Diplomová práca VÝVOJ GENERATÍVNEHO PROCESU A NOVÝCH ZLOŽIEK POLYMÉRU PRE
Diplomová práca VÝVOJ GENERATÍVNEHO PROCESU A NOVÝCH POLYMÉROVÝCH ZLÚČENÍN PRE OSOBNENÉ LEBKY A OBLIČEJOVÉ IMPLANTÁTY, ktoré predložil Alois Anton Tax s cieľom získať akademický titul doktora všetkých liekov (Dr. med. Univ) na Lekárskej univerzite v Grazi - výskumná jednotka uskutočnená na Univerzitnej klinike pre neurochirurgiu experimentálna neurotraumatológia pod vedením školiteľa Univ.-Prof. u Dr. v rer.nat Ute Schäfer Graz 22. mája 2016
Čestné prehlásenie Čestne vyhlasujem, že som toto dielo napísal nezávisle a bez vonkajšej pomoci, že som nepoužil iné zdroje, ako sú uvedené, a že použité pasáže som identifikoval doslovne alebo pokiaľ ide o obsah ako taký, z použitých zdrojov. Graz 22. mája 2016 Alois Anton Tax eh. I
Poďakovanie Na tomto mieste by som chcel poďakovať všetkým ľuďom, ktorí ma pri príprave tejto práce podporili. Moje špeciálne poďakovanie patrí pani Univ.-Prof. u Dr. v rer. nat. Ute Schäfer a Univ. - pr. Dr. med. Gordovi von Campe za príležitosť a dôveru, že sa môžu zúčastniť na projekte. Tiež by som sa chcel poďakovať pánovi Muammerovi Ücalovi za úvod k tejto téme, za pomoc a príjemnú spoluprácu. Moje uznanie patrí pani Mag. A (FH) Ulrike Zeffererovej za jej organizačnú podporu. Veľká vďaka patrí môjmu partnerovi a všetkým priateľom, ktorí mi ochotne venovali svoj drahocenný čas, aby ma rôznymi spôsobmi podporili. Predovšetkým by som sa chcel poďakovať svojim rodičom a súrodencom za trvalú podporu. ii
Obsah RIADITEĽSTVO. VII ZOZNAM OBRÁZKOV. VII ZOZNAM TABULIEK. VII ZOZNAM SKRATIEK. VIII HLAVNÁ ČASŤ. 1 1 ÚVOD. 2 1.1 SÚVISLOSTI. 2 1.2 3D TLAČ. 4 1.3 PLASTY. 6 1.4 NASTAVENIE PROBLÉMU. 7 2 MATERIÁL A METÓDY. 9 2.1 ŠTUDIJNÝ NÁVRH. 9 2.2 VÝVOJ PROCESU. 10 2.2.1 Vyhodnotenie implantátu. 11 2.3 SKÚŠOBNÉ ZVIERATÁ. 12 2.4 SPOTREBNÝ MATERIÁL. 13 2.5 EXPERIMENTÁLNE NASTAVENIE. 14 2.5.1 Chirurgické metódy. 14 2.5.1.1 Kraniotómia. 16 2.5.1.2 Reimplantácia. 2.5.1.3 Samoimplantát. 18 2.5.2 Kontrolné skupiny. 19 2.5.2.1 Zdravá kontrola. 19 2.5.2.2 Ovládanie lepidla. 19 2.5.2.3 Kontrola anestézie. 19 2.5.3 Post-intervenčná starostlivosť. 20 2.5.4 Zobrazovanie. 21 2.6 DIGITALIZÁCIA A TVORBA MODELOV. 21 2.6.1 3D model kosti. 21 2.6.2 Modelovanie sietí. 22 2.7 VÝROBA IMPLANTÁTU. 26 2.7.1 3D tlač. 26 pred Kr
2.7.2 Príprava implantátu. 26 2.8 ZBER A ANALÝZA ÚDAJOV. 27 2.8.1 Eutanázia a odstránenie orgánov. 27 2.8.2 Mikrotómia a imunohistochemické farbenie. 27 2.8.3 Prevádzkový protokol. 28 2.8.4 Kvantitatívne hodnotenie. 28 3 VÝSLEDKY. 29 3.1 DIGITALIZÁCIA A IMPLANTATÍVNY DIZAJN. 29 3.1.1 Tvorba modelu. 29 3.1.1.1 Jednostupňové zobrazovanie. 30 3.1.1.2 Dvojstupňové zobrazovanie. 32 3.1.2 Metódy modelovania. 34 3.1.2.1 Metóda 1: Zrkadlo. 34 3.1.2.2 Metóda 2: Klietka. 35 3.1.2.3 Metóda 3: Pred/po. 35 3.1.2.4 Dokončenie metód. 36 3.1.3 Voľba metódy. 38 3.1.3.1 Trvanie. 38 3.1.3.2 Rozdiely. 39 3.1.4 Vyhodnotenie implantátu. 39 3.1.5 Konečný návrh implantátu. 40 3.1.5.1 Trvanie. 41 3.1.5.2 Požiadavky na úložný priestor. 41 3.2 POSTUP SKÚŠKY. 43 3.2.1 Kontrolná skupina. 43 3.2.2 Priebeh operácie. 43 3.3 KLINICKÝ VÝVOJ. 45 3.3.1 Päť dní sledovania. 46 3.3.2 Dva týždne sledovania. 47 4 DISKUSIA. 48 ZOZNAM LITERATÚRY. 55 vi
Zoznamy Zoznam obrázkov OBRÁZOK 1.1 MODELOVANIE VKLADU S POISTKAMI. 5 OBRÁZOK 2.1 - PREVÁDZKOVÉ INTERVENCIE. 16 OBRÁZOK 2.2 - KOSTNÝ MODEL. 22 OBRÁZOK 2.3 VYROVNANIE KOSTNÉHO MODELU. 23 OBRÁZOK 2.4 DIZAJN IMPLANTÁTU KROK ZA KROKOM. 25 OBRÁZOK 3.1 - TVORBA KOSTNÉHO MODELU. 30 OBRÁZOK 3.2 PROCES SEGMENTÁCIE. 31 OBRÁZOK 3.3 - POROVNANIE HODNOTY PRAHU. 32 OBRÁZOK 3.4 METÓDA 1: ZRKADLO. 34 OBRÁZOK 3.5 - METÓDA 2: Klietka. 35 OBRÁZOK 3.6 - SPÔSOB 3: PRE/POST. 36 OBRÁZOK 3.7 OKRAJ IMPLANTU. 36 OBRÁZOK 3.8 - POROVNANIE MODELOVACÍCH METÓD. 37 OBRÁZOK 3.9 - DĹŽKA PREKLADU. 38 OBRÁZOK 3.9 HODNOTENIE IMPLANTÁTOV. 40 OBRÁZOK 3.11 - BOXPLOT: ROZSAH TRVANIA DIZAJNU. 41 OBRÁZOK 3.12 ŤAŽBA OBSAHU INFORMÁCIÍ. 42 OBRÁZOK 3.13 - FIT. 44 OBRÁZOK 3.14 - MERANIE TELA PRED A PO ZÁSAHU. 45 Zoznam tabuliek TABUĽKA 2.1 ZOZNAM CHIRURGICKÝCH MATERIÁLOV. 13 TABUĽKA 3.1 VYTVÁRANIE KOSTNÝCH MODELOV PRE/POST V 3D PRIEBEHU. 33 TABUĽKA 3.2 - POROVNANIE MODELOVACÍCH METÓD. 39 TABUĽKA 4.1 - FREKVENCIA BIFRONÁLNYCH/BOČNÝCH CRANIOTOMIÍ. 52 vii
Zoznam skratiek A AAN. Anexate, antisedan, roztok NaCl (0,9%) AC. kontrola anestézie AM. aditívna výroba B alebo . alebo C CAD. Počítačom podporovaný dizajn CAM. Počítačom podporovaná výroba CH2O. Formaldehyd CH3OH. Metanol cmh20. Centimetrový vodný stĺpec CNC. počítačový numerický riadiaci procesor. Centrálna procesorová jednotka CT. Počítačová tomografia D DICOM. Digitálne zobrazovanie a komunikácia v medicíne F FDM. modelovanie kondenzovanej depozície G GC. kontrola lepidla GPU. Jednotka grafického spracovania H H2O2. Peroxid vodíka HA. Hydroxyapatit HC. zdravá kontrola K kgkg. Kilogram telesnej hmotnosti kv. Kilovolty M ma Milliamps MB. Mega bajt mmhg. Milimetre ortuti N NaCl. Chlorid sodný NRRD. Takmer surové rastrové dáta P PBS. fosforečnanom pufrovaný soľný roztok PEEK. Polyéteretherketón PMMA. Polymetylmetakrylát polyaryl. Polyaryletherketón PP. Polypropylén PSI. pre pacienta špecifický implantát R RAM. Pamäť s náhodným prístupom S SI. vlastný implantát SLA. stereolitografia (aparát) SLS. selektívne LASEROVÉ spekanie STL. Stereolitografia T TR. Prahový rozsah RPM. Otáčky za minútu UV. Ultrafialové porovnaj VRML. Modelingový jazyk pre virtuálnu realitu L LASER. zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia viii
Podobný prístup využíva aj proces selektívneho slinovania LASEROM (SLS). Tu dochádza k tuhnutiu cieleným spájaním plastového, keramického alebo kovového prášku pomocou vysokoenergetického LASERU. V stereolitografii (SLA) sú naopak fotoaktívne syntetické živice stimulované k polymerizácii pomocou UV LASERU. Ďalším spôsobom je modelovanie pomocou tavného nanášania (FDM), pri ktorom sa taviteľné plasty skvapalňujú cez vyhrievanú dýzu a potom sa nanášajú na požadované miesto. Po ochladení a vytvrdnutí príslušnej úrovne sa tento proces opakuje vrstvu po vrstve, čím sa vytvorí predmet. Táto metóda umožňuje použitie rôznych plastov. Obrázok 1.1 zobrazuje schematické znázornenie uvedeného procesu. Obrázok 1.1 Modelovanie fúzovanej depozície: Schematické znázornenie výroby implantátu; Vykreslenie z Blenderu v2.75a; Otázka: vlastná ilustrácia založená na [27] 5
Výzvou však je využiť existujúci model kosti na odvodenie odstráneného kúska kosti a tým aj tvaru implantátu. Nakoniec je potrebné vyvinúť potrebné detekčné mechanizmy a algoritmy. Požiadavky na tento postup zahŕňajú najrýchlejšiu možnú konverziu údajov, ako aj vysoký stupeň presnosti prispôsobenia, aby sa umožnil jednokrokový postup bez ďalších úprav. Tento krok sa pre tento projekt uskutočnil manuálne. Overenie presnosti prispôsobenia a použiteľnosti procesného reťazca sa nakoniec uskutoční vyvinutím a implementáciou zvieracieho modelu. Ďalším zameraním je analýza možných klinických účinkov v dôsledku zásahov. Celý projekt je venovaný aj otázke možných materiálových zmien v priebehu výrobného procesu. Z tohto dôvodu sa skúmajú mechanické a fyzikálne vlastnosti implantátov FDM. Ďalej sa vykonáva imunohistochemická analýza mozgových blán a mozgovej kôry pre potenciálne zápalové reakcie. Jeho analýza a popis nie je predmetom tejto práce. 8.
2.3 Testované zvieratá Test sa uskutočňoval na samcoch potkanov Sprague Dawley (Charles River, Bois des Oncins) vo veku od 10 do 49 týždňov. Na začiatku vyšetrenia bola priemerná telesná hmotnosť 510 (SD: ± 43) g. Zvieratá sa identifikovali kódovaným úderom do uší, ako aj kontinuálnym číslovaním pomocou permanentného značkovača pri prechode kmeň-chvost. Krysy boli držané v stajni pre malé zvieratá divízie Biomedical Research bez akýchkoľvek zvláštnych karanténnych opatrení za sterilných podmienok. Teplota miestnosti bola 20 ± 4 Celzia s relatívnou vlhkosťou 30 - 70%. Rytmus dňa a noci bol regulovaný umelým osvetlením automatickým časovačom každých 12 hodín. Voda a štandardná granulovaná potrava sa podávali ad libitum. Zvieratá sa držali v skupinách maximálne troch zvierat v klietkach Eurostandardu typu IV (1354G, Tecniplast, Buguggiate) na podstielke z pilín a drevnej vlny so zníženým obsahom prachu. Pokiaľ je to potrebné, boli potkany premiestnené v intervaloch medzi dvoma a tromi týždňami. Niekoľkokrát denne prebiehala kontrola personálu starostlivosti o zvieratá. 12
2.5.1.1 Kraniotómia Operačný priestor bol zbavený kožušiny elektrickým holiacim strojčekom, pričom chránil vibrissae, a potom bol dezinfikovaný tampónom z izopropanolu. Následne bola lebka zarovnaná a zafixovaná v stereotaktickom rámci. Obrázok 2.1 - operatívne intervencie: zobrazenia z Blenderu v2.75a, pohľad z bočného-zadného na predný; A) schematický priemet kožného rezu B1) štrbinová kraniotómia B2) odstránenie kostnej chlopne C1) kontrola lepidla C2) vlastný implantát C3) implantáty vytlačené FDM; Otázka: vlastná ilustrácia Bol vykonaný rez na koži v tvare U približne 15 mm dlhý, prechádzajúci strednou čiarou, bez poškodenia fascie svalu temporalis (pozri obrázok 2.1 A). Periosteum bolo z veľkej časti stiahnuté a bola odhalená podkladová lebka. 16
Hodnota výstupu sa zvýšila. Ako algoritmus vzorkovania slúžila metóda lineárnej interpolácie [38]. Výsledné súbory NRRD boli dočasne uložené na ďalšie spracovanie. Obrázok 2.2 - Kostný model: tvorba modelu na základe stanovenia prahovej hodnoty, pohľad zhora: antero-lateral to posterior; Screenshot z 3D Slicer v4.4.0 Pomocou funkcie Orezať objem bol cieľový objem obmedzený na oblasť medzi najviac laterálnymi rozšíreniami lambda švu a koronálnym stehom okcipitálne aj rostrálne a prominentnými kristami spánkovej kosti laterálne. Segmentácia sa uskutočnila pomocou stanovenia prahovej hodnoty v editačnom module. Veľký rozdiel v hustote medzi kosťami a mäkkými tkanivami umožnil presnú diferenciáciu [20]. Dolná hranica bola 47% maximálnej hodnoty, ktorá definovala hornú hranicu. Pomocou začiarkavacieho políčka hladký model bol na základe mapy štítkov vytvorený model hladkej kosti a exportovaný ako súbor STL. Obrázok 2.2 zobrazuje hotový model kosti. 2.6.2 Modelovanie sietí Ďalšie spracovanie a modelovanie sa uskutočňovalo pomocou softvéru pre počítačovú grafiku 3D s otvoreným zdrojom (Blender v2.75a, Blender Foundation, Amsterdam). 22
Obrázok 2.4 Návrh implantátu krok za krokom, pohľad z antero-inferioru, snímka obrazovky z Blenderu v2.75a A) Vytlačenie základného tela B) Reprezentácia okraja implantátu po odčítaní kostným modelom C) Postup po použití modelovacích nástrojov D) Hotový implantát po narovnaní povrchu; Otázka: Vlastné znázornenie V režime Socha sa ďalej upravili okraje a podstavec. Zrkadlo pozdĺž osi X bolo za týmto účelom deaktivované. Kefa F Scrape/Peak bola vybraná pomocou funkcie Enable Dyntopo. Veľkosť štetca bola nastavená na 50 px, bez ohľadu na faktor zväčšenia. Hodnota pevnosti bola 0,3. Parameter automatického hladenia bol upravený na 1 percento (0,01 [bezrozmerné]) z možnej maximálnej hodnoty. Nepravidelnosti sa odstránili pomocou škrabanca a dosiahlo sa zmenšenie obvodu pri zohľadnení primárneho obrysu (pozri obrázok 2.4-C). Aby sa zabránilo ostrým zákrutám, bola vyššie uvedená základňa zaokrúhlená pomocou vyššie uvedenej funkcie. Aby sa zbytočne neaplikovalo, uskutočňovalo sa odčítanie s úrovňou čo najbližšie k lebke. 25
3 Výsledky 3.1 Digitalizácia a návrh implantátu 3.1.1 Vytvorenie modelu Na vytvorenie modelu kosti boli navrhnuté a vyhodnotené dva rôzne procesy. Prvá metóda popisuje postup na základe jednorazového zobrazovacieho postupu. Pri vytváraní modelu kosti na základe dvojstupňového zobrazovania sa využíva aj funkcia registrácie, aby sa porovnali obrázky pred a po operácii. Kľúčové údaje o vytváraní modelov sú uvedené nižšie. Uvedené časy súvisia s trvaním výpočtov pri vytváraní modelu vytvoreného na ilustračné účely. Na vyvinutie metódy boli urobené pred a pooperačné CT snímky dvoch potkanov (pozri bod 2.2.1.). 29
Proces výpočtu na opätovné vzorkovanie údajov s parametrami dvojitého rozstupu obrázkov a metódou lineárnej interpolácie trval 352 sekúnd. Funkcia Orezať hlasitosť trvala 67 sekúnd. Celkovo si zníženie veľkosti dát vyžadovalo trvanie 6 minút a 59 sekúnd. Výpočet modelu kosti sa uskutočňoval v troch krokoch. Segmentácia kosti sa uskutočňovala pomocou filtra v šedej škále (pozri obrázok 3.2). Delenie je priamo úmerné hodnote absorpcie röntgenového žiarenia. Obrázok 3.2 Proces segmentácie: selektívne znázornenie kostných štruktúr; Screenshoty z 3D-Slicer v4.4 A) natívne CT obrázky B) prekrytá mapa štítku (okrová); Otázka: Vlastná prezentácia V sérii testov uskutočňovaných nezávisle na sebe sa dolná hraničná hodnota 47% maximálnej hodnoty ukázala ako najlepší kompromis medzi bohatosťou detailov a prezentáciou artefaktov. Maximálna hodnota sa vzala ako horná prahová hodnota. Obrázok 3.3 zobrazuje rozdielnu presnosť mapovania pre príslušné rozsahy prahových hodnôt (TR). 31
Obrázok 3.6 - Metóda 3: Pre/Post, predo-bočný pohľad, vykreslenia z Blenderu v2.75a; Otázka: vlastná ilustrácia 3.1.2.4 Dokončenie metód Všetky alveoly, ktoré sa otvorili v priebehu kraniotómie, zostali po odčítaní ako úzke rozšírenia na okraji implantátu (pozri obrázok 3.7). Obrázok 3.7 Okraje implantátu: rozšírenia na úzkej základni po vykonaní procesu odčítania; Screenshot z Blenderu v2.75a Z dôvodu výsledného zväčšenia veľkosti sa predpokladalo, že možné zabudovanie do defektu nie je možné. Výsledkom bolo odstránenie bežcov. Konečný adaptačný proces okrajov implantátu, ako je opísaný v bode 2.6.2, sa uskutočnil rovnako pre všetky tri metódy a trval 10 minút. Konečný tvar rôzne vyrábaných modelov implantátov je uvedený na obrázku 3.8. 36
Obrázok 3.8 - Porovnanie metód modelovania, vykreslenia z Blenderu v2.75a, pohľad zhora: antero-laterálny k zadnému (každý vľavo), pohľad zdola: antero-mediálny k zadnému (každý pravý); A1 a B1) Metóda 1: Zrkadlo A2 a B2) Metóda 2: Klietka A3 a B3) Metóda 3: Pre/Post; Otázka: vlastná ilustrácia 37.