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Cost-Effective Cranioplasty Utilizing 3D Printed Molds: A Canadian Single-Center Experience

Published online by Cambridge University Press:  05 April 2021

Melissa Lannon
Affiliation:
Division of Neurosurgery, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada
Almunder Algird
Affiliation:
Division of Neurosurgery, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada
Waleed Alsunbul
Affiliation:
Division of Neurosurgery, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada
Bill Hao Wang*
Affiliation:
Division of Neurosurgery, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada
*
Correspondence to: Dr. Bill Hao Wang, Assistant Professor, Division of Neurosurgery, Department of Surgery, Faculty of Health Sciences, McMaster University, Hamilton General Hospital, 237 Barton St E, Hamilton, ON, Canada L8L 2X2. Email: wangb100@mcmaster.ca
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract:

Background:

Cranioplasty is a commonly performed neurosurgical procedure used to repair defects of the cranial vault. For large defects, 3D printing allows for the creation of patient-specific synthetic cranioplasties. Although these implants provide excellent cosmetic results for patients, costs are quite high. This makes their routine use challenging in the current Canadian healthcare environment. The purpose of this study is to report our experience with a novel, cost-effective method for cranioplasty using desktop 3D printers to manufacture patient-specific molds to aid in the shaping of polymethyl methacrylate (PMMA) cranioplasty intraoperatively.

Methods:

A retrospective review of patients who underwent cranioplasty utilizing 3D printed custom molds was conducted at a single center between 2018 and 2020. Either a two-piece self-align or open-air mold was utilized. Material cost, as well as demographic, clinical, and radiologic data, was reviewed. A five-point ordinance scale was used to evaluate patient satisfaction with cosmesis.

Results:

Four patients had previous craniectomies with infected bone flaps, 2 patients had significant bony destruction from tumor invasion, and 1 patient had bone flap resorption. Three patients underwent an open-air mold technique with a Ti-mesh/PMMA-combined implant. The remaining 4 patients underwent two-piece mold with PMMA-only implant. All patients had ‘Good’ to ‘Excellent’ cosmetic outcome with one post-operative acute subdural hematoma and one post-operative infection. Two-piece mold resulted in improved cosmetic outcome and cost savings.

Conclusions:

3D printing can be used in a cost-effective manner to deliver good cranioplasty cosmesis. Wider adoption of this technique can result in significant healthcare cost savings without compromising patient outcome.

Résumé :

RÉSUMÉ :

Des procédures économiques de cranioplastie qui utilisent des moules imprimés en 3D : une expérience menée dans un établissement de santé canadien.

Contexte :

La cranioplastie est une procédure neurochirurgicale couramment pratiquée pour réparer les défauts de la voûte crânienne. Dans le cas de défauts plus importants, l’impression en 3D permet la création d’implants synthétiques spécifiques aux patients. Bien que ces implants leur offrent d’excellents résultats sur le plan cosmétique, leurs coûts demeurent assez élevés, ce qui rend une utilisation régulière difficile dans le cadre actuel du système de soins de santé au Canada. L’objectif de cette étude est donc de décrire notre expérience menée avec une nouvelle méthode économique de cranioplastie qui fait appel à des imprimantes de bureau en 3D pour fabriquer des moules spécifiques aux patients et aider ainsi à l’élaboration peropératoire d’implants en polyméthacrylate de méthyle.

Méthodes :

Nous avons ainsi effectué une étude rétrospective portant sur des patients ayant bénéficié d’une cranioplastie et ayant utilisé des moules personnalisés en 3D. Cette étude s’est déroulée de 2018 à 2020 dans un seul établissement de soins de santé. Précisons que soit des moule auto-alignés en deux sections (two-piece self-align) soit des moules à l’air libre (open-air) ont été utilisés. Les coûts du matériel, de même que des données démographiques, cliniques et radiologiques, ont aussi été passés en revue. Enfin, une échelle ordinale en 5 points a été utilisée pour évaluer la satisfaction des patients quant à l’aspect cosmétique de la cranioplastie.

Résultats :

Quatre patients avaient subi précédemment des craniectomies s’étant traduites par des lambeaux d’os infectés (infected bone flaps) ; deux autres patients avaient subi une destruction osseuse notable en raison d’une invasion tumorale ; enfin, un patient avait donné à voir une résorption du volet osseux. Trois de ces sept patients ont bénéficié de moules à l’air libre en plus d’un implant combinant maille de titane et polyméthacrylate de méthyle. Les quatre autres patients ont ainsi bénéficié d’un moule auto-aligné en deux sections et d’un implant en polyméthacrylate de méthyle seulement. Tous les patients ont par ailleurs donné à voir des résultats cosmétiques allant de « Bons » à « Excellents », un seul hématome post-opératoire sous-dural aigu et une seule infection post-opératoire ayant été signalés.

Conclusions :

L’impression en 3D peut donc être utilisée à titre de méthode économique assurant de bonnes cranioplasties d’un point de vue cosmétique. Une adoption plus large de cette méthode pourrait permettre de réaliser d'importantes économies dans le système de soins de santé sans pour autant compromettre les résultats pour les patients.

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Copyright
© The Author(s), 2021. Published by Cambridge University Press on behalf of Canadian Neurological Sciences Federation
Figure 0

Figure 1: DICOM/MeshMixer Workflow and Intraoperative Photos. (A) STL model of the cranial defect. (B) The baseline model is lined up with the defect model. (C) A Boolean-subtract function used to obtain the difference between the 2 models and create a virtual cranioplasty. (D) Mold generation by extruding the outer and inner surfaces, this illustrates extrusion of the inner surface followed by a ‘plane cut’ function to obtain the bottom mold. (E) To avoid an overly thick cranioplasty, the outer surface is extracted and a surface-normal extrusion performed to obtain a uniform thickness (e.g. 5 mm). (F) and (G): Final mold creation with insertion of alignment posts. (H) and (I): Intraoperative photos of the casting process. (J): The cranioplasty continues to polymerize on the sterile table to prevent overheating the plastic.

Figure 1

Table 1: Summary of results of the seven patients who underwent cranioplasty with the aid of cost-effective 3D printing technique at the Hamilton general hospital. Baseline demographics are presented here as well as side and size of defect, method of reconstruction and complications

Figure 2

Figure 2: Pre- and post-operative CT scans of the three cases done with an open-air mold using a Ti/PMMA construct. The mold is cleaned and placed into a sterile plastic bag. The titanium mesh is then manually contoured (using scissors and/or mesh bender) over the mold. PMMA is then poured onto the mesh and allowed to harden over the mold. Panels A-B, C-D, E-F correspond to pre- and post-operative CT scans of patients 1, 2, and 3, respectively. G shows the model of the open-air mold for patient 2. H shows the 3D printed open-air mold for patient 1.

Figure 3

Figure 3: Pre- and post-operative CT scans of the four cases done with a two-piece mold. The utilization of the two-piece mold allowed us to remove the titanium mesh altogether. A-B, C-D, E-F, G-H correspond to pre- and post-operative CT scans of patients 4, 5, 6, and 7, respectively. All patients had self-rated ‘good’ to ‘excellent’ cosmetic results.