Articolo metodologico

Progettazione CAD/CAM di guide chirurgiche per ricostruzione mascellari utilizzando un approccio in-House

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DOI:

10.3791/58015

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24 agosto 2018

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1Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Kyoto Prefectural University of Medicine, 2Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Showa University Fujigaoka Hospital, 3Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Fukuchiyama City Hospital, 4Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Saiseikai Shiga Hospital

In questo articolo

Sommario

Metodi per la progettazione di una computer-aided design/computer aided manufacturing (CAD/CAM) guida chirurgica sono mostrati. Piani di taglio sono separati, Uniti e ispessiti per visualizzare facilmente il trasferimento di osso necessario. Questi disegni possono essere tridimensionali stampata e controllato per precisione.

Abstract

Computer-aided design/computer-assistita produzione (CAD/CAM) sta ora valutando come tecnica preparativa per chirurgia maxillo-facciale. Poiché questa tecnica è costoso e disponibile in solo alcune aree del mondo, abbiamo sviluppato un romanzo guida chirurgica CAD/CAM, utilizzando un approccio in-House. Utilizzando il software di CAD, l'area di resezione mascellare e piani di taglio e i piani di taglio fibular e angoli sono determinati. Una volta l'area di resezione è deciso, le facce necessarie vengono estratti mediante un modificatore Boolean. Queste facce superficiali sono unite per adattarla alla superficie delle ossa e ispessita per stabilizzare i solidi. Non solo il taglio guide per il perone e la mascella superiore, ma anche la disposizione di posizione dei segmenti dell'osso trasferito è definita da ispessimento le facce superficiale. La progettazione CAD è registrata come file. STL e tridimensionale (3D) stampato come effettive guide chirurgiche. Per verificare la precisione delle guide, modello chirurgia utilizzando modelli 3-D-stampati facciali e fibular viene eseguita. Questi metodi possono essere utilizzati per aiutare i chirurghi dove guide commerciali non sono disponibili.

Introduzione

L'uso di tecniche CAD/CAM ha recentemente aumentato in odontoiatria e protesi. A seguito di questa evoluzione del CAD/CAM, i trasferimenti di falda osteocutaneous utilizzando CAD/CAM sono ora utilizzati nel campo della ricostruzione mandibular dopo un'ampia resezione oncologica di tumori maligni1,2,3. Diverse aziende nei paesi occidentali hanno cominciato a fornire e vendere una guida di taglio CAD/CAM per la regione di mandibola. Una ricostruzione di CAD/CAM della mandibola è considerata di avere un vantaggio in termini di precisione4,5,6,7,8,9,10 ,11. Tuttavia, uno svantaggio è che questa tecnica è disponibile in alcune aree in tutto il mondo ed è molto costoso12. Così, ricostruzione di CAD/CAM per le lesioni mascellare non è ancora diventata popolare. Il numero dei casi di ricostruzione mascellari è inferiore a quella per la mandibola, e guide commerciali non sono comuni.

Perché commerciale guide di CAD/CAM mascellare non sono vendute in Giappone, abbiamo sviluppato guide chirurgiche CAD/CAM, utilizzando un approccio in-House. L'efficacia clinica delle guide CAD/CAM è già stato segnalato13,14,15,16,17,18,19, ma non c'è nessun relazione di come progettarli. Lo scopo della presente relazione è quello di mostrare il metodo di progettazione CAD/CAM utilizzando un approccio in-House di basso costo.

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Protocollo

Questo studio è stato approvato dal comitato di revisione istituzionale degli autori, e consenso scritto forme sono state completate da tutti i pazienti.

1. preparazione dei materiali

  1. Utilizzare un personal computer, dati (CT) tomografici computati delle ossa facciali e del perone, software di conversione ad esempio InVesalius20e tridimensionale (3D) software di CAD (ad es., frullatore21).
    Nota: Uno spessore massimo di sezioni di 1 mm di dati di CT è consigliato per un'accurata progettazione. Per la simulazione chirurgica effettiva, utilizzare i dati di CT del paziente. Per la ricerca, utilizzare dati 3D umano libero22.
  2. Utilizzare una stampante 3D23, viti, piastre di metallo e una piccola sega, per controllare non solo i disegni, ma anche oggetti reali e risultati.
    Nota: Il presente studio è sperimentale. Piastre metalliche, viti e una piccola sega può essere utilizzati per la chirurgia di modello. Invece di piastre di metallo, piastre di fissaggio di plastica possono essere anche stampati dalla stampante 3D, insieme con le guide chirurgiche.
  3. Trasferire i dati di imaging di ossa facciali e di perone in dati 3D (formato. STL) utilizzando InVesalius20.
    Nota: I dati CT essenzialmente viene registrati sotto forma di immagini bidimensionali (2D). Così, prima di utilizzare i dati 3-d, è necessario convertire i dati in dati 3D. Il software libero è sufficiente per questo scopo. Questa relazione non spiega come trasferire i dati in un file 3D; guide e video didattici sono disponibili altrove.
  4. Importare ogni file. STL in Blender21.
    Nota: Software CAD accetta solitamente formato. STL-stile 3D. Al primo, maxillary e fibular. STL file devono essere aperto nello specifico software CAD importandoli.

2. design

  1. Decidere sulla zona di rimozione dell'osso e consolidando un difetto osseo
    1. Decidere sulla zona di essere asportata.
      Nota: In questa chirurgia sperimentale simulazione, qualsiasi parte della mascella superiore può essere impostata come una zona asportata. Perché la ricostruzione dopo maxillectomy totale è difficile, solo una piccola parte della mascella superiore sarà una scelta per i principianti. In una regolazione clinica, i otorhinolaryngologists deciderà l'area secondo la regione cancerosa.
    2. Faccio un grande aereo e posizionarlo sul confine della zona per la rimozione in modalità oggetto (figure 1a e 1b). Seguire che inserendo un secondo aereo (figure 1b-1D) e continuare a farlo fino a quando gli aerei circondano l'intera area per la rimozione. Unire questi aerei in modalità oggetto.
    3. Selezionare i vertici di tutti questi aerei e collegarli a vicenda facendo bordi e facce (Figura 1e) in modalità di modifica per circondare le aree per la rimozione.
      Nota: I piani di asportazione dovrebbero essere copiati e mantenuti perché questi piani originali sono usati e scartati quando l'asportazione di solidificazione. Nello studio presente, copia di ogni piano e solido in ogni occasione è consigliata al fine di rendere possibile riutilizzarli.
    4. Sottrarre il solido resecabile dall'osso facciale utilizzando un modificatore Boolean in modalità di modifica. Ciò provoca un osso facciale rasato (Figura 1f), che è il modello di difetto maxillary.
  2. Immissione di un osso perone
    1. Inserire una fibula difetto maxillary zona (Figura 2a). Posizionare piccoli cubi in due punti (8 cm distale della testa fibular e 5 cm prossimali da malleolo laterale) nel perone come marcatori (viola cubetti sono mostrati nella Figura 2).
      Nota: In situazioni cliniche, una fibula può essere utilizzata tra 8 cm dalla testa del perone distale e prossimale da malleolo laterale di 5 cm. Da questa marcatura, possiamo facilmente capire le aree che possono essere utilizzate.
    2. Link cubetti a perone come genitore impostazione in modalità oggetto.
    3. Posizionare piccoli cubi come marcatori in diversi punti nella lesione maxillary dove la ricostruzione è necessaria. Con questa marcatura, aumentare la visibilità dei punti di riproduzione necessaria.
    4. Montare il perone al margine anteriore dell'osso alveolare in modalità oggetto, se il perone viene inserito dalla linea mediana.
    5. Utilizzare il piano precedente l'osteotomia mascellare del midline come un primo piano di osteotomia fibular (Figura 2b).
    6. Posizionare un nuovo piano di osteotomia eventualmente in modalità oggetto (Figura 2c). Collegare questo nuovo aereo perone come un padre impostando.
      Nota: Impostando l'elemento padre di perone, orientazione relativa tra questo nuovo aereo di osteotomia e perone viene sempre mantenuta anche se il perone viene spostato in luoghi diversi. La zona del perone che è circondato da questi piani di due taglio diventa il primo blocco fibular.
    7. Copiare il perone e due aerei dell'osteotomia come genitore impostazione in modalità oggetto. Spostare questo copiato perone, che ha la prima area di blocco con due piani di taglio su entrambe le estremità, per la seconda area dove la ricostruzione è necessaria (Figura 2e) per pianificare il secondo blocco di perone.
    8. Posizionare il secondo piano di taglio con l'aggiunta di un nuovo piano in modalità oggetto.
      Nota: Il piano di primo e secondo taglio diventerà l'estremità del secondo blocco del perone. Se un terzo blocco è necessario, vengono aggiunte le procedure simili. La lunghezza appropriata dei vuoti tra i blocchi adiacenti fibular dovrebbe essere mantenuta.
      Nota: Il divario tra il primo e il secondo blocco è considerato essere la chiave per avere un osteotomy confortevole. Se questa distanza è vasta, l'osteotomia sarà facile a causa dello spazio di lavoro ampio, ma la lunghezza vascolare è un po' sprecata. Al contrario, se lo spazio è stretto, osteotomia diventa fastidioso, ma il secondo o terzo blocco può essere progettato eliminando i rifiuti dell'osso inutilizzato.
  3. Progettare le guide di taglio fibular
    1. Visualizzare solo il perone e piani di taglio per la progettazione la Guida di taglio perone in modalità oggetto (Figura 3a).
    2. Rendere ogni piano di taglio più piccolo per occupare solo metà dell'area della sezione di taglio perone facendo scorrere i vertici lungo i bordi (figure 3b-3d) in modalità di modifica.
      Nota: Il lato di montaggio della Guida di taglio è la funzione laterale del perone. Poiché i vasi d'alimentazione si trovano nella funzione mediale, la guida non è progettata in funzione mediale.
    3. Unire due aerei delle estremità per costruire un solido in modalità oggetto (figure 4a-4e). Selezionare i vertici di tutti questi aerei e collegarli a vicenda facendo bordi e facce in modalità di modifica per formare un solido rettangolare.
    4. Sottrarre il perone da questo solido rettangolare utilizzando un modificatore Boolean (figure 5a-5C).
      Nota: La superficie di questa sottrazione si adatta completamente la funzione laterale del perone. Le stesse procedure si ripetono in ogni blocco fibular necessaria.
    5. Unire ogni solido sottratto in modalità oggetto.
    6. Posizionare un cubo vicino i solidi sottratti (Figura 5d). Estrusione di facce per rendere pilastri (figure 5e-5g). Unire questi pilastri per i solidi sottratti. Questa è la Guida di taglio fibular (figure 5 h-5j).
  4. Guida di taglio di osteotomia per la mascella superiore
    Nota: Per tagliare la mascella superiore, non è necessario progettare la guida per ogni superficie di taglio, perché solo alcune aree sono per essere ricostruito usando il perone. Di solito, due guide di taglio, che coprono le aree degli zigomi con alveolare e laterale mediale, sono progettate.
    1. Preparare i piani mascellari e degli zigomi che erano la restante superficie originale dopo la rimozione del mascellare. Un margine di 1 cm di larghezza è sufficiente (Figura 6un).
    2. Estrudere le facce preparate al punto 2.4.1 per addensare l'aereo e li solidificarsi in modalità di modifica utilizzando il modificatore di solidificazione (Figura 6b).
    3. Elimina il solido ispessito sopra i piani di resezione, che sono state decise nel passaggio 2.1, su entrambe le estremità; Questo è come le guide di taglio mascellare sono progettate.
      Nota: Se la superficie è irregolare, una piccola area di montaggio è sufficiente. Se la superficie di montaggio è suscettibile di essere piatta, una grande area è necessario evitare qualsiasi slittamento della guida.
  5. Guida di fissaggio per i segmenti fibular
    Nota: Fibular segmenti che devono essere trasferiti alla mascella superiore sono considerate accurate in dimensioni e lunghezza, ma la posizione del transfer può deviare liberamente se la Guida di fissaggio non viene utilizzata. Perone e ogni piano di taglio (come fatto nel passaggio 2.2) sono riutilizzati in questo segmento.
    1. Costruire ogni blocco fibular nel modificatore Boolean prendendo l'area di intersezione tra il perone e il solido con piani di taglio su entrambe le estremità (figure 7a e 7b) in modalità di modifica.
    2. Estrarre la metà della superficie di ciascun blocco fibular superficiale.
    3. Unire tutte queste superfici in modalità oggetto (Figura 7c).
    4. Eliminare le piccole facce in modalità di modifica utilizzando un coltello tagliato ( Figura 8a) per garantire gli spazi per il montaggio delle piastre di metallo.
    5. Addensare la superficie utilizzando un modificatore di solidificazione in modalità di modifica (figure 8b-8e).
      Nota: Un minimo di 2 – 3 mm di spessore è necessario stabilizzare la Guida di fissaggio ed evitare deformazioni. Se l'ala è progettata su entrambe le estremità, aiuterà la guida alla mascella superiore senza l'utilizzo di eventuali piastre di metallo.

3. stampa 3-d per la chirurgia di modello e Real guide

Nota: Lo scopo principale di questo rapporto è di mostrare il metodo di progettare guide chirurgiche; la procedura descritta di seguito non è necessaria se non è richiesta la stampa 3-d.

  1. Esportare i disegni delle guide in formato. STL, che può essere 3-d stampato.
  2. Stampare tutte le guide e le ossa.
    Nota: Nella stampa, zattere sono considerati a perturbare la liscia superficie di stampa e provocare una misura superficiale e povera frastagliata fino all'osso, quindi il piano che deve essere liscio deve essere puntato verso l'alto.
  3. Eseguire l'intervento di modello come segue:
    1. Simile a vero e proprio intervento chirurgico, in forma del mascellare di taglio guida al modello facciale dell'osso prima (Figura 9una). Quindi, tagliare l'osso facciale insieme con il piano di taglio con una sega.
    2. Collegare la Guida di taglio fibular al modello dell'osso fibular e tagliatelo a pezzi (Figura 9b). Collegare i blocchi fibular per la Guida di fissazione (figure 9 c e d 9).
    3. Difficoltà questa guida di fissazione complessi per il difetto maxillary utilizzando viti e piastre (Figura 9e). Dopo aver sistemato i segmenti fibular alla mascella superiore nella zona dove la Guida di fissazione non allegare utilizzando viti e piastre, rimuovere la Guida di fissaggio. Questo completa la ricostruzione (Figura 9f).
  4. Acquisire l'immagine 3-D-ricostruito e registrare in formato. STL utilizzando un scanner 3D24.
  5. Confrontare il file. STL post-modello chirurgia e la progettazione CAD ricostruito (Figura 10) mediante confronto software25.
    Nota: Confrontando il disegno di ricostruzione virtuale e il modello di ricostruzione guidata, precisione effettivo viene calcolato. Perché la precisione del CAD/CAM è ottenuta all'interno di una deviazione di 2,5 mm nella ricostruzione mandibular10, una precisione simile dovrebbe essere necessaria in questo metodo. Se non è possibile ottenere la precisione richiesta, rifare il disegno virtuale.

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Risultati

Utilizzando la procedura qui presentata, l'area di resezione è stata determinata in primo luogo. Utilizzando software CAD, l'area di resezione è stato completamente circoscritto dai volti. Questa zona è stato sottratto l'osso facciale di un'operazione booleana. L'immagine del perone è stato disposto sul difetto e taglio fibular volti sono stati collocati nei punti appropriati ricostruiti. Facce di taglio tutto fibular erano legate al perone in un impostazione di padre. Questi volti sono s...

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Discussione

Ricostruzione di CAD/CAM è considerata di contribuire al conseguimento di un'osteotomia accurata lunghezza, larghezza e angolo nelle ossa di taglio durante l'utilizzo di taglio guide4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da dichiarare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato parzialmente supportato da JSP KAKENHI Grant numero JP17K11914.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Information Technology Center, Renato Archer, Campinas, BrasileInVesaliusSoftware libero https://www.cti.gov.br/en/invesalius
The Blender Foundation, Amsterdam, Paesi BassiBlenderSoftware libero https://www.blender.org/
TurboSquid, Inc. 935 Gravier St., Suite 1600, New Orleans, LA.File di dati scheletrici 3D gratuitoFree3D https://free3d.com/3d-models/human
MakerBot Industries, LLC One MetroTech Center, 21st Fl, Brooklyn, NY.MakerBot Replicator+https://www.makerbot.com/replicator/
YouTube (Google, Inc.), 901 Cherry Ave.
Artec 3D, 2, rue Jean Engling, LussemburgoArtec Eva Litehttps://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/artec-eva-lite
CloudCompare CloudComparehttp://www.danielgm.net/cc/
https://www.youtube.com/results?search_query=invesalius+dicom+to+stl

Riferimenti

  1. Hirsch, D. L., et al. Use of computer-aided design and computer-aided manufacturing to produce orthognathically ideal surgical outcomes: A paradigm shift in head and neck reconstruction. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 67 (10), 2115-2122 (2009).
  2. Hanasono, M. M., Skoracki, R. J. Computer-assisted design and rapid prototype modeling in microvascular mandible reconstruction. The Laryngoscope. 123 (3), 597-604 (2013).
  3. Roser, S. M., et al. The accuracy of virtual surgical planning in free fibula mandibular reconstruction: Comparison of planned and final results. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 68 (11), 2824-2832 (2010).
  4. Ayoub, N., et al. Evaluation of computer assisted mandibular reconstruction with vascularized iliac crest bone graft compared to conventional surgery: A randomized prospective clinical trial. Trials. 15, 114(2014).
  5. Stirling, C. E., et al. Simulated surgery and cutting guides enhance spatial positioning in free fibular mandibular reconstruction. Microsurgery. 35 (1), 29-33 (2015).
  6. Schepers, R. H., et al. Accuracy of fibula reconstruction using patient-specific CAD/CAM reconstruction plates and dental implants: a new modality for functional reconstruction of mandibular defects. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 43 (5), 649-657 (2015).
  7. Tarsitano, A., et al. Mandibular reconstructions using computer-aided design/computer-aided manufacturing: a systematic review of a defect-based reconstructive algorithm. Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery. 43 (9), 1785-1791 (2015).
  8. Wilde, F., et al. Multicenter study on the use of patient-specific CAD/CAM reconstruction plates for mandibular reconstruction. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 10 (12), 2035-2051 (2015).
  9. Huang, J. W., et al. Preliminary clinic study on computer assisted mandibular reconstruction: the positive role of surgical navigation technique. Maxillofacial Plastic and Reconstructive Surgery. 37 (1), 20(2015).
  10. Numajiri, T., Nakamura, H., Sowa, Y., Nishino, K. Low-cost design and manufacturing of surgical guides for mandibular reconstruction using a fibula. Plastic and Reconstructive Surgery - Global Open. 4 (7), 805(2016).
  11. Numajiri, T., Tsujiko, S., Morita, D., Nakamura, H., Sowa, Y. A fixation guide for the accurate insertion of fibular segments in mandibular reconstruction. Journal of Plastic, Reconstructive & Aesthetic Surgery. Open. 12 (8), 1-8 (2017).
  12. Toto, J. M., et al. Improved operative efficiency of free fibula flap mandible reconstruction with patient specific, computer-guided preoperative planning. Head & Neck. 37 (11), 1660-1664 (2015).
  13. Avraham, T., et al. Functional outcomes of virtually planned free fibula flap reconstruction of the mandible. Plastic and Reconstructive Surgery. 134 (628), 634(2014).
  14. Sieira, G. R., et al. Surgical planning and microvascular reconstruction of the mandible with a fibular flap using computer-aided design, rapid prototype modeling, and precontoured titanium reconstruction plates: A prospective study. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 53 (1), 49-55 (2015).
  15. Seruya, M., Fisher, M., Rodriguez, E. D. Computer-assisted versus conventional free fibula flap technique for craniofacial reconstruction: An outcomes comparison. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (5), 1219-1225 (2013).
  16. Metzler, P., et al. Three-dimensional virtual surgery accuracy for free fibula mandibular reconstruction: Planned versus actual results. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 72 (12), 2601-2604 (2014).
  17. Numajiri, T., et al. Using an in-house approach to CAD/CAM reconstruction of the maxilla. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 76 (6), 1361-1369 (2018).
  18. Bosc, R., et al. Mandibular reconstruction after cancer: An in-house approach to manufacturing cutting guides. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 46 (1), 24-29 (2017).
  19. Ganry, L., et al. Three-dimensional surgical modeling with an open-source software protocol: Study of precision and reproducibility in mandibular reconstruction with the fibula free flap. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 46 (8), 946-950 (2017).
  20. InVesalius. , Available from: https://www.cti.gov.br/en/invesalius (2018).
  21. Blender. , Available from: https://www.blender.org/ (2018).
  22. Free3D. , Available from: https://free3d.com/3d-models/human (2018).
  23. MakerBot Replicator+. , Available from: https://www.makerbot.com/replicator/ (2018).
  24. Artec Eva Lite. , Available from: https://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/artec-eva-lite (2018).
  25. The CloudCompare. , Available from: http://www.danielgm.net/cc/ (2018).
  26. Guerrero-de-Mier, A., Espinosa, M. M., Dominguez, M. Bricking: A new slicing method to reduce warping. Procedia Engineering. 132, 126-131 (2015).
  27. Petropolis, C., Kozan, D., Sigurdson, L. Accuracy of medical models made by consumer-grade fused deposition modeling printers. Plastic Surgery. 23 (2), Oakville, Ont. 91-94 (2015).
  28. Alsoufi, M. S., Elsayed, A. E. Warping deformation of desktop 3D printed parts manufactured by open source fused deposition modeling (FDM) system. International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering (IJMME) - International Journal of Engineering and Sciences (IJENS). 17 (4), 7-16 (2017).
  29. Maschio, F., Pandya, M., Olszewski, R. Experimental validation of plastic mandible models produced by a "low-cost" 3-dimensional fused deposition modeling printer. Medical Science Monitor. 22, 943-957 (2016).
  30. Rendon-Medina, M. A., Andrade-Delgado, L., Telich-Tarriba, J. E., Fuente-Del-Campo, A., Altamirano-Arcos, C. A. Dimensional error in rapid prototyping with open source software and low-cost 3D-printer. Plastic and Reconstructive Surgery - Global Open. 6 (1), 1646(2018).
  31. Nizam, A., Gopal, R. N., Naing, L., et al. Dimensional accuracy of the skull models produced by rapid prototyping technology using stereolithography apparatus. Archives of Orofacial Sciences. 1, 60-66 (2006).

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