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Medicine

使用患者特定植入物的 3D 规划和打印治疗面部畸形

doi: 10.3791/60930 Published: May 23, 2020
* These authors contributed equally

Summary

随着技术的发展和用户更加友好,手术和患者特定的手术指南和固定板应由外科医生进行。我们提出了矫形骨骼运动3D规划以及患者特定固定板和手术指南的3D规划和打印方案。

Abstract

外科规划和患者特定植入物的技术进步在不断演变。人们可以采用技术来获得更好的结果,即使在经验不足的手中,也可以在没有它的情况下继续。随着技术的发展和用户越来越友好,我们相信是时候让外科医生选择计划他或她的手术,并创建他/她自己的病人特定的手术指南和固定板,让他完全控制这个过程。我们在这里介绍了一个手术的3D规划协议,然后是手术指南和患者特定固定植入物的3D规划和打印。在此过程中,我们使用两个商用计算机辅助设计 (CAD) 软件。我们还使用用于手术指南的熔融沉积建模打印机和用于钛患者特定固定植入物的选择性激光烧结打印机。该过程包括计算机断层扫描 (CT) 成像采集、CT 的头骨和面部骨骼的 3D 分割、手术的 3D 规划、根据骨骼的最终位置对患者特定固定植入物进行 3D 规划、执行精确骨骼和准备固定板骨骼的 3D 规划,以及手术指南和患者特定固定板的 3D 打印。该方法的优点包括完全控制手术、计划骨切除术和固定板、大幅降价、缩短手术时间、卓越性能和高度准确的结果。限制包括需要掌握 CAD 程序。

Introduction

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3D 打印是基于不同材质的图层的逐步放置的增材方法,从而创建 3D 对象。它最初是为快速原型设计而开发的,由查尔斯·赫尔于1984年推出,他被认为是基于光聚合物树脂1凝固层的立体光刻方法的发明者。手术虚拟规划以及患者特定植入物的规划和打印的技术进步在不断发展。在计算机辅助设计 (CAD) 软件和 3D 打印技术2领域都出现了创新。随着技术的发展,软件和打印机变得更加用户友好。这缩短了规划和打印所需的时间,并允许外科医生选择规划他/她的手术,并在一个完全由工程师的"游乐场"的田地中创建他/她自己的患者专用手术指南和固定板。这些发展也使外科医生和工程师能够介绍病人专用植入物33、4、54,5的新应用和设计。

其中一个应用是矫形手术的 3D 规划,然后是手术指南和患者特定固定板的 3D 规划和打印。从历史上看,骨科手术是计划使用动脉科。脸弓用于记录上颚与节律关节的关系,从而将患者的石膏定位在关节上。后来,手术动作在石膏上进行,并准备使用丙烯酸晶圆,以帮助在手术过程中正确定位下颌。这种方法已经使用多年,现在仍然被大多数人使用,但锥形束计算断层扫描(CT)的利用,加上口腔内扫描仪和CAD软件,允许进行准确的规划,避免需要面弓或铸件,并朝着创建数字规划的晶圆6。这种方法减少了手动操作和测量的不准确,但仍有缺陷,包括使用不稳定的下颚作为定位上颚的参考点,以及对上颚7的垂直定位缺乏控制。因此,引入了一种新方法。这种方法被称为"无晶圆"手术,是基于在解剖学上重新定位下颌,使用手术切割指南和患者特定的固定钛板8。该方法解决了之前所述数字晶圆方法的缺点。我们将描述这种方法,它允许外科医生完全自由地以病人特有的方式规划这些手术,并且尽可能少出错和不准确。这种方法允许进行"无晶圆"手术,这意味着无需使用相反的下颌作为重新定位骨骼的参考,从而减少了这种依赖9所产生的不准确之处。

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Protocol

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1. 重定位钳口

注:本部分使用成像软件(即海豚)执行。

  1. 通过选择左侧的3D按钮并单击"导入新 DICOM"(补充图 1),将患者的面部骨骼 CT 图像 DICOM 文件(图 1A)加载到软件中。单击 3D 输入3D编辑模式 |编辑
  2. 使用左侧的方向按钮定向 3D 图像。使用左侧的生成 X 射线按钮创建全景图像(补充图 2)。
  3. 转到工具|骨科手术规划|启动新工作
  4. 在全景图像中定位段。裁剪每个段以包含相应骨骼的面积。
    注:清洁阶段非常有用,如果为了精确,扫描的牙拱和CT扫描叠加以创建晶圆。这里没有"无晶圆"的手术中没有说明这一点,因此在这个阶段,如果它们存在,就可以清除CT缺陷。
  5. 在骨质切除术下为左锅上的患者选择适当的骨切除术(如LeFort I、下垂分裂等)。通过移动黄色圆圈来标记骨质线的确切位置(补充图 3)。
    注:极为重要的是注意牙齿的根顶点,因为在这里决定的骨切除术的位置将是以后根据手术指南进行的位置。始终避开根部并保持 5 mm 距离。
  6. 通过左键单击每个建议地标的正确位置来标记不同的地标。
    注:这对下一阶段的测量和移动目的非常重要。
  7. 执行骨段的移动。向右单击并选择"使用键盘"的"输入移动",将骨骼拖动到正确的位置,或者为了准确。
  8. 为了跟踪关键地标的移动,按下左侧的"处理选项"按钮,然后选择"显示地标偏移和测量表"。
    注:在下一个选项卡中,可以观察到实际计划操作的预和后(补充图 4)。
  9. 使用左侧的滑动栏和左侧stl 按钮中的导出段,导出骨段两个不同位置的 stl 文件,一个在术前阶段,一个在术后阶段导出。

2. 准备患者特定的固定板和手术指南

注:本节使用 3D 设计软件(即 Geomagic 自由形式)执行。

  1. 单击"文件" |导入模型补充图 5A) 导入从步骤 1.9 获得的 stl 文件,显示上颚和中颌在骨切除术后的位置,但在重新定位到最终位置之前。
  2. 首先规划上颚最后位置的患者特定固定板。在"平面"类别左侧的工具调色板中,选择"创建平面"(补充图 6A)。在这里,将执行板的初始设计。手动将平面平行移动到放置板的骨骼上。
  3. Sketch类别(补充图 6B)下,选择圆形,并创建具有适合以后使用螺钉大小的圆。围绕直径为 3 mm 的前一个圆创建第二个圆,以勾勒出固定板的轮廓。
    注: 圆圈的大小根据每个研究所中使用的固定集确定。圆圈被放置在计划手术骨切除术的上方和下方(第1节已经确定)。
  4. 将设计从平面投影到骨骼。在"曲线"类别(补充图 7)下,使用项目草图工具,选择将从平面传输到骨骼的圆。
  5. 要连接外部边框板设计的外圆,请根据"曲线"类别选择分割工具,并定义将移除的圆部分以允许连接到相邻圆。使用选择选项,选择圆的已定义部分并将其删除。在"曲线"类别下,使用绘制曲线工具连接外圈以创建患者特定板的连续外层形状。
  6. 在创建固定板之前,请通过右键单击并选择对象列表中的"重复"(补充图 7A)来复制上颚。这将允许在下一阶段使用布尔工具创建固定板。
  7. "细节粘土"类别下,使用带曲线工具的浮雕。这将基于先前投影的曲线创建固定板的体积。选择外部形状曲线,然后将圆形光标放在形状板内部和表面上(请注意,光标应放置在要浮雕的侧面)。在底部,选择函数的参数,主要是控制未来固定板厚度的距离选项。
  8. 将板与上颚分开。在此阶段执行布尔选项。选择原始的上颚,从对象列表中右键单击,然后单击布尔 ||上爪与板
  9. 要为螺钉创建孔,请绘制螺钉/扫描螺钉,然后使用布尔选项或使用 SubD 工具。在SubD 曲面类别(补充图 8)下,使用线切割 SubD 工具创建垂直于所需孔大小的杆,该杆基于源自垂直平面的步进 2.3 中创建的圆执行。
  10. 接下来,使用布尔从技术中删除
    注:在此阶段,最终固定板已准备就绪(补充图 9)。需要为骨切除术规划适当的手术指南,以使手术板完美贴合。
  11. 要创建参考线,请根据钳口最后位置创建的固定板将上颚重新定位到其原始位置,但根据钳口最终位置创建的固定板在骨骼中标记螺钉孔(请注意,中表面的孔不会更改位置,因为中部保持相同位置)。
    1. 为此,使用用于最终固定板的孔的曲线将钳口重新定位到移动前钳口的原始位置。在"选择/移动粘土"类别中,使用"注册件"选项。选择(上颚后移动)和目标(上颚和中部在运动前)。在两个对象上使用大量固定点,以在重新定位时准确。
  12. 基于新定位的孔,以与固定板描述的类似方式创建手术导轨(步骤 2.3⁄2.10)。

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Representative Results

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为了观察该方法的临床使用,我们提出了一个23岁女性的病例。她患有收缩增生在年轻时在右孔导致两个下巴不对称。图1A显示了下颚的逆食性下颚和下颚,显示出下颚之间的差异。在前面视图中,使用黄色和红线可以详细观察到严重的不对称。使用成像软件(补充图1),执行了手术治疗计划(补充图2、补充图3补充图4)。手术计划基于横向头面测量分析。规划的骨质骨切除术的位置对于保持健康的牙龈和允许固定螺钉正确放置在完整骨骼中非常重要。3D stl 文件从成像软件导出,并在预和计划后骨运动设置中导入到 3D 设计软件(补充图 5)。计划了患者特定的固定板(补充图6、补充图7、补充图8补充图9),然后是手术指南规划(补充图10补充图11)。固定板是在术后计划地点和手术指南,病人的现状,基于计划的骨切除术。在呈现的患者中,进行了双颌手术。下颚在第一阶段被重新定位,下颚根据最后的牙闭塞重新定位。在上颚的粘结线上方进行了前庭切口,以露出骨骼。鼻底被抬高,手术导板在解剖学上定位,然后通过导板的孔在骨头上钻孔(这些孔在下颚重新定位后与患者特定的固定板相匹配)。根据手术指南在LeFort I水平进行骨切除术是使用对等锯进行的。鼻腔的隔膜、侧壁和骨质结用适当的骨质分离。上颚根据最终患者特异性固定板上的孔对称地进行调动和重新定位,这些孔与先前在上颚和中脸钻孔相匹配(使用手术指南)。板用钛螺丝固定,手术伤口被缝合。下颚的骨切除术随后使用下颌骨切除术进行,并根据牙齿闭塞重新定位。最终结果如图1B所示。注意纠正下颚的差异和严重的不对称。

Figure 1
图1:一名面部骨骼不对称的23岁病人的术前和术后成像。A) 手术前成像。左图:头角图像;右图:CT 的正面 3D 重建视图,显示严重不对称。(B) 术后成像。左图:横向头面图像;右图:前前前前前前头体图像,显示不对称的完美校正。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 1
补充图 1:工作区视图和 3D 按钮,用于在 3D 模式下导入和编辑。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 2
补充图 2:构建 X 射线图像。规划手术计划时,必须从 CT 图像构建全景 X 射线图像。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 3
补充图3:成像软件中的骨切除术。观察到左堡I骨切除术将上颚与中脸分开。骨切除术的位置至关重要,因为它将在接下来的阶段用于手术指南的构造和固定板定位。避免牙根。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 4
补充图4:成像软件中的手术治疗计划。可以观察到操作前和后 3D 规划。术前显示在左侧,术后显示在右侧。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 5
补充图5:导入3D设计软件3D stl 文件从成像软件导出并导入到 3D 设计软件。(A) 术前中脸、上颚和下颚。(B) 术后上颚和下颚(注意中脸不会改变其位置)。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 6
补充图 6:规划固定板。A) 创建平行平面。(B) 飞机的螺钉和板的外层形状都计划好了。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 7
补充图 7:固定板结构。A) 从平面投影并最终确定板的外层。(B) 创建板的厚度。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 8
补充图8:固定板孔制备。A) 使用布尔函数分离固定板。(B) 使用 SubD 选项标记板上的孔。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 9
补充图 9:最终确定患者特定固定板。A) 最终板。(B) 骨骼上的板遵循计划的骨骼运动。注意完美的贴合。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 10
补充图10:外科指南规划。规划使用计划位于最终位置的上颚上的孔进行(以与固定板上的孔完美配合),但在将钳口移到术前位置后,因为导板是骨质切除术准备手术期间首先使用的。请点击此处查看此图形的较大版本。

Supplemental Figure 11
补充图11:最终完成手术指南。A) 术前骨骨面部骨骼的定稿手术指南。(B) 手术指南和最终固定板。请点击此处查看此图形的较大版本。

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Discussion

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3D 规划和打印是外科领域发展最快的方法之一。它不仅是一个有前途的未来工具,而且是当今用于高精度手术结果和患者特定解决方案的实用工具。它允许高度准确的结果,并减少对外科医生经验的依赖10。它解决了以往旧式手术方法的许多弊端,但成本推迟了该方法10的全面实施。手术指南的内部规划和打印将成本降低到可忽略的广袤,并大大降低了患者特定固定板的成本。在本报告中,我们描述了一种矫形手术的3D规划方法,然后进行手术指南和患者特异性固定板的3D规划和打印,作为外科医生在内部执行整个过程的基础。此协议可用于任何矫形手术,实现上述所有优点。

该协议基于两个 CAD 软件。第一个是成像软件,它允许分割和手术规划,包括骨切除术的位置和骨质运动。第二个是3D设计软件,它允许规划手术指南和患者特定的固定植入物。

使用成像软件时,获得正确的CT图像、正确规划骨切除术位置、避免牙根损伤以及始终牢记将来的固定板放置位置,从而为计划的板和螺钉留出足够的空间至关重要。请记住,在手术导轨中准备的孔需要匹配最终固定板的孔。一定要导出手术计划的正确阶段,上颚在骨切除术后,但在运动之前的位置,和另一个stl文件与上颚的最终位置。

使用 3D 设计软件时,首先规划最终的患者特定固定板非常重要。在螺钉的孔准备之后,需要根据手术运动前的位置重新定位带孔的上颚,以便准备具有正确位置的孔的手术切割指南。因此,步骤的顺序对于准确定位和适当的手术引导准备至关重要。始终记住,如果对由于工件或骨骼分割不当而导致的骨骼连续性差异有疑问,最好在缺失部分添加骨骼,因为固定板和特定区域的骨骼之间的轻微空间优先于骨骼干扰板的位置。重要的是要记住,有时正畸准备可能导致骨质缺陷和暴露的牙齿根,所以人们不应该认为这是由于文物。

该方法描述了骨科手术规划的基本原则,包括手术指南和患者特异性固定板的规划。它解决了以前非计算和半计算方法(如数字晶圆)中存在的不准确之处,并允许完全控制在这些方法中未接收明确解决方案的垂直尺寸。该方法的其他优点包括通过执行手术的虚拟计划来完全控制手术,包括计划的骨质化和固定板,显著降低价格(与外包计划相比),以及缩短手术时间。限制包括需要掌握 CAD 程序以及 3D 打印钛板的价格,这明显高于使用晶圆和库存钛板。此处描述的方法,特别是手术指南和板的规划可以进一步修改为许多手术目的。我们描述了这种方法在面部骨骼的骨切除和重建的外科规划中的应用。该方法可用于手术规划和重建领域的创新33、5,5也可用于研究,例如用于骨骼再生复杂脚手架设计的规划。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

没有收到这项工作的资金。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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使用患者特定植入物的 3D 规划和打印治疗面部畸形
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Cite this Article

Shilo, D., Capucha, T., Goldstein, D., Bereznyak, Y., Emodi, O., Rachmiel, A. Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants. J. Vis. Exp. (159), e60930, doi:10.3791/60930 (2020).More

Shilo, D., Capucha, T., Goldstein, D., Bereznyak, Y., Emodi, O., Rachmiel, A. Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants. J. Vis. Exp. (159), e60930, doi:10.3791/60930 (2020).

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