Behandlung von Gesichtsdeformitäten durch 3D-Planung und Druck patientenspezifischer Implantate

Zusammenfassung

Da sich die Technologie entwickelt und benutzerfreundlicher wird, sollte die Planung von Operationen und patientenspezifischen chirurgischen Führungen und Fixierungsplatten vom Chirurgen durchgeführt werden. Wir präsentieren ein Protokoll zur 3D-Planung von orthognathischen Skelettbewegungen und zur 3D-Planung und zum Druck von patientenspezifischen Fixierungsplatten und chirurgischen Führungen.

Zusammenfassung

Technologische Fortschritte in der chirurgischen Planung und patientenspezifische Implantate entwickeln sich ständig weiter. Man kann entweder die Technologie übernehmen, um bessere Ergebnisse zu erzielen, auch in der weniger erfahrenen Hand, oder ohne sie weitermachen. Da sich die Technologie entwickelt und benutzerfreundlicher wird, glauben wir, dass es an der Zeit ist, dem Chirurgen die Möglichkeit zu geben, seine Operationen zu planen und seine eigenen patientenspezifischen chirurgischen Führungen und Fixierungsplatten zu erstellen, die ihm die volle Kontrolle über den Prozess ermöglichen. Wir präsentieren hier ein Protokoll zur 3D-Planung der Operation, gefolgt von der 3D-Planung und dem Druck von chirurgischen Führungen und patientenspezifischen Fixierungsimplantaten. Dabei verwenden wir zwei kommerzielle computergestützte Design-Software (CAD). Wir verwenden auch einen fused deposition modeling Drucker für die chirurgischen Führungen und einen selektiven Lasersinterdrucker für die Titan-Patienten-spezifischen Fixierungsimplantate. Das Verfahren umfasst die Bildgebungserfassung (CT), die 3D-Segmentierung des Schädels und der Gesichtsknochen aus der CT, die 3D-Planung der Operationen, die 3D-Planung des patientenspezifischen Fixierungsimplantats entsprechend der Endposition der Knochen, die 3D-Planung von chirurgischen Leitfäden für die Durchführung einer genauen Osteotomie und die Vorbereitung des Knochens für die Fixierungsplatten sowie den 3D-Druck der chirurgischen Leitfäden und der patientenspezifischen Fixierungsplatten. Die Vorteile der Methode sind die volle Kontrolle über die Operation, geplante Osteotomien und Fixierungsplatten, signifikante Preissenkung, Verkürzung der Betriebsdauer, überlegene Leistung und hochpräzise Ergebnisse. Zu den Einschränkungen gehört die Notwendigkeit, die CAD-Programme zu beherrschen.

Einleitung

Der 3D-Druck ist ein additives Verfahren, das auf der schrittweisen Platzierung von Schichten aus verschiedenen Materialien basiert und so 3D-Objekte erzeugt. Es wurde ursprünglich für Rapid Prototyping entwickelt und 1984 von Charles Hull eingeführt, der als Erfinder der Stereolithographie-Methode auf der Grundlage von Erstarrungsschichten von Photopolymerharz¹gilt. Technologische Fortschritte in der virtuellen Planung von Operationen sowie planung und Druck von patientenspezifischen Implantaten entwickeln sich ständig weiter. Innovationen entstehen sowohl im Bereich der computergestützten Designsoftware (CAD) als auch in den 3D-Drucktechnologien². Gleichzeitig mit technologischen Entwicklungen werden Software und Drucker benutzerfreundlicher. Dies verkürzt die Zeit für Planung und Druck und ermöglicht dem Chirurgen die Möglichkeit, seine Operationen zu planen und seine eigenen patientenspezifischen chirurgischen Führungen und Fixierungsplatten in einem Feld zu erstellen, das ausschließlich ein "Spielplatz" eines Ingenieurs war. Diese Entwicklungen ermöglichen es Auch Chirurgen und Ingenieuren, neue Anwendungen und Designs von patientenspezifischen Implantaten^3,4,5einzuführen.

Eine dieser Anwendungen ist die 3D-Planung orthognathistischer Operationen, gefolgt von der 3D-Planung und dem Druck von chirurgischen Führungen und patientenspezifischen Fixierungsplatten. Historisch wurden orthognathischen Operationen mit Artikulatoren geplant. Ein Gesichtsbogen wurde verwendet, um die Beziehung des Oberkiefers zum temporomandibulären Gelenk zu registrieren und so die Abgüsse des Patienten im Artikulator zu positionieren. Später wurden die chirurgischen Bewegungen an den Gussteilen durchgeführt und ein Acryl-Wafer wurde vorbereitet, um bei der richtigen Positionierung der Kiefer während der Operation zu helfen. Diese Methode wurde viele Jahre lang verwendet und wird heute noch von den meisten verwendet, aber die Verwendung von Kegelstrahl-Computertomographie (CT) zusammen mit intraoralen Scannern und CAD-Software ermöglichte eine genaue Planung, schonen den Bedarf an Facebows oder Gussteilen und in Richtung der Schaffung digital geplanter Wafer⁶. Diese Methode reduzierte die Ungenauigkeit der manuellen Manipulation und Messungen, hatte aber immer noch Fehler, einschließlich der Verwendung des instabilen Unterkiefers als Bezugspunkt für die Positionierung des Oberkiefers und mangelnde Kontrolle über die vertikale Positionierung des Oberkiefers⁷. So wurde eine neue Methode eingeführt. Diese Methode wird als "waferless" Chirurgie bezeichnet und basiert auf der anatomischen Neupositionierung der Kiefer mit chirurgischen Schneidführungen und patientenspezifischer Fixierung Titanplatten⁸. Diese Methode löst die Zuvor beschriebenen Nachteile der zuvor beschriebenen digitalen Wafermethode. Wir beschreiben diese Methode, die dem Chirurgen völlige Freiheit bei der Planung dieser Operationen auf patientenspezifische Weise, mit minimalen möglichen Fehlern und Ungenauigkeiten ermöglicht. Diese Methode ermöglicht eine "waferlose" Operation, was bedeutet, dass es nicht notwendig ist, den gegensätzigen Kiefer als Referenz für die Neupositionierung der Knochen zu verwenden, wodurch die ungenauigkeiten, die sich aus dieser Abhängigkeit ergeben, verringert werden⁹.

Protokoll

1. Neupositionierung der Backen

HINWEIS: Dieser Abschnitt wird mit der Bildgebungssoftware (d. h. Dolphin) durchgeführt.

1. Laden Sie die Gesichtsknochen CT-Bild DICOM-Dateien des Patienten (Abbildung 1A) in die Software durch Die Auswahl der 3D-Taste auf der linken Seite und klicken Sie auf Import New DICOM (Ergänzende Abbildung 1). Geben Sie den 3D-Bearbeitungsmodus ein, indem Sie auf 3D | Bearbeiten.
2. Richten Sie das 3D-Bild mit der Orientierungstaste auf der linken Seite aus. Erstellen Sie ein Panoramabild mit der Schaltfläche Röntgen erstellen auf der linken Seite (Ergänzende Abbildung 2).
3. Gehen Sie zu Tools | Orthognathistisch-chirurgische Planung | Starten Sie New Workup.
4. Positionieren Sie die Segmente im Panoramabild. Schneiden Sie jedes Segment zu, um den Bereich des entsprechenden Bone zu enthalten.
   HINWEIS: Die Reinigungsstufe ist nützlich, wenn aus Gründen der Genauigkeit ein gescannter Zahnbogen und ein CT-Scan überlagert werden, um einen Wafer zu erstellen. Dies ist nicht in einer "waferlosen" Operation angegeben, wie hier vorgestellt und so in diesem Stadium kann man CT-Unvollkommenheiten reinigen, wenn sie vorhanden sind.
5. Wählen Sie die geeignete Osteotomie für den Patienten auf der linken Pfanne unter Osteotomien (wie LeFort I, sagittal Split, etc.). Markieren Sie die genaue Position der Osteotomielinien, indem Sie die gelben Kreise bewegen (Ergänzungsabbildung 3).
   HINWEIS: Es ist äußerst wichtig, die Wurzelspitzen der Zähne zu beachten, da die Lage der Osteotomie, die hier beschlossen wird, die später auf der Grundlage der chirurgischen Führungen durchgeführt wird. Vermeiden Sie immer die Wurzeln und halten Sie einen Abstand von 5 mm.
6. Markieren Sie verschiedene Sehenswürdigkeiten, indem Sie mit der linken Maustaste auf die richtige Position für jedes vorgeschlagene Wahrzeichen klicken.
   HINWEIS: Dies ist wichtig für Messungen und Bewegungszwecke in den nächsten Phasen.
7. Führen Sie Bewegungen von Knochensegmenten durch. Ziehen Sie den Bone an die richtige Position oder aus Gründen der Genauigkeit mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Eingabebewegungen mit der Tastaturaus.
8. Um die Bewegung wichtiger Landmarks zu verfolgen, drücken Sie die Schaltfläche Optionen behandeln auf der linken Seite und wählen Sie Landmark Offset- und Messtabellen anzeigen.
   ANMERKUNG: In der nächsten Registerkarte kann der pre und post virtuell geplante Vorgang beobachtet werden (Ergänzende Abbildung 4).
9. Exportieren Sie die Stl-Dateien der beiden verschiedenen Positionen der Knochensegmente, eine in der präoperativen Phase und eine in der postoperativen Phase, mit der Schiebeleiste auf der linken Seite und den Exportsegmenten in der Stl-Taste auf der linken Seite.

2. Vorbereitung patientenspezifischer Fixierplatten und chirurgischer Führungen

HINWEIS: Dieser Abschnitt wird mit der 3D-Design-Software (d. h. Geomagic Freeform) durchgeführt.

1. Klicken Sie auf Datei | Importmodell (Ergänzende Abbildung 5A), um die stl-Dateien aus Schritt 1.9 zu importieren, die die Position des Oberkiefers und des Mittelgesichts nach der Osteotomie, aber vor der Neupositionierung in der endgültigen Position zeigen.
2. Beginnen Sie mit der Planung der patientenspezifischen Fixierungsplatten in der Endposition des Oberkiefers. Wählen Sie in der Werkzeugpalette links unter der Kategorie Ebenen die Option Ebene erstellen (Zusätzliche Abbildung 6A). Hier wird die erste Konstruktion der Platten durchgeführt. Bewegen Sie die Ebene manuell parallel zum Knochen, an dem die Platte platziert wird.
3. Wählen Sie unter der Kategorie Skizze (Ergänzende Abbildung 6B) eine Kreisform aus und erstellen Sie Kreise mit einer Größe, die für die später zu verwendenden Schrauben geeignet ist. Erstellen Sie einen zweiten Kreis um den vorherigen 3 mm größeren Durchmesser, um die Befestigungsplatte zu skizzieren.
   HINWEIS: Die Größe der Kreise wird auf der Grundlage der in jedem Institut verwendeten Fixierungssätze bestimmt. Die Kreise werden oberhalb und unterhalb der geplanten chirurgischen Osteotomie platziert (bereits in Abschnitt 1 festgelegt).
4. Projizieren Sie den Entwurf von der Ebene auf den Knochen. Verwenden Sie unter der Kategorie Kurven (Ergänzende Abbildung 7) das Projektskizzenwerkzeug und wählen Sie die Kreise aus, die von der Ebene auf den Knochen übertragen werden sollen.
5. Um die äußeren Kreise für das Design der äußeren Grenzplatte zu verbinden, wählen Sie unter der Kategorie Kurven das geteilte Werkzeug aus, und definieren Sie den Teil des Kreises, der entfernt wird, um eine Verbindung zu den angrenzenden Kreisen zu ermöglichen. Wählen Sie mit der Auswahloption den definierten Teil des Kreises aus und löschen Sie ihn. Verwenden Sie unter der Kategorie Kurven das Werkzeug "Zeichnungskurve", und verbinden Sie die äußeren Kreise, um eine kontinuierliche äußere Form der patientenspezifischen Platte zu erstellen.
6. Duplizieren Sie vor dem Erstellen der Fixierungsplatte den Oberkiefer, indem Sie mit der rechten Maustaste klicken und Duplizieren aus der Objektliste auswählen (Ergänzende Abbildung 7A). Dies ermöglicht die Verwendung des booleschen Werkzeugs in den nächsten Schritten, um die Fixierungsplatte zu erstellen.
7. Verwenden Sie unter der Kategorie Detail Clay die Prägung mit Kurvenwerkzeug. Dadurch wird das Volumen der Fixierungsplatte auf der Grundlage der zuvor projizierten Kurven erstellt. Wählen Sie die äußere Formkurve aus, und platzieren Sie dann den kreisförmigen Cursor innerhalb und auf der Oberfläche der geformten Platte (beachten Sie, dass der Cursor auf der Seite platziert werden soll, um geprägt zu werden). Wählen Sie unten die Parameter der Funktion aus, vor allem die Option Entfernung, die die Dicke der zukünftigen Befestigungsplatte steuert.
8. Trennen Sie die Platte vom Oberkiefer. In dieser Phase wird die boolesche Option ausgeführt. Wählen Sie den ursprünglichen Oberkiefer, klicken Sie mit der rechten Maustaste aus der Objektliste und klicken Sie auf Boolean | Entfernen von | Oberkiefer mit Platte.
9. Um die Bohrungen für die Schrauben zu erstellen, zeichnen Sie entweder die Schrauben/scannen Sie sie und verwenden Sie dann die boolesche Option oder verwenden Sie das SubD-Werkzeug. Verwenden Sie unter der Kategorie Unterd-Oberflächen (Ergänzende Abbildung 8) das Werkzeug Drahtschnitt SubD, um Stäbe senkrecht zur Platte in der Größe der gewünschten Bohrungen zu erstellen, die basierend auf den in Schritt 2.3 erstellten Kreisen durchgeführt wird, die von der senkrechten Ebene stammen.
10. Als nächstes subtrahieren Sie die Stäbe von der Platte mit dem Boolean | Aus der Technik entfernen.
    ANMERKUNG: Zu diesem Zeitpunkt ist die endgültige Befestigungsplatte fertig (Ergänzungsabbildung 9). Für die Osteotomie müssen geeignete chirurgische Führungen geplant werden, damit die Platten perfekt passen.
11. Um die Führungen zu erstellen, positionieren Sie den Oberkiefer an seine ursprüngliche Position, aber mit den Im Knochen markierten Schraubenlöchern entsprechend der Fixationsplatte, die in der endigen Position des Kiefers erstellt wurde (beachten Sie, dass die Löcher in der Mittelfläche die Position nicht ändern, da die Mittelfläche an der gleichen Position bleibt).
    1. Um dies durchzuführen, positionieren Sie den Kiefer mit den Kurven für die Löcher, die für die endgültige Befestigungsplatte verwendet werden, an der ursprünglichen Position des Kiefers vor der Bewegung. Verwenden Sie unter der Kategorie "Ton auswählen/verschieben" die Option Stücke registrieren. wählen Sie die Quelle (Oberkiefer-Postbewegung) und das Ziel (Oberkiefer und Mittelgesicht vor der Bewegung). Verwenden Sie eine große Anzahl von Fixpunkten auf beiden Objekten, um die Genauigkeit bei der Neupositionierung zu erzielen.
12. Basierend auf neu positionierten Löchern erstellen die chirurgischen Führungen in ähnlicher Weise wie für die Befestigungsplatten beschrieben (Schritte 2.3-2.10).

Ergebnisse

Um die klinische Anwendung der Methode zu beobachten, stellen wir einen Fall einer 23-jährigen Frau vor. Sie litt in einem jüngeren Alter an kondylarer Hyperplasie, was zu einer Asymmetrie beider Kiefer führte. Abbildung 1A zeigt den retrognathischen Oberkiefer und den prognathischen Unterkiefer, die die Diskrepanzen zwischen den Kiefern aufweisen. In der Frontalansicht kann die starke Asymmetrie anhand der gelben und roten Linien detailliert beobachtet werden. Mit der Bildgebungssoftware...

Diskussion

Die 3D-Planung und der Druck ist eine der am schnellsten entwickelnden Methoden im chirurgischen Bereich. Es ist nicht nur ein vielversprechendes Werkzeug für die Zukunft, sondern ein praktisches Werkzeug, das heutzutage für hochpräzise chirurgische Ergebnisse und patientenspezifische Lösungen eingesetzt wird. Es ermöglicht hochgenaue Ergebnisse und reduziert die Abhängigkeit von der Erfahrung des Chirurgen¹⁰. Es löst viele der Nachteile der früheren alten Mode chirurgische Naden, aber die...

Materialien

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