W miarę rozwoju technologii i stawania się coraz bardziej przyjazną dla użytkownika, planowanie operacji oraz dostosowane do potrzeb pacjenta szablony chirurgiczne i płytki mocujące powinny być wykonywane przez chirurga. Przedstawiamy protokół planowania 3D ortognatycznych ruchów szkieletu oraz planowania 3D i drukowania płytek mocujących i szablonów chirurgicznych dostosowanych do potrzeb pacjenta.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Leczenie deformacji twarzy za pomocą planowania 3D i drukowania implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Postęp technologiczny w planowaniu chirurgicznym i implantach dostosowanych do potrzeb pacjenta stale się rozwija. Można albo zaadoptować tę technologię, aby osiągnąć lepsze wyniki, nawet w mniej doświadczonej ręce, albo kontynuować bez niej. Wraz z rozwojem technologii i stawaniem się coraz bardziej przyjazną dla użytkownika, uważamy, że nadszedł czas, aby umożliwić chirurgowi planowanie operacji i tworzenie własnych, specyficznych dla pacjenta szablonów chirurgicznych i płytek mocujących, co pozwoli mu na pełną kontrolę nad procesem. Przedstawiamy tutaj protokół planowania 3D operacji, a następnie planowania 3D i drukowania szablonów chirurgicznych oraz implantów stabilizacyjnych dostosowanych do potrzeb pacjenta. Podczas tego procesu korzystamy z dwóch komercyjnych programów do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD). Używamy również drukarki do modelowania osadzania topionego do szablonów chirurgicznych oraz drukarki do selektywnego spiekania laserowego do tytanowych implantów mocujących specyficznych dla pacjenta. Proces ten obejmuje akwizycję obrazowania tomografii komputerowej (CT), segmentację 3D czaszki i kości twarzy z tomografii komputerowej, planowanie operacji 3D, planowanie 3D implantu stabilizacyjnego specyficznego dla pacjenta zgodnie z ostateczną pozycją kości, planowanie 3D prowadnic chirurgicznych do wykonania dokładnej osteotomii i przygotowania kości do płytek mocujących, oraz druk 3D szablonów chirurgicznych i płytek mocujących dostosowanych do potrzeb pacjenta. Do zalet tej metody należy pełna kontrola nad operacją, zaplanowane osteotomie i płytki mocujące, znaczne obniżenie ceny, skrócenie czasu trwania operacji, doskonała wydajność i bardzo dokładne wyniki. Do ograniczeń należy konieczność opanowania programów CAD.
Wprowadzenie
Druk 3D to metoda addytywna polegająca na stopniowym umieszczaniu warstw z różnych materiałów, tworząc w ten sposób obiekty 3D. Został pierwotnie opracowany do szybkiego prototypowania i został wprowadzony w 1984 roku przez Charlesa Hulla, który jest uważany za wynalazcę metody stereolitografii opartej na krzepnących warstwach żywicy fotopolimerowej1. Postęp technologiczny w zakresie wirtualnego planowania operacji oraz planowania i drukowania implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta stale ewoluuje. Innowacje pojawiają się zarówno w dziedzinie oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), jak i w technologiach druku 3D2. Wraz z rozwojem technologii oprogramowanie i drukarki stają się coraz bardziej przyjazne dla użytkownika. Skraca to czas potrzebny na planowanie i drukowanie oraz daje chirurgowi możliwość planowania operacji i tworzenia własnych szablonów chirurgicznych i płytek mocujących dostosowanych do potrzeb pacjenta w dziedzinie, która była wyłącznie "placem zabaw" inżyniera. Rozwiązania te pozwalają również chirurgom i inżynierom na wprowadzanie nowych zastosowań i projektów implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta3,4,5.
Jednym z tych zastosowań jest planowanie 3D operacji ortognatycznych, a następnie planowanie 3D i drukowanie szablonów chirurgicznych oraz płytek mocujących specyficznych dla pacjenta. Historycznie operacje ortognatyczne były planowane przy użyciu artykulatorów. Łuk twarzowy służył do rejestrowania relacji górnej szczęki do stawu skroniowo-żuchwowego, ustawiając w ten sposób odlewy pacjenta w artykulatorze. Później wykonywano ruchy chirurgiczne na gipsach oraz przygotowywano wafel akrylowy, który miał pomóc w prawidłowym ustawieniu szczęk podczas operacji. Metoda ta była stosowana przez wiele lat i jest nadal stosowana przez większość, ale wykorzystanie tomografii komputerowej wiązki stożkowej (CT) wraz ze skanerami wewnątrzustnymi i oprogramowaniem CAD pozwoliło na dokładne planowanie, oszczędzając potrzebę łuków twarzowych lub odlewów i przechodząc do tworzenia cyfrowo planowanych płytek6. Metoda ta zmniejszyła niedokładność ręcznych manipulacji i pomiarów, ale nadal miała wady, w tym użycie niestabilnej dolnej szczęki jako punktu odniesienia do pozycjonowania górnej szczęki i brak kontroli nad pionowym ustawieniem górnej szczęki7. W ten sposób wprowadzono nową metodę. Metoda ta nazywana jest chirurgią "bezwaflową" i opiera się na anatomicznej repozycji szczęk przy użyciu chirurgicznych prowadnic tnących i specyficznych dla pacjenta tytanowych płytek mocujących8. Ta metoda rozwiązuje opisane wcześniej wady metody cyfrowej płytki. Opiszemy tę metodę, która pozwala chirurgowi na pełną swobodę w planowaniu tych operacji w sposób dostosowany do potrzeb pacjenta, z minimalnymi możliwymi błędami i niedokładnościami. Metoda ta pozwala na operację "bez wafla", co oznacza, że nie ma potrzeby używania przeciwstawnej szczęki jako punktu odniesienia do zmiany położenia kości, zmniejszając w ten sposób niedokładności wynikające z tej zależności9.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Zmiana położenia szczęk
UWAGA: Ta sekcja jest wykonywana za pomocą oprogramowania do obrazowania (np. Dolphin).
- Załaduj pliki DICOM obrazu tomografii komputerowej kości twarzy pacjenta (Rysunek 1A) do oprogramowania, wybierając przycisk 3D po lewej stronie i klikając Importuj nowy DICOM (Rysunek uzupełniający 1). Przejdź do trybu edycji 3D, klikając 3D | Edycja.
- Ustaw orientację obrazu 3D za pomocą przycisku orientacji po lewej stronie. Utwórz obraz panoramiczny za pomocą przycisku budowania promieni rentgenowskich po lewej stronie (rysunek uzupełniający 2).
- Przejdź do Narzędzia | Planowanie chirurgii ortognatycznej | Rozpocznij nową aplikację roboczą.
- Określ położenie segmentów na obrazie panoramicznym. Przytnij każdy segment tak, aby zawierał obszar odpowiadającej mu kości.
UWAGA: Etap czyszczenia jest przydatny, gdy dla dokładności zeskanowany łuk zębowy i tomografia komputerowa są nakładane w celu utworzenia płytki. Nie jest to wskazane w operacji "bezpłatkowej", jak to tutaj pokazano, a zatem na tym etapie można oczyścić niedoskonałości CT, jeśli takie istnieją. - Wybierz odpowiednią osteotomię dla pacjenta na lewej patelni pod osteotomią (taką jak LeFort I, rozszczepienie strzałkowe itp.). Zaznacz dokładne położenie linii osteotomii, przesuwając żółte kółka (rysunek uzupełniający 3).
UWAGA: Niezwykle ważne jest, aby zwrócić uwagę na wierzchołki korzeni zębów, ponieważ lokalizacja osteotomii, o której tutaj zadecydowano, będzie tą, która zostanie wykonana później na podstawie szablonów chirurgicznych. Zawsze unikaj korzeni i zachowuj odległość 5 mm. - Zaznacz różne punkty orientacyjne, klikając lewym przyciskiem myszy odpowiednią lokalizację dla każdego sugerowanego punktu orientacyjnego.
UWAGA: Jest to ważne dla celów pomiarowych i ruchowych w kolejnych etapach. - Wykonuj ruchy segmentów kości. Przeciągnij kość w odpowiednie miejsce lub, aby uzyskać dokładność, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz opcję Wprowadzanie ruchów za pomocą klawiatury.
- Aby śledzić ruch kluczowych punktów orientacyjnych, naciśnij przycisk Opcje traktowania po lewej stronie i wybierz Pokaż tabele przesunięć punktów orientacyjnych i pomiarów.
UWAGA: W następnej zakładce można obserwować wirtualnie zaplanowaną operację przed i po (rysunek uzupełniający 4). - Wyeksportuj pliki stl z dwóch różnych pozycji segmentów kości, jednej w fazie przedoperacyjnej i jednej w fazie pooperacyjnej, za pomocą suwaka po lewej stronie i przycisku Eksportuj segmenty w stl po lewej stronie.
2. Przygotowanie płytek stabilizacyjnych i szablonów chirurgicznych dostosowanych do potrzeb pacjenta
UWAGA: Ta sekcja jest wykonywana za pomocą oprogramowania do projektowania 3D (np. Geomagic Freeform).
- Kliknij pozycję Plik | Importuj model (rysunek uzupełniający 5A), aby zaimportować pliki stl uzyskane z kroku 1.9, pokazujące pozycję górnej szczęki i środkowej części twarzy po osteotomii, ale przed zmianą pozycji w pozycji końcowej.
- Zacznij od zaplanowania specyficznych dla pacjenta płytek mocujących w końcowej pozycji górnej szczęki. Na palecie narzędzi po lewej stronie, w kategorii Płaszczyzny, wybierz opcję Utwórz płaszczyznę (Rysunek uzupełniający 6A). Tutaj zostanie wykonany wstępny projekt płyt. Ręcznie przesuń płaszczyznę równolegle do kości, w której zostanie umieszczona płytka.
- W kategorii Szkic (Rysunek uzupełniający 6B) wybierz kształt koła i utwórz okręgi o rozmiarze odpowiednim dla, które mają być używane później. Utwórz drugi okrąg wokół poprzedniego o średnicy o 3 mm, aby obrysować płytkę mocującą.
UWAGA: Rozmiar okręgów jest określany na podstawie zestawów mocujących stosowanych w każdym instytucie. Okręgi umieszcza się powyżej i poniżej planowanej osteotomii chirurgicznej (ustalonej już w punkcie 1). - Projektuj projekt od płaszczyzny do kości. W kategorii Krzywe (Rysunek uzupełniający 7) użyj narzędzia do szkicowania projektu i wybierz okręgi, które zostaną przeniesione z płaszczyzny do kości.
- Aby połączyć zewnętrzne okręgi w celu zaprojektowania zewnętrznej blachy granicznej, wybierz w kategorii Krzywe narzędzie do dzielenia i zdefiniuj część okręgu, która zostanie usunięta, aby umożliwić połączenie z sąsiednimi okręgami. Korzystając z opcji wyboru, wybierz zdefiniowaną część okręgu i usuń ją. W kategorii Krzywe użyj narzędzia do rysowania krzywej i połącz zewnętrzne okręgi, aby utworzyć ciągły zewnętrzny kształt płytki specyficznej dla pacjenta.
- Przed utworzeniem płytki mocującej zduplikuj górną szczękę, klikając prawym przyciskiem myszy i wybierając z listy obiektów opcję Duplikuj (Rysunek uzupełniający 7A). Pozwoli to na wykorzystanie narzędzia Boolean w kolejnych etapach do stworzenia płytki mocującej.
- W kategorii Glina detalu użyj narzędzia Płaskorzeźba z krzywą. W ten sposób tworzona jest objętość płyty mocującej w oparciu o wcześniej rzutowane krzywe. Wybierz krzywą kształtu zewnętrznego, a następnie umieść kursor w kształcie koła wewnątrz i na powierzchni ukształtowanej blachy (zwróć uwagę, że kursor powinien być umieszczony po stronie, która ma zostać wypukła). Na dole wybierz parametry funkcji, głównie opcję Odległość, która kontroluje grubość przyszłej płytki mocującej.
- Oddziel płytkę od górnej szczęki. Na tym etapie wykonywana jest opcja logiczna. Wybierz oryginalną górną szczękę, kliknij prawym przyciskiem myszy na liście obiektów i kliknij Boolean | Usuń z | Górna szczęka z płytką.
- Aby utworzyć otwory na, narysuj/zeskanuj je, a następnie użyj opcji logicznej lub użyj narzędzia SubD. W kategorii Powierzchnie SubD (Rysunek uzupełniający 8) użyj narzędzia do cięcia drutem SubD, aby utworzyć pręty prostopadłe do płyty w rozmiarze żądanych otworów, co jest wykonywane na podstawie okręgów utworzonych w kroku 2.3 rozpoczynających się od płaszczyzny prostopadłej.
- Następnie odejmij pręty od płytki za pomocą metody logicznej | Usuń z techniki.
UWAGA: Na tym etapie ostateczna płytka mocująca jest gotowa (rysunek uzupełniający 9). Do osteotomii należy zaplanować odpowiednie szablony chirurgiczne, aby płytki idealnie pasowały. - Aby utworzyć prowadnice, ustaw górną szczękę w jej pierwotnym położeniu, ale z otworami na zaznaczonymi w kości zgodnie z płytką mocującą utworzoną w końcowej pozycji szczęki (zwróć uwagę, że otwory w środkowej powierzchni nie zmieniają pozycji, ponieważ środkowa powierzchnia pozostaje w tej samej pozycji).
- Aby to zrobić, należy przesunąć szczękę z krzywiznami otworów używanych do końcowej płytki mocującej do pierwotnego położenia szczęki przed ruchem. W kategorii Wybierz/Przenieś glinę użyj opcji Zarejestruj elementy. wybierz Źródło (ruch górnej szczęki) i Cel (górna szczęka i środkowa część twarzy przed ruchem). Użyj dużej liczby stałych punktów na obu obiektach, aby zapewnić dokładność zmiany położenia.
- Na podstawie nowo umieszczonych otworów utwórz szablony chirurgiczne w podobny sposób, jak opisano dla płytek mocujących (kroki 2.3−2.10).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Aby zademonstrować kliniczne zastosowanie tej metody, przedstawiamy przypadek 23-letniej pacjentki. W młodszym wieku pacjentka cierpiała na przerost wyrostka stawowego w prawym kondyle, co doprowadziło do asymetrii obu szczęk. Rysunek 1A przedstawia retrognatyzm szczęki górnej oraz prognatyzm szczęki dolnej, wykazujące rozbieżności między szczękami. W widoku frontalnym można zaobserwować silną asymetrię, szczegółowo zaznaczoną żółtymi i czerwonymi liniami. Przy użyciu oprogramowania do obraz...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Planowanie i drukowanie 3D jest jedną z najszybciej rozwijających się metod w dziedzinie chirurgii. Jest to nie tylko obiecujące narzędzie na przyszłość, ale także praktyczne narzędzie stosowane obecnie w celu uzyskania bardzo dokładnych wyników chirurgicznych i rozwiązań dostosowanych do potrzeb pacjenta. Pozwala to na uzyskanie bardzo dokładnych wyników i zmniejsza zależność od doświadczenia chirurga10. Rozwiązuje wiele wad poprzednich staromodnych metod chirurgicznych, ale koszty opóźniają pełn...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Nie otrzymano żadnych funduszy na tę pracę.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Oprogramowanie do obrazowania delfinów | Dolphin Imaging Systems LLC (Patterson Dental Supply, Inc) | Analiza 3D i wirtualne planowanie operacji ortognatycznych | |
| Geomagic Freeform | 3D | Sculpted Engineering Design |
Bibliografia
- Hull, C. W. Apparatus for production of three-dmensonal objects by stereo thography. , Arcadia, CA. US4575330A (1986).
- Shilo, D., Emodi, O., Blanc, O., Noy, D., Rachmiel, A. Printing the Future-Updates in 3D Printing for Surgical Applications. Rambam Maimonides Medical Journal. 9 (3), 20(2018).
- Emodi, O., Shilo, D., Israel, Y., Rachmiel, A. Three-dimensional planning and printing of guides and templates for reconstruction of the mandibular ramus and condyle using autogenous costochondral grafts. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (1), 102-104 (2017).
- Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries. Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).
- Rachmiel, A., Shilo, D., Blanc, O., Emodi, O. Reconstruction of complex mandibular defects using integrated dental custom-made titanium implants. British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (4), 425-427 (2017).
- Lauren, M., McIntyre, F. A new computer-assisted method for design and fabrication of occlusal splints. American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics. 133 (4), 130-135 (2008).
- Song, K. -G., Baek, S. -H. Comparison of the accuracy of the three-dimensional virtual method and the conventional manual method for model surgery and intermediate wafer fabrication. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, and Oral Radiology. 107 (1), 13-21 (2009).
- Mazzoni, S., Bianchi, A., Schiariti, G., Badiali, G., Marchetti, C. Computer-aided design and computer-aided manufacturing cutting guides and customized titanium plates are useful in upper maxilla waferless repositioning. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 73 (4), 701-707 (2015).
- Hanafy, M., Akoush, Y., Abou-ElFetouh, A., Mounir, R. Precision of orthognathic digital plan transfer using patient-specific cutting guides and osteosynthesis versus mixed analogue-digitally planned surgery: a randomized controlled clinical trial. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 49 (1), 62-68 (2019).
- Tack, P., Victor, J., Gemmel, P., Annemans, L. 3D-printing techniques in a medical setting: a systematic literature review. Biomedical Engineering Online. 15 (1), 115(2016).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
