BG67358B1 - Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine - Google Patents
Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine Download PDFInfo
- Publication number
- BG67358B1 BG67358B1 BG112791A BG11279118A BG67358B1 BG 67358 B1 BG67358 B1 BG 67358B1 BG 112791 A BG112791 A BG 112791A BG 11279118 A BG11279118 A BG 11279118A BG 67358 B1 BG67358 B1 BG 67358B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- cage
- spine
- patient
- implant
- vertebrae
- Prior art date
Links
Landscapes
- Prostheses (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
Abstract
Description
Област на техникатаField of technology
Изобретението се отнася за метод за създаване на персонализирани импланти чрез сканиране с методите на компютърната томография или подобни, реконструкция на костната система в 3D, виртуално 3D изграждане и бързо изработване чрез 3D адитивни или конвенционални технологии на индивидуализирани за нуждите на конкретния пациент импланти, заместители на интервертебралния диск или прешленното тяло, който ще намери приложение при хирургично лечение на заболявания в шийния отдел на гръбначния стълб.The invention relates to a method for creating personalized implants by scanning with computed tomography or similar methods, reconstruction of the bone system in 3D, virtual 3D construction and rapid fabrication by 3D additive or conventional technologies of individualized for the needs of the patient patient implants. the intervertebral disc or vertebral body, which will find application in the surgical treatment of diseases of the cervical spine.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Шията е анатомично най-сложния и подвижен сегмент на гръбначния стълб. Гръбначният стълб се състои от серия от костни прешлени, които са разделени от междупрешленни хрущялни дискове. Всеки прешлен се състои от тяло (на лат. corpus vertebrae), дъга (на лат. arcus vertebrae), странични израстъци (на лат. processus laterales vertebrae), ставни израстъци (на лат. processus articulares vertebrae) и бодлест израстък (на лат. processus spinosus vertebrae). Дискът се състои от външен пръстен и вътрешен сърцевиден пулпос. Структурата на гръбначния стълб позволява на тялото да се обръща и да се огъва, за да възприеме широк спектър от пози. Тя често бива засегнат от заболявания, свързани с естественото механично натоварване и износване (дискови хернии, остеохондроза и др.), туморни образувания или травма. Благодарение на развитието на съвременните неврохирургични и микроскопски техники както и цялостния напредък в спиналната хирургия, повечето от тези заболявания могат да бъдат лекувани или поне контролирани. Найчесто цел на операцията е да се премахне притискането на подлежащите нервни структури (декомпресия) и да се възстанови носещата, опорна функция на гръбначния стълб (стабилизация). За целта се премахват части от гръбначния стълб - интервертебрални дискове, части или цели прешленни тела, след което се поставят и фиксират заместители от кост, титанови сплави, полимери от типа полиетер-етер-кетон (PEEK) или други подходящи материали. Повечето шийни заместители не наподобяват перфектно интервертебралното дисково пространство или прешленно тяло и хирургът трябва да адаптира индивидуалната анатомия на пациента към импланта. За болни или повредени дискове може да се използва хирургическа операция за вмъкване на спинален имплант - заместител на интервертебралния диск или прешленното тяло - кейдж (наричан още спейсър), който да замени увредения интервертебрален диск и възстанови нормалните анатомични взаимоотношения в засегнатия сегмент.The neck is anatomically the most complex and mobile segment of the spine. The spine consists of a series of bony vertebrae that are separated by intervertebral cartilaginous discs. Each vertebra consists of a body (in Latin corpus vertebrae), an arch (in Latin arcus vertebrae), lateral growths (in Latin processus laterales vertebrae), articular growths (in Latin processus articulares vertebrae) and a prickly growth (in Latin .processus spinosus vertebrae). The disc consists of an outer ring and an inner heart-shaped pulpos. The structure of the spine allows the body to turn and bend to adopt a wide range of postures. It is often affected by diseases associated with natural mechanical stress and wear (disc herniation, osteochondrosis, etc.), tumors or trauma. Thanks to the development of modern neurosurgical and microscopic techniques as well as the overall advancement in spinal surgery, most of these diseases can be treated or at least controlled. The most common goal of surgery is to remove the compression of the underlying nerve structures (decompression) and to restore the supporting function of the spine (stabilization). For this purpose, parts of the spine are removed - intervertebral discs, parts or whole vertebral bodies, after which bone substitutes, titanium alloys, polymers such as polyether-ether-ketone (PEEK) or other suitable materials are placed and fixed. Most cervical replacements do not perfectly resemble the intervertebral disc space or vertebral body, and the surgeon must adapt the patient's individual anatomy to the implant. For diseased or damaged discs, surgery can be used to insert a spinal implant - a replacement for the intervertebral disc or vertebral body - a cage (also called a spacer) to replace the damaged intervertebral disc and restore normal anatomical relationships in the affected segment.
Кейджът е малък тънкостенен детайл, обикновено изработен от специална медицинска сплав на титан, най-често Ti6A14V / ISO 5832-3, ISO 5832-2. с перфорирани или структурирани стени. Целта на използването на кейджовете е да се възстанови загубената височина на диска и да се намали натискът върху нервните корени. Височината на изгубения диск се възстановява, когато кейджовете се поставят в пространството между двата прешлена. Целта е околната костна тъкан да „прорасте” през перфорираните стени на кейджовете и в крайна сметка да образува костен мост - осификация (или срастване), която да държи прешлените заедно и да се получи стабилна конструкция.The cage is a small thin-walled part, usually made of a special medical alloy of titanium, most often Ti6A14V / ISO 5832-3, ISO 5832-2. with perforated or structured walls. The purpose of using cages is to restore the lost height of the disc and reduce the pressure on the nerve roots. The height of the lost disc is restored when the cages are placed in the space between the two vertebrae. The goal is for the surrounding bone tissue to "grow" through the perforated walls of the cages and eventually form a bone bridge - ossification (or adhesion) that holds the vertebrae together and provides a stable structure.
BG 67358 BlBG 67358 Bl
През последните години кейджовете са претърпели многобройни модификации, с оглед подобряване на тяхната ефективност. Някои от разработените конструкции са ВАК™. Ray TFC™, Contact Fusion Cage™ и INTER FIX™ и други, което показва едно значително разнообразие от конструкции. Това се дължи и на факта, че различните системи имат и различно приложение (шийни, лумбални прешлени и т.н.).In recent years, cages have undergone numerous modifications to improve their efficiency. Some of the developed structures are HAC ™. Ray TFC Contact, Contact Fusion Cage ™ and INTER FIX ™ and others, which shows a significant variety of constructions. This is also due to the fact that different systems have different applications (cervical, lumbar vertebrae, etc.).
• Кейджовете (спейсъри) имат следните функции и спецификация:• Cages have the following functions and specifications:
1) Поддържане на пространството между прешлените (ако пространството стане твърде тясно, нервните корени могат да бъдат притиснати);1) Maintaining the space between the vertebrae (if the space becomes too narrow, the nerve roots can be compressed);
2) Запазване на нормалната дъговидна извивка на шийния сегмент на гръбначния стълб наречена лордоза. Износването на прешлените и интервертебралните дискове (остеохондроза) води до промяна в нормалната, анатомична конфигурация и изправяне на сегмента или дори обратно изкривяване - кифоза. Чрез поставяне на подходящи по размер и форма кейджове може да се постигне коригиране на тези деформитети;2) Preservation of the normal arcuate curve of the cervical segment of the spine called lordosis. Wear of the vertebrae and intervertebral discs (osteochondrosis) leads to a change in the normal, anatomical configuration and straightening of the segment or even reverse distortion - kyphosis. Correction of these deformities can be achieved by placing cages of appropriate size and shape;
3) Подпомогне образуване на костен мост между два прешлена - фузията (осификация).3) Support the formation of a bone bridge between two vertebrae - fusion (ossification).
о Кейджовете са с различни форми и размери. Някои имат цилиндрична форма, а други - на паралелепипед. Кейджовете се поставят в предварително почистено и подготвено дисково пространство между два прешлена на гръбначния стълб. Обикновено, те са направени от кост, метал, пластмаса или въглеродни влакна. Във вътрешността на кейджовете могат да бъдат поставени остеокондуктивна тъкан (автографт - собствена кост, алограф, други костни заместители или други вещества, стимулиращи растежа на костите, като например деминерализирана костна матрица). Целта е след оперативната интервенция, кейджа да създаде оптимални условия за фузия на лекувания сегмент от гръбначния стълб.o Cages come in a variety of shapes and sizes. Some have a cylindrical shape and others a parallelepiped. The cages are placed in a pre-cleaned and prepared disc space between two vertebrae of the spine. Usually, they are made of bone, metal, plastic or carbon fiber. Osteoconductive tissue (autograph - own bone, allograph, other bone substitutes or other substances that stimulate bone growth, such as demineralized bone matrix) can be placed inside the cages. The goal is, after the surgical intervention, the cage to create optimal conditions for fusion of the treated segment of the spine.
Осигуряването на стабилно положение на кейджовете в интервертебралното дисково пространство става чрез допълнително укрепване с предна шийна плака.Ensuring a stable position of the cages in the intervertebral disc space is done by additional reinforcement with anterior cervical plate.
• Предните шийни плаки са прикрепени към предната част на два или повече прешлени. Те помагат за:• The anterior cervical plaques are attached to the front of two or more vertebrae. They help to:
1) Увеличаване стабилността на оперирания сегмент от шийната част на гръбначния стълб веднага след операцията;1) Increasing the stability of the operated segment of the cervical spine immediately after surgery;
2) Подпомагат възстановяването на нормалната извивка на гръбначния стълб - лордоза;2) Support the restoration of the normal curve of the spine - lordosis;
3) Осигуряват оптимални условия за фузия на оперираното ниво;3) Provide optimal conditions for fusion at the operated level;
4) Намаляване на времето, през което трябва пациентът да носи яка след операцията.4) Reducing the time during which the patient must wear a collar after surgery.
Плаките се закрепват неподвижно чрез винтове, завити в съседните прешленни тела. Предните шийни плаки и винтовете се предлагат в различни конструкции и размери. Повечето плаки са изработени от метал (главно титаниева сплав). Някои по-нови конструкции плаки са изпълнени от композитни материали, които се резорбират с времето.The plates are fixed with screws screwed into the adjacent vertebrae. The front neck plates and screws are available in different designs and sizes. Most plates are made of metal (mainly titanium alloy). Some newer plate designs are made of composite materials that are resorbed over time.
По отношение на операциите за премахване на притискането на подлежащите нервни структури (декомпресия) и за възстановяване на носещата, опорна функция на гръбначния стълб (стабилизация), възможните методи и хирургични техники могат най-общо да се сведат до следните 4 алтернативи:With regard to operations to remove the compression of the underlying nerve structures (decompression) and to restore the supporting function of the spine (stabilization), the possible methods and surgical techniques can generally be reduced to the following 4 alternatives:
Алтернативно решение 1: Автотрансплантация - използване на собствена кост.Alternative solution 1: Autotransplantation - use of own bone.
Автотрансплантацията - използване на собствена кост, е най-старата от изброените хирургични техники. Основава се на взимането на собствена кост от пациента - най-често крило на таз или подбедрица. Взетото парче кост (костен шпан) се оформя с различни инструменти, така че да съответства на анатомията и нуждите на конкретния случай. Следва поставянето и фиксирането му в желаното положение. ПредимстватаAutotransplantation - using one's own bone, is the oldest of the listed surgical techniques. It is based on taking the patient's own bone - most often the pelvic wing or lower leg. The taken piece of bone (bone span) is shaped with different tools so that it corresponds to the anatomy and the needs of the specific case. Then it is placed and fixed in the desired position. The advantages
BG 67358 Bl на техниката са свързани преди всичко с това, че собствената кост създава най-добри условия за фузия - тя не е чужд материал и по естествен път се интегрира с околните костни структури. Недостатъците на тази техника са значителни. Взимането на костния шпан от друго място е свързано на практика с допълнителна хирургична интервенция с произтичащите от това рискове за инфекция и други усложнения. Доказано е, че мястото на взимане на костния шпан остава болезнено за продължителен период от време и често това причинява значителен дискомфорт на пациентите. Значително се удължава и времето на интервенцията с произтичащия от това повишен риск от инфекции и по-бавно възстановяване. Макар и със собствена тъкан, фузията не е напълно гарантирана. Поради гореизброеното, тази техника се използва само по изключение и при липса на други алтернативи.BG 67358 Bl of the technique are primarily related to the fact that the bone itself creates the best conditions for fusion - it is not a foreign material and naturally integrates with the surrounding bone structures. The disadvantages of this technique are significant. Taking the bone span from another location involves, in practice, additional surgery with the resulting risks of infection and other complications. It has been shown that the site of bone marrow retrieval remains painful for a long period of time and this often causes significant discomfort to patients. The time of the intervention is significantly extended with the resulting increased risk of infections and slower recovery. Although with its own tissue, fusion is not completely guaranteed. Due to the above, this technique is used only exceptionally and in the absence of other alternatives.
Всички изброени недостатъци са преодолени при предложения метод с индивидуално проектирани титаниеви импланти при запазване на описаните предимства.All the listed disadvantages are overcome in the proposed method with individually designed titanium implants while maintaining the described advantages.
Алтернативно решение 2: Предварително подготвен, стандартизиран имплант.Alternative solution 2: Pre-prepared, standardized implant.
Това е най-често използваният метод особено при лечението на едно от честите заболявания - шийна дискова херния. Наличието на предварително подготвени импланти с различни размери - широчина, височина и ангулация е удобно, позволява бърз подбор на импланта, който най-много се доближава до нуждите на пациента, с което се съкращава оперативното време и се намалява риска от инфекции. Основните недостатъци на метода са свързани с липсата на пълно съответствие между нуждите на пациента и конкретната за случая анатомия и предварително подготвените по средностатистически модел импланти. Поради това се налага хирургът да адаптира анатомията на пациента към импланта. Това от своя страна е причина за наличие на неравномерно разпределение на силите на натоварване, намаляване на контактната повърхност и създаване на условия за експулсия на импланта. Поради същите причини и условията за фузия са по-лоши отколкото при предложения метод с индивидуално проектирани титаниеви импланти.This is the most commonly used method, especially in the treatment of one of the common diseases - cervical disc herniation. The presence of pre-prepared implants of different sizes - width, height and angulation is convenient, allows quick selection of the implant, which is closest to the needs of the patient, which reduces the operative time and reduces the risk of infections. The main disadvantages of the method are related to the lack of complete correspondence between the needs of the patient and the specific anatomy and the implants prepared in advance according to the average model. Therefore, the surgeon has to adapt the patient's anatomy to the implant. This in turn is the reason for the uneven distribution of load forces, reducing the contact surface and creating conditions for expulsion of the implant. For the same reasons, the fusion conditions are worse than with the proposed method with individually designed titanium implants.
Алтернативно решение 3: Имплант с възможност за промяна на размерите по време на интервенция.Alternative solution 3: Implant with the possibility to change the size during the intervention.
Някои от имплантите за хирургично лечение на заболяванията в шийния отдел на гръбначния стълб са разработени с възможност за промяна в размера и геометрията. Такъв пример са телескопичните импланти, които се удължават до необходимия за конкретния случай размер. Те се прилагат най-често при необходимост от заместване на цяло прешленно тяло. Предимствата и недостатъците на този вид импланти в значителна степен съответстват с изброените при предишната алтернатива.Some of the implants for surgical treatment of diseases of the cervical spine have been developed with the possibility of changing the size and geometry. Such an example are telescopic implants, which are extended to the required size for the specific case. They are most often applied when it is necessary to replace the entire vertebral body. The advantages and disadvantages of this type of implant largely correspond to those listed in the previous alternative.
Алтернативно решение 4: Имплант, който се оразмерява по време на интервенция.Alternative solution 4: An implant that is sized during the intervention.
Този вид импланти се използват при необходимост от заместване на прешленното тяло. Най-често наподобяват огъната във формата на тръба титаниева мрежа. Мрежестата структура осигурява достатъчно здравина и същевременно позволява относително лесно изрязване на импланта до необходимата дължина. Процесът удължава оперативното време и е с незадоволителна точност, поради което създава рискове от експулсия и рискове от инфекция.This type of implant is used when it is necessary to replace the vertebral body. Most often they resemble a bent in the form of a tube titanium mesh. The mesh structure provides sufficient strength and at the same time allows relatively easy cutting of the implant to the required length. The process prolongs the operating time and is of unsatisfactory accuracy, which therefore creates risks of expulsion and risks of infection.
Индивидуално проектирани титаниеви имплантиIndividually designed titanium implants
При този вид импланти се постига пълно съответствие с анатомичните структури на конкретния пациент. Предварителното проектиране позволява да се направят необходимите корекции във формата и размера на импланта. така че след поставянето да е осигурена максимална контактна повърхност иWith this type of implants, full compliance with the anatomical structures of the particular patient is achieved. Preliminary design allows to make the necessary adjustments in the shape and size of the implant. so that a maximum contact surface is provided after installation and
BG 67358 Bl максимална стабилност при възстановени нормални анатомични взаимоотношения на околните структури. В резултат на това се създават и оптимални условия за срастване (фузия). което е и целта на този тип интервенции. Наличието на предварително подготвен индивидуализиран имплант съкращава времето на интервенция и съответно намалява риска от възникване на инфекции. Гореизброеното е предпоставка за побързо възстановяване на пациентите и като цяло - по-добър резултат от проведеното лечение.BG 67358 Bl maximum stability at restored normal anatomical relationships of the surrounding structures. As a result, optimal conditions for fusion are created. which is the purpose of this type of intervention. The presence of a pre-prepared individualized implant shortens the intervention time and consequently reduces the risk of infections. The above is a prerequisite for faster recovery of patients and in general - a better result of the treatment.
Наличието на етап за предоперативно планиране и производство на индивидуализирания имплант може да се отчете като недостатък поради необходимостта от повече време. От друга страна, целият процес налага по-внимателно и детайлно осмисляне на нуждите на конкретния пациент и води до най-доброто за него, персонализирано решение.The presence of a stage for preoperative planning and production of the individualized implant can be considered as a disadvantage due to the need for more time. On the other hand, the whole process requires a more careful and detailed understanding of the needs of the particular patient and leads to the best for him, personalized solution.
Никой от изброените по-горе алтернативни методи не притежава изброените в предлагания метод предимства.None of the alternative methods listed above has the advantages listed in the proposed method.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задачата на изобретението е да се създаде метод за създаване на персонализирани, отговарящи на конкретните, индивидуални нужди на пациента спинални импланти за хирургично лечение на заболявания в шийния отдел на гръбначния стълб чрез оптимизирането на носещата повърхност и анатомичните взаимоотношения, който ще намери приложение при хирургично лечение на заболявания в шийния отдел на гръбначния стълб. При този вид импланти се постига пълно съответствие с анатомичните структури на конкретния пациент. Предварителното проектиране позволява да се направят необходимите корекции във формата и размера на импланта, така че след поставянето да е осигурена максимална контактна повърхност и максимална стабилност при възстановени нормални анатомични взаимоотношения на околните структури. В резултат на това се създават и оптимални условия за срастване (фузия). което е и целта на този тип интервенции. Наличието на предварително подготвен индивидуализиран имплант съкращава времето на интервенция и съответно намалява риска от възникване на инфекции. Гореизброеното е предпоставка за побързо възстановяване на пациентите и като цяло - по-добър резултат от проведеното лечение.The objective of the invention is to provide a method for creating personalized, meeting the specific, individual needs of the patient spinal implants for surgical treatment of diseases of the cervical spine by optimizing the bearing surface and anatomical relationships, which will find application in surgical treatment of diseases of the cervical spine. With this type of implants, full compliance with the anatomical structures of the particular patient is achieved. Preliminary design allows to make the necessary adjustments in the shape and size of the implant, so that after placement to ensure maximum contact surface and maximum stability in the restored normal anatomical relationships of the surrounding structures. As a result, optimal conditions for fusion are created. which is the purpose of this type of intervention. The presence of a pre-prepared individualized implant shortens the intervention time and consequently reduces the risk of infections. The above is a prerequisite for faster recovery of patients and in general - a better result of the treatment.
Наличието на етап за предоперативно планиране и производство на индивидуализирания имплант може да се отчете като недостатък поради необходимостта от повече време. От друга страна, целият процес налага по-внимателно и детайлно осмисляне на нуждите на конкретния пациент и води до най-доброто за него, персонализирано решение.The presence of a stage for preoperative planning and production of the individualized implant can be considered as a disadvantage due to the need for more time. On the other hand, the whole process requires a more careful and detailed understanding of the needs of the particular patient and leads to the best for him, personalized solution.
Задачата е решена, като е изграден метод, включващ следните последователни седем етапа:The problem is solved by building a method that includes the following seven consecutive stages:
1. Сканиране на анатомичните структури на пациента - най-често чрез компютърна томография или с висок клас 3D С-рамо, което е значително по-бързо от компютърния томограф и без проблем може да се прилага при пациенти с клаустрофобия. както и при пациенти с тегло над 150 kg (максимална тежест за масите на повечето компютърни томографи).1. Scanning of the anatomical structures of the patient - most often by computed tomography or high-end 3D C-arm, which is significantly faster than computed tomography and can be easily used in patients with claustrophobia. as well as in patients weighing more than 150 kg (maximum weight for the masses of most computed tomography).
2. Предварителна подготовка или Предподготовка на дигиталните данни за анатомичните структури на конкретния пациент, включваща филтрация, сегментация и обработка за създаване на тримерен CAD модел (реконструкция) на гръбначния стълб.2. Preliminary preparation or Pre-preparation of the digital data for the anatomical structures of the specific patient, including filtration, segmentation and processing to create a three-dimensional CAD model (reconstruction) of the spine.
3. Създаване на CAD модел на гръбначен стълб - на базата на предходно създадените 3D геометрични модели се извършва преработка, в резултат на което се получава твърдотелен геометричен модел, като3. Creating a CAD model of the spine - on the basis of previously created 3D geometric models processing is performed, resulting in a solid geometric model, such as
BG 67358 Bl съответно се предприемат и действия за опростяване на модела с цел намаляване обема на записваната информация, без да се намали точността на описание на проблемната област - интерфейса между прешлените, където се ..имплантира новоизграждания предварително проектиран параметричен модел на шиен имплант (кейдж).Accordingly, actions are taken to simplify the model in order to reduce the amount of recorded information without reducing the accuracy of the description of the problem area - the interface between the vertebrae, where ..implanted newly built parametric model of cervical implant (cage) ).
4. Виртуално адаптиране на параметрите на импланта (кейджа), който осъществява и поддържа необходимата корекция на гръбначната кривина - включва тримерна симулация на разполагането и анализ на интерфейса. На този етап се осъществява асемблирането на получения твърдотелен модел на гръбнака и предварително проектиран параметричен модел на шиен имплант (кейдж), който се разполага в междината между прешлените на засегнатата зона, и адаптирането на параметричния модел на импланта (кейджа) към геометрията на костната система на гръбнака посредством вариране на параметрите му с цел постигане на необходимата корекция на гръбначната кривина.4. Virtual adaptation of the parameters of the implant (cage), which performs and maintains the necessary correction of the spinal curvature - includes three-dimensional simulation of the location and analysis of the interface. At this stage, the assembly of the obtained solid model of the spine and a pre-designed parametric model of the cervical implant (cage), which is located in the gap between the vertebrae of the affected area, and the adaptation of the parametric model of the implant (cage) to the geometry of the bone system. of the spine by varying its parameters in order to achieve the necessary correction of the spinal curvature.
5. Физическо изграждане на кейджа.5. Physical construction of the cage.
6. Валидация на геометрията на кейджа.6. Validation of the cage geometry.
7. Имплементация при пациента чрез хирургическа интервенция.7. Implementation in the patient through surgery.
Етап „Сканиране на анатомичните структури на пациента“ започва със снемане на и дигитални медицински изображения чрез компютърен томограф или с висок клас 3D С-рамо от проблемната област от гръбначния стълб, при използване на съответна апаратура, в клинични условия.Stage "Scanning of the patient's anatomical structures" begins with the capture of digital medical images using a computer tomograph or a high-end 3D C-shoulder from the problem area of the spine, using appropriate equipment, in a clinical setting.
Следва етап „Предподготовка“, при който посредством използване на специализиран софтуер се осъществява транслиране на дигиталните „медицински изображения“ към повърхнинен полигонален формат тип STL. STL форматът създава затворен повърхнинен модел, позволяващ по-нататъшна обработка от тримерен моделиер за максимално точно реконструиране на съществуващата костна система. На този етап се извършва и селекция само на онази част от информацията, която е от значение за формиране на геометрията на кейджа. Например, при идентифицирани проблемни зони при СЗ и С4, се избират за експорт в STL формат само на тези прешлени, и съседните на тях.This is followed by a "Pre-preparation" stage, in which digital "medical images" are translated into a surface polygonal STL format using specialized software. The STL format creates a closed surface model, allowing further processing by a three-dimensional modeler for the most accurate reconstruction of the existing bone system. At this stage, selection is made only of that part of the information that is important for the formation of the geometry of the cage. For example, in the case of identified problem areas in NW and C4, only those vertebrae and their adjacent vertebrae are selected for export in STL format.
Полученият STL файл все още не е достатъчно пригоден за обработка в тримерен CAD моделиер, тъй като в същността си това е повърхнинно описание на геометричните обекти.The resulting STL file is not yet sufficiently suitable for processing in a three-dimensional CAD modeler, as it is essentially a superficial description of geometric objects.
Следва етап „Създаване на CAD модел на гръбначен стълб“ - целта е да се преработи геометричния модел до твърдотелен модел, като съответно се предприемат и действия за неговото опростяване, при което да се намали обема на записваната информация (за по-лесна манипулация на модела), без да се навреди на точността на описание на проблемната област (интерфейса между прешлените, където се „имплантира новоизграждания предварително проектиран параметричен модел на шиен имплант (кейдж).The next step is "Creating a CAD model of the spine" - the goal is to rework the geometric model into a solid model, and accordingly take steps to simplify it, thereby reducing the amount of recorded information (for easier manipulation of the model ), without compromising the accuracy of the description of the problem area, the interface between the vertebrae, where the newly constructed pre-designed parametric model of the cervical implant (cage) is implanted.
Следва етап „Виртуално адаптиране на параметрите на импланта (кейджа)“. което се осъществява чрез асемблиране на получения твърдотелен модел на гръбнака и предварително проектиран параметричен модел на шиен имплант (кейдж) и адаптирането му към геометрията на костната система на гръбнака. Тук се извършва най-важната процедура „Анализ на интерфейса“, състояща се в промяна на параметрите на предварително проектирания параметричен модел на шиен имплант (кейдж), както и неговото разполагане, до получаване на търсения персонализиран по този начин имплант (кейдж). За тази процедура се изисква медицинска компетенция за успешното реализиране на адаптираната към спецификата на геометрията на двата съседни прешлена геометрия на импланта (кейдж), като именно при тази процедура се извършва и т.нар.The next step is "Virtual adaptation of the implant parameters (cage)". which is carried out by assembling the obtained solid model of the spine and a pre-designed parametric model of the cervical implant (cage) and its adaptation to the geometry of the skeletal system of the spine. Here is the most important procedure "Interface Analysis", consisting of changing the parameters of the pre-designed parametric model of the cervical implant (cage), as well as its location, to obtain the desired customized implant (cage). This procedure requires medical competence for the successful implementation of the geometry of the implant (cage) adapted to the specifics of the geometry of the two adjacent vertebrae, and it is during this procedure that the so-called
BG 67358 Bl „персонализация“, като импланта се съобразява изцяло с конкретния клиничен случай. Етапът приключва с разполагане на някои допълнителни компоненти, като например маркерите в кейджа, необходими за идентифициране на наличието на имплант при рентгенография, когато той е изработен от неметал.EN 67358 Bl "personalization", the implant being fully tailored to the specific clinical case. The step ends with the placement of some additional components, such as the markers in the cage, needed to identify the presence of an implant on radiography when it is made of non-metal.
Следващият етап „Физическо изграждане на кейджа“ е свързан с физическото производство на кейджа, като отново се използва STL формата за трансфер на генерирания CAD модел. Избира се технология за производството на импланта. като основно това е насочено към избор между технологии с отнемане или адитивни технологии с добавяне на материал. Обикновено, технологиите с отнемане на материал се прилагат при изготвяне както на неметални импланти (напр. PEEK), така и на такива от титанови сплави, докато адитивните технологии (3D принт) са характерни за производство предимно на импланти от титаниева сплав.The next stage "Physical construction of the cage" is related to the physical production of the cage, again using the STL form for transfer of the generated CAD model. The technology for the production of the implant is chosen. basically it is aimed at choosing between subtraction technologies or additive technologies with addition of material. Typically, material removal technologies are used in the fabrication of both non-metallic implants (eg PEEK) and those made of titanium alloys, while additive technologies (3D printing) are typical for the production of mainly titanium alloy implants.
На етап „Валидация на геометрията на кейджа“ се прави преглед и метрологичен анализ на произведения физически образец и при необходимост се предприемат корективни действия.At the stage of "Validation of the geometry of the cage" a review and metrological analysis of the produced physical sample is made and, if necessary, corrective actions are taken.
Последният етап „Имплементация при пациента чрез хирургическа интервенция“ включва поставяне на импланта по време на хирургичната интервенция.The final stage of "Implementation in the patient through surgery" involves the placement of the implant during the surgery.
Предимствата на предложения метод за създаване на персонализирани импланти, който ще намери приложение при хирургично лечение на заболявалия в шийния отдел на гръбначния стълб, са свързани с възможността за изграждане на виртуален и физически прототип на гръбначния стълб и импланта, базирани на медицински изображения от пациента чрез методите на компютърната томография или подобен, като параметричното изграждане на CAD модела на импланта позволява той в реално време да бъде персонализиран с цел постигане на необходимата корекция на гръбначната кривина и валидиран виртуално и физически, след което да бъде материализиран посредством технологиите за скоростно прототипиране. Предварителното проектиране позволява да се направят необходимите корекции и адаптации във формата и размера на импланта, така че след поставянето да е осигурена максимална контактна повърхност и максимална стабилност при възстановени нормални анатомични взаимоотношения на околните структури. В резултат на това се създават и оптимални условия за срастване (фузия), което е и целта на този тип интервенции.The advantages of the proposed method for creating personalized implants, which will find application in surgical treatment of the patient in the cervical spine, are related to the ability to build a virtual and physical prototype of the spine and implant based on medical images of the patient through computed tomography methods or similar, such as the parametric construction of the CAD model of the implant allows it to be customized in real time to achieve the necessary correction of spinal curvature and validated virtually and physically, and then to be materialized through high-speed prototyping technologies. Preliminary design allows to make the necessary adjustments and adaptations in the shape and size of the implant, so that after placement to ensure maximum contact surface and maximum stability in the restored normal anatomical relationships of the surrounding structures. As a result, optimal conditions for fusion are created, which is the purpose of this type of intervention.
Никой от изброените по-горе алтернативни методи не притежава изброените тук предимства.None of the alternative methods listed above have the advantages listed here.
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures
На фигура 1 е показан първоначалният вид на импортираните медицински изображения.Figure 1 shows the original appearance of the imported medical images.
На фигура 2 е изобразено разделянето на модела на три части - прешлен С4 (фиг. 2.а), прешлен С5 (фиг. 2.6) и обкръжението им (фиг. 2.в) - визуализирано посредством генерираните за всяка част STL файлове.Figure 2 shows the division of the model into three parts - vertebra C4 (Fig. 2.a), vertebra C5 (Fig. 2.6) and their environment (Fig. 2.c) - visualized using the STL files generated for each part.
На фигура З.а са изобразени първоначалния вид на асемблираните компоненти от фиг. 2. на фиг. З.б към тях е добавен кейдж, моделиран параметрично, а на фиг. З.в е представен параметричния модел на кейджа.Figure 3a shows the initial view of the assembled components of fig. 2. in FIG. Z. to them is added a cage, modeled parametrically, and in fig. The parametric model of the cage is presented.
На фигура 4 са илюстрирани възможните действия завъртане/преместване на прешлените, свързани с корекция на гръбначната кривина и възстановяването й в нормални за конкретния пациент параметри, както и разполагане на кейджа между прешленните тела.Figure 4 illustrates the possible actions of rotation / displacement of the vertebrae, related to the correction of the spinal curvature and its restoration in normal parameters for the particular patient, as well as the location of the cage between the vertebral bodies.
На фигура 5 е показан сглобеният и модифициран кейдж в обкръжението на прешлените.Figure 5 shows the assembled and modified cage around the vertebrae.
BG 67358 BlBG 67358 Bl
Ha фигура 6 е показан начинът на сглобяване и самите маркери в случаите, когато материалът на изработка на кейджа е неметал (напр. PEEK).Figure 6 shows the assembly method and the markers themselves in cases where the cage material is non-metallic (eg PEEK).
На фигура 7 е показана мрежата на STL файла на кейджа.Figure 7 shows the network of the STL file of the cage.
На фигура 8 е показана примерна реализация на кейдж с технологиите за бързо прототипиране.Figure 8 shows an exemplary implementation of a cage with rapid prototyping technology.
На фигура 9 е показан сглобен с прешлените кейдж, целящ постигане на корекция на гръбначната кривина.Figure 9 shows a cage assembled with the vertebrae, aimed at achieving correction of the spinal curvature.
Пример за изпълнение на изобретениетоAn embodiment of the invention
Първият етап „Сканиране на анатомичните структури на пациента“ от метода за създаване на персонализирани импланти включва колектирането на медицински изображения за пациента, което се извършва в клинични условия, като на този етап се извършва подготовка на томографски данни, състоящи се от отделни файлове.The first stage of "Scanning the patient's anatomical structures" of the method of creating personalized implants involves the collection of medical images for the patient, which is performed in a clinical setting, and at this stage the preparation of tomographic data consisting of individual files.
Вторият етап „Предподготовка“ включва предварителна подготовка на дигиталните данни за анатомичните структури на конкретния пациент. Този етап е свързан с обработка на медицинските изображения до получаване на файл във формат STL на зоната от интерес. Първоначалният вид на импортираните томографски данни е показан на фиг. 1.The second stage of "Pre-preparation" includes preliminary preparation of digital data on the anatomical structures of the particular patient. This stage is associated with the processing of medical images to obtain a file in STL format of the area of interest. The initial view of the imported tomographic data is shown in fig. 1.
Тук моделът се разделя на части - най-често на три: като например прешлен С4, прешлен С5 и обкръжението им. За всяка част се генерира STL файл. Това е показано графично на фиг. 2.Here the model is divided into parts - most often into three: such as the C4 vertebra, the C5 vertebra and their surroundings. An STL file is generated for each part. This is shown graphically in fig. 2.
След това на етапа „Създаване на CAD модел на гръбначен стълб“ се цели преработването на изградения повърхнинен геометричен модел до твърдотелен такъв, като съответно се предприемат и действия за неговото опростяване с цел намаляване обема на записваната информация (за по-лесна манипулация на модела), без да се намали точността на описание на проблемната област (интерфейса между прешлените, където се очаква да се „приложи новоизграждания кейдж).Then, at the stage "Creating a CAD model of the spine" the goal is to process the constructed surface geometric model to a solid one, and accordingly actions are taken to simplify it in order to reduce the volume of recorded information (for easier manipulation of the model). , without reducing the accuracy of the description of the problem area (the interface between the vertebrae, where it is expected to "apply the newly built cage").
Четвъртият етап „Виртуално адаптиране на параметрите на импланта (кейджа)“ включва виртуално прототипиране на прешлените, в конкретния случай С4 и С5. Виртуалното прототипиране на прешлените е свързано със сглобяване на отделните компоненти (показани на фиг. 2) по такъв начин, че да позволят лесни манипулации (завъртане и преместване един спрямо друг) за последващо напасване до достигане на необходимото им взаимно разположение за нормалната гръбначна кривина (фиг. З.а) и за нагласяване спрямо тях на кейджа (фиг. З.б), моделиран от своя страна параметрично (фиг. З.в).The fourth stage "Virtual adaptation of the implant parameters (cage)" involves virtual prototyping of the vertebrae, in this case C4 and C5. Virtual prototyping of the vertebrae involves assembling the individual components (shown in Fig. 2) in such a way as to allow easy manipulation (rotation and movement relative to each other) for subsequent adjustment until they reach the required mutual position for normal spinal curvature ( Fig. 3a) and for adjusting to them the cage (Fig. 3b), modeled in turn parametrically (Fig. 3c).
На този етап се извършва анализ на интерфейса, който се състои във виртуална артикулация (преместване) на прешлените (в конкретния случай С4 и С5), и по-специално са свързани със завъртане/преместване на кейджа спрямо прешлените С4 и С5 така, че да се получи възстановяване на нормалната гръбначна кривина, както и разполагане на кейджа в така оформеното пространство между прешлените С4 и С5. Извършва се промяна на параметрите а, Ь, с и а на кейджа (фиг. З.в) в съответствие с установеното положение на прешлените до постигане на максимална контактна повърхност между кейджа и прешлените.At this stage, an analysis of the interface is performed, which consists of virtual articulation (movement) of the vertebrae (in this case C4 and C5), and in particular are related to the rotation / displacement of the cage relative to the vertebrae C4 and C5 so that a restoration of the normal spinal curvature was obtained, as well as the placement of the cage in the space thus formed between the C4 and C5 vertebrae. The parameters a, b, c and a of the cage are changed (Fig. 3c) in accordance with the established position of the vertebrae until the maximum contact surface between the cage and the vertebrae is reached.
Примери за възможни действия са показани на фиг. 4, където е демонстрирано завъртане на прешлена С4 спрямо С5 и преместване и промяна на параметрите на кейджа. Самият кейдж също се модифицира по време на тази стъпка, като параметричният модел позволява широко вариране на размерите му и постигане на различна геометрия. Сглобеният и модифициран кейдж е показан в обкръжението на прешлените на фиг.5.Examples of possible actions are shown in fig. 4, where rotation of the C4 vertebra relative to C5 and displacement and change of the cage parameters is demonstrated. The cage itself is also modified during this step, as the parametric model allows a wide variation of its size and the achievement of different geometry. The assembled and modified cage is shown in the environment of the vertebrae in Fig.5.
Към изградената конструкция на кейджа има възможност да се сглобят маркери. Това се прилага в случаите, когато материалът на изработка на кейджа е неметал (напр. PEEK). Начинът на сглобяване и самите маркери са показани на фиг. 6. Самите маркери представляват метални къси оси или сачми, които служат за разпознаване на кейджа при рентгенови снимки.It is possible to assemble markers to the constructed structure of the cage. This applies in cases where the material of the cage is non-metallic (eg PEEK). The assembly method and the markers themselves are shown in fig. 6. The markers themselves are short metal axes or balls that are used to recognize the cage on X-rays.
Този етап приключва с изграждане на STL файл, който ще бъде използван за изработване на кейджа. Геометрията на кейджа е сравнително проста и мрежата на STL файла има вида, показан на фиг. 7.This stage ends with the construction of an STL file that will be used to make the cage. The geometry of the cage is relatively simple and the network of the STL file has the form shown in fig. 7.
Петият и шестият етап са съответно „Физическо изграждане на кейджа“ и „Валидация на геометрията на кейджа“. Примерна реализация на кейдж с технологиите за бързо прототипиране е показана на фиг. 8, като допълнително със същите технологии са изработени по два прешлена над и под мястото на вграждане на кейджа. На фиг. 9 е показан имплантираният между прешлените кейдж, целящ постигане на необходимата корекция на гръбначната кривина. Създаденият по този начин физически модел позволява да бъде оценен контакта (интерфейс) между кейджа и прешлените и да бъде направен оглед и анализ на закрепването и контактните повърхности.The fifth and sixth stages are "Physical construction of the cage" and "Validation of the geometry of the cage", respectively. An example implementation of a cage with rapid prototyping technologies is shown in fig. 8, as additionally with the same technologies two vertebrae are made above and below the place of installation of the cage. In FIG. 9 shows the cage implanted between the vertebrae, aiming to achieve the necessary correction of the spinal curvature. The physical model created in this way allows to assess the contact (interface) between the cage and the vertebrae and to inspect and analyze the attachment and contact surfaces.
Последният етап е „Имплементация при пациента чрез хирургическа интервенция“.The last stage is "Implementation in the patient through surgery".
Приложение (използване) на изобретениетоApplication of the invention
Създадените по този метод персонализирани импланти могат да намерят приложение при хирургично лечение на заболявания в шийния отдел на гръбначния стълб.Customized implants created by this method can be used in the surgical treatment of diseases of the cervical spine.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG112791A BG67358B1 (en) | 2018-08-17 | 2018-08-17 | Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG112791A BG67358B1 (en) | 2018-08-17 | 2018-08-17 | Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG112791A BG112791A (en) | 2020-02-28 |
BG67358B1 true BG67358B1 (en) | 2021-07-15 |
Family
ID=74855678
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG112791A BG67358B1 (en) | 2018-08-17 | 2018-08-17 | Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG67358B1 (en) |
-
2018
- 2018-08-17 BG BG112791A patent/BG67358B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG112791A (en) | 2020-02-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20210059822A1 (en) | Systems and methods for designing orthopedic implants based on tissue characteristics | |
CN109091273B (en) | Personalized pelvis endoprosthesis design method based on topological structure optimization | |
US11717412B2 (en) | Systems and methods for orthopedic implants | |
Wei et al. | One-step reconstruction with a 3D-printed, custom-made prosthesis after total en bloc sacrectomy: a technical note | |
CN110384573B (en) | Lightweight femoral stem for hip implants | |
Mobbs et al. | Anterior lumbar interbody fusion using a personalized approach: is custom the future of implants for anterior lumbar interbody fusion surgery? | |
US20160256279A1 (en) | Patient-Specific Implant for Bone Defects and Methods for Designing and Fabricating Such Implants | |
CN108635084B (en) | Polyether-ether-ketone variable-modulus artificial bone substitute prepared by fused deposition 3D printing and preparation method thereof | |
CN110929379B (en) | Topology optimization artificial vertebral body and design method thereof | |
EP2772230A1 (en) | Fusion prosthesis | |
JP2021505352A (en) | Systems and methods for multifaceted orthopedic alignment | |
Mobbs et al. | L5 en-bloc vertebrectomy with customized reconstructive implant: comparison of patient-specific versus off-the-shelf implant | |
US20060129243A1 (en) | Interbody spinal device | |
Xu et al. | A custom-made temporomandibular joint prosthesis for fabrication by selective laser melting: finite element analysis | |
Parr et al. | C3-C5 chordoma resection and reconstruction with a three-dimensional printed titanium patient-specific implant | |
DE102013207463A1 (en) | Control for positioning an endoprosthesis | |
Zhang et al. | XLIF interbody cage reduces stress and strain of fixation in spinal reconstructive surgery in comparison with TLIF cage with bilateral or unilateral fixation: a computational analysis | |
CN107569309B (en) | Vertebral prosthesis capable of being implanted into long bone | |
Kumar et al. | Current trends and future scope in 3D printing for surgical management of spine pathologies | |
CN203790085U (en) | Joint fusion device | |
Paxton et al. | Personalization for surgical implants | |
CN108670504B (en) | Personalized artificial vertebral body implant based on additive manufacturing and design method thereof | |
CN103720527A (en) | Joint fusion cage | |
BG67358B1 (en) | Method of designing patient-specific implants for surgical treatment of diseases in the cervical spine | |
CN113633442A (en) | Individualized tantalum metal cervical vertebra interbody fusion cage and design method thereof |