5 min read

3D-Printed Surgical Guides: CT Scan to Operating Room

Patient-specific 3D-printed surgical guides, design workflow, clinical evidence, material selection, and AI-accelerated production.

Salnus Orthopedic Solutions
3D PrintingPSISurgical GuidesPatient-SpecificOrthopaedicsHTO

The Case for Patient-Specific Instrumentation

Standard orthopaedic instruments are designed for the average anatomy. But no patient has average anatomy. Femoral bow, tibial torsion, condylar asymmetry, and prior surgical hardware all create unique geometric challenges that generic cutting guides cannot fully address.

Patient-specific instrumentation (PSI) bridges this gap by designing surgical tools, cutting guides, drill templates, reduction aids, that precisely match the individual patient's anatomy. Derived from preoperative CT or MRI data, these 3D-printed guides transfer the surgical plan directly to the bone surface, reducing reliance on intraoperative estimation and fluoroscopic verification.

Our published research in The Orthopaedic Journal of Sports Medicine validated this approach for knee reconstruction, demonstrating that PSI-guided procedures achieved significantly higher accuracy in osteotomy angle and mechanical axis correction compared to conventional techniques.

The PSI Design Workflow

The process from imaging to instrument follows a standardised pipeline that typically spans 5–10 working days.

Step 1: Image acquisition. A CT scan of the relevant anatomy is acquired with thin-slice protocol (0.5–1.0mm slice thickness) and consistent patient positioning. CT is preferred over MRI for PSI design because bone surfaces are unambiguous in CT data, whereas MRI bone-cartilage boundaries require more complex segmentation. The DICOM data is transferred to the design team.

Step 2: 3D reconstruction and segmentation. The DICOM dataset is loaded into segmentation software (3D Slicer, Mimics, or custom AI-assisted tools). Bone surfaces are identified using threshold-based or deep learning segmentation, then converted to 3D surface meshes (STL format). At Salnus, we are developing automated segmentation pipelines that reduce this step from 2–3 hours of manual work to minutes.

Step 3: Surgical planning. The 3D bone model is imported into planning software where the surgeon defines the osteotomy plane, correction angle, screw trajectories, or implant positioning. For HTO, this means defining the hinge point, opening wedge angle, and tibial slope preservation. The mechanical axis alignment targets (MPTA, HKA) guide the correction geometry.

Step 4: Guide design. The PSI is designed as a negative impression of the bone surface at the surgical site. The guide's contact surface matches the patient's bone geometry exactly, ensuring it can only seat in the correct position and orientation. Cutting slots, drill holes, and K-wire channels are incorporated to transfer the surgical plan. The design is exported as an STL file for printing.

Step 5: Manufacturing and sterilisation. The guide is 3D-printed in a biocompatible material, inspected for dimensional accuracy, and sterilised (typically autoclaved or plasma-sterilised depending on material). The guide arrives in the operating room as a sterile, single-use instrument.

Materials and Printing Technologies

The most commonly used materials for PSI in orthopaedics are biocompatible nylon (PA12, SLS printing), PETG and PLA (FDM printing for non-contact guides), and surgical-grade resin (SLA printing for high-detail guides). Each has trade-offs in resolution, strength, sterilisability, and cost.

For cutting guides that contact bone and withstand mallet impact, nylon PA12 printed via selective laser sintering (SLS) is the current standard, it combines sufficient strength with autoclavability and regulatory precedent. For drill guides and reference templates that do not bear significant load, FDM-printed PETG offers lower cost with adequate accuracy.

Clinical Evidence

The evidence base for PSI in orthopaedics has grown substantially. In osteotomy surgery (HTO, DFO), PSI-guided correction has consistently demonstrated reduced angular error compared to conventional technique, meta-analyses report mean correction accuracy within 1–2 degrees of the preoperative plan, versus 3–5 degrees with conventional methods.

In tumour surgery, PSI enables precise resection margins in complex anatomical locations (pelvis, spine) where conventional instruments cannot access the planned cutting plane. The ability to design patient-specific cutting guides around neurovascular structures has expanded the indications for limb-salvage surgery.

In arthroplasty, PSI cutting blocks for total knee replacement were among the earliest clinical applications. While initial enthusiasm has moderated (robotic-assisted surgery offers real-time feedback that static guides cannot), PSI remains valuable in revision cases and complex primary arthroplasties where standard instrumentation does not accommodate the patient's anatomy.

The AI Acceleration

The bottleneck in the PSI pipeline is steps 2–4: segmentation, planning, and guide design. These steps currently require specialised biomedical engineering skills and significant manual effort. AI is poised to compress this timeline dramatically.

Automated bone segmentation from CT using deep learning (nnU-Net, TotalSegmentator) can reduce a 2-hour manual segmentation task to minutes. AI-assisted planning tools can propose optimal correction angles based on alignment analysis and historical outcome data. Parametric guide design can auto-generate the PSI geometry once the plan is approved.

The vision is a single cloud-based platform where the surgeon uploads the CT, reviews the AI-generated plan, approves or modifies it, and the guide is sent directly to manufacturing. This is where the Salnus platform is heading.

Getting Started with PSI

If you are an orthopaedic surgeon interested in incorporating PSI into your practice, the most accessible entry point is partnering with a biomedical engineering team that handles the design and manufacturing workflow. Salnus offers this as a professional service, from CT data to sterilised guide, with the surgeon involved in planning verification.

For academic collaborations on PSI research, contact our team.


Disclaimer: This article is for educational purposes. PSI design and use should be supervised by qualified professionals. Regulatory requirements for 3D-printed surgical instruments vary by jurisdiction.

References:

  • Chaouche S, et al. Patient-specific cutting guides for high tibial osteotomy: a systematic review. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2022;30(5):1626-1638.
  • Wong KC. 3D-printed patient-specific applications in orthopedics. Orthop Res Rev. 2016;8:57-66.

Hastaya Özel Enstrümantasyon İçin Gerekçe

Standart ortopedik aletler ortalama anatomi için tasarlanmıştır. Ancak hiçbir hastanın anatomisi ortalama değildir. Femoral eğrilik, tibial torsiyon, kondiler asimetri ve önceki cerrahi implantlar; jenerik kesim kılavuzlarının tam olarak karşılayamadığı benzersiz geometrik zorluklar yaratır.

Hastaya özel enstrümantasyon (PSI), cerrahi araçları, kesim kılavuzları, delgi şablonları, redüksiyon yardımcıları, bireysel hastanın anatomisine tam olarak uyacak şekilde tasarlayarak bu boşluğu kapatır. Preoperatif BT veya MRG verilerinden türetilen bu 3D baskılı kılavuzlar, cerrahi planı doğrudan kemik yüzeyine aktararak intraoperatif tahmine ve floroskopik doğrulamaya olan bağımlılığı azaltır.

The Orthopaedic Journal of Sports Medicine'de yayımlanan araştırmamız, diz rekonstrüksiyonu için bu yaklaşımı doğrulamış ve PSI kılavuzlu prosedürlerin, konvansiyonel tekniklere kıyasla osteotomi açısı ve mekanik aks düzeltmesinde anlamlı düzeyde daha yüksek doğruluk sağladığını göstermiştir.

PSI Tasarım İş Akışı

Görüntülemeden enstrümana kadar olan süreç, genellikle 5–10 iş günü süren standartlaştırılmış bir hattı takip eder.

Adım 1: Görüntü elde etme. İlgili anatominin ince kesit protokolü (0,5–1,0 mm kesit kalınlığı) ve tutarlı hasta pozisyonlaması ile BT taraması alınır. PSI tasarımı için BT, MRG'ye tercih edilir çünkü kemik yüzeyleri BT verisinde belirsizlik içermez; oysa MRG'de kemik-kıkırdak sınırları daha karmaşık segmentasyon gerektirir. DICOM verileri tasarım ekibine aktarılır.

Adım 2: 3D rekonstrüksiyon ve segmentasyon. DICOM veri seti segmentasyon yazılımına (3D Slicer, Mimics veya özel yapay zekâ destekli araçlar) yüklenir. Kemik yüzeyleri eşik tabanlı veya derin öğrenme segmentasyonu ile belirlenir, ardından 3D yüzey ağlarına (STL formatı) dönüştürülür. Salnus'ta, bu adımı 2–3 saatlik manuel çalışmadan dakikalara indiren otomatik segmentasyon hatları geliştirmekteyiz.

Adım 3: Cerrahi planlama. 3D kemik modeli, cerrahın osteotomi düzlemini, düzeltme açısını, vida yörüngelerini veya implant pozisyonunu tanımladığı planlama yazılımına aktarılır. HTO için bu; menteşe noktasının, açılma kamasi açısının ve tibial eğim korunmasının belirlenmesi anlamına gelir. Mekanik aks hizalama hedefleri (MPTA, HKA) düzeltme geometrisine rehberlik eder.

Adım 4: Kılavuz tasarımı. PSI, cerrahi bölgede kemik yüzeyinin negatif izi olarak tasarlanır. Kılavuzun temas yüzeyi hastanın kemik geometrisiyle tam olarak eşleşir ve yalnızca doğru konum ve oryantasyonda oturabilmesini sağlar. Cerrahi planı aktarmak için kesim yuvaları, delgi delikleri ve K-teli kanalları dahil edilir. Tasarım, baskı için STL dosyası olarak dışa aktarılır.

Adım 5: Üretim ve sterilizasyon. Kılavuz biyouyumlu bir malzemeden 3D baskı ile üretilir, boyutsal doğruluk açısından kontrol edilir ve sterilize edilir (malzemeye bağlı olarak genellikle otoklav veya plazma sterilizasyon). Kılavuz ameliyathaneye steril, tek kullanımlık bir enstrüman olarak ulaşır.

Malzemeler ve Baskı Teknolojileri

Ortopedide PSI için en yaygın kullanılan malzemeler biyouyumlu naylon (PA12, SLS baskı), PETG ve PLA (temas gerektirmeyen kılavuzlar için FDM baskı) ve cerrahi kaliteli reçinedir (yüksek detaylı kılavuzlar için SLA baskı). Her birinin çözünürlük, dayanıklılık, sterilize edilebilirlik ve maliyet açısından avantaj ve dezavantajları vardır.

Kemiğe temas eden ve tokmak darbesine dayanması gereken kesim kılavuzları için, selektif lazer sinterleme (SLS) ile basılan naylon PA12 mevcut standarttır, yeterli dayanıklılığı otoklav uyumluluğu ve düzenleyici emsal ile birleştirir. Önemli yük taşımayan delgi kılavuzları ve referans şablonları için, FDM ile basılan PETG yeterli doğrulukla daha düşük maliyet sunar.

Klinik Kanıtlar

Ortopedide PSI için kanıt tabanı önemli ölçüde büyümüştür. Osteotomi cerrahisinde (HTO, DFO), PSI kılavuzlu düzeltme, konvansiyonel tekniğe kıyasla tutarlı olarak daha düşük açısal hata göstermiştir, meta-analizler ortalama düzeltme doğruluğunu preoperatif planın 1–2 derece içinde bildirirken, konvansiyonel yöntemlerde bu değer 3–5 derecedir.

Tümör cerrahisinde PSI, konvansiyonel enstrümanların planlanan kesim düzlemine ulaşamadığı karmaşık anatomik bölgelerde (pelvis, omurga) hassas rezeksiyon sınırları sağlar. Nörovasküler yapılar etrafında hastaya özel kesim kılavuzları tasarlayabilme imkânı, ekstremite kurtarma cerrahisinin endikasyonlarını genişletmiştir.

Artroplastide, total diz protezi için PSI kesim blokları en erken klinik uygulamalar arasındaydı. İlk heyecan bir miktar azalmış olsa da (robotik yardımlı cerrahi, statik kılavuzların sağlayamadığı gerçek zamanlı geri bildirim sunar), PSI revizyon olgularında ve standart enstrümantasyonun hastanın anatomisine uyum sağlayamadığı karmaşık primer artroplastilerde değerini korumaktadır.

Yapay Zekâ ile Hızlanma

PSI hattındaki darboğaz 2–4. adımlardır: segmentasyon, planlama ve kılavuz tasarımı. Bu adımlar şu anda uzmanlaşmış biyomedikal mühendislik becerileri ve önemli ölçüde manuel emek gerektirmektedir. Yapay zekâ bu zaman çizelgesini dramatik biçimde kısaltmaya hazırlanmaktadır.

Derin öğrenme (nnU-Net, TotalSegmentator) kullanılarak BT'den otomatik kemik segmentasyonu, 2 saatlik manuel segmentasyon görevini dakikalara indirebilir. Yapay zekâ destekli planlama araçları, hizalama analizi ve geçmiş sonuç verilerine dayalı optimum düzeltme açıları önerebilir. Parametrik kılavuz tasarımı, plan onaylandıktan sonra PSI geometrisini otomatik olarak oluşturabilir.

Vizyon, cerrahın BT'yi yüklediği, yapay zekânın oluşturduğu planı incelediği, onayladığı veya değiştirdiği ve kılavuzun doğrudan üretime gönderildiği tek bir bulut tabanlı platformdur. Salnus platformu bu hedefe doğru ilerlemektedir.

PSI ile Başlangıç

PSI'yı pratiğinize dahil etmek isteyen bir ortopedik cerrah iseniz, en erişilebilir başlangıç noktası, tasarım ve üretim iş akışını yürüten bir biyomedikal mühendislik ekibiyle iş birliği yapmaktır. Salnus bunu bir profesyonel hizmet olarak sunmaktadır, BT verisinden sterilize kılavuza kadar, cerrahın planlama doğrulamasına dahil olmasıyla.

PSI araştırması konusunda akademik iş birlikleri için ekibimizle iletişime geçin.


Sorumluluk Reddi: Bu makale eğitim amaçlıdır. PSI tasarımı ve kullanımı nitelikli profesyoneller tarafından denetlenmelidir. 3D baskılı cerrahi enstrümanlar için düzenleyici gereksinimler yargı yetkisine göre değişiklik gösterir.

Kaynaklar:

  • Chaouche S, et al. Patient-specific cutting guides for high tibial osteotomy: a systematic review. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2022;30(5):1626-1638.
  • Wong KC. 3D-printed patient-specific applications in orthopedics. Orthop Res Rev. 2016;8:57-66.

Reviewed by the Salnus biomedical engineering team.

← All Posts

Orthopaedic AI Research Updates

Monthly research digest, product updates, and clinical AI insights.

Unsubscribe anytime.

3D-Printed Surgical Guides: CT Scan to Operating Room, Salnus Blog, Salnus