Influence of the choice of protocols on the accuracy of three-dimensional medical models, surgical guides and bone replacement: doctoral dissertation

Abstract

Bone defect reconstruction in contemporary medicine increasingly relies on 3D printing. This fast-evolving technology involves areas such as software engineering, 3D modeling, 3D printer, and bio-printer engineering and has a significant impact on biomedicine. There are two main research directions in biomedical 3D printing: 1) 3D reconstruction of radiological images for guided surgery, creation of medical models (MM) and surgical guides (SG), and 2) tissue engineering for a bone replacement material, tissue scaffolds, cells, and implants. To achieve both tasks, appropriate surgery navigation systems and software are needed. However, these software are lacking for complex operations on digital radiological images for various types of surgery, resulting in the slow clinical application of this advanced method. Still, numerous studies point out that computer-aided design and manufacturing are beneficial for surgery, resulting in more predictable surgery outcomes, less operation time, shorter ischemia periods, reduced complication risks, and lower healthcare costs. Aims: In this thesis, we aimed to include both main research directions in biomedical 3D printing. Specifically, our first objective was to test whether different radiological scanning protocols, various kernel and window settings, and different equipment influence linear and volumetric measures of both radiological images and 3D printed ММ of the human mandible. The second study phase involved the use of 3D printed bone scaffolds for over-critical size long bone reconstruction on an animal model to achieve regeneration using novel bone mimicking resorptive substitutes based on nanohydroxyapatite and polylactide-co-glycolide, without using stem cells, growth factors, and external fixation. In the final phase of research, we implemented the methods of MM and SG fabrication, determined in the first phase of the research, in clinical practice, for the reconstructive surgery of the mandible, aiming to improve standard surgical procedures at the Clinic of Maxillofacial Surgery, Faculty of Dentistry, University of Belgrade: by achieving shortened operation and postoperative time as well as improving the functional and aesthetic result of the procedure. In this phase, we also aimed to highlight the benefits of utilizing of “in-house 3D printing” concept. Material and methods: In the first phase of research, one dry human mandible from Center of Bone Biology osteological collection, was scanned with six multi-slice computed tomography (MSCT) and two cone beam computed tomography (CBCT) scanning protocols...

Реконструкција коштаних дефеката у савременој медицини све више се ослања на 3Д штампу. Ова брзо напредујућа технологија укључује области као што су софтверски инжењеринг, 3Д моделовање, инжењерство 3Д штампача и био-штампача, и има значајан утицај на био медицину. Постоје два главна правца истраживања у биомедицинској 3Д штампи: 1) 3Д реконструкција радиолошких слика за вођену хирургију, медицинске моделе (ММ) и хируршке водиче (ХВ), и 2) ткивно инжењерство за коштане заменике, ткивне скафолде, ћелије и импланте. Да би се извршила оба ова задатка, потребни су одговарајући систем навођења хирургије и софтвер, међутим, за комплексне операције на дигиталним радиолошким сликама за разне типове хирургија, ови софтвери недостају, резултујући у спорој клиничкој апликацији ових напредних метода. Ипак бројне студије истичу да компјутерски потпомогнут дизајн и производња унапређују резултате хирургије, смањују време операције, скраћују време крварења, смањују ризик од компликација и смањују здравствене трошкове. Циљеви: Током истраживања, користили смо оба главна правца истраживања у биомедицинској 3Д штампи. Тачније, наш први циљ је био да покажемо да ли различити радиолошки протоколи за скенирање, подешавања кернела и прозора, као и различита опрема, утичу на линеарна и волуметријска мерења радиолошких слика и 3Д штампаних ММ. Друга фаза истраживања је укључивала употребу 3Д штампаних коштаних надокнада за надокнаду над-критичног дефекта дуге кости на животињском моделу, да би се постигла регенерација употребом иновативног ресорптивног коштаног заменика који својим особинама подражава коштано ткиво, на бази нанохидроксиапатита и полилактид- ко-гликолида, без употребе матичних ћелија, фактора раста и спољашње фиксације. У финалној фази истраживања, употребили смо методе производње ММ и ХВ, одређене првој фази истраживања, у клиничкој пракси, за реконструктивну хирургију мандибуле, са циљем да унапредимо стандардну хируршку процедуру на Клиници за максилофаццијалну хирургију, Стоматолошког факултета, Универзитета у Београду; постизањем скраћеног оперативног времена и времена опоравка, као и побољшањем естетског и функционалног резултата процедуре. У овој фази, такође смо се трудили да истакнемо предности “in house 3D printing” концепта. Материјал и методе: У првој фази истраживања, једна људска мандибула из остеолошке збирке Центра за биологију кости и биоантропологију, шест MSCT скенова, два CBCT скена и осам 3Д штампаних медицинских модела били су анализирани...