Patient specific instruments design for bone tumors resections : reworking the numerical workflow

The resection of bone tumors is a complex type of surgery involving power tools and massive tissue removal, altering sometimes gravely the patient’s anatomy. The development of regenerative surgery and numerical tools brought unprecedented improvements in these surgeries such as the design of patient specific resection guides. Designing and producing such instruments requires a complex numerical workflow including CT and MRI imaging, DICOM segmentation with 3D model reconstruction, complex CAD design and additive manufacturing of anatomical and operational models. The aim of this project is thus to study the patient specific design workflow and propose ameliorations. The four steps of the process are studied (Imaging, Segmentation, CAD and Additive Manufacturing): Tests were made on MRI acquisition to produce adequate images usable in synergy with CT scans (CT for bone tissues, MRI for tumors). Then a customized and user-friendly segmentation interface was created on an open-source software, 3D Slicer, designed for clinicians. It creates a linear and accessible workflow with semi-automated methods. As a result, obtaining medically accurate segmentation and 3D models is faster than most current workflows. A standardized method was then developed to design patient specific yet repeatable resection guides. Repeatability in the general features is interesting because these guides can’t ever be more than prototypes, since the design is specific to each case. Therefore, the development of repeatable yet adaptable methods allows more overall certainty in the performance of any design while shortening the iterative design process. The result of this workflow is the 3D printing of either anatomical or operational models using the adequate material and technology. Anatomical models may be used as patient or student education, or as surgery planning supports, while operational models are directly used in the surgery room or on the patient, which needs sterilization. The results of the reworked workflow are encouraging to improve speed and repeatability, although some design details might be revised. The numerical chain also brings a range of possibilities, including VR training, AR surgical support and customized endoprosthesis manufacturing.

La resezione di tumori ossei e un tipo complesso di chirurgia coinvolgendo utensili elettrici e un importante rimozione di tessuti che può alterare in maniera grave l’anatomia del paziente. Lo sviluppo della chirurgia rigenerativa e di strumenti numerici ha portato miglioramenti senza precedenti in questi interventi chirurgici, come la progettazione di guide di resezione specifiche per il paziente. Concepire e produrre questi strumenti richiede un complesso workflow numerico. Comprende il trattamento di immagini CT e MRI, la segmentazione di DICOM per ottenere modelli 3D, modellazione CAD e produzione additiva di modelli anatomici e operativi. I quattro passi del processo sono studiati (immagini, segmentazione, CAD e produzione additive): dei test sono stati effettuati sull'acquisizione MRI per la produzione di immagini utilizzabili in sinergia con CT scans (CT per le ossa, MRI per i tumori). Un interfaccia ergonomica di segmentazione e poi stata creata su un software open-source, 3D Slicer, per essere usata da medici. Crea un workflow accessibile e lineare usando metodi semiautomatici. De conseguenza, ottenere segmentazioni e modelli precisi dal punto di vista medico è più veloce della maggior parte dei workflow attuali. Finalmente, un metodo standard e stato sviluppato per concepire guide di resezione che siano specifici per il paziente ma ripetibili. La ripetibilità delle caratteristiche generali e interessante dato che le guide sono sempre allo stato di prototipo. Perciò, sviluppare metodi ripetibili ma adattabili permette più certezza nel efficienza delle guide e un processo di design iterativo più veloce. Il risultato di questo workflow e la produzione additiva di modelli anatomici o operazionali usando il materiale e tecnologia adatto. Modelli anatomici possono essere usati per l’educazione di pazienti e chirurghi, o come supporti per la pianificazione di operazioni chirurgiche. Modelli operazionali sono direttamente usati in sala di operazione o in contatto con il paziente, richiedendo sterilizzazione. I risultati del workflow rilavorato sono incoraggianti per migliorare la velocità e ripetibilità, mentre qualche dettagli del design delle guide devono essere rivisti. Questa catena numerica porta anche numerose possibilità, come l’allenamento in VR, l’ assistenza chirurgica in AR o la produzione di endoprotesi su misura.