3D-printing techniques in a medical setting : a systematic literature review

Background: Three-dimensional (3D) printing has numerous applications and has gained much interest in the medical world. The constantly improving quality of 3D-printing applications has contributed to their increased use on patients. This paper summarizes the literature on surgical 3D-printing applications used on patients, with a focus on reported clinical and economic outcomes. Methods: Three major literature databases were screened for case series (more than three cases described in the same study) and trials of surgical applications of 3D printing in humans. Results: 227 surgical papers were analyzed and summarized using an evidence table. The papers described the use of 3D printing for surgical guides, anatomical models, and custom implants. 3D printing is used in multiple surgical domains, such as orthopedics, maxillofacial surgery, cranial surgery, and spinal surgery. In general, the advantages of 3D-printed parts are said to include reduced surgical time, improved medical outcome, and decreased radiation exposure. The costs of printing and additional scans generally increase the overall cost of the procedure. Conclusion: 3D printing is well integrated in surgical practice and research. Applications vary from anatomical models mainly intended for surgical planning to surgical guides and implants. Our research suggests that there are several advantages to 3D- printed applications, but that further research is needed to determine whether the increased intervention costs can be balanced with the observable advantages of this new technology. There is a need for a formal cost-effectiveness analysis

Custom-Made Devices Represent a Promising Tool to Increase Correction Accuracy of High Tibial Osteotomy: A Systematic Review of the Literature and Presentation of Pilot Cases with a New 3D-Printed System

Background: The accuracy of the coronal alignment corrections using conventional high tibial osteotomy (HTO) falls short, and multiplanar deformities of the tibia require consideration of both the coronal and sagittal planes. Patient-specific instrumentations have been introduced to improve the control of the correction. Clear evidence about customized devices for HTO and their correction accuracy lacks. Methods: The databases PUBMED and EMBASE were systematically screened for human and cadaveric studies about the use of customized devices for high tibial osteotomy and their outcomes concerning correction accuracy. Furthermore, a 3D-printed customized system for valgus HTO with three pilot cases at one-year follow-up was presented. Results: 28 studies were included. The most commonly used custom-made devices for HTO were found to be cutting guides. Reported differences between the achieved and targeted correction of hip-knee-ankle angle and the posterior tibial slope were 3 degrees or under. The three pilot cases that underwent personalized HTO with a new 3D-printed device presented satisfactory alignment and clinical outcomes at one-year follow-up. Conclusion: The available patient-specific devices described in the literature, including the one used in the preliminary cases of the current study, showed promising results in increasing the accuracy of correction in HTO procedure

Computer aided method for 3D assessment of the lower limb alignment for orthopedic surgery planning

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Os membros inferiores são responsáveis por fornecer suporte à totalidade do corpo humano e são essenciais nas mais variadas tarefas como estar de pé, andar e correr. Por vezes, e devido a diversos motivos, podem existir defeitos ou deformações nos membros inferiores que têm um impacto direto na qualidade de vida de uma pessoa, quer por se ver afetado o lado estético pessoal ou por condicionar significativamente a mobilidade. Uma característica da estrutura do membro inferior que é diretamente afetada por estas deformações é o seu alinhamento, isto é, a posição relativa dos ossos e articulações que compõem o membro. Graças à evolução da medicina moderna, corrigir estas deformações é agora uma prática bastante comum no campo da cirurgia ortopédica. No entanto, antes de qualquer cirurgia corretiva e até de qualquer planeamento que esta exija, a deformação tem de ser corretamente analisada, o que é feito através da chamada avaliação do alinhamento do membro inferior. Atualmente, num contexto clínico, esta avaliação é feita manualmente num espaço de trabalho bi-dimensional, normalmente utilizando apenas imagens de raios-X da perna inteira no plano anatómico frontal. Uma revisão ao estado da arte no que toca a métodos de planeamento cirúrgico dedicados ao membro inferior permite concluir que de facto existe software capaz de realizar este planeamento, mas que, no entanto, para além de terem custos elevadíssimos associados, nenhum utilizada modelos 3D como fonte de informação, o que traria imensos benefícios, especialmente ao nível da informação acerca da rotação e da inclinação dos ossos. Existem no entanto algum software a um nível mais experimental que utiliza modelos 3D para realizar a avaliação do alinhamento do membro inferior, sendo que nenhum deles passou ainda a estar disponível comercialmente. Numa perspetiva de implementar um método automático baseado em computador para realizar o planeamento pré-cirurgico da cirurgia de correção para ser utilizado em contexto clínico, foi proposto um projeto para o desenvolvimento de um novo software capaz de efetuar a avaliação do alinhamento do membro inferior em modelos 3D dos doentes. O projeto foi dividido em quatro etapas distintas que se desenrolaram ao longo de um estágio de sete meses. Na primeira etapa, o objetivo consistiu em gerar diversos modelos 3D dos membros inferiores de diferentes pacientes. Para tal, recorreu-se ao software de segmentação de imagens médicas Mimics 14.0 e utilizaram-se imagens de tomografia computorizada dos pacientes. Após o processo de segmentação, obtiveram-se os modelos 3D cuja qualidade teve de ser assegurada através de um processo de remeshing e cuja correta orientação espacial teve de ser também assegurada, já que a avaliação do alinhamento é sensível à orientação da perna. Para tal, utilizou-se o software de renderização 3D Geomagic Studio 14. Optou-se ainda por separar os modelos dos ossos nas suas porções proximal e distal, de modo a reduzir futuramente os tempos de computação. Findo todo este processo, assegurou-se que diferentes utilizadores poderiam gerar estes modelos sem grande variabilidade ou erro no resultado final através da comparação dos modelos obtidos de um mesmo paciente por três utilizadores distintos, sendo que os modelos obtidos apresentavam volumes com diferenças inferiores a 1% relativamente ao valor médio e com um baixo desvio padrão. Numa segunda etapa, os ângulos e medidas consideradas necessárias para uma avaliação adequada foram definidos, apresentando os valores esperados para estas medidas de acordo com a literatura. Assim, foi possível definir também os pontos anatómicos que são necessários para a definição destes mesmos ângulos e medidas e que portanto têm de ser encontrados pelo software. Na terceira etapa, fez-se então o desenvolvimento propriamente dito do software. Encontravam-se já disponíveis alguns métodos automáticos desenvolvidos no contexto projeto, contudo, estes métodos exigiam que o utilizador conhecesse as ferramentas do Geomagic de modo a obter algumas informações, e que depois fosse capaz de utilizar estas informações para editar os scripts de modo a que estes funcionassem para cada paciente em específico. Para além disso, apenas pontos muito específicos podiam ser encontrados. Nesse sentido, isto é, de modo a que todo o processo de encontrar os pontos anatómicos relevantes pudesse ser feito diretamente pelo utilizador, no programa, e sem exigir quaisquer conhecimentos de programação, um conjunto de técnicas foi implementado, dando ao programa uma grande componente gráfica. Para os diferentes pontos, foi necessário recorrer a diferentes metodologias, algumas desenvolvidas propositadamente para o efeito e implementadas em linguagem de programação Python "pura", e algumas adaptadas de outras já existentes e disponíveis no próprio Geomagic. Foi ainda assegurado que existiam métodos alternativos caso os métodos padrão não fossem os mais adequados devido a uma estrutura diferente da esperada dos próprios modelos 3D. De todo este processo resultou um programa que usa os modelos 3D gerados e, da maneira mais automática possível e com uma interface do utilizador fácil de usar, fornece todos os ângulos e medidas, efetuando assim a dita avaliação do alinhamento do membro inferior em 3D. Uma análise ponderada aos resultados obtidos permitiu identificar quais os pontos anatómicos que estarão a ser obtidos de maneira menos ideal e por isso a levar a alguns resultados não tão bons como o esperado. A dependência criada da seleção e limitação de certas áreas nas quais ocorre uma iteração que permite encontrar certos pontos é possivelmente a maior falha do programa desenvolvido que se torna assim demasiado sensível ao input do utilizador. Note-se, contudo, que os próprios testes apresentam algumas falhas que podem influenciar os resultados obtidos, tal como não ter sido definido um roteiro de teste que obrigasse a uma utilização uniforme por parte de todos os utilizadores, e também os diferentes níveis de experiência com o programa por parte dos utilizadores de teste. No entanto, a maioria das medidas obtidas apresenta valores constantes ao longo de diversas utilizações, igualando os valores que seriam obtidos manualmente, mas com o potencial de os obter em metade do tempo. Pode concluir-se então que, no momento, a avaliação do alinhamento 3D é possível utilizando o software desenvolvido. É possível ainda apontar algumas limitações e fazer algumas sugestões de modo a que estas sejas ultrapassadas. Algumas limitações partiram do facto da experiência a programar em Python ser bastante limitada, e outras partiram do software utilizado para fazer o desenvolvimento. Por exemplo, o método que teria sido o mais indicado para encontrar um certo número de pontos na Tibia não foi possível de implementar devido a um bug interno do software. Existe ainda muita coisa que pode ser feita no que toca ao software desenvolvido e ao objectivo final de desenvolver um método de planeamento pré-operativo: em primeiro lugar, é necessário realizar mais testes, de modo a aumentar o tamanho da amostra e o intervalo de confiança dos testes; em segundo lugar, eliminar a dependência do Geomagic para utilizar o programa seria o ideal; finalmente, de modo a completar o plano inicial, deve ser implementada a possibilidade de visualizar o resultado da cirurgia nos modelos 3D.The lower limbs are responsible for supporting the body and are essential for several tasks such as standing, walking and running. Sometimes, and due to various reasons, defects or deformities can be found on the lower limbs and this has an impact on a person’s quality-of-life. One characteristic of the structure of the lower limb that is affected by these deformities is its alignment, i.e. the relative positions of the bones and joints that it includes. Thanks to the evolution of modern medicine, fixing these deformities is now a common practice in the orthopedics' surgical field. Before any corrective surgery and its respective planning, the deformity needs to be properly analyzed, which is accomplished by the assessment of the alignment of the whole lower limb. Currently, in clinical setting, this assessment is carried out manually in the two-dimensional space, normally using wholeleg X-ray images of the anatomical frontal plane, but complex deformities can not be assessed properly in a 2D image. In a desire to create an automatic computer-based method for the preoperative planning of deformity correction and knee surgery, a project consisting of developing a new software for assessing the lower limb alignment based on 3D models was proposed. The project was comprised of four stages: In the first stage, 3D models of different patients’ lower limbs were generated using both segmentation and 3D rendering software, and it was ensured that these models could be generated by any user without significant variability/error in the final outcome; In the second stage, the exact angles and measures needed for a proper assessment were defined, as well as the anatomic landmarks required to calculate them that should then be found by the software; During the third stage, the software development took place, from which resulted a program that uses the generated 3D models and, in the most automatic way possible and with an easy-to-use interface, returns all the needed angles and measures; The final stage of the project was to ensure that the program is reliable and consistent in its results in both intraobserver and interobserver domain, and that it composes an improvement when compared with the manual procedure, while also ensuring that the results obtained by using the program match those obtained manually. A lot can still be done and improved regarding the developed software and the ultimate goal of fully developing a preoperative planning method, but, so far, the 3D alignment assessment that results from the program has been considered to perform its task properly and in an improved way when compared to the traditional technique, even though some limitations can be observed

Radiological Society of North America (RSNA) 3D printing Special Interest Group (SIG): Guidelines for medical 3D printing and appropriateness for clinical scenarios

Este número da revista Cadernos de Estudos Sociais estava em organização quando fomos colhidos pela morte do sociólogo Ernesto Laclau. Seu falecimento em 13 de abril de 2014 surpreendeu a todos, e particularmente ao editor Joanildo Burity, que foi seu orientando de doutorado na University of Essex, Inglaterra, e que recentemente o trouxe à Fundação Joaquim Nabuco para uma palestra, permitindo que muitos pudessem dialogar com um dos grandes intelectuais latinoamericanos contemporâneos. Assim, buscamos fazer uma homenagem ao sociólogo argentino publicando uma entrevista inédita concedida durante a sua passagem pelo Recife, em 2013, encerrando essa revista com uma sessão especial sobre a sua trajetória

Recent trends, technical concepts and components of computer-assisted orthopedic surgery systems: A comprehensive review

Computer-assisted orthopedic surgery (CAOS) systems have become one of the most important and challenging types of system in clinical orthopedics, as they enable precise treatment of musculoskeletal diseases, employing modern clinical navigation systems and surgical tools. This paper brings a comprehensive review of recent trends and possibilities of CAOS systems. There are three types of the surgical planning systems, including: systems based on the volumetric images (computer tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI) or ultrasound images), further systems utilize either 2D or 3D fluoroscopic images, and the last one utilizes the kinetic information about the joints and morphological information about the target bones. This complex review is focused on three fundamental aspects of CAOS systems: their essential components, types of CAOS systems, and mechanical tools used in CAOS systems. In this review, we also outline the possibilities for using ultrasound computer-assisted orthopedic surgery (UCAOS) systems as an alternative to conventionally used CAOS systems.Web of Science1923art. no. 519