Digitális technikák a szájsebészetben Dr. Redl Pál, Dr. Boda Róbert, Dr. Bogdán Sándor, Dr. Csernátony Zoltán, Manó Sándor
Készült: 2015.09.30.
A tananyag elkészítését "Az élettudományi- klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére" TÁMOP 4.1.1.C-13/1/KONV-2014-0001 számú projekt támogatta. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.
1
TARTALOMJEGYZÉK
10.
DIGITÁLIS TECHNIKÁK A SZÁJSEBÉSZETBEN ......................................................4
10.1.
3D nyomtatás alapú egyedi csontpótlás .............................................................................4
10.1.1. Bevezetés ...........................................................................................................................4 10.1.2. A 3D nyomtatás alkalmazása egyedi csontpótlás készítéséhez .........................................6 10.1.3. Összegzés .........................................................................................................................28 10.2.
Digitális technológiák arc-állcsont és szájsebészeti alkalmazása. ...................................30
10.2.1. Bevezetés .........................................................................................................................30 10.2.2. Képalkotók .......................................................................................................................30 10.2.3. Anatómiai sajátságok a maxillofacialis regióban ............................................................32 10.2.4. Klinikai alkalmazás ..........................................................................................................33 10.2.5. Összefoglaló .....................................................................................................................37 10.3.
CAD/CAM technológia a dentális implantátumok navigált beültetésében, navigált implantáció.......................................................................................................................38
10.3.1. Előzmények......................................................................................................................38 10.3.2. Diagnosztika ....................................................................................................................40 10.3.3. A radiológiai, vagy CT sablon készítése..........................................................................40 10.3.4. Digitalizáció .....................................................................................................................41 10.3.5. Diagnosztika és műtéti tervezés .......................................................................................42 10.3.6. A műtét.............................................................................................................................44 10.3.7. Összefoglalás ...................................................................................................................45 10.4.
CAD/CAM technológia az arc-állcsont- szájsebészetben ...............................................45
10.4.1. Bevezetés .........................................................................................................................45 10.4.2. A CAD/CAM módszerrel előállított termékek felhasználhatósága a maxillofaciális sebészetben ......................................................................................................................47 10.4.3. Komputer asszisztált sebészet ..........................................................................................48 10.4.4. Tervezés ...........................................................................................................................49 10.4.5. Intraoperatív navigáció ....................................................................................................49 10.4.6. Posztoperatív alkalmazás .................................................................................................50 ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK JEGYZÉKE ..............................................................................50 2
TESZTKÉRDÉSEK .......................................................................................................................51 FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM ..........................................................................................52
3
10. DIGITÁLIS TECHNIKÁK A SZÁJSEBÉSZETBEN
10.1.
3D nyomtatás alapú egyedi csontpótlás
10.1.1. Bevezetés A csontpótlás kérdése minden csontsebészeti vonatkozású szakma tevékenységének egyik izgalmas, és sok tekintetben máig sem teljesen megoldott kérdése. Egyházi feljegyzések alapján a legrégebbi dokumentált eset 1682-ből származik, amikor is egy orosz katona koponyadefektusát kutya csontjával pótolták. Az írásos emlékek azt is megemlítik, hogy az egyház óva intette a sebészt a műtét elvégzésétől. Később, amikor a katona meghalt, temetését csak a csont eltávolítása után engedélyezték. A csont csonttal való pótlásának legszerencsésebb esete a saját csont alkalmazása, az autológ csonttranszplantáció. Ilyenkor nincs immunológiai reakció, a csontsejtek gyakorlatilag élő sejtként kerülnek az átültetett csontszövettel új helyükre, és jó műtéti indikáció és technika esetén szinte garantált a siker. Ugyanakkor lehetőségeit nagymértékben korlátozza a donor csontterületek nagysága, emellett a maxillo-faciális sebészetben ugyancsak nagy fontossággal bír az átültetett csontok geometriája. A különböző idegen egyedekből történő, homológ és heterológ transzplantációk tárgyalása nem célja e fejezetnek, de elmondható róluk, hogy nem ideális megoldások, nem minden esetben és testtájékon garantált a beépülésük, nagy a velük biológiailag átvihető betegségek veszélye, úgyhogy alkalmazásuk meg sem igen honosodott és ez nem is igen várható. Szemben például a rossz gyógyhajlamú hosszú csöves csonttörések autológ spongióza átültetésével való serkentésével, a maxillo-faciális csontdefektusok pótlásánál a csonttörés gyógyulásánál – hisz sokszor jelentős csontdefektusokkal állunk szemben – a kozmetikai eredmény legalább olyan fontos. Ráadásul ezekben az esetekben általában nem is teherviselő, hanem inkább kontúrt adó csontokról van szó. Ugyanakkor a rágás mechanizmusában részt vevő csontok pótlásánál már a jelentős teherviselő képesség kialakítása is vezető szemponttá válik. 4
A csontdefektusok pótlásának több módszere terjedt el napjainkra. Még továbbra is népszerűek a titán ötvözetekből, forgácsolással méretre készült egyedi gyártású implantátumok, azonban ezek gyártási költségét és EU konform előállítási procedúráját az előírt szabályzók, azok tökéletes betartása mellet, nagymértékben megnövelik. Az újabban megjelent habosított titán illetve tantál alapanyagú csontpótlások pedig egyedi kivitelben gyártási technológiájukból következően nehezen hozzáférhetőek. Alternatívát jelent ezekkel a módszerekkel szemben a csontcement alapú pótlások készítése. A csontcement (kémiai összetételét tekintve polimetilmetakrilát) a csonttal érintkezve biológiailag gyakorlatilag inert, és több száz millió csípő-, váll- és térdprotézis viselő betegen nyert több évtizedes tapasztalat alapján alkalmas a csontbeépülést nem igénylő esetekben a hiányzó csontdefektus pótlására is. Ugyanakkor alapvető különbség, hogy a fent említett nagyízületi endoprotetikai műtétek esetén általában a csontok velőűrében vagy mesterségesen kiképzett üregében történik a csontcementtel való rögzítés, míg a maxillo-faciális sebészetben teljesen más csontos környezetben kell a rekonstrukciókat megalkotni. Debreceni Egyetem Ortopédiai Klinikája által működtetett Biomechanikai Laboratóriumban alkalmazzuk az országban egyedüliként azt az eljárást, amely eredményeképpen az egyedi csontpótlás 3D nyomtatóval készült mesterdarab alapján kialakított öntőformában peroperatív módon csontcement pótlással valósul meg. A módszer eddig már több mint 20 esetben került alkalmazásra, többnyire az agykoponyát, de néhány esetben az arckoponya bizonyos területeit is érintő területen, emellett az eljárás tapasztalataink szerint a mozgásszervi sebészetben is nagyon jó eredménnyel alkalmazható. A módszer szükségességét az is indokolja, hogy az esetek egy részében a koponyacsont egyes területeinek (különösen a calvaria) csontcementtel való pótlása még ma is a kézi formázás technikájával történik, azaz a pótlás alakját a sebész egy félig megszilárdult csontcementdarabból kézzel próbálja gyorsan a megfelelő alakra formázni, ugyanis a cement polimerizációja eleve csak néhány perc időt ad a folyamat befejezésére. Ez a módszer azonban még a legegyszerűbb esetben is csak közelítő pontosságot ad, és a csonthiány geometriájának összetettebbé válásával és méretének növekedésével ez a pontosság jelentősen lecsökken.
5
10.1.2. A 3D nyomtatás alkalmazása egyedi csontpótlás készítéséhez Ahogyan azt az előzőekben láthattuk, a csontpótló anyagokra vonatkozó feltételeknek a polimetil-metakrilát (PMMA) alapú csontcement nagy általánosságban megfelel, ezért gyakorlatilag 40 éve problémamentesen alkalmazzák a test számos területén az implantátumok rögzítése mellett csonthiányok pótlására is. A csontpótlások esetén azonban az alapanyag kérdése csak a probléma egyik része, emellett azt is meg kell oldani, hogy a pótlás alakja és rögzülése is megfelelő legyen. Az igazán pontos pótlás készítésének az alapja, hogy már a műtét előtt pontosan ismerjük a csonthiány térbeli formáját, és maga a pótlás pedig alaki megkötések nélküli eljárással készüljön. Erre napjainkban a legalkalmasabb hozzáférhető módszer a 3D nyomtatás mint additív rapid prototyping technológia, amely jelen jegyzet egy korábbi fejezetében már bemutatásra került. Csontpótló eljárásunk szempontjából a 3D nyomtatás leglényegesebb jellemzője, hogy segítségével gyakorlatilag tetszőleges geometriai komplexitású modellek állíthatók elő. Így például a koponya bonyolult struktúrájának bármely hiányzó részlete is jól rekonstruálható a módszerrel. A következőkben az általunk alkalmazott csontpótlási folyamat lépéseit mutatjuk be részletesen, a beteg CT felvételének készítésétől egészen a beültetésig.
10.1.2.1. 3D modell készítése CT felvételek alapján A folyamat első lépéseként – ahhoz, hogy eljussunk a csontpótlás alakjához – mindenekelőtt három dimenzióban rekonstruálnunk kell a sérült területet, azaz a defektust és környékét. Ahogyan ez már napjainkban gyakorlattá vált, ezt CT felvételek alapján végezzük el. A CT berendezések alapvetően metszeti képsorozatot készítenek, amit a 1980-as években az American College of Radiology által bevezetett DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) szabványos formátumban tárolnak. A CT berendezések szoftvere alapvetően képes arra, hogy a metszeti képek alapján 3D-ben rekonstruáljon és megjelenítsen bizonyos struktúrákat, azonban ezeket a 3D modelleket letölthető fájlként sajnos a rendszer nem bocsájtja rendelkezésre, így azok előállításához egy külső szoftver segítségét kell igénybe venni.
6
1. ábra CT felvétel-sorozat (részlet) és a CT berendezés által készített 3D rekonstrukció A 3D modell rekonstruálása a CT berendezésből exportálható DICOM fájlok alapján történik. A DICOM fájl azon kívül, hogy tartalmazza az adott szintnek megfelelő (általános esetben 512x512 pixel méretű) metszeti röntgenképet, rengeteg egyéb információt is magába foglal, többek között olyanokat is, amelyek a 3D rekonstrukcióhoz elengedhetetlenek. Ezeket a kiegészítő információkhoz ún. tag-ek kapcsolódnak, amelyekből több mint 3000 féle létezik. A legtöbb DICOM tag be van sorolva egy csoportba (Group), és mindegyik rendelkezik egy azonosítóval (Element), a hozzá kapcsolódó leírással (TAG description) és egy értékkel (Value). A tag-ek közül a 3D rekonstrukcióhoz legfőképpen a CT kép szeletek távolsága, orientációja, valamint az esetleges döntési szög (gantry tilt) szükséges. Ez utóbbi paraméter alapesetben nulla, ha a metszet pontosan egy adott anatómiai síkkal (általában a transzverzális síkkal) párhuzamos.
7
2. ábra Egy CT felvétel és a hozzá tartozó néhány DICOM tag A DICOM fájlok alapján történő 3D rekonstrukcióra több szoftvert is fejlesztettek. Ezek közül megemlítendő a 3D-Doctor, az ingyenes és csak az alapfunkciókat tartalmazó Invesalius, illetve a Slicer, valamint a csak MacOS-re elérhető, de igen kiterjedt DICOM feldolgozási funkciókat magába foglaló OsiriX. Az azonban kétségtelen, hogy ebben a piaci szegmensben a piacvezető a belga Materialise, akiknek kifejezetten az orvosi 3D rekonstrukciós célra fejlesztett szoftverük a Mimics. Az alkalmazás a pontos rekonstrukción túl még a folyamat előtt lehetővé teszi a CT képek javítását különféle képszűrők alkalmazásával, amellyel többek között a felvételek zajossága jelentősen csökkenthető.
3. ábra A CT felvétel zajosságának csökkentése képszűrő alkalmazásával 8
A rekonstrukció lényegében a CT felvételekre vonatkozóan kiválasztott, a vízhez viszonyított röntgensugár gyengítési, az ún. Hounsfield skála alapján történik. A számítások előtt meg kell adnunk a rekonstruálandó szövetekre vonatkozó alsó és felső határt Hounsfield egységben (HU, CT ablakolás). Csontpótlás esetén a csontot rekonstruáljuk, így természetesen a csontra jellemző Hounsfield értékeket adunk meg, ami standard esetben 1200-tól kezdődik, de attól függően, hogy a kortikális, vagy a trabekuláris részekre koncentrálunk, a skála ennek megfelelően változtatható. Megfelelő beállításokkal szükség esetén fogak, izmok, egyéb lágyrészek, vagy akár fém implantátumok 3D modellje is kinyerhető a CT felvételek alapján. Megjegyzendő, hogy fém implantátumok esetén előfordulhatnak ún. artefaktumok, sugár-szerű képzajok, amik jelentősen megnehezíthetik a rekonstrukciót. A fogpótlások környékén ez tipikus jelenség.
4. ábra: CT felvételen fém implantátumok környékén megjelenő artefaktum A szoftver lehetőséget biztosít továbbá különböző Hounsfield érték tartományokkal készült rétegek, ún. maszkok felvételére, azok különféle kombinálására (egyesítésére, kivonására, közös rész képzésre), az egyes CT rétegek kézi szerkesztésére (törlés, hozzárajzolás), valamint az egybefüggő, egymással össze nem érő 3D modellt alkotó alakzatok elkülönítésére is. Így például szükség szerint az olyan esetekben, amikor a csontpótló műtét részeként eltávolításra kerülnek korábbi implantátumok, rekonstruálhatóak az eredetileg implantátumot (pl. csavarokat, lemezeket) tartalmazó csontszegmentumok implantátumok nélkül is.
9
A rekonstrukció minősége, pontossága alapvetően a CT felvételek minőségétől, valamint a szelettávolságtól függ. Maxillo-faciális csontpótlás esetén 1-1,5 mm-es szelettávolság általában megfelelő pontosságot biztosít, de a szelettávolság csökkenésével a pontosság mindig növelhető. Az eddigiekben a különféle szakterületeken általánosan alkalmazott ún. medical CT berendezésekről, illetve az általuk készített képekről volt szó, a 3D rekonstrukció ezekkel a fájlokkal jól elvégezhető. Fontosnak érezzük azonban, hogy hangsúlyozzuk: a fogászatban általánosan alkalmazott CBCT (Cone Beam Computed Tomography) berendezésekkel készült felvételek is tökéletesen alkalmasak a külső szoftverrel történő 3D rekonstrukcióra. Egyetlen feltétele, hogy a szeleteknek megfelelő képeket DICOM formátumban ki lehessen menteni a gép szoftvere segítségével. A CBCT rendszereknek ráadásul további előnyökkel is rendelkezik. A hagyományos medical CT-hez képest a Cone Beam CT-t használva a sugárterhelés körül-belül 99%-kal csökken, amely nagyságrendileg megegyezik a fogászatban amúgy is használt hagyományos képalkotó eljárások sugárterhelésével. A szkennelés ideje is jelentősen lecsökken, hiszen míg a hagyományos CT-vel perceket vesz igénybe, addig CBCT-vel 20-40 másodpercet, ráadásul a rekonstrukciós idő is rövidebb. A felvételek felbontása is jobb, így a 3D modell részletessége is javul. Hozzátesszük, hogy a CT felvételek alapján történő rekonstrukció elvileg akár bitmap (BMP), vagy más kiterjesztésű digitális képek alapján is történhet, azonban ekkor a pontos rekonstrukcióhoz elengedhetetlen a szeletvastagság ismerete, valamint a képre jellemző DPI (Dots Per Inch, egy hüvelykre [25,4 mm] eső képpontok száma) érték, vagy egy olyan skála is szükséges, amely alapján a képeken ábrázolt struktúrák valós méretét is lehet rekonstruálni.
10
5. ábra: CBCT felvétel alapján rekonstruált 3D modell A Mimics-szel történő rekonstrukció során az első lépés tehát a csontablak megadása, amely leginkább megfelel az igényeknek. Ezzel tehát valamennyi CT rétegen kiválasztásra kerülnek azok a pontok, amelyek fényessége a megadott tartományon belül esik. Mivel az így kiválasztott ponthalmaz szinte kivétel nélkül olyan pontokat is tartalmaz, amelyekre nincs szükségünk (pl. a koponyafelvétel esetében a fejtámasz bizonyos részei: ezt láthatjuk a 6. ábrán zöld vonalként ábrázolódni a koponya mellett), ezeket a pontokat ki kell venni a rekonstrukcióból. Ehhez a szoftver a Region Growing nevű funkciót kínálja, amely segítségével az egybefüggő, de egymással össze nem érő térbeli alakzatok elkülöníthetőek egymástól. Ez az eljárás arra is lehetőséget ad, hogy – megfelelő csontablak-beállítások mellett – a különböző csontokat elkülöníthessük egymástól, azaz akár például egyetlen nyakcsigolyát is képes a rendszer rekonstruálni a teljes koponyáról készült CT alapján. Ehhez azonban a csontablak olyan pontos beállítása szükséges, hogy az adott csigolya képe egyetlen CT szeleten sem érjen hozzá egyetlen ponton sem más testrészekhez. Amennyiben mégis előáll ez a helyzet, akár kézzel is beleszerkeszthetünk a maszk pontjaiba, kitörölhetjük azokat a pontokat, ahol a kapcsolódások mutatkoznak. A rekonstrukció maga egy olyan számítási algoritmuson alapul, amely a megadott CT szeleteken megkeresi a kontúrokat és az egyes szeletek közötti ismeretlen teret interpolálással egészíti ki úgy, hogy a kapott felület minél egyenletesebb legyen, azaz a szeletek szintjén ne legyen törés. Amennyiben a fentiek szerint rekonstruált terület túl nagy, a crop mask funkcióval a 3D rekonstrukcióra kijelölt terület jelentősen lecsökkenthető, leszűkíthető arra a tartományra, amely ténylegesen érdekes számunkra a továbbiakban. Arra azért ügyelni kell, nehogy túl sokat vágjunk le a maszkból, mert a 3D rekonstrukció eredménye nemcsak a defektus környékére kell, hogy korlátozódjon, hanem alkalmasnak kell lennie arra is, hogy megítélhető legyen, a kiszerkesztett koponyapótlás mennyire kielégítő szimmetriaviszonyokat eredményez a teljes koponyát illetően.
11
6. ábra: 3D rekonstrukció CT felvételek alapján
10.1.2.2. Szerkesztés 3D-ben A rekonstrukciót követően előáll a CT vizsgálat által érintett teljes régió, magába foglalva a sérült csontot, illetve a defektust és környezetét. A következő lépésben célunk annak a geometriai formának az előállítása, ami pontosan beleillik a defektusba és visszaadja az eredeti kontúrokat, azaz a csontpótlás 3D modelljének megszerkesztése. Ezt a folyamatot alapesetben a maxillofaciális régió szimmetriájára alapozva végezzük el. Ennek megfelelően először a CT felvételek alapján rekonstruált, a defektust tartalmazó modellt a szagittális síkra tükrözve készítünk egy új alakzatot. Tulajdonképpen ezzel a modellel próbáljuk rekonstruálni azt a formát, amilyen eredetileg, a defektus keletkezése előtt volt az érintett terület. Következő
lépésként
a
tükrözött
modellt
transzlációs
és
szükség
szerint
rotációs
transzformációkkal a defektust tartalmazó modellel fedésbe hozzuk úgy, hogy a defektus környékén a két modell – amennyire csak lehet – pontosan illeszkedjen. Az ezt követő szoftveres számítások idejének csökkenése érdekében a modellekről levágjuk a számunkra nem lényeges területeket.
12
7. ábra: Az eredeti, valamint az eredetivel fedésbe hozott tükrözött (zöld) koponyamodell A hiányzó csontrész, illetve a pótlás formáját a két modell különbsége fogja adni. Ezt az alakzatot úgy kapjuk, hogy a tükrözött (ép) modellből Boolean transzformációt alkalmazva kivonjuk a defektust tartalmazó testet. Mivel a két test a kivonás előtt a defektus környékén sohasem hozható egészen pontosan fedésbe, a kivonással a leendő koponyapótlás modelljén kívül kapunk némi fölösleges modellrészt is, ez azonban a vágás funkció alkalmazásával könnyen eltávolítható. A szerkesztési műveletek befejeztével megkapjuk a beültetendő pótlásnak megfelelő geometriájú térbeli alakzatot.
8. ábra: A tükrözésen alapuló pótlás megszerkesztése
13
Amennyiben a defektus a szimmetriasíkon áthalad (ahogyan a 6. ábrán látható esetben is), vagy olyan körülmények állnak fenn, hogy a pótlás tükrözéssel nem állítható elő, akkor bonyolultabb 3D szerkesztési lépések alkalmazása, illetve a sebésszel való folyamatos kommunikáció szükséges, de ezek az esetek sem jelentenek akadályt a módszer alkalmazása előtt. Ilyen esetekben akár egy hasonló morfológiájú koponya azonos területének CT felvétele, vagy a rekonstruált 3D modell bizonyos részeinek duplikálása is segítségünkre lehet. Ugyancsak adódhatnak olyan esetek, amikor egy korábbi műtét során behelyezett, és a rekonstrukció során bent maradó fém implantátumhoz kell igazítani a pótlást. Egy ilyen eset megoldása során készült ábrákat láthatunk a 8. és 9. ábrán. Ennél a betegnél a feladatunk egy olyan defektus pótlása volt, amely a homlokcsontot és a járomcsontot érintette, azonban egy korábbi műtét során olyan fémlemezek kerültek beültetésre, amelyeknek a csontpótlás után is a helyükön kellett maradniuk. A korábbi baleset során a járomcsont középső szegmentuma kitört, és az azt rögzítő lemezekkel nem sikerült a teljes szimmetria visszaállítása, a szemgödör laterális széle mintegy 15 mm-rel hátrébb tolódott. A pótlás kialakításakor ezt a körülményt figyelembe kellett venni, így a pótlás járomcsontot érintő részét a meglévő csontvéghez kellett igazítani.
9. ábra: Bent maradó implantátum melletti csontpótlás kiindulási állapota
14
Ennek érdekében a tükrözött járomcsont egy részletét megkettőztük és a meglévő csonkhoz igazítottuk, majd egyesítettük a sebész kívánságai alapján torzított tükrözött modellel, végül az egyesített modell és a sérült koponya modelljének különbségképezésével kaptuk eredményül a pótlás alakját. A sebésszel történt többszöri egyeztetés során alakult ki az a forma, amelyet véglegesnek fogadtunk el.
10. ábra: Bent maradó implantátum mellett rekonstruált koponya és a csontpótlás 3D szerkesztésének lépesei
Meg kell említenünk, hogy a Mimics fejlesztői, a Materialise által kiadott, többek között a Mimics-ből kikerülő 3D modellek utófeldolgozására, szerkesztésére, manipulálására szolgáló 3Matic nevezetű szoftver Medical változatának legújabb verziójában megjelent egy olyan funkció, amely bizonyos esetekben jelentős segítséget nyújthat a koponyapótlások alakjának kiszerkesztésében. Ennek alkalmazásakor első lépésként egy folytonos térbeli görbével a koponya felületén, a defektus széléhez minél közelebb, de már a teljesen ép koponyafelületen körbe kell rajzolni a defektust.
15
11. ábra: Az automatikus pótlásmodell-generáláshoz szükséges segédgörbe a koponya felületén Ezután a koponya tükrözése következik, majd metszeti szeleteket kell készíteni, amelyen mind az ép, mind a tükrözött koponya metszeti képe, valamint az előzőleg berajzolt térbeli görbe metszetének két pontja is ábrázolódik. Ezen a metszeti képen be kell rajzolnunk egy olyan görbét, amellyel összekötjük a defektust körbeölelő térgörbe két metszeti pontját úgy, hogy az illeszkedjen a defektust tartalmazó koponyarészlethez, ugyanakkor párhuzamos legyen a tükrözött koponyarészlet körvonalával. Ezzel biztosítjuk azt, hogy minél szimmetrikusabb alakzathoz jussunk a folyamat végén, azaz a pótlást is tartalmazó koponya szimmetriája visszaálljon.
1
2
12. ábra: Az automatikus pótlásmodell-generáláshoz szükséges segédgörbék két metszeti síkon. A tükrözött koponya metszeti kontúrját pirossal, a határoló görbe vetületének pontjait háromszögekkel jelöltük. 16
A folyamat utolsó lépéseként meg kell adnunk a rendszernek az előzőekben kiszerkesztett alakzatokat, azaz a defektus körvonalát, a metszeteken kiszerkesztett egy-egy görbét, valamint a készítendő pótlás vastagságát. A rendszer végül ezek alapján kiszámítja a pótlás alakját.
13. ábra: Az automatikus pótlásmodell-generálás eredménye A módszer bizonyos esetekben elég látványos eredményhez vezet, azonban nagyon fontos minden egyes esetben az, hogy a metszeti síkokon megadott görbék megfelelőek legyenek, különben a szimmetria nagyon erősen el tud torzulni. Ennek a megoldásnak a kézi illesztésű, Boolean kivonáson alapuló módszerhez képest a hátrányai között említhetjük a geometriai korlátokat, illetve a pótlás egyenletes vastagságát. Előbbi akkor jelentkezik, ha a defektus túl bonyolult alakú – tulajdonképpen a legtöbb esetben, amikor az arckoponya is érintett –, a határoló görbe már egyszerűen nem rajzolható be, a görbe nem tudja követni a felületet, tehát ilyenkor a módszer nem alkalmazható. A pótlás állandó vastagsága némi toleranciával az agykoponya és kisebb kiterjedésű pótlások esetén elfogadható, azonban az olyan esetekben, amikor túl nagy a defektus függőleges kiterjedése, különösen, ha a halánték is érintett, a koponya vastagsága változik, ezért a pótlás illeszkedése belül nagyon rapszodikusan alakulhat. Ilyenkor esetleg az érintett terület legnagyobb vastagságához érdemes megválasztani a pótlás vastagságát, és a fölösleges területeket pedig vagy Boolean transzformációkkal, vagy már a kész modellen különféle megmunkálási módszereket alkalmazva eltávolítani.
17
10.1.2.3. Végeselemes modellezés Az előzőekben ismertetett módon megszerkesztett számítógépes csontpótlás modell azon túl, hogy legyártását követően alapját képezi a csontpótló implantátumnak, arra is nagyszerű lehetőséget kínál, hogy numerikus módszerekkel ellenőrizzük annak stabilitását, teherbírását. Erre a legelterjedtebb módszer a végeselemes analízis. Az eljárás lényege, hogy a vizsgálandó testekről számítógépes 3D modellt hozunk létre, majd azokat szabályos geometriájú, véges számú elemre bontjuk, ezután a kényszereket, erőhatásokat virtuálisan alkalmazzuk a modellre, végül a szoftver a modell minden elemére kiszámítja az adott erők, kényszerek hatásaira keletkező deformációkat, feszültségeket. A következőkben ezt a folyamatot mutatjuk be röviden. A folyamat végrehajtásához szükséges egy végeselemes analízis végrehajtására képes szoftver, például az ANSYS Workbench, valamint érdemes a számítások előkészítését nagyban elősegítő, már korábban említett 3-Matic szoftvert is alkalmaznunk. A szoftvereken kívül a folyamat végrehajtása során a következő információkra van szükségünk: -
-
Geometriai adatok •
A sérült koponya geometriai modellje
•
A pótlás geometriai modellje
Anyagmodell: rugalmassági modulus és Poisson tényező •
A sérült koponya anyagmodellje
•
A pótlás anyagmodellje
-
Kényszerek, egyéb peremfeltételek
-
Terhelések, erők
-
Elemtípus, hálózási adatok
-
Az eredmények megjelenítési módja
Geometriai adatok Ezek az adatok már rendelkezésre állnak az előzőekben elvégzett folyamatok eredményeképpen. Mivel itt elsősorban a pótlásra koncentrálunk, a kevesebb számítási igény céljából a sérült koponyának csak a defektus környezetében lévő részét használjuk fel. 18
Anyagmodell Ahhoz, hogy a számításokat el lehessen végezni, a geometriai elemekhez anyagtulajdonságokat kell hozzárendelnünk. Ehhez szükségünk van a defektust tartalmazó koponyacsont és a pótlás csontcement anyagának mechanikai tulajdonságaira. A csont anyagtulajdonságai igen széles határok között mozognak, ráadásul a kortikális és a spongiosa állomány paraméterei jelentősen eltérnek, ezért ezt nagyon nehéz pontosan meghatározni, azonban a Mimics a CT felvételeken mérhető HU értékek alapján ki tudja számítani ezeket az értékeket és hozzá tudja rendelni a csontmodell minden egyes apró eleméhez ezeket a jellemzőket. A csontcement tulajdonságai ismertek, rugalmassági modulusa és Poisson száma irodalmi adatok alapján vehető fel. Kényszerek, egyéb peremfeltételek A végeselemes modellezés során azt szeretnénk meghatározni, hogy az alakja, mérete, vastagsága megfelelő-e, azaz miután a koponyapótlás beültetésre kerül, képes-e ellenállni bizonyos terhelésnek törés nélkül. Ehhez a végeselemes modellezés során a sérült koponya és a pótlás modelljét egymásra kell helyezni, és meg kell adni, hogy azok milyen kapcsolatban vannak egymással. Ez meghatározható egy fix kapcsolatként is, amikor a két test egymáshoz képest nem tud elmozdulni, azonban valójában a csontcement csak fonállal, esetleg csavarokkal, lemezekkel lesz odarögzítve, amely nem biztosít teljesen stabil kapcsolatot. A pótlás alakja az, amely viszont a kapcsolat erősségét adja, hiszen minden esetben ék alakú, kifelé növekszik a széle, tehát alakzáró kapcsolatot biztosít a kívülről befelé ható erőkkel szemben. Ebben az esetben tehát az érintkező felületek kijelölésén túl az azok közötti súrlódási tényező az, amit meg kell adnunk, amely néhány mérésből könnyen meghatározható. A számítások végrehajtásához szükséges még valamely felület, él, vagy pont rögzítése, amely a vizsgálat során a helyén marad, itt nem keletkezik elmozdulás, deformáció. Erre jelen esetben érdemes a koponya vágási felületét választani.
19
14. ábra: A végeselemes analízishez elkészített 3D modellek. A rögzített felület vörössel jelölve. Terhelések, erők Esetünkben a koponyapótlásra érkező nagyobb erőt szeretnénk modellezni, amely támadási felülete lehet akár a pótlás teljes felülete, de akár csak egy része is megadható. Elemtípus, hálózási adatok A fenti információk megadását követően következik a 3D modellek apró elemekre bontása, a hálózás. A szabályos geometriájú elemek közül a legelterjedtebben használt a tetraéder. Az elemtípuson kívül az elemek méretét is meg kell adnunk. Ez általában egy átlagos méret megadásán túl a kritikus helyeken kisebb méretek külön megadását jelenti.
20
15. ábra: Behálózott végeselemes modell terheléssel Az eredmények megjelenítési módja A fenti adatok megadását követően elindulhat a számítási folyamat, amely végén a rendszer a megjeleníti a mechanikai feszültségeloszlást, valamint a deformációkat. Választhatunk, hogy az eredményeket a 3D modellre kivetítve, vagy akár diagram formájában szeretnénk megkapni. Végül a számítások eredményéből meg tudjuk ítélni, hol vannak feszültségcsúcsok, valamint a csont, illetve a csontpótlás anyagtulajdonságait ismerve azt, hogy az adott terhelést elviseli-e törés nélkül a koponya, illetve a csontpótlás.
10.1.2.4. 3D nyomtatás Az 10.1.2.2. pontban részletezett módon előállított háromdimenziós modell még mindig csak a számítógép monitorán megfigyelhető virtuális modell, ahhoz, hogy kézzel fogható tárgyat kapjunk, szükség van egy olyan eszközre, amely segítségével a bonyolult alakú, adott esetben konkáv felületeket is tartalmazó pótlás legyártható. Erre a feladatra az egyik legcélszerűbb választás egy nagypontosságú (a DE Biomechanikai Laboratóriumában Objet Connex 260 21
típusú) 3D nyomtató alkalmazása, amelynek a rétegről rétegre történő modellépítési technológiának köszönhetően nincsenek korlátai a felületek komplexitását, alakját illetően. A Stratasys által gyártott Objet 3D nyomtatók olyan speciális folyékony műgyantával dolgoznak, amelyek nyomtatás közben keményednek meg UV fény hatására. A rendszer többféle alapanyaggal is tud dolgozni, a különféle (fekete, fehér, kék, szürke) színek mellett akár áttetsző, borostyán hatású anyag is nyomtatható. A Connex rendszerű Objet nyomtatók pedig képesek akár két különböző anyaggal egyszerre dolgozni egy rétegen belül is, sőt, bizonyos anyagok digitális keverékét (digital material) is elő tudják állítani, így például lehet befolyásolni a kész anyag színété és keménységét is. Az alapanyagok mellett ez a rendszer támaszanyagtámogatással is rendelkezik, ami azt jelenti, hogy a kinyomtatandó modelleknek azon részei alá, amelyek alatt nincs anyag, egy speciális, a nyomtatást követően könnyen eltávolítható anyagot nyomtat. Modellanyag Támaszanyag
16. ábra: Az alapanyag és a támaszanyag elhelyezkedése az Objet rendszerű nyomtatók modellalkotása során A beavatkozás sikere érdekében a pótlás mellett rendszerint a sérült csontrészlet modelljét is legyártjuk a 3D nyomtató segítségével, így a defektusba belepróbálható a pótlás még a műtét előtt, és ellenőrizhető, hogy mennyire illeszkedik megfelelően, és szükség esetén még a geometrián 3D szerkesztőprogrammal módosíthatunk. Kérésre mindezeket az operáló orvos rendelkezésére bocsájtjuk jóváhagyás vagy további módosítások pontosítása végett. A folyamat ezen fázisában a fő célunk egy olyan mesterdarab létrehozása, amely pontosan olyan alakú, mint amilyennek a pótlásnak kell lennie, ezért adott esetben a már kinyomtatott modell is szükség 22
szerint vágással, forgácsolással, csiszolással módosítható, ezt a 3D nyomtatóból kikerült modellek műgyanta alapú anyaga lehetővé is teszi.
17. ábra: A kinyomtatott koponyarészlet és a tükrözéssel megszerkesztett pótlás Az egyes esetek bonyolultságától és sürgősségétől függően a pótlás illeszkedésének megítéléséhez néha elegendő a 3D szerkesztőprogramban készített néhány kép, vagy a modell megtekintése online felületen keresztül elérhető 3D modellnéző szoftverrel, de legtöbb esetben a 3D nyomtatással előállított kézzelfogható modelleken történik az ellenőrzés, hiszen ez módszer olyan többletinformációkat biztosít, ami semmilyen más ellenőrzési mód alkalmával sem áll rendelkezésre.
18. ábra: A kinyomtatott koponyarészlet és pótlás bent maradó implantátum esetén
23
10.1.2.5. Öntészet A csontpótlási módszerünk célja, hogy egy olyan eszközt biztosítsunk a sebész részére, amely használatával a fentiek szerint kialakított pótlás-modellel geometriailag megegyező csontcement implantátumot tud készíteni. Ezt egy szilikon öntőforma segítségével valósítjuk meg, amelyhez a 3D printerből kiemelt, már véglegesített mesterdarabot, azaz a pótlás-modellt, mint öntőmintát használjuk fel. 1.
Az öntéshez a pótlás egyedi méreteihez igazodva kiválasztjuk a speciálisan erre a célra készült, méretsorozatban rendelkezésre álló átlátszó öntőedények közül a megfelelőt. Az átlátszóság azért előnyös, mert így jól megfigyelhető a szilikon öntésekor az anyag szétterjedése, ellenőrizni lehet, hogy mindenhová befolyt-e, illetve az esetleges légzárványok is jól detektálhatóak.
2.
Megválasztjuk a pótlás helyzetét úgy, hogy az öntés során ne maradhassanak légzárványok. Itt a legfőbb szempont, hogy a modellben lévő görbült felületek fölfelé bővüljenek, valamint, hogy a csontcement a műtét során az öntőformába könnyen bejuttatható legyen.
3.
A pótlás-modell szögleteire, sarkaira vékony csapokat ragasztunk, amelyek egyrészt az alátámasztást szolgálják, másrészt a megszilárdult öntőmintán kis járatokat képezve a csontcement beöntésekor a levegő távozását fogják elősegíteni. Ezzel megelőzzük a légzárványok képződését a csontcementben.
4.
Az így előkészített mintát az öntéshez előkészített öntőedénybe helyezzük és előkészítjük az öntőanyagot, a szilikont. A Debreceni Egyetem Biomechanikai Laboratóriumában RTV 240 kétkomponensű szilikon anyagot használunk, amely megszilárdulás után biológiailag inert, 200 °C-ig hőálló és jól sterilizálható. Öntés előtt a két komponenst alaposan össze kell keverni, majd vákuumkamra segítségével eltávolítjuk a keverés hatására felgyülemlő légbuborékokat, amelyek a szilikon átlátszóságát erősen gátolják. Mivel a szilikon anyaga igen nagy viszkozitású, jelentős vákuum (~99,99%) szükséges a légbuborékok felszínre juttatására, eltávolítására. Ahhoz, hogy megfelelő eredményhez jussunk, a vákuumozást legalább még egyszer meg kell ismételni.
24
A buborékmentes szilikont ezek után az öntőedénybe töltjük, ügyelve arra, hogy a mesterdarabot mindenütt megfelelő vastagságban körbevegye és arra, hogy ne maradjanak légzárványok a még folyékony szilikonban. Az anyag edényideje 60 perc, ami azt jelenti, hogy a két komponens összekeverését követően ennyi idő áll rendelkezésre, amíg a szilikon elkezd megkötni és a viszkozitása rohamosan elkezd növekedni és kezelhetetlenül sűrűvé válik. Az anyagot az öntést követően hőkamrában 50 °C-on tároljuk. Az általunk használt szilikon
teljes
megszilárdulásához
50
°C-on
12
óra
szükséges,
míg
szobahőmérsékleten 24 óra alatt fejeződik be a folyamat. 5.
Megszilárdulás után a szilikonból el kell távolítani az öntőmintát és a levegő eltávozását segítő nyílásokat kialakító csapokat. Először az öntőedényből kiemeljük a szilikon tömböt, aztán a csapokat kihúzzuk, a mesterdarab, azaz az öntőminta pedig a szilikon forma szétfeszítésével távolítható el. A széthajtáshoz szükséges hasítást úgy végezzük el, hogy egy kisebb vágást ejtünk az öntőforma szélén a megfelelő helyen, majd a szilikon folyamatos szétfeszítése mellett mesterdarab irányába folytatjuk a vágást. A mesterdarabról a szilikon leválik, itt nem szükséges további beavatkozás. Az öntőformát a lehető legkisebb mértékben hasítjuk szét, hogy magára hagyva a két fél minél nagyobb biztonsággal pontosan összezáródjon.
6.
Az öntőminta eltávolítását követően a szilikon tömbben egy, a beültetendő pótlással geometriailag pontosan egyező üreg alakult ki. A folyamat végére megkapjuk tehát a műtét során használandó öntőformát.
25
19. ábra: Az öntőminta a csapokkal, valamint a kész szilikon öntőforma 10.1.2.6. Műtét Az előzőleg sterilizált szilikon öntőformát a műtét ideje alatt a korábban az öntőminta eltávolításakor ejtett vágás mentén szétfeszítik, és abba az ún. working phase állapotában lévő csontcementet öntenek, majd ügyelve a pontos illeszkedésre, összezárják. A csontcement – felvéve az üreg alakját – a ténylegesen beültetendő pótlássá formálódik, majd néhány perc alatt megköt. A csontcement polimerizációja során felszabaduló hő a kézi formázással ellentétben a szilikont melegíti, ezzel teljesen megszünteti az érintett régió környékén a túlzott hőfejlődés káros hatásainak kockázatát. Nagyon ritka ugyanis az olyan eset, és az olyan műtéti terület, ahol a hőfejlődés kívánatos lenne. Meg kell azonban jegyeznünk, hogy már ma is elérhetőek azok a csontcement típusok, amelyek polimerizációja során jóval kevesebb hő keletkezik, azonban ezek a csontcementek a hagyományos anyagokhoz képest sokkal drágábbak. A csontcementnek a szilikon öntőformába való bejuttatásának egy alternatív módja lehet az, amikor a szilikon forma tetején a levegőkieresztő csatornákhoz hasonló módon kialakítunk egy nagyméretű fecskendő csőrének megfelelő méretű kúpos öntőnyílást, és a csontcementet ezen keresztül juttatjuk a szilikon üregébe. Ilyenkor fokozott jelentőséggel bír az, hogy a fecskendőbe a csontcement a lehető legfolyékonyabb (a lehető legkisebb viszkozitású) formájában kerüljön, illetve maga a csontcement is olyan legyen, amely alkalmas fecskendővel történő használatra is. Ez a megoldás további eszközigényt is jelent, mert a megnövekedett nyomás miatt biztosítani 26
kell, hogy a szilikon forma ne deformálódjon, azaz egy merev keretben kell elhelyezni, ami nem engedi, hogy a nagy nyomással bejuttatott csontcement szétnyomja a formát. A polimerizáció befejezését követően a megszilárdult csontcement pótlás a szilikonon már megtalálható vágáson keresztül távolítható el. A nyers darabról a levegő távozását biztosító üregek és az esetleges öntőnyílás után maradt csapok könnyen letörhetőek. A végleges forma kialakításához esetleg még – különösen a levegőnyílásokból visszamaradt csapok tövénél, illetve a szilikon hasításánál keletkező esetleges perem eltávolítására – kisebb csiszolásokat végez a sebész, vagy az öntést végző asszisztens, majd azt a defektusba illesztik. Végül a környező csonthoz mini csontlemezekkel, vagy a pótlás és a csont peremébe fúrt apró furatokon keresztül varrattal rögzítik. Az eddigi eseteink tapasztalatai azt mutatják, hogy a pótlás alakja szinte kivétel nélkül olyan, hogy kívülről befelé szűkül, azaz az ilyen irányú erőhatásokkal szemben alakkal záró kapcsolattal áll ellen, ráadásul például a frontális régióban történő pótlás esetén már az operáció végén visszavarrt galea és fejbőr is jelentős stabilitást biztosít. Így a rögzítéskor sok esetben csak az oldalirányú hatások ellen kell megvédeni a pótlást.
20. ábra: A kész csontcement pótlás
27
10.1.3. Összegzés A Debreceni Egyetem Klinikai Központ Ortopédiai Klinika Biomechanika Laboratóriumában egy olyan 3D nyomatásos technikát dolgoztunk ki, melynek során a rendelkezésünkre bocsájtott finom felbontású CT felvételek alapján a DICOM fájlok segítségével először rekonstruáljuk, és szükség esetén kinyomtatjuk a defektus környezetét, majd az operáló orvos esetleges különleges óhajait figyelembe véve szimmetrikus rész sérülésekor az ellenoldali csontrészlet tükrözésével, egyéb esetben szabadkézi tervezéssel elkészítjük a pótlás mesterdarabját. Ez lehetőséget ad az operáló orvosnak, hogy azt belepróbálja az ugyancsak kinyomtatott, defektust tartalmazó környezetbe, és esetleg további speciális igényekkel lépjen fel. Miután mind sebészi, mind mérnöki szempontból kész a pótlás mintája, sterilizálható kemény szilikonból öntőminta készül róla. Ez az öntőminta nem igényel semmilyen steril előállítási környezetet, egyedül a szilikon szennyeződésmentes kezelésére kell nagy gondot fordítani. Sterilizálás nélkül szállítható vagy postázható, és a műtét idejére kell, hogy sterilen rendelkezésre álljon. Amíg az operatőr feltárja a pótlást igénylő környezetet, egy asszisztens kényelmesen el tudja készíteni az öntvényt. Ha bármilyen technikai probléma adódik, nyugodtan megismételhető az újraöntés mintegy 10 perces folyamata. Ezt a folyamatot összevetve egy fémforgácsolási technikával (pl. titán pótlások), vagy egy eleve beültetésre kész implantátum egyedi elkészítésével, könnyen belátható, hogy számos tekintetben előnyt jelent az általunk alkalmazott eljárás. Amennyiben nagyon kényes, számos finom részletet tartalmazó pótlásról van szó, illetve a learning curve elején tartó sebészek esetén nyugodtan végezhető próbaöntés akár az öntőminta elkészülte után laboratóriumi körülmények között, akár a műtét elején. A módszer megszabadít a minőségbiztosítás igen nehézkes, sok apró részletre kiterjedő és nagyon komoly dokumentációt igénylő folyamatától, ugyanakkor felsorolt előnyeit a hagyományos „előregyártott” technológia nem is biztosítja. Az általánosan alkalmazott kézi formázáson alapuló eljárással összehasonlítva az általunk alkalmazott módszer további előnyei: -
a beültetett csontpótlásnak sokkal nagyobb az alakpontossága;
-
feltűnően jobb a kozmetikai eredmény;
-
a pótlás tetszőleges bonyolultságú lehet; 28
-
a csontcement polimerizációjával járó káros szöveti hőhatást teljesen kiküszöböli;
-
a defektust tartalmazó, 3D nyomtatással előállított modell segíti a sebész munkáját mind a műtét előtt az operáció megtervezésében, mind esetleg a műtét ideje alatt is a tájékozódásban;
-
intraoperatív problémák esetén megismételhető az öntés.
Az eljárás teljes átfutási ideje 3-14 nap, attól függően, hogy mennyire bonyolult a tervezési folyamat, illetve szükség van-e a pótlás illeszkedésének a sebész általi személyes ellenőrzésére. Tapasztalataink alapján kijelenthetjük, hogy a 3D szerkesztés, nyomtatás, öntés költsége nem növeli jelentősen a műtét összköltségét (különösen, ha figyelembe vesszük más egyedi csontpótlások árát), így anyagi szempontból sem aggályos a módszer alkalmazása. A technika nem igényel semmilyen extra felszerelést a műtétet végző intézet részéről, a csontcement öntés folyamata nem követel különösebb szakértelmet, akár a műtői szakszemélyzet által is könnyen elsajátítható. A teljes folyamat elvégzésének, vagyis a szilikon öntőforma előállításának vannak jelentősebb személyi, tárgyi és szoftveres feltételei, de napjaink informatikai infrastruktúrája mellett gyakorlatilag a világ bármely részéről viszonylag könnyen hozzáférhető szolgáltatásról, illetve műtéti technikáról beszélhetünk. A jövőbe tekintve a következő fejlődési lépcsőnek az azonos technikával önthető, biológiailag beépülő öntvények készítésére szolgáló alapanyagok megjelenése tűnik.
29
10.2.
Digitális technológiák arc-állcsont és szájsebészeti alkalmazása.
10.2.1. Bevezetés A maxillofacialis régió bonyolult anatómiai, funkcionális és esztétikai rendszere nagyon nehéz feladatok elé állíthatja a sebészt ha ebben a régióban kell beavatkoznia. A klinikai vizsgálat mellett alapvető ezeknek az állapotoknak a képalkotó eljárásokkal történő rögzítése. A hagyományos kétdimenziós technikáknak nagyon komoly korlátai vannak a részletek rögzítésében különös tekintettel a csontos struktúrákat fedő lágy szövetekre. A fogászat, arc állcsontsebészet területén az elmúlt évtizedben a digitális technológiák jelentős fejődésen mentek át.
A digitális módszerek sokat javítottak az adatbázisok fejlesztése, követhetősége,
reprodukálhatósága területén. A digitalizálás háromdimenziós képalkotó eljárások kifejlesztését tették lehetővé ezáltal megkönnyítették az adatok elemzését, kialakultak a telemedicina és konzultációk feltételei. Hatalmas segítséget nyújtott a digitális technológia a műtéti és a rekonstrukciós tervezés rohamos fejlődésében. Rekonstrukciók tervezése válhat szükségessé veleszületett, onkológiai, dentoalveolaris és traumatológia okok miatt és izgalmas feladat az arc esztétikai korrekcióinak tervezése a csontszerkezet átalakításával összefüggésben. A digitális képalkotás kombinálva CAD/CAM (computer aided design/computer assisted manufacturing) technológiák alkalmazásával jelentősen felgyorsitja a pótlások, implantátumok tervezési és előkészítési fázisát valamint hosszú távra csökkentik a költségeket. A digitális technológiák valós idejű műtét közben használható navigációs - tájékozódási és ellenőrzési - lehetőségeket teremtettek meg. 10.2.2. Képalkotók A hagyományos rtg felvételek detektálását digitális szenzorokkal és képfeldolgozó szoftverekkel kiegészítve a képek jelentős javítása, részletgazdagabb elemzése vált lehetővé.
A digitális
radiográfia általában lehetővé teszi a sugárdózis csökkentését is. A csökkenés általában 0% 50% mértékű a képalkotási paraméterektől függően. Összehasonlítva a digitális illetve hagyományos panoráma röntgen sugárterhelését a dózis 5-14 microSv és 16-21 microSv. Digitális képalkotás, egyszerűbbé és gyorsabban felállítható diagnózist tesz lehetővé. A 30
hagyományos rtg felvételek előhívási és archiválási technológiái rendkívül nehézkesek. A digitális felvételkészítés, tárolás, képátvitel hatékonyabb kommunikációt tesz lehetővé a beteg az orvos és a konzultáns között. A szoftverek jelentésen javítják a felvételek közbeni hibákat és segítenek az értelmezésben. Lehetővé válik a manipuláció fényerővel és sűrűséggel, a nagyítással, az élességgel és lehetővé vált a hibák - zajok szűrése. A hagyományos rtg felvételek után hatalmas fejlődést jelentett a komputer tomográfiás (CT) vizsgálat megjelenése a gyakorlatban, mert a képek számítógépes feldolgozása során lehetővé vált a nyert adatok új aspektusokból történő feldolgozása. A különböző síkokban készített képek, 3D rekonstrukció jelentősen javították a diagnózisok felállításának lehetőségeit és javították a beavatkozások tervezése során a kockázatbecslést. A következő technológiai lépés a
digitális képalkotó
eljárások között a Cone Beam CT ki (CBCT) fejlesztése mely az egyik legértékesebb eszközzé vált a fogászatban és a maxillofacialis sebészetben. CBCT számos paraméterében különbözik a hagyományos CT-vizsgálattól.
A legfontosabb, hogy a beteget, lényegesen kevesebb
sugárzásnak teszi ki. A CBCT kúp alakú sugárnyalábot használ és egyetlen fordulatot tesz a beteg feje körül. Különféle szkennerek állnak rendelkezésre és így kis, közepes és nagyobb látómezőt tudnak alkalmazni. CBCT arany standardá vált a fej nyak tájék keményszöveteinek háromdimenziós képalkotásában. Kevesebb zavaró sugárszórás figyelhető meg melyeket a fogászati implantátumok és egyéb fém anyagok okozhatnak, igy jobb minőségű képet és vizsgálati információt nyerhetünk. A lágyrészek vizsgálatához azonban a hagyományos CT és az MRI jelenleg, lényegesen több információt ad. A nagyítás és a torzítás mely a hagyományos panoráma felvételeken elkerülhetetlen volt megszűnt. A CBCT képalkotásával jobban megérthetők a régió anatómiai struktúrái, biztonságosabb a tájékozódás. A CBCT adatai nem csak a maxillofacialis hanem a dentoalveolaris beavatkozásokhoz is lényeges információkat tartalmaz. Értékelhető a csont minősége és mennyisége, lehetséges a mérés a szomszédos létfontosságú struktúrák között. Pontosan megítélhető a csontkínálat a fogmedernyúlványokon, az arcüreg és a kanalis mandibulae helyzete. Jól megítélhető az impaktált, retineált fogak és a környező struktúrák közötti kapcsolat.
Ezek mellett az implantátumok elhelyezésének
tervezésében, implantációs sablonok készítésében is elvitathatatlan a jelentősége.
31
21. ábra: CBCT készülék 10.2.3. Anatómiai sajátságok a maxillofacialis regióban 10.2.3.1. Arcközép Az arcközép alkotásában több csont vesz részt és államányában kiterjedt légtartó üregek találhatók. A szájüreg irányában elhelyezkedő, patkó alakú erőteljes csontlécben a fogmedernyúlványban találhatók a fogak, melyek eltérő okozatú elvesztését követően a fiziológiás ingerét elvesztett szövetek gyors és jellegzetes lefutású felszívódási tendenciát 32
mutatnak. A CBCT segítségével lényegesen több információ szerezhető az arcüregről mint a hagyományos panoráma felvételekkel hiszen több dimenzióban lényegesen részletgazdagabb elemzések végezhetők.
10.2.3.2. Állkapocs Az állkapocs a tér több irányában görbült csont mely, viszonylag vékony, lapos, állományában fut a n. mandibularist is tartalmazó idegcsatorna. Az állkapocs hordozza a táplálkozás szempontjából rendkívül fontos fogazatot is. Az idegcsatorna helyzetét számos az állkapcson végzett beavatkozás során figyelembe kell venni mert az ideg sérülése esetén élet hosszan visszamaradó hypaesthesia lehet a műtét következménye. A CT vizsgálattal sokkal részletesebb információk szerezhetők a temporomandibularis ízületről is. A hagyományos panoráma rtg felvétel csak tájékozódásra elegendő azonban nem, hordoznak információt a finomabb elváltozásokról mint a csont sclerosisa, osteophyta, degeneratív ciszta. A lágyrészek vizsgálatában rendkívüli segítséget nyújt az MRI. A discus perforáció diagnózisából kiszorította az artrográfiát és segítséget nyújt a gyulladás és a folyadékgyülemmel járó folyamatok valamint a lágyrész terimék felismerésében is. Az izotópos vizsgálattal megállapítható az anyagcsere folyamatok változása, pl: fejecs hyperplasia. 10.2.4. Klinikai alkalmazás 10.2.4.1. Dentoalveolaris sebészet 10.2.4.1.1. Fogak megtartó sebészete A
káriesz
következményes
betegségei
nagyon
gyakran
periapikális
elváltozásokat
eredményeznek. Bár a korszerű endodonciai kezelésekkel ezek jelentős részét uralni lehet, néhány esetben a gyulladásos léziók radiológiai felismerése is lehetetlen a hagyományos rtg technikákkal. A kis volumenű CBCT vizsgálattal azonban nagy részletességgel vizsgálható a csontszerkezet, szükség esetén akár egy fog szerkezete, gyökértömése, így biztonsággal tudunk pontos kezelési, műtéti tervet készíteni.
33
10.2.4.1.2. Retineált, impaktált fogak sebészete A nervus alveolaris inferior és a harmadik moláris közelsége miatt könnyen bekövetkezhet idegsérülés és egyébb komplikáció a bölcsességfog eltávolítása közben. A számfeletti fogak esetében, a háromdimenziós képalkotás CBCT-vel jobban értékelhetővé teszi a szomszédos struktúrákhoz való viszonyt, mint a hagyományos rtg film. Ezért biztonságosabb lehet a műtéti tervezésünk.
22. ábra: Impaktált bölcsességfog és a kanalis mandibulae viszonya 10.2.4.1.3. Fogászati implantológia Az elmúlt harminc év hatalmas forradalma volt a fogászatban a dentális implantológia fejlődése. A betegek szájüregi életminőségét, a dentális implantátumok segítségével, nagyságrendekkel 34
sikerült javítani a korábbi fogpótlási eljárásokhoz képest. A fogászati implantátumok behelyezésének alapvető feltétele a megfelelő minőségű, pozíciójú és mennyiségű csont. Az implantátumok behelyezéséhez természetesen számos egyéb feltétel mellett figyelembe kell vennünk lényeges anatómiai képleteket, mint az arcüreg és a mandibulában a canalis mandibulae. Ezeknek a paramétereknek a felméréséhez a hagyományos panoráma rtg felvételek elégtelenek mert csak két dimenzióban szolgáltatnak adatot. A hagyományos
CT az elvárható
részletgazdaságot csak viszonylag nagy sugárterheléssel biztosítja. A CBCT segítségével viszont pontosan tudjuk meghatározni az arcüreg bázisán a csont vastagságát illetve az állkapocsban a csatorna távolságát az állcsontgerinctől, hogy ezeknek a képleteknek a sérülését és a következményeket elkerüljük. A CBCT segítségével pontosan megtervezhető az implantátumok helye, CAD/CAM technológiával implantációs sablon készíthető és később a fogpótlás is elkészíthető a szájüregben elhelyezkedő implantátumok pozíciójának scannelésével majd a felépítmény is elkészíthető CAD/CAM technológiával.
23. ábra: Számítógéppel tervezet implantációs sablon a szájban 35
10.2.4.2. Maxillofacialis sebészet 10.2.4.2.1. Maxillofaciális patológia A CT és a három dimenziós képalkotás segít jól láthatóvá tenni az állcsontok pathológiás területeit mint ciszták, tumorok. A pontos képalkotás lehetővé teszi a pontos műtéti tevezést. A Dicom adatbázisok és és a CAD-CAM technológiák segítségével pontosan tervezett lemezek gyárthatók az állcsontok esetleg szükséges pótlása érdekében. A DICOM (digital imaging and communications in medicine) adatok segítségvel stereolithographiás modellt készíthetünk ami különösen bonyolult helyzetekben heti tervezést. A nyálmirigyek disztális csatornában tapintható kövek igazolásához okklúziós filmek is elegendők lehetek. Sialendoszkópia nem csak diagnosztikus eszköz lehet, hanem a csatornában elérhető köveket el is távolíthatjuk velel. Ez a módszer a proximálisabban található kövek esetében nem mindig eredményes. A kontrasztanyag felhasználásával végzett virtuális CT sialendoszkópia segítségével az egész intraduktális járatrendszer vizsgálhatóvá válik. 10.2.4.2.2. Orthognát műtétek Az dysgnáth műtétek tervezésében rendkívül fontos a képalkotó eljárosok alkalmazása. A műtéti tervezás alapvető része a kefalometrás elemzés. A háromdimenziós képalkotással pontos és bármikor reprodukálható információkat rögzíthetünk. Láthatóvá tehetők a hagyományos két dimenziós rtg felvételekkel szemben az asszimmetriák. Természetesen a CT vizsgálatnak is vannak korlátai azonban a fejlesztések végső célja az eltérő szöveti komponesek, bőr, lágyrészek, fogazat és a csontszerkezet megfelelő fúziójával történő képalkotás és méret rögzítés. (Plooij et al., 2011). 10.2.4.2.3. Maxillofaciális traumatológia A hagyományos
rtg
felvételek nem
elégségesek
csontszerkezetének komplex vizsgálatához.
a maxillofacialis
régió
bonyolult
A gyakran összetett arc traumák több síkú
kétdimenziós elemzése illetve háromdimenziós rekonstrukciós CT képeinek elemzése lehetővé teszi a bonyolult esetek pontos diagnosztizálását és a műtéti tervezését. Az orbita alap törései CT nélkül pontosan nem is diagnosztizálhatók. A speciális intraoperatív műtét közben CBCT / CT vizsgálattal könnyen ellenőrizhető a komplex törések ellátásának eredménye, segít az idegen 36
testek keresésésben. Az intraoperatív CT, navigáció, és endoszkópok segítenek az esztétikai eredményeik javításában leheővé teszik a minimál invazív beavatkozásokat. 10.2.4.2.4. Onkológia, rekonstrukciós sebészet A maxillofacialis régió kiterjedt, az állcsontokat is érintő daganatai miatt a sebészek gyakran csak kiterjesztett radikalitású műtétekkel tudják a beteget daganatmentessé tenni. A kiterjesztett műtétek, során végzett állcsont rezekciók súlyos, az életminőséget nagymértékben befolyásoló állapotokat eredményeznek. A digitális technológiák alkalmazásával pontos műtéti tervezést végezhető. Az állcsonti rezekciók pontosan meghatározhatók, és az elsődleges pótlásokhoz szükséges fémlemezek vagy sablonok CAD/CAM technikákkal elkészíthetők. Az onkológiai műtétek során a primer rekonstrukcióra gyakran kerülnek alkalmazásra mikrosebészeti technikákkal átültetett lebenyek. A lebenyek csontkomponenseinek modellálása a megkívánt formára, a műtét időtartamát jelentősen megnyújtó tevékenység. Az előre elkészített sablonok ezt az időtartamot jelentősern lerövídítik. Másodlagos rekonstrukciók esetében a számítógépes szoftveres tervezéssel az eredeti viszonyokat pontosen helyreállító, eltérő anyagokból gyártott implantátumok készítésére van lehetőség. A kiterjesztett műtétek miatti hiányok nem mindig pótolhatók élő szövetekkel. Ezekben az esetekben művi arcpótlások (epithesisek) készítése válhat szükségessé. Az arcpótlások helyben tartása ragasztással vagy a megmaradt arccsontozatba helyezett implantátumok segítségével történhet. A recipiens helyek feltérképezésében és a pontos implantációs sablonok elkészítésében a digitális technológiák nélkülözhetetlenek. 10.2.5. Összefoglaló Az elmúlt évtizedek technológia fejlődése, robbanásszerűen átalakította az egészségügy hatékonyságát. A technológia fejlődése következtében pontosabbá váló diagnosztikus tevékenység, a felgyorsult konzultatív, tervezési és kivitelezési fázisok gazdaságilag is értékelhetővé váltak. A digitális és számítógépes technológiák különösen hasznosnak bizonyultak a rekonstruktív, az orthognáth, a traumatológiai sebészet területén.
37
10.3.
CAD/CAM technológia a dentális implantátumok navigált beültetésében, navigált implantáció
10.3.1. Előzmények A modern fogászati implantológia kezdetét 1965-től számítjuk. Ebben az évben ültette be Per-Ingvar Brånemark az első, titánból esztergált, körszimmetrikus implantátumot, és ekkor írta le az osszeointegráció fogalmát. A kezdeti, bizonytalan alkalmazását követően az utóbbi évtizedben a dentális implantátumok használata, beültetése a mindennapi fogászati-szájsebészeti beavatkozások részévé vált. Ez idő alatt számos szakmai szemléletváltásnak lehettünk tanúi, és mind az implantátumok, mind azok behelyezéséhez alkalmazott eszközök egyre kifinomultabbakká, egyszerűbbekké, rutinszerűen alkalmazhatóbbakká váltak. Kezdetben az implantátumok helyét (a protetikai igényeknek többé-kevésbé megfelelve) az állcsontok csontkínálata határozta meg. Mivel az utóbbi évtizedben a modern csontpótló anyagoknak és technikáknak köszönhetően már lehetőségünk van az állcsontok kiterjedt augmentációjára, így sebészileg, a jelentős csonthiánnyal rendelkező betegeknél is sokkal kedvezőbb lehetőségeket teremthetünk ahhoz, hogy az implantátumokat a protetikai, és esztétikai kívánalmaknak megfelelő helyre ültessük be. Az az igény, hogy az implantátumok az állcsontokba a protetikailag ideális területre kerüljenek beültetésre, számos, azok pozicionálását célzó, gyakran ma is alkalmazott egyszerű módszer kidolgozását eredményezte. Kezdetben, fogtechnikai laboratóriumban, hagyományos akrilát sablonok készültek erre a célra. Ezek közül egyesek csak a szuprastruktúra kívánatos helyét jelölték meg, mások a csontfúrók egy irányból történő megvezetését végezték, így mozgásteret, korrekciós lehetőséget biztosítva a beavatkozás közben. Használatosak voltak olyan sablonok is, amelyekbe a fúró folyamatos megvezetésére alkalmas fémperselyt helyezett a technikus. 38
A fent említett módszereket fontos tájékoztatást nyújtottak az implantátumok beültetése közben. A számítástechnika fejlődésének köszönhetően a 80-as, 90-es években kezdték kifejleszteni a „képvezérelt”, ún. navigációs implantációt. Ennek a módszernek a lényege, hogy a beteg fejére, illetve a sebészi kézidarabra összehangolt jeladókat, vevőket helyeztek. Azok egymáshoz való helyzetét egy szoftver segítségével képernyőn a beteg előzően készített és az adott számítógépes programban történt feldolgozása utáni CT felvételéhez képest három dimenzióban valós időben tudták ábrázolni. Ezekkel a „dinamikus módszerekkel” ellenőrizhető, ábrázolható volt az implantátum helyének kialakítása során a szabad kézzel vezetett fúró helyzete illetve annak egyes anatómiai képletekhez való viszonya. A nagyon drága műszerparkot (a betegre, illetve a fúróra helyezett jeladók, vevők, stb.), és nagy gyakorlatot igénylő módszer az idegsebészetben elterjed, de az implantológiában a nehézkessége, pontatlansága miatt nem tudott elterjedni. Az ipari gyakorlatból ismert az a tény, hogy lényegesen kisebb pontossággal végezhető egy teljesen szabadkézzel végzett, mozgás (pl fúrás), mint egy, a fúró mozgását vezető „statikus” sablonon keresztül. Erre a gyakorlatra alapozva, több helyen próbálkoztak
olyan szoftver
fejlesztésével, amellyel implantációs fúrósablon tervezhető, készíthető (pl. „laboratóriumi körülmények között” a Materialise vállalat a Simplant® rendszerrel). Az első, klinikai körülmények között működő, CAD/CAM módszerrel előállítható műtéti fúrósablont Van Steenberghe és mtsai dolgozták ki. Ehhez a Nobel Biocare cég Procera® programján belül összegyűlt tapasztalatokat ültették át az implantológiába, és fejlesztették ki az első, a mindennapi gyakorlatban robbanásszerűen elterjedt Nobel Guide® navigációs rendszert. Ezzel a módszerrel lehetőség nyílt arra, hogy a beteg állcsontjáról nyert CT-felvétel, illetve egy előzőleg elkészített fogpótlásról nyert CT-felvétel adatait felhasználva (Double Scan technológia), azokat egy tervező szoftverbe importálva egy olyan, az implantátumok beültetését „vezető” műtéti sablont tervezzenek (CAD), illetve gyártsanak le (CAM),
mellyel a
műgyökereket protetikailag ideális helyre pozícionálja. A rendszer sikerességét követően szinte valamennyi nagyobb implantátumgyártó cég kifejlesztette a saját navigációs sablon tervező szoftverét, rendszerét. 39
Ezen túlmenően, a versenybe nem csupán beszálltak, hanem a fejlesztés rugalmasságának köszönhetően, jelentős újításokat is bevezettek olyan kisebb cégek, mint pl. a magyar fejlesztésű Smart Guide® . Ezeknek az innovációknak, egészséges versenynek követően a navigált implantáció lassan betört a mindennapos fogászati gyakorlatba. A navigációs műtéti sablon készítése több lépésből vevődik össze:
24. ábra: A navigált implantáció lépései 10.3.2. Diagnosztika Ez alatt a kezelési fázis alatt megtörténik a pácienssel való konzultáció, anamnézis felvétele, betegvizsgálat, szükség esetén tanulmányi minták készítése, kezelési terv felállítása. Tekintettel arra, hogy a navigációs sablonnal végzett műtét során a páciens szájába egy vaskos, nem deformálódó műtéti sablont kell rögzíteni, a szájnyitási korlátozottság a beavatkozás kontraindikációját jelenti, így fontos annak meghatározása (pl. a Nobel Guide® a műtéti területen min 40 mm-es szájnyitást igényel). Erre a célra egyes rendszerek, mint pl. a magyar fejlesztésű Smart Guide® külön rövidített fúrókat forgalmaz, a Dentsply Implant® cég Symplant®-rendszere oldalt nyitott műtéti sablont készít, ennek ellenére nagyobb szájnyitásra van szükségünk, mit a hagyományos módszerrel történő műgyökér beültetése során. 10.3.3. A radiológiai, vagy CT sablon készítése Egy precíziós-szituációs lenyomat, antagonista lenyomat, illetve egy pontos harapásregisztráció alapján a fogtechnikus egy ideális fogfelépítésű teljes, vagy részleges fogsort készít. A fogsor minimum 3 mm-es (tehát az átlagosnál vastagabb) alaplemezének külső felszínébe fúrt 1-2 mmes bemélyedésekbe, magas radiodenzitású anyagból, leginkább guttaperchából készült markereket helyeznek. Az így készített fogsort nevezzük radiológiai sablonnak. 40
10.3.4. Digitalizáció A következő lépés a CAD/CAM műtéti sablonok gyártásának alapját képező kettős szkennelésű CT felvétel elkészítése (Double Scan Technology). A technológia lényege, hogy CBCT felvételt készítünk a páciensről a szájába okklúzióban rögzített radiológiai sablonnal együtt, majd külön, a szájból eltávolított radiológiai sablonról is. Ezzel a módszerrel digitalizáljuk (digitálisan szkenneljük) a páciens illetve a sablon adatait, és alkalmassá tesszük azokat egy számítógépes szoftverrel való feldolgozáshoz. Ezek a felvételek magas, lehetőleg 0.3 voxel felbontással készülnek. A CT-sablonról készült felvétel digitális információkat tartalmaz a lágyrészekről (gingiva felszíne), illetve a tervezett fogívről, fogak elhelyezkedéséről, azok felszínéről. A páciensről készült felvétel a sablonon kívül a csontos képletekről, anatómiai struktúrákról (arcüreg, n. alveolaris inferior, szomszédos fogak) tartalmaz adatokat. A CT- felvétellel gyakorlatilag a páciens csontos képleteinek, illetve a CT- sablonnak az adatait digitalizáljuk, előkészítve azokat a további számítógépes feldolgozásra. Egyes újabb fejlesztésű rendszerek nem minden esetben igénylik a műtéti sablont a lágyrészképletek vizualizálásához. A Smart Guide®-hoz bizonyos esetekben elég a speciális, erre a célra készült lenyomatkanállal vett lenyomat kétfázisú szkennelése. A Nobel Guide SmartFusion® olyan részleges foghiány esetén alkalmazható, amikor állcsontonként legalább 4 foga van a páciensnek. Ez a módszer képes a radiológiai sablon nélküli páciensről készült CT-felvételt és egy utólag készült sablon digitális adatait interpolálni. Ennek a módszernek az előnye az, hogy egy korábbi sablon nélküli CBCT-felvétel után, ha úgy döntünk, hogy navigációs módszerrel szeretnénk implantálni, nem szükséges egy ismételt sugárterheléssel járó felvételt készíteni, hanem elég csupán egy radiológiai sablon készítése és annak CTszkennelése.
41
25. ábra: A műtéti sablon guttapercha-markeres tervező fogsor mintája, tervezése, a sablon, és a behelyezett sablon 10.3.5. Diagnosztika és műtéti tervezés A műtéti tervezés a különböző cégek egyéni fantázianévvel ellátott tervező szoftverével történik. Ezek a szoftverek a CT-felvételek során nyert, majd DICOM formátumban elmentett adatokat dolgozzák fel. Valamennyi szoftver képes a hagyományos, CT-kiértékelő programokhoz hasonló megjelenítésre, tehát alkalmasak diagnosztikai felhasználásra. A programok a feltöltött páciens, illetve radiológiai sablon adataiból képesek 3 dimenzióban rekonstruálni a páciens állcsontjait, és a sablont is. A guttapercha-markerek segítségével az állcsontokat a virtuális fogsorral lehet pozícionálni, interpolálni.
42
26. ábra: radiológiai sablon a guttapercha markerekkel A továbbiakban a program segítségével virtuálisan elhelyezhetjük a kívánt méretű implantátumokat az állcsontokba, figyelembe véve az egyes anatómiai képleteket (arcüreg, n. alveolaris inferior, szomszédos fogak stb.). A radiológiai sablont megjelenítve, (mely valójában a paciens kivehető fogsora), ahhoz képest beállíthatóak az implantátumok az ideális protetikai helyzetbe. A program képes megjeleníteni a virtuálisan behelyezett implantátumokon a csavarozott felépítmény kellékeit, így ellenőrizhető azok helyfoglalása, mérete a radiológiai sablon fogaihoz képest. Az implantátumok méretének, helyének megtervezését követően annak adatait elektronikusan (email) a gyártó céghez továbbítjuk, ahol megtörténik az implantációs sablon elkészítése (CAM), melynek furataiba egy-egy acélperselyt rögzítenek. A sablonba, könnyen hozzáférhető helyre, 3-4 rögzítő perselyt tervezünk, melyeken keresztül három acéltüskével a műtét idejére rögzítjük azt az állcsontokhoz. Részleges foghiány esetén elégséges lehet a sablonnak a szomszédos fogakhoz kézzel való rögzítése.
43
A sablont korábban folyékony műgyantából sztereolitográfiával polimerizálták (a Nobel napjainkban is ezt a módszert alkalmazza), de a többi gyártó, beleértve a Smart Guide®-ot is, a modernebb 3D nyomtatással készíti a azokat. 10.3.6. A műtét A műtétet az egyes rendszerek erre a célra kifejlesztett eszközkészletével végezzük. Ezek általában különböző átmérőjű fúrókat, betekerő eszközöket, illetve a fúróvezető hüvelyeket az egyes fúróméretekre szűkíteni képes fémperselyeket tartalmaznak. Egyes rendszerek csak az implantátum ágyának kialakítására készültek, a beültetéshez el kell távolítani a sablont. Mások az implantátum beültetését is navigálják. Egyesek, mint a Nobel Guide®, szigorúan zártak, vagyis csak a saját gyártású implantátumok beültetésére alkalmasak, a sablont Svédországban gyártják le 5 munkanap alatt (a Smart Guide® mivel hazánkban gyártja a sablont, nagyon rövid idő alatt elkészíti azt). Hátránya, hogy más implantátumrendszerrel nem használható, előnye viszont, hogy a rendszer a saját implantátumokra optimalizált, az ütközővel ellátott fúrók minimalizálják az intraoperatív tévedéseket. A többi rendszer (CoDiagnostix®, Simplant®, Smart Guide®) lehetőséget teremt arra, hogy számos, a piacon fellehető implantátummal használják, de ezáltal nem lehet olyan szinten optimalizálni az eszközkészletet, mint a Nobel esetében. Implantáció során a sablont, fertőtlenítést követően szájba helyezzük, majd az acéltüskékkel transgingiválisan rögzítjük az állcsontokhoz. Az implantátumok beültetésének egyik, sokak által preferált módszere, a lebenyképzés nélküli, amikor egy lágyrésztrepánnal a sablon nyílásain keresztül eltávolítjuk az ínyt, és a szabaddá váló nyíláson keresztül ültetjük be az implantátumot. A másik módszer során a sablon rögzítése előtt mucoperiosteális lebenyt képezünk, rögzítjük a sablont, majd ezután ültetjük be az implantátumokat. Mi mindenképpen az utóbbi megoldást javasoljuk, mert így szükség esetén lehetőség nyílik a per primam zárásra, illetve a lágyrésztrepánnal az egyik legértékesebb szövetet, a keratinizált íny távolítjuk el. Tekintettel arra, hogy a műtéti sablon minden információt tartalmaz az implantátumok térbeli elhelyezkedéséről, az íny vastagságról stb., a Nobel rendszere lehetővé teszi, hogy a fogtechnikus azt adapterekkel artikulálja és már a műtét előtt fogpótlást készítsenek rá, melyeket egy speciális, 44
kisebb pontatlanságok kiegyenlítésére volt alkalmas. Ezeket a fogpótlásokat közvetlen a műtét után lehetett rögzíteni. A gyártó ezt a módszert, mint egy lehetőséget korábban Teeth-in-anhour® - néven reklámozta. Ezeket a pótlásokat a kisebb nagyobb pontatlanág (a műtét után sokszor kiszámíthatatlan az íny gyógyulása, lefutása), az eszközök magas ára miatt széles körben nem terjedtek el. 10.3.7. Összefoglalás A CAD/CAM sablonokkal navigált implantációk, amennyiben kellően körültekintően, valamennyi lépést betartva, az implantológia alapelveit figyelembe véve végezzük, kiváló eredményt nyújtanak. Ezek a rendszerek azonban nem helyettesítik, inkább szükségessé teszi az orvos szaktudását, az implantológiában való jártasságát. A tervezés, radiológiai sablon készítés során fontos az egyes lépések többszöri ellenőrzése, mivel a kis hibák ellenőrizhetetlenül halmozódni tudnak és végül a beavatkozás sikertelenségét okozhatják. Az implantátum beültetése rendkívül gyors ezzel a módszerrel, azonban nem szabad elfelejteni az oda vezető út hosszát (az előkészületek, a pontos tervezés ideje hosszabb, mint maga a műtét). Nagy számú adatok feldolgozása alapján kijelenthető, hogy a sablon vezetésének köszönhetően az implantátumok beültetése rendkívül pontos. Ezeknek a módszereknek a legnagyobb előnye a pontos, anatómia képleteket, protetikai felépítést figyelembe vevő tervezés, illetve az implantációs sablon alapján elvégezhető, tényleg minimálisan invazív, beavatkozás lehetősége, mely gyakorlatilag nem okoz a betegek számára posztoperatív panaszokat.
10.4.
CAD/CAM technológia az arc-állcsont- szájsebészetben
10.4.1. Bevezetés A maxillofacialis sebészetben a tumor műtétek, traumák okozta defektusok, csonthiányok pótlása, a fejlődési rendellenesség miatti aszimmetriák korrekciója nagy kihívás a kezelő orvosok számára. Az arckoponya összetett, 3 dimenziós struktúra, mely vékony csontlemezekből, 45
vaskosabb csontgerendákból épül fel. Az arc esztétikai és funkcionális egységét alapvetően meghatározza ez a csontos váz. Rekonstruktív műtétek során a defektusba formálni, az eredeti állapothoz közelit létrehozni a sokszor több síkban görbült, egyedi formájú csonthiányból hosszadalmas, már-már művészi feladat. A műtőben eltöltött idő, a narkózis, a seb hosszú ideig tartó expozíciója, a transzplantátum közel sem tökéletes illeszkedése mind olyan tényező, ami valami olyan technika kifejlesztése mellett érvelnek, mellyel a műtéti időt jelentősen lehet csökkenteni, a csontpótlásra használt anyag tökéletesebb illeszkedését biztosítja, kiváló esztétikai és funkcionális eredményt ad. Ehhez a műtét előtt ismernünk kell a defektus pontos méretét, alakját, és ennek megfelelően a műtét előtt az implantátumot el kell készíteni. A preoperatív kivizsgálás részeként nagy részletgazdagságú CT felvételt (fan beam CT > 1 mm szeletvastagság, vagy CBCT) készítünk a kérdéses régióról. A felvétel a nemzetközileg használt DICOM (digital imaging and communications in medicine) formátumban ún. CAD (computer aided design) szoftver segítségével a különböző pl. fogművek okozta zajoktól, műtermékektől megtisztítható, 3 dimenziós, anatómiailag és méreteiben arányos digitális modellé alakítható. A szoftver továbbá a patológiás részek pontos, 3 dimenziós, cefalometrikus analízisére is használható. A 3 dimenziós digitális modell alapján a CAD szoftver segítségével megtervezhető a defektusba tökéletesen illő implantátum. Ezt olyan esetben, amikor valamelyik oldal sérült, az ép oldal tükrözésével lehet megoldani, azonban előfordul olyan eset is, amikor a középvonalat érinti a hiány, ilyenkor nincs mit tükrözni. Ezekben az esetekben az egyre bővülő, korábbi esetek kapcsán készült CT bank áll rendelkezésre, a lehető legjobban hasonlító formájú koponya CT felvételét használva mintaként, kiegészíthetjük a hiányzó részeket. A CAD szoftver segítségével a defektusba szerkesztett virtuális, 3 dimenziós implantátumot a megfelelő formátumba konvertálva, valamilyen számítógép vezérelt megmunkáló eszközre töltjük. Ez a megmunkáló eszköz lehet szubsztaktív (egy tömbből, forgácsolásos technikával alakítja ki a terméket), vagy additív (pl. 3d nyomtatás). A végeredmény a számítógépen virtuálisan
megtervezett
implantátum. Alapvető követelmény, hogy szövetbarát, biokompatibilis anyagból készüljenek az implantátumok. Ez lehet fém, pl. titánium, melyet szubsztaktív módon, forgácsolással, vagy additív módszerrel, ún. SLM (Selective Laser Melting) technikával, titánium por lézersugárral történő rétegenkénti egybeolvasztásával alakítanak a CAD szoftverrel megszerkesztett implantátummá. Ez utóbbi módszerrel porózus, hálós térszerkezetű, könnyebb implantátumok készíthetők, melyek a saját csont benövéséhez mintegy vázként (scaffold) szolgálnak. Az 46
implantátumok készülhetnek műanyagokból is, ilyen biopolimerek például a poliéter-éter keton (PEEK), vagy a porózus polietilén, melyek kiváló mechanikai tulajdonságaik mellett kémiailag stabilak, a szövetnedveknek ellenállnak. 10.4.2. A CAD/CAM módszerrel előállított termékek felhasználhatósága a maxillofaciális sebészetben A kiterjedt csontdefektusok, legyenek azok tumorműtét, vagy trauma következményei, az arckoponya és az agykoponya területén jelentős esztétikai és funkcionális deficittel járnak. A pótlásuk nagy tapasztalatot, jelentős sebészi felkészültséget igényel. A test más tájáról nyert csont graft, vagy csontot is tartalmazó lebeny hosszú, megterhelő műtétet jelent, potenciális donorhely szövődményt hordoz magában. A preoperatíve előkészített implantátummal ez bizonyos esetekben kiváltható. Mind az arcközép, mind a koponya területén kiváló eredménnyel alkalmazhatók a kellő indikációval, körültekintően megtervezett alloplasztikus implantátumok, melyről a jegyzet egy másik fejezete részletesen számol be. A dentális implantológia manapság egyre népszerűbb, a fogorvosi gyakorlatban egyre inkább hétköznapi eszközként tekinthetünk erre a fogpótlási módszerre. A betegek elvárásai egyre nagyobbak, az esztétika és a székben töltött idő, a vizitek számát illetően is. Az implantológiai tervező szoftverek segítségével a csontkínálatnak és a protetikai elveknek megfelelően, virtuálisan implantátumokat helyezhetünk be, ezeket a pozíciókat fúrósablon segítségével biztosíthatjuk a műtét során. A technikáról a jegyzet egy másik fejezete részletesen számol be. Ortognát műtétek során a páciensek csontját sokszor több síkban kell előre kimért távolságokra elmozdítani, majd abban a pozícióban megrögzíteni. A mozgatáshoz a csontokon az oszteotómiákat ideális lefutásban
kell végezni, melyeket időnként intraoperatíve nehéz
pozícionálni. Ehhez nyújt segítséget a műtét előtt, akár sztereolitográfiás 3D modellen szimulált műtét alapján, akár virtuálisan elvégzett oszteotómiára készített vűgósablon. Ez alapján a műtét közben a biztos anatómiai pontokon rögzített vágósablon mellett könnyebb dolga van a műtétet végző sebésznek. Ugyan ezen az elven a tumorműtét előtt megtervezhetjük a csontokon a reszekciós vonalakat, a legyártott vágósablon mellett pedig biztonságosan, gyorsabban végezhetjük a tumor eltávolítását. Az eltávolított csont szegment helyére átmenetileg alloplasztikus anyagot, mint például titán áthidaló lemezt rögzíthetünk a csonkokhoz. Ennek a 47
lemeznek a pontos adaptációja a csonkokhoz és az arc formájához igen fontos. A műtét közbeni (időnként időigényes) adaptáció helyett a preoperatíve megtervezett reszekció alapján, a 3D modellen a lemez pontosan a megfelelő méretre vágható, formára hajlítható, majd a műtétig sterilizálható. Ezzel a műtét ideje rövidíthető. 10.4.3. Komputer asszisztált sebészet Egyszerű, rutin műtét előtt is szükséges tervezni, átgondolni a beavatkozás egyes lépéseit, a felmerülő szövődményeket, és azok elhárításának lehetőségeit. Olyan összetett műtétek során mint például egy komplex arcfejlődési rendellenesség korrekciója, ahol az egyes lépések egymásra épülnek, és bármelyik részműtét pontatlansága a teljes beavatkozás kimenetelét negatívan befolyásolhatja, rendkívül precíz előkészületek szükségesek. Melyik csonton hol végezzük el az oszteotómiákat, azokat melyik irányba, mennyit mozgassuk az ideális eredményhez, a lágyrészek állapota hogyan tolerálja ezeket- mind olyan kérdések, amelyek a páciens gyógyulása szempontjából sarkalatosak. A komputer asszisztált sebészetben egy olyan rendszer van az orvos segítségére, amellyel a beavatkozást megelőzően akár virtuálisan, akár kézzel fogható modellen megtervezhető a műtét, az szimulálható, majd a tényleges operáció közben a tervekkel egybevetve navigálja az operatőrt. A számítógépet a DICOM adathalmaz manipulálásával tervezésre, a beavatkozás elvégzésére, és annak ellenőrzésére is használhatjuk. Három alapvető lépésre bontható a folyamat: •
preoperatív tervezés,
•
intraoperatív és
•
posztoperatív alkalmazás
A preoperatív tervezés előnyeként a beavatkozás eredményessége nő, a műtét közben felmerülő problémák minimalizálhatók, a sebészi beavatkozás virtuális szimulációját teszi lehetővé. Intraoperatív használatával a beavatkozás pontosabban végezhető el, mely a következők használatának az eredménye: intraoperatív navigáció, vágó- és fúrósablonok használata, 3D nyomtatott modellek, páciens specifikus implantátumok, intraoperatív CT. Posztoperatívan a beavatkozás eredményessége azonnal ellenőrizhető. 48
A módszer hátránya egyrészt annak költségessége, másrészt a hagyományos módszerekhez képest a beavatkozást végző operatőr képzése hosszabb idő. 10.4.4. Tervezés Fontos az algoritmus, mely alapján egy eset komplexitását figyelembe véve dönthetünk arról, kell-e preoperatív virtuális tervezés: CT elemzésével döntés a- preoperatív tervezés- az intraoperatív applikáció válaszása Az igen összetett esetekben 3D modellen végzett modellműtétet követően a tényleges beavatkozást intraoperatív navigációval segítve végezhetjük, majd az eredményt azonnal kontrolláljuk intraoperatív CT-vel (kevésbé komplex esetekben ezek közül elhagyható egyikmásik lépés) A szoftver segítségével a tervezés a radiológus kezéből a sebészébe kerül. 3 dimenzióban virtuálisan böngészheti az adott anatómiai régiót, annak patológiáját. Mérhet távolságot, szöget, térfogatot, a csontos defektus, vagy a fejlődési malformáció határait, annak formáját, stb. A szerkesztési opcióval a virtuális 3 modellt optimalizálhatja, elvehet abból, vagy akár hozzá is adhat, pl. a vékony csontlemezeknek vastagságot adhat, hogy a sztereolitográfiás 3D modellen az kellően erős és vágható, modellálható legyen. A tükrözéssel az ép oldalon kijelölt struktúra a defektus oldalába forgatható. A virtuális műtéttel a reszekciós széleket meghatározhatja, ehhez vágósablont szerkeszthet, a törések repozícióját végezheti. 10.4.5. Intraoperatív navigáció Az intraoperatív navigációhoz a páciens anatómiáját és annak térbeli elhelyezkedését kell a navigációs rendszerben regisztrálni. Ehhez optikai referencia pontokat adnak meg a gépnek, melyeket az a rendszer részét képező infravörös kamera érzékel, így definiálja a páciens 3D helyzetét a térben. A navigációs rendszer alapvető hardver részei: számítógép a navigációs szoftverrel, nagy felbontású infravörös kamera, koponya referencia pont, mozgatható optikai referencia pont. A 49
mozgatható referencia pont segítségével a monitoron kivetített radiológiai képanyagon láthatja az operatőr, éppen hol jár, így az ideális helyzetet könnyebben állíthatja be. Technikailag egy infravörös kamera rögzíti az orvosi műszer helyzetét a pácienséhez képest, ezt a navigációs szoftver a radiológiai képanyagra mintegy rávetíti, így tudja az orvos valós időben nyomon követni, hogy a műszerrel éppen hol jár, pl. az implantátumot pontosan hová kell helyezni. 10.4.6. Posztoperatív alkalmazás A beavatkozást követően még a műtőasztalon CT felvétel készül, melyet a navigációs szoftver a preoperatív tervekkel összevet, így ellenőrizhető a beavatkozás pontos végrehajtása, szükség esetén a csontok helyzete, az implantátumok pozíciója módosítható.
ALKALMAZOTT JELÖLÉSEK JEGYZÉKE
3D
háromdimenziós
BMP
bitmap, bittérképes kép fájlformátuma
CBCT
Cone Beam Computed Tomography
CT
Computed Tomograhy
DICOM
Digital Imaging and Communications in Medicine
DPI
Dots Per Inch (egy hüvelykre [25,4 mm] eső képpontok száma)
HU
Hounsfield Unit
PMMA
Polimetil-metakrilát
50
TESZTKÉRDÉSEK
1. A CAD/CAM minek a rövidítése? A. számítógép vezérelt tervezés és megmunkálás B. számítógépes útvonaltervezés C. nanokompozit tömőanyag D. arckoponya törések klasszifikációja 2. Melyik módszer nem tartozik a CAM módszerbe? A. Selective laser melting B. szubsztraktív megmunkálás C. abduktív megmunkálás D. 3D nyomtatás 3. Mi a kettős szkennelésű CT-felvétel A. két CT-felvétel készítése a páciensről B. egy CT-felvétel készítése a páciensről a szájába helyezett radiológiai sablonnal, és egy külön CT-felvétel készítése a radiológiai sablonról C. egy CT-felvétel a guttapercha markerek nélküli sablonról, és egy CT-felvétel készítése a beteg fogsoráról D. egy CT-felvétel és egy fotó készítése a páciens állcsontjairól 4. Hogyan készülnek a modern műtéti sablonok? A. öntőakrilátból a fogtechnikai laboratóriumban B. 3D nyomtatással C. mélyhúzással D. scutan módszerrel
Megoldókulcs: 1. A 2. C 51
3. B 4. B
FELHASZNÁLT SZAKIRODALOM
[1] HEPPENSTALL, R.B: Bone grafting. In Heppenstall R. B. (Ed): Fracture treatment and healing. Philadelphia: W. B. Saunders Co, 1980. –pp. 97-112. [2] JÓZSA L, FÓTHI E: A trepanáció utáni csonthiány területének védelme csontpótlással : a cranioplastica története az őskortól a huszadik századig. –In: Magyar Traumat Ortop. 2006;49(3) –p. 267-274. [3] DINOPOULOS H, DIMITRIOU R, GIANNOUDIS P.V: Bone graft substitutes: What are the options? Journal of the Royal Colleges of Surgeons of Edinburgh and Ireland. 2012;10 – p. 230-239. [4] Eric H. TISCHLER, Erik HANSEN, Matthew S. AUSTIN: Custom Trabecular Metal Implant in Revision Total Hip Replacement with a Paprosky Type-IV Femoral Defect JBJS Case Connect, 2014 12;4(4) –p. e104 [5] CSERNÁTONY Z, NOVÁK L, BOGNÁR L, RUSZTHI P, MANÓ S: Számítógépes tervezésű cranioplastica. Első hazai eredmények a térbeli nyomtatás orvosi alkalmazásával. –In: Magyar Traumat Ortop 2007;50(3) -p. 238-243.
52
[6] JABERI J, GAMBRELL K, TIWANA P, MADDEN C, FINN R: Long-term clinical outcome analysis of poly-methyl-methacrylate cranioplasty for large skull defects J Oral Maxillofac Surg. 2013;71(2) –p-81-88. [7] Bum-Joon KIM, Ki-Sun HONG, Kyung-Jae PARK, Dong-Hyuk PARK, Yong-Gu CHUNG, Shin-Hyuk KANG: Customized Cranioplasty Implants Using Three-Dimensional Printers and Polymethyl-Methacrylate Casting. J Korean Neurosurg Soc 2012;52–p. 541-546. [8] NEMA, http://dicom.nema.org/, 2015.08.25. [9] Materialise, Mimics, http://biomedical.materialise.com/mimics, 2015.08.25. [10] Domenico DALESSANDRI, Laura LAFFRANCHI, Ingrid TONNI, Francesca ZOTTI, Maria Grazia PIANCINO, Corrado PAGANELLI, Pietro BRACCO: Advantages of cone beam computed tomography (CBCT) in the orthodontic treatment planning of cleidocranial dysplasia patients: a case report. Head Face Med. 2011;7: 6. [11] ORR J.F, DUNNE N.J, QUINN J.C: Shrinkage stresses in bone cement. –In: Biomaterials 2003;24(17)-p. 2933-2940. [12] Clive LEE: Properties of Bone Cement: The Mechanical Properties of PMMA Bone Cement, http://eknygos.lsmuni.lt/springer/483/60-66.pdf, 2015.06.26. [13] Van STEENBERGHE D., NAERT I., ANDERSSON M., BRAJNOVIC I., Van CLEYNDNBREUGEL J., SUETENS P.: A custom template and definitive prosthesis allowing immediate implant loading in the maxilla: a clinical report. -In: International Journal of Oral &Maxillofacial Implants, 2002., 5. szám. -p. 663-670. [14] [2] VASAK C., WATZAK G., GAHLEITNER A., STRBAC G., SCHEMPER M., ZECHNER W.: Computed tomography-based evaluation of template (NobelGuide™)guided implant positions: a prospective radiological study. -In: Clinical Oral Implants Research, 2011., 10. szám. -p. 1157-1163. [15] TH. HIERL, G. WOLLNY, F.P. SCHULZE, E. SCHOLZ, J.G. SCHMIDT, G. BERTI, J. HENDRICKS,
A. HEMPRICH: CAD-CAM Implants in Esthetic and Reconstructive
Craniofacial Surgery- In: Journal of Computing and Information Technology - CIT 14, 2006, 1, 65–70 [16] AOFoundation: Authors: Alexander SCHRAMM, Marc METZGER, Nils GELLRICH, BradleySTRONG: www2.aofoundation.org/wps/myportal/surgery?showPage=redfix&bone=CMF&segment=S econdCorr&classification=95c53
Special%20considerations&treatment=&method=Special%20considerations&implantstype= Computer%20assisted%20surgery%20%20Craniofacial%20defect&approach=&redfix_url=1423406734819&Language=en [17] Radi MASRI, Carl F. DRISCOLL: Clinical applications of digital dental technology. ISBN 978-1-118-65579-5. [18] Laszlo SERES, Endre VARGA JR, Andras KOCSIS, Zoltan RASKO, Balazs BAGO, Endre VARGA, Jozsef PIFFKO: Correction of a severe facial asymmetry with computerized planning and with the use of a rapid prototyped surgical template: a case report/technique article. Head & Face Medicine 2014, 10:27
54
