Medical applications of additive manufacturing in surgery and dental care

Abstract

At present handcrafting is still common in surgery and dentistry. The majority of patient specific implants are handmade during surgery and oral appliances are handmade by a dental technician in a dental laboratory. Surgical procedures are usually designed according to medical imaging, but during the surgery, plans are often changed due to issues that were not detectable from the two dimensional images. By using the modern digital technology it is possible to reduce or completely avoid manual work phases, and thus achieve remarkable advantages related to accuracy and speed.

Additive manufacturing is a material adding fabrication process, which suits for manufacturing objects with complex geometric shapes for either one piece or small series production. The parts are produced automatically according to a digital 3D model. By digitalizing the medical processes of additive manufacturing can be easily and rapidly performed. Therefore, it is a suitable manufacturing method in both surgery and dentistry. This research concentrated on medical models and patient specific implants made by additive manufacturing, as well as oral appliances used in dentistry. The subjects included (1) medical 3D modeling and design, (2) applying various additive manufacturing technologies and (3) estimating the usability and dimensional accuracy of these processes. As a result a patient specific orbital floor implant and different oral appliances were produced using additive manufacturing and digital design. In addition the effects of different additive manufacturing methods for accuracy of medical models were studied. The results showed that additive manufacturing can be effectively utilized in surgery and dentistry, and patients' treatment results may improve when using the above methods.

Kirurgiassa ja hammaslääketieteessä pääasiallinen työskentelytapa on käsityö, eikä digitaalisuuden kaikkia mahdollisuuksia vielä hyödynnetä. Kehittyneempiä tekniikoita kuten leikkausnavigointia, leikkausrobotteja ja digitaalista kuvantamista kyllä käytetään, mutta esimerkiksi potilaskohtaiset implantit kirurgi yleensä muotoilee käsin leikkauksen aikana tai käyttää valmiita implantteja, joista potilaalle valitaan sopivimman kokoinen ja muotoinen. Myös hammaslääketieteessä käytetyt suukojeet valmistetaan tavallisesti hammasteknikon toimesta käsityönä hammaslaboratoriossa. Leikkaukset suunnitellaan yleensä kuvantamistutkimusten perusteella, mutta leikkauksen aikana tulee usein esiin asioita, joita kaksiulotteisista kuvista ei pystytä havaitsemaan, ja näin ollen leikkaussuunnitelma voi muuttua leikkauksen aikana. Käyttämällä hyväksi digitaalisuuden tuomia mahdollisuuksia voidaan tuottaa 3D-malleja ja fyysisiä malleja potilaan anatomiasta, sekä vähentää tai poistaa kokonaan käsityövaiheita. Tämä nopeuttaa leikkausta ja parantaa tarkkuutta.

Materiaalia lisäävä valmistus on valmistusmenetelmä, joka soveltuu erityisesti monimutkaisten kappaleiden yksittäis- tai piensarjatuotantoon. Kappaleet tuotetaan automaattisesti digitaalisen 3D-mallin perusteella. Digitalisoimalla lääketieteen prosesseja voidaan materiaalia lisäävää valmistusta nopeasti hyödyntää. Se on myös erityisen sopiva valmistusmenetelmä lääketieteeseen, koska potilaiden tarpeet ovat erilaisia eivätkä samanlaiset ratkaisut sovellu kaikille. Tässä tutkimuksessa keskityttiin materiaalia lisäävillä valmistustekniikoilla toteutettuihin lääketieteellisiin malleihin ja potilaskohtaisiin implantteihin sekä hammaslääketieteessä käytettyihin suukojeisiin. Tutkittuja aiheita olivat lääketieteellisten 3D-mallien muodostus, lääketieteellinen 3D-mallintaminen, eri valmistusmenetelmien soveltaminen ja prosessien käyttökelpoisuuden ja mittatarkkuuden arviointi. Työn tuloksena saatiin valmistettua ainetta lisäämällä toimiva yksilöllinen silmänpohjaimplantti, sekä erilaisia suukojeita. Tutkimuksessa selvitettiin myös eri materiaalia lisäävien valmistusmenetelmien tarkkuutta lääketieteellisten mallien valmistamiseen. Tulokset osoittivat, että tutkitut menetelmät tuovat uusia mahdollisuuksia potilaiden hoitamiseen ja mahdollistavat nain parempia hoitotuloksia.