3D-printing som hjelpemiddel ved ortopedisk kirurgi i smådyrpraksis
3D-printing av pasientspesifikke anatomiske modeller har fått økende popularitet innen human- og veterinærmedisin. Modellene kan brukes til preoperativ planlegging og trening, og dermed bidra til kortere operasjonstid og redusert risiko for kirurgiske komplikasjoner. Utdanning og videreutdanning er andre bruksområder. I denne artikkelen beskrives bruken av 3D-printing innen veterinærmedisin, med spesiell vekt på ortopedisk smådyrkirurgi. Det presenteres to kasuistikker der 3D-printing ble anvendt både pre- og intraoperativt.
Spesialistkandidat bildediagnostikk (ECVDI)
NMBU Veterinærhøgskolen, Dyresykehuset smådyr
Universitetslektor
NMBU Veterinærhøgskolen, Dyresykehuset smådyr
Førsteamanuensis emeritus
NMBU Veterinærhøgskolen, Dyresykehuset smådyr
Innledning
3D-printing er en teknikk hvor tredimensjonale modeller bygges opp ved å legge tynne sjikt av materiale (filament) lag på lag. Teknikken benyttes i mange fagområder, blant annet bilindustri og romfart. De siste tiårene har 3D-printing også blitt brukt i humanmedisin, og da særlig ved printing av anatomiske modeller og medisinsk utstyr (1,2). Anatomiske modeller kan lages med utgangspunkt i CT- og MR-studier, og dermed bli tro kopier av pasientens egen anatomi. Slike modeller kan brukes til å bedre forståelsen av patoanatomiske forhold, trene på kirurgiske prosedyrer og tilpasse implantater til pasienten allerede før operasjonen starter. Flere studier har vist at 3D-modeller bidrar til å redusere både operasjonstid og risiko for kirurgiske komplikasjoner (1,3,4). Fra å være en kostbar teknologi forbeholdt store institusjoner, har 3D-printere og filament blitt stadig billigere og mer tilgjengelig. Selv om det finnes mange avanserte og dyre filamenttyper på markedet, kan billige typer i plast være gode nok for å gjengi anatomiske strukturer. For eksempel har den billige filamenttypen PLA (polylactic acid) vist seg å gi presise gjengivelser av knokkelmorfologi (5). Printerne har også blitt mindre, slik at en som egner seg for printing av gode anatomiske modeller i dag får plass på et skrivebord (6).
3D-printing innen veterinærmedisin
De første artiklene som beskriver 3D-printing som hjelpemiddel ved ortopedisk kirurgi på hund ble publisert tidlig på 2000-tallet. En kasuistikk fra 2003 omtaler multifokale knokkeldeformiteter hos en ett år gammel schæferhund, der en 3D-modell var til stor hjelp både preoperativt og intraoperativt (7). Preoperativt var modellen til nytte ved planlegging av operasjonen og til trening på den kirurgiske prosedyren. Intraoperativt var modellen til nytte som en prototyp på hva en ønsket å oppnå. I konklusjonen skriver forfatterne: “A biomodel takes out most of the guesswork that a surgeon usually has to struggle with on a daily basis.”
De siste 20 årene er det publisert mange artikler som beskriver ulik bruk av 3D-printede anatomiske modeller i veterinærmedisin. De fleste publikasjonene angår ortopedisk kirurgi på smådyr. Både frakturer, komplekse aksefeilstillinger samt kjeve- og ansiktsdeformiteter er omtalt (8-11). Med de store anatomiske forskjellene det er mellom ulike pasienter i smådyrpraksis er det å kunne forberede en operasjon med støtte i en modell av pasientens egen anatomi fordelaktig (12).
Flere artikler omtaler også bruk av 3D-printede kirurgiske guider. Dette er individuelt tilpassede maler som kan hjelpe kirurgen med å plassere osteotomier og skruehull på rett sted og i riktig vinkel, sørge for optimal reposisjon av frakturer og sikre korrekt plassering av implantater. Slike guider kan også brukes ved minimalt invasiv kirurgi (13-15). Det er videre publisert artikler som beskriver 3D-printing av pasientspesifikke implantater, blant annet i titan (16).
3D-printede anatomiske modeller har hittil blitt brukt mest ved ortopediske inngrep, men har fordeler også ved bløtvevskirurgi. Et eksempel er ved planlegging av operasjon for karanomalier (17).
3D-printing som hjelpemiddel i undervisning
3D-printede modeller kan også nyttes i undervisning av studenter og ved videreutdanning. En undersøkelse viste at veterinærstudenter gjorde det like godt på praktisk eksamen i nevroanatomi om de hadde fått opplæring med 3D-modeller eller plastinerte preparater (18). En annen undersøkelse viste at studenter presterte bedre på en prøve i hestefotens anatomi om de fikk undervisning basert på fysiske 3D-modeller framfor lærebøker eller digitale 3D-rekonstruksjoner på dataskjerm (19). For veterinærer og veterinærstudenter som vil opparbeide kirurgiske ferdigheter kan 3D-modeller av både normal og patologisk anatomi være til hjelp (12).
NMBU Veterinærhøgskolen startet i 2021 med å 3D-printe anatomiske modeller basert på CT-studier. De fleste modellene er laget for preoperativ planlegging av ortopedisk kirurgi på hund og katt. Det er også printet anatomiske modeller fra flere dyrearter til bruk i studentundervisningen. Noen modeller er benyttet under samtaler med eiere og kolleger, for bedre å forklare sykdomsutvikling, diagnose, behandling og prognose.
Kasuistikker
I det følgende presenteres to kasus ved NMBU Dyresykehuset smådyr der 3D-printede modeller ble brukt pre- og intraoperativt.
Kasus 1
Anamnese
En 11 måneder gammel korthåret dachshund, intakt hann på 10,0 kg, ble henvist til NMBU Veterinærhøgskolen på grunn av en svært hjulbeint bakbeinstilling. Hunden var normalt aktiv, tilsynelatende smertefri og den eneste i kullet med slike bakbein. Henvisende veterinær mente årsaken var en bilateral vekstforstyrrelse.
Klinisk undersøkelse
Ved generell kroppsundersøkelse ble det ikke gjort signifikante funn. Begge bakbein hadde et tydelig akseavvik hvor distale del var rettet innover (hjulbeinthet). Det var litt nedsatt bevegelsesutslag (ekstensjon) i begge haser. Hunden ble vurdert som haltfri, men viste på grunn av bakbeinstillingen unormale bevegelser i både skritt og trav.
Diagnostiske undersøkelser
Det ble utført røntgenologisk undersøkelse av begge bakbein fra hofteledd til haseledd i kraniokaudal og lateral projeksjon.
Diagnose
På grunnlag av kliniske funn og røntgenbilder ble hunden diagnostisert med ‘pes varus’ i begge bakbein (Figur 1). Diagnosen innebærer en innoverkrumming av distale tibia som følge av nedsatt lengdevekst i den mediale delen av tibias distale epifyseskive (20). Sykdommen sees vanligst hos dachshund og kan opptre både uni- og bilateralt.
Behandling
Eier ønsket en funksjonsfrisk jakthund og var derfor interessert i den behandlingen som ga best prognose. Det ble anbefalt å gjøre to korrektive osteotomier.
Med utgangspunkt i røntgenbildene i kraniokaudal projeksjon ble høyre og venstre tibia funnet å ha et akseavvik på henholdsvis 38 og 35 grader. Disse avvikene ble planlagt korrigert ved to operasjoner som begge innebar en «åpen kile»-osteotomi og påfølgende fiksering med en 32 mm lang Fixin T Support plate (21,22). For hvert bakbein var utfordringen å bestemme riktig nivå for osteotomien, beregne «gapet» for korreksjon av tibiaaksen og å finne den beste posisjonen for implantatet.
En CT-undersøkelse med påfølgende bearbeiding av data og 3D-printing ga plastmodeller av høyre og venstre tibia/fibula i sann form og størrelse. For å framstille modellene ble CT-data bearbeidet i to ulike programvarer. Først ble uaktuell anatomi fjernet med et segmenteringsprogram (3D Slicer). Deretter ble modellene orientert i ønsket posisjon, og nødvendige støttestrukturer ble påsatt med printerprogrammet ideaMaker (Raise 3D Technologies, Inc). En Raise3D E2-printer ble brukt for å printe ut modellene (Figur 2).
Med modellene og implantatene tilgjengelig kunne de ovenfor nevnte utfordringene løses. Om osteotomiene ble gjort 13 mm proksimalt for tibias distale leddflate ble «gapet» for aksekorreksjonen både for høyre og venstre bakbein beregnet til 11 mm. Ved å kutte modellene på tiltenkt sted og korrigere aksen som beregnet, kunne også implantatenes posisjon prøves ut (Figur 3). Det viste seg da spesielt viktig å vurdere holdet for de to distale låseskruene. Ettersom distale tibia har en gradvis større diameter i retning mot haseleddet, ble det et valg mellom enten å plassere de to distale skruene svært nær leddspalten eller å rette den ene av dem i en ikke 90-graders vinkel i forhold til plata.
Hunden ble operert først på venstre bakbein og to uker senere på høyre bakbein (Figur 4). Ved begge operasjonene ble beregningene utført på 3D-modellene anvendt i praksis.
Videre oppfølging og konklusjon
I ukene som fulgte var største utfordring å holde hunden i ro. Likevel brakk plata på venstre tibia tre uker etter at den var satt inn og ble da erstattet med en ny. Ved siste kontroll, tre måneder etter den første operasjonen, var hunden haltfri og med normale bakbeinsakser for en dachshund. Halvannet år gammel var hunden klar til å jakte.
Kasus 2
Anamnese
En fem år gammel blandingshund (australsk cobberdog), kastrert hann på 18,7 kg, ble løpt ned av en større hund. Rett etter sammenstøtet var cobberdogen ambulant, men mistet over natten evnen til å stå på bakbeina. Lokal dyrlege som undersøkte hunden dagen etter stilte diagnosen paraparese som følge av et spinalt traume ved torakolumbalovergangen. Hunden ble behandlet symptomatisk og henvist videre til NMBU Veterinærhøgskolen.
Klinisk undersøkelse
Ved ankomst var hunden ikke-ambulatorisk paraparetisk og lå i sideleie med opistotonus og økt ekstensortonus i begge frambein (Schiff-Sherrington positur). Den var respiratorisk og sirkulatorisk stabil. Mental status var uten anmerkning, men hunden var urolig. Dyp smertefølelse ble påvist både i halen og begge bakbein. De spinale refleksene var til stede bortsett fra cutaneous trunci muskelrefleks kaudalt for T13. På bakgrunn av funnene ble nevrolokalisasjonen angitt å være mellom T3 og L3.
Diagnostiske undersøkelser
Det ble først utført en CT-undersøkelse og deretter en MR-undersøkelse av ryggen.
Diagnose
CT-undersøkelsen viste en vertebral subluksasjon av T12-T13 (Figur 5), og MR-undersøkelsen viste at ryggmargen i dette området var svakt komprimert av små mengder diskmateriale og blødning i vertebralkanalen.
Behandling
Det ble bestemt at hunden skulle opereres ved at subluksasjonen først ble reponert og deretter stabilisert med metallpinner og beinsement (23). Tre positivt gjengede metallpinner skulle da plasseres i virvellegemet til henholdsvis T12 og T13, og på en slik måte at de fikk godt feste i beinvevet uten å skade nærliggende kar og nervevev.
Etter tilsvarende metode som for Kasus 1, ble 3D-printede plastmodeller laget på grunnlag av CT-studien. For Kasus 2 ble én sammensatt modell av T12 og T13 i subluksert stilling printet ut i sann størrelse. På modellen var det enkelt å finne de beste inngangspunktene for de seks tiltenkte pinnene. Videre var det lett å finne de seks beste utgangspunktene. På grunnlag av punktene kunne metallpinner settes inn i modellen og derved vise den optimale retningen både kranialt/kaudalt og dorsalt/ventralt, for hver av pinnene som senere skulle plasseres i de virkelige knoklene. Modellen viste også hvor mange millimeter av pinnene som kunne føres inn i beinvevet før spissen kom ut på den andre siden (Figur 6).
3D-modellen med innsatte metallpinner var til vesentlig hjelp intraoperativt, som en prototyp på hva vi ønsket å oppnå. Spesielt må nevnes nytteverdien av å ha lokalisert det beste inngangspunktet og bestemt den beste retningen for hver av de seks gjengede pinnene som skulle inngå i implantatet. Disse pinnene ble satt inn uten bruk av gjennomlysning eller intraoperative røntgenbilder. Postoperativ CT viste at samtlige seks pinner var plassert slik som planlagt (Figur 7).
Videre oppfølging og konklusjon
Hunden ble på Veterinærhøgskolen i tre døgn for postoperativ overvåking og behandling. Ved hjemsendelsen var den fortsatt paraparetisk, men kunne gå med ataktiske bakbeinsbevegelser med litt støtte under buken. Ved siste kontroll seks uker senere var hunden ambulatorisk og betydelig mindre ataktisk.
Diskusjon
Innen smådyrkirurgi kan de fleste ortopediske utfordringer behandles på grunnlag av anamnese, klinisk undersøkelse og røntgenbilder. Ved mer kompliserte problemstillinger kan også avansert bildediagnostikk og andre hjelpemidler være nødvendig for å oppnå et godt resultat. Pasientspesifikke 3D-printede modeller er et slikt hjelpemiddel som nylig er tatt i bruk på NMBU Veterinærhøgskolen.
Våre begrensede erfaringer med 3D-modeller er utelukkende positive, og vi har erfart flere av de fordelene som tidligere er omtalt i litteraturen (12). For de to kasusene presentert i denne artikkelen bidro modellene til forutsigbarhet i de kirurgiske prosedyrene og fjernet pre- og intraoperative usikkerhetsfaktorer. Dette mener vi bidro til gode resultater. Vi opplevde også at 3D-modellene ga en mer realistisk og taktil forståelse av anatomien sammenlignet med todimensjonale framstillinger som røntgen og CT. Det å kunne erfare anatomien til pasienten med hendene framfor bare øynene ga en ny forståelse og trygghet. Dette er beskrevet som “haptisk utforskning» (24).
Det er fra humanmedisinen angitt at 3D-modeller bidrar til å redusere risikoen for kirurgiske komplikasjoner (1,3,4). Dette kan sannsynligvis overføres til veterinærmedisin. Likevel opplevde vi at Kasus 1 fikk en alvorlig komplikasjon da plata brakk på venstre tibia tre uker postoperativt. Platebrudd er gjerne resultat av et misforhold mellom styrken på implantatet og de kreftene det utsettes for (25), og for mye fysisk aktivitet postoperativt ble regnet som den sannsynlige årsaken i dette tilfellet. Det er like fullt verdt å merke seg at komplikasjoner kan oppstå, også når 3D-modeller anvendes.
Vi tror at 3D-printing i forbindelse med ortopedisk kirurgi har kommet for å bli. Ved Veterinærhøgskolen ønsker vi å fortsette med denne teknologien og benytte den på selekterte kasus. For hver aktuell pasient bør det gjøres en kost/nytte-vurdering der den kirurgiske problemstillingen, kirurgens erfaring og eiers økonomi vektlegges.
Som et naturlig neste steg ønsker vi å prøve ut 3D-printede kirurgiske guider. Disse kan brukes ved reposisjon av kompliserte frakturer og ved minimalt invasiv kirurgi (13-15). Framstilling av slike guider vil kreve et nært samarbeid mellom radiologer, kirurger og ingeniørteknisk personale.
Denne artikkelen presenterer kun to kasus hvor 3D-modeller ble benyttet. De to pasientene hadde ulike diagnoser og ingen kontrollgruppe foreligger. Artikkelen gir dermed ingen objektiv informasjon om i hvilken grad 3D-modeller påvirker resultatet innen ortopedisk smådyrkirurgi. Framtidige studier må vise om slike modeller har en reell betydning for sluttresultatet og i tilfellet hvor stor denne er.
Konklusjon
Pasientspesifikke 3D-modeller kan brukes både pre- og intraoperativt ved ortopedisk kirurgi i smådyrpraksis. Litteraturen og vår begrensede erfaring tilsier at modellene bidrar til bedre planlegging og gjennomføring av operasjoner, samt redusert risiko for komplikasjoner. De fremmer dermed et godt resultat. Nytteverdien varierer med problemstillingen og den tiltenkte kirurgiske prosedyren.
Sammendrag
Artikkelen beskriver framstilling og bruk av 3D-modeller innen ortopedisk smådyrkirurgi ved en litteraturgjennomgang og to kasuistikker. 3D-printing har fått økt anvendelse innen veterinærmedisin hvor bildediagnostiske modaliteter, og spesielt CT, brukes som utgangspunkt for å lage pasientspesifikke anatomiske modeller. Det angis at 3D-modeller er nyttige, blant annet ved preoperativ planlegging og ferdighetstrening. Slike modeller kan bidra til redusert risiko for kirurgiske komplikasjoner, hvilket tidligere er vist innen humanmedisin. Andre bruksområder for 3D-modeller er undervisning, og som pasientspesifikke guider og implantater ved kirurgiske inngrep.
Det presenteres to kasus ved NMBU Dyresykehuset smådyr hvor 3D-modeller ble anvendt pre- og intraoperativt. Modellene ble brukt til å planlegge osteotomier og sikre optimal plassering av implantater. Bruken av 3D-modellene konkretiserte det kirurgiske arbeidet, reduserte usikkerhetsfaktorer og eliminerte behovet for intraoperativ bildediagnostikk.
Summary
The article describes the production and use of 3D models in orthopaedic small animal surgery based on a literature review and two case reports. 3D printing has increased its application in veterinary medicine where imaging modalities, especially CT, are used to create patient-specific anatomical models. It is reported that 3D models are useful for preoperative planning and skill training. Such models can help reduce the risk of surgical complications, as shown previously in human medicine. Other uses for 3D models are education, and as patient-specific guides and implants for surgical procedures.
Two cases are presented from NMBU Small Animal Hospital where 3D models were used pre- and intraoperatively. The models were used to plan osteotomies and ensure optimal placement of implants. 3D models made the surgical work more tangible, reduced uncertainty factors, and eliminated the need for intraoperative imaging.
Etterskrift
Vi takker kollegaene Jeanette Svendsen ved Trøgstad Dyreklinikk og Marie Håkonsen ved Lillehammer Dyreklinikk for henvisning av de to pasientene.
Referanser
Rengier F, Mehndiratta A, von Tengg-Kobligk H, Zechmann CM, Unterhinninghofen R, Kauczor H-U et al. 3D printing based on imaging data: review of medical applications. Int J Comput Assist Radiol Surg 2010;5:335-41.
Thakar CM, Parkhe SS, Jain A, Phasinam K, Murugesan G, Ventayen RJM. 3d printing: basic principles and applications. Mater Today Proc 2022;51:842-9.
D’Urso PS, Barker TM, Earwaker WJ, Bruce LJ, Atkinson RL, Lanigan MW et al. Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: a prospective trial. J Craniomaxillofac Surg 1999;27:30-7.
Cohen A, Laviv A, Berman P, Nashef R, Abu-Tair J. Mandibular reconstruction using stereolithographic 3-dimensional printing modeling technology. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2009;108:661-6.
Boursier JF, Fournet A, Bassanino J, Manassero M, Bedu AS, Leperlier D. Reproducibility, accuracy and effect of autoclave sterilization on a thermoplastic three-dimensional model printed by a desktop fused deposition modelling three-dimensional printer. Vet Comp Orthop Traumatol 2018;31:422-30.
Chana-Rodríguez F, Mañanes RP, Rojo-Manaute J, Gil P, Martínez-Gómiz JM, Vaquero-Martín J. 3D surgical printing and pre contoured plates for acetabular fractures. Injury 2016;47:2507-11.
Harrysson OLA, Cormier DR, Marcellin-Little DJ, Jajal K. Rapid prototyping for treatment of canine limb deformities. Rapid Prototyp J 2003;9:37-42.
Dismukes DI, Fox DB, Tomlinson JL, Essman SC. Use of radiographic measures and three-dimensional computed tomographic imaging in surgical correction of an antebrachial deformity in a dog. J Am Vet Med Assoc 2008;232:68-73.
Crosse KR, Worth AJ. Computer-assisted surgical correction of an antebrachial deformity in a dog. Vet Comp Orthop Traumatol 2010;23:354-61.
Winer JN, Verstraete FJM, Cissell DD, Lucero S, Athanasiou KA, Arzi B. The application of 3-dimensional printing for preoperative planning in oral and maxillofacial surgery in dogs and cats. Vet Surg 2017;46:942-51.
Southerden P, Barnes DM. Caudal mandibular fracture repair using three-dimensional printing, presurgical plate contouring and a preformed template to aid anatomical fracture reduction. JFMS Open Rep 2018;4:2055116918798875.
Altwal J, Wilson CH, Griffon DJ. Applications of 3-dimensional printing in small-animal surgery: a review of current practices. Vet Surg 2022;51:34-51.
Scheuermann LM, Kim SE, Lewis DD, Johnson MD, Biedrzycki AH. Minimally invasive plate osteosynthesis of femoral fractures with 3D-printed bone models and custom surgical guides: a cadaveric study in dogs. Vet Surg 2023;52:827-35.
Carvajal JL, Kim SE. Proximal femoral deformity correction and total hip arthroplasty in a dog using 3D printed custom guides. Vet Surg 2023;52:68-75.
Hall EL, Baines S, Bilmont A, Oxley B. Accuracy of patient-specific three-dimensional-printed osteotomy and reduction guides for distal femoral osteotomy in dogs with medial patella luxation. Vet Surg 2019;48:584-91.
Carwardine DR, Gosling MJ, Burton NJ, O’Malley FL, Parsons KJ. Three-dimensional-printed patient-specific osteotomy guides, repositioning guides and titanium plates for acute correction of antebrachial limb deformities in dogs. Vet Comp Orthop Traumatol 2021;34:43-52.
Dundie A, Hayes G, Scrivani P, Campoy L, Fletcher D, Ash K et al. Use of 3D printer technology to facilitate surgical correction of a complex vascular anomaly with esophageal entrapment in a dog. J Vet Cardiol 2017;19:196-204.
Schoenfeld-Tacher RM, Horn TJ, Scheviak TA, Royal KD, Hudson LC. Evaluation of 3D additively manufactured canine brain models for teaching veterinary neuroanatomy. J Vet Med Educ 2017;44:612-9.
Preece D, Williams SB, Lam R, Weller R. “Let’s get physical”: advantages of a physical model over 3D computer models and textbooks in learning imaging anatomy. Anat Sci Educ 2013;6:216-24.
Hayashi K, Kapatkin AS. Tibial deformity. I: Johnston SA, Tobias KM, eds. Veterinary surgery: small animal. 2nd ed. St. Louis, Missouri: Elsevier, 2018:191-2.
Petazzoni M, Urizzi A, Verdonck B, Jaeger G. Fixin internal fixator: concept and technique. Vet Comp Orthop Traumatol 2010;23:250-3.
Petazzoni M, Nicetto T, Vezzoni A, Piras A, Palmer R. Treatment of pes varus using locking plate fixation in seven Dachshund dogs. Vet Comp Orthop Traumatol 2012;25:231-8.
Weh JM, Kraus KH. Vertebral fractures, luxations, and subluxations. I: Johnston SA, Tobias KM, eds. Veterinary surgery: small animal. 2nd ed. St. Louis, Missouri: Elsevier, 2018:529-48.
Branson TM, Shapiro L, Venter RG. Observation of patients’ 3D printed anatomical features and 3D visualisation technologies improve spatial awareness for surgical planning and in-theatre performance. Adv Exp Med Biol 2021;1334:23-37.
Johnston SA, von Pfeil DJF, Déjardin LM, Roe SC, Weh JM. Bone plating. I: Johnston SA, Tobias KM, eds. Veterinary surgery: small animal. 2nd ed. St. Louis, Missouri: Elsevier, 2018:683-7.