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Medicine

Tratamiento de deformidades faciales mediante planificación 3D e impresión de implantes específicos para el paciente

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

Summary

A medida que la tecnología se desarrolla y se vuelve más fácil de usar, la planificación de las operaciones y las guías quirúrgicas específicas del paciente y las placas de fijación deben ser realizadas por el cirujano. Presentamos un protocolo para la planificación 3D de movimientos esqueléticos ortognónicos y la planificación e impresión 3D de placas de fijación específicas del paciente y guías quirúrgicas.

Abstract

Los avances tecnológicos en la planificación quirúrgica y los implantes específicos del paciente están en constante evolución. Uno puede adoptar la tecnología para lograr mejores resultados, incluso en la mano menos experimentada, o continuar sin ella. A medida que la tecnología se desarrolla y se vuelve más fácil de usar, creemos que es hora de permitir al cirujano la opción de planificar sus operaciones y crear sus propias guías quirúrgicas específicas del paciente y placas de fijación que le permiten un control total sobre el proceso. Presentamos aquí un protocolo para la planificación 3D de la operación seguido de la planificación 3D y la impresión de guías quirúrgicas e implantes de fijación específicos del paciente. Durante este proceso utilizamos dos software de diseño asistido por computadora (CAD) comercial. También utilizamos una impresora de modelado de deposición fusionada para las guías quirúrgicas y una impresora selectiva de sinterización láser para los implantes de fijación específicos del paciente de titanio. El proceso incluye la adquisición por imágenes por tomografía computarizada (TC), la segmentación 3D del cráneo y los huesos faciales de la TC, la planificación 3D de las operaciones, la planificación 3D del implante de fijación específico del paciente de acuerdo con la posición final de los huesos, la planificación 3D de guías quirúrgicas para realizar una osteotomía precisa y preparar el hueso para las placas de fijación, y la impresión 3D de las guías quirúrgicas y las placas de fijación específicas del paciente. Las ventajas del método incluyen un control total sobre la cirugía, osteotomías planificadas y placas de fijación, reducción significativa en el precio, reducción en la duración de la operación, rendimiento superior y resultados altamente precisos. Las limitaciones incluyen la necesidad de dominar los programas CAD.

Introduction

La impresión 3D es un método aditivo basado en la colocación gradual de capas a partir de diferentes materiales, creando así objetos 3D. Fue desarrollado originalmente para la creación rápida de prototipos y fue introducido en 1984 por Charles Hull, quien es considerado el inventor del método de estereolitografía basado en la solidificación de capas de resina de fotopolímero1. Los avances tecnológicos en la planificación virtual de cirugías y la planificación e impresión de implantes específicos para el paciente están en constante evolución. Las innovaciones surgen tanto en el campo del software de diseño asistido por ordenador (CAD) como en las tecnologías de impresión 3D2. Simultáneamente a los desarrollos tecnológicos, el software y las impresoras se vuelven más fáciles de usar. Esto acorta el tiempo necesario para la planificación e impresión y permite al cirujano la opción de planificar sus operaciones y crear sus propias guías quirúrgicas específicas para el paciente y placas de fijación en un campo que era exclusivamente el "patio de recreo" de un ingeniero. Estos desarrollos también permiten a los cirujanos e ingenieros introducir nuevas aplicaciones y diseños de implantes específicos del paciente3,4,5.

Una de estas aplicaciones es la planificación 3D de cirugías ortognáticas seguida de la planificación 3D y la impresión de guías quirúrgicas y placas de fijación específicas del paciente. Históricamente, las cirugías ortognáticas fueron planeadas usando articuladores. Se utilizó una codo facial para registrar la relación de la mandíbula superior con la articulación temporomandibular colocando así los moldes del paciente en el articulador. Más tarde, los movimientos quirúrgicos se realizaron en los moldes y se preparó una oblea acrílica para ayudar con el posicionamiento adecuado de las mandíbulas durante la cirugía. Este método se utilizó durante muchos años y todavía se utiliza hoy en día por la mayoría, pero la utilización de la tomografía computarizada de haz de cono (TC) junto con escáneres intraorales y software CAD permitieron una planificación precisa, ahorrando la necesidad de codos o moldes y avanzando hacia la creación de obleas planificadas digitalmente6. Este método redujo la inexactitud de la manipulación manual y las mediciones, pero todavía tenía defectos incluyendo el uso de la mandíbula inferior inestable como punto de referencia para la colocación de la mandíbula superior y la falta de control sobre el posicionamiento vertical de la mandíbula superior7. Por lo tanto, se introdujo un nuevo método. Este método se denomina cirugía "sin obleas" y se basa en el reposicionamiento de las mandíbulas anatómicamente utilizando guías de corte quirúrgicas y placas de titanio de fijación específicas del paciente8. Este método resuelve las desventajas del método de oblea digital descrito anteriormente. Describiremos este método, que permite al cirujano una completa libertad en la planificación de estas cirugías de una manera específica del paciente, con errores e inexactitudes mínimas posibles. Este método permite una cirugía "sin obleas", lo que significa que no hay necesidad de utilizar la mandíbula opuesta como referencia para reposicionar los huesos, disminuyendo así las imprecisiones derivadas de esta dependencia9.

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Protocol

1. Reposicionamiento de las mandíbulas

NOTA: Esta sección se realiza utilizando el software de imágenes (es decir, Dolphin).

  1. Cargue los huesos faciales CT image DICOM files of the patient (Figura 1A) en el software seleccionando el botón 3D a la izquierda y haciendo clic en Import New DICOM (Supplemental Figure 1). Entrar en el modo de edición 3D haciendo clic en 3D Editar.
  2. Oriente la imagen 3D con el botón de orientación de la izquierda. Cree una imagen panorámica utilizando el botón de crear rayos X a la izquierda(Figura suplementaria 2).
  3. Ir a Herramientas (Herramientas) Planificación Quirúrgica Ortognática ( Orthognathic) Iniciar nuevo workup.
  4. Coloque los segmentos en la imagen panorámica. Recortar cada segmento para que contenga el área del hueso correspondiente.
    NOTA: La etapa de limpieza es útil cuando, para mayor precisión, se superponen un arco dental escaneado y una tomografía computarizada para crear una oblea. Esto no está indicado en una cirugía "sin obleas" como se presenta aquí y por lo tanto en esta etapa se pueden limpiar las imperfecciones de TC si existen.
  5. Elija la osteotomía adecuada para el paciente en la bandeja izquierda bajo osteotomías (como LeFort I, división sagital, etc.). Marque la ubicación exacta de las líneas de osteotomía moviendo los círculos amarillos(Figura Suplementaria 3).
    NOTA: Es extremadamente importante tener en cuenta los ápices de la raíz de los dientes ya que la ubicación de la osteotomía decidida aquí será la que se realice más tarde sobre la base de las guías quirúrgicas. Evite siempre las raíces y mantenga una distancia de 5 mm.
  6. Marque diferentes puntos de referencia haciendo clic izquierdo en la ubicación correcta para cada punto de referencia sugerido.
    NOTA: Esto es importante para las mediciones y los propósitos de movimiento en las siguientes etapas.
  7. Realizar movimientos de segmentos óseos. Arrastre el hueso a la ubicación correcta, o para la precisión, haga clic con el botón derecho y elija Movimientosde entrada con teclado .
  8. Para realizar un seguimiento del movimiento de los puntos de referencia clave, pulse el botón Tratar opciones a la izquierda y elija Mostrar tablas de desfase y mediciónde punto de referencia .
    NOTA: En la siguiente pestaña se puede observar la operación pre y post prácticamente planificada(Figura suplementaria 4).
  9. Exporte los archivos stl de las dos posiciones diferentes de los segmentos óseos, uno en la etapa preoperatoria y otro en la etapa postoperatoria, utilizando la barra deslizante de la izquierda y el botón Exportar segmentos en stl a la izquierda.

2. Preparación de placas de fijación específicas del paciente y guías quirúrgicas

NOTA: Esta sección se realiza utilizando el software de diseño 3D (es decir, Geomagic Freeform).

  1. Haga clic en Archivo (File) ? Modelo de importación (Figura suplementaria 5A)para importar los archivos stl obtenidos del paso 1.9 que muestran la posición de la mandíbula superior y la cara media después de la osteotomía pero antes del reposicionamiento en la posición final.
  2. Comience con la planificación de las placas de fijación específicas del paciente en la posición final de la mandíbula superior. En la paleta de herramientas de la izquierda, en la categoría Planos, seleccione Crear plano (figura complementaria 6A). Aquí se realizará el diseño inicial de las placas. Mueva manualmente el plano paralelo al hueso donde se colocará la placa.
  3. En la categoría Croquis (Figura suplementaria 6B),elija una forma de círculo y cree círculos con un tamaño adecuado para los tornillos que se utilizarán más adelante. Cree un segundo círculo alrededor del anterior de 3 mm de diámetro para delinear la placa de fijación.
    NOTA: El tamaño de los círculos se determina en función de los conjuntos de fijación utilizados en cada instituto. Los círculos se colocan por encima y por debajo de la osteotomía quirúrgica planificada (decidida ya en la sección 1).
  4. Proyecte el diseño desde el plano hasta el hueso. En la categoría Curvas (Figura suplementaria 7), utilice la herramienta de croquis del proyecto y elija los círculos que se transferirán del plano al hueso.
  5. Para conectar los círculos exteriores para el diseño de placa de borde exterior, elija en la categoría Curvas la herramienta de división y defina la parte del círculo que se eliminará para permitir una conexión a los círculos adyacentes. Con la opción de selección, elija la parte definida del círculo y elimínela. En la categoría Curvas, utilice la herramienta Dibujar curva y conecte los círculos exteriores para crear una forma externa continua de la placa específica del paciente.
  6. Antes de crear la placa de fijación, duplique la mandíbula superior haciendo clic con el botón derecho y seleccionando Duplicar en la lista de objetos(Figura suplementaria 7A). Esto permitirá el uso de la herramienta booleana en las siguientes etapas para crear la placa de fijación.
  7. En la categoría Arcilla de detalle, utilice la herramienta Relieve con curva. Esto crea el volumen de la placa de fijación en función de las curvas previamente proyectadas. Elija la curva de forma exterior y, a continuación, coloque el cursor en forma de círculo dentro y en la superficie de la placa formada (tenga en cuenta que el cursor debe colocarse en el lado que se va a grabar). En la parte inferior, elija los parámetros de la función, principalmente la opción Distancia que controla el grosor de la placa de fijación futura.
  8. Separe la placa de la mandíbula superior. En esta etapa se realiza la opción booleana. Elija la mandíbula superior original, haga clic con el botón derecho en la lista de objetos y haga clic en Boolean . Retirar de la aplicación de la aplicación de la aplicación de Mandíbula superior con placa.
  9. Para crear los agujeros para los tornillos, dibuje los tornillos/escanearlos y, a continuación, utilice la opción booleana o utilice la herramienta SubD. En la categoría Superficies subd (Figura suplementaria 8), utilice la herramienta SubD de corte de alambre para crear varillas perpendiculares a la placa en el tamaño de los taladros deseados, que se realiza en función de los círculos creados en el paso 2.3 que se originan desde el plano perpendicular.
  10. A continuación, reste las varillas de la placa utilizando el valor booleano de la placa. Retirar de la técnica.
    NOTA: En esta etapa la placa de fijación final está lista(Figura Suplementaria 9). Es necesario planificar guías quirúrgicas adecuadas para la osteotomía para que las placas encajen perfectamente.
  11. Para crear las guías, cambie la posición de la mandíbula superior a su ubicación original, pero con los orificios de tornillo marcados en el hueso de acuerdo con la placa de fijación creada en la posición final de la mandíbula (tenga en cuenta que los agujeros en la cara media no cambian de posición ya que la cara media permanece en la misma posición).
    1. Para ello, cambie la posición de la mandíbula con las curvas de los orificios utilizados para la placa de fijación final a la ubicación original de la mandíbula antes del movimiento. En la categoría Seleccionar/Mover arcilla, utilice la opción Registrar piezas. elija la Fuente (movimiento del poste de la mandíbula superior) y el Objetivo (mandíbula superior y cara media antes del movimiento). Utilice un gran número de puntos fijos en ambos objetos para obtener precisión en el reposicionamiento.
  12. Sobre la base de los orificios recién posicionados, cree las guías quirúrgicas de una manera similar a como se describe para las placas de fijación (pasos 2.3 a 2.10).

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Representative Results

Para observar el uso clínico del método, presentamos un caso de una hembra de 23 años. Sufría de hiperplasia condylar a una edad más temprana en el cóndilo derecho, lo que resultó en asimetría de ambas mandíbulas. La Figura 1A muestra la mandíbula superior retrognatica y la mandíbula inferior prognatica que exhiben las discrepancias entre las mandíbulas. En la vista frontal, la asimetría severa se puede observar como se detalla utilizando las líneas amarillas y rojas. Utilizando el software de imágenes(Figura Suplementaria 1),se realizó un plan de tratamiento quirúrgico(Figura Suplementaria 2, Figura Suplementaria 3y Figura Suplementaria 4). El plan quirúrgico se basó en el análisis cefalométrico lateral. La ubicación de la osteotomía ósea planificada es importante para preservar la dentición sana y también para permitir la colocación adecuada de los tornillos de fijación en hueso intacto. Los archivos stl 3D se exportaron desde el software de imágenes y se importaron al software de diseño 3D en configuraciones de movimiento óseo pre- y post-planificadas(Figura Suplementaria 5). Se planificó la placa de fijación específica del paciente(Figura suplementaria 6, Figura suplementaria 7, Figura suplementaria 8y Figura suplementaria 9) seguida de la planificación de la guía quirúrgica(Figura suplementaria 10 y Figura suplementaria 11). La placa de fijación se planificó en la ubicación postoperatoria planificada y la guía quirúrgica sobre el estado actual del paciente, basado en la osteotomía planificada. En el paciente presentado, se realizó una operación bimaxilar. La mandíbula superior fue reposicionada en la primera etapa después por el reposicionamiento de la mandíbula inferior de acuerdo con la oclusión dental final. Se realizó una incisión vestibular por encima de la línea mucogingival en la mandíbula superior para exponer el hueso. El piso nasal fue elevado, las guías quirúrgicas fueron colocadas anatómicamente seguidas de agujeros de perforación en el hueso a través de los agujeros en las guías (estos agujeros más tarde coincidirían con la placa de fijación específica del paciente después de la reposición de la mandíbula). Se realizó una osteotomía a nivel LeFort I basada en la guía quirúrgica utilizando una sierra recíproca. El tabique, las paredes laterales de la cavidad nasal y la unión pterigomaxilar se separaron utilizando osteotomes apropiados. La mandíbula superior fue movilizada y reposicionada simétricamente en el lugar apropiado basado en los agujeros en la placa de fijación específica del paciente final que coincidía con los agujeros previamente perforados en la mandíbula superior y la mitad de la cara (usando las guías quirúrgicas). La placa estaba fijada con tornillos de titanio y la herida quirúrgica fue suturada. Luego se realizó una osteotomía de la mandíbula inferior utilizando una osteotomía dividida sagital y se reposicionó en función de la oclusión dental. El resultado final se muestra en la Figura 1B; cabe destacar la corrección de las discrepancias de las mandíbulas y la asimetría severa.

Figure 1
Figura 1: Imágenes pre y postoperatorias de un paciente de 23 años con asimetría en los huesos faciales. (A) Preoperación de imágenes. Izquierda: una imagen cefalométrica; Derecha: una vista de reconstrucción 3D frontal de TC que muestra la asimetría grave. (B) Imágenes postoperatorias. Izquierda: una imagen cefalométrica lateral; Derecha: una imagen cefalométrica posterior-anterior que muestra la corrección perfecta de la asimetría. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 1
Figura suplementaria 1: Una vista del espacio de trabajo y el botón 3D para importar y editar en el modo 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 2
Figura suplementaria 2: Creación de una imagen de rayos X. Al planificar un plan quirúrgico, es obligatorio construir una imagen panorámica de rayos X a partir de la imagen de TC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 3
Figura suplementaria 3: Osteotomía en el software de imágenes. Se observa una osteotomía Le-Fort I que separa la mandíbula superior de la cara media. La ubicación de la osteotomía es crucial, ya que se utilizará en las siguientes etapas para la construcción de guías quirúrgicas y el posicionamiento de la placa de fijación. Evite las raíces dentales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 4
Figura suplementaria 4: Plan de tratamiento quirúrgico en el software de imágenes. Se puede observar la planificación 3D de la operación pre y posterior. La preoperatoria se muestra a la izquierda y la postoperatoria se muestra a la derecha. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 5
Figura complementaria 5: Importación en el software de diseño 3D. Los archivos stl 3D se exportaron desde el software de imágenes e importaron al software de diseño 3D. (A) Cara media preoperatoria, mandíbula superior y mandíbula inferior. (B) Mandíbula superior postoperatoria y mandíbula inferior (tenga en cuenta que la cara media no cambia su ubicación). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 6
Figura suplementaria 6: Planificación de la placa de fijación. (A) Se crea un plano paralelo. (B) Los orificios para los tornillos y la forma exterior de la placa se planifican en el plano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 7
Figura suplementaria 7: Construcción de placa de fijación. (A) Después de la proyección desde el plano y finalizando la forma exterior de la placa. (B) Creación del espesor de la placa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 8
Figura suplementaria 8: Preparación del orificio de la placa de fijación. (A) Uso de la función booleana para separar la placa de fijación. (B) Marcar los orificios de la placa mediante la opción SubD. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 9
Figura suplementaria 9: Placa de fijación finalizada específica del paciente. (A) La placa finalizada. (B) La placa en el hueso después del movimiento óseo planificado. Fíjate en el ajuste perfecto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 10
Figura suplementaria 10: Planificación de la guía quirúrgica. La planificación se realiza utilizando los orificios planificados en la mandíbula superior en la posición final (para recibir un ajuste perfecto con los agujeros en la placa de fijación) pero después de mover la mandíbula a la posición preoperatoria, ya que las guías son las primeras que se utilizan durante la operación para la preparación de osteotomía ósea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Supplemental Figure 11
Figura suplementaria 11: Guías quirúrgicos finalizados. (A) Las guías quirúrgicas finalizadas en los huesos faciales óseos preoperatorios. (B) Tanto las guías quirúrgicas como las placas de fijación finales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La planificación e impresión 3D es uno de los métodos en evolución más rápida en el campo quirúrgico. No es sólo una herramienta prometedora para el futuro, sino una herramienta práctica utilizada hoy en día para resultados quirúrgicos de alta precisión y soluciones específicas para el paciente. Permite resultados muy precisos y reduce la dependencia de la experiencia del cirujano10. Resuelve muchas de las desventajas de los métodos quirúrgicos de moda antigua anteriores, pero los costos retrasan la implementación completa del método10. La planificación interna y la impresión de las guías quirúrgicas reducen los costos a una extensión descuidada y reducen drásticamente el costo de la placa de fijación específica del paciente. En este informe describimos un método para la planificación 3D de la cirugía ortognática seguido de la planificación 3D y la impresión de guías quirúrgicas y placas de fijación específicas del paciente como base para que el cirujano realice todo el proceso internamente. Este protocolo se puede utilizar para cualquier cirugía ortognática, implementando todas las ventajas anteriores.

Este protocolo se basa en dos software CAD. El primero es el software de imágenes, que permite la segmentación y la planificación quirúrgica, incluyendo la ubicación de la osteotomía y los movimientos óseos. El segundo es el software de diseño 3D, que permite la planificación de las guías quirúrgicas y los implantes de fijación específicos del paciente.

Cuando se utiliza el software de imágenes, es crucial adquirir una imagen de TC adecuada, planificar adecuadamente la ubicación de la osteotomía, evitando daños a las raíces dentales y siempre tener en cuenta dónde se colocarán las futuras placas de fijación dejando así suficiente espacio para las placas y tornillos planeados. Tenga en cuenta que los orificios preparados en las guías quirúrgicas deben coincidir con los orificios de la placa de fijación final. Asegúrese de exportar las etapas adecuadas de la planificación quirúrgica, la posición de la mandíbula superior después de la osteotomía pero antes del movimiento, y otro archivo stl con la posición final de la mandíbula superior.

Cuando se utiliza el software de diseño 3D, es importante planificar primero las placas de fijación finales específicas del paciente. Después de la preparación del agujero para los tornillos, la mandíbula superior con los agujeros necesita ser reposicionada de acuerdo con la ubicación antes del movimiento quirúrgico para la preparación de la guía de corte quirúrgico con los agujeros en la posición correcta. Por lo tanto, el orden de los pasos es crucial para un posicionamiento preciso y una preparación adecuada de la guía quirúrgica. Recuerde siempre que si hay una duda con respecto a las discrepancias en la continuidad ósea debido a artefactos o segmentación ósea incorrecta se prefiere agregar hueso en la parte faltante porque se prefiere un ligero espacio entre la placa de fijación y el hueso en un área específica sobre la ósea interferir con la colocación de la placa. Es importante recordar que a veces la preparación de la ortodoncia puede resultar en deficiencias óseas y raíces dentales expuestas, por lo que uno no debe asumir que esto se debe a artefactos.

Este método describe los principios básicos en la planificación quirúrgica de casos ortognáicos, incluyendo la planificación de guías quirúrgicas y placas de fijación específicas del paciente. Resuelve las imprecisiones existentes en métodos anteriores no calculados y semicalculados, como obleas digitales, y permite un control total sobre la dimensión vertical que no recibió una solución definida en esos métodos. Otras ventajas del método incluyen el control completo sobre la cirugía mediante la realización de un plan virtual de la operación, incluyendo las osteotomías planificadas y placas de fijación, reducción significativa en el precio (en comparación con la externalización de la planificación), y la reducción en la duración de la operación. Las limitaciones incluyen la necesidad de dominar los programas CAD y el precio de las placas de titanio impresas en 3D, que es significativamente mayor que el uso de obleas y placas de titanio de stock. Los métodos descritos aquí, especialmente la planificación de guías quirúrgicas y placas pueden ser modificados para muchos propósitos quirúrgicos. Describimos el uso de este método para la planificación quirúrgica de la resección ósea y la reconstrucción en los huesos faciales. Este método se puede utilizar para innovar en el campo de la planificación quirúrgica y la reconstrucción3,5 y también se puede aplicar en la investigación, por ejemplo en la planificación de sofisticados diseños de andamios para la regeneración ósea.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

No se recibió fondos para este trabajo.

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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References

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Tratamiento de deformidades faciales mediante planificación 3D e impresión de implantes específicos para el paciente
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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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