Summary
Au fur et à mesure que la technologie se développe et devient plus conviviale, la planification des opérations et des guides chirurgicaux spécifiques aux patients et des plaques de fixation devraient être effectuées par le chirurgien. Nous présentons un protocole pour la planification 3D des mouvements squelettiques orthognatiques et la planification et l’impression 3D des plaques de fixation patient-spécifiques et des guides chirurgicaux.
Abstract
Les progrès technologiques dans la planification chirurgicale et les implants spécifiques aux patients sont en constante évolution. On peut soit adopter la technologie pour obtenir de meilleurs résultats, même dans la main moins expérimentée, ou continuer sans elle. Au fur et à mesure que la technologie se développe et devient plus conviviale, nous croyons qu’il est temps de permettre au chirurgien d’avoir la possibilité de planifier ses opérations et de créer ses propres guides chirurgicaux et plaques de fixation spécifiques au patient lui permettant de contrôler pleinement le processus. Nous présentons ici un protocole pour la planification 3D de l’opération suivie de la planification 3D et l’impression des guides chirurgicaux et des implants de fixation spécifiques au patient. Au cours de ce processus, nous utilisons deux logiciels commerciaux de conception assistée par ordinateur (CAO). Nous utilisons également une imprimante de modélisation de dépôt fusionnée pour les guides chirurgicaux et une imprimante sélective de frittage laser pour les implants de fixation spécifiques au patient de titane. Le processus comprend l’acquisition d’imagerie par tomographie calculée (CT), la segmentation 3D du crâne et des os faciaux du CT, la planification 3D des opérations, la planification 3D de l’implant de fixation spécifique au patient en fonction de la position finale des os, la planification 3D des guides chirurgicaux pour effectuer une ostéotomie précise et la préparation de l’os pour les plaques de fixation, et l’impression 3D des guides chirurgicaux et les plaques de fixation spécifiques au patient. Les avantages de la méthode comprennent le contrôle total de la chirurgie, les ostéotomies et les plaques de fixation prévues, la réduction significative du prix, la réduction de la durée d’exploitation, des performances supérieures et des résultats très précis. Les limites comprennent la nécessité de maîtriser les programmes de CAO.
Introduction
L’impression 3D est une méthode additive basée sur le placement progressif de couches de différents matériaux, créant ainsi des objets 3D. Il a été développé à l’origine pour le prototypage rapide et a été introduit en 1984 par Charles Hull, qui est considéré comme l’inventeur de la méthode de stéréolithographie basée sur des couches solidifiantes de résine photopolymer1. Les progrès technologiques dans la planification virtuelle des chirurgies et la planification et l’impression d’implants spécifiques aux patients sont en constante évolution. Les innovations se produisent à la fois dans le domaine du logiciel de conception assistée par ordinateur (CAD) et dans les technologies d’impression 3D2. Simultanément aux développements technologiques, les logiciels et les imprimantes deviennent plus conviviaux. Cela réduit le temps nécessaire à la planification et à l’impression et permet au chirurgien de planifier ses opérations et de créer ses propres guides chirurgicaux spécifiques au patient et plaques de fixation dans un domaine qui était exclusivement le « terrain de jeu » d’un ingénieur. Ces développements permettent également aux chirurgiens et aux ingénieurs d’introduire de nouvelles applications et conceptions d’implants spécifiques au patient3,4,5.
L’une de ces applications est la planification 3D des chirurgies orthognathiques suivies de la planification et de l’impression 3D de guides chirurgicaux et de plaques de fixation spécifiques au patient. Historiquement, des chirurgies orthognathiques ont été planifiées à l’aide d’articulateurs. Un arc facial a été utilisé pour enregistrer la relation de la mâchoire supérieure à l’articulation temporomandibulaire positionnant ainsi les moulages du patient dans l’articulateur. Plus tard, les mouvements chirurgicaux ont été exécutés sur les plâtres et une plaquette acrylique a été préparée pour aider avec le positionnement approprié des mâchoires pendant la chirurgie. Cette méthode a été utilisée pendant de nombreuses années et est encore utilisée de nos jours par la plupart, mais l’utilisation de la tomographie calculée de faisceau de cône (CT) avec des scanners intra-oraux et un logiciel CAO a permis une planification précise, épargnant le besoin de facebows ou de moulages et se déplaçant vers la création de plaquettes numériquement planifiées6. Cette méthode a réduit l’inexactitude de la manipulation manuelle et des mesures, mais avait encore des défauts, y compris l’utilisation de la mâchoire inférieure instable comme point de référence pour le positionnement de la mâchoire supérieure et le manque de contrôle sur le positionnement vertical de la mâchoire supérieure7. Ainsi, une nouvelle méthode a été introduite. Cette méthode est appelée la chirurgie "sans gaufrettes" et est basée sur le repositionnement des mâchoires anatomiquement à l’aide de guides de coupe chirurgicale et de fixation patient-spécifique plaques de titane8. Cette méthode résout les inconvénients de la méthode de plaquette numérique décrite précédemment. Nous allons décrire cette méthode, qui permet au chirurgien une liberté complète dans la planification de ces chirurgies d’une manière spécifique au patient, avec un minimum d’erreurs possibles et des inexactitudes. Cette méthode permet une chirurgie " sans gaufrettes ", ce qui signifie qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser la mâchoire opposée comme référence pour repositionner les os, diminuant ainsi les inexactitudes dérivées de cette dépendance9.
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Protocol
1. Repositionnement des mâchoires
REMARQUE : Cette section est effectuée à l’aide du logiciel d’imagerie (c.-à-d. Dolphin).
- Chargez les os du visage image CT fichiers DICOM du patient (figure 1A) dans le logiciel en sélectionnant le bouton 3D sur la gauche et en cliquant sur Import New DICOM (Figure supplémentaire 1). Entrez le mode d’édition 3D en cliquant sur la 3D . Modifier.
- Orientez l’image 3D à l’aide du bouton d’orientation sur la gauche. Créez une image panoramique à l’aide du bouton de construction de rayons X sur la gauche(figure supplémentaire 2).
- Aller à Tools (fr) Planification chirurgicale orthognatique (en anglais) Démarrer new Workup.
- Placez les segments dans l’image panoramique. Cultiver chaque segment pour contenir la superficie de l’os correspondant.
REMARQUE : L’étape de nettoyage est utile lorsque, pour plus de précision, une arche dentaire numérisée et une tomodensitométrie sont superposées pour créer une plaquette. Ceci n’est pas indiqué dans une chirurgie " sans gaufrettes " telle qu’elle est présentée ici et donc à ce stade on peut nettoyer les imperfections de la TO si elles existent. - Choisissez l’ostéotomie appropriée pour le patient sur la casserole gauche sous les ostéotomies (comme LeFort I, split sagittal, etc.). Marquez l’emplacement exact des lignes d’ostéotomie en déplaçant les cercles jaunes(figure supplémentaire 3).
REMARQUE: Il est extrêmement important de noter les sommets de racine des dents que l’emplacement de l’ostéotomie décidé ici sera celui effectué plus tard sur la base des guides chirurgicaux. Évitez toujours les racines et maintenez une distance de 5 mm. - Marquez différents points de repère en cliquant à gauche sur le bon emplacement pour chaque point de repère suggéré.
REMARQUE : Ceci est important pour les mesures et les objectifs de mouvement dans les étapes suivantes. - Effectuer des mouvements de segments d’os. Faites glisser l’os au bon endroit, ou pour la précision, cliquez à droite et choisissez les mouvements d’entrée à l’aide du clavier.
- Afin de suivre le mouvement des points de repère clés, appuyez sur Traiter options bouton sur la gauche et de choisir Show Landmark Offset et Les tables de mesure.
REMARQUE : Dans l’onglet suivant, l’opération pré et après pratiquement planifiée peut être observée(figure supplémentaire 4). - Exporter les fichiers de stl des deux positions différentes des segments d’os, l’un dans l’étape préopératoire et l’autre dans l’étape post-opératoire, en utilisant la barre de diapositives sur la gauche et les segments d’exportation en stl bouton sur la gauche.
2. Préparation de plaques de fixation spécifiques au patient et de guides chirurgicaux
REMARQUE : Cette section est effectuée à l’aide du logiciel de conception 3D (c.-à-d. Geomagic Freeform).
- Cliquez sur le fichier (en anglais) Modèle d’importation (figure supplémentaire 5A) pour importer les fichiers de stl obtenus à partir de l’étape 1.9 montrant la position de la mâchoire supérieure et du milieu suivant l’ostéotomie, mais avant le repositionnement en position finale.
- Commencez par planifier les plaques de fixation spécifiques au patient dans la position finale de la mâchoire supérieure. Dans la palette d’outils à gauche dans la catégorie Plans, sélectionnez Create Plane (figure supplémentaire 6A). Ici, la conception initiale des plaques sera effectuée. Déplacez manuellement l’avion parallèlement à l’os où la plaque sera placée.
- Dans la catégorie Croquis (figure supplémentaire 6B), choisissez une forme de cercle et créez des cercles avec une taille appropriée pour que les vis soient utilisées plus tard. Créez un deuxième cercle autour du précédent de 3 mm de plus de diamètre pour décrire la plaque de fixation.
REMARQUE : La taille des cercles est déterminée en fonction des ensembles de fixation utilisés dans chaque institut. Les cercles sont placés au-dessus et en dessous de l’ostéotomie chirurgicale prévue (déjà décidée à la section 1). - Projetez la conception de l’avion à l’os. Dans la catégorie Courbes(figure supplémentaire 7), utilisez l’outil de croquis du projet et choisissez les cercles qui seront transférés de l’avion à l’os.
- Pour relier les cercles extérieurs à la conception externe de la plaque de bordure, choisissez sous la catégorie Curves l’outil fractionné et définissez la partie du cercle qui sera enlevée pour permettre une connexion aux cercles adjacents. En utilisant l’option de sélection, choisissez la partie définie du cercle et supprimez-la. Dans la catégorie Curves, utilisez l’outil de courbe de tirage et connectez les cercles extérieurs pour créer une forme extérieure continue de la plaque spécifique au patient.
- Avant de créer la plaque de fixation, dupliquer la mâchoire supérieure en cliquant à droite et en sélectionnant le Duplicatum de la liste d’objets(figure supplémentaire 7A). Cela permettra l’utilisation de l’outil Boolean dans les prochaines étapes pour créer la plaque de fixation.
- Dans la catégorie Détail Clay, utilisez les gaufrages avec outil de courbe. Cela crée le volume de la plaque de fixation en fonction des courbes précédemment projetées. Choisissez la courbe de forme extérieure, puis placez le curseur en forme de cercle à l’intérieur et sur la surface de la plaque en forme (notez que le curseur doit être placé sur le côté pour être en relief). En bas, choisissez les paramètres de la fonction, principalement l’option Distance qui contrôle l’épaisseur de la future plaque de fixation.
- Séparer la plaque de la mâchoire supérieure. À ce stade, l’option Boolean est effectuée. Choisissez la mâchoire supérieure d’origine, cliquez à droite sur la liste des objets et cliquez sur Boolean . Supprimer de '' ' ' ' ' ' ' ' Mâchoire supérieure avec plaque.
- Pour créer les trous pour les vis, soit dessiner les vis / les scanner, puis utiliser l’option Boolean ou utiliser l’outil SubD. Dans la catégorie des surfaces sous-D (figure supplémentaire 8), utilisez l’outil SubD coupé en fil pour créer des tiges perpendiculaires à la plaque de la taille des trous désirés, qui est effectuée en fonction des cercles créés à l’étape 2.3 provenant du plan perpendiculaire.
- Ensuite, soustrayez les tiges de la plaque à l’aide du Boolean . Retirer de la technique.
REMARQUE : À ce stade, la plaque de fixation finale est prête(figure supplémentaire 9). Des guides chirurgicaux appropriés doivent être planifiés pour l’ostéotomie afin que les plaques s’adaptent parfaitement. - Pour créer les guides, repositionner la mâchoire supérieure à son emplacement d’origine, mais avec les trous de vis marqués dans l’os selon la plaque de fixation créée dans la position finale de la mâchoire (notez que les trous dans la surface médiane ne changent pas de position car le milieu reste dans la même position).
- Pour ce faire, repositionner la mâchoire avec les courbes pour les trous utilisés pour la plaque de fixation finale à l’emplacement d’origine de la mâchoire avant le mouvement. Dans la catégorie Select/Move Clay, utilisez l’option Pièces de registre. choisir la Source (mouvement du poteau de la mâchoire supérieure) et la cible (mâchoire supérieure et midface avant le mouvement). Utilisez un grand nombre de points fixes sur les deux objets pour la précision dans le repositionnement.
- Basé sur les trous nouvellement positionnés créer les guides chirurgicaux d’une manière similaire comme décrit pour les plaques de fixation (étapes 2.3-2.10).
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Representative Results
Pour observer l’utilisation clinique de la méthode, nous présentons un cas d’une femelle de 23 ans. Elle a souffert de l’hyperplasie condylar à un plus jeune âge dans la condyle droite ayant pour résultat l’asymétrie des deux mâchoires. La figure 1A montre la mâchoire supérieure rétrognathique et la mâchoire inférieure prognathique présentant les écarts entre les mâchoires. Dans la vue frontale, l’asymétrie sévère peut être observée comme détaillée à l’aide des lignes jaunes et rouges. À l’aide du logiciel d’imagerie(figure supplémentaire 1), un plan de traitement chirurgical a été exécuté(figure supplémentaire 2, figure supplémentaire 3et figure supplémentaire 4). Le plan chirurgical était basé sur l’analyse céphalométrique latérale. L’emplacement de l’ostéotomie osseuse prévue est important afin de préserver la dentition saine et aussi de permettre le placement approprié des vis de fixation dans l’os intact. Les fichiers 3D de stl ont été exportés du logiciel d’imagerie et importés au logiciel de conception 3D dans les configurations de mouvement osseuse pré- et post-planifiées(figure supplémentaire 5). La plaque de fixation spécifique au patient a été planifiée(figure supplémentaire 6, figure supplémentaire 7, figure supplémentaire 8, et figure supplémentaire 9) suivie de la planification du guide chirurgical(figure supplémentaire 10 et figure supplémentaire 11). La plaque de fixation a été prévue sur l’emplacement prévu postopératoire et le guide chirurgical sur l’état actuel du patient, basé sur l’ostéotomie prévue. Dans le patient présenté, une opération bimaxillaire a été exécutée. La mâchoire supérieure a été repositionnée dans la première étape suivant par repositionnement de la mâchoire inférieure selon l’occlusion dentaire finale. Une incision vestibulaire au-dessus de la ligne de mucogingival dans la mâchoire supérieure a été exécutée pour exposer l’os. Le plancher nasal a été élevé, les guides chirurgicaux ont été anatomiquement positionnés suivis de trous de forage dans l’os par les trous dans les guides (ces trous correspondraient plus tard à la plaque de fixation patient-spécifique après repositionnement de la mâchoire). Une ostéotomie au niveau LeFort I basée sur le guide chirurgical a été réalisée à l’aide d’une scie réciproque. Le septum, les parois latérales de la cavité nasale et la jonction ptéygomaxillaire ont été séparés à l’aide d’ostéotomes appropriés. La mâchoire supérieure a été mobilisée et repositionnée symétriquement à l’endroit approprié en fonction des trous dans la plaque de fixation spécifique au patient final qui correspondait aux trous précédemment percés dans la mâchoire supérieure et la face médiane (à l’aide des guides chirurgicaux). La plaque a été fixé à l’aide de vis en titane et la blessure chirurgicale a été suturée. Une ostéotomie de la mâchoire inférieure a ensuite été exécutée utilisant une ostéotomie fendue sagittale et repositionnée basée sur l’occlusion dentaire. Le résultat final est indiqué dans la figure 1B; noter la correction des écarts des mâchoires et de l’asymétrie sévère.
Figure 1 : Imagerie préopératoire et postopératoire d’un patient de 23 ans présentant l’asymétrie dans les os faciaux. (A) Imagerie pré-opération. Gauche : une image céphalométrique; Droite : une vue frontale de reconstruction 3D de CT montrant l’asymétrie sévère. (B) Imagerie postopératoire. Gauche : une image céphalométrique latérale; Droite : une image céphalométrique postérieure-antérieure montrant la correction parfaite de l’asymétrie. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 1 : Vue de l’espace de travail et du bouton 3D pour l’importation et l’édition en mode 3D. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 2 : Construire une image à rayons X. Lors de la planification d’un plan chirurgical, la construction d’une image panoramique à rayons X à partir de l’image CT est obligatoire. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 3 : Osteotomie dans le logiciel d’imagerie. Une ostéotomie Le-Fort I est observée séparant la mâchoire supérieure du milieu. L’emplacement de l’ostéotomie est crucial car il sera utilisé dans les prochaines étapes pour la construction de guides chirurgicaux et le positionnement des plaques de fixation. Évitez les racines dentaires. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 4 : Plan de traitement chirurgical dans le logiciel d’imagerie. La planification 3D avant et après l’opération peut être observée. Préopératoire est affiché sur la gauche et post-opératoire est affiché sur la droite. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 5 : Importation dans le logiciel de conception 3D. Les fichiers 3D ont été exportés à partir du logiciel d’imagerie et importés au logiciel de conception 3D. (A) Midface préopératoire, mâchoire supérieure et mâchoire inférieure. (B) Mâchoire supérieure postopératoire et mâchoire inférieure (remarquez que le milieu ne change pas son emplacement). S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 6 : Planification de la plaque de fixation. (A) Un plan parallèle est créé. (B) Les trous pour les vis et la forme extérieure de la plaque sont prévus sur le plan. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 7 : Construction de plaques de fixation. (A) Après la projection du plan et la finalisation de la forme extérieure de la plaque. (B) Création de l’épaisseur de la plaque. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 8 : Préparation du trou de plaque de fixation. (A) Utilisation de la fonction Boolean pour séparer la plaque de fixation. (B) Marquage des trous dans la plaque à l’aide de l’option SubD. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 9 : Plaque de fixation spécifique au patient finalisée. (A) La plaque finalisée. (B) La plaque sur l’os suivant le mouvement osseux prévu. Remarquez l’ajustement parfait. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 10 : Planification des guides chirurgicaux. La planification est effectuée à l’aide des trous prévus sur la mâchoire supérieure en position finale (pour recevoir un ajustement parfait avec les trous dans la plaque de fixation), mais après avoir déplacé la mâchoire à la position préopératoire, que les guides sont les premiers à être utilisés pendant l’opération pour la préparation de l’ostéotomie. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure supplémentaire 11 : Guides chirurgicaux finalisés. (A) Les guides chirurgicaux finalisés sur les os osseux préopératoires du visage. (B) Les guides chirurgicaux et les plaques de fixation finales. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
La planification et l’impression 3D est l’une des méthodes les plus en évolution dans le domaine chirurgical. Ce n’est pas seulement un outil prometteur pour l’avenir, mais un outil pratique utilisé aujourd’hui pour des résultats chirurgicaux très précis et des solutions spécifiques aux patients. Il permet des résultats très précis et réduit la dépendance à l’expérience du chirurgien10. Il résout beaucoup des inconvénients des méthodes chirurgicales anciennes précédentes de la mode, mais les coûts retardent la mise en œuvre complète de la méthode10. La planification et l’impression internes des guides chirurgicaux réduisent les coûts à une étendue négligeable et réduisent considérablement le coût de la plaque de fixation spécifique au patient. Dans ce rapport nous décrivons une méthode pour la planification 3D de la chirurgie orthognathic suivie par la planification 3D et l’impression des guides chirurgicaux et des plaques de fixation patient-spécifiques comme base pour le chirurgien d’effectuer l’ensemble du processus à l’interne. Ce protocole peut être utilisé pour toute chirurgie orthognatique, mettant en œuvre tous les avantages ci-dessus.
Ce protocole est basé sur deux logiciels CAO. Le premier est le logiciel d’imagerie, qui permet la segmentation et la planification chirurgicale, y compris l’emplacement de l’ostéotomie et les mouvements osseux. Le second est le logiciel de conception 3D, qui permet la planification des guides chirurgicaux et des implants de fixation spécifiques au patient.
Lors de l’utilisation du logiciel d’imagerie, il est crucial d’acquérir une image CT appropriée, de planifier correctement l’emplacement de l’ostéotomie, en évitant les dommages aux racines dentaires et de toujours garder à l’esprit où les futures plaques de fixation seront placées laissant ainsi assez de place pour les plaques et les vis prévues. Gardez à l’esprit les trous préparés dans les guides chirurgicaux doivent correspondre aux trous de la plaque de fixation finale. Assurez-vous d’exporter les étapes appropriées de la planification chirurgicale, la position de la mâchoire supérieure après l’ostéotomie, mais avant le mouvement, et un autre fichier de stl avec la position finale de la mâchoire supérieure.
Lors de l’utilisation du logiciel de conception 3D, il est important de planifier d’abord les plaques de fixation spécifiques au patient final. Après la préparation du trou pour les vis, la mâchoire supérieure avec les trous doit être repositionnée en fonction de l’emplacement avant le mouvement chirurgical pour la préparation du guide de coupe chirurgicale avec les trous dans la bonne position. Ainsi, l’ordre des étapes est crucial pour un positionnement précis et une bonne préparation des guides chirurgicaux. Rappelez-vous toujours que s’il y a un doute concernant les écarts dans la continuité osseuse due aux artefacts ou à la segmentation incorrecte d’os, il est préférable d’ajouter l’os dans la partie manquante parce qu’un léger espace entre la plaque de fixation et l’os dans une zone spécifique est préféré au lieu osseux interfère avec le placement de la plaque. Il est important de se rappeler que parfois la préparation orthodontique peut entraîner des carences osseuses et des racines dentaires exposées, de sorte qu’il ne faut pas supposer que cela est dû à des artefacts.
Cette méthode décrit les principes de base dans la planification chirurgicale des cas orthognathiques comprenant la planification des guides chirurgicaux et des plaques de fixation patient-spécifiques. Il résout les inexactitudes existantes dans les méthodes non calculées et semi-calculées précédentes telles que les plaquettes numériques et permet un contrôle total sur la dimension verticale qui n’a pas reçu une solution définitive dans ces méthodes. D’autres avantages de la méthode incluent le contrôle complet sur la chirurgie en effectuant un plan virtuel de l’opération, y compris les ostéotomies et plaques de fixation prévues, la réduction significative du prix (par rapport à l’externalisation de la planification), et la réduction de la durée d’exploitation. Les limites comprennent la nécessité de maîtriser les programmes cao canadiens et le prix des plaques de titane imprimées 3D qui est significativement plus élevée que l’utilisation de plaquettes et de plaques de titane stock. Les méthodes décrites ici, en particulier la planification des guides chirurgicaux et des plaques peuvent être modifiées à de nombreuses fins chirurgicales. Nous décrivons l’utilisation de cette méthode pour la planification chirurgicale de la résection osseuse et de la reconstruction dans les os faciaux. Cette méthode peut être utilisée pour innover dans le domaine de la planification chirurgicale et de la reconstruction3,5 et peut également être appliquée dans la recherche, par exemple dans la planification de conceptions sophistiquées d’échafaudages pour la régénération osseuse.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Aucun financement n’a été reçu pour ce travail.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dolphin imaging software | Dolphin Imaging Systems LLC (Patterson Dental Supply, Inc) | 3D analysis and virtual planning of orthognathic surgeries | |
| Geomagic Freeform | 3D systems | Sculpted Engineering Design |
References
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