
==== Front
Rev Bras Ortop (Sao Paulo)
Rev Bras Ortop (Sao Paulo)
10.1055/s-00042410
Revista Brasileira de Ortopedia
0102-3616
1982-4378
Thieme Revinter Publicações Ltda. Rua do Matoso 170, Rio de Janeiro, RJ, CEP 20270-135, Brazil

10.1055/s-0042-1748816
RBO-D-22-00011
Nota Técnica
Ortopedia Pediátrica
Systematization of Steps for Printing 3D Models of Orthopedic Deformities
http://orcid.org/0000-0001-5962-1467
Pontes Mariana Demétrio de Sousa 1
http://orcid.org/0000-0002-5616-4288
Ramos Carlos Henrique 2
http://orcid.org/0000-0002-1808-5749
Cunha Luiz Antonio Munhoz da 1
1 Departamento de Ortopedia Pediátrica, Hospital Pequeno Príncipe, Curitiba, PR, Brasil
2 Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Hospital de Clínicas da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, PR, Brasil
Endereço para correspondência Mariana Demétrio de Sousa Pontes, MD, MSc Rua Desembargador Motta1070 - Água Verde - 80250-060, Curitiba, PRBrasilmarianadpontes@gmail.com
06 6 2022
8 2024
1 6 2022
59 4 e626e631
21 1 2022
28 3 2022
The Author(s). This is an open access article published by Thieme under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License, permitting copying and reproduction so long as the original work is given appropriate credit ( https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ )
2022
The Author(s).
https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
As in many areas of knowledge, rapid prototyping technology or additive manufacturing, popularly known as three-dimensional (3D) printing, has been gaining ground in medicine in recent years, with different applications. Numerous are the benefits of this science in orthopedic surgery, by allowing the conversion of imaging tests into 3D models. Therefore, the aim of the present study is to describe a practical step-by-step for the printing of parts from patient imaging. This is a methodological study, considering preoperative computed tomography (CT) scans of patients with orthopedic deformities. Initially, the digital imaging and communications in medicine (DICOM) examination should be imported into the 3D reconstruction software of anatomical structures for the segmentation and conversion process to the stereolithography (STL) format. The next step is to import the STL file into the 3D modeling software, which allows you to work freely by manipulating the 3D mesh. The 3D models were printed additively on the GTMax3D Core A3v2 fused deposition modeling (FDM) technology printer.

Keywords

orthopedics
preoperative care
three-dimensional printing
Suporte Financeiro Os autores declaram que o presente trabalho não recebeu nenhum suporte financeiro de fontes públicas, comerciais, ou sem fins lucrativos. Financial Support The authors declare that the present study received no financial support from public, commercial, or not-for-profit sources.
==== Body
pmcIntroduction

As in many areas of knowledge, rapid prototyping technology or additive manufacturing, popularly known as three-dimensional (3D) printing, has been gaining ground in medicine in recent years, with different applications. 1 The benefits of this science in orthopedic surgery are abundant, by allowing the conversion of imaging tests into 3D models ( Table 1 ). 1 2 3 4 Among them, we mention the printing of anatomical models for a better understanding of deformities and complex fractures, the performance of safer and individualized preoperative planning, patient education, and professional training. 3 4 More recently, much has been studied regarding the printing of custom implants, bone substitutes, and biological materials. 5 It is believed that rapid prototyping can revolutionize the treatment of several orthopedic disorders. 6

Table 1 Applicability of Rapid Prototyping Technology in Orthopedics

Printing of anatomical models	
Better understanding of diseases	
Individualized preoperative planning	
Custom implants	
Bone substitutes	
Education	
Patient-specific guides	
Custom orthotics	
Sources: Wong 3 ; Ejnisman et al. 4 ; Larsen et al. 5

Studies on additive manufacturing in orthopedics, despite exposing results that favor the treatment of patients in various ways, do not explain in detail how to print the models from the imaging exams. Therefore, considering the multiple possibilities of performing protocols for 3D printing of anatomical models, the aim of the present study is to describe a practical step-by-step for the printing of parts from patient imaging.

Description of Materials and Technique

The research project was approved by the research ethics committee of the institution, as well as the waiver of the free and informed consent form (CAAE: 48296321.8.0000.0097).

This is a methodological study, considering preoperative computed tomography (CT) scans of patients with bone deformities in the upper or the lower limbs, performed in the multislice computed tomography device of the hospital, GE Healthcare Revolution, 64 channels (GE Healthcare, Chicago, IL , USA).

Exam Download and Segmentation

Initially, the digital imaging and communications in medicine (DICOM) CT scan is downloaded directly from the imaging visualization system. Then, DICOM files are imported into the InVesalius (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Brazil) version 3.1.1, a free software for reconstruction of images from CT or magnetic resonance imaging (MRI) equipment, so that the segmentation process is performed, that is, the selection of the area of interest for printing.

To perform segmentation, you must follow the following steps: (1) upload the data; (2) select the region of interest; (3) set up the 3D surface; and (4) export the data.

To import the exam, you must click on "import medical images" and select the DICOM images from the exam. Among all the sequences imported into the software, choose preferably the one with the largest number of cuts available so that the reconstruction has the best possible resolution. The smaller the thickness of the tomographic sections and the distance between them, the better the quality of the reconstruction. Once the images have been selected, you must click "import" in the lower left corner of the screen.

The second step in targeting is selecting the region of interest. The program automatically selects an exam area in multiplanar view. This selection can be customized with the brush tool or with the custom adjustment of the selection threshold. Once that is done, click "create surface." The 3D surface will appear in the lower right square of the screen ( Fig. 1 ).

Fig. 1 Segmentation or selection of the area of interest in multiplanar images. The bone part of the pelvis and the hips was selected and adjusted in a personalized way varying the selection threshold (in green). After that, the 3D surface was created (in red). Image obtained by the authors in the InVesalius software (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Brazil).

Then, the created 3D surface can be configured, if necessary, in "advanced options". The fourth and final step of segmentation is data exporting. You must click "export 3D surface" and save the file in stereolithography (STL) format.

3D Mesh Edition

Once the segmentation is complete, the next step is to import the STL file into Meshmixer software (Autodesk Inc. , San Rafael, CA, United States) version 3.5.474, which allows you to work freely by manipulating the 3D mesh to later materialize the project on the printer.

This program has a multitude of functions for 3D modeling. Among the main functions, we mention selecting, sculpting, mesh surface analysis ( Fig. 2 ), and transforming the object into a solid ( Fig. 3 ).

Fig. 2 Analysis of the 3D mesh surface for zones that cannot be printed due to insufficient surface. In ( A ), the cross-section of the femoral dayphysis with insufficient surface (arrow) is observed. In ( B ), the analysis was done automatically by the inspector tool, and, in ( C ), the previously insufficient surface is already filled. Image obtained by the authors in Meshmixer software (Autodesk, San Rafael, CA, USA).

Fig. 3 Transform the object into a solid. In ( A ), the selected area is observed in the segmentation step. Observe the appearance of the connectors joining the carpal bones in ( B ), important for the printing of a single object. Image obtained by the authors in Meshmixer software (Autodesk , San Rafael, CA, USA).

Slicer and Printing

Once the 3D mesh editing process is complete, you must save the file in STL format and transfer it to the slicer software Cura (Ultimaker, Utrecht, Netherlands) version 4.3 to perform the model print settings. The 3D models were printed additively on the GTMax3D Core A3v2 fused deposition modeling (FDM) technology printer. The material used for printing was styrene butadiene acrylonitrile (SBA), available in filament form with a diameter of 1.75mm.

The first step is to add a printer to the software. Once this is done, the program makes the print desk available with the dimensions of the selected printer. Click "File" > "Open file" and select the edited STL file.

In this software, you must configure the print parameters. The settings depend on the printer model and on the material used. In the case of the printer and the material available in the laboratory of our institution, the following general settings are used: printing speed of 100 mm/s; 0.15 mm layer thickness; 250°C printing temperature; 10% fill density.

It is also important to be aware of some main functions of the Cura software, such as the scale function ( Fig. 4 ), to define the dimensions of the part, and the supports' function, so that the filament has support for printing larger structures that do not have support in the lower layers.

Fig. 4 The "scale" function allows you to configure the dimensions of the object. Image obtained by the authors in Cura software (Ultimaker, Utrecht, Netherlands)

After defining all described settings, click "slice" at the bottom right of the screen. The software performs the slicing of the object, so that it can then be revised layer by layer. The expected time for the completion of the print according to the characteristics of the part and the defined settings is also informed. For object materialization, the G-code format is saved on a memory card to transfer it directly to the 3D printer ( Fig. 5 ).

Fig. 5 Pelvis and proximal regions of the femurs of a male patient, 11 years old, with complex bone deformities, printed by additive manufacturing technology from the preoperative computed tomography examination. Image obtained by the authors.

Final Comments

The use of full-size and haptic models is particularly interesting for education as well as for a better understanding of the disease. 7 In the study by Weidert et al., even experienced surgeons show improved classification and treatment planning with the help of 3D printed models when compared with simple CT data. 8

There are several softwares available for printing and modeling 3D parts. The authors usually use the programs described in this article because they are free and have a relatively fast learning curve. There is no conflict of interest. In this section of the article, some considerations are made to facilitate the practical understanding of readers.

In the segmentation stage, the automatic selection of the area of interest is performed by tissue density. This way, it becomes relatively easy to segment the bone, because its density is very different from those of other soft tissue structures. The skeleton segmentation process is facilitated by selecting the images in the soft tissue window and not in the bone window.

In the 3D mesh editing phase, the "sculpt" tool allows the bone surface to be smoothed for better quality printing. Although it is very useful, it is extremely important to be very careful during the smoothing of the surface of the piece, so as not to distort the anatomical particularities; therefore, the authors recommend reducing the "strength of the brush" when it is necessary to use this function.

Regarding the scale function of the slicing software ( Fig. 4 ), it offers the option to scale the model to be printed. When it is necessary to make custom implants, the printing of the model in actual size (100%) is necessary. Not all 3D printers support printing large models. In these cases, you can print in parts, as shown in Fig. 5 , where the femurs were printed separately from the pelvis.

When it comes to print settings, one should bear in mind that the better the object resolution, the more print layers are required and, consequently, the longer the printing.

The choice of the printing material should also consider its own characteristics. SBA is an oil-derived thermoplastic that has excellent mechanical resistance and good resistance at high temperatures. In general, printing models using SBA requires closed printers, such as the one used in our service. Other materials are widely available and are also easy to handle, such as lactic polyacid (LPA), a thermoplastic polymer made with lactic acid from raw materials from renewable sources. Bear in mind that print settings must also be made according to the material chosen.

Sistematização das etapas para impressão de modelos 3D de deformidades ortopédicas
Resumo

Assim como em diversas áreas do conhecimento, a tecnologia de prototipagem rápida ou manufatura aditiva, conhecida popularmente como impressão tridimensional (3D), vem ganhando espaço na medicina nos últimos anos, com diferentes aplicações. Inúmeros são os benefícios desta ciência na cirurgia ortopédica, ao permitir a conversão de exames de imagem em modelos tridimensionais. Diante disso, o objetivo do presente estudo é descrever um passo-a-passo prático para a impressão de peças a partir de exames de imagem de pacientes. Trata-se de um estudo metodológico, considerando exames de tomografia computadorizada (TC) pré-operatórios de pacientes portadores de deformidades ortopédicas. Inicialmente, o exame em formato digital imaging and communications in medicine (DICOM, na sigla em inglês) deve ser importado para o software de reconstrução tridimensional de estruturas anatômicas para o processo de segmentação e de conversão para o formato stereolithography (STL, na sigla em inglês). A próxima etapa é a importação do arquivo STL para o software de modelagem 3D, o qual permite trabalhar de forma livre manipulando a malha 3D. Finalizado o processo de edição, deve-se transferir o arquivo para o software fatiador para realizar as configurações de impressão e para salvar o arquivo em formato G-code para a materialização do objeto na impressora. Os modelos 3D foram impressos de forma aditiva, na impressora de tecnologia fused deposition modeling (FDM, na sigla em inglês) GTMax3D Core A3v2.

Palavras-chave

cuidados pré-operatórios
impressão tridimensional
ortopedia
Introdução

Assim como em diversas áreas do conhecimento, a tecnologia de prototipagem rápida ou manufatura aditiva, conhecida popularmente como impressão tridimensional (3D), vem ganhando espaço na medicina nos últimos anos, com diferentes aplicações. 1 Inúmeros são os benefícios desta ciência na cirurgia ortopédica, ao permitir a conversão de exames de imagem em modelos tridimensionais ( Tabela 1 ). 1 2 3 4 Dentre eles, cita-se a impressão de modelos anatômicos para a melhor compreensão de deformidades e de fraturas complexas, a realização de planejamentos pré-operatórios mais seguros e de forma individualizada, a educação de pacientes e o treinamento de profissionais. 3 4 Mais recentemente, muito tem se estudado a respeito de impressão de implantes personalizados, substitutos ósseos e materiais biológicos. 5 Acredita-se que a prototipagem rápida pode revolucionar o tratamento de diversas afecções ortopédicas. 6

Tabela 1 Aplicabilidade da tecnologia de prototipagem rápida na ortopedia

Impressão de modelos anatômicos	
Melhor compreensão das doenças	
Planejamentos pré-operatórios individualizados	
Implantes personalizados sob medida	
Substitutos ósseos	
Educação	
Guias específicos do paciente	
Órteses sob medida	
Fontes: Wong 3 ; Ejnisman et al. 4 ; Larsen et al. 5

Os estudos sobre manufatura aditiva na ortopedia, apesar de exporem resultados que favoreçam o tratamento dos pacientes de diversas formas, não detalham, de maneira pormenorizada, como realizar a impressão dos modelos a partir dos exames de imagem. Diante disso, considerando as múltiplas possibilidades de se realizar protocolos para impressão 3D de modelos anatômicos, o objetivo do presente estudo é descrever um passo-a-passo prático para a impressão de peças a partir de exames de imagem de pacientes.

Descrição dos materiais e técnica

O projeto de pesquisa foi aprovado pelo comitê de ética em pesquisa da instituição, assim como a dispensa do termo de consentimento livre e esclarecido (CAAE: 48296321.8.0000.0097).

Trata-se de um estudo metodológico, considerando exames de tomografia computadorizada (TC)pré-operatórios de pacientes portadores de deformidades ósseas nos membros superiores ou inferiores, realizados no aparelho de tomografia computadorizada multislice do hospital, GE Healthcare Revolution, 64 canais (GE Healthcare, Chicago, IL , Estados Unidos ) .

Download do exame e segmentação

Inicialmente, é feito o download do exame de TC no formato digital imaging and communications in medicine (DICOM, na sigla em inglês) diretamente do sistema de visualização de imagens. Em seguida, os arquivos DICOM são importados para o software InVesalius (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Brasil) versão 3.1.1, programa livre para reconstrução de imagens provenientes de equipamentos de TC ou ressonância magnética (RM), para que seja realizado o processo de segmentação, ou seja, a seleção da área de interesse para impressão.

Para realizar a segmentação, é necessário seguir as seguintes etapas: (1) carregar os dados; (2) selecionar a região de interesse; (3) configurar a superfície 3D; e (4) exportar os dados.

Para importar o exame, deve-se clicar em "importar imagens médicas" e selecionar as imagens DICOM do exame. Dentre todas as sequências importadas para o software, escolher, preferencialmente, a com a maior quantidade de cortes disponíveis para que a reconstrução tenha a melhor resolução possível. Quanto menor for a espessura dos cortes tomográficos e a distância entre eles, melhor será a qualidade da reconstrução. Uma vez selecionadas as imagens, deve-se clicar em "importar" no canto inferior esquerdo da tela.

O segundo passo da segmentação é a seleção da região de interesse. O programa seleciona automaticamente uma área do exame na visualização multiplanar. Esta seleção pode ser customizada com a ferramenta de pincel ou com o ajuste personalizado do limiar de seleção. Feito isso, clique em "criar superfície". A superfície 3D aparecerá no quadrado inferior direito da tela ( Fig. 1 ).

Fig. 1 Segmentação ou seleção da área de interesse nas imagens multiplanares. A parte óssea da pelve e dos quadris foi selecionada e ajustada de maneira personalizada variando o limiar de seleção (em verde). Depois, foi criada a superfície 3D (em vermelho). Imagem obtida pelos autores no software InVesalius (Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Brasil).

Em seguida, a superfície 3D criada poderá ser configurada, se necessário, em "opções avançadas". O quarto e último passo da segmentação é a exportação dos dados. Deve-se clicar em "exportar superfície 3D" e salvar o arquivo em formato stereolithography (STL, na sigla em inglês).

Edição da malha 3D

Uma vez finalizada a segmentação, a etapa seguinte é a importação do arquivo STL para o software Meshmixer (Autodesk Inc ., San Rafael, CA, Estados Unidos) versão 3.5.474, que permite trabalhar de forma livre manipulando a malha 3D para, posteriormente, materializar o projeto na impressora.

Este programa possui uma infinidade de funções para modelagem 3D. Dentre as funções principais, cita-se a de selecionar, a de esculpir, a de análise da superfície da malha ( Fig. 2 ) e a de transformar o objeto em um sólido ( Fig. 3 ).

Fig. 2 Análise da superfície da malha 3D à procura de zonas que não podem ser impressas por motivo de superfície insuficiente. Em A, observa-se o corte transversal da diáfise do fêmur com superfície insuficiente (seta). Em (B), a análise foi feita automaticamente pela ferramenta inspector e, em (C), a superfície previamente insuficiente já está preenchida. Imagem obtida pelos autores no software Meshmixer (Autodesk Inc . , San Rafael, CA, Estados Unidos).

Fig. 3 Transformar o objeto em um sólido. Em ( A ), observa-se a área selecionada na etapa de segmentação. Observar o aparecimento dos conectores unindo os ossos do carpo em ( B ), importante para a impressão de um único objeto. Imagem obtida pelos autores no software Meshmixer (Autodesk Inc . , San Rafael, CA, Estados Unidos).

Fatiador e impressão

Finalizado o processo de edição da malha 3D, deve-se salvar o arquivo em formato STL e transferi-lo para o software fatiador Cura (Ultimaker, Utrecht, Holanda), versão 4.3, para realizar as configurações de impressão do modelo. Os modelos 3D foram impressos de forma aditiva, na impressora de tecnologia fused deposition modeling (FDM, na sigla em inglês) GTMax3D Core A3v2. O material utilizado para impressão foi o acrilonitrila butadieno estireno (ABS), disponibilizado em forma de filamento com diâmetro de 1,75mm.

O primeiro passo é adicionar uma impressora no software. Feito isso, o programa disponibiliza a mesa de impressão já com as dimensões da impressora selecionada. Clique em "Arquivo" > "Abrir arquivo" e selecione o arquivo STL editado.

Neste programa, é necessário configurar os parâmetros de impressão. As configurações dependem do modelo da impressora e do material utilizado. No caso da impressora e do material disponível no laboratório da nossa instituição, utilizam-se as seguintes configurações gerais: velocidade de impressão de 100 mm/s; espessura da camada de 0,15 mm; temperatura de impressão de 250°C; densidade de preenchimento de 10%.

É importante também que se tenha conhecimento de algumas funções principais do software Cura, como a função de escala ( Fig. 4 ), para definir as dimensões da peça, e a função de suportes, para que o filamento tenha apoio para impressão de estruturas maiores que não possuem apoio nas camadas inferiores.

Fig. 4 A função "escala" permite configurar as dimensões do objeto. Imagem obtida pelos autores no software Cura (Ultimaker, Utrecht, Holanda).

Após realizar todas as configurações descritas, clique em "fatiar" na parte inferior direita da tela. O programa realiza o fatiamento do objeto, de modo que este pode, então, ser revisado camada a camada. Também é informado o tempo previsto para a conclusão da impressão de acordo com as características da peça e com as configurações definidas. Para a materialização do objeto, salva-se o arquivo no formato G-code em um cartão de memória para transferi-lo diretamente para a impressora 3D ( Fig. 5 ).

Fig. 5 Pelve e regiões proximais dos fêmures de paciente masculino, 11 anos, portador de deformidades ósseas complexas, impressas por meio da tecnologia de manufatura aditiva a partir do exame de tomografia computadorizada pré-operatória. Imagem obtida pelos autores.

Comentários finais

O uso de modelos em tamanho real e hápticos é particularmente interessante não somente para a educação, mas também para o melhor entendimento da doença. 7 No estudo de Weidert et al., mesmo cirurgiões experientes mostram classificação e planejamento de tratamento aprimorados com a ajuda de modelos impressos em 3D quando comparados com os dados simples de TC. 8

Existem diversos softwares disponíveis para impressão e modelagem de peças 3D. Os autores costumam utilizar os programas descritos no presente artigo por serem gratuitos e com uma curva de aprendizado relativamente rápida. Não há conflito de interesses. Nesta seção do artigo, algumas considerações são feitas para facilitar o entendimento prático dos leitores.

Na etapa de segmentação, a seleção automática da área de interesse é realizada pela densidade dos tecidos. Desta forma, torna-se relativamente fácil segmentar o osso, porque a densidade é muito diferente das demais estruturas de partes moles. O processo de segmentação do esqueleto é facilitado ao selecionar as imagens em janela de partes moles e não em janela óssea.

Na fase de edição da malha 3D, a ferramenta "esculpir" permite que a superfície do osso seja suavizada para uma impressão de melhor qualidade. Apesar de muito útil, é de extrema importância que se tome muito cuidado durante a suavização da superfície da peça para não distorcer as particularidades anatômicas; por isso, os autores recomendam reduzir a "força do pincel" quando for necessário o emprego desta função.

Em relação à função de escala do software fatiador ( Fig. 4 ), ela oferece a opção de dimensionar o modelo a ser impresso. Quando é preciso confeccionar implantes sob medida, a impressão do modelo no tamanho real (100%) se faz necessária. Nem todas as impressoras 3D suportam a impressão de modelos grandes. Nestes casos, pode-se imprimir a peça em partes, como mostrado na Fig. 5 , na qual os fêmures foram impressos separadamente da pelve.

No que diz respeito às configurações de impressão, deve-se ter em mente que quanto melhor a resolução do objeto, mais camadas de impressão são necessárias e, consequentemente, mais tempo de impressão.

A escolha do material de impressão também deve levar em consideração suas características próprias. O ABS é um termoplástico derivado do petróleo que possui ótima resistência mecânica e boa resistência a altas temperaturas. De modo geral, a impressão de modelos utilizando o ABS necessita de impressoras fechadas, como a utilizada no nosso serviço. Outros materiais estão amplamente disponíveis e também são de fácil manuseio, como o poliácido láctico (PLA), um polímero termoplástico feito com ácido lático a partir de matérias-primas de fontes renováveis. Lembre-se de que as configurações de impressão também devem ser feitas de acordo com o material escolhido.

Conflito de Interesses Os autores declaram não haver conflito de interesses.

Trabalho desenvolvido no Hospital Pequeno Príncipe, Curitiba, PR, Brasil.

Work carried out at the Hospital Pequeno Príncipe, Curitiba, PR, Brazil.
==== Refs
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