Use of 3D Printing in Planning the Reconstruction of Total Hip Arthroplasty: A Teaching Tool.

The present study aims to demonstrate how biomodels can be used as teaching tools for surgical techniques and training in a medical residency service. A case series was carried out in our orthopedics and traumatology outpatient facility using three-dimensional (3D) printing for surgical planning to contribute to the surgical teaching and training of resident physicians. Two cases were selected as examples in the present article. Biomodels enable a better understanding of the surgery by the surgical team and residents, reducing the surgical time and the risks for the patients. These models can be a good teaching method to plan reconstructions of total hip arthroplasties, evaluate and predict surgical difficulties, and optimize procedures. Sociedade Brasileira de Ortopedia e Traumatologia. This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution-NonDerivative-NonCommercial License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit. Contents may not be used for commecial purposes, or adapted, remixed, transformed or built upon. ( https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ).

Introduction

Briefly speaking, fast prototyping is a way to physically reproduce virtual three-dimensional (3D) models using various techniques for the deposition of material layer by layer. 1 This physical deposition in layers enables the creation of a wide range of geometric shapes that would be difficult or even impossible to obtain with conventional industrial techniques, such as machining, which are based on material removal. 2 The technique has proven to be very useful to reproduce living organic structures, including tissues and organs, which do not have perfect shapes (that is, they are regular polyhedra), since their architecture is based on cell growth, an individual process related to several genetic and environmental factors. 3 Because the phenotypic diversity in Homo sapiens is very high, competence regarding the medical praxis occurs by intervention/interaction in countless patients who exhibit heterogeneous anatomical characteristics.

The growing search for excellence in the diagnosis and treatment of musculoskeletal disorders has become a major challenge for orthopedists. As such, new technologies in imaging diagnosis and in the planning of advanced therapies, including repair and reconstructive surgery, must be implemented in the medical practice since the beginning of orthopedic training. 3 Mothes et al. 4 used prototyping to study glenohumeral defects when planning shoulder arthroplasties. In his master's dissertation, Marques 5 tested several prototyping models that could be applied in traumatology for implant planning in osteosynthesis.

In the medical field, prototyping biomodels can be obtained from computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) scans. 4 The technique is widespread in the medical practice and in orthopedic and traumatological surgery, and it has been used to facilitate the understanding of bone deformities and failures. 3 In addition, previous structural knowledge can reduce the surgical time and the risks to the patients. 4

Technique Description

The present technical note aims to demonstrate how fast prototyping (3D printing) can be used as a tool to understand surgical techniques and improve staff training in a medical residency service.

For the clinical cases herein presented, surgical training with fast prototyping models was held. Two steps were required to build 3D models. Initially, CT scans of the patients were requested, and their images were processed using the free software InVesalius (CTI Renato Archer, Campinas, SP, Brazil) and MeshMixer (Autodesk, Inc., San Rafael, CA, US). The biomodels were built with a 3D Cliever (Cliever Tecnologia, Belo Horizonte, MG, Brazil) printer using polylactic acid (PLA) filament.

Both procedures were performed according to the recommended technique, and then, routinely followed-up by the Orthopedics and Traumatology Service. The surgery was performed using the technique planned during training.

The inclusion criteria were patients with major bone defects and deformities and CT scans suitable for 3D measurements. A 3D printed model was made for each case and then compared with the real situation in loco. The entire procedure was thoroughly described.

In addition, the present study considered medical record data, including pre-, peri- and postoperative parameters, along with an evaluation of the imaging findings and of the printed model. The patients were coded to preserve their anonymity. The present study was submitted and approved by the hospital ethics committee.

Case 1

A 77-year-old female patient with a right-sided cemented hip arthroplasty due to primary coxarthrosis. This initial procedure had been performed 17 years ago at our service. The patient complained of pain in the operated hip for 3 years. The outpatient radiological follow-up revealed periacetabular osteolysis, and failure of the acetabular component with loosening and rotation. The femoral component showed no significant changes in comparison to previous imaging studies ( Figure 1A, B ).

Fig. 1

Preoperative radiographs of the pelvis ( A ) and lateral view of the right hip ( B ) at the time of the review, revealing an important acetabular bone failure with loosening of the components. ( C ) View of the printed prototyping model; ( D ) residents training with prototyping models; ( E ) cavity and ( F ) acetabulum preparation with visualization of the bone defect and its filling with chopped, impacted bone; ( G ) planning of the size and position of the implant; ( H ) postoperative radiograph of the revision of the right total hip arthroplasty.

Figure 1C shows a printed hemipelvis for a better evaluation of the bone defect and for the training of the residents. The diagnostic hypothesis of acetabular failure, probably of aseptic origin, was supported because the patient had no clinical and laboratory signs of infection. As such, revision of the acetabular component was indicated ( Figures 1D, E, F, G ), using chopped bone graft impacted on the acetabular roof and bottom. Figure 1H shows a postoperative pelvic radiograph.

Case 2

A 61-year-old male patient with a history of left-hip arthroplasty performed 18 years ago due to acetabular fracture, with subsequent revision 6 years ago. The patient had reported progressive pain in the left hip associated with significant functional loss for at least 5 years. During this period, the patient consulted with several colleagues who advised on expectant behavior or implant removal, claiming there were no more therapeutic options. Preoperative radiographs revealed that the patient had a total cementless hip prosthesis with a loose acetabular component, extensive acetabular erosion, steel mesh ruptures, and screw fractures ( Figure 2A, B ). There were no significant changes in the femoral component, and the patient did not show clinical or laboratory signs of infection. A CT scan was requested to better assess the bone defect, followed by hip prototyping ( Figures 2C, D, E ). Considering the extensive bone lesion, we initially considered using bone from the Bone Bank, but this service is not available in our city. Next, residents and staff were trained using assemblies with trabecular metal and interspace bone grafting ( Figures 2F, G, H, I ). Given the severity of the injury, we initially considered the two acetabula option proposed by Paprosky, but the circumferences of the cups did not fit properly. Then we thought about a new structural option with two cages and an anchoring system with divergent screws, filled with bone graft, on which the new acetabulum was placed and cemented in the appropriate inclination and anteversion. The surgical procedure occurred exactly as planned, saving a lot of time in a major procedure and with little bleeding ( Figures 2J, K, L, M, N ). The postoperative radiograph was satisfactory ( Figure 2O ), with perfect graft integration and excellent function at a 3-year follow-up ( Figure 2P ). Currently, the patient is asymptomatic and satisfied with the procedure.

Fig. 2

( A, B ) Preoperative radiographs of the pelvis and lateral view of the left hip; ( C, D ) computed tomography scans; ( E ) visualization of the extensive acetabular lesion; ( F ) study of the situation; ( G ) assembly of a new arrangement with trabeculated metal and study of its anchoring; ( H ) placement of the new acetabulum; ( I ) positioning the cemented polyethylene; ( J ) visualization of the intraoperative lesion (note the virtual absence of the acetabular roof and of the anterior and posterior walls); ( K ) assembly of the trabeculated metal structure; ( L ) placement of divergent screws and chopped, impacted bone graft; ( M ) placement of the trabeculated metal cup after deposition of a thin layer of cement between the metal components to avoid metallic contact; ( N ) acetabulum cementation at the proper position; ( O ) immediate postoperative radiograph; and ( P ) radiograph three years after the procedure (note the graft integration).

Discussion

The present research evaluated different cases of revision of total hip arthroplasty involving 3D printing in the surgical planning and training of orthopedics and traumatology residents. Several authors have endorsed the importance of such technology in preoperative planning. Mothes et al. 4 report the role of prototyping for preoperative planning to treat bone deformities in the shoulder and believe that it minimizes the risk of intraoperative complications while attempting to improve outcomes.

The treatment of a CT scan image takes approximately one shift, since it requires correction and removal of potential artifacts, implants, and volume failures. Printing takes about 16 hours depending on the filling (the density of the material). The average cost of printing each biomodel is 56 reais (around 10 US dollars). It is worth mentioning that the hips are sectioned in the software to print only from the pubic symphysis to the near sacroiliac area.

The use of prototyped models can simplify the 3D visualization of different conditions, facilitate the understanding and planning of complex surgical procedures, and expand anatomical, radiological, and surgical knowledge.

Final Considerations

In the present work, we observed the need to modify the surgical technique by training in a prototype, using a new trabeculated metal arrangement. The inclusion of these technologies in the preceptor's repertoire is critical for the differentiation of future specialists in the job market, since medical education must adapt to train professionals able to meet societal demands. Therefore, fast prototyping combines the convenience of preoperative training with the use of technology in orthopedic surgeries, and it must become widespread in the medical teaching environment. We emphasize that the present study is not only applicable to orthopedics and traumatology, but to all medical areas.

Introdução

A prototipagem rápida pode ser resumida como uma forma de se reproduzir fisicamente modelos virtuais tridimensionais (3D) pela deposição de um material por camadas, podendo-se utilizar várias técnicas. 1 A deposição física por camadas possibilita uma grande liberdade de criação de formas geométricas, que seriam difíceis ou até mesmo impossíveis de se obter por técnicas industriais convencionais, como a usinagem e outras, baseadas em remoção de material. 2 A técnica tem se mostrado de grande valia para a reprodução de estruturas orgânicas vivas, como tecidos e órgãos, uma vez que elas não apresentam formas perfeitas (ou seja, constituem poliedros regulares), e que sua arquitetura é feita a partir de crescimento celular, que é particular de cada indivíduo, respeitando diversos fatores tanto genéticos quanto ambientais. 3 A diversidade fenotípica é absolutamente elevada no Homo sapiens . Portanto, a competência da práxis médica se dá pela intervenção/interação nos inúmeros pacientes que exibem características anatômicas heterogêneas.

A crescente busca pela excelência no diagnóstico e no tratamento das alterações osteomusculares tem se tornado um grande desafio para os ortopedistas. Nesse sentido, a incorporação de novas tecnologias no diagnóstico por imagem e no planejamento de terapêuticas avançadas, como as cirurgias reparadoras e reconstrutivas, é algo que deve ser feito na prática médica desde o início da formação ortopédica. 3 Mothes et al. 4 utilizaram a prototipagem para estudos de defeitos glenoumerais no planejamento de artroplastias de ombro. Em sua dissertação de mestrado, Marques 5 testou vários modelos de prototipagem que poderiam ser aplicados na área de traumatologia para o planejamento de implantes na osteossíntese.

Os biomodelos de prototipagem podem ser obtidos no âmbito médico a partir de imagens de tomografia computadorizada (TC) ou ressonância magnética (RM). 4 A técnica já é amplamente difundida na prática médica e na cirurgia ortopédica e traumatológica, e tem sido utilizada para facilitar o entendimento das deformidades e falhas ósseas. 3 Além disso, o conhecimento prévio da estrutura pode acarretar também um menor tempo cirúrgico, diminuindo riscos aos pacientes. 4

Descrição da Técnica

O objetivo da presente nota técnica é demostrar como o uso da prototipagem rápida (impressão em 3D) pode ser incluída como ferramenta para a compreensão de técnicas cirúrgicas e aprimorar o treinamento de equipes em um serviço de residência médica.

Para os casos clínicos apresentados, foram realizados treinamentos cirúrgicos nos modelos de prototipagem rápida. Para a realização dos modelos 3D, foram necessárias duas etapas. Inicialmente, foram solicitadas TCs dos pacientes, e, posteriormente, as imagens obtidas foram processadas no software livre InVesalius (CTI Renato Archer, Campinas, SP, Brasil) e posteriormente no MeshMixer (Autodesk, Inc., San Rafael, CA, EUA). Os biomodelos foram feitos com uma impressora 3D Cliever (Cliever Tecnologia, Belo Horizonte, MG, Brasil) utilizando filamento de ácido polilático ( polylactic acid , PLA, em inglês). Para os casos clínicos apresentados, foram realizados treinamentos cirúrgicos nos modelos de prototipagem impressos.

Ambos os procedimentos foram realizados conforme a técnica preconizada, e, posteriormente, seguidos conforme as rotinas do Serviço de Ortopedia e Traumatologia. No transoperatório, foi utilizada a técnica planejada durante o treinamento.

Os critérios de inclusão no trabalho foram pacientes que apresentavam importantes falhas e deformidades ósseas, e para os quais haviam sido solicitados exames de imagem de TC de forma a se mensurar as dimensões tridimensionais dos defeitos. Um modelo impresso em 3D foi realizado para cada um dos casos e comparado posteriormente com a situação real in loco . A descrição detalhada de todo o procedimento foi realizada.

Foram considerados também neste trabalho dados de prontuário, codificados para que as identidades dos pacientes fossem mantidas de forma anônima, que incluíram parâmetros pré, peri e pós-operatórios, além da avaliação dos exames de imagem e dos modelos impressos. Esse trabalho foi submetido e aprovado pelo comitê de ética hospitalar.

Caso 1

Paciente feminina de 77 anos, com histórico de artroplastia de quadril cimentada à direita devido a coxartrose primária realizada havia 17 anos no mesmo serviço. A mesma queixava-se de dor com evolução havia três anos no quadril operado. Nas radiografias de seguimento ambulatorial, foram observadas osteólise periacetabular e soltura com rotação do componente acetabular, demonstrando, assim, falha do componente acetabular. Não foram observadas alterações significativas no componente femoral em relação aos exames de imagem prévios ( Figura 1A,B ).

Fig. 1

Radiografias de bacia ( A ) e perfil do quadril direito ( B ) pré-operatórias da paciente no momento da revisão; observa-se uma importante falha óssea acetabular com soltura deste componente. ( C ) Vista do modelo de prototipagem impresso; ( D ) treinamento de residentes com os modelos de prototipagem; ( E ) cavidade observada e ( F ) preparação do acetábulo com visualização do defeito ósseo e seu preenchimento com osso picado e impactado; ( G ) planejamento do tamanho do implante e seu posicionamento; ( H ) radiografia pós-operatória da revisão de artroplastia total do quadril direito.

Na Figura 1C , observa-se a hemipelve impressa para a melhor avaliação do defeito ósseo e o treinamento dos residentes. Sustentou-se a hipótese diagnóstica de falha acetabular de provável origem asséptica, visto que a paciente não apresentava sinais clínicos e laboratoriais de infecção. Dessa forma, foi indicada a revisão do componente acetabular ( Figuras 1D,E,F,G ), utilizando-se enxerto ósseo picado e impactado no teto e fundo acetabulares. A radiografia de bacia do pós-operatório se encontra na Figura 1H .

Caso 2

Paciente masculino de 61 anos com histórico de artroplastia de quadril à esquerda havia 18 anos por fratura do acetábulo e posterior revisão da artroplastia havia 6 anos. O paciente relatava dor havia pelo menos 5 anos, com evolução progressiva no quadril esquerdo associado a perda funcional importante. Durante este período, o paciente se consultou com diversos colegas, que orientaram conduta expectante ou a retirada dos implantes, por não haver mais possibilidades terapêuticas de acordo com sua experiência. Observamos que, nas imagens das radiografias pré-operatórias, o paciente apresentava prótese total de quadril não cimentada, com o componente acetabular solto e com extensa erosão acetabular, rupturas de malha de aço, e fraturas de parafusos ( Figura 2A,B ). Não foram observadas alterações significativas no componente femoral, e o paciente tampouco apresentava sinais clínicos ou laboratoriais de infecção. Uma TC foi solicitada para uma melhor avaliação do defeito ósseo, e posteriormente realizou-se a prototipagem do quadril ( Figuras 2C,D,E ). Considerando-se a extensa lesão óssea, pensamos inicialmente no uso de osso de Banco de Ossos, mas não dispomos de um em nossa cidade. Então, realizou-se o treinamento dos residentes e da equipe, por meio de montagens com metal trabeculado e enxertia óssea no interespaço ( Figuras 2F,G,H,I ). Dada a gravidade da lesão, pensamos inicialmente na opção de dois acetábulos proposta por Paproski, mas as circunferências das cunhas não se encaixavam adequadamente. Então, pensamos em uma nova opção estrutural, com duas cunhas e um sistema de ancoragem com parafusos divergentes, preenchido com enxerto ósseo, sobre o qual colocamos o novo acetábulo e cimentamos um acetábulo na inclinação e anteversão adequados. O procedimento cirúrgico ocorreu exatamente como o planejado, poupando muito tempo em uma cirurgia já de grande porte, e ocorreu com pouco sangramento ( Figuras 2J,K,L,M,N ). A radiografia pós-operatória se mostrou satisfatória ( Figura 2O ), e observou-se uma perfeita integração do enxerto e ótima função no paciente com três anos de seguimento ( Figura 2P ). No momento, o paciente está assintomático e satisfeito com o procedimento.

Fig. 2

( A, B ) radiografias pré-operatórias da bacia e de perfil do quadril esquerdo do paciente; ( C, D ) vistas da tomografia computadorizada; ( E ) visualização da extensa lesão acetabular; ( F ) estudo da situação; ( G ) montagem de uma nova disposição de uso de metal trabeculado e estudo de sua ancoragem; ( H ) colocação do novo acetábulo; ( I ) posicionamento do polietileno cimentado; ( J ) visualização da lesão intraoperatória (observar a quase ausência do teto acetabular e das paredes anterior e posterior); ( K ) montagem da estrutura de metal trabeculado; ( L ) colocação dos parafusos divergentes e enxerto ósseo picado e impactado; ( M ) colocação do acetábulo de metal trabeculado, lembrando de passar uma fina camada de cimento entre os metais para evitar contato metálico; ( N ) cimentação do acetábulo na posição adequada; ( O ) radiografia pós-operatória imediata; e ( P ) radiografia com três anos de pós-operatório (observar a integração do enxerto).

Discussão

A presente pesquisa avaliou diferentes casos de revisão de artroplastia total de quadril envolvendo a utilização de impressão 3D no planejamento cirúrgico e o treinamento de médicos residentes de ortopedia e traumatologia. Diversos autores já endossaram a importância do uso de tal tecnologia no planejamento pré-operatório. Mothes et al., 4 por exemplo, citam a importância da prototipagem para o planejamento pré-operatório no tratamento das deformidades ósseas no ombro, e sustentam que ela minimiza o risco de intercorrências intraoperatórias, em uma tentativa de aprimorar os resultados.

O tempo do tratamento da imagem obtida pela TC fica em torno de um turno, pois é necessário corrigir e remover artefatos, implantes, e falhas de volumes que possam haver. Considerando a impressão em si, o tempo gira em torno de 16h, dependendo do preenchimento escolhido (densidade do material). O custo médio da impressão do biomodelo é de 56 reais (∼ 10 dólares) por peça. Ressaltamos que as bacias são cortadas no software para se imprimir apenas a área compreendida entre a sínfise púbica e a região sacroilíaca ipsilateral.

O uso de modelos obtidos por prototipagem pode simplificar a visualização tridimensional de diferentes patologias, e facilitar o entendimento do planejamento de procedimentos cirúrgicos complexos, o que amplia o conhecimento anatômico, radiológico e cirúrgico.

Considerações Finais

Neste trabalho, observamos a necessidade de se modificar a técnica cirúrgica pelo treinamento no protótipo, utilizando uma nova disposição do metal trabeculado. Incluir estas tecnologias no reportório do preceptor é fundamental para a diferenciação do futuro especialista no mercado de trabalho, uma vez que é imprescindível que o ensino médico se adapte de modo a formar profissionais capazes de responder às demandas da sociedade. Portanto, a prototipagem rápida pode aliar a conveniência do treinamento pré-operatório com o uso da tecnologia nas cirurgias ortopédicas, e deve, na medida do possível, ser difundida no ambiente de ensino médico. Salientamos que o presente trabalho não tem aplicação somente na ortopedia e traumatologia, mas em todas as áreas da medicina.