Software automatizzato gratuito per la progettazione di impianti cranici stampabili in 3D

La riparazione dei difetti del cranio con impianti cranici personalizzati , altrimenti nota come cranioplastica, è costosa e richiede molto tempo, poiché il processo esistente spesso comporta colli di bottiglia a causa dei lunghi tempi di attesa per la progettazione, la fabbricazione e la spedizione dell’impianto. Mentre la stampa 3D degli impianti può aiutare con questi problemi, un team di ricercatori dell’Università di Tecnologia di Graz e dell’Università medica di Graz in Austria ha pubblicato un documento, ” Una piattaforma online per il ripristino automatico dei difetti del cranio e la progettazione di impianti cranici “, su un sistema automatizzato hanno ideato un sistema per la progettazione di impianti cranici che può fare ancora meglio.

“A causa degli elevati requisiti per la progettazione di impianti cranici, come l’esperienza professionale richiesta e il software commerciale, la cranioplastica può comportare un’operazione costosa per il sistema sanitario”, hanno scritto i ricercatori. “In cima, l’attuale processo è una causa di ulteriore sofferenza per il paziente, poiché sono coinvolti almeno due interventi chirurgici: la craniotomia, durante la quale viene rimossa la struttura ossea, e la cranioplastica, durante la quale il difetto viene ripristinato utilizzando il impianto progettato. Quando l’impianto cranico è progettato esternamente da un produttore di terze parti, questo processo può richiedere diversi giorni [1], lasciando al paziente un cranio incompleto. “

Nel caso di studio sopra citato, i ricercatori hanno spiegato che un centro di progettazione professionale nel Regno Unito ha progettato l’impianto cranico per un paziente che viveva in Spagna. Le scansioni CT dovevano essere trasferite dall’ospedale in Spagna al centro di progettazione del Regno Unito, quindi una società britannica separata stampava in 3D l’impianto di titanio, che veniva rispedito in Spagna. È un sacco di inutili avanti e indietro.

“Pertanto, l’ottimizzazione dell’attuale flusso di lavoro nella cranioplastica rimane un problema aperto, con la progettazione dell’impianto come collo di bottiglia primario”, hanno affermato.

“Illustrazione del processo di sala operatoria per la progettazione e produzione di impianti cranici. Sinistra: un possibile flusso di lavoro. A destra: come l’impianto dovrebbe adattarsi al difetto del cranio in termini di contorno del difetto e spessore osseo. ”

Un’opzione è lo sviluppo di software CAD gratuiti ad hoc per la progettazione di impianti cranici, ma il processo di progettazione richiede ancora esperienza e una lunga attesa.

“In questo studio, introduciamo un sistema rapido e completamente automatico per la progettazione di impianti cranici. Il sistema è integrato in una piattaforma online liberamente accessibile “, ha spiegato il team. “Inoltre, discutiamo di come un tale sistema, combinato con AM, possa essere incorporato nella pratica della cranioplastica per ottimizzare sostanzialmente l’attuale routine clinica.”

Il sistema che hanno sviluppato è stato integrato in Studierfenster , una piattaforma aperta di elaborazione di immagini mediche basata su cloud che, con l’aiuto di algoritmi di deep learning, ripristina automaticamente la parte mancante di un cranio. La piattaforma genera quindi il file STL per un impianto specifico per il paziente sottraendo il cranio difettoso da quello completato e può essere stampato in 3D in loco.

“Inoltre, grazie al formato standard, l’utente può successivamente caricare il modello in un’altra applicazione per la post-elaborazione ogni volta che è necessario”, hanno scritto i ricercatori. “Fin dalla sua prima versione sono state integrate diverse funzionalità aggiuntive nella piattaforma, come la ricostruzione facciale 3D da un’immagine 2D, la verniciatura e il restauro di dissezioni aortiche (AD) [4], il rilevamento automatico del punto di riferimento aortico e la progettazione automatica dell’impianto cranico. La maggior parte degli algoritmi alla base di queste funzionalità interattive viene eseguita sul lato server e può essere facilmente accessibile dal client utilizzando un’interfaccia browser comune. I calcoli sul lato server consentono l’uso della piattaforma remota anche su dispositivi più piccoli con capacità computazionali inferiori. “

La stampa 3D degli impianti rende il processo più veloce e, combinandolo con una soluzione di progettazione automatizzata dell’impianto, le cose accelerano ancora di più. I ricercatori hanno spiegato come potrebbe potenzialmente andare il loro flusso di lavoro ottimizzato:

“Dopo che una parte del cranio è stata rimossa da un chirurgo, il difetto del cranio viene ricostruito da un software fornito come input alla TC post-operatoria del paziente. Il software genera l’impianto prendendo la differenza tra i due teschi. Successivamente, il modello di superficie dell’impianto viene estratto e inviato alla stampante 3D nella sala operatoria per la stampa 3D. L’impianto può quindi essere prodotto in loco. L’intero processo di progettazione e produzione degli impianti avviene in modo completamente automatico e in sala operatoria. “

Il costo diminuisce, poiché non sono necessari esperti, e anche i tempi di attesa sono ridotti, grazie al software di progettazione automatica dell’impianto e alla stampa 3D in loco. Anche la sofferenza del paziente diminuirà, poiché la cranioplastica può essere eseguita subito dopo la rimozione del tumore.

“Architettura del sistema automatico di progettazione di impianti cranici in Studierfenster. Il lato server è responsabile della generazione dell’impianto e del rendering mesh. Il lato browser è responsabile della visualizzazione del modello 3D e dell’interazione dell’utente. “

L’algoritmo del team, che elabora i volumi anziché un modello mesh 3D, può elaborare direttamente i dati di imaging ad alta dimensione ed è accessibile agli utenti e facile da usare, tramite Studierfenster. Un altro algoritmo sul lato server del sistema converte i volumi del cranio difettoso completato e dell’impianto in modelli di mesh di superficie 3D. Una volta eseguito il rendering, l’utente può ispezionare i modelli scaricabili nella finestra del browser.

“Un esempio di restauro automatico dei difetti del cranio e progettazione dell’impianto. Prima fila: il cranio difettoso, il cranio completato e l’impianto. Seconda fila: come l’impianto si adatta al cranio difettoso in termini di contorno del difetto, spessore e forma dell’osso. Per differenziare, l’impianto utilizza un colore diverso dal cranio. “

“Il sistema è attualmente destinato esclusivamente a scopi didattici e di ricerca, ma rappresenta la tendenza dello sviluppo tecnologico in questo campo”, hanno concluso i ricercatori. “Poiché il sistema è integrato nella piattaforma aperta Studierfenster, le sue prestazioni dipendono in modo significativo dall’hardware / architettura della piattaforma. La conversione del volume del cranio in una mesh può essere lenta, poiché la mesh di solito è molto densa (ad esempio, milioni di punti). Ciò verrà migliorato introducendo un hardware migliore sul lato server. Un altro fattore limitante è l’architettura client / server della piattaforma. La mesh di grandi dimensioni deve essere trasferita dal lato server al lato browser per poter essere visualizzata, che può essere lenta, a seconda della qualità della connessione Internet dell’utente. “

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