Computed tomography based talocrural joint motion capture for patient-specific external fixator design

Pilon-murtumat ovat vaikeita, välitöntä ortopedistä hoitoa vaativia nilkan traumoja. Trauman jälkeen nilkka on tuettava, mutta ravintoaineiden ja veren virtauksen parantamiseksi nilkan olisi suotavaa saada liikkua kontrolloidusti, esimerkiksi yhden akselin ympäri. Tätä varten on kehitetty kääntyviä, ulkoisia nilkkatukia. Ainetta lisäävän valmistuksen keinoin on mahdollista luoda jokaiselle potilaalle yksilöllinen tuki, joka seuraa potilaan nilkan luonnollista liikerataa. Tätä varten on selvitettävä potilaan ylemmän nilkkanivelen kääntöakselin paikka sekä suunta eri vaiheissa nilkan koukistusta ja ojennusta. Tässä diplomityössä suunniteltiin ja toteutettiin tietokonetomografiaan perustuva mittausmenetelmä. Koehenkilöitä oli kaksi: ensimmäisen nilkka kuvattiin kartiokeila-TT-laitteella kolmessa asennossa (äärikoukistus, neutraali, ääriojennus), ja toisen viidessä (edellä mainitut asennot, sekä puolittainen koukistus ja puolittainen ojennus). Tämän jälkeen kuvista segmentoitiin sääriluu sekä telaluu. Kahden peräkkäisen asennon (ääriojennus-puolittainen ojennus, puolittainen ojennus-neutraali, jne.) luut kohdennettiin toistensa suhteen. Nämä kohdennukset tuottivat kaksi muunnosmatriisia, joiden avulla laskettiin liikkeen kunkin vaiheen kääntöakselin (finite helical axis, FHA) paikka sekä suunta. Menetelmä tuotti järkeviä tuloksia, joten lisäkehitystä suositellaan. Tekniikan oikea tarkkuus on selvitettävä esimerkiksi toistokokein, mutta näitä rajoittaa tietokonetomografiakuvaukseen liittyvä säderasitus.Pilon fracture is a severe ankle trauma, which demands instant orthopedic treatment. After the trauma, the ankle needs to be shielded from load, but to maximize the flows of blood and nutrients, ankle should also be allowed to move in a controlled fashion, e.g. around one axis. External, rotating fixators exist for this purpose. Utilizing additive manufacturing techniques, a patient-specific fixator can be designed. It aims to mimic the natural range of motion, and thus minimize the motion resistance. Prior to the fixator fabrication, the location and orientation of the talocrural joint axis in different phases of the motion needs to be determined. In this thesis, a computed tomography based measurement method was developed and piloted. Two subjects were scanned with a cone-beam CT device: the first subject in three stances (full dorsiflexion, neutral, full plantarflexion), and the second one in five stances (aforementioned three, and in addition, half plantarflexion and half dorsiflexion). After this, the tibia and talus bones were segmented. The corresponding bones in two consecutive poses (full dorsiflexion-half dorsiflexion, half dorsiflexion-neutral, etc.) were registered in respect to each other. These registrations produced two transform matrices, which were used to calculate the finite helical axis (location and orientation) of each phase of the motion. The technique yielded sensible results, thus further development is recommended. The actual accuracy remains unknown, and needs to be determined e.g. by larger patient pool. This is complicated by the radiation burden involved with CT imaging

Three-dimensional printed surgical templates for fresh cadaveric osteochondral allograft surgery with dimension verification by multivariate computed tomography analysis

Background: The fit of the allograft is a particular concern in fresh cadaveric osteochondral allograft (FOCA) surgery. Digital design and fabrication were utilized in conjunction with traditional surgery to enable efficient discovery and reproduction of appropriately dimensioned allograft. Methods: A patient with large osteochondral defects in the lateral femoral condyle was to undergo FOCA surgery. A digital virtual operation was performed, based on computed tomography (CT) images of the patient. Polyamide saw templates were manufactured using a selective laser sintering process, and gypsum powder was used to manufacture preoperative and intraoperative medical models with binder jetting process. The design dimensions were verified numerically by determining the intactness of the section surface and allograft volume based on four independent measurements of the initial design, and an automated design optimization strategy was postulated. For the surgery, a lateral longitudinal approach was employed. Results: The virtual operation allowed an efficient design of the saw templates. Their shape and dimensions were verified with a numerical CT analysis method. The allograft dimensions (medial-lateral/superior-inferior/anterior-posterior) were approximately 40/28.5/24 mm, respectively, with the anterosuperior corner diagonally removed, yielding a section volume of approximately 16.5 cm(3). These manually chosen dimensions were reminiscent of the corresponding computationally optimized values. Conclusions: Use of computer-aided design in virtual operation planning and three-dimensional printing in the fabrication of designed templates allowed for an efficient FOCA procedure and accurate allograft fitting. The numerical optimization method allowed for a semiautomated design process, which could in turn be realized also with surgical navigation or robotic surgery methods. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer reviewe

Additive Manufacturing of Resected Oral and Oropharyngeal Tissue : A Pilot Study

Better visualization of tumor structure and orientation are needed in the postoperative setting. We aimed to assess the feasibility of a system in which oral and oropharyngeal tumors are resected, photographed, 3D modeled, and printed using additive manufacturing techniques. Three patients diagnosed with oral/oropharyngeal cancer were included. All patients underwent preoperative magnetic resonance imaging followed by resection. In the operating room (OR), the resected tissue block was photographed using a smartphone. Digital photos were imported into Agisoft Photoscan to produce a digital 3D model of the resected tissue. Physical models were then printed using binder jetting techniques. The aforementioned process was applied in pilot cases including carcinomas of the tongue and larynx. The number of photographs taken for each case ranged from 63 to 195. The printing time for the physical models ranged from 2 to 9 h, costs ranging from 25 to 141 EUR (28 to 161 USD). Digital photography may be used to additively manufacture models of resected oral/oropharyngeal tumors in an easy, accessible and efficient fashion. The model may be used in interdisciplinary discussion regarding postoperative care to improve understanding and collaboration, but further investigation in prospective studies is required

In vitro cytotoxicity and surface topography evaluation of additive manufacturing titanium implant materials

Custom-designed patient-specific implants and reconstruction plates are to date commonly manufactured using two different additive manufacturing (AM) technologies: direct metal laser sintering (DMLS) and electron beam melting (EBM). The purpose of this investigation was to characterize the surface structure and to assess the cytotoxicity of titanium alloys processed using DMLS and EBM technologies as the existing information on these issues is scarce. "Processed" and "polished" DMLS and EBM disks were assessed. Microscopic examination revealed titanium alloy particles and surface flaws on the processed materials. These surface flaws were subsequently removed by polishing. Surface roughness of EBM processed titanium was higher than that of DMLS processed. The cytotoxicity results of the DMLS and EBM discs were compared with a "gold standard" commercially available titanium mandible reconstruction plate. The mean cell viability for all discs was 82.6% (range, 77.4 to 89.7) and 83.3% for the control reconstruction plate. The DMLS and EBM manufactured titanium plates were non-cytotoxic both in "processed" and in "polished" forms.Peer reviewe

Additive Manufacturing of Resected Oral and Oropharyngeal Tissue: A Pilot Study

Better visualization of tumor structure and orientation are needed in the postoperative setting. We aimed to assess the feasibility of a system in which oral and oropharyngeal tumors are resected, photographed, 3D modeled, and printed using additive manufacturing techniques. Three patients diagnosed with oral/oropharyngeal cancer were included. All patients underwent preoperative magnetic resonance imaging followed by resection. In the operating room (OR), the resected tissue block was photographed using a smartphone. Digital photos were imported into Agisoft Photoscan to produce a digital 3D model of the resected tissue. Physical models were then printed using binder jetting techniques. The aforementioned process was applied in pilot cases including carcinomas of the tongue and larynx. The number of photographs taken for each case ranged from 63 to 195. The printing time for the physical models ranged from 2 to 9 h, costs ranging from 25 to 141 EUR (28 to 161 USD). Digital photography may be used to additively manufacture models of resected oral/oropharyngeal tumors in an easy, accessible and efficient fashion. The model may be used in interdisciplinary discussion regarding postoperative care to improve understanding and collaboration, but further investigation in prospective studies is required

Digital Spare Parts

Published by Aalto University and VTT Technical Research Centre of Finland.Digital spare parts is a concept where the spare parts and the related manufacturing data are stored and transferred in digital form. The spare parts are manufactured using 3D printing according to need, usually close to the end user’s premises. The digitalisation of spare parts aims for a better, more flexible and quicker availability of spare parts, and lower storage, manufacturing and transport costs. The quicker delivery of spare parts can also reduce downtime, which can mean significant cost savings. It is essential in the digitalisation of the companies' spare parts to find the parts in the spare part libraries that bring the greatest benefit when they are stored in digital form and manufactured by 3D printing. Such parts include, in particular, parts of old equipment and machines and slowly circulating parts with complex geometries. Today, 3D printing can be used to manufacture high-performance pieces, and the method is excellently suited to the manufacturing of individual pieces or short-run batches; it also allows the improvement of the spare parts, with updated and intelligent spare parts as examples. Information on a company's spare parts is scattered between multiple systems, and manufacturing data in particular may be difficult to find. At the initial stage, it is important to identify the 3D printable parts in the spare part libraries and digitalise them, not only with regard to 3D models but all other manufacturing data from materials and tolerances to the required post-processing data. The digitalisation of spare parts requires 3D design competence, knowledge of the 3D printing processes, and familiarisation with the printable materials. Spare parts are rarely designed to be manufactured by 3D printing; on the other hand, the selection of 3D printable materials remains reasonably limited, due to which situations where a part is manufactured from a replacement material will likely occur. 3D printing processes produce their own kind of a structure and surface finish, due to which the post-processing of 3D printable parts, such as heat treatments and finishing, must be carefully chosen. The goal is that the properties of parts manufactured by 3D printing are at least as good as those of conventionally manufactured parts. The vision of the roadmap for digital spare parts presented in the report is that after ten years or so, 10% of spare parts are digital, and the manufacturing technology is reliable and is of a high quality. In other words, quality verification, the extension of the related material selection and the automation of processes are required of the 3D printing technologies. 3D printing creates new possibilities for the development of the operation of parts, equipment or entire processes. IDs and sensors can be embedded into 3D printed parts, allowing the tracking of their movement in the supply network and anticipatory condition monitoring. A spare part of the future will be able to automatically order a new part from a digital spare part library so that it can be replaced by the new part just at the right time before the machine breaks down or the process stops

Digitaaliset varaosat

Aalto-yliopiston ja Teknologian tutkimuskeskus VTT:n yhteisjulkaisu.Digitaaliset varaosat on konsepti, jossa varaosat ja niihin liittyvä valmistustieto säilytetään ja siirretään digitaalisessa muodossa. Varaosien valmistus tapahtuu 3D-tulostamalla tarpeen mukaan yleensä lähellä loppukäyttäjää. Varaosien digitalisoinnilla tavoitellaan parempaa, joustavampaa ja nopeampaa varaosien saatavuutta sekä pienempiä varastointi-, valmistus- ja kuljetuskustannuksia. Nopeammalla varaosien toimittamisella voidaan myös pienentää seisokkiaikoja, mikä voi tarkoittaa merkittäviä kustannussäästöjä. Oleellista yritysten varaosien digitalisoinnissa on löytää varaosakirjastoista ne osat, joiden säilyttämisestä digitaalisessa muodossa ja valmistamisesta 3D-tulostamalla saadaan suurin hyöty. Tällaisia osia ovat etenkin vanhojen laitteiden ja koneiden osat sekä hitaasti kiertävät osat, jotka ovat geometrialtaan monimutkaisia. 3D-tulostamalla voidaan nykypäivänä valmistaa suorituskykyisiä kappaleita ja menetelmä soveltuu erinomaisesti yksittäiskappaleiden tai pienten sarjojen valmistamiseen. Digitaalinen valmistus antaa myös mahdollisuuden kehittää varaosia, mistä esimerkkinä voidaan mainita päivitetyt ja älykkäät varaosat. Tiedot yritysten varaosista ovat hajallaan monissa järjestelmissä ja varsinkin valmistukseen liittyvää tietoa voi olla vaikea löytää. Alkuvaiheessa on tärkeää tunnistaa 3D-tulostettavat osat varaosakirjastoista ja digitalisoida osat mukaan lukien niin 3D-mallit kuin kaikki muu valmistustieto materiaaleista ja toleransseista tarvittaviin jälkikäsittelytietoihin. Varaosien digitalisointi vaatii 3D-suunnitteluosaamista sekä 3D-tulostusprosessien tuntemusta ja tulostettaviin materiaaleihin perehtymistä. Varaosia on harvoin tarkoitettu valmistettavaksi 3D-tulostamalla ja toisaalta 3D-tulostettavien materiaalien valikoima on vielä kohtuullisen rajallinen, mistä syystä joudutaan todennäköisesti tilanteisiin, joissa valmistetaan osa jostakin korvaavasta materiaalista. 3D-tulostusprosessit tuottavat omanlaista rakennetta ja pinnanjälkeä, mistä syystä myös 3D-tulostettavien osien jälkikäsittelyt kuten lämpökäsittelyt ja viimeistelyt on valittava huolellisesti. Tavoite on, että 3D-tulostamalla valmistettujen osien ominaisuudet ovat vähintään yhtä hyvät verrattuna perinteisesti valmistettuihin osiin. Raportissa esitetyn digitaalisten varaosien tiekartan visio on, että noin kymmenen vuoden päästä 10% varaosista on digitaalisia ja valmistusteknologia on luotettavaa ja laadukasta. 3D-tulostusteknologioilta edellytetään siis laadun tosittamista, niihin liittyvän materiaalikirjon laajenemista sekä prosessien automatisointia. 3D-tulostaminen avaa uusia mahdollisuuksia kehittää osien, laitteiden tai kokonaisten prosessien toimintaa. 3D-tulostettuihin osiin voidaan upottaa tunnisteita ja sensoreita, joiden avulla voidaan seurata osien liikkumista toimitusverkostossa sekä suorittaa ennakoivaa kunnonvalvontaa. Tulevaisuuden varaosa osaa tilata automaattisesti uuden osan digitaalisesta varaosakirjastosta, jolloin uusi osa saadaan vaihdetuksi kuluneen tilanne juuri oikeaan aikaan ennen koneen rikkoutumista tai prosessin pysähtymistä

Kuvantaminen ja digitaalinen suunnittelu ainetta lisäävän valmistuksen lääketieteellisiin sovelluksiin

Since their inception in the late 80s, additive manufacturing (AM) technologies have contributed largely in the paradigm change of production engineering. A focal area where these processes offer exceptional contemporary applications and future potential is the medical milieu; low production volumes, high degree of customization, and complexity of required shapes are strong drivers leading towards digital fabrication.  Medical applications of additive manufacturing are classified to span five distinct categories: medical models, external prostheses and guides, surgical tools, inert implants, and biomanufacturing. The primary aim for this dissertation is to develop the five-step process for medical applications of AM: medical imaging, digital design, fabrication, post-processing, and clinical application.  In the center of a successful clinical AM application lies the digital design phase. The results of this dissertation present optimization framework for medical imaging in order to ensure quality of source material for the designs. Subsequently, the design step is enhanced by developing and presenting practical and computational methods for design automation and conversion techniques into efficient clinical applications.  The research focusing on the critical steps of the process is complemented with a holistic view on the complete process. Apart from the technical solutions offered, the collaborative needs, and information and communication flows within the process are essential for successful medical application of additive manufacturing. Critical future research topics required in the research area include novel material and software development as well as more efficient utilization of existing technologies.Ainetta lisäävä valmistus (additive manufacturing, AM) on ollut noin kolmen vuosikymmenen ajan merkittävä tekijä valmistustekniikan paradigman muutoksessa. Lääketiede ja terveydenhoito ovat näille tekniikoille erityisen kiinnostava sovelluskohde; matalat tuotantovolyymit, korkea kustomoinnin aste, sekä vaadittujen rakenteiden kompleksisuus ovat tekijöitä, jotka ajavat kohti digitaalista tuotantoa.  Ainetta lisäävän valmistuksen lääketieteelliset sovellukset ovat järjestettävissä viiteen luokkaan: lääketieteelliset mallit, kehon ulkopuoliset proteesit ja ohjurit, kirurgiset työkalut, kehonsisäiset implantit, sekä biovalmistus. Tämän väitöstutkimuksen päätavoite on ainetta lisäävän valmistuksen lääketieteellisten sovellusten viisivaiheisen prosessin kehittäminen: lääketieteellinen kuvantaminen, digitaalinen suunnittelu, valmistus, jälkikäsittely, ja kliininen sovellus.  Onnistuneen kliinisen AM-sovelluksen toteuttamisessa kriittinen vaihe on digitaalinen suunnittelu. Tämän väitöstutkimuksen tulokset muodostavat rungon lääketieteellisen kuvantamisen optimoimiseen, jotta suunnittelussa tarvittava lähdemateriaalin laatu turvataan. Suunnitteluvaihetta tehostetaan kehittämällä käytännöllisiä ja laskennallisia menetelmiä suunnitteluautomaatioon ja konversioon kohti tehokasta, onnistunutta kliinistä applikaatiota.  Prosessin kriittisten vaiheiden tutkimusta täydennetään koko prosessin yleiskuvauksella. Tässä tutkimuksessa tuotettujen teknisten ratkaisujen ohella yhteistyö sekä informaatio- ja kommunikaatiovuot prosessin ja verkoston osien välillä ovat tärkeitä. Tulevaisuuden tutkimuskohteista tällä alueella tärkeimpiä ovat uusien materiaalien sekä ohjelmistojen kehitys, ja olemassaolevien tekniikoiden tehokkaampi hyödyntäminen

Experiments with machine vision for polymer flowability analysis in powder bed fusion

This research explores the real-time process control of polymer flowability in Powder Bed Fusion (PBF). To do so, a novel system based on machine vision and an image-processing algorithm was developed and tested in an open hardware and software PBF system. The system has the ability to analyze the quality of the powder bed by computing a defect ratio of the powder bed after each recoating operation. Then, this ratio is used as a performance variable in three full factorial Design of Experiments (DOE). The results show that the installation of machine vision and image processing system can potentially provide a signal to repeat the recoating process and correct the defect on the powder bed. At the same time, recoating process parameters can be adjusted dynamically to guarantee an optimum quality of the powder bed and minimize possible build failures.Published versio