Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

患者固有インプラントの3D計画・印刷による顔面変形の治療

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

Summary

技術が発達し、よりユーザーフレンドリーになるにつれて、手術および患者固有の外科ガイドおよび固定板の計画は外科医によって行われるべきである。我々は、矯正骨格運動の3D計画と患者固有の固定プレートと外科用ガイドの3D計画と印刷のためのプロトコルを提示する。

Abstract

外科計画および患者特有のインプラントの技術進歩は絶えず進化している。経験の浅い手でも、より良い結果を得るために技術を採用するか、それなしで続けることができます。技術が発達し、よりユーザーフレンドリーになるにつれて、外科医が自分の手術を計画し、彼がプロセスを完全に制御できるように、彼/彼女の患者固有の外科ガイドと固定プレートを作成するオプションを許可する時が来たと信じています。手術の3D計画のためのプロトコルをここに提示し、手術ガイドおよび患者固有の固定インプラントの3D計画および印刷を行う。このプロセスの間、我々は2つの商用コンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアを使用します。また、外科用ガイド用の融合堆積モデリングプリンタと、チタン患者特異的固定インプラント用の選択的レーザー焼結プリンタを使用しています。このプロセスには、コンピュータ断層撮影(CT)画像化、CTからの頭蓋骨および顔面骨の3Dセグメンテーション、手術の3D計画、骨の最終位置に従った患者固有の固定インプラントの3D計画、正確な骨切除術を行い、固定プレートの骨を準備するための外科ガイドの3D計画、外科用ガイドと患者固有のプレートの3Dプリンティングが含まれる。この方法の利点は、手術、計画された骨切れおよび固定板、大幅な値下げ、操作期間の短縮、優れた性能および高精度の結果を完全に制御する。制限には、CAD プログラムをマスターする必要性が含まれます。

Introduction

3D プリントは、異なるマテリアルのレイヤーを段階的に配置し、3D オブジェクトを作成する方法に基づく追加方法です。これは、もともと迅速な試作のために開発され、光重合体樹脂の固化層に基づくステレオリソグラフィー法の発明者と考えられているチャールズ・ハルによって1984年に導入されました 1.手術の仮想計画における技術の進歩と、患者固有のインプラントの計画と印刷は絶えず進化しています。技術革新は、コンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアの分野と3Dプリンティング技術2の両方で発生します。技術の発展と同時に、ソフトウェアとプリンタはより使いやすくなっ.これにより、計画と印刷に必要な時間が短縮され、外科医は、彼/彼女の操作を計画し、エンジニアの「遊び場」の分野で、患者固有の外科用ガイドと固定プレートを作成するオプションを可能にします。これらの開発はまた外科医およびエンジニアが患者特有のインプラント33、4、54の新しい適用および設計を導入することを可能5する。

これらのアプリケーションの1つは、外科ガイドと患者固有の固定プレートの3D計画と印刷に続く矯正手術の3D計画です。歴史的に、整形外科手術はアーティキュレータを使用して計画されました。顔弓は、上顎と顎の関係を顎関節に登録するために使用され、関節内の患者のキャストを配置した。その後、手術の動きがキャストで行われ、手術中に顎の適切な位置を助けるためにアクリルウエハースが準備されました。この方法は長年使用され、今日ではほとんどの人が使用されていますが、コーンビームコンピュータ断層撮影(CT)を口腔内スキャナとCADソフトウェアと共に利用することで、正確な計画を可能にし、顔弓やキャストの必要性を節約し、デジタル計画されたウエハースの作成に向けて動きました6。この方法は、手動操作および測定の不正確さを減少させたが、上顎を配置するための基準点として不安定な下顎を用い、上顎7の垂直位置を制御する欠如を含む欠陥があった。そこで、新しい方法が導入されました。この方法は「ウエハーレス」手術と呼ばれ、外科用切断ガイドと患者固有の固定チタンプレート8を用いて解剖学的に顎の位置を変えて行う。この方法は、前に説明したデジタルウエハ法の欠点を解決する。我々は、外科医が可能なエラーおよび不正確さを最小限に抑え、患者固有の方法でこれらの手術を計画する完全な自由を可能にするこの方法を記述する。この方法は「ウエハーレス」手術を可能にし、これは骨の位置を変えるための基準として対側顎を使用する必要がないことを意味し、したがってこの依存から得られる不正確さを減少させる9。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 顎の位置変更

注:このセクションは、イメージングソフトウェア(イルカなど)を使用して実行されます。

  1. 左側の3Dボタンを選択し、新規DICOMのインポート(補足図1)をクリックして、患者の顔の骨CT画像DICOMファイル(図1A)をソフトウェアにロードします。3D 編集モードに入る場合は、[3D |を編集します。
  2. 左側の向きボタンを使用して、3D イメージの向きを調整します。左側の[X線を構築]ボタンを使用してパノラマ画像を作成します(補足図2)。
  3. ツールに移動 |矯正外科手術計画|新しいワークアップを開始します
  4. パノラマ画像にセグメントを配置します。各セグメントをトリミングして、対応するボーンの領域を含めます。
    注:クリーニング段階は、正確にスキャンされた歯科アーチとCTスキャンを重ね合わせてウエハーを作成する場合に便利です。これは、ここで提示された「ウエハーレス」手術では示されておらず、この段階ではCTの欠陥が存在する場合はきれいにすることができます。
  5. 骨切除(LeFort I、矢状分割など)の下で左パンの患者に適切な骨切除術を選択します。黄色い円を動かして、骨位差の正確な位置をマークします (補足図 3)。
    注:ここで決定された骨の位置は、外科ガイドに基づいて後で行われるものであるため、歯の根頂部に注意することは非常に重要です。根を避け、5mmの距離を維持してください。
  6. 提案されたランドマークごとに右の場所を左クリックして、さまざまなランドマークをマークします。
    注: これは、次の段階での測定と移動の目的で重要です。
  7. ボーン セグメントの動きを実行します。ボーンを適切な位置にドラッグするか、正確に使用するために、右クリックして[キーボードを使用して移動を入力]を選択します。
  8. 主要ランドマークの移動を追跡するには、左側の[オプションを扱う]ボタンを押し、[ランドマークオフセットと計測テーブルを表示]を選択します。
    注: 次のタブでは、仮想計画された操作の前と後に観察することができます (補足図 4)。
  9. 左側のスライドバーと左側のstlボタンのエクスポートを使用して、術前ステージと術後ステージの2つの異なる位置のstlファイルをエクスポートします。

2. 患者固有の固定板と手術用ガイドの準備

注:このセクションは、3D設計ソフトウェア(すなわち、Geomagicフリーフォーム)を使用して実行されます。

  1. [ファイル]メニューの [ファイル] をクリックしますインポートモデル(補足図5A)は、骨の骨の後に、最終位置に再配置する前に、上顎と中顔の位置を示すステップ1.9から得られたstlファイルをインポートする。
  2. 上顎の最終位置で患者固有の固定板を計画して開始します。左側の[平面]カテゴリの下にあるツール パレットで、[平面を作成](補足図 6A)を選択します。ここでプレートの初期設計が行われます。プレートが配置されるボーンに対して、平面を平行に手動で移動します。
  3. [スケッチ]カテゴリ(補足図6B)で円形状を選択し、後で使用するネジに適したサイズの円を作成します。前の円の周りに直径 3 mm 大きい円を作成して、固定プレートの輪郭を描きます。
    注: 円のサイズは、各研究所で使用される固定セットに基づいて決定されます。円は、計画された外科的骨切除術の上下に配置される(すでにセクション1で決定される)。
  4. 平面からボーンに設計を投影します。[曲線]カテゴリ(補足図 7)で、プロジェクト スケッチ ツールを使用して、平面からボーンに移動する円を選択します。
  5. 外側の境界プレートのデザインの外側の円を接続するには、[カーブ]カテゴリで分割ツールを選択し、隣接する円に接続できるように削除する円の一部を定義します。選択オプションを使用して、円の定義された部分を選択して削除します。[曲線]カテゴリで、描画曲線ツールを使用し、外側の円を接続して、患者固有のプレートの連続した外側の形状を作成します。
  6. 固定プレートを作成する前に、右上の顎を複製して、オブジェクトリストから「複製」を選択します (補足図 7A)。これにより、次の段階でブールツールを使用して固定プレートを作成できます。
  7. [詳細クレイ]カテゴリで、カーブツールを使用してエンボスを使用します。これにより、以前に投影されたカーブに基づいて固定プレートの体積が作成されます。外側のシェイプ カーブを選択し、円の形をしたカーソルを、シェイプされたプレートの表面に配置します(カーソルは、浮き出しの側面に配置する必要があります)。下部で、関数のパラメータを選択し、主に将来の固定プレートの厚さを制御する[距離] オプションを選択します。
  8. 上顎からプレートを分離します。この段階では、ブール型オプションが実行されます。元の上顎を選択し、オブジェクトリストから右クリックし、ブール値をクリックします。から削除|プレート付きアッパージョー
  9. ねじの穴を作成するには、ねじを描画/スキャンしてからブール演算オプションを使用するか、SubD ツールを使用します。[サブサーフェス]カテゴリ(補足図 8)では、ワイヤカットサブDツールを使用して、垂直平面から発生するステップ 2.3 で作成された円に基づいて実行される、目的の穴の大きさでプレートに垂直なロッドを作成します。
  10. 次に、ブール値を使用してプレートからロッドを引きます。 |テクニックから削除します。
    注: この段階では、最終的な固定プレートの準備ができました (補足図 9)。プレートが完全に収まるように、骨破術のために適切な外科ガイドを計画する必要があります。
  11. ガイドを作成するには、上顎を元の位置に再配置しますが、顎の最終位置に作成された固定板に従って骨にネジ穴がマークされています(中面の穴は、中面が同じ位置にとどまるので位置が変わらないことに注意してください)。
    1. これを行うために、最終的な固定プレートに使用される穴のカーブを使用して、移動前の元の位置に顎を再配置します。[クレイの選択/移動]カテゴリで、[部品を登録]オプションを使用します。ソース(上顎のポストの動き)とターゲット(動きの前に上顎と中面)を選択します。再配置の精度を得る場合は、両方のオブジェクトに多数の固定点を使用します。
  12. 新しく配置された穴に基づいて、固定プレートの説明と同様の方法で外科ガイドを作成します(ステップ2.3-2.10)。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

この方法の臨床使用を観察するために、23歳の女性の症例を提示する。彼女は右の顆深さで若い年齢で顆深膜過形成に苦しみ、両方の顎の非対称性をもたらした。図1Aは、顎の間の不一致を示す後起性上顎および前立性下顎を示す。正面図では、黄色と赤の線を使用して詳細に、重度の非対称性を観察することができます。イメージングソフトウェア(補足図1)を用いて、外科的治療計画を実施した(補足図2、補足図3、補足図4)。手術計画は横頭測定分析に基づいていた。計画された骨骨の骨切除術の位置は、健康な歯列を維持し、また、無傷の骨に固定ネジを適切に配置できるようにするために重要です。3D stlファイルはイメージングソフトウェアからエクスポートされ、計画前および計画後の骨の動きのセットアップ(補足図5)の両方で3D設計ソフトウェアにインポートされました。患者固有の固定板を計画した(補足図6、補足図7、補足図8、補足図9)の後に外科用ガイド計画(補足図10および補足図11)が続いた。固定プレートは、計画された骨の骨の切断術に基づいて、患者の現在の状態に関する術後の計画位置および外科ガイドに計画された。提示された患者において、二顎手術を行った。上顎は、最終的な歯科閉塞に従って下顎の位置を変更することによって、最初の段階で再配置された。上顎のムコギジングラインの上に前庭切開を行い、骨を露出させる。鼻の床は上昇し、外科ガイドは解剖学的に配置され、続いてガイドの穴を通して骨に穴を開けた(これらの穴は後に顎の再配置に続く患者固有の固定板と一致する)。外科ガイドに基づくLeFort Iレベルの骨の骨の骨の間欠術は、相互鋸を用いて行った。鼻腔の中隔、側面壁および翼肉上顎骨接合部は、適切な骨トームを用いて分離した。上顎は動員され、上顎および中面の穴を合わせた最終患者特異的固定板の穴に基づいて適切な位置に対称的に再配置された(外科ガイドを使用して)。プレートはチタンネジを使用して固定され、外科的創傷を縫合した。下顎の骨切除術は、その後、座頭座分割骨切除術を使用して行われ、歯科閉塞に基づいて再配置された。最終的な結果を図1Bに示します。顎の不一致と重度の非対称性の修正に注意してください。

Figure 1
図1:顔の骨に非対称性を有する23歳の患者の術前および術後の画像化。(A) 操作前のイメージング。左:頭蓋の画像。右:重度の非対称性を示すCTの正面3D再構成図。(B) 術後イメージング。左:横頭受量画像。右:非対称性の完全な補正を示す後前頭測定画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 1
図 1:ワークスペースのビューと 3D モードでのインポートと編集のための 3D ボタン。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 2
補足図2:X線画像の構築手術計画を立てる際には、CT画像からパノラマX線画像を構築することが必須です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 3
補足図3:画像ソフトウェアにおける骨の変形ル・フォートI骨切れ術は、上顎と中顔を分離して観察される。骨トーミーの位置は、外科ガイドの建設および固定板の位置のための次の段階で使用されるように重要である。歯科の根を避けてください。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 4
補足図4:画像ソフトウェアにおける外科的治療計画操作前と操作後の3D計画を観察することができます。術前は左に示され、術後は右側に示されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 5
補足図 5: 3D 設計ソフトウェア.へのインポート3D stlファイルは、イメージングソフトウェアからエクスポートされ、3D設計ソフトウェアにインポートされました。(A)術前の中顔、上顎および下顎。(B)術後の上顎と下顎(中顔がその位置を変えないことに注意してください)。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 6
補足図 6: 固定プレートの計画(A) 平行平面が作成されます。(B)平面上にねじの穴とプレートの外側の形状が計画されています。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 7
補足図7:固定板構造(A)平面からの投影に従い、プレートの外側の形状を確定する。(B) プレートの厚さを作成します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 8
補足図8:固定板穴調製。(A) 固定プレートを分離するためのブール関数を使用します。(B) SubD オプションを使用してプレートの穴をマークします。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 9
補足図9:患者固有の固定プレートを確定した。(A) 完成プレート。(B) 骨のプレートは、計画された骨の動きに続く。完璧なフィット感に注目してください。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 10
補足図10:外科ガイド計画。計画は、最終位置の上顎に計画された穴(固定板の穴に完全に適合を受けるため)を使用して行われますが、ガイドが骨骨切除準備の手術中に使用される最初のガイドであるため、顎を術前の位置に移動した後。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplemental Figure 11
補足図11:手術ガイドを確定。(A) 術前骨の顔の骨に確定した外科ガイド。(B)手術ガイドと最終固定板の両方。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

3Dの計画および印刷は外科分野の最も急速に進化する方法の1つである。それは将来のための有望な用具であるばかりでなく、非常に正確な外科結果および患者特有の解決のために今日使用される実用的な用具である。それは非常に正確な結果を可能にし、外科医の経験10への依存を減らす。それは以前の古いファッションの外科方法の欠点の多くを解決しますが、コストは、メソッド10の完全な実装を遅らせる。外科ガイドの社内の計画および印刷は無視可能な広がりに費用を減らし、患者特有の固定板の費用を劇的に減らす。本報告書では、外科医が全工程を社内で行うための基礎として、外科用ガイドと患者固有の固定板の3D計画と印刷を行う外科手術の3D計画と印刷の方法について述べた。このプロトコルは、上記の利点をすべて実装する、任意の矯正手術に使用することができます。

このプロトコルは、2 つの CAD ソフトウェアに基づいています。1つ目は、骨の位置や骨の動きを含むセグメンテーションと外科計画を可能にするイメージングソフトウェアです。2つ目は、手術ガイドと患者固有の固定インプラントの計画を可能にする3D設計ソフトウェアです。

イメージングソフトウェアを使用する場合、適切なCT画像を取得し、骨の損傷を避け、骨間切断の位置を適切に計画し、将来の固定プレートが配置される場所を常に念頭に置き、計画されたプレートとネジのための十分なスペースを残することが重要です。外科ガイドで準備された穴は、最終的な固定板の穴を一致させる必要がありますので、覚えておいてください。外科計画の適切な段階、骨切りの後の上顎の位置が運動の前に、そして上顎の最終的な位置を持つ別のstlファイルを輸出してください。

3D設計ソフトウェアを使用する場合、最初に最終的な患者固有の固定プレートを計画することが重要です。ネジの穴の準備に続いて、穴のある上顎は、正しい位置に穴を開けた外科用切断ガイドの準備のための外科手術の動きの前の位置に応じて再配置する必要があります。したがって、ステップの順序は、正確な位置と適切な外科ガイドの準備のために重要です。アーティファクトや不適切な骨のセグメンテーションによる骨の連続性の不一致に関する疑問がある場合は、特定の領域の固定板と骨の間のわずかなスペースがプレートの配置を妨げるよりも好ましいので、欠落部分に骨を追加することが好ましいことを常に覚えておいてください。時には矯正製剤は骨欠乏や歯根の露出を引き起こす可能性があることを覚えておくことが重要です, これは人工物によるものだと仮定すべきではありません.

この方法は、外科ガイドおよび患者特異的固定板の計画を含む整形外科症例の外科計画における基本的な主体を記述する。デジタルウエハーなどの以前の非計算および半計算方式に存在する不正確さを解決し、それらの方法で明確な解を受け取らなかった垂直寸法を完全に制御することができます。この方法の他の利点には、計画された骨切れおよび固定プレートを含む手術の仮想計画を実行することによって手術を完全に制御すること、価格の大幅な減少(計画のアウトソーシングと比較して)、および操作期間の短縮が含まれる。制限には、CADプログラムを習得する必要性と、ウエハースやストックチタンプレートを使用するよりも大幅に高い3Dプリントチタンプレートの価格が含まれます。ここで説明する方法、特に外科用ガイドおよびプレートの計画は、多くの外科手術目的のためにさらに修正することができる。この方法を顔面骨の骨切除および再建の外科計画に用いる方法について述べ.この方法は、外科計画33、55の分野で革新するために使用することができ、骨再生のための洗練された足場設計の計画など、研究にも適用することができます。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgments

この仕事のための資金は受け取られなかった。

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

  1. Hull, C. W. Apparatus for production of three-dmensonal objects by stereo thography. Arcadia, CA. US4575330A (1986).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries. Journal of Craniofacial Surgery. 27, (8), 2113-2116 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
患者固有インプラントの3D計画・印刷による顔面変形の治療
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter