http://www.gizmag.com/3d-printed-hip-implant/30763/
 13. http://www.healthpointcapital.com/research/2014/02/12/3d_printed_pelvis/
 14. http://www.oxfordpm.com/news/article/2013-02-
18_osteofab_patient_specific_cranial_device_receives_510k_approval_-_
 15. J Neurosurg Spine. 2013 Aug. 19 Multistep pedicle screw insertion
procedure with patient-specific lamina fit-and-lock templates for the
thoracic spine: clinical article. Sugawara T1, Higashiyama N, Kaneyama
S, Takabatake M, Watanabe N, Uchida F, Sumi M, Mizoi K.
 16. Tissue Eng Part A. 2012 Jun;18 Direct human cartilage repair using
three-dimensional bioprinting technology. Cui X1, Breitenkamp K, Finn
MG, Lotz M, D'Lima DD.
 17. http://www.wakehealth.edu/Research/WFIRM/Research/Military-Applications/Printing-
Skin-Cells-On-Burn-Wounds.htm
 18. Tissue Eng Part C Methods. 2013 Dec 31. Design and Fabrication of
Human Skin by Three-Dimensional Bioprinting. Lee V1, Singh G, Trasatti JP, Bjornsson
C, Xu X, Tran TN, Yoo SS, Dai G, Karande P.