The utility of 3D printing for surgical planning and patient-specific implant design for complex spinal pathologies: case report Ralph J. Mobbs, MD, FRACS,1–3 Marc Coughlan, MBBS, FRACS,2  Robert Thompson, MBus, BInfoTech, DipAppSci,4 Chester E. Sutterlin III, MD,5–7 and  Kevin Phan, BSc1–3

1NeuroSpine Surgery Research Group (NSURG), Prince of Wales Private Hospital, Sydney; 2Prince of Wales Private Hospital, Sydney; 3University of New South Wales, Sydney; 4Anatomics Pty. Ltd., Melbourne, Australia; and 5Department of Neurosurgery, University of Florida, Gainesville; 6Spinal Health International, Inc., Longboat Key, Florida; and 7ProCRO Pty. Ltd., Sydney, New South Wales, Australia

La utilidad de la impresión 3D para la planificación quirúrgica y el diseño de implantes específicos de pacientes para patologías espinales complejas: reporte de casos

OBJETIVO Recientemente se ha renovado el interés en el uso y aplicaciones potenciales de la impresión 3D en la asistencia a la planificación quirúrgica y al desarrollo de prótesis personalizadas. Ha habido pocos informes sobre el uso de la impresión 3D para los implantes diseñados para ser utilizados en la cirugía espinal compleja. MÉTODOS Los autores describen 2 casos en los que se utilizó la impresión 3D para la planificación quirúrgica como molde preoperatorio y para una prótesis de titanio diseñada a la medida: un paciente con un cordoma C-1 / C-2 sometido a resección tumoral y reconstrucción vertebral y Otro paciente con una jaula de fusión anterior de titanio diseñada para una deformidad espinal congénita inusual. RESULTADOS En los dos casos presentados, los implantes diseñados a la medida y personalizados fueron fácilmente colocados en posición, lo que facilitó la cirugía y acortó el tiempo de procedimiento, evitando la reconstrucción compleja como la cosecha costilla o injertos fibulares y la formación de estos injertos intraoperatoriamente para ajustarse a la defecto. El seguimiento radiológico de ambos casos demostró una fusión exitosa a los 9 y 12 meses, respectivamente. CONCLUSIONES Estos casos demuestran la viabilidad del uso del modelado 3D y la impresión para desarrollar prótesis personalizadas y pueden aliviar la dificultad de la cirugía espinal compleja. Posibles orientaciones futuras de la investigación incluyen la combinación de implantes 3D-impresos y biológicos, así como el desarrollo de compuestos biocerámicos y los implantes personalizados para propósitos de carga. Https://thejns.org/doi/abs/10.3171/2016.9.SPINE16371 PALABRAS CLAVE Impresión 3D; modelo; cirugía; simulación; implante; diseño; Cordoma; Fusión lumbar; cervical.

La reconstrucción de la columna vertebral y el cráneo tiene una historia rica y duradera, que abarca por lo menos 5 milenios para incluir intentos en los que se ha utilizado una variedad de materiales, desde cáscaras de frutos hasta omoplatos de ovejas, hasta plásticos artificiales.3,14 Allí Ha sido un reciente interés renovado en el uso y las aplicaciones potenciales de la impresión 3D en estos reinos, como una fuente de implantes personalizables personalizables para los matices de la anatomía individual de cada paciente. Las aplicaciones médicas para la impresión en 3D se están expandiendo a un ritmo rápido y se espera que revolucionen la atención de la salud.12 Actualmente hay investigaciones innovadoras sobre la aplicación Incluyendo la fabricación de modelos anatómicos, prótesis e implantes personalizados 4,6, y fabricación de tejidos y órganos, así como vehículos de liberación de fármacos y descubrimiento.7 Se ha informado de la aplicación de la impresión 3D para el tratamiento preoperatorio La planificación quirúrgica; 4,6 sin embargo, ha habido pocos informes sobre el diseño del implante para la cirugía espinal compleja. Con el software de modelado 3D informático y los datos de neuroimagen del paciente, se puede fabricar un molde de la anatomía del paciente, así como un implante correspondiente específico del paciente. Presentamos 2 casos en los que la impresión 3D fue Utilizado para la planificación quirúrgica como molde preoperatorio y para una prótesis de titanio diseñada a la medida: un paciente con un cordoma C-1 / C-2 sometido a resección tumoral y reconstrucción vertebral y otro paciente con una jaula de fusión anterior de titanio Para una deformidad espinal congénita inusual.

Caso 1 Un hombre de 63 años de edad presentó a nuestra institución con una historia de 3 meses de dolor de cuello y hombro. La TC cervical y los estudios de resonancia magnética demostraron una lesión osteolítica que involucraba el cuerpo vertebral C-2 y el arco C-1 anterior (Fig. 1). La lesión ocupó estas 2 vértebras sin extensión lateral, o crecimiento en el agujero vertebral, pero se extendió hasta el espacio epidural anterior en C-2. Una biopsia transoral codificada reveló un cordoma. La remoción de tumores en la unión craneocervical ha sido históricamente un reto y altamente morbidez de los procedimientos de producción. Ha habido sólo intentos limitados de resección tumoral y reconstrucción estructural en el área por debajo del occipital (Oc), dado el estrecho corredor operatorio y la profundidad de la anatomía quirúrgica. El pronóstico para el cordoma localizado en C-1 y C-2 también es pobre, con estas 2 vértebras que contribuyen principalmente a la rotación de la cabeza. Sin tratamiento, la progresión tumoral resultará en el tronco encefálico, el nervio craneal y la compresión de la médula espinal, y la inestabilidad progresiva en la unión cráneo-cervical con dolor intratable, con eventual cuadriplégia y muerte.5 Hubo varias etapas en la realización de este procedimiento. Parte 1: Fusión Posterior, Oc-C3 La fusión occipitocervical inicial (Oc-C3) se realizó (Stryker OASYS) posteriormente para la estabilidad, antes de la resección del tumor anterior planificada. Además, se realizó la fusión posterior para que la planificación exacta de la resección del tumor y la reconstrucción del implante específico del paciente se pudiera lograr debido a la anatomía fija que unía la base del cráneo a la columna cervical superior y a C-3. La Neuronavegación fue posible porque el cráneo y la columna cervical superior se fijaron en el espacio relativo para proporcionar precisión durante el procedimiento de navegación.
Parte 2: Proceso de Diseño de Implantes Se planeó un abordaje transoral anterior, que proporciona una vía extradural a la columna cervical superior sin retracción del tronco encefálico o de la médula espinal alrededor de la unión craneocervical. Dada la compleja anatomía y el reto del tratamiento quirúrgico, la tecnología de impresión 3D se utilizó para la planificación quirúrgica mediante la construcción de un modelo de plástico 3D anatómicamente preciso de la anatomía craneocervical del paciente. El cirujano (RJM) y Anatomics Pty. Ltd. trabajaron juntos en el software de diseño asistido por computadora (CAD) 3D (Fig. 2A y B) y, utilizando los modelos de plástico, para personalizar una gama de modelos de implantes potenciales para adaptarse al defecto después Resección tumoral. La prótesis impresa de titanio personalizada fue fabricada por Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (C.S.I.R.O.) (Figura 2D) basándose en los márgenes de resección calculados a partir del modelado 3D. El cirujano correlacionó los datos de imágenes médicas con un modelo de plástico 3D de la columna vertebral del paciente. Se realizó un segundo modelo de plástico 3D que incorpora la resección tumoral propuesta. También se creó un modelo plástico semitransparente de la anatomía, con la fijación posterior existente destacada en rojo (Fig. 2C). La coloración del tornillo rojo combinada con la semitransparencia del hueso en el modelo confirmó la posición de los tornillos de fijación posterior existentes con respecto a la resección propuesta. El diseño del implante comenzó entonces, usando las dimensiones globales implicadas por la resección y los croquis de concepto proporcionados por el cirujano. Luego se construyeron prototipos de implantes de plástico para un ajuste de prueba en los modelos de anatomía resecados para probar varios diseños de implantes (Figura 2C). Estos prototipos fueron inspeccionados por el cirujano. Se consiguió un refinamiento adicional del diseño del implante. Las trayectorias del tornillo de fijación fueron determinadas por el cirujano usando el modelo plástico y los prototipos de implante. Las dimensiones del tornillo de fijación Fueron calculados en software y reportados al cirujano para el preplanificación  de la fijación del implante. Las trayectorias de los tornillos se incorporaron entonces en el implante para ayudar en la colocación del tornillo (Fig. 2B-D). Los diseños finales del implante fueron exportados electrónicamente y construidos por C.S.I.R.O. Las piezas impresas en 3D procedieron a verificaciones de calidad. Se suministró y esterilizó un modelo de plástico semitransparente, plantilla de implante e indicadores de trayectoria de tornillo para ayudar en el intraoperatorio. Parte 3: Enfoque Transoral Anterior, Resección Tumoral e Inserción de Implante 3D.  La anestesia general se realizó mediante traqueotomía. El paciente se colocó en decúbito supino. La cabeza se fijó en una abrazadera de Mayfield, y un marco de referencia BrainLab (BrainLab) se adjunta para la neuronavegación. No se realizó una división de la parte media de Le Fort planificada porque se podría lograr un enfoque adecuado a través del corredor transoral. Se realizó una incisión en la mucosa del surco gingival de la línea media para exponer la columna nasal anterior. El suelo nasal submucoso fue disecado a lo largo del paladar, y el tabique nasal fue cortado y liberado del hueso palatal. Se realizó una división del paladar de la línea media para permitir el acceso al clivus para la fase de reconstrucción del procedimiento. Se realizó una incisión lineal de la mucosa oral posterior para permitir el acceso al campo quirúrgico al clivus, la unión cráneo-cervical y los cuerpos vertebrales C-2 y C-3. Se realizó una discectomía C-2 / C-3 para identificar la extensión inferior del cordoma. Para eliminar la extensión superior del tumor, se resecó el arco C-1 anterior y se realizó la división de los ligamentos apical y alar. Los bordes laterales del cordoma se identificaron mediante navegación basada en TC y se logró la resección en bloque de la lesión. Después de la resección en bloque, la reconstrucción y la fijación anterior se completó con la jaula de titanio 3D de impresión personalizada, llena de matriz ósea y 2 tornillos de fijación en el clivus y 2 tornillos en la vértebra C-3 (Fig. 3). Todas las longitudes de los tornillos se predeterminaron basándose en el modelo preoperatorio de 3D y plástico, y la angulación del tornillo se incorporó en la prótesis para facilitar la inserción del tornillo. Después de una reconstrucción exitosa, se cerró la división de mucosa y paladar y se transfirió al paciente a la unidad de cuidados intensivos. La duración total del procedimiento fue de 16,5 horas, con 480 ml de pérdida de sangre. Postoperatoriamente, la paciente presentó disfunción de la articulación temporomandibular secundaria a un estiramiento prolongado de la cavidad oral durante el procedimiento. La duración prolongada de la operación también resultó en una estenosis esofágica superior. Estas complicaciones se atribuyeron al largo período de retracción oral. El paciente recuperó el habla 8 semanas después de la operación; Sin embargo, requirió gastrostomía endoscópica percutánea para permitir la alimentación durante los 3 meses iniciales después de la cirugía. La radioterapia dirigida a la cara lateral del margen de resección del tumor se realizó a los 6 meses de poscirugía. No hubo complicaciones con esta intervención. El paciente tenía fonación normal y función de deglución en su seguimiento de 9 meses. A los 9 meses de seguimiento, las radiografías de flexión y extensión no mostraron movimiento y, por lo tanto, fusión probable.

 


Caso 2 Una mujer de 52 años presentó una historia de 18 meses de dolor de espalda intratable y dolor de pierna unilateral. El paciente fue tratado de forma conservadora durante 2 años con pérdida de peso y terapia física. Sus estudios de TC y MRI demostraron una anomalía vertebral inusual, con una hemivertebra congénita en L-5, cifosis segmentaria con pérdida de lordosis y cambios degenerativos. La opinión del cirujano (M.C.) era que una fusión estándar realizada utilizando un implante disponible comercialmente no proporcionaría restauración anatómica adecuada y soporte, basándose en la anatomía única del paciente. Enfoque Operativo Se planeó un abordaje de fusión anterior y posterior para el paciente. Los estudios preoperatorios de TC y RM se utilizaron para construir un modelo 3D de la anatomía del paciente, así como para diseñar un implante de titanio 3D impreso personalizado (Figura 4). Se realizó un abordaje anterior estándar de L-4 / L-5, y el nivel de patología se confirmó con radiografías antes de la extracción del disco, con la preparación de la placa terminal. El implante de titanio impreso 3D personalizado se empaquetó con el injerto óseo (aloinjerto, Ausbiotecnologías) y se insertó, con un ajuste de precisión. La fijación de la placa anterior fue implementada para asegurar el segmento de movimiento, con tornillos posteriores de pedículo percutáneo adicionales para estabilización adicional del segmento L-4 / L-5. La radiografía se utilizó para confirmar la colocación correcta, y la irrigación con antibióticos se utilizó antes del cierre (Fig. 5B y C).

Diseño de implantes específicos del paciente Se desarrollaron los siguientes criterios de diseño para el implante de fusión intercorporal específico del paciente.

1. Permitir una resistencia máxima para soportar el peso del paciente y al mismo tiempo proporcionar un gran espacio vacío central para el suministro y la contención del injerto óseo. 2. Asegúrese de que el material de soporte mínimo para la impresión 3D reduzca el postprocesamiento al ser una estructura que es "auto-sustentable" durante el proceso de construcción. 3. Proporcionar la máxima dispersión para asegurar la mejor imagen postoperatoria posible (Fig. 4 derecha). El cirujano, en consulta con los representantes de las empresas implicadas de diseño y fabricación de implantes 3D (Anatomics, ProCRO), especificó que el implante debería efectuar un cambio de lordosis de 6 °. El implante fue diseñado alrededor de esta geometría alterada para cumplir con los criterios de diseño. El diseño final se utilizó para fabricar el implante (RMIT University, Precinto de Fabricación Avanzada, Carlton, Australia). Las piezas impresas en 3D se comprobaron después de su procesamiento como en el caso 1 (figura 4).
A los 12 meses de seguimiento, se observaron mejoras significativas en términos de retroceso axial (del preoperatorio 10 al postoperatorio 0), de la pierna derecha (del preoperatorio 2 al postoperatorio 0) y de la pierna izquierda (del preoperatorio 2 al postoperatorio 0) Escalas. El índice de discapacidad de Oswestry también mejoró significativamente, pasando de 68% en el preoperatorio a 0% en el postoperatorio. El seguimiento radiológico de 12 meses (Fig. 6) demostró fusión madura sólida sin fallo de fijación y sin hundimiento.

Discusión El tratamiento de las patologías espinales complejas, como el cordoma craneocervical de la unión o la deformidad congénita espinal compleja, requiere una técnica quirúrgica meticulosa y una planificación previa considerable.13,18 En el caso del cordoma cervical superior, este procedimiento particular está asociado Con un alto riesgo de fracaso y morbilidad, y estos procedimientos prolongados son particularmente de alto riesgo en los ancianos.10 La dificultad y el reto de tales cirugías espinales complejas pueden anticiparse y aliviarse mediante la planificación preoperatoria. La introducción de la impresión 3D ha proporcionado un medio para describir con precisión la anatomía quirúrgica del paciente, así como la capacidad de diseñar los implantes y prótesis diseñados a la medida que coincidan más estrechamente con la anatomía única de cualquier paciente y patología en particular12-16. Los implantes personalizados y personalizados fueron fácilmente colocados en posición, lo que facilitó la cirugía y acortó el tiempo de operación, evitando la reconstrucción compleja como los injertos  de costillas o injertos fibulares y la formación de estos injertos intraoperatoriamente para ajustarse en  El defecto. Estos dos casos, a los que nos acercamos mediante la planificación preoperatoria utilizando modelos impresos en 3D, así como implantes diseñados a medida, forman parte de un paradigma más amplio de la medicina personalizada. Como alternativa a los implantes estándares , los implantes 3D-impresos pueden ser personalizados para la anatomía única del paciente. Aunque estos desarrollos son emocionantes, esta cirugía no se ha diseminado ampliamente debido a los altos costos y los requerimientos de software y maquinaria sofisticados que no son fácilmente accesibles para la mayoría de los cirujanos. Charles Hull propuso por primera vez el proceso de impresión en 3D en 1986.1 Desde entonces, el mercado de la impresión en 3D ha explotado, cada vez más común y de menor costo.9 La aplicación de la impresión 3D en medicina y cirugía puede ofrecer varios beneficios, Y los implantes, la planificación preoperatoria mejorada, la duración operativa reducida y la complejidad quirúrgica, y la colocación exacta de implantes y prótesis, así como una mayor productividad. Particularmente en el contexto de la cirugía espinal y craneal compleja, los modelos neuroanatómicos impresos 3D pueden ser particularmente útiles proporcionando una representación precisa de los nervios craneales, los vasos y la arquitectura del cráneo y sus relaciones, que pueden ser difíciles de interpretar usando imágenes radiográficas estándar 2D.2, Los modelos 3D exactos pueden ayudar al cirujano a planear y ensayar un corredor o un abordaje quirúrgico seguro en el preoperatorio, lo cual puede aliviar la dificultad y disminuir la duración operativa de casos quirúrgicos complejos. Aunque la técnica es prometedora, las barreras actuales incluyen los costos comerciales de la impresión 3D de prótesis, así como el acceso limitado a impresoras 3D de alta calidad. La proliferación y el aumento de la calidad de las impresoras 3D de escritorio de bajo costo pueden ser un cambio de juego en el futuro, y puede facilitar implantes y prótesis de bajo costo y diseñados a medida. Varios informes publicados han demostrado la factibilidad de producir implantes de craneoplastos específicos de pacientes utilizando impresoras 3D de escritorio de bajo costo, junto con cemento óseo acrílico barato y ampliamente disponible.14 Posibles direcciones futuras de investigación incluyen la combinación de implantes impresos en 3D y productos biológicos Como el desarrollo de compuestos biocerámicos y los implantes personalizados para fines de carga.

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Divulgaciones Robert Thompson es un empleado de Anatomics Pty. Ltd., que participaron en el diseño y la fabricación de la impresión 3D
R. J. Mobbs et al.
J Neurosurg Spine Volumen 26 • Abril 2017518
Implantes reportados en este estudio. Chester E. Sutterlin III es un representante y es propietario de ProCRO Pty. Ltd., que participó en el diseño y fabricación de un implante impreso en 3D que se informa en este estudio. El Dr. Mobbs es consultor de Stryker, Kasios Biomaterials y A-Spine Asia. Contribuciones de los autores Concepción y diseño: todos los autores. Adquisición de datos: todos los autores. Análisis e interpretación de datos: todos los autores. Redacción
El artículo: Mobbs, Thompson, Sutterlin, Phan. Revisando críticamente el artículo: Mobbs, Coughlan, Phan. Revisado la versión presentada del manuscrito: Mobbs, Coughlan, Phan. Supervisión del estudio: Mobbs. Correspondencia Ralph J. Mobbs, NeuroSpineClinic, Ste. 7, Nivel 7 Hospital Privado Prince of Wales, Randwick, Sydney NSW 2031, Australia. Correo electrónico: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo..

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