Summary
Man mano che la tecnologia si sviluppa e diventa più user-friendly, la pianificazione delle operazioni e delle guide chirurgiche specifiche del paziente e delle targhe di fissaggio deve essere eseguita dal chirurgo. Presentiamo un protocollo per la pianificazione 3D dei movimenti scheletrici ortognatici e la pianificazione e la stampa 3D di lastre di fissaggio specifiche del paziente e guide chirurgiche.
Abstract
I progressi tecnologici nella pianificazione chirurgica e gli impianti specifici del paziente sono in continua evoluzione. Si può adottare la tecnologia per ottenere risultati migliori, anche nella mano meno esperta, o continuare senza di essa. Man mano che la tecnologia si sviluppa e diventa più user-friendly, crediamo che sia il momento di consentire al chirurgo la possibilità di pianificare le sue operazioni e creare le proprie guide chirurgiche specifiche del paziente e targhe di fissaggio che gli consentono il pieno controllo sul processo. Vi presentiamo qui un protocollo per la pianificazione 3D dell'operazione seguito dalla pianificazione 3D e dalla stampa di guide chirurgiche e impianti di fissaggio specifici per il paziente. Durante questo processo utilizziamo due software CAD (Computer-Assisted Design) commerciali. Utilizziamo anche una stampante di modellazione a deposizione fusa per le guide chirurgiche e una stampante di sinterizzazione laser selettiva per gli impianti di fissaggio specifici del paziente in titanio. Il processo include l'acquisizione di immagini di tomografia computerizzata (TC), la segmentazione 3D del cranio e delle ossa facciali dalla TC, la pianificazione 3D delle operazioni, la pianificazione 3D dell'impianto di fissazione specifico del paziente in base alla posizione finale delle ossa, la pianificazione 3D delle guide chirurgiche per l'esecuzione di un'osteotomia accurata e la preparazione dell'osso per le targhe di fissaggio e la stampa 3D delle guide chirurgiche e delle piastre di fissaggio specifiche del paziente. I vantaggi del metodo includono il pieno controllo sulla chirurgia, osteotomie pianificate e piastre di fissaggio, riduzione significativa del prezzo, riduzione della durata dell'operazione, prestazioni superiori e risultati altamente accurati. Le limitazioni includono la necessità di padroneggiare i programmi CAD.
Introduction
La stampa 3D è un metodo additivo basato sul posizionamento graduale di strati da materiali diversi, creando così oggetti 3D. È stato originariamente sviluppato per la prototipazione rapida ed è stato introdotto nel 1984 da Charles Hull, che è considerato l'inventore del metodo stereolitografia basato su strati solidificanti di resina fotopolimera1. I progressi tecnologici nella pianificazione virtuale degli interventi chirurgici e nella pianificazione e stampa di impianti specifici per il paziente sono in continua evoluzione. Le innovazioni nascono sia nel campo del software CAD (Computer Assisted Design) sia nelle tecnologie di stampa 3D2. Simultanei agli sviluppi tecnologici, il software e le stampanti diventano più facili da usare. Questo riduce il tempo necessario per la pianificazione e la stampa e permette al chirurgo la possibilità di pianificare le proprie operazioni e creare le proprie guide chirurgiche specifiche del paziente e targhe di fissaggio in un campo che era esclusivamente "parco giochi" di un ingegnere. Questi sviluppi consentono anche a chirurghi e ingegneri di introdurre nuove applicazioni e disegni di impianti specifici per il paziente3,4,5.
Una di queste applicazioni è la pianificazione 3D di interventi chirurgici ortognatici seguita dalla pianificazione 3D e dalla stampa di guide chirurgiche e piastre di fissaggio specifiche per il paziente. Storicamente, gli interventi chirurgici ortognatici sono stati pianificati utilizzando articolatori. Un balestra è stato utilizzato per registrare la relazione della mascella superiore all'articolazione temporomanzale posizionando così i calchi del paziente nell'articolatore. Più tardi, i movimenti chirurgici sono stati eseguiti sui calchi e un wafer acrilico è stato preparato per aiutare con il corretto posizionamento delle mascelle durante l'intervento chirurgico. Questo metodo è stato utilizzato per molti anni ed è ancora utilizzato dalla maggior parte, ma l'utilizzo della tomografia computerizzata del fascio di cono (CT) insieme a scanner intra orali e software CAD ha permesso una pianificazione accurata, risparmiando la necessità di facciali o calchi e muovendosi verso la creazione di wafer pianificati digitalmente6. Questo metodo ha ridotto l'imprecisione della manipolazione manuale e delle misurazioni, ma aveva ancora difetti tra cui l'utilizzo della mandibola instabile come punto di riferimento per il posizionamento della mascella superiore e la mancanza di controllo sul posizionamento verticale della mascella superiore7. Così, è stato introdotto un nuovo metodo. Questo metodo è chiamato la chirurgia "senza wafer" e si basa sul riposizionamento delle mascelle anatomicamente utilizzando guide di taglio chirurgiche e piastre di titanio di fissaggio specifiche del paziente8. Questo metodo risolve gli svantaggi del metodo del wafer digitale descritto in precedenza. Descriveremo questo metodo, che consente al chirurgo completa la libertà di pianificazione di questi interventi chirurgici in modo specifico per il paziente, con minimi possibili errori e imprecisioni. Questo metodo consente un intervento chirurgico "senza wafer", il che significa che non è necessario utilizzare la mandibola opposta come riferimento per riposizionare le ossa, diminuendo così le imprecisioni derivate da questa dipendenza9.
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Protocol
1. Riposizionamento delle ganasce
NOTA: questa sezione viene eseguita utilizzando il software di imaging (ad esempio, Dolphin).
- Caricare i file DICOM dell'immagine CT delle ossa facciali del paziente (Figura 1A) nel software selezionando il pulsante 3D a sinistra e facendo clic su Importa nuovo DICOM ( Figurasupplementare 1). Accedere alla modalità di modifica 3D facendo clic su 3D Modifica.
- Orientare l'immagine 3D utilizzando il pulsante di orientamento a sinistra. Creare un'immagine panoramica utilizzando il pulsante Crea raggi X a sinistra (Figura supplementare 2).
- Andare a Strumenti . Pianificazione Chirurgica Ortognatica Avvia nuovo lavoro.
- Posizionare i segmenti nell'immagine panoramica. Ritagliare ogni segmento per contenere l'area dell'osso corrispondente.
NOTA: La fase di pulizia è utile quando, per la precisione, un arco dentale scansionato e una TAC sono sovrapposti per creare un wafer. Questo non è indicato in un intervento chirurgico "senza wafer" come presentato qui e quindi in questa fase si possono pulire le imperfezioni TC se esistono. - Scegliere l'osteotomia appropriata per il paziente sulla padella sinistra sotto osteotomie (come LeFort I, sagittale split, ecc.). Contrassegnare la posizione esatta delle linee di osteotomia spostando i cerchi gialli (Figura supplementare 3).
NOTA: È estremamente importante notare gli apici alla radice dei denti come la posizione dell'osteotomia decisa qui sarà quella eseguita in seguito in base alle guide chirurgiche. Evitare sempre le radici e mantenere una distanza di 5 mm. - Contrassegnare diversi punti di riferimento facendo clic con il pulsante sinistro del mouse sulla posizione corretta per ogni punto di riferimento suggerito.
NOTA: Questo è importante per le misurazioni e scopi di movimento nelle fasi successive. - Eseguire movimenti di segmenti ossei. Trascinare l'osso nella posizione corretta oppure, per la precisione, fare clic con il pulsante destro del mouse e scegliere Movimenti di input tramite tastiera.
- Per tenere traccia del movimento dei punti di riferimento chiave, premere il pulsante Opzioni di trattamento a sinistra e scegliere Mostra tabelle di scostamento punto di riferimento e misurazione.
NOTA: Nella scheda successiva è possibile osservare l'operazione pre e post virtualmente pianificata (Figura supplementare 4). - Esportare i file stl delle due diverse posizioni dei segmenti ossei, uno nella fase pre-operatoria e uno nella fase postoperatoria, utilizzando la barra di scorrimento a sinistra e il pulsante Esporta segmenti in stl a sinistra.
2. Preparazione di targhe di fissaggio specifiche del paziente e guide chirurgiche
NOTA: questa sezione viene eseguita utilizzando il software di progettazione 3D (ad esempio Geomagic Freeform).
- Fare clic su File . Importa modello (Figura supplementare 5A) per importare i file stl ottenuti dal passaggio 1.9 che mostrano la posizione della mascella superiore e del midface dopo l'osteotomia ma prima del riposizionamento nella posizione finale.
- Iniziare con la pianificazione delle piastre di fissaggio specifiche del paziente nella posizione finale della mascella superiore. Nella tavolozza degli strumenti a sinistra sotto la categoria Piani, selezionare Crea piano (Figura supplementare 6A). Qui verrà eseguita la progettazione iniziale delle piastre. Spostare manualmente il piano parallelamente all'osso in cui verrà posizionata la piastra.
- Nella categoria Schizzo (Figura supplementare 6B), scegliere una forma circolare e creare cerchi con una dimensione appropriata per le viti da utilizzare in un secondo momento. Create un secondo cerchio attorno al precedente di 3 mm di diametro più grande per delineare la piastra di fissaggio.
NOTA: la dimensione dei cerchi viene determinata in base ai set di fissaggio utilizzati in ogni istituto. I cerchi sono posizionati sopra e sotto l'osteotomia chirurgica prevista (decisa già nella sezione 1). - Proiettare il progetto dal piano all'osso. Nella categoria Curve (Figura supplementare 7), utilizzare lo strumento di schizzo del progetto e scegliere i cerchi che verranno trasferiti dal piano all'osso.
- Per collegare i cerchi esterni per il disegno della piastra del bordo esterno, scegliere nella categoria Curve lo strumento di divisione e definire la parte del cerchio che verrà rimossa per consentire una connessione ai cerchi adiacenti. Utilizzando l'opzione di selezione, scegliere la parte definita del cerchio ed eliminarla. Nella categoria Curve, utilizzare lo strumento Disegna curva e collegare i cerchi esterni per creare una forma esterna continua della piastra specifica del paziente.
- Prima di creare la piastra di fissaggio, duplicare la mandibola superiore facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando Duplica dall'elenco oggetti (Figura supplementare 7A). Ciò consentirà l'uso dello strumento booleano nelle fasi successive per creare la piastra di fissaggio.
- Nella categoria Argilla di dettaglio, utilizzare lo strumento rilievo con curva. In questo modo viene creato il volume della piastra di fissaggio in base alle curve precedentemente proiettate. Scegliere la curva di forma esterna, quindi posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno e sulla superficie della piastra sagomata (si noti che il cursore deve essere posizionato sul lato per essere in rilievo). Nella parte inferiore, scegliere i parametri della funzione, principalmente l'opzione Distanza che controlla lo spessore della futura piastra di fissaggio.
- Separare la piastra dalla mascella superiore. In questa fase viene eseguita l'opzione booleana. Scegliere l'originale mascella superiore, fare clic con il pulsante destro del mouse dall'elenco degli oggetti e fare clic su Boolean Scegli da Mascella superiore con piastra.
- Per creare i fori per le viti, disegnare le viti/scansione e quindi utilizzare l'opzione Booleana oppure utilizzare lo strumento SubD. Nella categoria Superfici secondarie (Figura supplementare 8), utilizzare lo strumento SubD taglio filo per creare aste perpendicolari alla piastra nella dimensione dei fori desiderati, che viene eseguita in base ai cerchi creati nel passaggio 2.3 provenienti dal piano perpendicolare.
- Quindi, sottrarre le aste dalla piastra utilizzando il valore booleano Rimuovere dalla tecnica.
NOTA: in questa fase la piastra di fissaggio finale è pronta(Figura supplementare 9). Per consentire alle piastre di adattarsi perfettamente, è necessario pianificare guide chirurgiche adeguate per l'osteotomia. - Per creare le guide, riposizionare la mascella superiore nella sua posizione originale, ma con i fori a vite contrassegnati nell'osso in base alla piastra di fissaggio creata nella posizione finale della mascella (notare che i fori nella faccia centrale non cambiano posizione in quanto la faccia centrale rimane nella stessa posizione).
- Per eseguire questa operazione, riposizionare la mascella con le curve per i fori utilizzati per la piastra di fissaggio finale nella posizione originale della mascella prima del movimento. Nella categoria Seleziona/Sposta argilla, utilizzare l'opzione Registra pezzi. scegliere la Sorgente (movimento del palo della mascella superiore) e la Destinazione (mascella superiore e faccia media prima del movimento). Utilizzare un numero elevato di punti fissi su entrambi gli oggetti per la precisione nel riposizionamento.
- Sulla base dei fori appena posizionati, le guide chirurgiche creano le guide chirurgiche in modo simile a quanto descritto per le piastre di fissaggio (passaggi 2.3.2.10).
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Representative Results
Per osservare l'uso clinico del metodo, presentiamo un caso di una donna di 23 anni. Soffriva di iperplasia condilare in età più giovane nel condilo destro con conseguente asimmetria di entrambe le mascelle. La figura 1A mostra la mascella superiore retrognatica e la mascella inferiore prognatica che mostrano le discrepanze tra le mascelle. Nella vista frontale, l'asimmetria grave può essere osservata come dettagliata utilizzando le linee gialle e rosse. Utilizzando il software di imaging (Figura supplementare 1), è stato eseguito un piano di trattamento chirurgico (Figura supplementare 2, Figura supplementare 3e Figura supplementare 4). Il piano chirurgico si basava sull'analisi cefalometrica laterale. La posizione dell'osteotomia ossea prevista è importante per preservare la dentizione sana e anche per consentire il corretto posizionamento delle viti di fissaggio in osso intatto. I file stl 3D sono stati esportati dal software di imaging e importati nel software di progettazione 3D in configurazioni di movimento osseo pre e post-pianificate (Figura supplementare 5). È stata pianificata la piastra di fissaggio specifica del paziente (Figura supplementare 6, figura supplementare 7, figura supplementare 8e figura supplementare 9) seguita dalla pianificazione della guida chirurgica ( Figurasupplementare 10 e Figura supplementare 11). La piastra di fissaggio è stata programmata sulla sede pianificata post-operatoria e la guida chirurgica sullo stato attuale del paziente, in base all'osteotomia pianificata. Nel paziente presentato, è stata eseguita un'operazione bimaxillaria. La mascella superiore è stata riposizionata nella prima fase successiva dal riposizionamento della mascella inferiore secondo l'occlusione dentale finale. Un'incisione vestibolare sopra la linea mucogingival nella mascella superiore è stata eseguita per esporre l'osso. Il pavimento nasale è stato elevato, le guide chirurgiche sono state posizionate anatomicamente seguite da fori nell'osso attraverso i fori nelle guide (questi fori avrebbero poi abbinato la piastra di fissaggio specifica del paziente dopo il riposizionamento della mascella). Un'osteotomia a livello di LeFort I basata sulla guida chirurgica è stata eseguita utilizzando una sega reciproca. Il setto, le pareti laterali della cavità nasale e la giunzione pterygomaxillari sono stati separati utilizzando osteomi appropriati. La mascella superiore è stata mobilitata e riposizionata simmetricamente nella posizione appropriata in base ai fori nella piastra di fissaggio finale specifica del paziente che corrispondevano ai fori precedentemente praticati nella mascella superiore e nella faccia centrale (utilizzando le guide chirurgiche). La piastra è stata fissata con viti di titanio e la ferita chirurgica è stata suturata. Un'osteotomia della mascella inferiore è stata poi eseguita utilizzando un'osteotomia sagittale e riposizionata in base all'occlusione dentale. Il risultato finale è illustrato nella Figura 1B; notare la correzione delle discrepanze delle mascelle e la grave asimmetria.
Figura 1: Imaging pre e post-operatorio di un paziente di 23 anni con asimmetria nelle ossa facciali. (A) Pre-operazione imaging. Sinistra: un'immagine cefalometrica; A destra: una visione frontale della ricostruzione 3D della TC che mostra la grave asimmetria. (B)Imaging post-operatorio. Sinistra: un'immagine cefalometrica laterale; A destra: un'immagine cefalometrica anteriore anteriore posteriore che mostra la correzione perfetta dell'asimmetria. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 1: visualizzazione dell'area di lavoro e del pulsante 3D per l'importazione e la modifica in modalità 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 supplementare: Creazione di un'immagine a raggi X. Quando si pianifica un piano chirurgico, la costruzione di un'immagine panoramica a raggi X dall'immagine CT è obbligatoria. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 3: Osteotomia nel software di imaging. Si osserva un'osteotomia Le-Fort I che separa la mascella superiore dalla faccia centrale. La posizione dell'osteotomia è cruciale in quanto verrà utilizzata nelle fasi successive per la costruzione di guide chirurgiche e il posizionamento della piastra di fissaggio. Evitare le radici dentali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 supplementare: Piano di trattamento chirurgico nel software di imaging. È possibile osservare la pianificazione 3D pre e post-operazione. La pre-operatoria è mostrata a sinistra e il post-operatorio è mostrato a destra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 5: Importazione nel software di progettazione 3D. I file stl 3D sono stati esportati dal software di imaging e importati nel software di progettazione 3D. (A) Faccia media pre-operatoria, mascella superiore e mascella inferiore. (B) Mascella superiore e mandibola postoperatoria (notare che la faccia mediale non cambia la sua posizione). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 6: Pianificazione della piastra di fissaggio. (A) Viene creato un piano parallelo. (B) I fori per le viti e la forma esterna della piastra sono pianificati sul piano. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 7: costruzione della piastra di fissaggio. (A) Dopo la proiezione dal piano e la finalizzazione della forma esterna della piastra. (B) Creazione dello spessore della piastra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 8: Preparazione del foro della piastra di fissaggio. (A) Utilizzando la funzione booleana per separare la piastra di fissaggio. (B) Marcatura dei fori nella piastra mediante l'opzione SubD. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 9: Piastra di fissaggio finalizzata specifica del paziente. (A) La targa finalizzata. (B) La piastra sull'osso dopo il movimento osseo previsto. Notate la vestibilità perfetta. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 10: Pianificazione chirurgica della guida. La pianificazione viene eseguita utilizzando i fori previsti sulla mascella superiore nella posizione finale (per ricevere una perfetta vestibilità con i fori nella piastra di fissaggio) ma dopo aver spostato la mascella in posizione pre-operatoria, in quanto le guide sono le prime ad essere utilizzate durante l'operazione per la preparazione dell'osteotomia ossea. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura supplementare 11: Guide chirurgiche finalizzate. (A) Le guide chirurgiche finalizzate sulle ossa facciali ossee pre-operatorie. (B) Sia le guide chirurgiche che le piastre di fissaggio finali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La pianificazione e la stampa 3D è uno dei metodi in più rapida evoluzione nel campo chirurgico. Non è solo uno strumento promettente per il futuro, ma uno strumento pratico utilizzato al giorno d'oggi per risultati chirurgici altamente accurati e soluzioni specifiche per il paziente. Permette risultati altamente accurati e riduce la dipendenza dall'esperienza del chirurgo10. Risolve molti degli svantaggi dei precedenti metodi chirurgici vecchio stile, ma i costi ritardano la piena attuazione del metodo10. La pianificazione e la stampa in-house delle guide chirurgiche riducono i costi a una distesa trascurabile e riducono drasticamente il costo della piastra di fissaggio specifica del paziente. In questa relazione viene descritto un metodo per la pianificazione 3D della chirurgia ortognatica seguito dalla pianificazione e stampa 3D di guide chirurgiche e targhe di fissaggio specifiche del paziente come base per il chirurgo per eseguire l'intero processo in-house. Questo protocollo può essere utilizzato per qualsiasi chirurgia ortognatica, implementando tutti i vantaggi di cui sopra.
Questo protocollo si basa su due software CAD. Il primo è il software di imaging, che consente la segmentazione e la pianificazione chirurgica, tra cui la posizione dell'osteotomia e i movimenti ossei. Il secondo è il software di progettazione 3D, che consente la pianificazione delle guide chirurgiche e degli impianti di fissaggio specifici del paziente.
Quando si utilizza il software di imaging, è fondamentale acquisire un'immagine CT adeguata, pianificare correttamente la posizione dell'osteotomia, evitando danni alle radici dentali e tenere sempre a mente dove saranno posizionate le future piastre di fissaggio lasciando così abbastanza spazio per le piastre e le viti pianificate. Tenete a mente i fori preparati nelle guide chirurgiche devono corrispondere ai fori della piastra di fissaggio finale. Assicurarsi di esportare le fasi corrette della pianificazione chirurgica, la posizione della mascella superiore dopo l'osteotomia, ma prima del movimento, e un altro file stl con la posizione finale della mascella superiore.
Quando si utilizza il software di progettazione 3D, è importante pianificare prima le piastre di fissaggio specifiche del paziente finale. Dopo la preparazione del foro per le viti, la mascella superiore con i fori deve essere riposizionata in base alla posizione prima del movimento chirurgico per la preparazione della guida di taglio chirurgica con i fori nella giusta posizione. Pertanto, l'ordine dei passaggi è fondamentale per un posizionamento accurato e una corretta preparazione della guida chirurgica. Ricordate sempre che se c'è un dubbio per quanto riguarda le discrepanze nella continuità ossea a causa di artefatti o segmentazione ossea impropria si preferisce aggiungere osso nella parte mancante perché un leggero spazio tra la piastra di fissaggio e l'osso in una zona specifica è preferito sopra interferire osseo con il posizionamento della piastra. È importante ricordare che a volte la preparazione ortodontica può provocare carenze ossee e radici dentali esposte, quindi non si deve presumere che questo sia dovuto a artefatti.
Questo metodo descrive i principi di base nella pianificazione chirurgica di casi ortognatici, compresa la pianificazione di guide chirurgiche e piastre di fissaggio specifiche del paziente. Risolve le imprecisioni esistenti nei precedenti metodi non calcolati e semi-calcolati come i wafer digitali e consente il pieno controllo sulla dimensione verticale che non ha ricevuto una soluzione definita in tali metodi. Altri vantaggi del metodo includono il controllo completo sulla chirurgia eseguendo un piano virtuale dell'operazione, tra cui le osteotomie pianificate e le piastre di fissaggio, una significativa riduzione del prezzo (rispetto all'esternalizzazione della pianificazione) e la riduzione della durata dell'operazione. Le limitazioni includono la necessità di padroneggiare i programmi CAD e il prezzo delle piastre in titanio stampate in 3D, che è significativamente superiore rispetto all'utilizzo di wafer e piastre di titanio di riserva. I metodi descritti qui, in particolare la pianificazione di guide chirurgiche e piastre possono essere ulteriormente modificati per molti scopi chirurgici. Descriviamo l'uso di questo metodo per la pianificazione chirurgica della resezione ossea e la ricostruzione nelle ossa facciali. Questo metodo può essere utilizzato per innovare nel campo della pianificazione chirurgica e della ricostruzione3,5 e può essere applicato anche nella ricerca, ad esempio nella pianificazione di sofisticati progetti di scaffold per la rigenerazione ossea.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Per questo lavoro non è stato ricevuto alcun finanziamento.
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 |
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