Published January 28, 2021 | Version v1
Publication Open

Precision of computed tomography and cartilage-reproducing image reconstruction method in generating digital model for potential use in 3D printing of patient-specific radial head prosthesis: a human cadaver study

Creators

  • 1. Phramongkutklao Hospital
  • 2. Chulalongkorn University

Description

Abstract Background A prosthetic replacement is a standard treatment for an irreparable radial head fracture; however, the surface mismatch of the commercially available designs is concerned for the long-term cartilage wear. The patient-specific implant created from 3D printing technology could be favorable in replicating the normal anatomy and possibly reduce such sequela. Our study aimed to assess the precision of the computed tomography (CT) and cartilage-reproducing image reconstruction method (CIRM) in generating digital models for potentially use in manufacturing the patient-specific prosthesis from 3D printing. Methods Eight intact elbows (3 right and 5 left) from 7 formalin - embalmed cadavers (4 males and 3 females) with mean age of 83 years (range, 79–94 years) were used for this study. Computerized 3D models were generated from CT, and CIRM. The cartilage-reproducing image reconstruction method has compensated the cartilage profile based on the distance between the subchondral surfaces of the radial head and surrounding bones in CT images. The models of actual radial head geometry used as the gold standard was generated from CT arthrography (CTA). All models of each specimen were matched by registering the surface area of radial neck along with the tuberosity. The difference of head diameter, head thickness, and articular disc depth among three models was evaluated and analyzed by Friedman ANOVA and multiple comparison test using Bonferroni method for statistical correction. A p -value of less than 0.01 was considered statistically significant. The difference of overall 3D geometry was measured with the root mean square of adjacent point pairs. Results The analysis displayed the difference of diameter, thickness, and disc depth across the models ( p < 0.01). Pairwise comparisons revealed statistically significant difference of all parameters between CTA models and CT models ( p < 0.01) whereas no difference was found between CTA models and CIRM models. The mean difference of overall 3D geometry between CTA models and CT models was 0.51±0.24 mm, and between CTA models and CIRM models was 0.24±0.10 mm. Conclusions CIRM demonstrated encouraging results in reestablish the normal anatomy and could be potentially used in production process of 3D printed patient-specific radial head prosthesis.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الخلفية المجردة استبدال الأطراف الاصطناعية هو علاج قياسي لكسر الرأس الشعاعي الذي لا يمكن إصلاحه ؛ ومع ذلك، فإن عدم تطابق سطح التصاميم المتاحة تجارياً يتعلق بتآكل الغضروف على المدى الطويل. يمكن أن تكون الغرسة الخاصة بالمريض التي تم إنشاؤها من تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مواتية في تكرار التشريح الطبيعي وربما تقليل هذه العواقب. تهدف دراستنا إلى تقييم دقة التصوير المقطعي المحوسب (CT) وطريقة إعادة إنتاج الصور التي تعيد إنتاج الغضاريف (CIRM) في توليد نماذج رقمية للاستخدام المحتمل في تصنيع الأطراف الاصطناعية الخاصة بالمريض من الطباعة ثلاثية الأبعاد. الطرق تم استخدام ثمانية أكواع سليمة (3 يمين و 5 يسار) من 7 جثث فورمالين - محنطة (4 ذكور و 3 إناث) بمتوسط عمر 83 عامًا (المدى، 79–94 عامًا) لهذه الدراسة. تم إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد محوسبة من CT و CIRM. عوضت طريقة إعادة بناء الصورة التي تعيد إنتاج الغضروف شكل الغضروف بناءً على المسافة بين الأسطح تحت الغضروف للرأس الكعبري والعظام المحيطة في الصور المقطعية. تم إنشاء نماذج هندسة الرأس الشعاعية الفعلية المستخدمة كمعيار ذهبي من تصوير المفاصل بالأشعة المقطعية (CTA). تمت مطابقة جميع نماذج كل عينة من خلال تسجيل مساحة سطح الرقبة الشعاعية جنبًا إلى جنب مع الأحدوبة. تم تقييم وتحليل الفرق في قطر الرأس وسمك الرأس وعمق القرص المفصلي بين ثلاثة نماذج بواسطة فريدمان أنوفا واختبار المقارنة المتعدد باستخدام طريقة بونفيروني للتصحيح الإحصائي. اعتبرت القيمة p التي تقل عن 0.01 ذات دلالة إحصائية. تم قياس الفرق في الهندسة ثلاثية الأبعاد الإجمالية مع متوسط الجذر التربيعي لأزواج النقاط المتجاورة. النتائج عرض التحليل اختلاف القطر والسماكة وعمق القرص عبر النماذج ( p < 0.01). كشفت المقارنات الزوجية عن اختلاف ذي دلالة إحصائية لجميع المعلمات بين نماذج CTA ونماذج CT ( p < 0.01) في حين لم يتم العثور على فرق بين نماذج CTA ونماذج CIRM. كان متوسط الفرق في الهندسة ثلاثية الأبعاد الإجمالية بين نماذج CTA ونماذج CT 0.51±0.24 مم، وبين نماذج CTA ونماذج CIRM 0.24±0.10 مم. أظهرت CIRM نتائج مشجعة في إعادة تأسيس التشريح الطبيعي ويمكن استخدامها في عملية إنتاج بدلة الرأس الشعاعية المطبوعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بالمريض.

Translated Description (French)

Un remplacement prothétique est un traitement standard pour une fracture de la tête radiale irréparable ; cependant, le décalage de surface des modèles disponibles dans le commerce est préoccupant pour l'usure du cartilage à long terme. L'implant spécifique au patient créé à partir de la technologie d'impression 3D pourrait être favorable à la reproduction de l'anatomie normale et éventuellement réduire de telles séquelles. Notre étude visait à évaluer la précision de la tomodensitométrie (CT) et de la méthode de reconstruction d'image de reproduction du cartilage (CIRM) dans la génération de modèles numériques pour une utilisation potentielle dans la fabrication de la prothèse spécifique au patient à partir de l'impression 3D. Méthodes Huit coudes intacts (3 à droite et 5 à gauche) de 7 cadavres embaumés au formol (4 mâles et 3 femelles) avec un âge moyen de 83 ans (intervalle, 79–94 ans) ont été utilisés pour cette étude. Des modèles 3D informatisés ont été générés à partir de la tomodensitométrie et du CIRM. Le procédé de reconstruction d'image de reproduction de cartilage a compensé le profil de cartilage sur la base de la distance entre les surfaces sous-chondrales de la tête radiale et les os environnants dans les images CT. Les modèles de la géométrie réelle de la tête radiale utilisés comme étalon-or ont été générés à partir de l'arthrographie CT (CTA). Tous les modèles de chaque spécimen ont été appariés en enregistrant la surface du col radial ainsi que la tubérosité. La différence de diamètre de tête, d'épaisseur de tête et de profondeur de disque articulaire entre trois modèles a été évaluée et analysée par ANOVA de Friedman et test de comparaison multiple en utilisant la méthode de Bonferroni pour la correction statistique. Une valeur de p inférieure à 0,01 a été considérée comme statistiquement significative. La différence de géométrie 3D globale a été mesurée avec la moyenne quadratique des paires de points adjacentes. Résultats L'analyse a montré la différence de diamètre, d'épaisseur et de profondeur du disque entre les modèles ( p < 0,01). Les comparaisons par paires ont révélé une différence statistiquement significative de tous les paramètres entre les modèles CTA et les modèles CT ( p < 0,01) alors qu'aucune différence n'a été trouvée entre les modèles CTA et les modèles CIRM. La différence moyenne de géométrie 3D globale entre les modèles CTA et les modèles CT était de 0,51±0,24 mm, et entre les modèles CTA et les modèles CIRM était de 0,24±0,10 mm. Conclusions Le CIRM a démontré des résultats encourageants dans le rétablissement de l'anatomie normale et pourrait être potentiellement utilisé dans le processus de production de prothèse de tête radiale spécifique au patient imprimée en 3D.

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes Un reemplazo protésico es un tratamiento estándar para una fractura irreparable de la cabeza radial; sin embargo, el desajuste de la superficie de los diseños disponibles comercialmente se refiere al desgaste del cartílago a largo plazo. El implante específico para el paciente creado a partir de la tecnología de impresión 3D podría ser favorable para replicar la anatomía normal y posiblemente reducir dichas secuelas. Nuestro estudio tuvo como objetivo evaluar la precisión de la tomografía computarizada (TC) y el método de reconstrucción de imágenes de reproducción de cartílago (CIRM) en la generación de modelos digitales para su uso potencial en la fabricación de la prótesis específica del paciente a partir de la impresión 3D. Métodos Para este estudio se utilizaron ocho codos intactos (3 derechos y 5 izquierdos) de 7 cadáveres embalsamados con formalina (4 machos y 3 hembras) con una edad media de 83 años (rango, 79–94 años). Se generaron modelos 3D computarizados a partir de CT y CIRM. El método de reconstrucción de imágenes de reproducción de cartílago ha compensado el perfil del cartílago en función de la distancia entre las superficies subcondrales de la cabeza radial y los huesos circundantes en las imágenes de TC. Los modelos de geometría real de la cabeza radial utilizados como estándar de oro se generaron a partir de la artrografía por TC (CTA). Todos los modelos de cada espécimen se emparejaron registrando el área superficial del cuello radial junto con la tuberosidad. La diferencia de diámetro de la cabeza, grosor de la cabeza y profundidad del disco articular entre tres modelos se evaluó y analizó mediante ANOVA de Friedman y prueba de comparación múltiple utilizando el método de Bonferroni para la corrección estadística. Un valor de p inferior a 0,01 se consideró estadísticamente significativo. La diferencia de la geometría 3D general se midió con la media cuadrática de los pares de puntos adyacentes. Resultados El análisis mostró la diferencia de diámetro, espesor y profundidad del disco en los modelos ( p < 0,01). Las comparaciones por pares revelaron una diferencia estadísticamente significativa de todos los parámetros entre los modelos CTA y los modelos CT ( p < 0,01), mientras que no se encontraron diferencias entre los modelos CTA y los modelos CIRM. La diferencia media de la geometría 3D general entre los modelos CTA y los modelos CT fue de 0.51±0.24 mm, y entre los modelos CTA y los modelos CIRM fue de 0.24±0.10 mm. Conclusiones CIRM demostró resultados alentadores en el restablecimiento de la anatomía normal y podría usarse potencialmente en el proceso de producción de prótesis de cabeza radial impresas en 3D específicas para el paciente.

Files

s41205-021-00093-w.pdf

Files (3.8 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:c06f548b92233126458816b3f7561030
3.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دقة التصوير المقطعي المحوسب وطريقة إعادة إنتاج الصور الغضروفية في توليد نموذج رقمي للاستخدام المحتمل في الطباعة ثلاثية الأبعاد لبدلة الرأس الشعاعية الخاصة بالمريض: دراسة الجثث البشرية
Translated title (French)
Précision de la tomodensitométrie et de la méthode de reconstruction d'image reproductrice de cartilage dans la génération d'un modèle numérique pour une utilisation potentielle dans l'impression 3D d'une prothèse de tête radiale spécifique au patient : une étude sur le cadavre humain
Translated title (Spanish)
Precisión de la tomografía computarizada y el método de reconstrucción de imágenes de reproducción de cartílago en la generación de modelos digitales para su uso potencial en la impresión 3D de prótesis de cabeza radial específicas para el paciente: un estudio de cadáver humano

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3124473512
DOI
10.1186/s41205-021-00093-w

Is supplement to
https://openalex.org/W3161424343 (Other)
https://openalex.org/W2985465421 (Other)
https://openalex.org/W2981749606 (Other)
https://openalex.org/W2756462103 (Other)
https://openalex.org/W2483955897 (Other)
https://openalex.org/W2288433713 (Other)
https://openalex.org/W2285263622 (Other)
https://openalex.org/W2123717759 (Other)
https://openalex.org/W2090832288 (Other)
https://openalex.org/W2012407321 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1824967131
  • https://openalex.org/W1974054298
  • https://openalex.org/W1975039991
  • https://openalex.org/W1999173261
  • https://openalex.org/W2014791618
  • https://openalex.org/W2063154831
  • https://openalex.org/W2089729206
  • https://openalex.org/W2089992659
  • https://openalex.org/W2090474320
  • https://openalex.org/W2093360386
  • https://openalex.org/W2105886070
  • https://openalex.org/W2119800895
  • https://openalex.org/W2125913730
  • https://openalex.org/W2126037822
  • https://openalex.org/W2138534965
  • https://openalex.org/W2143429404
  • https://openalex.org/W2145278209
  • https://openalex.org/W2156015589
  • https://openalex.org/W2406021789
  • https://openalex.org/W2417000952
  • https://openalex.org/W2436609914
  • https://openalex.org/W2513594050
  • https://openalex.org/W2737577790
  • https://openalex.org/W2751561807
  • https://openalex.org/W2786289915
  • https://openalex.org/W2898424314
  • https://openalex.org/W2909153311
  • https://openalex.org/W2939129542
  • https://openalex.org/W2942525002
  • https://openalex.org/W2964620546
  • https://openalex.org/W3039666772
  • https://openalex.org/W4240262069
  • https://openalex.org/W4252998508