Behandling av ansiktsmissbildningar med hjälp av 3D-planering och tryckning av patientspecifika implantat

Summary

I takt med att tekniken utvecklas och blir mer användarvänlig bör kirurgen utföra planering av operationer och patientspecifika kirurgiska guider och fixeringsplattor. Vi presenterar ett protokoll för 3D-planering av orthognathic skelettrörelser och 3D planering och utskrift av patient-specifika fixering plattor och kirurgiska guider.

Abstract

Tekniska framsteg inom kirurgisk planering och patientspecifika implantat utvecklas ständigt. Man kan antingen anta tekniken för att uppnå bättre resultat, även i den mindre erfarna handen, eller fortsätta utan den. I takt med att tekniken utvecklas och blir mer användarvänlig anser vi att det är dags att ge kirurgen möjlighet att planera sin verksamhet och skapa egna patientspecifika kirurgiska guider och fixeringsplattor som ger honom full kontroll över processen. Vi presenterar här ett protokoll för 3D-planering av operationen följt av 3D-planering och utskrift av kirurgiska guider och patientspecifika fixeringsimplantat. Under denna process använder vi två kommersiella datorstödd design (CAD) programvara. Vi använder också en smält deposition modellering skrivare för kirurgiska guider och en selektiv laser sintring skrivare för titan patientspecifika fixering implantat. Processen omfattar datortomografi (CT) bildframställning förvärv, 3D-segmentering av skallen och ansiktsben från CT, 3D planering av verksamheten, 3D-planering av patientspecifika fixeringsimplantat enligt den slutliga positionen av benen, 3D planering av kirurgiska guider för att utföra en exakt osteotomi och förbereda benet för fixering plattor, och 3D-utskrift av kirurgiska guider och patientspecifika fixering plattor. Fördelarna med metoden inkluderar full kontroll över operationen, planerade osteotomier och fixeringsplattor, betydande prisminskning, minskning av operationstiden, överlägsen prestanda och mycket exakta resultat. Begränsningar inkluderar behovet av att behärska CAD-program.

Introduction

3D-utskrift är en additiv metod baserad på gradvis placering av lager från olika material, vilket skapar 3D-objekt. Det utvecklades ursprungligen för rapid prototyping och introducerades 1984 av Charles Hull, som anses uppfinnaren av stereolitografimetoden baserad på stelnande lager av fotopolymerharts¹. Tekniska framsteg inom virtuell planering av operationer och planering och tryckning av patientspecifika implantat utvecklas ständigt. Innovationer uppstår både inom området datorstödd design (CAD) och i 3D-utskriftsteknik². Samtidigt som teknikens utveckling blir programvaran och skrivarna mer användarvänliga. Detta förkortar den tid som krävs för planering och tryckning och ger kirurgen möjlighet att planera sin verksamhet och skapa sina egna patientspecifika kirurgiska guider och fixeringsplattor inom ett fält som uteslutande var en ingenjörs "lekplats". Denna utveckling gör det också möjligt för kirurger och ingenjörer att införa nya tillämpningar och mönster av patientspecifika^{implantat 3,,4,5}.

En av dessa tillämpningar är 3D-planering av orthognathic operationer följt av 3D-planering och utskrift av kirurgiska guider och patientspecifika fixering plattor. Historiskt sett planerades orthognathic operationer med hjälp av articulators. En ansiktsbåge användes för att registrera förhållandet mellan överkäken till temporomandibular gemensamma därmed positionering patientens kastar i articulator. Senare utfördes kirurgiska rörelser på avgjutningar och en akryl rån var beredd att hjälpa till med korrekt placering av käkarna under kirurgi. Denna metod användes i många år och används fortfarande numera av de flesta, men utnyttjandet av konstråle datortomografi (CT) tillsammans med intraorala skannrar och CAD-programvara tillåtet för korrekt planering, skona behovet av facebows eller kastar och gå mot skapandet av digitalt planerade rån⁶. Denna metod minskade felaktigheten i manuell manipulation och mätningar men hade fortfarande brister inklusive att använda den instable underkäken som referenspunkt för positionering av överkäken och brist på kontroll över den vertikala placeringen av överkäken⁷. Således infördes en ny metod. Denna metod kallas "waferless" kirurgi och är baserad på ompositionering av käftarna anatomiskt med kirurgiska skärguider och patientspecifika fixering titanplattor⁸. Den här metoden löser nackdelarna med den digitala wafer-metoden som beskrivs tidigare. Vi kommer att beskriva denna metod, som gör det möjligt för kirurgen fullständig frihet att planera dessa operationer på ett patientspecifikt sätt, med minimala eventuella fel och felaktigheter. Denna metod möjliggör en "waferless" kirurgi, vilket innebär att det inte finns något behov av att använda den motsatta käken som referens för ompositionering av benen, vilket minskar felaktigheter som härrör från denna tillit⁹.

Protocol

1. Ompositionering av käftarna

Obs: Detta avsnitt utförs med hjälp av bildhanteringsprogram (dvs. Dolphin).

1. Ladda ansiktsbenen CT-bilden DICOM-filer av patienten (figur 1A) i programvaran genom att välja 3D-knappen till vänster och klicka på Importera nya DICOM (Supplemental Figur 1). Gå in i 3D-redigeringsläge genom att klicka på 3D | Redigera.
2. Rikta 3D-bilden med orienteringsknappen till vänster. Skapa en panoramabild med hjälp av knappen byggröntgen till vänster (Supplemental Figure 2).
3. Gå till Verktyg | Orthognathic kirurgisk planering | Starta nytt arbete.
4. Placera segmenten i panoramabilden. Beskär varje segment så att det innehåller området för motsvarande ben.
   OBS: Rengöringsfasen är användbar när, för noggrannhet, en skannad tandbåge och en datortomografi läggs ovanpå för att skapa en wafer. Detta anges inte i en "waferless" kirurgi som presenteras här och därmed i detta skede kan man rengöra CT brister om de finns.
5. Välj lämplig osteotomi för patienten på vänster pan under osteotomier (såsom LeFort I, sagittal split, etc.). Markera den exakta platsen för osteotomilinjerna genom att flytta de gula cirklarna (Supplemental Figure 3).
   OBS: Det är oerhört viktigt att notera tändernas rotapexeser eftersom platsen för osteotomi som beslutats här kommer att vara den som utförs senare baserat på de kirurgiska guiderna. Undvik alltid rötterna och håll ett avstånd på 5 mm.
6. Markera olika landmärken genom att klicka på rätt plats för varje föreslaget landmärke.
   OBS: Detta är viktigt för mätningar och rörelseändamål i nästa steg.
7. Utför rörelser av bensegment. Dra benet till rätt plats, eller för noggrannhet högerklicka och välj Indatarörelser med tangentbord.
8. För att spåra förflyttning av viktiga landmärken trycker du på Knappen Behandla alternativ till vänster och väljer Visa förskjutnings- och måtttabellerför landmärke .
   OBS: I nästa flik kan den för- och efterplanerade operationen observeras(tilläggssiffra 4).
9. Exportera stl-filerna för de två olika positionerna för bensegment, en i det föroperativa steget och en i det postoperativa steget, med hjälp av bildfältet till vänster och exportsegmenten i stl-knappen till vänster.

2. Beredning av patientspecifika fixeringsplattor och kirurgiska guider

Obs: Detta avsnitt utförs med hjälp av 3D-designprogramvara (dvs. Geomagic Freeform).

1. Klicka på Arkiv | Importmodell (Supplemental Figure 5A) för att importera stl-filer som erhållits från steg 1.9 som visar överkäkens och mittemotsvalets position efter osteotomi men före omplaceringen i slutläget.
2. Börja med att planera de patientspecifika fixeringsplattorna i överkäkens slutliga läge. I verktygspaletten till vänster under kategorin Plan väljer du Skapa plan (Tilläggsbild 6A). Här kommer den ursprungliga utformningen av plattorna att utföras. Flytta planet manuellt parallellt med benet där plattan ska placeras.
3. Under kategorin Skiss (Supplemental Figure 6B) väljer du en cirkelform och skapar cirklar med en storlek som är lämplig för de skruvar som ska användas senare. Skapa en andra cirkel runt den föregående 3 mm större i diameter för att beskriva fixeringsplattan.
   Storleken på cirklarna bestäms baserat på de fixeringsuppsättningar som används i varje institut. Cirklarna placeras ovanför och under den planerade kirurgiska osteotomi (beslutas redan i avsnitt 1).
4. Projicera designen från planet till benet. Under kategorin Kurvor (Supplemental Figure 7) använder du verktyget projektskiss och väljer de cirklar som ska överföras från planet till benet.
5. Om du vill ansluta de yttre cirklarna för den yttre kantplattans design väljer du under kategorin Kurvor delningsverktyget och definierar den del av cirkeln som ska tas bort för att möjliggöra en anslutning till de intilliggande cirklarna. Med markeringsalternativet väljer du den definierade delen av cirkeln och tar bort den. Under kategorin Kurvor använder du verktyget rita kurva och ansluter de yttre cirklarna för att skapa en kontinuerlig yttre form på den patientspecifika plattan.
6. Innan du skapar fixeringsplattan duplicerar du överkäken genom att högerklicka och välja Duplicera i objektlistan (Supplemental Figure 7A). Detta gör det möjligt att använda det booleska verktyget i nästa steg för att skapa fixeringsplattan.
7. Använd reliefen med kurvverktyget under kategorin Detaljlera. Detta skapar volymen på fixeringsplattan baserat på kurvorna som tidigare projicerats. Välj den yttre formkurvan och placera sedan den cirkelformade markören inuti och på ytan av den formade plattan (observera att markören ska placeras på den sida som ska präglas). Längst ner väljer du parametrarna för funktionen, främst alternativet Avstånd som styr tjockleken på den framtida fixeringsplattan.
8. Separera plattan från överkäken. I detta skede utförs booleskt alternativet. Välj den ursprungliga överkäken, högerklicka i objektlistan och klicka på Boolean | Ta bort från | Överkäken med platta.
9. För att skapa hålen för skruvarna, antingen dra skruvarna / skanna dem och sedan använda booleska alternativet eller använda SubD verktyget. Använd det trådskurna SubD-verktygetunderkategorin SubD för att skapa stavar vinkelrätt mot plattan i önskad håls storlek, som utförs baserat på de cirklar som skapas i steg 2.3 från det vinkelräta planet.
10. Subtrahera sedan stavarna från plattan med boolesk | Ta bort från tekniken.
    OBS: I detta skede är den slutliga fixeringsplattan klar (tilläggsbild 9). Lämpliga kirurgiska guider måste planeras för osteotomi för att plattorna ska passa perfekt.
11. För att skapa stödlinjerna, flytta överkäken till sin ursprungliga plats men med skruvhålen markerade i benet enligt fixeringsplattan som skapats i käkens slutliga läge (notera att hålen i mittsidan inte ändrar läge eftersom mittsidan förblir i samma läge).
    1. För att utföra detta, flytta käken med kurvorna för de hål som används för den slutliga fixeringsplattan till den ursprungliga placeringen av käken före rörelsen. Använd alternativet Registrera bitar under kategorin Välj/Flytta lera. välj Källan (överkäkens poströrelse) och Target (överkäken och mitt i ansiktet före rörelsen). Använd ett stort antal fasta punkter på båda objekten för noggrannhet i ompositioneringen.
12. Baserat på nyplacerade hål skapar de kirurgiska guiderna på ett liknande sätt som beskrivs för fixeringsplattorna (steg 2.3−2.10).

Representative Results

För att observera den kliniska användningen av metoden presenterar vi ett fall av en 23-årig kvinna. Hon led av condylar hyperplasi vid en yngre ålder i rätt condyle resulterar i asymmetri av båda käftarna. Figur 1A visar retrognathic överkäken och prognathic underkäken uppvisar avvikelser mellan käftarna. I frontvyn kan den allvarliga asymmetrin observeras som detaljerad med hjälp av de gula och röda linjerna. Med hjälp av bildbehandlingsprogrammet (Supplemental Figure 1) utfördes en kirurgisk behandlingsplan (Supplemental Figure 2, Supplemental Figure 3och Supplemental Figure 4). Den kirurgiska planen baserades på laterala cephalometric analys. Placeringen av den planerade beniga osteotomi är viktigt för att bevara friska tandbildning och även för att möjliggöra korrekt placering av fixering skruvar i intakt ben. 3D stl-filerna exporterades från bildhanteringsprogrammet och importerades till 3D-designprogramvaran i både pre- och efterplanerade beniga rörelseinställningar (Tilläggsfigur 5). Den patientspecifika fixeringsplattan planerades (Supplemental Figure 6, Supplemental Figure 7, Supplemental Figure 8och Supplemental Figure 9) följt av den kirurgiska vägledningsplaneringen (Supplemental Figure 10 och Supplemental Figure 11). Fixering plattan planerades på den postoperativa planerade platsen och kirurgiska guide om den aktuella statusen för patienten, baserat på den planerade osteotomi. I den presenterade patienten utfördes en bimaxillary operation. Övre käken flyttades i det första steget efter genom ompositionering av underkäken enligt den slutliga tandläkare ocklusion. Ett vestibulärt snitt ovanför mucogingival linjen i övre käken utfördes för att exponera benet. Nasal golvet var förhöjda, var de kirurgiska guider anatomiskt placerade följt av borrning hål i benet genom hålen i guiderna (dessa hål skulle senare matcha patient-specifika fixering plattan efter omplacering av käken). En osteotomi på LeFort I-nivån baserat på den kirurgiska guiden utfördes med hjälp av en ömsesidig såg. Septum, laterala väggar i näshålan och pterygomaxillary korsningen separerades med lämpliga osteotomer. Överkäken mobiliserades och flyttades symmetriskt på lämplig plats baserat på hålen i den slutliga patientspecifika fixeringsplattan som matchade de tidigare borrade hålen i överkäken och mittsidan (med hjälp av kirurgiska guider). Plattan var fixerad med titan skruvar och kirurgiska såret var sutured. En osteotomi i underkäken utfördes sedan med hjälp av en sagittal split osteotomi och flyttas baserat på tandläkare ocklusion. Slutresultatet visas i figur 1B. observera korrigeringen av käkarnas avvikelser och den allvarliga asymmetrin.

Figur 1: Pre- och Postoperativa imaging av en 23-årig patient med asymmetri i ansiktet ben. (A)Bildbehandling före operationen. Vänster: en cephalometric bild; Höger: en frontal 3D återuppbyggnad vy av CT visar den allvarliga asymmetrin. (B)Postoperativ bildbehandling. Vänster: en lateral cephalometric bild; Höger: en bakre-främre cephalometric bild som visar den perfekta korrigeringen av asymmetrin. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande bild 1: En vy av arbetsytan och 3D-knappen för import och redigering i 3D-läge. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 2: Bygga en röntgenbild. När du planerar en kirurgisk plan, bygga en panorama röntgenbild från CT-bilden är obligatoriskt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 3: Osteotomi i bildhanteringsprogrammet. En Le-Fort I osteotomi observeras separera överkäken från midface. Placeringen av osteotomi är avgörande eftersom det kommer att användas i nästa steg för kirurgiska guider konstruktion och fixering platta positionering. Undvik tandrötterna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 4: Kirurgisk behandlingsplan i bildhanteringsprogrammet. 3D-planeringen före och efter operationen kan observeras. Preoperativ visas till vänster och postoperativ visas till höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 5: Importera till 3D-designprogramvara. 3D stl-filerna exporterades från bildhanteringsprogrammet och importerades till 3D-designprogramvaran. (A)Preoperativt midface, överkäke och underkäke. (B)Postoperativ överkäke och underkäke (observera att mittbenet inte ändrar dess placering). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 6: Planering av fixeringsplattan. (A) Ett parallellt plan skapas. (B)Hålen för skruvarna och den yttre formen på plattan planeras på planet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 7: Fixeringsplatta konstruktion. (A)Efter projektion från planet och slutföra den yttre formen av plattan. (B)Skapa tjockleken på plattan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 8: Fixeringsplattans hålberedning. (A) Använda booleskfunktionen för att separera fixeringsplattan. (B)Markera hålen i plattan med alternativet SubD. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 9: Slutförd patientspecifik fixeringsplatta. (A) Den slutförd plattan. b)Plattan på benet efter den planerade benrörelsen. Lägg märke till den perfekta passformen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 10: Kirurgisk guide planering. Planeringen utförs med hjälp av hålen som planeras på överkäken i slutpositionen (för att få en perfekt passform med hålen i fixeringsplattan) men efter att ha flyttat käken till den föroperativa positionen, eftersom guiderna är de första som används under operationen för ben osteotomiberedning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande figur 11: Slutförd kirurgiska guider. (A) Den slutliga kirurgiska guider på preoperativa beniga ansiktsben. (B) Både kirurgiska guider och de slutliga fixeringsplattorna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

3D-planering och tryckning är en av de snabbast föränderliga metoderna inom det kirurgiska området. Det är inte bara ett lovande verktyg för framtiden, men ett praktiskt verktyg som används idag för mycket exakta kirurgiska resultat och patientspecifika lösningar. Det möjliggör mycket exakta resultat och minskar beroendet av kirurgens erfarenhet¹⁰. Det löser många av nackdelarna med tidigare gammaldags kirurgiska metoder, men kostnaderna fördröja det fullständiga genomförandet av metoden¹⁰. Intern planering och tryckning av de kirurgiska guiderna minskar kostnaderna till en försumlig vidd och minskar dramatiskt kostnaden för den patientspecifika fixeringsplattan. I denna rapport beskriver vi en metod för 3D planering av orthognathic kirurgi följt av 3D planering och utskrift av kirurgiska guider och patientspecifika fixering plattor som grund för kirurgen att utföra hela processen internt. Detta protokoll kan användas för någon orthognathic kirurgi, genomföra alla ovanstående fördelar.

Detta protokoll är baserat på två CAD-program. Den första är bildbehandlingsprogram, som möjliggör segmentering och kirurgisk planering inklusive osteotomi plats och beniga rörelser. Den andra är 3D-designprogramvaran, som möjliggör planering av de kirurgiska guiderna och de patientspecifika fixeringsimplantaten.

När du använder bildbehandling programvara, är det viktigt att förvärva en ordentlig CT-bild, att korrekt planera osteotomi plats, undvika skador på tandrötter och att alltid komma ihåg var den framtida fixering plattor kommer att placeras vilket lämnar tillräckligt med utrymme för de planerade plattor och skruvar. Tänk på de hål som utarbetats i de kirurgiska guiderna måste matcha hålen i den slutliga fixeringsplattan. Var noga med att exportera rätt stadier av den kirurgiska planeringen, positionen för överkäken efter osteotomi men före rörelsen, och en annan stl fil med den slutliga positionen för överkäken.

När du använder 3D-designprogramvaran är det viktigt att först planera de slutliga patientspecifika fixeringsplattorna. Efter hålförberedelserna för skruvarna måste överkäken med hålen flyttas enligt platsen före den kirurgiska rörelsen för beredning av den kirurgiska skärledaren med hålen i rätt läge. Således är ordningen på stegen avgörande för korrekt positionering och korrekt kirurgisk guide beredning. Kom alltid ihåg att om det finns ett tvivel om avvikelser i benkontinuitet på grund av artefakter eller felaktig bensegmentering är det att föredra att lägga till ben i den saknade delen eftersom ett litet utrymme mellan fixeringsplattan och benet i ett visst område är att föredra framför beniga störa placeringen av plattan. Det är viktigt att komma ihåg att ibland tandregleringstjänster beredning kan resultera i beniga brister och exponerade tandrötter, så man bör inte anta att detta beror på artefakter.

Denna metod beskriver grundläggande huvudmän i kirurgisk planering av orthognathic fall inklusive planering av kirurgiska guider och patientspecifika fixering plattor. Det löser felaktigheter som finns i tidigare icke-beräknade och halvbehållna metoder såsom digitala plattor och ger full kontroll över den vertikala dimensionen som inte fick en bestämd lösning i dessa metoder. Andra fördelar med metoden är fullständig kontroll över operationen genom att utföra en virtuell plan för operationen, inklusive planerade osteotomier och fixeringsplattor, betydande prissänkning (jämfört med outsourcing av planeringen) och minskning av driftens varaktighet. Begränsningar inkluderar behovet av att behärska CAD-programmen och priset på de 3D-tryckta titanplattorna som är betydligt högre än att använda plattor och lagera titanplattor. De metoder som beskrivs här, särskilt planeringen av kirurgiska guider och plattor kan ändras ytterligare för många kirurgiska ändamål. Vi beskriver användningen av denna metod för kirurgisk planering av beniga samband och återuppbyggnad i ansiktet ben. Denna metod kan användas för att förnya inom kirurgisk planering och återuppbyggnad^3,,5 och kan även tillämpas i forskning, till exempel vid planering av sofistikerade byggnadsställningar för benregenerering.

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