Методическая статья

Проектирование CAD/CAM хирургические руководств для верхнечелюстной реконструкции с использованием собственного подхода

8.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58015

⸱

24 августа 2018 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Показаны методы для разработки компьютерного дизайн/автоматизированного производства (CAD/CAM) хирургическое руководство. Плоскостями резки отделяются, Юнайтед и утолщенные легко визуализировать передачи необходимых кости. Эти проекты могут быть трехмерной печатных и проверены на точность.

Аннотация

Автоматизированного проектирования/автоматизированного производства (CAD/CAM) в настоящее время проводится оценка как препаративный метод для челюстно-лицевой хирургии. Потому что этот метод является дорогостоящим и доступен в только в ограниченных районах мира, мы разработали Роман CAD/CAM хирургическое руководство, с помощью собственного подхода. С помощью программного обеспечения CAD, определяются области верхнечелюстной резекции и плоскостями резки и малоберцовой режущих плоскостей и углы. Однажды решил области резекции, необходимые лица извлекаются с помощью модификатора типа Boolean. Эти поверхностные лица Организации соответствовать поверхности костей и утолщенные стабилизировать твердых тел. Не только резки справочники для малоберцовой кости и челюсти, но также расположение расположение сегментов передаваемых кости определяется утолщение поверхностно лица. Дизайн CAD записывается как .stl файлы и трехмерно (3-D) напечатаны как фактические хирургические гидов. Для проверки точности направляющих, производится модель хирургии с использованием печатных 3 объемным лица и малоберцовой моделей. Эти методы могут использоваться для оказания помощи хирургов, где коммерческие руководства не доступны.

Введение

Использование методов CAD/CAM имеет недавно увеличение в стоматологических и работы протеза. После этой эволюции CAD/CAM osteocutaneous лоскут передачи с помощью CAD/CAM используются сейчас в области нижней челюсти реконструкции после онкологических широкий резекции злокачественных опухолей1,2,3. Несколько компаний в западных странах начали поставлять и продавать CAD/CAM стрижки для региона Нижняя челюсть. CAD/CAM, реконструкция нижней челюсти, как считается, имеют преимущество с точки зрения точности4,5,6,,78,9,10 ,11. Однако недостатком является, что этот метод доступен в ограниченных районах во всем мире, и это очень дорого12. Таким образом реконструкция CAD/CAM для верхнечелюстной поражений не еще не стала популярной. Количество случаев верхнечелюстной реконструкции ниже, чем для нижней челюсти, и коммерческие руководства не являются общими.

Поскольку коммерческие верхнечелюстной CAD/CAM гиды не продаются в Японии, мы разработали хирургические гиды CAD/CAM с использованием собственного подхода. Клиническая эффективность руководства CAD/CAM уже сообщалось13,14,,1516,,1718,19, но без доклад о том, как их дизайн. Цель настоящего доклада заключается в том, чтобы показать метод проектирования CAD/CAM, с использованием собственного подхода лоу кост.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Это исследование был одобрен авторов институциональных Наблюдательный Совет, и формы письменного согласия были завершены всеми пациентами.

1. Подготовка материалов

  1. Используете персональный компьютер, вычисляемые данные томография (КТ) костей лица и малоберцовой кости, конверсии программного обеспечения таких как InVesalius20и трехмерной (3-D) CAD программное обеспечение (например, блендер21).
    Примечание: Максимальная толщина 1 мм срезов КТ данных рекомендуется для точных дизайн. Для фактической хирургические моделирования используйте данные КТ пациента. Для проведения исследований использования свободного человека 3-D данных22.
  2. Используйте 3-D принтер23, винты, листового металла и небольшой пилой, чтобы проверить не только дизайн, но также реальных объектов и результаты.
    Примечание: Настоящее исследование является экспериментальной. Металлические пластины, винты и небольшой увидел может использоваться для модели хирургии. Вместо металлических пластин пластик фиксации пластины могут быть напечатаны также, 3-D принтер, вместе с хирургической гидов.
  3. Передача изображений данные костей лица и малоберцовой кости в 3-D данных (.stl формат) с помощью InVesalius20.
    Примечание: По существу CT данные записываются в виде двухмерных изображений (2-D). Таким образом перед использованием 3-D данных, необходимо преобразовать данные в 3-D данных. Свободное программное обеспечение является достаточным для этой цели. Этот доклад не объяснить, как для передачи данных в 3-D файл; учебные видео и руководства доступны в других местах.
  4. Импортируйте каждый файл .stl в блендере21.
    Примечание: CAD программное обеспечение обычно принимает 3-D формате .stl стиль. На первый, верхнечелюстной и малоберцовой .stl файлы должны открываться в конкретного программного обеспечения CAD, импортировав их.

2. Дизайн

  1. Решения в области удаления кости и застывающих дефекта кости
    1. Решите на площади вырезана.
      Примечание: В этом экспериментальное моделирование хирургии, любой частью верхней челюсти можно задать как подакцизным области. Потому что трудно реконструкции после всего maxillectomy, только небольшая часть верхней челюсти будет выбор для начинающих. В клинических условиях, Оториноларингологи (ЛОР) определит области согласно раковая региона.
    2. Сделать большой самолет и поместите его на границе области для удаления в режиме объект (цифры 1a и 1b). Следовать, что размещая второй самолет (цифры 1b-1 d) и продолжать делать это до тех пор, пока самолеты окружают вся область для удаления. Объединение этих самолетов в режиме объектов.
    3. Выберите вершины всех этих самолетов и соединить их друг с другом, делая краев и граней (eрис. 1) в режим редактирования, чтобы окружить области для удаления.
      Примечание: Иссечение самолеты следует скопировать и поддерживается потому, что эти оригинальные самолеты используются и при укреплении иссечение. В настоящем исследовании рекомендуется выполнять копирование каждой плоскости и твердых каждый раз для того, чтобы обеспечить возможность их повторного использования.
    4. Вычтите резектабельными твердых от лицевой кости с помощью модификатора типа Boolean в режиме редактирования. Это приводит в бритые лица кости (рис. 1f), который представляет собой модель верхнечелюстной дефекта.
  2. Размещение малоберцовой кости
    1. Поместите малоберцовой кости в области верхнечелюстной дефекта(рис. 2). Место малых кубов в двух точках (дистальной от малоберцовой головы и 5 см проксимальной от латеральной 8 см) в малоберцовой кости как маркеры (фиолетовый, маленьких кубиков, показаны на рисунке 2).
      Примечание: В клинических ситуациях, малоберцовой кости может использоваться между дистальной от головки малоберцовой 8 и 5 см проксимальной от латеральной. Эта маркировка, мы можем легко понять районы, которые могут быть использованы.
    2. Связать кубиками малоберцовой кости как родитель в режиме объектов.
    3. Место кубиками как маркеры в нескольких точках в верхнечелюстной поражения, где необходима реконструкция. С этой маркировки, увеличивается видимость точек необходимые репродукции.
    4. Соответствовать Малоберцовая кость в передней маржа альвеолярной кости в режиме объект, если малоберцовой кости помещается от средней линии.
    5. Используйте предыдущие плоскости верхнечелюстной остеотомия средней линии как первый самолет малоберцовой остеотомия (рис. 2b).
    6. Место нового самолета остеотомия, где это уместно в режиме объектов (рис. 2c). Связать этот новый самолет малоберцовой кости как родитель параметр.
      Примечание: Установив родительский малоберцовой кости, относительной ориентации между этой новой плоскости остеотомия и малоберцовой кости всегда сохраняется даже если малоберцовой кости перемещаются в разные места. Площадь малоберцовой кости, который окружен эти два резки плоскости становится первый малоберцовой блок.
    7. Скопируйте малоберцовой кости и двух плоскостей остеотомии как родитель в режиме объектов. Переместите этот скопированный малоберцовой кости, которая имеет области первый блок с двумя плоскостями резки на обоих концах, чтобы вторая область, где необходима реконструкция (Рисунок 2e) для планирования второй блок малоберцовой кости.
    8. Разместите второй секущей плоскости, добавив новый самолет в режиме объектов.
      Примечание: Первый и второй секущей плоскости станет завершением второго блока малоберцовой кости. При необходимости третий блок, добавляются аналогичные процедуры. Соответствующей длины разрывов между смежными малоберцовой блоков должна быть сохранена.
      Примечание: Разрыв между первой и второй блок считается ключом к удобной остеотомии. Если этот разрыв является широкий, остеотомия будет легко из-за широкого рабочее пространство, но сосудистой длина несколько впустую. Напротив если разрыв является узким, остеотомия становится хлопотно, но второй или третий блок могут быть разработаны путем устранения отходов неиспользуемые кости.
  3. Проектирование малоберцовой направляющие
    1. Визуализировать только малоберцовой кости и плоскостями резки для проектирования малоберцовой кости стрижки в режиме объектов (рис. 3).
    2. Сделайте каждый секущей плоскости меньше занимать только половину области раздела резки малоберцовой кости, передвигая вершины по краям (цифры 3b-3d) в режиме редактирования.
      Примечание: Установку сторона стрижки является боковой аспект малоберцовой кости. Потому что кормления сосуды расположены в медиальной аспекте, руководство не предназначено в медиальной аспекте.
    3. Объединение двух плоскостей концы для построения прочной в режиме объектов (цифры 4a-4e). Выберите вершины всех этих самолетов и соединить их друг с другом, делая краев и граней в режиме редактирования в форме прямоугольной твердых.
    4. Вычтите малоберцовой кости от этого прямоугольные твердые с помощью модификатора логическое (цифры 5a-5 c).
      Примечание: На поверхности этой вычитания полностью соответствует малоберцовой боковой аспект. Те же процедуры повторяются в каждом необходимых малоберцовой блоке.
    5. Объединить каждого вычитается тела в режиме объектов.
    6. Место куб возле вычитается твердых частиц (рис. 5d). Выдавливание лица сделать колонны (цифры 5e-5 g). Объединить эти столпы вычитается тел. Это руководство малоберцовой резки (рисунки 5 h-5j).
  4. Остеотомия стрижки для верхней челюсти
    Примечание: Чтобы вырезать верхней челюсти, он нет необходимости разработать руководство для каждой режущей поверхности, потому что только ограниченные участки должны быть восстановлены с помощью малоберцовой кости. Как правило две направляющие, которые охватывают медиальной альвеол и боковых скуловой области, предназначены.
    1. Подготовьте верхнечелюстной и скуловой самолетов, были первоначально остальная поверхность после удаления верхнечелюстной. Маржа 1 см в ширину —достаточно (рисунок 6).
    2. Выдавливания граней, подготовленную на этапе 2.4.1 сгущаться плоскости и закрепить их в режиме редактирования, с помощью модификатора окаменения (Рисунок 6b).
    3. Удаление утолщенные твердых над резекции самолетов, которые были решены в шаге 2.1, на обоих концах; Это, как верхнечелюстной направляющие предназначены.
      Примечание: Если неровные поверхности фитинга, меньшую площадь установки является достаточным. Если поверхность установку склонны быть плоской, большой площади необходимо избежать любого проскальзывания руководства.
  5. Фиксация руководство для малоберцовой сегментов
    Примечание: Малоберцовой сегменты, которые должны быть переданы верхней челюсти считаются точным в размер и длину, но расположение передачи могут отклоняться свободно если фиксация руководство не используется. В этом сегменте снова используются малоберцовой кости и каждый секущей плоскости (как в шаге 2.2).
    1. Постройте каждый малоберцовой блок в Boolean модификатор, принимая вне области пересечения между малоберцовой кости и твердых с плоскостями резки на обоих концах (цифры 7a и 7b) в режиме редактирования.
    2. Экстракт половина поверхности поверхностных каждого малоберцовой блока.
    3. Объединить все эти поверхности в режиме объектов (рис. 7c).
    4. Удаление небольших граней в режиме редактирования с помощью ножа вырезать ( рис. 8) для обеспечения пространства для установки металлических пластин.
    5. Сгущаться поверхности с помощью модификатора застывающих в режиме редактирования (цифры 8b-8e).
      Примечание: Минимум 2-3 мм толщины необходимо стабилизировать фиксации руководства и избежать деформации. Если крыло разработан на обоих концах, это поможет руководство по верхней челюсти без использования каких-либо металлических пластин.

3. 3-D печати для модели хирургии и реального руководства

Примечание: Основная цель настоящего доклада заключается в Показать метод проектирования хирургические руководства; описанной ниже процедуры не является необходимым, если 3-D печати не требуется.

  1. Экспортируйте проекты руководств в формате .stl, который может быть напечатан 3-D.
  2. Печатайте все направляющие и кости.
    Примечание: В печати, плоты, считаются беспокоить гладкой поверхности печати и привести к неровные поверхности и бедных подходят к кости, поэтому вверх необходимо указать на плоскости, которая должна быть гладкой.
  3. Выполните операцию модели следующим образом:
    1. Похож на фактический хирургии, подходят верхнечелюстной резки руководство по модели костей лица сначала (Рисунок 9). Затем вырежьте костей лица наряду с секущей плоскости с помощью пилы.
    2. Прикрепите малоберцовой стрижки в модель малоберцовой кости и разрезать его на куски (Рисунок 9b). Прикрепите малоберцовой блоков к руководству фиксации (цифры 9 c и 9 d).
    3. Исправьте это руководство фиксации комплекс верхнечелюстной дефекта, используя болты и пластины (рис. 9e). После фиксации малоберцовой сегменты для верхней челюсти в области, где руководство фиксации не прикрепить с помощью винтов и плиты, удалите руководство фиксации. На этом завершается реконструкция (fрис. 9).
  4. Сканировать изображение реконструированы 3 объемным и записать его в .stl формате с использованием 3-D сканера24.
  5. Сравните файл .stl после модели хирургии и реконструирован САПР (рис. 10) с помощью программного обеспечения сравнение25.
    Примечание: Сравнивая виртуальная реконструкция дизайн и руководствоваться реконструкции модель, рассчитывается фактическая точность. Поскольку точность CAD/CAM, полученный в течение 2,5 мм отклонения в нижнечелюстного реконструкция10, аналогичные точности должны в этом методе. Если не удается получить необходимую точность, повторить виртуальный дизайн.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

С помощью процедуры, представленные здесь, резекция области было определено сначала. С помощью программного обеспечения CAD, резекция области был полностью ограничивается лица. Эта область была вычитается из костей лица логической операции. Фибула образ был сделан на дефект, и малоберцовой резки лица были помещены в соответствующие точки реконструирован. Все малоберцовой резки лица были связаны с малоберцовой кости в родительский параметр. Эти лица были сделаны меньше и были объединены дл...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

CAD/CAM реконструкции считается внести вклад в достижение остеотомия точная длина, ширина, и угол резки костей при использовании резки руководства4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего объявить.

Благодарности

Эта работа частично поддерживается JSP-страницы KAKENHI Грант номер JP17K11914.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Центр информационных технологий, Ренато Арчер, Кампинас, БразилияInVesalius Бесплатноепрограммное обеспечение https://www.cti.gov.br/en/invesalius
The Blender Foundation, Амстердам, НидерландыBlender Бесплатноепрограммное обеспечение https://www.blender.org/
TurboSquid, Inc. 935 Gravier St., Suite 1600, Новый Орлеан, Лос-Анджелес.Бесплатный файл 3D-скелетаFree3D https://free3d.com/3d-models/human
MakerBot Industries, LLC One MetroTech Center, 21st Fl, Brooklyn, NY.Веб-сайт для обмена видео MakerBot Replicator+https://www.makerbot.com/replicator/
YouTube (Google, Inc.), 901 Cherry Ave. Сан-Бруно, Калифорния.
Artec 3D, 2, rue Jean Engling, ЛюксембургArtec Eva Litehttps://www.artec3d.com/portable-3d-scanners/artec-eva-lite
CloudCompareCloudComparehttp://www.danielgm.net/cc/
https://www.youtube.com/results?search_query=invesalius+dicom+to+stl

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

STL3D

Похожие статьи