Computer-aided planning of bone reconstructive surgery : optimisation of implant design through automation, integration and biomechanical validation

Abstract

Complexe reconstructieve botchirurgie vereist een goed drie-dimensioneel, operatieplan. Helaas is het opstellen van zo’n plan met conventionele computerondersteunde technieken, belastend en tijdsintensief. De gebruiker – een chirurg of een biomedisch ingenieur – moet zich manueel en met kennis van zaken door medische beeldverwerkingssoftware en CAD programma’s worstelen om, uitgaande van de defecte situatie van het bot, de positie van een gestandaardiseerde component van een implantaat vast te leggen en een rondliggende botstructuur vorm te geven. Bovendien vergt een goed operatieplan meer dan alleen maar een voorstelling van de botgeometrie, en intelligente programma’s voor de reconstructie van het bot. De belangrijkste zorg van de chirurg gaat uit naar de stabiliteit van de reconstructie, het vrijwaren van gezond omliggend weefsel, en daarmee, het herstel van de functionaliteit van de patiënt. Tot voor kort werden bijvoorbeeld louter generische musculoskeletale modellen en Eindige Elementen (EE) studies voorgesteld om het resultaat van een ingreep te simuleren. Doeltreffende en volledig geautomatiseerde technieken voor het individualiseren van spiertrajecten en spieraanhechtingen zijn – hoewel onmisbaar in geval van gepersonaliseerde reconstructies – nog niet beschikbaar. Het doel van dit doctoraatsonderzoek is het computer-gesteund plannen van reconstructieve botchirurgie, en meer precies het implantaatontwerp, te optimaliseren door middel van automatisatie, integratie en biomechanische validatie. Een computer-gesteunde methodologie die de gebruiker een biomechanisch verantwoord en automatisch voorstel tot correctie van een botdefect of een botmisvorming aanbiedt, dient ontwikkeld en gevalideerd te worden. Dit voorstel, dat initieel zal dienst doen als een bijkomend diagnosemiddel, kan dan gebruikt worden om een gepersonaliseerd – mogelijk defectvullend en lastdragend – implantaat vorm te geven, en om dit moeiteloos op volledig patiënt-specifieke wijze te evalueren in een eindige elementen softwarepakket. Tenslotte dient het resulterende CAD (Computer-Aided-Design) ontwerp efficiënt gekoppeld te worden aan directe (Rapid Manufacturing (RM)) en indirecte (persen, frezen van mallen) productietechnieken. De algemeen ontwikkelde methodologie wordt uiteengezet met klinische en retrospectieve gevalsstudies over het gevarieerde domein van reconstructieve botchirurgie. Concreet omhelst dit voorbeelden uit de orthopedie / traumachirurgie en cranio-maxillo-faciale- en kaakchirurgie.status: publishe