Digitale studie modeller

Digitale modeller (figur 1) blev introduceret omkring århundredeskiftet af det amerikanske firma OrthoCAD®, og de første publikationer var fokuseret på at validere metoden ved at sammenligne målinger foretaget på henholdsvis virtuelle modeller og gips modeller, der stadig blev regnet som «the gold standard». Reliabilitet og reproducerbarhed af målinger foretaget på gips og digitale modeller blev sammenlignet og det blev fastslået at digitale modeller var et anbefalelsesværdigt alternativ til gipsmodeller i relation til behandlings planlægning (1 - 3). Senere demonstrerede en række undersøgelser, at både intra- og inter-eksaminer reproducerbarhed var signifikant bedre i relation til målinger udført på digitale modeller end på konventionelle gips modeller (4 - 6).

Brugen af virtuelle modeller betød, at opbevaringsplads under og efter behandling blev overflødig. En anden fordel, var at risiko for beskadigelse og slid af modeller, ved gentagende brug (til undervisning etc.) var elimineret. Endelig blev muligheden for at «dele» modeller med flere behandlere i tilfælde af multi-disciplinære behandlinger fremhævet som en fordel (5; 7; 8).

De digitale modeller byder desuden på muligheden for at foretage en lang række analyser, der ikke lader sig gøre på konventionelle modeller. Behandlingsinducerede ændringer kan visualiseres ved superimponsering på rugae i ganen (figur 2). Ved at «skære» modellerne i forskellige planer vil det være muligt at fastslå incisivernes bucco-linguale inklinationer og dermed fastlægge hvilke ændringer, der er realistiske med væsentlig mindre metodefejl end hvis tilsvarende mål var udført på profilrøntgen billeder (9; 10) (figur 3). Brugen af virtuelle modeller kan således i stort omfang erstatte cephalometriske undersøgelser, hvor mange beslutninger er baseret på incisivernes hældning kombineret med bløddelsprofilen. I relation til forskning udgør digitale modeller et værdifuldt materiale, der i relation til mange problemstillinger overgår profilrøntgen og studiemodeller. Ved at observere, hvad der sker i den tidlige voksen alder i forhold til de digitale modeller, muliggøres en vurdering af kriterierne for udvælgelse til ortodonti.

Scanning af modeller er aktuelt «State of the Art», imidlertid ligger der et potentiale i intraoral scanning, som med tiden kan afløse konventionel aftrykstagning.

Brugen af digitale modeller i relation til analyser af efterbehandlingsundersøgelser har endnu ikke været genstand for megen opmærksomhed. De virtuelle modeller med simulerede behandlingsmål kan udleveres til patienten og henvisende tandlæge. Eftersom det ortodontisk behandlings resultat aldrig kan forventes at være stabilt, da også ubehandlede tandsæt ændrer sig kontinuerligt ikke alene hos børn, men også hos voksne (11; 12), bør stabilitet derfor snarere betragtes som en «vedligeholdelsesmulig - maintainable» situation, og de fleste behandlingsresultater vil kræve vedligeholdelse af det opnåede resultat, dvs. vedligeholdelse af tænder og parodontium, men også i mange tilfælde en mekanisk retention. Ved at præsentere patienten og den praktiserende tandlæge for det opnåede resultat i form af en digital model er ansvaret for vedligeholdelsen placeret, og patient og tandlæge har mulighed for tage passende forholdsregler.

3-D foto

2-D foto er udbredt til vurdering af ansigtets morfologi og er en vigtig klinisk registrering i såvel behandlingsplanlægning som forskning indenfor ortodonti og ortognatkirurgi (13; 14). Gennem det sidste årti er der udviklet forskellige 3-D applikationer til fremstilling af overflader, hvor formålet stadig er at vurdere ansigtsform og morfologi men på en langt mere realistisk måde (15; 16). De to mest anvendte teknikker i dag er 3-D laser scanning og 3-D fototeknik. Sidstnævnte er blevet førstevalg på grund af præcision, hurtighed og realistisk gengivelse af bløddelsstrukturer (17). I modsætning til fototeknikken benytter en laserscanning sig af en laserstråle, som skal vandre over hele ansigtets overflade, hvilket er en relativ langsom proces med risiko for bevægelsesartefakter. Endvidere kan der være tale om skadevirkning på patientens øjne ved anvendelse af laser. 3-D fototeknik anvender forbundne kameraer, to eller flere, parvist konfigurerede og med struktureret lyssætning, som giver mulighed for hurtig kortlægning (2 ms) af 3-D koordinater og præcis fremstilling overfladestrukturen (18).

Virtuel planlægning af ortognatkirurgi

Ortognatkirurgisk planlægning, som omfatter forskydning af en eller begge kæber, udføres traditionelt med indstøbning af over- og underkæbemodeller i artikulator, hvor flytninger og fremstilling af operationsskinner kan foregå. Det er af stor betydning, at modellerne placeres præcist i forhold til Frankfort horisontalplanet og kæbeleddene, og at relationerne mellem maxil og mandibel er korrekte. Ved montering af overkæbemodellen i artikulatoren anvendes ansigtsbueregistrering, der imidlertid er forbundet med flere fejlkilder, som påvirker præcisionen (19), specielt når der er tale om udtalte ansigtsasymmetrier. Oprindeligt blev 3-D planlægning baseret på CT-scanninger, som er forbundet med høj strålingsdosis. Med introduktionen af conebeam CT-scanninger (CBCT) er det blevet muligt at reducere både stråledosis og omkostninger betydeligt. CBCT gengiver dog ikke tænderne med tilstrækkelig nøjagtighed, og den største udfordring i udviklingen af et pålideligt 3-D system, har været at få fremstillet tændernes konturer præcist nok til fabrikation af en operationsskinne til styring af kæbeflytningerne peroperativt. Gateno et al. (20) demonstrerede imidlertid, at fremstillingen af en STL (stereolitografisk) baseret operationsskinne ikke klinisk kunne adskilles fra en konventionel fremstillet.

Præcise okklusionsrelieffer kan opnås ved at fusionere den 3-dimensionelle virtuelle kraniemodel med et datasæt, som nøjagtigt gengiver tænderne. Dette kan foretages enten ved hjælp af en CBCT scanning med høj opløselighed af aftryk af tandbuerne (21) eller ved at indsætte digitale modeller (22) og derved skabe en komposit 3D model bestående af kraniet og de digitalt fremstillede tandbuer. Ved kombinationen af digitale modeller og CBCT udnyttes den høje opløsning af den digitale model og den lave røntgen dosis ved CBCT til at optimere detaljeringen af det nødvendige kirurgiske indgreb (23; 24). Reproducerbarheden af denne metode overstiger klart metodefejlen forbundet alene med artikulator montagen brugt i forbindelse med gipskirurgi (25). Anvendelse af 3-D medfører en betydelig øgning af information betydeligt vedrørende de aktuelle ændringer i knoglesegmenternes position, hvor interferenser eller for store afstande mellem knoglesegmenterne bliver tydeliggjorte. Derved sikres en højere grad af realistiske kæbeflytninger allerede i planlægningsfasen. Til en vis grad svarer anvendelsen af en virtuel 3-D model til anvendelsen af fysiske 3-D modeller, som har været anvendt i mere end 10 år på Kæbekirurgisk afd. til såvel rekonstruktive som korrektive opgaver.

Virtuel planlægning af ortognatkirurgi kræver tydeligvis en ændring i den konventionelle måde, de forskellige trin i planlægningen opfattes på, og det er af væsentlig betydning, at validiteten af de udførte flytninger kan verificeres. Det er dog klart, at der ligger store potentielle fordele ved anvendelse af virtuel planlægning, da flere fejlkilder ved planlægningen kan elimineres, når kombination af planlægning i artikulator og 2-D cephalometri ikke længere er nødvendig.

Kæbekirurgisk afd. og Sektion for Ortodonti har gennem nogle år samarbejdet om at udvikle en metode til virtuel planlægning og fremstilling af STL baserede operationsskinner. Systemet er baseret på CBCT scanning og virtuelle modeller. Der anvendes O3DM Surgical Planning fra O3DM (OrtoLab, Czestochowa, Poland). Planlægningen omfatter 6 trin ( figur 4).

På basis af alginataftryk af over-og underkæbetandbuen fremstilles virtuelle modeller. Sammenbid tages med condylerne placeret korrekt i kæbeleddene og med en tykkelse, der akkurat tillader en anelse afstand mellem tænderne og indenfor rotationsbevægelsen i kæbeleddene. Herved undgås føringer ved sammenbid, idet okklusionen før kirurgien ikke er entydig, og det bliver muligt at adskille den virtuelle over-og underkæbemodel. CBCT-scanningen tages med dette sammenbid for at sikre sammenfald af condylens position med den klinisk fastlagte.

Der foretages herefter en initial planlægning i overensstemmelse med de retningslinjer, der er besluttet ved den prækirurgske konference.

3-D modellen genereres og sammensættes med de virtuelle modeller af tandbuerne (figur 5). Dette foregår i programmet ved at udvælge fem til otte, let genkendelige punkter på både 3-D modellen af kraniet og på den digitale model, idet de to objekter vises samtidigt på skærmen og simultant kan roteres og forskydes efter behov. 3-D modellen af kraniet og de to digitale modeller sammensættes derved til ét 3-D objekt.

Osteotomilinjerne angives og 3-D modellen deles i de relevante objekter. Hvis den ortokirurgiske plan omfatter osteotomi på mandiblen og maxillen, vil der være tale om tre objekter: mandibel, maxil og kraniet. I mange tilfælde vil der yderligere være tale om deling af maxillen, således der optræder eksempelvis fem objekter: mandibel, tre maxilsegmenter og kraniet (figur 6).

De frigjorte segmenter kan nu flyttes efter den initiale plan, og kirurgen kan kontrollere flytningerne med hensyn til interferenser eller rumdannelse mellem segmenterne, ligesom planens overordnede mål kan vurderes og konfereres med ortodontisten. Der er i programmet indbygget en rotationsbevægelse i kæbeleddene, således der kan foretages autorotation af mandiblen efter behov. Dette er nødvendigt ved fremstilling af operationsskinnen, hvor mandiblen autoroterer let posteriort, således der kan defineres et rum mellem tandbuerne, hvis datasæt angiver operationsskinnens udformning (figur 7).

Systemet er operationelt og anvendes på langt de fleste af Kæbekirurgisk afd.'s ortognatkirurgiske patienter. Det er planen, at der skal udvikles en mulighed for at inddrage 3D foto, således bløddelsprofilen kan genereres, og der kan udvikles en algoritme, der forudsiger ændringerne i bløddelsprojektionerne. Den virtuelle planlægning vil potentielt kunne udvikles til også at danne basis for fremstilling af templates, der kan angive flytninger på knogleniveau og indikere den præcise position af skruer og andet osteosyntesemateriale.

Rekonstruktiv kirurgi

Den tredimensionelle rekonstruktion af defekter i ansigtsskelettet efter ablation af benigne eller maligne tumorer, efter traumer og ved udtalte asymmetrier er en stor udfordring. Anvendelse af 3-D teknologi har udvidet mulighederne for tilpasning af transplantater og fremstilling af patientspecifikke implantater i fx. polyetheretherketon (PEEK). PEEK er et termoplastisk biomateriale, som er formstabilt og biologisk inert. Materialet er radiolucent på røntgen og giver ikke artefakter ved røntgen- eller magnet resonans undersøgelse. Det påvirkes ikke af strålebehandling f.eks. gammastråling. Materialet bruges indenfor traume- og ortopædisk kirurgi (26).

Rekonstruktioner efter ablativ tumorkirurgi foregår i et interdisciplinært samarbejde mellem onkologer, plastik kirurger, ØNH læger og kæbekirurger, og den prækirurgiske behandlingsplanlægning kan faciliteres ved hjælp af virtuel kirurgi, hvor man konverterer CT/CBCT billeder til 3-D objekter, som tillader visualisering af kirurgien ved team konferencerne.

Ved rekonstruktion af f.eks. mandiblen efter tumorkirurgi anvendes der ofte et mikrovaskulært fibulatransplantat. Det er vanskeligt at foretage korrekt osteotomi på fibula og efterfølgende tilpasse transplantatet i tre dimensioner med tæt knoglekontakt samtidig med korrekt condylposition. Ved den virtuelle planlægning kan der fremstilles kirurgiske guides, som angiver osteotomilinjerne svarende til mandiblen og «bore» guides til fibula, hvor den præcise længde, vinkel og knæk på fibulatransplantatet angives. Resektions- og osteotomilinjer kan planlægges og rekonstruktionsplader kan tilpasses præoperativt. Figur 8 viser flowdiagram anvendt ved rekonstruktion med f.eks. fibula transplantat (27).

Fordelene ved anvendelse af virtuel kirurgi er samtidig, at den præcise størrelse på fibula transplantatet kan fastlægges, hvorved patienten spares for mere ekstensiv kirurgi ved udtagelsen af fibula. Desuden fås bedre knoglekontakt mellem osteotomilinjerne, da transplantatet er meget præcist udskåret. Donorstedets morbiditet bliver lavere, da iskæmitiden nedsættes, og anvendelsen af bore-guides og for-bukkede plader resulterer i at operationstiden totalt nedsættes (27 - 29). Indlæggelses- og rekonvalescensperioden nedsættes tilsvarende.

Ved store ansigtsasymmetrier kan den virtuelle 3D model anvendes til at estimere volumen af et individuelt fremstillet implantat eller lade den virtuelle model spejle den uafficerede side over den afficerede. Efter at have subtraheret siderne fra hinanden fremstår asymmetrien som forskel i volumen. Denne volumenforskel kan bruges til, via computersoftware, at forme et patientspecifikt PEEK implantat, som kan indopereres direkte på knoglen for at kompensere for asymmetrien. Denne teknik kan også bruges til fremstilling af patientspecifikt osteosyntesemateriale i titanium, fx. ved rekonstruktion af store blow-out frakturer i orbita.

Den stadige udvikling af soft-ware vil fremover muliggøre design af apparatur til ortodontiske flytninger og forskellige hjælpemidler anvendt under udførelsen af kirurgien. Der kan fremstilles templates, som angiver positionen af skruer til osteosyntese, som med sikkerhed placeres uden risiko for tilstødende anatomiske strukture: Osteosyntesemateriale kan tænkes fremstillet individuelt og således fungerer som entydig indikator for den korrekte position af knoglesegmenterne og korrekt stilling af kæbeleddet.

Deklaration

O3DM Surgical Planning fra O3DM er udviklet i et samarbejde mellem Sektion for Ortodonti, Aarhus Universitet, Kæbekirurgisk afd., Aarhus Universitetshospital og OrtoLab, Czestochowa, Poland.