FIXATIE VAN OP MAAT GEMAAKTE CAD-CAM IMPLANTATEN TER HERSTEL VAN SCHEDELDEFECTEN

XIOS HOGESCHOOL LIMBURG DEPARTEMENT TOEGEPASTE INGENIEURSWETENSCHAPPEN

FIXATIE VAN OP MAAT GEMAAKTE CAD-CAM IMPLANTATEN TER HERSTEL VAN SCHEDELDEFECTEN Juriën BECKERS & Raf PANIS

Afstudeerwerk ingediend tot het behalen van het diploma van master in de industriële wetenschappen: elektromechanica

Promotoren: Prof. dr. J. Poukens (Universiteit Hasselt) dr. ir. R. Thoelen (XIOS Hogeschool Limburg)

Academiejaar 2010 - 2011

Abstract Deze eindverhandeling vormt het sluitstuk van onze opleiding “master in de ingenieurswetenschappen” met als afstudeerrichting “elektromechanica” aan de Xios Hogeschool Limburg. Na verschillende mogelijke onderwerpkeuzes in acht genomen te hebben, viel de keuze op “fixatie van implantaten”. Dit is een multidisciplinair afstudeeronderwerp waarbij innovatieve en vernieuwde fixatiesystemen voor schedelimplantaten dienen bedacht en uitgewerkt te worden. De huidige technologie kan al tegemoet komen aan het dichten van een schedeldefect, opgelopen na een ongeval, trauma of operatie. Men gaat het schedeldefect meestal dichten met een op maat gemaakt implantaat. De huidige technieken die er bestaan om zo een schedelimplantaat te fixeren op het restende deel van de schedel kunnen wel nog verbeterd of vernieuwd worden. De bedoeling van deze masterproef is om buiten het ontwerpen van de fixatiemethodes in een CAD-omgeving, ook de fixatiemethodes te testen op een reëel testmodel. Het testmodel wordt gemaakt met behulp van rapid prototyping technieken. Als bijkomende opdracht is het de bedoeling om een vergelijkende studie te doen naar het verschil tussen een laserscan en een CT-scan. Deze studie treft de nauwkeurigheid van de CT-scan te achterhalen indien men weet wat de nauwkeurigheid van de laserscan is. Men gaat deze vergelijking doen op basis van het interval van de slices van de CT-scan.

Dankwoord Dit eindwerk is mede kunnen slagen door de medewerking en hulp van een aantal personen. Deze zouden we dan ook langs deze weg willen bedanken voor hun geleverde medewerking en kennis. In de eerste plaats wensen we onze interne promotor, dr. Ir. Ronald Thoelen, te bedanken voor zijn begeleiding en advies bij het uitwerken van deze eindverhandeling. Hij heeft een belangrijke rol gespeeld in het bedenken van de nieuwe fixatiemethodes en heeft hij ons goed geholpen bij het verwerken van de masterproef tot de thesis. Ook dr. Ir. Michaël Daenen heeft nuttige voorstellen gedaan om nieuwe fixatiemethodes te kunnen bedenken. Verder wensen we onze externe promotor, Prof. dr. J. Poukens (Universiteit Hasselt), te bedanken voor het aanbrengen van de interessante studie en deze uitstekend te begeleiden. Ook willen we de personen van 3D-lab, ing. Ilona Stouten, ing. Andy Camps en ing. Gwen Vanheusden, extra bedanken voor hun medewerking aan het project. Het merendeel van de tijd hebben we doorgebracht op het 3D-lab en we kregen ook uitleg over de tekenprogramma’s van deze personen. Zij hebben ons ook begeleid bij het printen van de schedel en het implantaat. Het bedrijf Sirris heeft het testimplantaat, dat in titanium geprint is, vervaardigd. Zonder hun konden we dit zeker niet realiseren. De heer ing. Carsten Engel heeft hiervoor gezorgd. Als laatste willen we ook de mensen van IDEE Maastricht en Xilloc bedanken, vooral de heer ing. Maikel Beerens heeft ons goed geholpen met de vooruitgang in het ontwerp van de fixatietechniek. We zijn meermaals bij hem op bezoek geweest.

Raf Panis en Juriën Beckers

Inhoudsopgave Abstract Dankwoord Inhoudsopgave 1 Inleiding .............................................................................................................................. 1

2

1.1

Algemeen ..................................................................................................................... 1

1.2

Custom IMD project..................................................................................................... 2

1.2.1

Doelstellingen van het project ............................................................................. 2

1.2.2

Onderzoeksgroep ................................................................................................. 3

1.3

Doelstelling .................................................................................................................. 4

1.4

Omschrijving van de methodiek .................................................................................. 4

Botprotheses ...................................................................................................................... 5 2.1

2.1.1

Anatomische beschrijving .................................................................................... 5

2.1.2

Botsamenstelling .................................................................................................. 8

2.1.3

Fysieke en mechanische eigenschappen van craniale botstructuren ................. 9

2.2

Schedeldefecten ........................................................................................................ 10

2.2.1

Mogelijke afwijkingen ........................................................................................ 11

2.2.2

Classificatie van schedeldefecten ...................................................................... 12

2.2.3

Herstel van schedeldefecten/cranioplasty ........................................................ 15

2.3

Huidige technieken .................................................................................................... 16

2.3.1

Frezen ................................................................................................................. 16

2.3.2

Twee componenten kunststof (acrylaat) ........................................................... 17

2.3.3

Rapid prototyping/manufacturing ..................................................................... 17

2.3.4

Rapid manufactured hydroformed titanium folie ............................................. 22

2.3.5

Gebruikte Rapid prototyping technieken........................................................... 23

2.4

3

Botstructuren............................................................................................................... 5

Materialen ................................................................................................................. 23

2.4.1

Voorwaarden voor nieuwe (en huidige) materialen .......................................... 23

2.4.2

Huidige materialen ............................................................................................. 23

Rapid manufactured Implantaten .................................................................................... 25 3.1

Opmeten van de schedel defecten............................................................................ 25

3.1.1

CT-scanner .......................................................................................................... 25

3.1.2

Data .................................................................................................................... 26

3.1.3

Nabewerking ...................................................................................................... 26

3.2

Ontwerpen van implantaten ..................................................................................... 27

3.2.1

Software ............................................................................................................. 27

3.2.2

Data .................................................................................................................... 28

3.2.3

Procesopeenvolging ........................................................................................... 29

3.3

4

3.3.1

Vergelijking 1 ...................................................................................................... 31

3.3.2

Vergelijking 2 ...................................................................................................... 36

Fixatie van schedel implantaten....................................................................................... 38 4.1

Bestaande technieken ............................................................................................... 38

4.1.1

Bevestigingslipjes ............................................................................................... 38

4.1.2

Stalen veertjes .................................................................................................... 39

4.1.3

Lateraal schroeven ............................................................................................. 39

4.2

Voorwaarden voor fixatiemethodes ......................................................................... 40

4.3

Alternatieve fixatiemethodes .................................................................................... 41

4.3.1

Deformable needle ............................................................................................. 41

4.3.2

Kwartslagsysteem............................................................................................... 45

4.3.3

Lip-buigsysteem.................................................................................................. 48

4.3.4

Veersysteem ....................................................................................................... 51

4.3.5

Kort besluit ......................................................................................................... 52

4.4

Resultaten van eerste print ....................................................................................... 52

4.4.1

Schedel ............................................................................................................... 53

4.4.2

Implantaat .......................................................................................................... 53

4.4.3

Implantaat op schedel ........................................................................................ 54

4.4.4

Fixatiemethodes ................................................................................................. 54

4.4.5

Resultaat van de testen ...................................................................................... 56

4.5

Resultaten van print in titanium ................................................................................ 56

4.5.1

Testmodel ........................................................................................................... 56

4.5.2

Print in titanium ................................................................................................. 59

4.5.3

Bespreking resultaat........................................................................................... 63

4.5.4

Controle van het geprinte stuk d.m.v. Laserscan ............................................... 63

4.6 5

Vergelijking CT-scan / Laserscan................................................................................ 30

Vergelijking alternatieve met bestaande technieken ............................................... 66

Conclusie .......................................................................................................................... 67

Afkortingen Bijlage

1

1 Inleiding 1.1 Algemeen Een schedeldefect is een toestand waarbij er een deel van de schedel ontbreekt, en het lichaam niet in staat is om het op een natuurlijke wijze te laten helen. Een dergelijk defect kan ontstaan door een ongeval, een ziekte of door een aangeboren afwijking. Dit defect kan op alle mogelijke plaatsen van de schedel optreden en de grootte en vorm kunnen alle mogelijke maten aannemen. Omdat de hersenen niet meer beschermd worden door de stevige schedel, kunnen er allerlei ernstige kwetsuren ontstaan, met zelfs een kans op blijvende verlammingen of het overlijden van de patiënt. Om dit te voorkomen, moesten de patiënten vroeger voortdurend een helm dragen. De technologie staat echter niet stil, en tegenwoordig bestaan er op maat gemaakte implantaten die de hersenen beschermen. Om de implantaten te fixeren op de schedel bestaan er verschillende methodes. In dit project zullen er nieuwe, innovatieve fixatiemethodes uitgewerkt en getest worden. Het belang bij het ontwerpen van deze fixatiemethodes is dat het implantaat stevig genoeg gefixeerd is op de bot rond het defect. De bedoeling is dat het implantaat even sterk (of sterker) is dan het oorspronkelijke bot. Bij het ontwikkelen van de fixatiemethodes moet men ook rekening houden met het creëren van holle ruimtes. Hier kunnen namelijk infecties optreden na de operatie. Dit is uiteraard niet gewenst. Omdat het toch mogelijk is dat er infecties ontstaan na het plaatsen van een implantaat, is het ook van groot belang dat de fixatiemethode omkeerbaar is. Dit wil zeggen dat men het implantaat ook snel moet kunnen verwijderen in geval van een infectie. De fixatie van het implantaat moet enkel de eerste 6 maanden zorgen dat het implantaat goed blijft vastzitten. Daarna zit het implantaat sowieso permanent verankerd in de schedel door de natuurlijke groei van het bot. Om het implantaat te vervaardigen wordt er eerst een CT-scan van de patiënt genomen en geanalyseerd. Daarna wordt er een virtueel implantaat ontworpen rond het defect. Dit implantaat wordt achteraf gecreëerd door rapid prototyping machines ofwel gefreesd door CNC-machines. De huidige fixatiemethodes gebieden de chirurg dat hij moet boren in de schedel. Dit boren vergt veel tijd en bovendien belandt er botgruis in de wonde. Een nieuwe en betere fixatie is dus noodzakelijk. Dit onderzoek valt onder het Europees gesubsidieerd onderzoek project CUSTOM-IMD. Deze biedt de mogelijkheid om onderzoek te doen naar nieuwe behandelmethoden voor deze aandoening. Een innovatieve fixatie van een schedelimplantaat is zeer belangrijk voor zowel de patiënt als de opererende chirurg.

2

1.2 Custom IMD project

Customized implantable medical devices of kortweg Custom IMD is een project opgericht door de Europese Unie. De kernactiviteiten van dit project zijn het ontwikkelen van biomaterialen en rapid manufacturing technieken waarmee men op maat gemaakte implantaten kan creëren binnen de 48 uur. Om dit doel te bereiken, zal het custom-IMD project een nieuwe generatie e-supply chain maken om efficiënter en tijdbesparend te werken. Deze tool zal betrekking hebben op de uitvoering van de gehele cyclus van het implantaat waaronder het beheer van de vertrouwelijke gegevens van de patiënt, materiaal leveren, implantaat ontwerp en productie, sterilisatie van het operatie materiaal en de reglementaire goedkeuring en de uiteindelijke levering van het implantaat. Het resultaat van het project is dat men 3 volledig aanpasbare implantaten kan verkrijgen. Deze 3 toepassingsgebieden zijn een craniofaciale botplaat, een lumbale spinale discusprothese en een tandheelkundige restauratie. De ontwikkelingen en resultaten van het project kunnen en zullen worden toegepast bij andere medische toepassingen. Het custom-IMD project is medegefinancierd door het Sixth Framework Programme voor de afdeling onderzoek en ontwikkeling van de Europese Unie. Het resultaat zal de kwaliteit van het leven van de patiënt verbeteren alsook een voordeel betekenen voor de Europese gemeenschap als een geheel. Dit zal ook zorgen voor een reductie van 20% op de kosten van de gezondheidszorg inzake deze gezondheidsproblemen.

1.2.1 Doelstellingen van het project De doelstelling van het custom-IMD project is de ontwikkeling van nieuwe biomaterialen voor innovatieve, volledig op maat gemaakte medische implantaten door gebruik te maken van verbeterde rapid manufacturing technologieën. De fundamentele onderzoeksgebieden zijn: -

Biomaterialen Rapid manufacturing Bio-comptabiliteit E-supply chain integration Implantaatontwikkeling High added value Duurzaamheid en eco-efficiëntie Externe dienstverlening

3

De kerndoelstellingen van het project zijn: -

-

-

-

-

-

De ontwikkeling van de innovatieve biomaterialen (keramiek, bio-passief, bioactieve en vormgeheugen polymeren) voor het gebruik van rapid manufacturing die op hun beurt gebruikt worden om bio-structuren en -eigenschappen na te bootsen. (anisotroop en bio actief) Om basiskennis te verkrijgen over de toxicologische en bio-comptabiliteit van nieuwe biomaterialen worden studies ondernomen op in-vitro celkweek en in-vivo onderzoek op dieren. Innovaties realiseren binnen de 5 rapid manufacturing technieken( 3D printen, Fused Deposition Modeling, selectief sinteren, direct laser forming en indirect rapid manufacture) waardoor men de gewenste eigenschappen van de biomaterialen kan bekomen en gebruiken in de toepassing. Bekomen van de integratie van medisch gecertificeerde e-supply chain management. (vertrouwelijke gegevens van de patiënt, materiaal leveren, implantaat ontwerp en productie, sterilisatie van het operatiemateriaal en de reglementaire goedkeuring en de uiteindelijke levering van het implantaat) Dit alles binnen de 48 uur. Ervoor zorgen dat het ontwerp, de fabricage en het testen van de 3 volledige op maat gemaakte implantaten (craniofaciale botplaat, een lumbale spinale discusprothese en een tandheelkundige restauratie) voldoen aan de specificaties. Het aantonen van de directe economische besparing van de Europese dienst voor gezondheidszorg voor op maat gemaakte implantaten ( doelstelling is 20% besparing op gezondheidszorg in vergelijking met niet op maat gemaakte implantaten) en de maatschappelijke meerwaarde te kwantificeren.

De projectdoelstellingen zijn relevant aan de NMP doelstellingen waaronder industriële transformatie naar hightech kennis gerelateerde processen en producten, een hogere toegevoerde waarde (economisch concurrentievermogen), de ontwikkeling van nieuwe kennis en meer Europese integratie (over wetenschap, industrie en samenleving).

1.2.2 Onderzoeksgroep De onderzoeksgroep, waarin deze masterproef wordt uitgevoerd, bestaat uit: dr. Ir. Ronald Thoelen EMAP(electronical & mechanical) dr. Ir. Michaël Daenen Xios Hogeschool Limburg Ing. Andy Camps PWO – 3DLab Ing. Ilona Stouten Xios Hogeschool Limburg Prof. dr. Jules Poukens Dep. Morfologie Prof. dr. Ivo Lambrichts Faculteit Geneeskunde Universiteit Hasselt dr. David Koper Dep. Mondziekten, Kaak- en dr. Ingeborg van Kroonenburgh aangezichtschirurgie Prof. dr. Peter Kessler Maastricht Universitair Medisch Centrum Prof. dr. Jules Poukens Ing. Paul Laeven IDEE, Universiteit Maastricht Ing. Maikel Beerens Xilloc Medical BV Ing. Carsten Engel Sirris

4

1.3 Doelstelling De hoofddoelstelling van de afstudeerstage is het realiseren van op maat gemaakte schedelimplantaten in een verbeterd materiaal met een optimale fixatie en ontwerp, en eveneens de mogelijkheid te creëren om de tijd nodig voor ontwerp en vervaardiging in te korten tot 48 uur. De fixatie van schedelimplantaten is een chirurgische procedure die voor verbetering vatbaar is. In een Europees patent wordt een nieuwe techniek voor fixatie van schedelimplantaten beschreven. Het doel van deze afstudeerstage is om dit patent verder technisch uit te werken. Omschrijving: 1. De in het patent beschreven oplossingen dienen verder uitgewerkt worden qua design. Hiertoe dient het design van een specifieke oplossing in een virtuele 3dimensionale omgeving in CAD-software verder uitgewerkt en getest te worden. Eventueel kunnen ook alternatieven methoden uitgewerkt worden. 2. Het uitgewerkte virtuele 3D- model kan verder getest worden in het labo door functieanalyse van de onderdelen (vervaardigd in ABS, door middel van 3D printing) op een echt anatomisch model (vervaardigd door middel van rapid prototyping) en/of op een echte humane, gemacereerde schedel. 3. Verdere tests in het labo door functieanalyse van de onderdelen (vervaardigd in titanium) op een echt anatomisch model (vervaardigd door middel van rapid prototyping) en/of op een echte humane, gemacereerde schedel moeten gebeuren. Hiervoor kan men samenwerken met partners zoals Sirris. Dit bedrijf, dat vooral onderzoekgericht is, heeft veel ervaring met het creëren van werkstukken d.m.v. rapid prototyping technieken. De tweede doelstelling is om assistentie te verlenen aan de vergelijkende studie CTscan/MRI-scan/Laserscan.

1.4 Omschrijving van de methodiek Om een fixatiemanier uit te werken die goed bevonden werd, is men als volgt te werk gegaan. Eerst evalueerde men de bestaande fixatiemethodes en stelde een lijst op van de voor-en nadelen van deze fixatiemethodes. Om aan de eisen die werden opgelegd aan het ontwerpen van fixatiemethodes te voldoen en om de nadelen van de bestaande fixatiemethodes weg te werken, ging men op zoek naar mogelijke nieuwe manieren voor het fixeren van implantaten. Er werden heel wat voorstellen gedaan en al deze voorstellen werden dan ook getekend m.b.v. CAD-software om een goed beeld te krijgen ervan. Achteraf werd beslist welke nieuwe fixatiemethodes de meeste kans hadden om effectief uitgevoerd en uitgewerkt te worden en in de praktijk gebruikt te worden. De goedgekeurde fixatiemethodes kunnen dan reëel getest worden door m.b.v. rapid prototyping technieken een testopstelling te maken en de fixatiemethodes in de praktijk te evalueren. Op deze manier kan men beslissen of de nieuw bedachte fixatiemethodes een voordeel opleveren t.o.v. de bestaande fixatiemethodes, wat uiteindelijk het doel is van het ontwerpen van nieuwe fixatiemethodes.

5

2 Botprotheses 2.1 Botstructuren 2.1.1 Anatomische beschrijving De schedel is samengesteld uit verschillende botdelen die bij volwassenen vergroeid zijn tot één geheel. Bij kinderen en pasgeborenen kunnen deze delen wel nog geïdentificeerd worden, omdat ze nog niet voldoende vergroeid zijn met elkaar. De verschillende delen van de schedel zijn weergegeven in onderstaande figuren 2-1 en 2-2.

Figuur 2-1 Anatomische beschrijving van het vooraanzicht van het hoofd [10]

6

Figuur 2-2 Anatomische beschrijving van het zijaanzicht van het hoofd [10]

7 Het bot van de schedel is samengesteld uit verschillende afzonderlijke lagen. Van de buitenkant van het hoofd naar de binnenkant onderscheiden we volgende lagen: [10] - De huid (1) - Het onderhuids spier- en vetweefsel (2) - Het beenvlies (3) (een membraan dat de capaciteit heeft om nieuw bot te genereren) - Het schedelbot (4) dat bestaat uit 3 lagen (een buitenste corticale laag met grote dichtheid, een tussenlaag met “cancelous” bot en beenmerg, een binnenste corticale laag met een grote dichtheid) - Het harde hersenvlies (5) bestaat uit twee lagen de periostale laag en de meningeale laag. De hersenen en het hersenvocht worden door deze samengehouden. - Het hersenweefsel (6)

1 2 3 4

5 6

Figuur 2-3 Doorsnede van het hoofd [10]

8

2.1.2 Botsamenstelling De volgende figuren geven de samenstelling van de botstructuren weer. Bij het ontwerpen van een implantaat moet men rekening houden met het feit dat botstructuren, waarop een druk of kracht wordt uitgeoefend, zich terugtrekken en zich vormen naar het voorwerp waarmee de kracht wordt overgebracht (Wolff’s law). Het bot van de schedel is samengesteld uit een externe harde corticale laag en een homogene trabeculaire interne laag (sponzige structuur). In deze laatste laag bevinden zich ook bloedvaten.

Figuur 2-4 Samenstelling van craniaal bot [1]

9

2.1.3 Fysieke en mechanische eigenschappen van craniale botstructuren Monsterstukken van menselijke craniale botten werden verscheidene keren getest op trek, druk, afschuiving en torsie. De resultaten van de proeven werden geanalyseerd, rekening houdend met de met de waargenomen anisotropie en uiteenlopende structuren. Er zijn ook statische correlaties van de eigenschappen gemaakt. De schedelbeenderen lijken anisotroop in de transversale richting en over het algemeen zijn ze veel sterker en stijver in de transversale richting dan in de radiale richting. Dit is weergegeven in de figuur 2-5. [9]

Figuur 2-5 Mechanische eigenschappen van craniaal bot [10]

10

2.2

Schedeldefecten

Een schedeldefect is een onderbreking in de botstructuren van de schedel. Zo zijn sommige delen van de hersenen niet langer beschermd tegen externe invloeden. Dit kan gevaarlijke situaties opleveren voor de betrokken persoon, met in sommige gevallen zelfs een dodelijke afloop. De defecten kunnen een grootte van 1 tot 25 cm hebben in diameter. Schedeldefecten kunnen ontstaan na een trauma, kankeroperatie of een infectie. In het geval dat de patiënt een trauma oploopt en er hierdoor een hoge druk binnen in de hersenen gecreëerd wordt, moet de chirurg deze druk proberen te verwijderen. Dit kan enkel door een gat in de schedel te maken. Het botstuk dat verwijderd is uit de schedel gaat men achteraf terug proberen te implanteren daar waar het gat in de schedel zich bevindt. Dit botstuk zal subcutaan gehouden worden in de buikwand van de patiënt zodat men achteraf het bot kan terugplaatsen en er kans is op natuurlijke heling. Indien het bot binnen de 2 à 3 weken kan teruggeplaatst worden, zal men het bot in de diepvriezer bewaren. Het komt ook dikwijls voor dat het lichaam het botstuk afstoot nadat men het heeft proberen terug te plaatsen. Dit kan het gevolg zijn van een besmetting van het botstuk of van een afbraak van de mineralen in het botstuk (bot resorptie). Hierdoor blijft er een gat achter in de schedel:

Figuur 2-6 schedeldefecten [10]

Hetzelfde gebeurt wanneer de patiënt een hersentumor heeft. De chirurg moet eveneens een gat maken in de schedel om de tumor te kunnen verwijderen.

11

2.2.1 Mogelijke afwijkingen De meeste defecten hebben afgeronde randen omdat het bot vanzelf vervormt. De huid en de weke delen staan in direct contact met de hersenen. In geval van kleine defecten kan het gebeuren dat het gat zich vanzelf gaat opvullen met nieuw bot zodat de schedel hersteld is, zie figuur 2-7. In sommige gevallen vult het gat zich op met huid (die zich op de schedel bevindt) en hersenweefsel, zie figuur 2-8. Bij grote defecten is het mogelijk dat de hersenen uitpuilen door het defect. Dit komt door de grotere druk in de schedel, zie figuur 2-9. Het kan eveneens voorkomen dat het hersenweefsel zich terugtrekt. Figuur 2-10

Figuur 2-7 genezing kleine defecten [10]

Figuur 2-8 defect opgevuld met huid- en hersenweefsel, normaal zicht [10]

Figuur 2-9 Hersenen puilen uit het defect [10]

Figuur 2-10 Hersenen zijn teruggetrokken in het defect [10]

12

2.2.2 Classificatie van schedeldefecten Er bestaan 2 manieren om schedeldefecten te classificeren. De eerste is de classificatie volgens Wehmoeller et all (2004). Deze indeling wordt gebruikt voor wetenschappelijke doeleinden en beschrijft enkel de anatomische plaats van het defect. De tweede classificatiemethode voor schedeldefecten is volgens Jules Poukens (2006). Deze indeling is gebaseerd op 4 criteria: oppervlakte, middellijn overschrijdend, anatomische plaats, betrokkenheid van orbitale plaats (oogkas). Het is vooral gebaseerd op de moeilijkheidsgraad van de behandeling, vooral wanneer het gaat over op maat gemaakte implantaten. De criteria zijn hieronder in het breed omschreven. Oppervlakte van het defect: a) Kleiner of gelijk aan 5cm² b) Tussen 5cm² en 100cm² c) Groter dan 100cm2 Middellijn overschrijdend: a) Overschrijd de middellijn niet b) Overschrijd de middellijn Betrokkenheid van orbitale plaats: a) Betrokkenheid b) Geen betrokkenheid Anatomische plaats: a) b) c) d) e)

Frontaal Pariëtaal Temporaal Occipitaal (achterhoofd) Jukbeenboog

13 De defecten worden ingedeeld volgens bepaalde klassen: Klasse I defect:   

Kleiner of gelijk aan 5cm² Kruisend of niet kruisend van de middellijn Geen betrokkenheid orbitale plaats

  

Tussen 5cm² en 100cm² Kruisend of niet kruisend van de middellijn Geen betrokkenheid orbitale plaats

  

Groter dan 100cm² Kruisend of niet kruisend van de middellijn Geen betrokkenheid orbitale plaats

  

Tussen 5cm² en 100cm² Kruisend of niet kruisend van de middellijn Betrokkenheid orbitale plaats

  

Groter dan 100cm² Kruisend of niet kruisend van de middellijn Betrokkenheid orbitale plaats

  

Groter dan 100cm² De middellijn kruisend Betrokkenheid orbitale plaats

Klasse II defect:

Klasse III defect:

Klasse IV defect:

Klasse V defect:

Klasse VI defect:

Bijkomende informatie over anatomisch oppervlak:  Frontaal  Pariëtaal  Temporaal  Occipitaal (achterhoofd)  Jukbeenboog  Combinatie van boven vernoemde oppervlakken Samengevat: [10] Kleiner dan 5cm2

Niet I middellijn kruisend Middellijn I kruisend

Tussen 5cm2 en 100cm2

Tussen 5cm² en 100cm²

II

Groter Kleiner dan dan 5cm² 100cm2 Orbitale betrokkenheid III IV

II

III

IV

IV

Groter dan 100cm²

Orbitale Orbitale betrokkenheid betrokkenheid IV V

VI

14 Voorbeeld:

Figuur 2-11 Plaatsbepaling van de defecten [15]

15

2.2.3 Herstel van schedeldefecten/cranioplasty Het herstellen van een schedeldefect biedt enkele zeer belangrijke voordelen voor de patiënt en chirurg. Zo wordt de originele vorm van de schedel terug benaderd, worden de hersenen opnieuw beschermd tegen invloeden van buitenaf en ook de pijn die de patiënt ondervindt en de operatietijd worden geminimaliseerd. Het esthetisch aspect speelt ook een grote rol bij het dichten van schedeldefecten. Het is echter niet zo vanzelfsprekend dat een schedeldefect hersteld wordt. Zo dekken de verzekeringsmaatschappijen de kosten in de meeste gevallen niet en zijn er ook niet zo veel chirurgen die de kennis en ervaring bezitten om schedeldefecten te dichten. Hierdoor moet ofwel de patiënt ofwel de chirurg zich verplaatsen over meestal grote afstanden om het defect van de patiënt te kunnen herstellen. De AANS (American association of neurological surgeons) meldde dat er zo een 220,065 craniale procedures bestonden in 2009. De nood aan gespecialiseerde chirurgen en aan medische implantaat designers maken het moeilijk om aan de vereiste expertise te voldoen die nodig is om grote schedeldefecten te herstellen. Zelfs in de beste tijden en met de beste middelen brengen het ontwerp, fabricatie en implantatie van grote schedel implantaten grote problemen met zich mee. Ook kan het zijn dat de implantaten nog niet passen zoals het hoort en zijn de operatietijden zeer lang. Er zijn verschillende behandelmethodes mogelijk voor het herstellen van een schedeldefect en de keuze van de reconstructie hangt af van:  Ervaring van de chirurg  Classificatie van het defect (grootte, locatie,…)  Gebruikte materiaal  Beschikbaarheid van een engineering afdeling binnen het ziekenhuis

16

2.3

Huidige technieken

Tegenwoordig bestaan er verschillende technieken om een schedeldefect te herstellen. Een overzicht van de bestaande technieken: 1. Niets doen: in geval van een klein schedeldefect zal het gat zich vanzelf opvullen door natuurlijke bot groei 2. Met behulp van een bottransplantatie uit de schedel of een ander deel van het lichaam. Dit zorgt voor een defect in combinatie met een ziekte in een ander gebied van het lichaam 3. Door gebruik te maken van een hervormbaar gaas uit titanium. Deze techniek wordt gebruikt om kleine defecten op te vullen en wordt manueel gevormd naar het defect tijdens de operatie. 4. Door middel van 2 componenten kunststof(acrylaat): een vloeistof en poeder worden gemengd en men krijgt een stevige klei waarmee men het gat gaat opvullen. Deze klei zal uitharden volgens een exotherme reactie en zal dus veel warmte vrijgeven. De temperatuur kan plaatselijk oplopen tot 100°C. Deze hoge temperaturen zijn schadelijk voor de hersenen 5. Rapid manufactured acrylaat implantaten 6. Rapid manufactured hydroformed titanium folie 7. Rapid manufactured titanium implantaten d.m.v. enkele rapid prototyping technieken 8. CNC-frezen van titanium 9. CNC-frezen van PEEK

2.3.1 Frezen De data (afkomstig van ESPRIT software, speciale CAM software voor CNC-machines) wordt ingeladen in de CNC-freesmachine, die het implantaat freest uit een titanium of PEEK blok. Het implantaat wordt achteraf schoongemaakt door het te spoelen. De oppervlakteruwheid van het implantaat wordt verbeterd/verfijnd door het te zandstralen. Op figuur 2-12 ziet men de CNC-freesmachine die gebruikt wordt bij Maastricht Instruments, een onderzoeksgroep van de universiteit van Maastricht. Ook het afgewerkte implantaat (in titanium) is afgebeeld.

Figuur 2-12 CNC-freesmachine en het gefreesde implantaat [15]

17

2.3.2 Twee componenten kunststof (acrylaat)

Figuur 2-13 Twee componenten kunststof [18]

Men kan ook het defect sluiten door een twee componenten kunstof (acrylaat). Bij deze techniek mengt men de twee componenten samen en vervolgens smeert men het mengsel met een spatel op het defect. Door de chemische reactie van dit product ontstaat er veel warmte. Deze warmte kan ervoor zorgen dat er een infectie ontstaat of omringend weefsel afsterft. Een ander nadeel van deze methode is dat er een kans is dat het lichaam het materiaal zal afstoten. Hierdoor moet het dus weer operatief verwijderd worden.

2.3.3 Rapid prototyping/manufacturing Men gebruikt de rapid prototyping technieken om een snelle 3D afdruk van een CAD model te verkrijgen. Deze afdruk verduidelijkt de visualisatie en demonstratie van het werkelijke product. Wanneer men de RP technieken gaat gebruiken voor de productie van bruikbare goederen spreekt men van Rapid Manufacturing, wat meestal het geval is in de medische wereld. In de medische wereld wordt het gebruikt om menselijke botstructuren in afgewerkte vorm na te bootsen. In ons geval een implantaat (met fixatie geïntegreerd) voor een schedeldefect te dichten. Deze methode vergt zo weinig mogelijk werkvoorbereiding en materiaalafval. Alle Rapid prototyping technieken maken gebruik van de Layer manufacturing technologie. Deze deelt het CAD model op in laagjes met zeer kleine dikte (afhankelijk van de techniek). De laagjes worden stuk voor stuk opgebouwd door de machine waarbij het werkstuk zakt door een in de hoogte regelbaar platform. Eerst wordt het eerste laagje aangemaakt daarna zakt het platform en maakt men de tweede laag aan enz.… Enkele Rapid prototyping - technieken die gebruikt worden om het implantaat te verkrijgen :  3D-printen  Fused Deposition modeling (FDM)  SLS (selective laser sintering)  EBM (electron beam melting)

18 2.3.3.1 3D-printen Met een 3D-printer is het mogelijk om een snelle, fysieke afdruk te maken van een CAD model. De 3D-printer wordt vooral gebruikt in de industrie om prototypes te maken, maar ze kan ook gebruikt worden om bruikbare goederen te maken van kleine oplage. In de medische wereld wordt de 3D-printer gebruikt om op maat gemaakte protheses te fabriceren. De voordelen van de 3D-printer t.o.v. andere rapid prototyping technologieën zijn dat ze veel sneller, goedkoper zijn. Werkingsproces: Een 3D-printer lijkt veel op een traditionele inkjetprinter. Het grote verschil is dat een inkjetprinter enkel 2D afdrukt op papier. Zoals eerder gezegd creëert een 3D-printer een werkstuk door het opbouwen van lagen. Deze lagen kunnen van verschillende materiaalsoorten zijn. De bekendste is het pleisterachtige poeder, maar ook metaalpoeder is mogelijk. Tussen deze lagen wordt een bindmiddel “geprint” m.b.v. een printkop. Het bindmiddel wordt op de welgekozen plaatsen gespoten zodat men het CAD model kan nabootsen. Waar de printer geen bindmiddel sproeit, kan men het poeder zo terug wegvegen. Dit poeder heeft ook een ondersteunende functie.

Figuur 2-14 Werking van de 3D-printer [22]

Het toestel bezit 2 zuigers. Voordat er geprint wordt is 1 zuiger volledig ingetrokken en gevuld met poeder (linkse zuiger op bovenstaande tekening). De andere zuiger is uitgetrokken en bezit geen poeder (rechtse zuiger op bovenstaande tekening). Men begint te printen door een laag poeder aan te brengen op de rechter zuiger. De printkop brengt bindmiddel aan op deze laag poeder. Daarna beweegt deze zuiger naar beneden. De linker zuiger beweegt naar boven. Hierdoor komt nieuw poeder vrij. De poeder spreidende roller verplaatst het poeder van de linker zuiger naar de rechter zuiger. Dit proces wordt verschillende keren herhaald zodat men het werkstuk bekomt. De nauwkeurigheid van het toestel is de dikte van een laag poeder en dat is 0,1 mm.

19 2.3.3.2 Fused deposition modeling (FDM) Fused depostion modeling, afgekort FDM, is een RP-techniek waar laag na laag materiaal aan elkaar wordt gesmolten. Het materiaal waarmee men print is acrylonitrile butadiene styrene (ABS). ABS heeft de voordelen dat het hard, duurzaam en niet-toxisch is. ABS heeft meestal een witte kleur maar kan ook geverfd worden. Het nadeel van de techniek is dat ze vrij duur is. Werkingsproces: Uit een spuitmond-extruder komt vloeibaar ABS terecht op een in de hoogte beweegbaar (Z-richting) platform. De spuitmond is beweegbaar in de X en Y richting. Als een laag gespoten is, beweegt het platform naar beneden. Daarna brengt men een nieuwe laag aan. De FDM machine warmt eerst de ABS op en als het geperst is op het werkstuk, begint het hard te worden en kleeft het op onderliggende laag. Omdat de ABS zacht uit de sproeikop komt, is ondersteuningsmateriaal nodig.

Figuur 2-15 Werkingsprincipe van de FDM machine [23][26]

20 2.3.3.3 Selective Laser Sintering (SLS) Selective laser sintering of SLS is een rapid prototyping techniek die gebruik maakt van het sinter proces. Een laser wordt hier gebruikt om laag per laag te sinteren tot een vast product. Er zijn twee grote types voor het te sinteren materiaal. We kunnen gebruik maken van een metaalpoeder of van een vloeibaar polymeer. Dit polymeer wordt door de laser toegevoerde energie verhard tot een vast materiaal. Werkingsproces: Eerst wordt het virtueel CAD-model (1) ingeladen en dan in horizontale doorsneden (2) opgedeeld door het programma. De computer stuurt daarna de machine aan voor het creëren van de elke laag. Deze lagen worden gemaakt door de laser die gestuurd wordt met een prisma.

Figuur 2-16 Werking SLS proces type1 [23]

Bij één type gebruikt men een metaalpoeder (4) dat door de toevoertafel (6) omhoog wordt geduwd. Tegelijkertijd zakt het SLS-modeltafel (7) met dezelfde diepte omlaag. De schraperrol (5) duwt dan een laag nieuw poeder van de toevoertafel naar de SLS-modeltafel over het model. Vervolgens zal de laser het poeder aan elkaar smelten zodat er een laag ontstaat. Na deze laag wordt er weer een nieuwe laag poeder aangebracht. Zo gaat het voort totdat het model klaar is.

Figuur 2-17 Werking SLS proces type2 [23]

Bij het ander type gebruikt men een vloeibaar polymeer (3) dat gestold wordt door de laser. Door de tafel (4) in het polymeer te laten zakken verkrijgt men een nog niet gestolde laag boven het model. De laser zal deze laag stollen zodat die vastzit aan het model, daarna zakt de tafel weer voor de volgende laag.

21 2.3.3.4 Electron beam melting (EBM) Electron beam melting (EBM) gebruikt een elektronenstraal om een metaalpoeder te smelten. Het voorwerp wordt zo laag per laag gecreëerd in een vacuümruimte. In tegenstelling tot het Selective laser sintering (SLS) is het product hier volledig vol en zeer sterk omdat het geen thermische nabehandeling nodig heeft. Het proces gebeurd in vacuüm waardoor er reactieve materialen kunnen gebruikt worden zoals titanium, want oxidatie is er niet mogelijk. Werkingsproces: De EBM machine krijgt een 3D model dat het in laagjes gaat opdelen. Een computer gecontroleerde elektronenstraal gaat het metaalpoeder laag per laag aan elkaar smelten. Een wolfraam gloeidraad stoot elektronen uit die verhit worden. Met behulp van twee spoelen worden de elektronen gebundeld en bestralen ze het metaalpoeder waarbij ze ongeveer de helft van de lichtsnelheid hebben. De opgewekte warmte door die bestraling zorgt ervoor dat het metaalpoeder smelt. Nadat de laag is gestold zakt de tafel en wordt er een andere laag metaalpoeder gestrooid. De nieuwe laag wordt dan weer bestraald zodat er uiteindelijk een object ontstaat zonder inwendige spanningen.

Figuur 2-18 Werkingsproces EBM [18]

22

2.3.4 Rapid manufactured hydroformed titanium folie

Figuur 2-19 Hydroformed titanium folie op een schedeldefect [10]

Bij de hydroformed-titanium-folie techniek wordt een dunne plaat titanium in de gewenste vorm geperst. De plaat wordt op een mal met een bepaalde vorm gelegd en dan wordt water onder hoge druk op de titaniumplaat gespoten. Hierdoor neemt de titaniumplaat de vorm van de mal aan: Hoge druk Lage druk

Plaat materiaal Mal Figuur 2-20 Proces dat vorm geeft aan de titaniumfolie [25]

De in de gewenste vorm geperste titanium plaat kan een schedeldefect dichten:

Figuur 2-21 Voorbeeldfoto's van hydroformed titanium folie [10]

23

2.3.5 Gebruikte Rapid prototyping technieken Er is gebruik gemaakt van de 3D-printing en Fused Deposition Modeling technieken. Deze twee technieken stonden ter beschikking in het 3D-lab. Eerst werden de schedel en het implantaat met de fixatietechnieken op schaal 1,5 gebracht. Dit werd gedaan omdat de FDM-machine niet nauwkeurig genoeg is om de zeer kleine fixatiemethoden met grote precisie te maken. Op schaal 1,5 zou de nauwkeurigheid goed genoeg zijn om de fixatiemethodes in ABS te testen. De schedel werd met de 3D-printer gemaakt, omdat de FDM-machine de schedel niet in één geheel kan maken. Het implantaat is met de FDM-machine gemaakt omdat het gips van de 3D-printer niet sterk genoeg is en omdat men zo de lipjes beter in ABS kon maken om ze daarna te testen.

2.4

Materialen

2.4.1 Voorwaarden voor nieuwe (en huidige) materialen Indien men onderzoek voert naar nieuwe materialen die kunnen geïmplanteerd worden in het menselijk lichaam, moeten deze voldoen aan bepaalde voorwaarden: [10] 1. Biocompatibele eigenschappen 2. Materiaal met osteoconductieve eigenschappen, zodat het bot kan vergroeien met het materiaal. Materialen zoals koper en zilver, die een lage biocompatibiliteit hebben, hebben een lage osteoconductiviteit. 3. Materiaal dat compatibel is met het zachte weefsel onder het implantaat. 4. Het moet zekere fysische en mechanische eigenschappen bezitten, bv.: enerzijds moet de impactsterkte zo groot mogelijk zijn en het gewicht anderzijds moet zo laag mogelijk zijn. 5. Het materiaal moet makkelijk steriel gemaakt kunnen worden. 6. Het moet zo goedkoop mogelijk zijn. 7. Materiaal dat te bewerken of te vervaardigen is. 8. Materiaal of de coating moet thermisch isoleren. 9. Geen afgifte van partikels afkomstig van het implantaat. 10. Geen exotherme reactie tijdens de operatie. 11. Het materiaal moet poreus zijn wanneer het resorbeerbaar is. (resorberen betekent dat het lichaam het materiaal oplost en vervangt door bot) 12. Het materiaal moet een grote dichtheid hebben indien het niet resorbeerbaar is.

2.4.2 Huidige materialen Er zijn verschillende materialen beschikbaar die biocompatibel zijn met het menselijk lichaam. De materialen die momenteel geïmplanteerd worden in de mens zijn: [10]  Titanium  PEEK  PMMA  Polymeren  Keramieken/bioverit  Polyethyleen met een hoog molecuul gehalte  Bot

24 De volgende lijst geeft de voor-en nadelen weer van enkele van de mogelijke materialen. Wat opvalt, is dat titanium implantaten zeer goed kunnen fungeren als bot.

Figuur 2-22 Vergelijking van mogelijke biocompatibele materialen

25

3 Rapid manufactured Implantaten 3.1

Opmeten van de schedel defecten

Om een op maat gemaakt implantaat voor een defect in de schedel te kunnen maken heeft men de afmetingen van het defect nodig. Omdat men implantaten creëert voor patiënten die nog in leven zijn, kan men de schedel met het defect niet opmeten met een laserscan. Deze kan enkel oppervlakte metingen doen. Om een beeld te kunnen krijgen van de schedel van de patiënt, kan men gebruik maken van enkele medische beeldvormingstechnieken. De meest gebruikte techniek om dit te doen is m.b.v. de CT-scanner. De afbeeldingen van de schedel van de patiënt die hiermee bekomen worden geven zeer duidelijk weer waar het bot van de schedel zich bevindt, en dus ook waar het defect in de schedel gelegen is.

3.1.1 CT-scanner Computertomografie (afgekort CT-scan) is een techniek die in de medische wereld gebruikt wordt om beelden te kunnen maken van hoe het er in het lichaam uitziet. Het grote voordeel van de CT-scan is dat afwijkingen (zoals een schedeldefect) zeer goed gevisualiseerd kunnen worden. Het nadeel aan de andere kant is dat de patiënt bestraald wordt met schadelijke röntgenstraling.

Figuur 3-1 Werking van de CT-scanner [24]

De werking van de CT-scanner is afgebeeld op figuur 3-1 en werkt als volgt: De patiënt bevindt zich tussen een bron die röntgenstraling produceert en een röntgendetector. Wanneer de stralingsbron een smalle bundel straling in een rechte lijn uitstuurt (dus door de patiënt) neemt de sterkte van het signaal van de straling af omdat deze het weefsel van de patiënt passeert. De sterkte van de resterende straling wordt opgemeten met de detectoren. De sterkte van het signaal dat overblijft, kan men rechtstreeks in verband brengen met waar in het menselijke lichaam de straling geweest is. Botstructuren hebben hierdoor een wit kleur op een CT-scan en weefsel heeft een donkerdere kleur. Het bot absorbeert meer straling dan het weefsel rondom het bot. Daarna schuift de tafel, waar de patiënt zich op bevindt, op en worden opnieuw stralen uitgezonden en achteraf opgevangen. Hierdoor krijgt men een beeld van de positie juist naast het vorige beeld dat men verkregen had. Indien men deze handeling over het gedeelte waar men een beeld van wilt verkrijgen herhaalt, dan krijgt men een volledige 3D-beeld weergave van dat deel van het lichaam (bijvoorbeeld de schedel)

26

3.1.2 Data De data die men verkrijgt van de CT-scanner zijn van het bestandstype DICOM. Deze bestandstypen bevatten meerdere 2D- beeldweergave. Elke 2D-weergave stelt elke afzonderlijke “foto” voor die de CT-scanner genomen heeft. Om achteraf een 3D-weergave te verkrijgen moet men de DICOM bestanden omzetten naar een bestandstype dat de volledige (3D)beeldweergave ondersteunt. Het programma dat gebruikt kan worden om de bestanden om te zetten is Mimics. Dit valt onder de term nabewerking van de bestanden. 3.1.2.1 DICOM-bestanden DICOM of Digital Imaging and Communications in Medicine is een standaard die wordt gebruikt om medische beeldinformatie op te slaan. Het wordt vooral gebruikt bij medische beeldvormingtechnieken zoals de CT-scan. Een DICOM-bestand is eigenlijk een twee dimensionale foto. Om een 3D beeld te verkrijgen moet men meerdere DICOM-bestanden gaan samenvoegen. Het is ook mogelijk om met de juiste software de verschillende onderdelen aan te duiden en af te zonderen. Hierdoor kan men dus een 3D beeld krijgen van alleen het bot of alleen de zachtere weefsels. Dit 3D beeld is dan een STL-bestand waarmee men dan weer verder kan werken met andere programma’s.

3.1.3 Nabewerking Om de DICOM-bestanden (verkregen van de CT-scanner) om te zetten naar een bruikbaar beeld, moet men een conversieprogramma gebruiken. De DICOM-bestanden worden meestal omgezet naar het bestandstype STL (verder uitgelegd) omdat deze door de meeste CAD software pakketten ondersteund wordt. Mimics is een voorbeeld van zo een programma om de bestandsformaten te converteren. De DICOM-bestanden bevatten enkel informatie over de 2D-slices die de CT-scanner maakt. Om deze 2D-slices om te zetten en eigenlijk aan elkaar te “plakken” tot een 3D-beeld, kan men eveneens gebruik maken van Mimics. Een ander programma, Magics, beschikt over de functie om fouten in het 3D-beeld, zoals gaten, onvolmaaktheden, verstrooiing van het beeld op te sporen en te herstellen. Deze fouten zijn te wijten aan de afwijking van de CT-scanner. Op figuur 3-2 is het teveel aan bot, dat aanschouwd wordt als een fout, te zien. Zie bijlage 1 voor meer uitleg over Magics en Mimics Teveel aan botstructuren, die er in werkelijkheid niet zijn. Deze zijn te verwijderen met de software Magics

Figuur 3-2 Schedel met kleine fouten

27

3.2

Ontwerpen van implantaten

3.2.1 Software Voor het ontwerpen van de implantaten wordt de software 3-matic gebruikt. Deze software is van het bedrijf Materialise (www.materialise.com) dat gevestigd is in Leuven. 3-matic heeft een speciale functie die implantaten ontwerpt op basis van een geïmporteerde CTscan. Deze functie verkort de ontwerptijd met 68%. Zie bijlage 1 voor meer uitleg over 3matic.

Figuur 3-3 Analyse van het defect [11]

Om die functie te kunnen gebruiken moet men eerst de botrand van het schedeldefect markeren en dan met curven de kromming aangeven voor het implantaat. Om een juiste kromming van het implantaat te verkrijgen worden er verschillende implantaten ontworpen. De chirurg zal dan het beste implantaat kiezen.

Figuur 3-4 Mogelijke implantaten [11]

In figuur 3-4 ziet men de verschillende ontwerpen die elk gemaakt zijn op basis van een andere referentie. Het implantaat linksboven is gemaakt om de symmetrie van de schedel te recreëren. Rechtsboven op de figuur is een ontwerp te zien waarbij het hersenvlies net niet geraakt wordt. Het implantaat linksonder is het hersenvlies van de andere kant gespiegeld en daarop verder gebouwd. Het implantaat dat rechtsonder is afgebeeld, is gemaakt op basis van een combinatie van de andere ontwerpen.

28

Figuur 3-5 Doorsnedes van de implantaten [11]

Een andere functie van 3-matic is de “undercut removal” die de ondersnijding van het ontworpen implantaat verwijdert. Dit doet men omdat het anders niet mogelijk is om het implantaat op de schedel te plaatsen. De dikte van het implantaat is ook te kiezen, maar deze wordt standaard 5mm genomen. Indien gewenst is het mogelijk een variabele dikte te kiezen voor het implantaat.

3.2.2 Data

Figuur 3-6 Data van de CT-scanner [16]

Om een virtueel implantaat te ontwerpen is er eerst een virtuele schedel nodig. Deze wordt gemaakt door de schedel van de patiënt in te scannen met een CT-scan. De CT-scan maakt eigenlijk “slices” van de schedel die daarna samengevoegd moeten worden. De slices zijn van het bestandtype DICOM en deze worden dan omgezet door middel van een softwareprogramma naar één enkel bestand namelijk een STL-bestand. Het STL-bestand kan dan verder worden gebruikt in 3-matic voor het ontwerpen van het implantaat.

29 3.2.2.1 STL-bestand Het STL-bestandstype is een veel gebruikt bestandstype voor de Rapid prototyping technieken. STL staat voor “Surface Tessellation Language” of voor “Standard Tesselation Language”. Het beschrijft een oppervlak van een tekening exclusief door driehoeken. Dit betekent dat het alleen de oppervlaktegeometrie beschrijft. Het STL-bestand kan zowel opgemaakt zijn als een ASCII- of als een binair bestand. Meestal wordt er voor de binaire variant gekozen, omdat deze compacter zijn dan de ASCII variant en dus ook sneller tijdens het verwerken op de computer. Omdat het STL-bestand alles in driehoeken beschrijft, is het altijd een grove benadering van het origineel bestand. Men kan een grotere nauwkeurigheid bekomen door meer driehoeken te gebruiken. Hierdoor wordt de afwijking veel kleiner, maar het bestand wordt dan ook groter. Het STL-bestand wordt gecreëerd door een CADbestand om te zetten en kan door bijna elk CAD-programma worden gedaan. Het omzetten van een STL- naar een CAD-bestand is nagenoeg onmogelijk. Het kan ook bekomen worden door een werkelijk object in te scannen zodat men direct een STL-bestand verkrijgt.

3.2.3 Procesopeenvolging Het creëren van een prototype geschiedt in verschillende stappen: Stap 1: Eerst wordt er met een tekenprogramma een virtueel model of een CAD-bestand gemaakt. Men kan ook een bestaand object inscannen of opmeten. Deze tekening is meestal automatisch van het STL-formaat. Stap 2: Dan converteert men van het CAD-bestand naar een STL-bestand met het tekenprogramma. Stap 3: Dit STL-bestand wordt dan ingeladen in het programma van de rapid prototyping techniek. Hier wordt de tekening correct georiënteerd zodat het klaar is om gemaakt te worden. Het virtueel model wordt dan door het programma in zeer veel horizontale doorsneden opgedeeld. Stap 4: Het programma stuurt dan, afhankelijk van elke laag, de machine aan. Deze creëert dan het object laag per laag. De tijd dat het creëren zelf in beslag neemt is afhankelijk van de grootte van het object en van de gebruikte rapid prototyping techniek. Stap 5: Dan wordt afhankelijk van de rapid prototyping techniek, het gecreëerde object gereinigd met de hand of met chemicaliën. Zie bijlage 1 voor extra uitleg over deze stappen en de computerprogramma’s die gebruikt worden bij elke stap.

30

3.3

Vergelijking CT-scan / Laserscan

Men kan enkel een CT-scan maken van een patiënt. Men weet uit ervaring dat er een afwijking zit op deze meting t.o.v. de werkelijke grootte. De werkelijke grootte wordt voorgesteld door een Laserscan, deze kent een veel betere nauwkeurigheid (+-15µm). Het probleem met de laserscan is dat men enkel de oppervlakte kan scannen en in dit geval moet de schedel dan vrij zijn van weke delen. De laserscan is dus niet toepasbaar op een levende patiënt. De bedoeling is dus de nauwkeurigheid van de CT-scan te bepalen. Met Focus Inspection kan men digitaal 2 scans vergelijken door ze op elkaar te leggen en er daarna een vergelijkende berekening op toe te passen. Als resultaat bekomt men dan een schedel met verschillende kleuren die op hun beurt de grootte van de afwijking voorstellen. Zie bijlage 1 voor meer uitleg over Focus Inspection. Vraagstelling: Hoe goed benadert een 3D reconstructie van 2D coupes ( CT-scan) de werkelijkheid (laserscan)? Het belangrijkste is hoe groot de afwijking is rond het defect omdat men vooral het doel voor ogen heeft om een implantaat voor het defect in de schedel te maken. Een tweede vergelijking moet aantonen of de nauwkeurigheid tussen een CT-scan en een laserscan beter wordt indien men het slice interval gaat vergroten bij de CT-scan.

31

3.3.1 Vergelijking 1 De eerste vergelijking tussen de laserscan en CT-scan gebeurd met de grootste nauwkeurigheid, dit wil zeggen dat alle “slices” van de CT-scan behouden worden. De laserscan:

Figuur 3-7 Laserscan van de schedel

Op deze scan zijn veel onvolmaaktheden te zien zoals de gaten. Ook is deze laserscan een oppervlaktescan waardoor de schedel enkelwandig is.

32 De CT-scan:

Figuur 3-8 CT-scan van de schedel

De CT-scan heeft ook onvolmaaktheden van de botrand in het defect. 3.3.1.1 Vergelijking We kiezen eerst op welke basis de schedels vergeleken worden. De gegeven tekeningen zijn van het type STL dus maken we de vergelijking op basis van STL. De schedels worden geïmporteerd in het programma. Er zijn 2 soorten tekeningen, de nominal en de measured. De nominal is echte tekening en de measured is de gemeten tekening die men gaat vergelijken met de echte tekening, de nominal. In ons geval is de nominal dus de laserscan in ons geval en de measured de CT-scan. Wanneer de tekeningen ingeladen zijn, proberen we ze zo goed mogelijk op elkaar te leggen. We zorgen er eerst voor dat de 2 tekeningen al redelijk goed op elkaar passen door de functies rotation en translation toe te passen. Daarna gaan we gemeenschappelijke punten op de schedels gaan samenleggen. Hier is ook een functie voor in het programma. Nadat we dit hadden toegepast, konden we zien dat de schedels al vrij goed overeenkwamen. Maar na de vergelijking hierop te maken zagen we dat de samenlegging van de schedels niet zo goed was (de maximale afwijking rond het defect was groter dan 0,2 mm). We herhaalden de samenlegging van de gemeenschappelijke punten meermaals en bekwamen een goed resultaat. Dit resultaat hebben we dan verder geanalyseerd.

33

Figuur 3-9 Vergelijking tussen CT-scan/Laserscan

Op de afbeelding is de afwijking van de CT-scan t.o.v. de laserscan te zien. De verschillende kleuren duiden de grootte van de afwijking aan. Op de kleurenbalk kunt u de afwijking (in mm) aflezen. Een rode kleur betekent dat de afwijking groot is in positieve richting (buiten de laserscan), blauw betekent dat de afwijking groot is in negatieve richting (binnen de laserscan). We kunnen vaststellen dat de afwijking van de CT-scan t.o.v. de laserscan klein is. De exacte waarde hiervan is niet te bepalen met het programma omdat de berekening ook rekening houdt met de binnenkant van de CT-scan en deze waarde dan veel te groot is. Behalve rond het defect in de schedel is er sprake van een grotere afwijking, maar deze is nooit groter dan 0,2 mm. De blauwe stippen in de rand van het defect komen door gaten in de botrand van de CT-scan die de laserscan niet heeft.

34

Figuur 3-10 Afwijkingen van de botrand tussen de CT-scan en de Laserscan

Op volgende afbeelding zijn de afwijkingen van de botrand te zien: We kunnen vaststellen dat de afwijkingen rond de botrand nooit groter zijn dan 0,2 mm en dat ze enkel positieve waardes aannemen. Een positieve afwijking wil in dit geval zeggen dat het defect van de CT-scan kleiner is dan het defect van de laserscan. Op de vergelijking is ook te zien dat de afwijking aan de binnenkant van de schedel groot is. Dit komt omdat bij de laserscan de binnenkant van de schedel niet aanwezig is.

35 3.3.1.2 Zijaanzicht

Figuur 3-11 Zijaanzicht van de vergelijkende figuur

De blauwe kleur betekent dat de CT-scan niet helemaal juist op de laserscan ligt. Maar dit heeft geen invloed op de nauwkeurigheid rond het defect. 3.3.1.3 Bovenaanzicht

Figuur 3-12 Bovenaanzicht van de vergelijkende figuur

De blauwe kleur in de botrand is afkomstig van de gaten die aanwezig zijn in de CT-scan en niet in de laserscan.

36

3.3.2 Vergelijking 2 De 2de vergelijking gebeurt op basis van dezelfde schedel als bij de eerste vergelijking, alleen zijn er “slices” verwijderd uit de CT-scan. Men heeft slices verwijderd zodat de afstand tussen 2 slices 0.33mm is. Men zou verwachten dat het resultaat van deze vergelijking onnauwkeuriger is. 3.3.2.1 Vergelijking

Figuur 3-13 Vergelijking van CT-scan, met veranderlijk slice interval, en Laserscan

De vergelijking gebeurt op dezelfde manier als bij de eerste vergelijking. Men kan zien, zoals verwacht, dat de binnenkant van het schedeldefect helemaal rood kleurt en dit wil zeggen dat er een afwijking van meer dan 0.2 mm is. Er zijn zelfs afwijkingen tot 0.639 mm. Dit is een slecht resultaat. Op de figuur zijn de resterende “slices” van de CT-scan, die de contour van de schedel vormen, goed zichtbaar. Hieruit kon men al afleiden dat de afwijkingen tussen de CT-scan en de laserscan zeer groot zouden zijn. Ook op de overige delen van de schedel zijn veel donkerblauwe en donkerrode kleuren te zien, en deze kleuren komen vaak in hetzelfde gebied voor. Dit wil zeggen dat de schedels wel goed op elkaar gepositioneerd zijn maar dat ze sterk van elkaar verschillen in afmetingen. Indien men de intervallen tussen de slices van de CT-scans nog groter maakt, dan worden de resultaten nog onnauwkeuriger. Testen hebben dit aangetoond. De resultaten van de testen worden hier niet verder weergegeven omdat ze niet van belang zijn.

37 3.3.2.2 Besluit Bij de eerste vergelijking kan men besluiten dat de CT-scan de laserscan zeer goed benadert. De gemiddelde afwijking rond het defect is maximaal 0,05 mm. De maximale afwijking anderzijds is hoogstens 0,2 mm.De precieze gemiddelde afwijkingen kunnen niet bekomen worden met het programma omdat de laserscan alleen de oppervlakte van de schedel weergeeft terwijl de CT-scan de volledige schedel weergeeft. De afwijkingen rond het defect zijn allemaal afwijkingen in positieve richting, de CT-scan is dus kleiner dan de laserscan. Hier moet rekening mee gehouden worden tijdens het ontwerp van het implantaat. De tweede vergelijking anderzijds geeft een veel onnauwkeuriger resultaat. Dit is vooral te wijten aan het feit dat er slices verwijderd worden en dat de afstand tussen 2 opeenvolgende slices groter gemaakt wordt. De meting van vergelijking 2 is uitgevoerd met een interval van 0.33 mm tussen 2 opeenvolgende slices. Indien men deze afstand nog groter gaat maken mag men veronderstellen dat het resultaat nog onnauwkeuriger wordt.

38

4 Fixatie van schedel implantaten 4.1

Bestaande technieken

Het schedeldefect van de patiënt kan verschillende oorzaken hebben. Maar voor de behandeling wordt er eerst een CT-scan genomen van het hoofd van de patiënt. Deze CTscan gaat men analyseren en vervolgens kan men een virtueel implantaat gaan ontwerpen die goed aansluit op het defect. Het implantaat moet niet alleen passen op het defect maar men moet het ook kunnen bevestigen op de schedel. De huidige technieken die men hiervoor gebruikt zijn onder andere bevestigingslipjes, stalen veertjes of gewoon een schroef die lateraal het bot wordt ingeschroefd. Het aantal en de plaats van deze fixatietechnieken worden op het virtueel implantaat aangebracht na overleg met de chirurg.

4.1.1 Bevestigingslipjes

Figuur 4-1 Implantaat met bevestigingslipjes [16]

Figuur 4-2 Mal om gaten aan te duiden op de schedel [16]

De lipjes hebben een simpel ontwerp, het gat in het lipje dient om deze met een schroef op de schedel te fixeren. Per lipje boort men eerst een gat in de schedel en bevestigt er een schroef in. Het implantaat zit stevig vast en het is een reversibel proces. De lipjes hebben een bepaalde dikte en liggen op de schedel waardoor ze voelbaar zijn na de operatie. Dit kan men voorkomen door eerst de vorm van de lipjes uit te frezen uit de schedel. Dit doet men met behulp van een boorindicator die ook zoals het implantaat perfect op het defect past. Deze techniek heeft dus als nadeel dat er geboord en gefreesd moet worden in de schedel tijdens de operatie. Hierdoor ontstaat er botgruis in het defect dat men moet verwijderen om een ontsteking te voorkomen. Dit alles is tijdrovend en verhoogd de kans op complicaties.

39

4.1.2 Stalen veertjes

Figuur 4-3 Klemmingsprincipe met veertjes [20]

Een andere techniek is met stalen veertjes het implantaat vastzetten. Tijdens de operatie plaats men eerst het implantaat op het defect waarna men de veertjes inbrengt op de voorziene plaats. Deze plaats is een reeds voorziene ruimte op het implantaat. Men positioneert eerst de veer onder de botrand en dan klikt men het veertje vast aan het implantaat. Het nadeel is dat dit precisie werk is en dat de veertjes tijdens het hanteren of bij een verkeerde plaatsing kunnen wegspringen.

4.1.3 Lateraal schroeven De recentste techniek is om een schroef zijdelings in het bot te schroeven.

Figuur 4-4 Lateraal schroeven in het bot [19]

40

Figuur 4-5 Schedel met implantaat (die er lateraal opgeschroefd wordt) [19]

4.2

Voorwaarden voor fixatiemethodes

Als men nieuwe of alternatieve fixatiemethodes wilt ontwerpen voor een implantaat te fixeren, moet men rekening houden met bepaalde criteria: 1. Er mogen geen anatomische dode ruimtes of holtes gecreëerd worden. Dit om infecties achteraf te voorkomen. 2. Het implantaat mag geen onregelmatigheden vertonen en moet soepel passen op het bot. 3. Het implantaat moet sterk genoeg zijn, de dikte hangt af van het gebruikte materiaal. 4. De fixatie moet het implantaat goed vastzetten aan de schedel. 5. De fixatie moet esthetisch verantwoord zijn. 6. De afwijkingen van de data van de CT-scanner moeten in rekening gebracht worden bij het ontwerp van het implantaat. Dit om zeker te zijn dat het implantaat altijd past in de holte en ook weer niet te groot is. 7. Men moet een correctie toepassen voor het zachte weefsel dat zich onder het implantaat bevindt en rekening houden met de dikte van de huid, die op het implantaat komt te liggen. 8. Men moet het implantaat kleiner ontwerpen dan het defect opdat het implantaat altijd zou passen. 9. De nieuwe fixatiemethode moet ervoor zorgen dat er liefst niet geboord moet worden in de schedel en liefst in één volledig geheel geplaatst kunnen worden, zonder aparte onderdelen. 10. De fixatiemethode moet liefst zo praktisch en zo snel mogelijk zijn. 11. Er moet ruimte voorzien zijn om gaten te maken in het implantaat, waar de weke delen aan kunnen worden opgehangen.

41

4.3

Alternatieve fixatiemethodes

De fixatiemethodes zijn allemaal verder ontwikkeld met het tekenprogramma Solidworks, waarover meer uitleg is gegeven in bijlage 1.

4.3.1 Deformable needle De doelstelling was om een in een patent omschreven fixatiemethode verder te ontwikkelen en te verbeteren. Het gegeven ontwerp was de deformable needle, zoals hieronder geïllustreerd.

Figuur 4-6 Origineel ontwerp van de deformable needle

4.3.1.1 Werking deformable needle Voor de werking van de deformable needle kan men refereren naar figuur 4-6. Het lipje (geel) dient voor de klemming van het implantaat op de schedel. Deze wordt voorbewogen door aan de schroef (groen) te draaien waaraan het lipje vasthangt met een Tschroefverbinding:

Figuur 4-7 Schroefverbinding zichtbaar

De schroef zit gefixeerd in het implantaat met schroefdraad zodat deze het lipje kan uitschuiven (en de klemfunctie kan vervullen) en vastzit tegelijkertijd. Zie bijlage 2 voor de detailtekeningen van het lipje en de schroef (pen).

42 4.3.1.2 Eerste ontwerpfase

Figuur 4-8 Werkingsprincipe van de eerste ontwerpfase

Dit is de eerste versie van de deformable needle. Maar zoals u kunt zien op onderstaande figuur is dit ontwerp veel te groot voor op het implantaat te integreren. U moet zich bedenken dat er meerdere fixatiepunten nodig zijn en er zich levend weefsel onder het implantaat bevindt, wat de beschikbare plaats beperkt. Het resultaat is de afgeronde versie van het origineel en er is schroefdraad op aangebracht.

Figuur 4-9 Fixatie gemonteerd op het implantaat

43 4.3.1.3 Tweede ontwerpfase

Figuur 4-10 Uit te sneden deel uit het implantaat

Na het evalueren van de eerste ontwerpfase bleek dat het ontwerp van de fixatiemethode niet aan de verwachtingen voldeed en opnieuw zou moeten worden getekend. Het model is hierbij aangepast aan de normen waaraan het moet voldoen. Zoals men ziet bestaat dit ontwerp nu alleen uit het uit te snijden deel van de methode. Dit wordt dan uitgesneden uit het implantaat en heeft dus als voordeel dat het sneller kan worden aangebracht op het implantaat in het programma. Zie bijlage 2 voor de detailtekeningen van het uit te snijden deel.

Figuur 4-11 Doorsnede van het implantaat met het uit te snijden deel

Figuur 4-12 Implantaat met de werking van de fixatie zichtbaar

44 Op bovenstaande figuren kan men zien hoe de fixatietechniek gepositioneerd wordt op het implantaat en hoe de lip ervoor zorgt dat het implantaat vastzit aan de schedel. Op de figuur 4-11 is het uit te snijden deel te zien met de positionering van de lippen voor en na de fixering. Op figuur 4-12 is het deel uitgesneden en klaar voor 3D printing. Op deze laatste is ook zichtbaar hoe het lipje zal bewegen voor en na de klemming. Als men het implantaat positioneert op de schedel, is het lipje ingetrokken. Dit is de positie van het witte lipje op figuur 4-12. Wanneer men het implantaat wilt gaan klemmen op de schedel, schroeft men het lipje uit zodat het de botrand van de schedel zal raken en een klemming zal veroorzaken. Dit is het blauwe lipje op dezelfde figuur. 4.3.1.4 Voor- en nadelen De voordelen van dit type van fixatiemethodes zijn:  Snel ( de chirurg moet enkel de schroefjes aandraaien tijdens de operatie)  Omkeerbaar (men kan het implantaat terug verwijderen door de schroeven los te draaien) De nadelen van dit type van fixatiemethodes zijn:  Het implantaat moet dik genoeg zijn, zodat er voldoende schroefdraad is om te kunnen klemmen

45

4.3.2 Kwartslagsysteem 4.3.2.1 Eerste versie

Schroef 2

Schroef 1

Figuur 4-13 Werkingsprincipe kwartslagsysteem

4.3.2.2 Werking Eerst is de slagpin evenwijdig met de rand van schedel, zodat men het implantaat kan plaatsen in het defect. Hierna wordt de slagpin een kwartslag gedraaid m.b.v. een schroefmechanisme (schroef 1), zodat deze onder de schedel uitsteekt. Daarna wordt de slagpin omhoog getrokken m.b.v. een tweede schroefmechanisme (schroef 2) zodat deze klemt met de botrand. 4.3.2.3 Tweede versie

Figuur 4-14 Uit te snijden deel

Figuur 4-15 Slagpin

46 4.3.2.4 Werking In figuur 4-14 kan men zien welk deel men uitsnijdt uit het implantaat. Hier is het werkingsprincipe van het mechanisme goed zichtbaar. Eerst schuift men de slagpin(figuur 415) in het uitgesneden deel van het implantaat en draait men heel even zodat het voorlopig op zijn plaats blijft. Wanneer het implantaat op het defect gepositioneerd is, kan men m.b.v. een schroevendraaier de slagpin een kwartslag draaien zodat de pin onder de schedelrand uitkomt en een klemming veroorzaakt.

Figuur 4-16 Doorsnede na uitsnijding in het implantaat

Op figuur 4-16 kan men het uitgesneden deel van het implantaat zien. Hier valt de complexe structuur ervan op. Op figuur 4-17 is de doorsnede weergegeven waar het volledige systeem geplaatst is op het implantaat. Men kan zien dat de plaatsing en de richting waarin het uit te snijden deel zich bevindt zeer nauwkeurig moet zijn om een goede klemming te verkrijgen. Zie bijlage 2 voor de detailtekeningen van de slagpin en het uit te snijden deel van het kwartslagsysteem.

Figuur 4-17 Werkingsprincipe met slagpin

47 4.3.2.5 Voor- en nadelen De voordelen van dit type van fixatiemethodes zijn:  Snel ( de chirurg moet de slagpin maar een kwartslag draaien om het te fixeren)  Omkeerbaar ( men kan het implantaat terug verwijderen door de slagpin een kwartslag terug te draaien) De nadelen van dit type van fixatiemethodes zijn:  Het implantaat moet dik genoeg zijn zodat men het hoogteverschil, dat de slagpin moet maken tijdens het aandraaien, haalt.  Het is een complex systeem dat zeer nauwkeurig gefabriceerd moet worden.

48

4.3.3 Lip-buigsysteem Dit ontwerp maakt gebruik van een gebogen lipje dat men m.b.v. een schroef zal rechttrekken zodat het lipje in de lengte groter wordt. Doordat het lipje langer wordt zal die zich onder de schedel gaan positioneren. Er bestaan twee varianten van dit principe. Eén waarbij het lipje los is en een ander waarbij het geïntegreerd is in het implantaat. 4.3.3.1 Ontwerp 1

Figuur 4-18 Werkingsprincipe lip-buigsysteem met losse lip

Bij dit ontwerp is het lipje los waardoor men het kan maken uit een ander materiaal dan het implantaat. Dit is noodzakelijk want het lipje moet buigzaam blijven en toch sterk genoeg zijn. 4.3.3.2 Ontwerp 2

Figuur 4-19 Werkingsprincipe lip-buigsysteem met vaste lip

Hier is het lipje een deel van het implantaat en is zodoende van het zelfde materiaal. Men kan het lipje niet verliezen maar de materiaalkeuze is wel beperkt. Bij dit ontwerp ontstaat er ook een lege ruimte wat zeker vermeden moet worden. De keuze gaat dus uit naar het eerste ontwerp.

49

Figuur 4-20 Uit te snijden deel

Op figuur 4-20 ziet men het uit te snijden deel van het lip-buigsysteem. Men ziet goed de afgebogen hoek waarlangs het lipje zal bewegen tijdens de fixering en de schroefdraad voor de schroef. Men zal dus deze figuur eerst positioneren op het implantaat en daarna uitsnijden. Dit is afgebeeld op figuur 4-21. Zie bijlage 2 voor de detailtekeningen van de het uit te snijden deel van het lip-buigsysteem en het lipje zelf.

Figuur 4-21 Positionering van het uit te snijden deel

Nadat het deel is uitgesneden verkrijgen we het een open ruimte waarlangs het lipje zich kan bewegen tot onder de schedelrand en een inwendige schroefdraad voor de schroef. Zie figuur 4-22

Figuur 4-22 Ruimte voor bevestiging met het lipje

50 4.3.3.3 Voor- en nadelen De voordelen van dit type van fixatiemethode zijn:  Snel ( de chirurg moet enkel het schroefje aandraaien waardoor de lip buigt)  Omkeerbaar ( men kan het implantaat terug verwijderen door de schroef los te draaien, hierdoor keert het lipje terug naar zijn oorspronkelijke vorm) De nadelen van dit type van fixatiemethode zijn:  De buigbaarheid van het lipje moet optimaal zijn, dit kan enkel als het lipje uit het juiste materiaal gemaakt is.

51

4.3.4 Veersysteem

Figuur 4-23 Opstelling voor de fixatie

Figuur 4-24 Opstelling na de fixatie

4.3.4.1 Werking: Voordat het implantaat bevestigd wordt op het defect, wijst de pin weg van de rand van het implantaat, zie figuur 4-23. Wanneer het implantaat op zijn plaats zit, duwt men de veer in met een schroevendraaier en draait tegelijkertijd een halve slag zodat de pin onder de botrand terecht komt. Daarna ontspant men de veer weer en klemt de pin onder de botrand, zie figuur 4-24. Door de aanwezige lege ruimtes in dit ontwerp is het niet haalbaar om deze fixatiemethode te ontwikkelen met het doel om geen infecties te veroorzaken. Daarom is deze niet verder meer ontwikkeld. 4.3.4.2 Voor- en nadelen De voordelen van dit type van fixatiemethode zijn:  Snel ( de chirurg moet enkel de schroef induwen en tegelijktijdig een halve slag draaien)  Omkeerbaar ( men kan het implantaat terug verwijderen door de schroef in te duwen en terug een halve slag te draaien ) De nadelen van dit type van fixatiemethode zijn:  Men creëert veel holle ruimtes door te klemmen met een veer  Indien men veel klemkracht wil, moet de veer ook heel stijf zijn waardoor men ook heel hard moet duwen om te pin te kunnen verschuiven.

52

4.3.5 Kort besluit Men gaat de technieken testen waarvan men denkt dat deze het meest haalbaar zijn voor werkelijk toe te passen en voldoen aan de voorwaarden. Deze voorwaarden zijn dat er zo weinig mogelijk lege ruimtes zijn en de fixatie zo snel mogelijk kan aangebracht worden. De ontwerpen die we hierboven besproken hebben, hebben de meeste kans op slagen en voldoen het meeste aan de voorwaarden.

4.4

Resultaten van eerste print

Om de fixaties te testen is een schedel en het bijhorende implantaat geprint in het 3D-lab van de Xios Hogeschool. Eerst zijn de onnodige delen van de schedel afgeknipt, dit om materiaal te besparen. Om de fixaties goed te kunnen testen, zijn zowel de schedel als het implantaat vergroot met een schaal van 1,5. Het implantaat is geprint in ABS met de FDM printer van het 3D-lab. De schedel is ontworpen in gips met de 3D printer. De afmetingen van de schedel waren te groot om te kunnen printen met de FDM printer. Tijdens het printen van de schedel is er een fout opgetreden in het printproces, de printkop was versleten en moest vervangen worden. Doordat dit niet dadelijk gebeurde zijn er twee delen ontstaan die niet meer aan elkaar plakten. Na het printen moest de schedel gehard worden, dit werd gedaan door er water op te sproeien. Door de uitzetting van de twee verschillende delen pasten deze echter niet meer precies op elkaar. Na het uitharden zijn de twee delen aan elkaar gelijmd zodat het defect nog op elkaar aansluit en de afwijking minimaal is. De printkoppen zijn standaard printkoppen van een gewone inkjet printer. Uit deze printkoppen wordt de inkt dan manueel verwijderd. Er blijft echter altijd een beetje inkt achter. Hierdoor is één deel van de schedel donkerder van kleur dan het ander deel.

53

4.4.1 Schedel

Figuur 4-25 Print van het noodzakelijke deel van de schedel

Dit is de schedel in gips. Wat meteen opvalt, is de grootte van het defect en dat de linker- en de onderkant van de schedel is afgesneden. Als men goed kijkt ziet men dat het bovenste deel van het defect een iets lichtere kleur heeft dan de rest.

4.4.2 Implantaat

Figuur 4-26 Implantaat

Dit is het implantaat nadat het drie weken in het chemisch bad heeft gelegen. Dit om het ondersteuningsmateriaal in de gaten en in de fixatiemethodes te verwijderen. Op deze foto is te zien dat de drie fixatiemethodes gegroepeerd zijn en dat er drie fixatiepunten zijn om het implantaat vast te zetten.

54

4.4.3 Implantaat op schedel

Figuur 4-27 Implantaat op de schedel

Het implantaat uit ABS past zeer goed op de schedel, enkel vanonder is er een kleine speling te zien omdat de schedel een beetje krom getrokken was.

4.4.4 Fixatiemethodes

Figuur 4-28 Close-up van de 3 fixatiemethodes

Figuur4-28 laat een close-up zien van de bovenkant van het implantaat. Links op de afbeelding ziet men het kwartslagsysteem, centraal de deformable needle en rechts het lipbuigsysteem. Er is een duidelijk verschil tussen de bovenzijden van de verschillende fixatietechnieken.

55

Figuur 4-29 Onderzijde implantaat

Op figuur 4-29 is de onderzijde van het implantaat te zien. Links is het kwartslagsysteem gepositioneerd, in het midden de deformable needle, rechts het lip-buigsysteem.

Figuur 4-30 Kwartslag lip

Figuur 4-31 Lip van deformable needle

Op figuur 4-30 is het in te brengen deel van het kwarslagsysteem te zien. Figuur 4-31 toont het lipje van het deformable needle systeem. Figuur 4-32 laat het buigbaar lipje zien van het lip-buigsysteem. Wat opvalt, is dat de dikte maar uit enkele lagen bestaat. Hierdoor buigen de lipjes niet goed en hebben ze eerder de neiging om door te plooien.

Figuur 4-32 Lip van lip-buigsysteem

56

4.4.5 Resultaat van de testen De drie verschillende fixaties zijn gelukt, maar er waren enkele problemen. Sommige lipjes van het kwartslagsysteem zijn afgebroken, omdat er teveel kracht op de lipjes kwam. Dit kwam omdat de oppervlakte van het implantaat te ruw was. De oppervlakteruwheid is gelijk aan de laagdikte die de printmachine kan leveren. In ons geval is er een grote ruwheid. Omdat de lipjes niet naar behoren bogen, zijn deze geplooid op de plaats waar het gat zich bevindt in het lipje. Hier is de oppervlakte in de doorsnede het minste. Hetzelfde probleem ondervindt men bij het testen van de deformable needle. Het materiaal waarin het systeem geprint is laat niet toe om de sterkte van de fixatie te kunnen testen.

4.5

Resultaten van print in titanium

Om de fixatiemethodes degelijk te kunnen testen is er een testopstelling gemaakt die achteraf in titanium kon geprint worden. Zo kan men testen hoe het de fixaties in werkelijkheid zouden gebruikt kunnen worden. De testopstelling is een simulatie van een schedel met een implantaat. Dit zodat men niet de hele schedel in titanium moet printen, wat toch behoorlijk kostelijk is. Er is geopteerd voor een vierkante testopstelling, dit om gemakkelijkheidsredenen.

4.5.1 Testmodel 4.5.1.1 3D opstelling De opstelling van het testmodel is in figuur 4-33 weergegeven. Het groene vierkant stelt de schedel voor, deze is in plastic geprint. Het lichtblauwe stelt het implantaat voor, zoals men kan zien zijn de 3 fixatiemethodes hierop aangebracht. Deze worden in titanium geprint. Men heeft van elke fixatiemethodes twee verschillende fixatieposities gekozen om elke fixatiemethode apart te kunnen testen.

Figuur 4-33 Testopstelling

57

4.5.1.2 Doorsnede van de opstelling De opstelling benadert zo goed mogelijk hoe de schedel en het implantaat er in het echt zouden uitzien. De botrand (linkse kant van figuur 4-34) van de schedel is perfect gesimuleerd. Er is ook voor gezorgd dat het implantaat gemakkelijk bevestigd is in de schedel en achteraf toch vastzit (zie rechterkant figuur 4-34).

Figuur 4-34 Doorsnede van de opstelling

4.5.1.3 Fixatiemethodes in detail De deformable needle fixatiemethode is hier zo gepositioneerd dat het lipje precies de onderkant van de schedel raakt. De tweede deformable needle is geplaatst zodat het lipje de schedel wel raakt en dus zo voor een extra kracht zorgt. Precies hetzelfde is gedaan bij de positionering van de lipjes van het kwart-slag systeem. Het lip-buigsysteem is hier onder een bepaalde hoek geplaatst om er voor te zorgen dat de recht getrokken lipjes juist tegen de schedel komen.

58

Figuur 4-35 Deformable needle met precieze klemkracht

Figuur 4-36 Deformable needle met grotere klemkracht

Figuur 4-37 Kwartslagsysteem met precieze klemkracht

Figuur 4-38 Kwarslagsysteem met grotere klemkracht

Figuur 4-39 Lip-buigsysteem

59

4.5.2 Print in titanium De testopstelling, die geprint is in titanium, bestaat uit een vierkant kader dat fungeert als de schedel (figuur 4-43) en een vierkant plaatje dat het implantaat voorstelt (figuur 4-40). De twee delen passen perfect in elkaar. Het vierkant kader is geprint in plastic en het plaatje (waar de fixatiesystemen in geïntegreerd zijn) is geprint in titanium. Het titanium gedeelte is geprint met een EBM-machine bij Sirris in Charleroi. 4.5.2.1 “Implantaat”

Figuur 4-40 Bovenzijde titanium print

Figuur 4-41 Onderzijde titanium print

60

Figuur 4-42 Profiel van de titanium-print

4.5.2.2 “Schedel”

Figuur 4-43 Vierkant kader dat fungeert als schedel

4.5.2.3 Fixatiemethodes

Figuur 4-44 3D zicht kwartslag lip

Figuur 4-45 Bovenzijde kwartslag lip

61

Figuur 4-46 3D zicht lip van lip-buigsysteem

Figuur 4-48 Bovenzijde lip deformable needle

Figuur 4-47 Bovenzijde lip van lip-buigsysteem

Figuur 4-49 3D zicht lip deformable needle

4.5.2.4 Samengevoegd

Figuur 4-50 Lip van het lip-buigsysteem gepositioneerd op het 'implantaat"

62

Figuur 4-51 Lip van het kwartslagsysteem gepositioneerd op het 'implantaat"

Figuur 4-52 Het "implantaat" past op de "schedel"

63

4.5.3 Bespreking resultaat Wat meteen opvalt als men naar de figuren 4-41, 4-42, 4-50 kijkt, is dat het teststuk, dat in titanium geprint is, een zeer grote ruwheid vertoont. Hierdoor reist het vermoeden dat de afmetingen van het geprinte teststuk niet overeenkomen met de afmetingen van de tekeningen. Doordat de oppervlakte van alle stukken die in titanium geprint zijn zo ruw is en ook grote afwijkingen vertoont, is het niet mogelijk om de fixatiemethodes te testen. Op figuur 4-44 tot 4-49 kan men zien hoe de geprinte fixatiesystemen eruit zien. Omdat de fixatiemethodes klein zijn en er met een lage nauwkeurigheid geprint is, worden de afwijkingen van deze lipjes als het ware vergroot en lijken ze heel erg onnauwkeurig. Zo past het lipje van het deformable needle systeem (dat normaal gezien zo gedimensioneerd was dat het altijd zou passen, rekening houdend met de precisie van de printmachine) niet in de sleuf die ervoor zien was en zou moeten passen. Om de fixatiemethodes correct te kunnen testen, zou er precisie van 0.2 mm nodig zijn die normaal gezien wel haalbaar zou moeten zijn met een EBM-machine. De ARCAM EBMmachine haalt nauwkeurigheden van 0.05 tot 0.2 mm (laagdikte).

4.5.4 Controle van het geprinte stuk d.m.v. Laserscan Omdat het geprinte titaniumstuk een slechte oppervlaktekwaliteit heeft, heeft men het stuk laten opmeten met de 3D meetbank van het 3D-lab. De puntenwolk van de laserscan is weergegeven in figuur 4-53.

Figuur 4-53 Puntenwolk van het titanium testmodel

Het 3D-model van de oorspronkelijke CAD-tekening is weergegeven in figuur 4-54.

64

Figuur 4-54 CAD tekening van het testmodel

4.5.4.1 Vergelijking De vergelijking van de puntenwolk met het CAD-model vertoont afwijkingen groter dan 0.2 mm. Dit is duidelijk zichtbaar in figuur 4-55.

Figuur 4-55 Vergelijking puntenwolk en CAD-model

In het zijprofiel van de vergelijking kan men ook zien dat de scherpe punt en de ronding van het CAD-model niet verwezenlijkt is bij het printen in titanium. Zie figuur 4-56.

Figuur 4-56 Zijprofiel van de vergelijking

65 In figuur 4-57 is het bovenaanzicht van de vergelijking te zien. Hier valt op dat de puntenwolk kleiner is dan het CAD-model. Dit is te zien aan de twee gaten aan de zijkant die bij de puntenwolk dichter bij elkaar liggen en ook kleiner zijn. Ook de zijkanten van het lipbuigsysteem liggen dichter bij elkaar dan die van het CAD-model. Dit betekent dat het geprinte testmodel in zijn geheel kleiner is en dus dat de lipjes niet kunnen passen.

Figuur 4-57 Bovenaanzicht vergelijking tussen puntenwolk en CAD-model

4.5.4.2 Kort besluit Uit deze vergelijking is te besluiten dat het geprinte testmodel niet aan de voorwaarden voldoet. Op de kleuren vergelijking is te zien dat er soms een grotere concentratie aan punten op het oppervlak is. Dit betekent dat het vlak niet helemaal egaal is. De vele blauwe punten duiden op een afwijking van meer dan -0.2 mm, waardoor het testmodel en de fixaties kleiner zijn dan het CAD-model. Hierdoor is het niet mogelijk de fixatiemethodes te testen met deze opstelling.

66

4.6

Vergelijking alternatieve met bestaande technieken

De vergelijking van de verschillende fixatiemethodes gebeurt op basis van een aantal punten. Deze punten zijn onder andere de afmetingen, het aantal onderdelen exclusief het implantaat, de nabewerking van het implantaat, de complexiteit van de fixatiehandeling, de regelbaarheid van de fixatiekracht, de verspanende bewerkingen tijdens de operatie en de totale fixatiesnelheid. Om een juiste vergelijking te verkrijgen wordt er verondersteld dat de implantaten waar deze fixatiemethodes worden toegepast allemaal uit hetzelfde materiaal bestaan, namelijk titanium. Lipbuigsysteem

Kwartslag systeem

Deformable needle

Lateraal schroeven

Stalen veertjes

Bevestigings lipjes Afmeting 5*5*1 (l*b*h, mm) Onderdelen 1 (excl. impl.) Nabewerking / implantaat Complexiteit Eenvoudig handeling Fixatiekracht Ja regelbaar Verspanende Frezen en bewerkingen Boren Fixatiesnelheid Traag

17*5*5

10*4*4

15*5*5

10*5*5

15*5*5

1

1

2

1

2

/

/

Tappen

/

Tappen

Moeilijk

Eenvoudig

Eenvoudig

Eenvoudig

Eenvoudig

Ja

Ja

Ja

Nee

Ja

/

Boren

/

/

/

Matig

Matig

Snel

Snel

Snel

67

5 Conclusie Het doel was om nieuwe fixatietechnieken voor schedelimplantaten te ontwikkelen en deze dan te testen. Er werden drie verschillende methodes ontwikkeld die aan de voorwaarden voldeden. Deze werden dan ook verder uitgewerkt en verbeterd zodat de fixatiesystemen geprint en getest konden worden. Voor de eerste test werd het implantaat met de fixatiemethodes in ABS geprint op schaal 1,5. Bij deze print braken de plastieken lipjes snel af en de schroefdraad in het implantaat kon niet veel kracht verdragen. Hierdoor is er een tweede test gedaan waarbij een testopstelling gemaakt werd van titanium en dit op ware grootte. Het testmodel bleek niet aan de voorschreven kwaliteit te voldoen. De lipjes pasten niet en de oppervlaktekwaliteit was slecht waardoor de lipjes ook niet konden schuiven. Om aan te tonen dat het titanium testmodel een slechte oppervlaktekwaliteit had en de afmetingen ervan ook niet klopten, is dit testmodel opgemeten in het 3D-lab van de Xios Hogeschool Limburg. Achteraf werd de puntenwolk, die bekomen werd met de meting, vergeleken met het oorspronkelijke CAD-model. Het resultaat van de vergelijking was dat er grote afwijkingen bestonden tussen het CAD-model en de puntenwolk. De lipjes van de fixatiemethodes konden onmogelijk passen op deze manier. Men mag stellen dat deze masterproef in zijn doelstelling geslaagd is. De doelstelling had voor ogen dat er een voorgestelde fixatiemethode uitvoerig werd uitgetekend en ontworpen. Dit is gelukt, er zijn zelfs meerdere innovatieve voorstellen gedaan om schedelimplantaten te fixeren. Hiervan zijn er 2 goedgekeurd door de betrokken personen zelf. Er werden ook meermaals testopstellingen gemaakt om de fixatiemethodes te kunnen testen, die dan achteraf ook effectief gecreëerd werden m.b.v. rapid prototyping technieken. Het jammere was alleen dat het materiaal waarin geprint werd niet de juiste sterkte bezaten om de fixaties te kunnen en de print zelf van slechte kwaliteit was zodat de fixatiemethodes niet konden getest worden. Met dit resultaat in het achterhoofd weten hersenchirurgen dat het niet gemakkelijk is om nieuwe fixatiemethodes, die aan alle voorschriften voldoen, te ontwerpen en dat er waarschijnlijk niet zo heel veel vernieuwende oplossingen bestaan. Men kan nog niet met zekerheid zeggen dat de nieuw ontwikkelde fixatiemethodes gaan werken, maar men mag toch veronderstellen dat er een grote kans bestaat dat ze dit wel gaan doen. Het plan in de toekomst is om opnieuw een titanium print van het testmodel te kunnen maken, maar dan met een betere kwaliteit zodat de fixatiemethodes wel uitvoerig getest kunnen worden. Een tweede opdracht van de masterproef was het vergelijken van de CT-scan met de laserscan om de afwijkingen van de CT-scan tot de werkelijkheid, de laserscan, te bepalen. Bij een eerste vergelijking benadert de CT-scan goed de laserscan. De gemiddelde afwijking rond het schedeldefect was 0,05 mm en een maximale afwijking van hoogstens 0,2 mm. De tweede vergelijking had een minder goed resultaat. Dit was te wijten aan het feit dat er enkele slices van de CT-scan zijn verwijderd. De scan waarbij de slices een interval hebben van 0,33 mm is duidelijk slechter dan de normale versie. Uit de resultaten bleek ook dat de CT-scan kleiner is dan de werkelijkheid en dat deze afwijking maximaal 0.2 mm bedraagt. Hierdoor kunnen de implantaat-designers de implantaten nauwkeurig ontwerpen.

Referenties 1. Bones and Skeletal Tissues, http://classes.midlandstech.com/carterp/courses/bio210/chap06/lecture1.html 2. Mechanical properties of cranial bone; JAMES H. McELHANEY, JOHN L. F0GLE, JOHN W. MELVIN, RUSSELL R. HAYNES, VERNE L. ROBERTS and NABIH M. ALEM; http://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/32686/1/0000053.pdf 3. Osteoconduction and osseointegration; T. Albrektsson and C. Johansson; http://www.springerlink.com/content/0k6gp27addn4uqfv/ 4. Medical applications of rapid prototyping; Jelena Milovanović en Miroslav Trajanović; http://facta.junis.ni.ac.rs/me/me2007/me2007-08.pdf 5. A review of the issues surrounding three-dimensional computed tomography for medical modeling using rapid prototyping techniques; Richard Bibb en John Winder 6. Rapid prototyping technology in medicine—basics and applications; R.Petzold, H.-F. Zeilhofer, W.A. Kalender 7. Medical Rapid Prototyping Technologies: State of the Art and Current Limitations for Application in Oral and Maxillofacial Surgery; John Winder (BSc(Hons), MSC, PhD ) and Richard Bibb (BSc(Hons), PhD ) 8. Design and fabrication of custom mandible titanium tray based on rapid prototyping; Sekou Singare, Li Dichen, Lu Bingheng, Liu Yanpu, Gong Zhenyu, Liu Yaxiong 9. The mechanical properties of cranial bone: The effect of loading rate and cranial sampling position; Julie A. Motherway, Peter Verschueren, Georges Van der Perre, Jos Vander Sloten, Michael D. Gilchrist 10. Custom made implants for skull defects – cranioplasty; Jules Poukens, Ivo Lambrichts 11. True rapid design and manufacturing of a custom made skull implant using DMLS; Jules Poukens, Ivo Lambrichts 12. A classification of cranial implants based on the degree of difficulty in computer and design manufacture; Jules Poukens, Ivo Lambrichts 13. Custom surgical implants using additive manufacturing; Jules Poukens, Ivo Lambrichts 14. A comparative evaluation of Cone Beam Computed Tomography (CBCT) and Multi-Slice CT (MSCT). Part II: On 3D model accuracy; Jules Poukens, Ivo Lambrichts 15. Multi-spiral CT-scan based classification of skull defects (presentatie); J. Poukens, P. Laeven, M. Beerens, D. Koper , Jos Vander Sloten, I. Lambrichts, P. Kessler 16. Computer ondersteund ontwerp en vervaardiging van gezichts- en Schedelimplantaten (presentatie); Jules Poukens, Ivo Lambrichts 17. Bone substitute materials and tissue engineering(presentatie) ;Massachusettes Institute of Technology 18. Custom made implantaten (CMI); Maikel Beerens 19. The New Defenition in Patient Specific Implants; Maikel Beerens (Xilloc) 20. Fixation of custom made cranial implants to the human skull; Gerard Nijenhuis 21. Repairing holes in the head: A History of cranioplasty; Gerard Nijenhuis 22. 3D-lab Xios Hogeschool Limburg, http://3dlab.xios.be/ 23. Rapid prototyping (afbeeldingen), http://nl.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping 24. Ct-scan, http://www.azvesalius.be/RX/Onderzoeken/ctscan.htm 25. Hydroforming, http://www.iss-company.com/index_en.html 26. Fused Deposition Modeling, http://www.additive3d.com/fdm.htm

Afkortingen 2D 3D AANS ABS ASCII CAD CAM CNC CT DICOM EBM EMAP FDM IDEE IMD MI MRI NMP PEEK PMMA PWO RM RP SLS STL

Tweedimensionaal Driedimensionaal American Association of Neurological Surgeons Acrylonitril-butadieen-styreen American Standard Code for Information Interchange Computer-aided Design Computer-aided Manufacturing Computer Numerical Control Computertomografie Digital Imaging and Communications in Medicine Electron Beam Melting Electronical & Mechanical Applied Physics Fused Deposition Modeling Instrument Development Engineering & Evaluation Implantable Medical Devices Maastricht Instruments Magnetic Resonance Imaging Nanotechnologies and nano-sciences, knowledge-based multifunctional Materials and new Production processes and devices Polyether ether ketone Polymethylmethacrylaat Projectmatig Wetenschappelijk Onderzoek Rapid Manufacturing Rapid Prototyping Selective Laser Sintering Surface Tesselation Language

Bijlage 1 Gebruikte software Tijdens onze masterproef zijn we in aanraking gekomen met verschillende programma’s:     

Magics 3-matic Solidworks Mimics Focus inspection Solidworks

CatalystEX 3-matic

Scan data

Mimics

Magics ZPrint

Hierboven kan men zien welke werkvolgorde men hanteert om van defect in een botstructuur over te gaan naar een op maat gemaakt implantaat. Eerst scant het deel van het lichaam in waar een defect is ontstaan. De data die hier uit voortkomt zijn allemaal 2D schijven. Om van deze 2D schijven naar een 3D model te gaan gebruikt men de software Mimics. Deze data voert men in in het programma 3-matic. Hier worden de fixatiemethodes, die gemaakt zijn in Solidworks, geïntegreerd op de ingescande lichaamsdelen. Met Magics haalt men de fouten, zoals loshangende delen en gesloten holle ruimtes uit het ontwerp zodat het model klaar is om ingeladen te worden in de software van de rapidprototyping machines. Focus Inspection is niet terug te vinden in deze structuur omdat dit programma enkel wordt gebruikt om de nauwkeurigheid van een scan te controleren met de werkelijkheid, dus een laserscan.

Solidworks Solidworks is een CAD (computer-aided design) programma van Dassault Systèmes SolidWorks Corp. We hebben dit tekenprogramma gebruikt omdat de school al een licentie had en we er ook al les over hebben gekregen. We kenden het programma al goed en hadden dus geen tijd verloren met het bestuderen van de werking van het programma. We hebben het programma gebruikt om de fixatiemethodes te ontwerpen. Ook het aanpassen van de fixatiemethodes werd gedaan met Solidworks, omdat het heel snel en simpel kan gebeuren. De fixatiemethodes werden na het ontwerpen in een STL formaat omgezet voor in het programma 3-matic te laden.

3-matic 3-matic is een 3D- tekenprogramma ontwikkeld door het in Leuven gesitueerde bedrijf Materialise. Het programma heeft een speciale functie waarmee men implantaten kan maken voor defecten in botstructuren. Men kan tevens ook fixatiemethodes importeren in 3-matic van andere tekenprogramma’s ( zoals Solidworks) en gebruiken voor implantaten te fixeren. 3-matic werkt voornamelijk met het bestandstype STL.

Mimics Mimics is ook een programma ontwikkeld door Materialise. Met Mimics kan men de 2D scandata van een medische beeldvormend onderzoek (zoals een CT-scan, MRI scan,.. ) omzetten naar een 3D model. Mimics genereert bestanden van het type STL. Men kan bijvoorbeeld een menselijke schedel scannen met een CT-scanner en deze omzetten naar een 3D model in STL formaat.

Magics Magics is eveneens een programma ontwikkeld door Materialise. Dit programma wordt gebruikt om de fouten uit het ontwerp van 3-matic te halen. Het analyseert op loshangende delen, gesloten holle ruimtes, fouten in het oppervlak en missende essentiële delen. Vervolgens worden deze fouten verwijderd of hersteld zodat men een foutloos model verkrijgt dat men kan gaan printen.

Focus Inspection Focus Inspection is een programma van Nikon Metrology. Dit programma hebben we gebruikt om het verschil te bepalen tussen een laserscan (de werkelijkheid) en een CT-scan. Dit hebben we gedaan om de nauwkeurigheid van de CT-scan na te gaan. De vergelijking gebeurt door het inladen van de twee STL-bestanden en ze daarna op elkaar te leggen. Dit op elkaar leggen is heel moeilijk en moet handmatig worden gedaan. Het bekomen resultaat is dan een gekleurd object met kleuren die de afstand tot het andere object weergeeft. Met de kleuren kan men dan de afwijking ten opzichte van elkaar en dus de nauwkeurigheid van de CT-scan bepalen.

Bijlage 2 Detail tekeningen Lip deformable needle

Lip lip-buigsysteem

Pen deformable needle

Slagpin kwartslagsysteem

Uit te snijden deel deformable needle

Uit te snijden deel kwartslagsyteem

Uit te snijden deel lip-buigsysteem

Bijlage 3 Logboek 5.1.1.1.1.1

XIOS – Departement TIW

Afstudeerrichting: Industrieel Ingenieur Elektromechanica

Academiejaar 2010-2011 Studenten :Juriën Beckers en Raf Panis

Interne promotor: dr. Ir. Ronald Thoelen

Stageplaats: XIOS Technologiecentrum

Externe promotor: dr. Jules Poukens

Stagebeschrijving: Datum 2/08/2010

Activiteiten Aanvragen van de benodigdheden

Duur

Opmerkingen

6,5 uur

Testen van de tekenprogramma’s Literatuurstudie Maken prototype van fixatiemethode 3/08/2010

Maken van implantaat van testschedel

6,5 uur

Brainstormen over verschillende fixatiemogelijkheden Testen van conversiemogelijkheden tussen tekenprogramma’s 4/08/2010

Integratie van fixatie in een implantaat Aanpassen van het fixatiemodel

7 uur

Schaal problemen bij samenvoegen in Solidworks

5/08/2010

Fixatiemodel verbeteren

7 uur

Positionering problemen in 3-matic

Brainstormen over verschillende fixatiemogelijkheden 6/08/2010

Nieuwe fixatie ideeën uitgewerkt en getekend

7 uur

Fixatiemodel optimaliseren Tussentijdse presentatie maken 9/08/2010

Aanbrengen van schroefdraad aan de fixatie

6 uur

Materialise contacteren 10/08/2010

Thesis

schroefdraad in Solidworks 7 uur

Opzoeken wetenschappelijke artikelen over medical RP technieken Schroefdraad verder uitwerken Eigen fixatiemethode verder uitwerken 11/08/2010

Eigen fixatiemethodemethode aanpassen en verder uitwerken (2x)

6,5 uur

Layerwise contacteren Andere ideeën zoeken 12/08/2010

Verder denken over nieuwe ideeën, deze ook getekend

6,5 uur

Fixatiemethode positioneren op het implantaat 13/08/2010

Alle tekeningen afwerken en organiseren

6 uur

De presentatie afwerken 19/08/2010

Extra uitleg gaan vragen bij mr. Maikel Beerens over de fixatiemethode

1,5 uur

24/08/2010

Tekeningen en presentatie aanpassen

4 uur

7/09/2010

Bespreking over het verdere verloop van de stage met mr. Ronald Thoelen en

0,5 uur

mevr. Ilona Stouten 8/09/2010

Uitleg gekregen over het programma Focus Inspection van mevr. Ilona Stouten 7 uur Testen en uitproberen van het programma

Geen automatiche functie voor

9/09/2010

Oefenen met het programma

6,5uur

10/09/2010

Verder onderzoek doen op vergelijking tussen MRI-Laserscan

5,5 uur

13/09/2010

Fixatiemethode opnieuw tekenen op ware grootte

6 uur

14/09/2010

Controle van het resultaat van de vergelijking van de CT en laserscan door

6,5 uur

3-matic licensie is verlopen

mevr. Ilona Stouten Verslag van de vergelijking van de CT scan met defect versus laserscan met defect 15/09/2010

Afwerken verslag van de vergelijking van de CT scan met defect versus

5 uur

laserscan met defect 16/09/2010

Literatuurstudie

5 uur

Xios webmail werkt niet

17/09/2010

Aanpassen verslag CT- versus laserscan

4 uur

Vergelijking CT-versus laserscan is enkel

Literatuurstudie en opzoeken artikels vergelijkende studie CT-Laser

toegepast op 1 schedel, voor volledig onderzoek zijn meerdere vergelijkingen noodzakelijk.

20/09/2010 30/09/2010

Schrijven van voorblad, voorwoord, inleiding en thesis Opzoeken artikelen van vergelijking Laserscan-CT scan, verslag aanpassen

7uur 6 uur

Geen vergelijkende artikels gevonden

van onze vergelijking 4/10/2010

Voorbereiden op de presentatie, alle mogelijkheden nog eens overlopen, alle

5 uur

tekeningen controleren 11/10/2010

Presentatie geven in technologiecentrum

2,5 uur

18/10/2010

Maken in solidworks: kwartslagdraaisysteem

6 uur

Scan to 3D functie testen in solidworks zodat implantaten kunnen ingeladen worden en er vaste punten zijn

Niet mogelijk in solidworks

25/10/2010

Aanpassen in solidworks Lip-buigsysteem

6,5 uur

18/11/2010

De 3 fixatietechnieken in 3-matic invoegen op 1 schedel, klaar voor te printen

7uur

22/11/2010

Tekeningen aanpassen, presentatie maken, presentatie geven

7 uur

20/12/2010

Alle fixatiemethodes op één implantaat tekenen en klaar maken voor 3D-

6 uur

printen , schedel minimaliseren voor 3D-printen 21/12/2010

Controle en aanpassingen alvorens te printen door de heer Camps

3 uur

10/01/2011

Schrijven aan thesis

6,5 uur

13/01/2011

Printen van schedel en implantaat+ fixaties

3 uur

3D-printer klaarmaken voor gebruik

Printen van de schedel in gips met 3Dprinter mislukt

17/01/2011

Schrijven aan thesis

6 uur

24/01/2011

De schedel laten uitharden en het implantaat zuiveren van

6 uur

ondersteuningsmateriaal. 7/02/2011

Het aanpassen van de lipjes om opniew te printen

6 uur

De verkregen data voor de vergelijking CTscan en laserscan bestaat uit .dcm bestanden die we niet kunnen omzetten.

10/02/2011

Het printen van de extra fixatielipjes na verbetering

2,5 uur

14/02/2011

Testen van de fixatiemethodes

6 uur

21/02/2011

Schrijven aan thesis: algemene informatie, botstructuren

7 uur

Afmaken proefpresentatie

Key van Magics is verlopen

24/02/2011

Geven van een proefvoorstelling van de masterproef

3 uur

28/02/2011

Simulaties proberen uit te voeren op solidworks

5,5 uur

Schrijven aan thesis: botstructuren, huidige technieken

STL files kunnen niet geimporteerd worden in solidworks om er een simulatie mee uit te voeren. Mogelijke oplossing: comsol

14/03/2011

Vergadering met sirris over de mogelijkheid om in titanium te printen

5,5 uur

Tekenen van testopstelling 19/03/2011

Schrijven aan thesis

12 uur

Bezoek aan XILLOC om testopstelling te maken in 3-matic.

7,5 uur

20/03/2011 21/03/2011

Doorsturen van doorsturen naar Sirris 26/03/2011

Licentie van 3-matic gekregen voor 1maand

Schrijven aan thesis

8 uur

Schrijven aan thesis

6,5uur

27/03/2011 28/03/2011

Vegelijking maken van ct-scan, waar slices van verwijderd zijn, met laserscan

afwijkingen

11/04/2011

Schrijven aan thesis

8 uur

18/04/2011

Schrijven aan thesis

5 uur

23/04/2011

Schrijven aan thesis

6 uur

24/04/2011

Schrijven aan thesis

6 uur

25/04/2011

Schrijven aan thesis

5 uur

27/04/2011

Schrijven aan thesis

8 uur

28/04/2011

Schrijven aan thesis

9 uur

Opmeten van het geprinte stuk in titanium en een vergelijking uitvoeren tussen de puntenwolk van de meting en de CAD tekening

Vergelijking geeft resultaat met grote

Verslagen v/d belangrijke vergadermomenten Vergadering 1 Onderwerp : bespreking van de huidige resultaten en het verdere verloop van de masterproef. Tijd : 11/10/2010 – 14.00 uur Plaats : Technologiecentrum Aanwezig: -

Maikel Beerens Andy Camps Michaël Daenen David Koper Paul Laeven Jules Poukens Ilona Stouten Ronald Thoelen Juriën Beckers Raf Panis

Besproken agendapunten: -

De uitwerking van de voorgestelde fixatie : “deformable Needle” Het tot stand komen van de resultaten Eigen voorgestelde fixatiemethoden Bespreking van de vergelijking CT-scan/Laserscan

Conclusie: Alle voorgestelde en gegeven fixatiemethodes werden bekeken en geëvalueerd. Er werd overeengekomen dat volgende fixaties de voorkeur krijgen om verder uit te werken: - Deformable Needle - Kwartslag treksysteem (dient nog aangepast te worden) - Lip – buigsysteem Deze fixaties worden nog aangepast in solidworks zodat ze testklaar zijn. De vergelijking van de CT-scan met de laserscan dient nog eens uitgevoerd te worden op dezelfde schedel maar met verschillende laagdikte. To Do’s: -

Tekeningen aanpassen in Solidworks Na goedkeuring deze laten printen in het 3D-lab Evaluatie van de fixaties

Volgende vergadering : 22/11/2010, Technologiecentrum, 15.00 uur Verslaggever: Raf Panis

Vergadering 2 Onderwerp : Bespreken van gekozen fixatiemethoden Tijd : 22/12/2010 – 15.00 uur Plaats : Technologiecentrum Aanwezig: -

Michaël Daenen Jules Poukens Ilona Stouten Ronald Thoelen Juriën Beckers Raf Panis

Besproken agendapunten: -

De uitwerking van de 3 gekozen fixatiemethodes Testen van de fixatiemethodes Vergelijking CT-Laserscan met verschillende layerdikte

Conclusie: De 3 gekozen fixatiemethodes zijn uitgewerkt in 3-matic. Deze worden nu op 1 implantaat getest. Wanneer de test positief is, kan het concept nog verbeterd worden en in andere materialen getest worden. To Do’s: -

Tekeningen laten goedkeuren door de bevoegde personen van het 3D-lab Daarna laten printen in het technologiecentrum ( in ABS) In later stadium : sterkteberekening laten uitvoeren door computergestuurd programma

Volgende vergadering : Deze wordt overeengekomen wanneer het testmodel klaar is. Verslaggever: Raf Panis

Vergadering 3 Onderwerp : Mogelijkheid om in titanium te printen Tijd : 14/03/2011 – 10.00 uur Plaats : Technologiecentrum Aanwezig: -

Michaël Daenen Jules Poukens Ilona Stouten Ronald Thoelen Juriën Beckers Raf Panis Carsten Engel

Besproken agendapunten: -

De werking van de 3 fixatiemethodes Mogelijkheden om in titanium te printen Het maken van een testopstelling

Conclusie: We gaan een testmodel maken in Solidworks met de drie fixatiemethodes. Dit wordt dan geprint in Sirris Charleroi. De fixaties worden zonder schroefdraad geprint, maar worden wel naderhand getapt. Verder gaan we naar de Universiteit Maastricht waar we de dicom bestanden gaan omzetten naar stl bestanden. To Do’s: -

Testmodel creëren en doorsturen naar Carsten Engel (Sirris). Dicom bestanden omzetten naar stl bestanden. Krachtberekeningen uitvoeren op testmodel.

Volgende vergadering : Deze wordt overeengekomen wanneer het testmodel klaar is. Verslaggever: Juriën Beckers