Trattamento delle deformità facciali mediante pianificazione 3D e stampa di impianti specifici per il paziente

Riepilogo

Man mano che la tecnologia si sviluppa e diventa più user-friendly, la pianificazione delle operazioni e delle guide chirurgiche specifiche del paziente e delle targhe di fissaggio deve essere eseguita dal chirurgo. Presentiamo un protocollo per la pianificazione 3D dei movimenti scheletrici ortognatici e la pianificazione e la stampa 3D di lastre di fissaggio specifiche del paziente e guide chirurgiche.

Abstract

I progressi tecnologici nella pianificazione chirurgica e gli impianti specifici del paziente sono in continua evoluzione. Si può adottare la tecnologia per ottenere risultati migliori, anche nella mano meno esperta, o continuare senza di essa. Man mano che la tecnologia si sviluppa e diventa più user-friendly, crediamo che sia il momento di consentire al chirurgo la possibilità di pianificare le sue operazioni e creare le proprie guide chirurgiche specifiche del paziente e targhe di fissaggio che gli consentono il pieno controllo sul processo. Vi presentiamo qui un protocollo per la pianificazione 3D dell'operazione seguito dalla pianificazione 3D e dalla stampa di guide chirurgiche e impianti di fissaggio specifici per il paziente. Durante questo processo utilizziamo due software CAD (Computer-Assisted Design) commerciali. Utilizziamo anche una stampante di modellazione a deposizione fusa per le guide chirurgiche e una stampante di sinterizzazione laser selettiva per gli impianti di fissaggio specifici del paziente in titanio. Il processo include l'acquisizione di immagini di tomografia computerizzata (TC), la segmentazione 3D del cranio e delle ossa facciali dalla TC, la pianificazione 3D delle operazioni, la pianificazione 3D dell'impianto di fissazione specifico del paziente in base alla posizione finale delle ossa, la pianificazione 3D delle guide chirurgiche per l'esecuzione di un'osteotomia accurata e la preparazione dell'osso per le targhe di fissaggio e la stampa 3D delle guide chirurgiche e delle piastre di fissaggio specifiche del paziente. I vantaggi del metodo includono il pieno controllo sulla chirurgia, osteotomie pianificate e piastre di fissaggio, riduzione significativa del prezzo, riduzione della durata dell'operazione, prestazioni superiori e risultati altamente accurati. Le limitazioni includono la necessità di padroneggiare i programmi CAD.

Introduzione

La stampa 3D è un metodo additivo basato sul posizionamento graduale di strati da materiali diversi, creando così oggetti 3D. È stato originariamente sviluppato per la prototipazione rapida ed è stato introdotto nel 1984 da Charles Hull, che è considerato l'inventore del metodo stereolitografia basato su strati solidificanti di resina fotopolimera¹. I progressi tecnologici nella pianificazione virtuale degli interventi chirurgici e nella pianificazione e stampa di impianti specifici per il paziente sono in continua evoluzione. Le innovazioni nascono sia nel campo del software CAD (Computer Assisted Design) sia nelle tecnologie di stampa 3D². Simultanei agli sviluppi tecnologici, il software e le stampanti diventano più facili da usare. Questo riduce il tempo necessario per la pianificazione e la stampa e permette al chirurgo la possibilità di pianificare le proprie operazioni e creare le proprie guide chirurgiche specifiche del paziente e targhe di fissaggio in un campo che era esclusivamente "parco giochi" di un ingegnere. Questi sviluppi consentono anche a chirurghi e ingegneri di introdurre nuove applicazioni e disegni di impianti specifici per il paziente^3,4,5.

Una di queste applicazioni è la pianificazione 3D di interventi chirurgici ortognatici seguita dalla pianificazione 3D e dalla stampa di guide chirurgiche e piastre di fissaggio specifiche per il paziente. Storicamente, gli interventi chirurgici ortognatici sono stati pianificati utilizzando articolatori. Un balestra è stato utilizzato per registrare la relazione della mascella superiore all'articolazione temporomanzale posizionando così i calchi del paziente nell'articolatore. Più tardi, i movimenti chirurgici sono stati eseguiti sui calchi e un wafer acrilico è stato preparato per aiutare con il corretto posizionamento delle mascelle durante l'intervento chirurgico. Questo metodo è stato utilizzato per molti anni ed è ancora utilizzato dalla maggior parte, ma l'utilizzo della tomografia computerizzata del fascio di cono (CT) insieme a scanner intra orali e software CAD ha permesso una pianificazione accurata, risparmiando la necessità di facciali o calchi e muovendosi verso la creazione di wafer pianificati digitalmente⁶. Questo metodo ha ridotto l'imprecisione della manipolazione manuale e delle misurazioni, ma aveva ancora difetti tra cui l'utilizzo della mandibola instabile come punto di riferimento per il posizionamento della mascella superiore e la mancanza di controllo sul posizionamento verticale della mascella superiore⁷. Così, è stato introdotto un nuovo metodo. Questo metodo è chiamato la chirurgia "senza wafer" e si basa sul riposizionamento delle mascelle anatomicamente utilizzando guide di taglio chirurgiche e piastre di titanio di fissaggio specifiche del paziente⁸. Questo metodo risolve gli svantaggi del metodo del wafer digitale descritto in precedenza. Descriveremo questo metodo, che consente al chirurgo completa la libertà di pianificazione di questi interventi chirurgici in modo specifico per il paziente, con minimi possibili errori e imprecisioni. Questo metodo consente un intervento chirurgico "senza wafer", il che significa che non è necessario utilizzare la mandibola opposta come riferimento per riposizionare le ossa, diminuendo così le imprecisioni derivate da questa dipendenza⁹.

Protocollo

1. Riposizionamento delle ganasce

NOTA: questa sezione viene eseguita utilizzando il software di imaging (ad esempio, Dolphin).

1. Caricare i file DICOM dell'immagine CT delle ossa facciali del paziente (Figura 1A) nel software selezionando il pulsante 3D a sinistra e facendo clic su Importa nuovo DICOM ( Figurasupplementare 1). Accedere alla modalità di modifica 3D facendo clic su 3D Modifica.
2. Orientare l'immagine 3D utilizzando il pulsante di orientamento a sinistra. Creare un'immagine panoramica utilizzando il pulsante Crea raggi X a sinistra (Figura supplementare 2).
3. Andare a Strumenti . Pianificazione Chirurgica Ortognatica Avvia nuovo lavoro.
4. Posizionare i segmenti nell'immagine panoramica. Ritagliare ogni segmento per contenere l'area dell'osso corrispondente.
   NOTA: La fase di pulizia è utile quando, per la precisione, un arco dentale scansionato e una TAC sono sovrapposti per creare un wafer. Questo non è indicato in un intervento chirurgico "senza wafer" come presentato qui e quindi in questa fase si possono pulire le imperfezioni TC se esistono.
5. Scegliere l'osteotomia appropriata per il paziente sulla padella sinistra sotto osteotomie (come LeFort I, sagittale split, ecc.). Contrassegnare la posizione esatta delle linee di osteotomia spostando i cerchi gialli (Figura supplementare 3).
   NOTA: È estremamente importante notare gli apici alla radice dei denti come la posizione dell'osteotomia decisa qui sarà quella eseguita in seguito in base alle guide chirurgiche. Evitare sempre le radici e mantenere una distanza di 5 mm.
6. Contrassegnare diversi punti di riferimento facendo clic con il pulsante sinistro del mouse sulla posizione corretta per ogni punto di riferimento suggerito.
   NOTA: Questo è importante per le misurazioni e scopi di movimento nelle fasi successive.
7. Eseguire movimenti di segmenti ossei. Trascinare l'osso nella posizione corretta oppure, per la precisione, fare clic con il pulsante destro del mouse e scegliere Movimenti di input tramite tastiera.
8. Per tenere traccia del movimento dei punti di riferimento chiave, premere il pulsante Opzioni di trattamento a sinistra e scegliere Mostra tabelle di scostamento punto di riferimento e misurazione.
   NOTA: Nella scheda successiva è possibile osservare l'operazione pre e post virtualmente pianificata (Figura supplementare 4).
9. Esportare i file stl delle due diverse posizioni dei segmenti ossei, uno nella fase pre-operatoria e uno nella fase postoperatoria, utilizzando la barra di scorrimento a sinistra e il pulsante Esporta segmenti in stl a sinistra.

2. Preparazione di targhe di fissaggio specifiche del paziente e guide chirurgiche

NOTA: questa sezione viene eseguita utilizzando il software di progettazione 3D (ad esempio Geomagic Freeform).

1. Fare clic su File . Importa modello (Figura supplementare 5A) per importare i file stl ottenuti dal passaggio 1.9 che mostrano la posizione della mascella superiore e del midface dopo l'osteotomia ma prima del riposizionamento nella posizione finale.
2. Iniziare con la pianificazione delle piastre di fissaggio specifiche del paziente nella posizione finale della mascella superiore. Nella tavolozza degli strumenti a sinistra sotto la categoria Piani, selezionare Crea piano (Figura supplementare 6A). Qui verrà eseguita la progettazione iniziale delle piastre. Spostare manualmente il piano parallelamente all'osso in cui verrà posizionata la piastra.
3. Nella categoria Schizzo (Figura supplementare 6B), scegliere una forma circolare e creare cerchi con una dimensione appropriata per le viti da utilizzare in un secondo momento. Create un secondo cerchio attorno al precedente di 3 mm di diametro più grande per delineare la piastra di fissaggio.
   NOTA: la dimensione dei cerchi viene determinata in base ai set di fissaggio utilizzati in ogni istituto. I cerchi sono posizionati sopra e sotto l'osteotomia chirurgica prevista (decisa già nella sezione 1).
4. Proiettare il progetto dal piano all'osso. Nella categoria Curve (Figura supplementare 7), utilizzare lo strumento di schizzo del progetto e scegliere i cerchi che verranno trasferiti dal piano all'osso.
5. Per collegare i cerchi esterni per il disegno della piastra del bordo esterno, scegliere nella categoria Curve lo strumento di divisione e definire la parte del cerchio che verrà rimossa per consentire una connessione ai cerchi adiacenti. Utilizzando l'opzione di selezione, scegliere la parte definita del cerchio ed eliminarla. Nella categoria Curve, utilizzare lo strumento Disegna curva e collegare i cerchi esterni per creare una forma esterna continua della piastra specifica del paziente.
6. Prima di creare la piastra di fissaggio, duplicare la mandibola superiore facendo clic con il pulsante destro del mouse e selezionando Duplica dall'elenco oggetti (Figura supplementare 7A). Ciò consentirà l'uso dello strumento booleano nelle fasi successive per creare la piastra di fissaggio.
7. Nella categoria Argilla di dettaglio, utilizzare lo strumento rilievo con curva. In questo modo viene creato il volume della piastra di fissaggio in base alle curve precedentemente proiettate. Scegliere la curva di forma esterna, quindi posizionare il cursore a forma di cerchio all'interno e sulla superficie della piastra sagomata (si noti che il cursore deve essere posizionato sul lato per essere in rilievo). Nella parte inferiore, scegliere i parametri della funzione, principalmente l'opzione Distanza che controlla lo spessore della futura piastra di fissaggio.
8. Separare la piastra dalla mascella superiore. In questa fase viene eseguita l'opzione booleana. Scegliere l'originale mascella superiore, fare clic con il pulsante destro del mouse dall'elenco degli oggetti e fare clic su Boolean Scegli da Mascella superiore con piastra.
9. Per creare i fori per le viti, disegnare le viti/scansione e quindi utilizzare l'opzione Booleana oppure utilizzare lo strumento SubD. Nella categoria Superfici secondarie (Figura supplementare 8), utilizzare lo strumento SubD taglio filo per creare aste perpendicolari alla piastra nella dimensione dei fori desiderati, che viene eseguita in base ai cerchi creati nel passaggio 2.3 provenienti dal piano perpendicolare.
10. Quindi, sottrarre le aste dalla piastra utilizzando il valore booleano Rimuovere dalla tecnica.
    NOTA: in questa fase la piastra di fissaggio finale è pronta(Figura supplementare 9). Per consentire alle piastre di adattarsi perfettamente, è necessario pianificare guide chirurgiche adeguate per l'osteotomia.
11. Per creare le guide, riposizionare la mascella superiore nella sua posizione originale, ma con i fori a vite contrassegnati nell'osso in base alla piastra di fissaggio creata nella posizione finale della mascella (notare che i fori nella faccia centrale non cambiano posizione in quanto la faccia centrale rimane nella stessa posizione).
    1. Per eseguire questa operazione, riposizionare la mascella con le curve per i fori utilizzati per la piastra di fissaggio finale nella posizione originale della mascella prima del movimento. Nella categoria Seleziona/Sposta argilla, utilizzare l'opzione Registra pezzi. scegliere la Sorgente (movimento del palo della mascella superiore) e la Destinazione (mascella superiore e faccia media prima del movimento). Utilizzare un numero elevato di punti fissi su entrambi gli oggetti per la precisione nel riposizionamento.
12. Sulla base dei fori appena posizionati, le guide chirurgiche creano le guide chirurgiche in modo simile a quanto descritto per le piastre di fissaggio (passaggi 2.3.2.10).

Risultati

Per osservare l'uso clinico del metodo, presentiamo un caso di una donna di 23 anni. Soffriva di iperplasia condilare in età più giovane nel condilo destro con conseguente asimmetria di entrambe le mascelle. La figura 1A mostra la mascella superiore retrognatica e la mascella inferiore prognatica che mostrano le discrepanze tra le mascelle. Nella vista frontale, l'asimmetria grave può essere osservata come dettagliata utilizzando le linee gialle e rosse. Utilizzando il software di imaging...

Discussione

La pianificazione e la stampa 3D è uno dei metodi in più rapida evoluzione nel campo chirurgico. Non è solo uno strumento promettente per il futuro, ma uno strumento pratico utilizzato al giorno d'oggi per risultati chirurgici altamente accurati e soluzioni specifiche per il paziente. Permette risultati altamente accurati e riduce la dipendenza dall'esperienza del chirurgo¹⁰. Risolve molti degli svantaggi dei precedenti metodi chirurgici vecchio stile, ma i costi ritardano la piena attuazione d...

Materiali

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