Τίτλος στα ελληνικά: Σχεδίαση και κατασκευή 3D εξατομικευμένων εμφυτευμάτων για ιατρικές εφαρμογές με ταχεία πρωτοτυποποίηση
Τίτλος στα αγγλικά: Design and Fabrication of 3D Customized Implants for Medical Applications Using Rapid Prototyping
Τριμελής Επιτροπή
- Μαραβελάκης Εμμανουήλ, Καθηγητής, Τμ. Ηλεκτρονικών Μηχανικών ΕΛΜΕΠΑ. Επιβλέπων
- Αντωνακάκης Μάριος, Επίκουρος Καθηγητής, Τμ. Ηλεκτρονικών Μηχανικών ΕΛΜΕΠΑ
- Γιαννακάκης Γεώργιος, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμ. Ηλεκτρονικών Μηχανικών ΕΛΜΕΠΑ
Περίληψη
Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης ψηφιακής ροής εργασιών (workflow) για τον σχεδιασμό και την κατασκευή εξατομικευμένων κρανιοπροσωπικών εμφυτευμάτων, ενσωματώνοντας σύγχρονες αρχές βιομιμητικής σχεδίασης και τεχνολογίες ψηφιακής επεξεργασίας ιατρικών δεδομένων. Η ανάγκη για την ανάπτυξη τέτοιων λύσεων προκύπτει από τα σημαντικά προβλήματα που παρουσιάζονται στην αποκατάσταση κρανιοπροσωπικών ελλειμμάτων, τα οποία μπορεί να οφείλονται σε τραυματισμούς, συγγενείς ανωμαλίες, νεοπλασίες ή χειρουργικές επεμβάσεις. Η σύγχρονη βιοϊατρική μηχανική αξιοποιεί τις τεχνολογίες τρισδιάστατης απεικόνισης, ψηφιακής μοντελοποίησης και προσθετικής κατασκευής για την ανάπτυξη εξατομικευμένων εμφυτευμάτων που ανταποκρίνονται με ακρίβεια στην ανατομία κάθε ασθενούς.
Η μελέτη ξεκινά με την αξιολόγηση των υφιστάμενων θεραπευτικών προσεγγίσεων και υλικών που χρησιμοποιούνται στην κρανιοπροσωπική αποκατάσταση. Ειδικότερα, αναδεικνύονται οι περιορισμοί των αυτόλογων μοσχευμάτων, όπως η αβεβαιότητα στη διατήρηση του όγκου του λίπους (50% με 80%) και η δυσκολία εξεύρεσης επαρκούς οστικού μοσχεύματος για μεγάλα ελλείμματα άνω των 500 cm². Παράλληλα, εξετάζονται τα αλλοπλαστικά υλικά που χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη κλινική πρακτική, από το παραδοσιακό τιτάνιο, το οποίο θεωρείται το «gold standard» αλλά παρουσιάζει εμβιομηχανικά ζητήματα όπως το φαινόμενο της θωράκισης από τάσεις (stress shielding), έως τα νεότερα πολυμερή υλικά όπως η πολυαιθεραιθερκετόνη (PEEK) και τα βιοκεραμικά, όπως ο υδροξυαπατίτης.
Κεντρικός στόχος της παρούσας εργασίας είναι η αντιμετώπιση των περιορισμών των παραδοσιακών μεθόδων σχεδιασμού εμφυτευμάτων, ιδιαίτερα όσον αφορά το υψηλό κόστος των εμπορικών λογισμικών CAD/CAM και τις κλινικές δυσκολίες που παρουσιάζουν τα προκατασκευασμένα εμφυτεύματα. Για τον σκοπό αυτό προτείνεται η ανάπτυξη μιας οικονομικά προσιτής και επιστημονικά τεκμηριωμένης μεθοδολογίας που βασίζεται αποκλειστικά σε λογισμικά ανοικτού κώδικα (open-source), τα οποία επιτρέπουν την παραγωγή εξατομικευμένων εμφυτευμάτων υψηλής γεωμετρικής ακρίβειας και κατάλληλων για τρισδιάστατη εκτύπωση.
Η προτεινόμενη μεθοδολογία βασίζεται στον συνδυασμό των λογισμικών 3D Slicer για την επεξεργασία και τμηματοποίηση ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων (CT/MRI) και του Blender για την τελική γεωμετρική διαμόρφωση και αισθητική βελτιστοποίηση του εμφυτεύματος. Στο πλαίσιο της μελέτης εξετάζονται και συγκρίνονται δύο βασικές τεχνικές σχεδιασμού: η μέθοδος του κατοπτρισμού (mirror-based modelling), η οποία αξιοποιεί τη φυσική συμμετρία του κρανίου, και η χρήση του module Baffle Planner, το οποίο επιτρέπει την ανακατασκευή πιο σύνθετων κρανιακών ελλειμμάτων σε περιπτώσεις όπου η συμμετρία δεν επαρκεί.
Η πρακτική εφαρμογή των μεθόδων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση δεδομένων από τη βάση MUG500+ καθώς και με τη μελέτη ενός αρχαϊκού κρανιακού προτύπου. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι η προτεινόμενη ροή εργασιών επιτρέπει τη δημιουργία ψηφιακών τρισδιάστατων μοντέλων (.stl) με υψηλό βαθμό ανατομικής ακρίβειας και βελτιωμένη αισθητική προσαρμογή, αξιοποιώντας εργαλεία όπως το Sculpt Mode για τη λεπτομερή γεωμετρική επεξεργασία.
Συνολικά, η εργασία αναδεικνύει μια σύγχρονη και προσιτή προσέγγιση για τον σχεδιασμό εξατομικευμένων κρανιοπροσωπικών εμφυτευμάτων, η οποία γεφυρώνει την ιστορική εξέλιξη των βιοϋλικών με τις αναδυόμενες τεχνολογίες της τρισδιάστατης εκτύπωσης και της βιοεκτύπωσης. Η αξιοποίηση υλικών όπως η PEEK (FDA approved 2024) σε συνδυασμό με τεχνολογίες ψηφιακής μοντελοποίησης συμβάλλει στη μείωση του χειρουργικού χρόνου, στη βελτίωση του προεγχειρητικού σχεδιασμού και τελικά στη σημαντική αναβάθμιση της ποιότητας ζωής των ασθενών.
Η διαδικασία προετοιμασίας του εμφυτεύματος πριν από την εκτύπωση είναι κρίσιμη για τη σωστή εφαρμογή του. Το βασικό ζητούμενο είναι η ρύθμιση του offset, δηλαδή του κενού αέρος ή της «ανοχής» που αφήνουμε ανάμεσα στο εμφύτευμα και το οστό, ώστε το κομμάτι να μην σφηνώσει αλλά να γλιστρήσει ομαλά στη θέση του. Για να επιτευχθεί αυτό, το εμφύτευμα σχεδιάζεται έτσι ώστε να είναι 0.2 mm μικρότερο από το κρανιακό έλλειμμα σε όλες του τις πλευρές. Η προσαρμογή γίνεται ψηφιακά μέσω του παραθύρου object manipulation, αλλάζοντας τα ποσοστά των scale factors (τους συντελεστές μεγέθυνσης/σμίκρυνσης). Χρησιμοποιώντας την απλή μέθοδο των τριών, υπολογίζουμε ακριβώς ποιο ποσοστό κλίμακας θα μειώσει το μέγεθος κατά τα επιθυμητά 0.2 mm, εξασφαλίζοντας ότι το τελικό εκτυπωμένο αντικείμενο θα ταιριάζει απόλυτα στην ανατομία του ασθενούς.
Λέξεις-κλειδιά: Κρανιοπροσωπικά εμφυτεύματα, 3D Slicer, Blender, Baffle Planner, Mirror Based Modelling Workflow, Ταχεία Πρωτοτυποποίηση, PEEK, PMMA, Υδροξυαπατίτης (HAp), Τιτάνιο, Βιομιμητική, Βιοσυμβατότητα.
Abstract
This diploma thesis focuses on the development of an integrated digital workflow for the design and fabrication of patient-specific craniofacial implants, incorporating modern principles of biomimetic design and advanced medical image processing techniques. The need for such approaches arises from the significant challenges associated with the reconstruction of craniofacial defects, which may result from trauma, congenital abnormalities, tumor resections, or surgical interventions. Modern biomedical engineering increasingly relies on three-dimensional imaging, digital modeling, and additive manufacturing technologies to produce customized implants that accurately match the anatomical characteristics of each patient.
The study begins with a review and evaluation of existing reconstruction approaches and biomaterials used in craniofacial surgery. In particular, the limitations of autologous grafts are highlighted, including the uncertainty in maintaining fat graft volume (approximately 50 – 80%) and the difficulty in obtaining sufficient bone graft material for large defects. In parallel, commonly used alloplastic materials are examined, ranging from traditional titanium, considered the clinical gold standard but associated with biomechanical challenges such as stress shielding, to more recent biomaterials including polyetheretherketone (PEEK) and bioceramics such as hydroxyapatite.
The primary objective of this work is to address the limitations of conventional implant design approaches, particularly the high cost of commercial CAD/CAM systems and the clinical challenges associated with prefabricated implants. To overcome these issues, this thesis proposes a cost-effective and scientifically robust methodology based entirely on open-source software tools, enabling the production of highly accurate patient-specific implants suitable for additive manufacturing.
The proposed methodology combines the capabilities of 3D Slicer for the processing and segmentation of medical imaging data (CT/MRI) with Blender for the final geometric refinement and aesthetic optimization of the implant design. Within the framework of this study, two main design techniques were investigated and compared: the mirror-based modeling method, which exploits the natural bilateral symmetry of the skull, and the Baffle Planner module, which provides solutions for more complex cranial defects where symmetry-based reconstruction is not sufficient.
The practical implementation of the workflow was performed using datasets from the MUG500+ database as well as an archaic cranial model. The results demonstrated that the proposed workflow enables the generation of high-quality three-dimensional models (.stl) with excellent anatomical fit and improved surface refinement through sculpting tools such as Blender’s Sculpt Mode.
Overall, this thesis presents a scientifically grounded and accessible approach for the design of patient-specific craniofacial implants, bridging the historical evolution of biomaterials with emerging technologies in additive manufacturing and biofabrication. The integration of digital modeling techniques with advanced biomaterials such as PEEK (FDA approved in 2024) has the potential to reduce surgical time, improve preoperative planning, and ultimately enhance clinical outcomes and patient quality of life.
The final stage of the thesis (Chapter 5) focuses on verifying the practical feasibility of the design through 3D printing (Prusa MK4S). The preparation involves the digital isolation of the defect area in Blender using reference objects (Empty) and Boolean modifiers. Critical importance is placed on adjusting the offset parameters, ensuring the implant is 0.2 mm smaller than the cranial defect in all dimensions. This micrometric adjustment is executed via scale factors using the rule of three (ratio method), guaranteeing a seamless fit and precise anatomical integration of the printed implant.
Keywords: Craniofacial implants, 3D Slicer, Blender, Baffle Planner, Mirror-based modeling, Rapid prototyping, PEEK, PMMA, Hydroxyapatite (HAp), Titanium, Biomimetics, Biocompatibility.
Ημερομηνία εξέτασης: Δευτέρα 20 Απριλίου , 11:30 π.μ.
Πληροφορίες για συμμετοχή στο Google Meet
Σύνδεσμος: https://meet.google.com/tct-mbgk-jxq