Behandling av ansiktsdeformiteter ved hjelp av 3D-planlegging og utskrift av pasientspesifikke implantater

Summary

Etter hvert som teknologien utvikler seg og blir mer brukervennlig, bør planlegging av operasjoner og pasientspesifikke kirurgiske guider og fikseringsplater utføres av kirurgen. Vi presenterer en protokoll for 3D-planlegging av ortognathiske skjelettbevegelser og 3D-planlegging og utskrift av pasientspesifikke fikseringsplater og kirurgiske guider.

Abstract

Teknologiske fremskritt innen kirurgisk planlegging og pasientspesifikke implantater utvikler seg i stadig utvikling. Man kan enten vedta teknologien for å oppnå bedre resultater, selv i mindre erfarne hånd, eller fortsette uten den. Etter hvert som teknologien utvikler seg og blir mer brukervennlig, mener vi det er på tide å gi kirurgen muligheten til å planlegge sin virksomhet og lage sine egne pasientspesifikke kirurgiske guider og fikseringsplater som gir ham full kontroll over prosessen. Vi presenterer her en protokoll for 3D-planlegging av operasjonen etterfulgt av 3D-planlegging og utskrift av kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsimplantater. Under denne prosessen bruker vi to kommersielle dataassistert design (CAD) programvare. Vi bruker også en sammensmeltet deponeringsmodelleringsskriver for kirurgiske guider og en selektiv lasersintringsskriver for titanpasientspesifikke fikseringsimplantater. Prosessen inkluderer computertomografi (CT) bildebehandling oppkjøp, 3D segmentering av skallen og ansiktsbein fra CT, 3D planlegging av operasjonene, 3D planlegging av pasientspesifikk fikseringimplantat i henhold til den endelige posisjonen til bein, 3D planlegging av kirurgiske guider for å utføre en nøyaktig osteotomi og forberede beinet for fikseringsplatene, og 3D-utskrift av kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsplater. Fordelene med metoden inkluderer full kontroll over operasjonen, planlagte osteotomier og fikseringsplater, betydelig reduksjon i pris, reduksjon i driftsvarighet, overlegen ytelse og svært nøyaktige resultater. Begrensninger inkluderer behovet for å mestre CAD-programmene.

Introduction

3D-utskrift er en additiv metode basert på gradvis plassering av lag fra forskjellige materialer, og dermed skape 3D-objekter. Det ble opprinnelig utviklet for rask prototyping og ble introdusert i 1984 av Charles Hull, som regnes som oppfinneren av stereolitografimetoden basert på størkne lag med fotopolymerharpiks¹. Teknologiske fremskritt innen virtuell planlegging av operasjoner og planlegging og utskrift av pasientspesifikke implantater utvikler seg i stadig utvikling. Innovasjoner oppstår både innen dataassistert design (CAD) programvare og²i 3D-utskriftsteknologi2 . Samtidig som utviklingen innen teknologi blir programvaren og skriverne mer brukervennlige. Dette forkorter tiden som kreves for planlegging og utskrift og gjør det mulig for kirurgen å planlegge sin virksomhet og lage sine egne pasientspesifikke kirurgiske guider og fikseringsplater i et felt som utelukkende var en ingeniørs "lekeplass". Denne utviklingen gjør det også mulig for kirurger og ingeniører å introdusere nye applikasjoner og design av pasientspesifikke implantater^3,,4,5.

En av disse applikasjonene er 3D-planlegging av ortognathiske operasjoner etterfulgt av 3D-planlegging og utskrift av kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsplater. Historisk sett var ortognathiske operasjoner planlagt ved hjelp av artikulatorer. En facebow ble brukt til å registrere forholdet mellom overkjeven til temporomandibulær ledd og dermed posisjonere pasientens kaster i artikulatoren. Senere ble de kirurgiske bevegelsene utført på kastene og en akrylwafer var forberedt på å hjelpe til med riktig posisjonering av kjevene under operasjonen. Denne metoden ble brukt i mange år og brukes fortsatt i dag av de fleste, men utnyttelsen av kjeglestrålecomputertomografi (CT) sammen med intra-orale skannere og CAD-programvare tillatt for nøyaktig planlegging, sparer behovet for facebows eller kaster og beveger seg mot etablering av digitalt planlagtwafers⁶. Denne metoden reduserte unøyaktigheten av manuell manipulasjon og målinger, men hadde fortsatt feil, inkludert bruk av den ustabile underkjeven som referansepunkt for plassering av overkjeven og mangel på kontroll over den vertikale plasseringen av overkjeven⁷. Dermed ble en ny metode innført. Denne metoden kalles "waferless" kirurgi og er basert på reposisjonering av kjevene anatomisk ved hjelp av kirurgiske kutteguider og pasientspesifikke fikseringtitanplater⁸. Denne metoden løser ulempene ved den digitale wafer-metoden som er beskrevet før. Vi vil beskrive denne metoden, som gjør at kirurgen kan fullføre friheten i planleggingen av disse operasjonene på en pasientspesifikk måte, med minimale mulige feil og unøyaktigheter. Denne metoden gir mulighet for en "waferless" kirurgi, noe som betyr at det ikke er behov for å bruke den motsatte kjeven som referanse for å flytte beinene, og dermed redusere unøyaktigheter avledet fra denne^{avhengigheten 9}.

Protocol

1. Plassering av kjevene

MERK: Denne delen utføres ved hjelp av bildeprogramvaren (dvs. Dolphin).

1. Last inn ansiktsbein CT-bildet DICOM-filer av pasienten (Figur 1A) inn i programvaren ved å velge 3D-knappen til venstre og klikke Importer ny DICOM (Tilleggsfigur 1). Gå inn i 3D-redigeringsmodus ved å klikke på 3D | Rediger.
2. Orienter 3D-bildet ved hjelp av retningsknappen til venstre. Opprett et panoramabilde ved hjelp av bygge røntgenbilder-knappen til venstre (Tilleggsfigur 2).
3. Gå til Verktøy | Orthognathic kirurgisk planlegging | Start ny arbeidsoppgang.
4. Plasser segmentene i panoramabildet. Beskjær hvert segment for å inneholde området av det tilsvarende beinet.
   MERK: Rengjøringsstadiet er nyttig når det for nøyaktighet er en skannet tannbue og en CT-skanning lagt inn for å skape en wafer. Dette er ikke angitt i en "waferless" kirurgi som presenteres her, og dermed på dette stadiet kan man rense CT feil hvis de eksisterer.
5. Velg riktig osteotomi for pasienten på venstre panne under osteotomies (som LeFort I, sagittal splitt, etc.). Merk den nøyaktige plasseringen av osteotomilinjene ved å flytte de gule sirklene (Supplerende figur 3).
   MERK: Det er ekstremt viktig å merke seg roten apexes av tennene som plasseringen av osteotomien besluttet her vil være den som utføres senere basert på kirurgiske guider. Unngå alltid røttene og hold en avstand på 5 mm.
6. Merk forskjellige landemerker ved å klikke til høyre for hvert foreslåtte landemerke.
   MERK: Dette er viktig for målinger og bevegelsesformål i de neste stadiene.
7. Utfør bevegelser av beinsegmenter. Dra beinet til riktig sted, eller for nøyaktighet, høyreklikk og velg Inndatabevegelser ved hjelp av tastatur.
8. Hvis du vil spore bevegelsen til viktige landemerker, trykker du på Behandle alternativer-knappen til venstre og velger Vis forskyvnings- og måletabeller for landemerke.
   MERK: I neste fane kan forhånds- og innlegget være praktisk talt planlagt drift observert (Tilleggsfigur 4).
9. Eksporter stl-filene til de to forskjellige posisjonene til beinsegmenter, en i den preoperative fasen og en i den postoperative fasen, ved hjelp av glidelinjen til venstre og Eksporter segmenter i stl-knappen til venstre.

2. Tilberedning av pasientspesifikke fikseringsplater og kirurgiske guider

MERK: Denne delen utføres ved hjelp av 3D-designprogramvaren (dvs. Geomagic Freeform).

1. Klikk fil | Importmodell (Tilleggsfigur 5A) for å importere stl-filene hentet fra trinn 1.9 som viser plasseringen av overkjeven og midtansiktet etter osteotomien, men før omplasseringen i sluttposisjon.
2. Begynn med å planlegge de pasientspesifikke fikseringsplatene i den endelige posisjonen til overkjeven. Velg Opprett plan (Tilleggsfigur 6A)i verktøypaletten til venstre under Fly-kategorien . Her vil den første utformingen av platene bli utført. Flytt planet manuelt parallelt med beinet der platen skal plasseres.
3. Under Skisse-kategorien (Tilleggsfigur 6B) velger du en sirkelform og oppretter sirkler med en størrelse som passer for skruene som skal brukes senere. Lag en ny sirkel rundt den forrige 3 mm større i diameter for å skissere fikseringsplaten.
   MERK: Størrelsen på sirklene bestemmes basert på fikseringssettene som brukes i hvert institutt. Sirklene er plassert over og under den planlagte kirurgiske osteotomien (bestemt allerede i avsnitt 1).
4. Projiser designet fra flyet til beinet. Under kurver kategori (Supplerende figur 7),bruk prosjektet skisse verktøyet og velg sirkler som skal overføres fra flyet til beinet.
5. Hvis du vil koble de ytre sirklene til den ytre kantlinjeplateutformingen, velger du under Kurver-kategorien det delte verktøyet og definerer den delen av sirkelen som skal fjernes for å tillate en tilkobling til de tilstøtende sirklene. Bruk velg alternativet, velg den definerte delen av sirkelen og slett den. Under Kurver-kategorien bruker du trekkkurveverktøyet og kobler de ytre sirklene til å skape en kontinuerlig ytre form for den pasientspesifikke platen.
6. Før du oppretter fikseringsplaten, dupliserer duden overkjeven ved å høyreklikke og velge Dupliser fra objektlisten (Tilleggsfigur 7A). Dette vil tillate bruk av det boolske verktøyet i de neste stadiene for å lage fikseringsplaten.
7. Under Detaljleire-kategorien bruker du preget med kurveverktøyet. Dette skaper volumet på fikseringsplaten basert på kurvene som tidligere er anslått. Velg den ytre figurkurven, og plasser deretter den sirkelformede markøren inni og på overflaten av den formede platen (merk at markøren skal plasseres på siden som skal preges). Nederst velger du parameterne for funksjonen, hovedsakelig Avstand-alternativet som styrer tykkelsen på den fremtidige fikseringsplaten.
8. Skill platen fra overkjeven. På dette stadiet er det boolske alternativet utført. Velg den opprinnelige overkjeven, høyreklikk fra objektlisten og klikk boolsk | Fjern fra | Øvre kjeve med plate.
9. Hvis du vil opprette hullene for skruene, tegner du enten skruene/skanner dem og bruker deretter det boolske alternativet eller bruker subd-verktøyet. Under subd overflater kategori (supplerende figur 8),bruk wire cut SubD verktøyet for å lage stenger vinkelrett på platen i størrelsen på ønskede hull, som utføres basert på sirkler opprettet i trinn 2.3 stammer fra vinkelrett planet.
10. Deretter trekker du stengene fra platen ved hjelp av den boolske | Fjern fra teknikk.
    MERK: På dette stadiet er den endelige fikseringsplaten klar (Tilleggsfigur 9). Passende kirurgiske guider må planlegges for osteotomien for at platene skal passe perfekt.
11. For å lage guidene, sett overkjeven om til sin opprinnelige plassering, men med skruehullene merket i beinet i henhold til festeplaten som er opprettet i den endelige posisjonen til kjeven (legg merke til hullene i midtsiden endres ikke posisjon som midtsiden forblir i samme posisjon).
    1. For å utføre dette, omplassere kjeven med kurvene for hullene som brukes til den endelige festeplaten til den opprinnelige plasseringen av kjeven før bevegelsen. Bruk alternativet Registrer brikker under kategorien Velg/flytt leire. velg Kilde (øvre kjevestolpebevegelse) og target (øvre kjeve og midtansikt før bevegelsen). Bruk et stort antall faste punkter på begge objektene for nøyaktighet i omplasseringen.
12. Basert på nyplasserte hull skaper kirurgiske guider på en lignende måte som beskrevet for festeplatene (trinn 2.3−2.10).

Representative Results

For å observere den kliniske bruken av metoden, presenterer vi et tilfelle av en 23 år gammel kvinne. Hun led av kondylær hyperplasi i yngre alder i høyre kondyle som resulterte i asymmetri av begge kjever. Figur 1A viser den retrognathic overkjeven og prognathic underkjeven som viser avvikene mellom kjevene. I frontvisning kan den alvorlige asymmetrien observeres som detaljert ved hjelp av de gule og røde linjene. Ved hjelp av bildeprogramvaren (Tilleggsfigur 1) ble det utført en kirurgisk behandlingsplan (Tilleggsfigur 2, tilleggsfigur 3og tilleggstall 4). Den kirurgiske planen var basert på lateral cephalometrisk analyse. Plasseringen av den planlagte benete osteotomien er viktig for å bevare den sunne dentition en og også for å tillate riktig plassering av fikseringsskruene i intakt bein. 3D-stlfilene ble eksportert fra bildeprogramvaren og importert til 3D-designprogramvaren i både pre- og post-planlagte benete bevegelsesoppsett (Supplerende figur 5). Den pasientspesifikke fikseringsplaten var planlagt (Tilleggstall 6, Tilleggstall 7, Tilleggstall 8og tilleggsfigur 9) etterfulgt av kirurgisk guideplanlegging (Tilleggsfigur 10 og tilleggstall 11). Fikseringsplaten var planlagt på det postoperative planlagte stedet og kirurgisk veiledning om pasientens nåværende status, basert på den planlagte osteotomien. I den presenterte pasienten ble det utført en bimaksillær operasjon. Overkjeven ble omplassert i første fase etter ved å flytte underkjeven i henhold til den endelige tannokklusjonen. Et vestibulært snitt over mucogingivallinjen i overkjeven ble utført for å eksponere beinet. Nesegulvet var forhøyet, de kirurgiske førerne ble anatomisk plassert etterfulgt av borehull i beinet gjennom hullene i førerne (disse hullene ville senere matche den pasientspesifikke fikseringsplaten etter omplassering av kjeven). En osteotomi på LeFort I-nivået basert på kirurgisk guide ble utført ved hjelp av en gjensidig sag. Septum, laterale vegger i nesehulen og pterygomaxillary krysset ble skilt ved hjelp av passende osteotomer. Overkjeven ble mobilisert og omplassert symmetrisk på riktig sted basert på hullene i den endelige pasientspesifikke fikseringsplaten som matchet de tidligere borede hullene i overkjeven og midtveggen (ved hjelp av kirurgiske guider). Platen ble fiksert ved hjelp av titanskruer og det kirurgiske såret ble suturert. En osteotomi i underkjeven ble deretter utført ved hjelp av en sagittal delt osteotomi og omplassert basert på tannokklusjon. Det endelige resultatet er vist i figur 1B; merk korreksjonen av uoverensstemmelsene i kjevene og den alvorlige asymmetrien.

Figur 1: Pre- og postoperativ avbildning av en 23 år gammel pasient med asymmetri i ansiktsbeinene. (A) Pre-operasjon bildebehandling. Venstre: et cephalometrisk bilde; Høyre: en frontal 3D rekonstruksjon visning av CT som viser alvorlig asymmetri. (B) Postoperativ bildebehandling. Venstre: et lateral cephalometrisk bilde; Høyre: et bakre-fremre cephalometric bilde som viser den perfekte korreksjonen av asymmetrien. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 1: En visning av arbeidsområdet og 3D-knappen for import og redigering i 3D-modus. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 2: Bygge et røntgenbilde. Når du planlegger en kirurgisk plan, er det obligatorisk å bygge et panoramarøntgenbilde fra CT-bildet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende figur 3: Osteotomi i bildeprogramvaren. En Le-Fort I osteotomi observeres som skiller overkjeven fra midtansiktet. Plasseringen av osteotomien er avgjørende da den vil bli brukt i de neste stadiene for kirurgiske guider konstruksjon og fiksering plate posisjonering. Unngå tannrøttene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende figur 4: Kirurgisk behandlingsplan i bildeprogramvaren. 3D-planleggingen før og etter operasjonen kan observeres. Preoperativ vises til venstre og postoperativ vises til høyre. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 5: Import til 3D-designprogramvaren. 3D-stlfilene ble eksportert fra bildeprogramvaren og importert til 3D-designprogramvaren. (A) Foroperativ midface, overkjeve og underkjeve. (B) Postoperativ overkjeve og underkjeve (legg merke til at midtbenet ikke endrer plasseringen). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 6: Planlegge fikseringsplaten. (A) Et parallelt plan opprettes. (B) Hullene for skruene og den ytre formen på platen er planlagt på flyet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 7: Fikseringplatekonstruksjon. (A) Etter projeksjon fra flyet og sluttføring av den ytre formen på platen. (B) Opprette tykkelsen på platen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 8: Fikseringplatehullforberedelse. (A) Bruke den boolske funksjonen til å skille festeplaten. (B) Merke hullene i platen ved hjelp av subd-alternativet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 9: Sluttført pasientspesifikk fikseringsplate. (A) Den endelige platen. (B) Platen på beinet etter den planlagte benete bevegelsen. Legg merke til den perfekte passformen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 10: Kirurgisk guideplanlegging. Planleggingen utføres ved hjelp av hullene som er planlagt på overkjeven i sluttposisjon (for å få en perfekt passform med hullene i fikseringsplaten), men etter å ha flyttet kjeven til den foroperative posisjonen, da førerne er de første som skal brukes under operasjonen for beinosteotomipreparat. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfigur 11: Sluttført kirurgiske guider. (A) De sluttføre kirurgiske guider på pre-operative benete ansiktsbein. (B) Både kirurgiske guider og de endelige fikseringsplatene. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

3D-planlegging og utskrift er en av de raskest utviklende metodene i det kirurgiske feltet. Det er ikke bare et lovende verktøy for fremtiden, men et praktisk verktøy som brukes i dag for svært nøyaktige kirurgiske resultater og pasientspesifikke løsninger. Det gir svært nøyaktige resultater og reduserer avhengigheten av kirurgens erfaring¹⁰. Det løser mange av ulempene ved tidligere gamle mote kirurgiske metoder, men kostnadene forsinke full gjennomføring av metoden¹⁰. Intern planlegging og utskrift av kirurgiske guider reduserer kostnadene til en forsømmelsesbar vidde og reduserer dramatisk kostnadene for den pasientspesifikke fikseringsplaten. I denne rapporten beskriver vi en metode for 3D-planlegging av ortognathic kirurgi etterfulgt av 3D-planlegging og utskrift av kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsplater som grunnlag for kirurgen til å utføre hele prosessen internt. Denne protokollen kan brukes til enhver ortognathic kirurgi, implementere alle de ovennevnte fordelene.

Denne protokollen er basert på to CAD-programvare. Den første er bildeprogramvaren, som gjør det mulig for segmentering og kirurgisk planlegging, inkludert osteotomiplassering og benete bevegelser. Den andre er 3D-designprogramvaren, som gjør det mulig å planlegge kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsimplantater.

Når du bruker bildeprogramvaren, er det avgjørende å skaffe seg et riktig CT-bilde, for å planlegge osteotomiplasseringen på riktig måte, unngå skade på tannrøtter og alltid huske på hvor de fremtidige fikseringsplatene vil bli plassert og dermed gi nok plass til de planlagte platene og skruene. Husk at hullene som er utarbeidet i kirurgiske guider må matche hullene i den endelige festeplaten. Sørg for å eksportere de riktige stadiene av kirurgisk planlegging, plasseringen av overkjeven etter osteotomien, men før bevegelsen, og en annen stl-fil med den endelige posisjonen til overkjeven.

Når du bruker 3D-designprogramvaren, er det viktig å først planlegge de endelige pasientspesifikke fikseringsplatene. Etter hullforberedelsen for skruene må overkjeven med hullene flyttes i henhold til stedet før kirurgisk bevegelse for fremstilling av den kirurgiske skjæreføreren med hullene i riktig posisjon. Dermed er rekkefølgen av trinnene avgjørende for nøyaktig posisjonering og riktig kirurgisk guide forberedelse. Husk alltid at hvis det er tvil om avvik i beinkontinuitet på grunn av artefakter eller feil beinsegmentering, foretrekkes det å legge til bein i den manglende delen fordi et lite mellomrom mellom fikseringsplaten og beinet i et bestemt område foretrekkes fremfor benete forstyrre plasseringen av platen. Det er viktig å huske at til tider ortodontisk forberedelse kan resultere i benete mangler og eksponerte tannrøtter, så man bør ikke anta at dette skyldes gjenstander.

Denne metoden beskriver grunnleggende rektorer i kirurgisk planlegging av ortognathiske tilfeller, inkludert planlegging av kirurgiske guider og pasientspesifikke fikseringsplater. Det løser unøyaktigheter som finnes i tidligere ikke-beregnede og semi-beregnede metoder som digitale wafers og gir full kontroll over den vertikale dimensjonen som ikke fikk en bestemt løsning i disse metodene. Andre fordeler med metoden inkluderer full kontroll over operasjonen ved å utføre en virtuell plan for operasjonen, inkludert de planlagte osteotomies og fikseringplater, betydelig reduksjon i pris (sammenlignet med outsourcing planleggingen), og reduksjon i driftsvarighet. Begrensninger inkluderer behovet for å mestre CAD-programmene og prisen på 3D-trykte titanplater som er betydelig høyere enn å bruke wafers og lager titanplater. Metodene som er beskrevet her, spesielt planleggingen av kirurgiske guider og plater kan ytterligere endres for mange kirurgiske formål. Vi beskriver bruken av denne metoden for kirurgisk planlegging av benete reseksjon og rekonstruksjon i ansiktsbein. Denne metoden kan brukes til å innovere innen kirurgisk planlegging og rekonstruksjon^3,5 og kan også brukes i forskning, for eksempel i planlegging av sofistikerte stillas design for bein regenerering.

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