Towards a CAD-based automatic procedure for patient specific cutting guides to assist sternal osteotomies in pectus arcuatum surgical correction

Abstract Pectus Arcuatum, a rare congenital chest wall deformity, is characterized by the protrusion and early ossification of sternal angle thus configuring as a mixed form of excavatum and carinatum features. Surgical correction of pectus arcuatum always includes one or more horizontal sternal osteotomies, consisting in performing a V-shaped horizontal cutting of the sternum (resection prism) by means of an oscillating power saw. The angle between the saw and the sternal body in the V-shaped cut is determined according to the peculiarity of the specific sternal arch. The choice of the right angle, decided by the surgeon on the basis of her/his experience, is crucial for a successful intervention. The availability of a patient-specific surgical guide conveying the correct cutting angles can considerably improve the chances of success and, at the same time, reduce the intervention time. The present paper aims to propose a new CAD-based approach to design and produce custom-made surgical guides, manufactured by using additive manufacturing techniques, to assist the sternal osteotomy. Starting from CT images, the procedure allows to determine correct resection prism and to shape the surgical guide accordingly taking into account additive manufacturing capabilities. Virtually tested against three case studies the procedure demonstrated its effectiveness. Highlights Patient-specific surgical guide improves the chances of success in sternal osteotomy. A CAD-based approach to design and produce custom-made surgical guides is proposed. The proposed framework entails both a series of automatic and user-guided tasks

Sistema di realtà virtuale per la simulazione chirurgica CAD-based

Una componente importante della pianificazione chirurgica è la progettazione di ausili chirurgici per la progettazione di impianti o in generale dispositivi medici personalizzati. Uno degli aspetti più cruciali di questa procedura è la comunicazione tra progettista e chirurgo. Le inefficienze derivanti da un confronto poco chiaro tra le due parti portano a risultati indesiderati e ad un sostanziale aumento del tempo necessario per completare la progettazione e la produzione, ma possono essere ridotti al minimo quando queste due figure sono la stessa persona. Dato che attualmente è improponibile pensare di escludere completamente il ruolo dell’esperto CAD da questo processo, si sono comunque perseguiti degli obiettivi come la standardizzazione della procedura di progettazione e il raggiungimento di un processo efficace; dal momento che la maggiore affidabilità di una prassi così standardizzata rappresenta uno dei fattori fondamentali al fine di ridurre anche i rischi per i pazienti. In letteratura è evidente come tra gli approcci presi in considerazione per tentare di ridurre queste divergenze c’è stata la realtà virtuale. Si tratta di una tecnologia di tendenza, ampiamente accessibile e contemporanea di crescente utilità per le applicazioni biomediche e sanitarie. Tuttavia, la maggior parte delle implementazioni degli ambienti di realtà virtuale sono personalizzate per applicazioni specifiche. Nel presente elaborato si descrive lo sviluppo completo di un nuovo ambiente di realtà virtuale, svolto attraverso la piattaforma Unity, il quale prevede l’importazione di modelli CAD di parti anatomiche che necessitano di intervento chirurgico ablativo di parte della struttura ossea. Ciò che l’applicazione consente di fare è visualizzare interattivamente i modelli CAD e di utilizzare strumenti che consentono la individuazione e selezione delle direzioni di taglio più ottimali rispetto alle quali sono successivamente progettate le dime chirurgiche, importando per ultimo queste informazioni sul software Geomagic Design X di 3D Systems. L’approccio proposto è stato utile per verificare che il sistema di realtà virtuale permette di risparmiare step rispetto alla procedura convenzionalmente eseguita su Geomagic Design X e che pertanto offrirebbe al clinico uno strumento semplice ed intuitivo che lo renderebbe autonomo nelle prime fasi di simulazione chirurgica.An important component of surgical planning is the design of surgical aids for the design of implants or in general customized medical devices. One of the most crucial aspects of this procedure is the communication between the designer and the surgeon. The inefficiencies resulting from an unclear comparison between the two parties lead to undesirable results and a substantial increase in the time required to complete the design and production, but can be minimized when these two figures are the same person. Given that it is currently unthinkable to think of completely excluding the role of the CAD expert from this process, objectives such as the standardization of the design procedure and the achievement of an effective process have nevertheless been pursued; since the greater reliability of such a standardized practice represents one of the fundamental factors in order to also reduce the risks for patients. In the literature it is clear that virtual reality was one of the approaches taken into consideration to try to reduce these differences. It is a trendy, widely accessible and contemporary technology of increasing utility for biomedical and healthcare applications. However, most implementations of virtual reality environments are customized for specific applications. This paper describes the complete development of a new virtual reality environment, carried out through the Unity platform, which provides for the import of CAD models of anatomical parts that require ablative surgery of part of the bone structure. What the application allows you to do is interactively view the CAD models and to use tools that allow the identification and selection of the most optimal cutting directions with respect to which the surgical guides are subsequently designed, importing this information into the Geomagic Design X software by 3D Systems. The proposed approach was useful for verifying that the virtual reality system saves steps compared to the procedure conventionally performed on Geomagic Design X and that it would therefore offer the clinician a simple and intuitive tool that would make him autonomous in the early stages of surgical simulation